ДАТЧИК ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ СИГНАЛОВ УСТРОЙСТВА СЕЛЕКТИВНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВРЕЖДЕННОГО ПРИСОЕДИНЕНИЯ И РАССТОЯНИЯ ОТ ПОДСТАНЦИИ ДО МЕСТА ВОЗНИКНОВЕНИЯ ОДНОФАЗНОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ 6-35 КВ Российский патент 2024 года по МПК G01R31/08 

Изобретение относится к области электроэнергетики и электротехники, использующее метод стоячих воли, которое позволяет определить отходящую линию с однофазным замыканием на землю без ее отключения от сети. Датчик высокочастотных сигналов (ДВЧ) применяется в качестве первичного преобразователя исходной информации и позволяет определить поврежденную отходящую линию, а также расстояние до места однофазного замыкания на землю распределительной сети в составе устройства селективного определения поврежденного присоединения и расстояния от подстанции до места возникновения однофазного замыкания на землю в распределительных сетях 6-35 кВ.

Известно устройство определения поврежденного участка воздушной линии электропередачи (ЛЭП) с ответвлениями в распределительной сети среднего напряжения (6-35 кВ) [патент РФ №2744035С1, МПК G01R 31/08, 02.03.2021 г.], содержащее в каждой из фаз участков воздушной ЛЭП с ответвлениями датчики тока и индикаторы тока ответвлений, отходящих от ответвительной опоры, и приемопередатчики, установленные на этих же ответвительных опорах, и приемник, установленный на подстанции в распределительном устройстве распределительной сети среднею напряжения, причем датчик тока соответствующей фазы соответствующего ответвления, примыкающего к соответствующей ответвительной опоре, соединен с индикатором соответствующей фазы этого участка ответвления, выходы индикатора каждой из фаз участков ответвления ЛЭП связаны с приемным входом приемопередатчика, установленного на этой же ответвительной опоре, передающий выход приемопередатчика соединен по каналу радиосвязи с приемником, установленным на подстанции в распределительном устройстве данной распределительной сети среднего напряжения, и отличающееся тем, что для повышения надежности работы в устройство введены реле напряжения нулевой последовательности, избиратель поврежденных фаз, три (по числу фаз) элемента «И», один элемент «ИЛИ», два однофазных выключателя и резистор, причем вход реле напряжения нулевой последовательности подключен к выходу напряжения нулевой последовательности трансформатора напряжения, установленного на шинах распределительного устройства подстанции распределительной сети среднего напряжения, а выход - к первым входам первого, второго и третьего элементов «И», входы избирателя поврежденных фаз подключены к вторичным цепям фаз трансформатора напряжения, установленного на шинах распределительного устройства подстанции распределительной сети среднего напряжения, ко второму входу первого элемента «И» подключен выход фазы А избирателя поврежденных фаз, ко второму входу второго элемента «И» подключен выход фазы В избирателя поврежденных фаз, ко второму входу третьего элемента «И» подключен выход фазы С избирателя поврежденных фаз, выход первого из элементов «И» подключен к первому входу элемента «ИЛИ», выход второго из элементов «И» подключен ко второму входу элемента «ИЛИ», выход элемента «ИЛИ» подключен к управляемому входу первого выключателя, выход третьего из элементов «И» подключен к управляемому входу второго выключателя, один из вводов первого выключателя подключен к фазе С распределительного устройства подстанции данной распределительной сети среднего напряжения, один из вводов второго выключателя подключен к фазе А распределительного устройства подстанции данной распределительной сети среднего напряжения, другие вводы первого и второго выключателей объединены и подключены к первому вводу резистора, при этом второй ввод резистора заземлен. Недостатком данного устройства является необходимость наличия датчиков обработки сигналов на каждом ответвлении (отпайке) от основной магистрали сети. Другим, еще более существенным недостатком является невозможность нормальной работы датчиков и всего устройства целиком с различными типами ЛЭП (кабельными, комбинированными).

Известно устройство для определения места повреждения электрической сети напряжения 6(10)-35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью [патент РФ №57018U1, 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 датчиков обработки сигналов и всего устройства целиком является невозможность дистанционной передачи информации о поврежденной отходящей линии и расстояния до места замыкания на землю по радиоканалу. Другим, более существенным недостатком является невозможность работы датчиков обработки сигналов и устройства целиком с кабельными и комбинированными (воздушно-кабельными) типами ЛЭП.

