УЗЛОВОЙ БЛОК УПРАВЛЕНИЯ УСТРОЙСТВОМ 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, которое позволяет определить отходящую линию с однофазным замыканием на землю и расстояние от подстанции до места замыкания без отключения поврежденной отходящей линии от сети. Узловой блок управления (УБУ) применяется для генерации высокочастотных составляющих сигнала в отходящую линию с однофазным замыканием и наложение этих высокочастотных составляющих на суммарный ток нагрузки и замыкания, анализа и обработки информации, поступающей от датчиков высокочастотных сигналов (ДВЧ), при определении 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. Также УБУ отображает на дисплее информацию о поврежденной отходящей линии, расстояние от подстанции до места замыкания и передает эту информацию на диспетчерский пункт.

Известно устройство для определения места повреждения электрической сети напряжением 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.

Недостатком как самого устройства в целом, так и блока управления в частности (блок управления проводит анализ состояния системы и отображает соответствующую информацию на дисплее) является невозможность дистанционной передачи информации о поврежденной отходящей линии и расстоянии до места однофазного замыкания на землю по радиоканалу в связи с отсутствием радиомодулей и беспроводной связи между различными блоками (компонентами) устройства.

Известно устройство определения участка трехпроводной воздушной линии электропередачи (ЛЭП) с обрывом фазного провода [патент РФ №2703945 С1, МПК G01R 31/08, 23.10.2019 г.], состоящее из пяти обособленных участков, содержащее три микропроцессорных счетчика электроэнергии с функциями определения обрыва фазного провода трехпроводной воздушной ЛЭП и передачи аварийного сигнала по GSM-каналу на устройство сбора данных диспетчерского пункта электрических сетей, установленные на стороне низшего напряжения трех трансформаторных подстанций, дополнительно содержит логический блок и информационное табло с семью информационными полями, а логический блок содержит три логических элемента НЕ, шесть логических элементов И и один логический элемент ИЛИ, причем три логических выхода устройства сбора данных соединены со входами трех логических элементов НЕ, три входа первого логического элемента И соединены с тремя выходами устройства сбора данных, три входа второго логического элемента И соединены с выходом первого логического элемента НЕ и со вторым и третьим выходами устройства сбора данных, три входа третьего логического элемента И соединены с выходами первого и второго логических элементов НЕ и с третьим выходом устройства сбора данных, три входа четвертого логического элемента И соединены с первым выходом устройства сбора данных и выходами второго и третьего логических элементов НЕ, три входа пятого логического элемента И соединены с выходами первого и третьего логических элементов НЕ и вторым выходом устройства сбора данных, три входа шестого логического элемента И соединены с выходами трех логических элементов НЕ, пять входов логического элемента ИЛИ соединены с выходами первых пяти логических элементов И, семь входов информационного табло соединены с выходом логического элемента ИЛИ и выходами шести логических элементов И.

Недостатком является невозможность работы известного устройства с кабельными и комбинированными ЛЭП. Другими, еще более существенными недостатками известного устройства являются: необходимость наличия дорогостоящих микропроцессорных счетчиков, используемых в качестве первичных датчиков (микропроцессорные счетчики реализуют основные функции работы изобретения, т.е. устройство обработки сигналов выполняет, по большей части, вспомогательные функции), а также невозможность определения расстояния от подстанции до места однофазного замыкания на землю.

Прототипом предлагаемого изобретения является центральное устройство системы определения места повреждения в ЛЭП [патент РФ №84132 U1, МПК G01R 31/08, 27.06.2009 г.]. Система содержит центральное устройство и подключенные к нему периферийные устройства, содержащие приемопередатчики и датчики тока, расположенные вдоль ЛЭП. Периферийные устройства снабжены датчиками напряжения, аналого-цифровыми преобразователями (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 кабельными и комбинированными типами ЛЭП; а также невозможность работы при различных режимах заземления нейтрали электрической сети (изолированной, с компенсацией емкостного тока). Другим, еще более существенным недостатком известной системы является сложный поочередный опрос центральным устройством управления периферийных устройств (датчиков). В случае выхода из строя хотя бы одного приемопередатчика одного из периферийных устройств системы будет нарушен канал связи центрального устройства управления с приемопередатчиками последующих периферийных устройств и их опрос центральным устройством управления становится невозможным. Таким образом, нарушается нормальная работа всей системы.

Задачами, на решение которых направлено предлагаемое изобретение являются:

1) опрос ДВЧ, анализ и обработка информации, поступающей от ДВЧ по радиоканалу двусторонней связи при дистанционном определении отходящей линии с однофазным замыканием на землю и расстояния до места замыкания в распределительных сетях 6-35 кВ;

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

3) опрос ДВЧ УБУ напрямую (без использования каких-либо промежуточных приемопередатчиков);

4) генерация высокочастотных составляющих в отходящую линию с однофазным замыканием и наложение этих высокочастотных составляющих на суммарный ток нагрузки и замыкания;

5) индикация информации о поврежденной отходящей линии с однофазным замыканием на землю и расстояния от подстанции до места замыкания на цифровом дисплее и ее передача на диспетчерский пункт;

6) автоматический запуск сканирования линий при возникновении однофазного замыкания (появления напряжения нулевой последовательности).

