УСТРОЙСТВО СЕЛЕКТИВНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВРЕЖДЕННОГО ПРИСОЕДИНЕНИЯ И РАССТОЯНИЯ ОТ ПОДСТАНЦИИ ДО МЕСТА ВОЗНИКНОВЕНИЯ ОДНОФАЗНОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ 6-35 кВ Российский патент 2023 года по МПК G01R31/08 

Изобретение относится к области электроэнергетики и электротехники, использующее метод стоячих волн, который в отличие от подобных методов (импульсные, волновые, петлевые) не требует отключение линии с повреждением от сети. Устройство может применяться для определения поврежденной отходящей линии с замыканием на землю и расстояние от подстанции до места замыкания в распределительных сетях 6-35 кВ промышленных предприятий, предприятий электросетевого комплекса, сетевых организаций и т.д. Определение места замыкания и расстояния от подстанции до него производится за счет измерения токов с частотой резонанса напряжения на защищаемых линиях.

Известно устройство для диагностики однофазных замыканий на землю на воздушных линиях в распределительных электрических сетях с изолированным режимом работы нейтрали напряжением 6-10-35 кВ [патент РФ №160906 U1, МПК G01R 31/08, 10.04.2016 г.], имеющих узловую подстанцию и потребительскую подстанцию, состоящее из последовательно соединенных средства для снятия первичной информации о фазном напряжении на воздушной линии электропередачи (ЛЭП), средства обработки сигналов, средства обработки информации и средства передачи информации, отличающееся тем, что средство для снятия первичной информации о фазном напряжении выполнено в виде приемной антенны, средство обработки сигналов содержит последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь (АЦП), преобразователь быстрого преобразования Фурье и идентификатор высших гармонических составляющих, средство обработки информации выполнено с возможностью осциллографирования процесса однофазного замыкания на землю, а средство передачи информации содержит интерфейс, соединенный с модемом для передачи данных, причем приемная антенна соединена с АЦП, а идентификатор высших гармонических составляющих соединен со средством обработки информации, которое соединено с дополнительно введенным блоком питания (БП), соединенным в свою очередь с потребительской подстанцией. Недостатками данного устройства являются: необходимость наличия узловой и потребительской подстанций; невозможность работы в сетях с компенсацией емкостного тока и невозможность работы устройства с различными типами ЛЭП (воздушными, кабельными, комбинированными).

Известно устройство для определения места повреждения электрической сети напряжения 6(10)-35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью [патент РФ №57018 U1, МПК G01R 31/08, 27.09.2006 г.], состоящее из последовательно соединенных средств для снятия первичной информации сети, средства обработки сигналов и средство обработки и отображения информации, отличающееся тем, что средство для обработки сигналов состоит из фильтра напряжения нулевой последовательности, выход которого соединен со входом фильтра напряжения, первый выход которого соединен со входом первого компаратора, второй выход - с первым входом фазочувствительного выпрямителя, фильтра тока нулевой последовательности, выход которого соединен со входом фазочувствительного выпрямителя, первый выход которого соединен со входом второго компаратора, а второй выход соединен со вторым входом фазочувствительного выпрямителя, выход которого соединен, со входом одновибратора, выход которого соединен с первым входом средства анализа и отображения информации в качестве которого использована электронно-вычислительная машина (ЭВМ), второй и третий входы которого соединены с выходами первого и второго компараторов, при этом в качестве средств для снятия первичной информации использованы датчики напряжения и датчики тока фазы А, фазы В и фазы С.

Недостатками устройства являются: невозможность дистанционной передачи информации о поврежденной отходящей линии и расстоянии до места однофазного замыкания на землю по радиоканалу; невозможность работы устройства с различными типами ЛЭП (воздушными, кабельными или комбинированными).