Наиболее близкими к предлагаемому изобретению являются датчики тока и напряжения с блоками обработки информации, подключенные к приемопередатчикам системы определения места повреждения в ЛЭП [патент РФ №84132U1, МПК G01R 31/08, 27.06.2009 г.], которые выбраны 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, 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 различными типами ЛЭП (воздушными, кабельными, комбинированными), при различных режимах заземления нейтрали электрических сетей. Еще более существенным недостатком прототипа является сложный алгоритм опроса и взаимодействия периферийных устройств (в состав которых входят датчики тока и напряжения) с центральным блоком управления.

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 путем идентификации резонансных режимов, возникающих на высокочастотных составляющих тока замыкания;

2) обеспечение возможности передачи информации о поврежденной отходящей линии и расстоянии до места однофазного замыкания на землю по радиоканалу двусторонней связи между ДВЧ и узловым блоком управления (УБУ) устройства;

3) обеспечение возможности ДВЧ устройства получать питание от ЛЭП, на которой они установлены, и их автономной работы при пропадании питающего напряжения в сети.

Решения поставленных задач достигаются тем, что на отходящих линиях устанавливаются 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. На более высоких частотах (от 10 кГц и выше) производится определение расстояния от подстанции до места однофазного замыкания на землю.

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).

Через каждый ДВЧ протекают суммарные токи нагрузок (па основной частоте сети) соответствующей отходящей линии, а также высокочастотные составляющие токов (отличные от основной частоты сети). Основой ДВЧ является ферромагнитный сердечник, на который наматывается обмотка высокочастотного трансформатора. Высокочастотный трансформатор представляет собой трансформатор тока (ТТ) (ДВЧ предлагаемого изобретения подключаются по схеме ТТ). В отличие от обычного ТТ, сердечник которого является шихтованным (набранный из тонких листов электротехнической стали), сердечник ДВЧ выполнен из магнитного материала - феррита. Поскольку суммарный ток (рабочий ток ЛЭП на основной частоте с учетом высокочастотных составляющих) отходящей линии, протекающий через ДВЧ, достаточно велик, то существует вероятность перехода ферромагнитного сердечника (являющегося одним из основных модулей ДВЧ) в состояние насыщения. Для того, чтобы ферромагнитный сердечник ДВЧ не переходил в состояние насыщения, в конструкции ДВЧ предусмотрена нагрузочная индуктивность.

Для расчета величины нагрузочной индуктивности была экспериментально получена характеристика намагничивания ферритового кольца марки B64290-L84-×87, N87, R102×65×l5 (фиг.1). Анализируя зависимость индукции от напряженности магнитного поля, можно сделать вывод, что кривая начинает отклоняться от линейной зависимости, начиная с напряженности поля более 30 А-м. Этому значению напряженности магнитного поля для ферритового кольца марки B64290-L84-×87, N87, R102×65×15 будет соответствовать граничное значение тока промышленной частоты, проходящего по первичной обмотке ДВЧ:

где Н - напряженность магнитного поля (30 А⋅м); l - длина средней магнитной линии кольцеобразного сердечника (0,269 м); w_l - число витков первичной обмотки ДВЧ (1 виток). Поэтому, если величина тока будет превышать 8 А, то его необходимо скомпенсировать, подключив к выводам вторичной обмотки высокочастотного трансформатора ДВЧ нагрузочную (шунтирующую) индуктивность (выводы нагрузочной индуктивности подключаются параллельно выводам вторичной обмотки ДВЧ).

Величина нагрузочной индуктивности определяется следующим образом.

Параметры первичной обмотки ДВЧ приводятся к параметрам вторичной обмотки. Величина граничного тока, приведенного к параметрам вторичной обмотки, составляет где - число витков вторичной обмотки ДВЧ (55 витков). Если пренебречь потоками рассеяния ДВЧ и активными сопротивлениями обмоток, то упрощенная схема замещения будет иметь вид, приведенный на фиг. 2 (индуктивность ДВЧ L_m=0,18 7 Тл).

Максимальное значение тока нагрузки, проходящего по первичной обмотке ДВЧ (I₁), определяется суммарной мощностью силовых трансформаторов, подключенных к отходящей линии. Суммарная мощность силовых трансформаторов, подключенных к отходящей линии, на которой устанавливаются ДВЧ, составляет 630 кВ⋅А. Следовательно, максимальный ток нагрузки отходящей линии при номинальном напряжении 10 кВ не будет превышать I₁=40 А (при приведении к параметрам вторичной обмотки ДВЧ I₁=0,73 А). Ток ветви намагничивания не должен превышать I_m=I₂=0.145 A.