Решения поставленных задач достигаются тем, что при однофазном замыкании на землю УБУ генерирует высокочастотный сигнал, который накладывается на суммарный ток нагрузки и замыкания. Диапазон изменения частоты этого сигнала может варьироваться от 1 кГц до 100 кГц. В диапазоне частот от 1 кГц до 10 кГц УБУ определяет поврежденную отходящую линию, на более высоких частотах (10 кГц и выше) - производит сканирование поврежденной отходящей линии для определения расстояния от подстанции до места замыкания. Таким образом, УБУ производит анализ входного сигнала, поступающего от ДВЧ, и выполняет цифровую обработку результирующего сигнала (тока однофазного замыкания вместе с высокочастотными составляющими). Передача информации о поврежденной отходящей линии и расстоянии до места однофазного замыкания на землю по радиоканалу выполняется с помощью радиомодулей (приемопередатчиков), предусмотренных в конструкции устройства. Радиомодули (приемопередатчики) обеспечивают прямую беспроводную передачу информации от ДВЧ к УБУ.

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

УБУ устройства селективного определения поврежденного присоединения и расстояния от подстанции до места возникновения однофазного замыкания на землю в распределительных сетях 6-35 кВ выполнен в виде единого блок-модуля, который включает в себя собственно сам УБУ 1 вместе 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 2 (диапазон изменения частоты 200-150000 Гц), усилитель мощности 3, высокочастотный индуктор (индуктор ВЧ) 4, радио-модуль «master» 5, блок питания (БП) УБУ 6. Генератор высокочастотных сигналов (генератор ВЧ) устройства 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 путем сканирования поврежденной отходящей линии).

В нормальном режиме работы подстанции функционирует УБУ 1, который анализирует состояние контактов реле, сигнализирующее о возникновении напряжения нулевой последовательности. БП УБУ получает питание от постоянного/переменного оперативного тока подстанции 220 или 110 В. При возникновении напряжения нулевой последовательности (замыкание фазы на землю) УБУ 1 запускает генератор высокой частоты 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. После того, как установлена связь между УБУ 1 и ДВЧ, записывается коэффициент передачи в масштабные усилители ДВЧ и запускается АЦП. Затем, после преобразования аналогового сигнала в цифровой, результат записывается в буфер обмена и радио-модуль ДВЧ 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, и процесс повторяется до тех пор, пока не выполнится вышеназванное условие. 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. На дисплей УБУ выводится номер отходящей линии, в которой произошло замыкание фазы на землю, и расстояние от подстанции до места замыкания. Эти данные УБУ 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).

Таким образом, происходит непосредственный опрос всех ДВЧ УБУ, минуя какие-либо дополнительные промежуточные устройства (приемопередатчики и т.п.).

Технические результаты и решение задач достигаются следующим образом: при однофазном замыкании на землю УБУ генерирует высокочастотный сигнал, который накладывается на суммарный ток нагрузки и замыкания. Диапазон изменения частоты этого сигнала может варьироваться от 1 кГц до 100 кГц. В диапазоне частот от 1 кГц до 10 кГц УБУ определяет поврежденную отходящую линию, на более высоких частотах (10 кГц и выше) - производит сканирование поврежденной отходящей линии для определения расстояния от подстанции до места замыкания. Таким образом, УБУ производит анализ входного сигнала, поступающего от ДВЧ, и выполняет цифровую обработку результирующего сигнала (тока однофазного замыкания вместе с высокочастотными составляющими). Передача информации о поврежденной отходящей линии и расстоянии до места однофазного замыкания на землю по радиоканалу выполняется с помощью радиомодулей (приемопередатчиков), предусмотренных в конструкции устройства. Радиомодули (приемопередатчики) обеспечивают прямую беспроводную передачу информации от ДВЧ к УБУ.

Совокупность достигнутых технических результатов и решения поставленных задач обеспечивает автоматический режим работы УБУ.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат заключается в обеспечении определения отходящей линии с однофазным замыканием на землю и расстояния от подстанции до места замыкания без отключения поврежденной отходящей линии от сети. Технический результат достигается за счет того, что узловой блок управления устройства селективного определения поврежденного присоединения и расстояния от подстанции до места возникновения однофазного замыкания на землю в распределительных сетях 6-35 кВ состоит из единого блок-модуля, который содержит модули ввода-вывода информации, корректировки времени и определения местоположения, связи с информационными системами верхнего уровня, соединенного с генератором высокой частоты, напряжение которого через усилитель мощности подается на высокочастотный индуктор, 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 определения расстояния от подстанции до места замыкания при сканировании поврежденной отходящей линии. 1 ил.

Узловой блок управления устройства селективного определения поврежденного присоединения и расстояния от подстанции до места возникновения однофазного замыкания на землю в распределительных сетях 6-35 кВ, состоящий из единого блок-модуля, включающего в себя модули ввода-вывода информации, корректировки времени и определения местоположения, связи с информационными системами верхнего уровня, соединенного с генератором высокой частоты, напряжение которого через усилитель мощности подается на высокочастотный индуктор, 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 определения расстояния от подстанции до места замыкания при сканировании поврежденной отходящей линии.