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является система определения места повреждения в ЛЭП [патент РФ №84132 U1, МПК G01R 31/08, 27.06.2009 г.], которая выбрана за прототип. Прототип содержит центральное устройство и подключенные к нему периферийные устройства, содержащие приемопередатчики и датчики тока, расположенные вдоль ЛЭП. Периферийные устройства снабжены датчиками напряжения, АЦП, микроконтроллерами, при этом датчики тока и датчики напряжения через АЦП и последовательно соединенные с ними контроллеры подключены к приемопередатчикам. Кроме того, датчики тока и напряжения могут быть расположены на опорах в месте крепления изоляторов; на фазных проводах ЛЭП. Кроме того, каждое второе периферийное устройство может содержать дополнительный приемопередатчик, подключенный к микроконтроллеру.

Недостатками данной системы являются: необходимость наличия в начале и конце защищаемой ЛЭП датчиков; невозможность работы системы с различными типами ЛЭП (воздушными, кабельными, комбинированными); а также работы при различных режимах заземления нейтрали электрической сети (изолированной, с компенсацией емкостного тока).

Задачами, на решение которых направлено предлагаемое изобретение являются:

1) дистанционное определение отходящей линии с однофазным замыканием на землю и расстояния до места замыкания при различных типах ЛЭП (воздушных, кабельных, комбинированных) в распределительных сетях 6-35 кВ с протяженностью ЛЭП до 50 км, точностью не менее 50 м, временем определения однофазного замыкания на землю не более 1 минуты;

2) обеспечение возможности передачи информации о поврежденной отходящей линии и расстоянии до места однофазного замыкания на землю по радиоканалу.

Решения поставленных задач достигаются тем, что на отходящих линиях устанавливаются датчики высокочастотного сигнала (ДВЧ), а на секции шин подстанции через высокочастотный индуктор (индуктор ВЧ) подается сигнал. Диапазон изменения частоты этого сигнала может варьироваться от 1 кГц до 100 кГц. В диапазоне частот от 1 кГц до 10 кГц определяется поврежденная отходящая линия. При наличии в распределительной сети поврежденной отходящей линии в указанном диапазоне частот возникает резонанс напряжений между поврежденной отходящей линией и заградительным конденсатором. На более высоких частотах (10 кГц и выше) производится сканирование поврежденной отходящей линии. Максимальное значение тока на входе поврежденной линии будет соответствовать такой частоте резонанса, при которой в отходящей линии, являющейся для данных частот линией с распределенными параметрами, возникают стоячие волны. Длина волны соответствует расстоянию до места замыкания при резонансной частоте, т.е. где - расстояние от подстанции до места замыкания (она же длина электромагнитной волны), км; с = 300000 -скорость распространения электромагнитной волны, км/с; -резонансная частота, Гц. Передача информации о поврежденной отходящей линии и расстоянии до места однофазного замыкания на землю по радиоканалу выполняется с помощью радиомодулей (приемопередатчиков), предусмотренных в конструкции ДВЧ. Радиомодули (приемопередатчики) обеспечивают беспроводной обмен информацией между ДВЧ и УБУ (узловым блоком управления) устройства.

На фиг.1 изображена функциональная схема устройства селективного определения поврежденного присоединения и расстояния от подстанции до места возникновения однофазного замыкания на землю в распределительных сетях 6-35 кВ.

Устройство селективного определения поврежденного присоединения и расстояния от подстанции до места возникновения однофазного замыкания на землю в распределительных сетях 6-35 кВ состоит из двух основных частей.

Первая часть является системой управления (СУ) всего устройства. СУ устройства выполнена в виде единого блок-модуля. Она включает в себя УБУ 1 с модулями ввода-вывода информации, в том числе специальный модуль для корректировки времени и определения местоположения, а также модуль для связи с информационными системами верхнего уровня (например, SCADA и т.п.), генератор высокой частоты (генератор ВЧ) 2 (диапазон изменения частоты 200-150000 Гц), усилитель мощности 3, индуктор ВЧ 4, радио-модуль «master» 5, БП СУ 6. Генератор ВЧ позволяет генерировать сигналы в частотном диапазоне от 200 Гц до 150 кГц, однако для определения отходящей линии с однофазным замыканием на землю и расстояния от подстанции до места замыкания необходимы иные частотные диапазоны, которые находятся внутри заявленного (200 Гц-150 кГц), т.е. используются 2 частотных диапазона, которые перекрываются между собой: 1 кГц-10 кГц (определение поврежденной отходящей линии) и 10 кГц-100 кГц (определение расстояния от подстанции до места замыкания).