Тогда величина тока, проходящего через нагрузочную (шунтирующую) индуктивность, составит I_m=I₁-I_m=0.73-0.145=0,585 A. Индуктивное нагрузочное (шунтовое) сопротивление: где X_m=2πƒL_m=2⋅3,1416⋅50.0,18≈56,549 Ом. Отсюда величина нагрузочной (шунтирующей) индуктивности составляет:

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 устройства.

Автономная работа ДВЧ обеспечивается за счет введения в их конструкцию аккумуляторов, позволяющих сохранять работоспособное состояние датчиков при пропадании питающего напряжения сети.

На фиг.1 изображена характеристика намагничивании ферритового кольца B64290-L84-×87, N87, R102×65×l5.

На фиг. 2 изображена упрощенная схема замещения высокочастотного трансформатора ДВЧ с подключенной нагрузочной индуктивностью.

На фиг. 3 изображена функциональная схема ДВЧ устройства селективного определения поврежденного присоединения и расстояния от подстанции до места возникновения однофазного замыкания на землю в распределительных сетях 6-35 кВ.

ДВЧ устройства селективного определения поврежденною присоединения и расстояния от подстанции до места возникновения однофазного замыкания на землю в распределительных сетях 6-35 кВ структурно состоит из следующих основных частей (фиг. 3): блок обработки и управления (БОУ) процессами измерения высокочастотного сигнала, приемом и передачей данных с УБУ 1, АЦП 2; преобразователь переменного высокочастотного напряжения в постоянное (AC/DC преобразователь) 3, фильтр высокой частоты 4, управляемый масштабный усилитель 5, высокочастотный трансформатор (трансформатор ВЧ) 6, радио-модуль «slave» 7, блок питания (БП) ДВЧ 8.

ДВЧ располагается на отходящей линии от секции шин подстанции. Конструкция ДВЧ предусматривает возможность его установки на токопроводящие шины прямоугольного, круглого сечения. Количество таких ДВЧ определяется числом отходящих линий от секции шин подстанции с учетом установки ДВЧ на каждую фазу.

Условием размещения ДВЧ является установка в начале отходящей линии, в том месте, где возможно физически разместить такие датчики, соблюдая изоляционные промежутки, возможность их безопасной эксплуатации, и технического обслуживания (замена элементов питания или блока обработки информации целиком). Для определения отходящей линии с однофазным замыканием на землю и расстояния до места замыкания достаточно известной топологии этих линий.

В предлагаемом устройстве в качестве дублирующего источника питания используются литий-тионилхлоридные элементы (незаряжаемые), предназначенные для длительной автономной работы (от 5 до 20 и более лет), при малых токах разряда (в основном ДВЧ находится в спящем режиме), и широком диапазоне температур (от -60 до +85 градусов Цельсия), как следствие - во время эксплуатации ДВЧ замена их маловероятна, но при необходимости выполнима, так как источник находится под крышкой передней панели в держателе. Контроль над работоспособностью батареи осуществляется микроконтроллером. Замена осуществляется при снятии напряжения с силовых шинопроводов ячейки. Переключение на работу от батареи происходит при отсутствии напряжения в первичной цепи. В режиме измерения устройство потребляет 20-25 мА, в режиме ожидания (наименьшего потребления) - 1-2 мА. Автономная работа при отсутствии напряжения в первичной сети зависит от емкости аккумуляторной батареи, условий эксплуатации, и температуры окружающей среды.

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

При нормальном режиме работы распределительной сети (однофазное замыкание на землю отсутствует) высокочастотный сигнал не генерируется устройством и не протекает через обмотки ДВЧ. По обмоткам ДВЧ будут протекать только токи нагрузок промышленной частоты сети (50 Гц).

При возникновении напряжения нулевой последовательности (замыкание фазы на землю) устройство генерирует высокочастотный сигнал, который накладывается на ток промышленной частоты. Как следствие, по вторичной обмотке ДВЧ будет протекать суммарный ток, состоящий из эквивалентного тока нагрузок отходящей линии (на промышленной частоте сети) и высокочастотных составляющих. Для выделения высокочастотных составляющих из общего суммарного тока используется высокочастотный фильтр 4, который подавляет эквивалентный ток нагрузки отходящей линии. Затем высокочастотный сигнал подается на масштабный усилитель 5 и преобразуется с помощью АЦП 2 в цифровой код, который далее передается в БОУ 1 процессами измерения сигналов. Для обмена информацией и передачи данных по радиоканалу между УБУ и ДВЧ используются радио-модули соответствующих устройств.