Вторая часть устройства относится к ДВЧ. Количество таких модулей определяется числом отходящих линий от секции шин подстанции, умноженным на 3 (ДВЧ устанавливаются на каждую фазу отходящей линии). Состав модулей следующий: блок обработки и управления (БОУ) 7, управляющий процессами измерения высокочастотного сигнала, приемом и передачей данных с УБУ, АЦП 8; преобразователь переменного высокочастотного напряжения в постоянное (AC/DC преобразователь) 9, фильтр высокой частоты 10, управляемый масштабный усилитель 11, высокочастотный трансформатор (трансформатор ВЧ) 12, радио-модуль «slave» 13, БП ДВЧ 14.

Устройство селективного определения поврежденного присоединения и расстояния от подстанции до места возникновения однофазного замыкания на землю в распределительных сетях 6-35 кВ работает следующим образом:

В нормальном режиме работы подстанции функционирует только УБУ 1, который анализирует состояние контактов реле, сигнализирующее о возникновении напряжения нулевой последовательности.

БП СУ получают питание от постоянного/переменного оперативного тока подстанции 220 или 110 В.

При возникновении напряжения нулевой последовательности (замыкание фазы на землю) УБУ 1 запускает генератор ВЧ 2, напряжение которого через усилитель мощности 3 подается на индуктор ВЧ 4.

Затем по радиочастотному модулю 5 УБУ устанавливает по очереди связь со всеми ДВЧ и передает для всех один и тот же коэффициент передачи для масштабных усилителей 11.

После того, как установлена связь между УБУ 1 и ДВЧ, БОУ 7 записывает коэффициент передачи в масштабный усилитель 11 и запускает АЦП 8.

Далее после преобразования аналогового сигнала в цифровой, результат записывается в буфер обмена и радио-модуль 13 ожидает запрос от УБУ на передачу данных. УБУ 1 опрашивает по очереди готовность ДВЧ на передачу данных и, если радио-модули соответствующих ДВЧ готовы передать данные, УБУ их принимает.

Далее УБУ проводит анализ полученных данных.

Если величина тока одного из ДВЧ превышает остальные более чем в 2 раза, то это значит, что в соответствующей отходящей линии произошло замыкание фазы на землю.

В противном случае УБУ изменяет частоту генератора ВЧ, и процесс повторяется до тех пор, пока не выполнится вышеназванное условие.

Первый этап работы устройства заканчивается.

В результате определяется отходящая линия с замкнутой на землю фазой.

После определения поврежденной отходящей линии УБУ устанавливает связь с ДВЧ этой отходящей линии.

Сканирование отходящей линии с заземленной фазой начинается с частоты, которая определяется длиной отходящей линии, заранее занесенной в память при программировании УБУ, далее частота увеличивается.

Задача сканирования заключается в определении частоты, при которой высокочастотный ток в линии будет максимальным.

Длина волны, при найденной частоте, будет соответствовать расстоянию от подстанции до места замыкания фазы на землю.

Па дисплей УБУ выводится номер отходящей линии, в которой произошло замыкание фазы на землю, и расстояние до места замыкания. Эти данные СУ передает через порт RS-232 на модуль МП-04.01. Данные через порт RS-232 на модуль МП-04.01 передаются по протоколу Modbus serial. При серийном выпуске возможно изготовление УБУ с поддержкой интерфейса и формата Ethernet для передачи данных по протоколам стандарта IEC 61850 (МЭК 61850).

Технические результаты и решение задач достигаются следующим образом: на отходящих линиях устанавливаются ДВЧ, а на секции шин подстанции через индуктор ВЧ подастся сигнал. Диапазон изменения час готы этого сигнала может варьироваться от 1 кГц до 100 кГц. В диапазоне частот от 1 кГц до 10 кГц определяется поврежденная отходящая линия. При наличии в распределительной сети поврежденной отходящей линии в указанном диапазоне частот возникает резонанс напряжений между поврежденной отходящей линией и заградительным конденсатором. На более высоких частотах (10 кГц и выше) производится сканирование поврежденной отходящей линии. Максимальное значение тока на входе поврежденной линии будет соответствовать такой частоте резонанса, при которой в отходящей линии, являющейся для данных частот линией с распределенными параметрами, возникают стоячие волны. Длина волны соответствует расстоянию до места замыкания при резонансной частоте, т.е. где - расстояние от подстанции до места замыкания (она же длина электромагнитной волны), км; с=300000 - скорость распространения электромагнитной волны, км/с; - резонансная частота, Гц. Передача информации о поврежденной отходящей линии и расстоянии до места однофазного замыкания на землю но радиоканалу выполняется с помощью радиомодулей (приемопередатчиков), предусмотренных в конструкции ДВЧ. Радиомодули (приемопередатчики) обеспечивают беспроводной обмен информацией между ДВЧ и УБУ устройства. Совокупность достигнутых технических результатов и решения поставленных задач обеспечивает автоматический режим работы устройства.

Изобретение относится к области электроэнергетики и электротехники и может применяться для определения поврежденной отходящей линии с замыканием на землю и расстояния от подстанции до места замыкания в распределительных сетях 6-35 кВ. Определение места замыкания и расстояния от подстанции до него производится за счет измерения токов с частотой резонанса напряжения на защищаемых линиях. Устройство селективного определения поврежденного присоединения и расстояния от подстанции до места возникновения однофазного замыкания на землю содержит систему управления и датчики высокой частоты, установленные на каждой фазе линий электропередач, отходящих от секции шин подстанции. Система управления включает узловой блок управления, генератор высокой частоты, запускаемый от узлового блока управления и через усилитель мощности соединенный с высокочастотным индуктором для подачи сигнала на секции шин подстанции, радиомодуль для беспроводного обмена информацией узлового блока управления с датчиками высокой частоты и блок питания. Генератор высокой частоты выполнен с возможностью генерировать сигналы с частотой, изменяющейся в диапазоне 1-10 кГц для определения поврежденной отходящей линии, и в диапазоне 10-100 кГц для сканирования поврежденной отходящей линии и определения расстояния от подстанции до места замыкания. Датчик высокой частоты содержит высокочастотный трансформатор, управляемый масштабный усилитель, фильтр высокой частоты, преобразователь переменного высокочастотного напряжения в постоянное и аналого-цифровой преобразователь, соединенный с блоком обработки и управления, управляющим процессами измерения высокочастотного сигнала, приемом и передачей информации о поврежденной отходящей линии и расстоянии до места однофазного замыкания на землю по радиоканалу через радиомодуль на узловой блок управления системы управления устройством, и блок питания. Технический результат: дистанционное определение отходящей линии с однофазным замыканием на землю и расстояния до места замыкания в различных типах ЛЭП. 1 ил.

Устройство селективного определения поврежденного присоединения и расстояния от подстанции до места возникновения однофазного замыкания на землю в распределительных сетях 6-35 кВ, содержащее систему управления и датчики высокой частоты, установленные на каждой фазе линий электропередач, отходящих от секции шин подстанции, система управления выполнена в виде единого блок-модуля и включает узловой блок управления, генератор высокой частоты, запускаемый от узлового блока управления и через усилитель мощности соединенный с высокочастотным индуктором для подачи сигнала на секции шин подстанции, радиомодуль для беспроводного обмена информацией узлового блока управления с датчиками высокой частоты и блок питания, причем генератор высокой частоты выполнен с возможностью генерировать сигналы с частотой, изменяющейся в диапазоне 1-10 кГц для определения поврежденной отходящей линии и в диапазоне 10-100 кГц для сканирования поврежденной отходящей линии и определения расстояния от подстанции до места замыкания, датчик высокой частоты содержит высокочастотный трансформатор, управляемый масштабный усилитель, фильтр высокой частоты, преобразователь переменного высокочастотного напряжения в постоянное и аналого-цифровой преобразователь, соединенный с блоком обработки и управления, управляющим процессами измерения высокочастотного сигнала, приемом и передачей информации о поврежденной отходящей линии и расстоянии до места однофазного замыкания на землю по радиоканалу через радиомодуль на узловой блок управления системы управления устройством, и блок питания.