Если величина тока, проходящего по первичной обмотке ДВЧ, превышает ток, проходящий по обмотке ДВЧ в нормальном режиме работы более чем в 2 раза, то это значит, что на отходящей линии произошло однофазное замыкание на землю. Определение расстояния от подстанции до места однофазного замыкания сводится к определению частоты, при которой высокочастотный ток в линии будет максимальным. Длина волны при соблюдении вышеописанного условия будет соответствовать расстоянию от подстанции до места замыкания фазы на землю.

Технические результаты и решение задач достигаются следующим образом: на отходящих линиях устанавливаются ДВЧ, а на секции шин подстанции через 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. На более высоких частотах (от 10 кГц и выше) производится определение расстояния от подстанции до места однофазного замыкания на землю. Через каждый ДВЧ протекают суммарные токи нагрузок (на основной частоте сети) соответствующей отходящей линии, а также высокочастотные составляющие токов (отличные от основной частоты сети). Основой ДВЧ является ферромагнитный сердечник, на который наматывается обмотка трансформатора ВЧ. Трансформатор ВЧ представляет собой ТТ (ДВЧ предлагаемого изобретения подключаются по схеме ТТ). В отличие от обычного ТТ, сердечник которого является шихтованным (набранный из тонких листов электротехнической стали), сердечник ДВЧ выполнен из магнитного материала - феррита. Поскольку суммарный ток (рабочий ток ЛЭП на основной частоте с учетом высокочастотных составляющих) отходящей линии, протекающий через ДВЧ, достаточно велик, то существует вероятность перехода ферромагнитного сердечника (являющегося основой ДВЧ) в состояние насыщения. Для того, чтобы ферромагнитный сердечник ДВЧ не переходил в состояние насыщения, в конструкции ДВЧ предусмотрена нагрузочная индуктивность. 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 устройства. Автономная работа ДВЧ обеспечивается за счет введения в их конструкцию аккумуляторов, позволяющих сохранять работоспособное состояние ДВЧ при пропадании питающего напряжения сети. За счет решения поставленных задач обеспечивается автоматический режим работы предлагаемого изобретения.

Изобретение относится к измерительной технике в области электроэнергетики и электротехники и может быть использовано в составе устройства селективного определения поврежденного присоединения и расстояния от подстанции до места возникновения однофазного замыкания на землю в распределительных сетях 6-35 кВ. Сущность: датчик высокочастотных сигналов (ДВЧ) устанавливается на каждой фазе отходящих линий электропередач. ДВЧ содержит блок питания, высокочастотный трансформатор тока, масштабный усилитель, фильтр высокой частоты, преобразователь переменного высокочастотного напряжения в постоянное, аналого-цифровой преобразователь (АЦП). АЦП соединен с блоком обработки и управления, который управляет процессами измерения высокочастотного сигнала, приемом и передачей информации о поврежденной отходящей линии и расстояния до места возникновения однофазного замыкания на землю по радиоканалу через радиомодуль на узловой блок управления. Сердечник высокочастотного трансформатора выполнен из феррита. При этом предусмотрена нагрузочная индуктивность для предотвращения перехода сердечника в состояние насыщения. Технический результат: возможность дистанционного определения отходящей линии с однофазным замыканием на землю и расстояния до места замыкания в составе устройства селективного определения поврежденного присоединения и расстояния от подстанции до места возникновения однофазного замыкания на землю в различных типах ЛЭП (воздушных, кабельных, комбинированных) распределительных сетей 6-35 кВ с обеспечением возможности передачи информации по радиоканалу и устранении перехода сердечника высокочастотного трансформатора ДВЧ в состояние насыщения. 3 ил.

Датчик высокочастотных сигналов устройства селективного определения поврежденного присоединения и расстояния от подстанции до места возникновения однофазного замыкания на землю в распределительных сетях 6-35 кВ, устанавливаемый на каждой фазе отходящих линий электропередач и содержащий высокочастотный трансформатор тока, через управляемый масштабный усилитель, фильтр высокой частоты, преобразователь переменного высокочастотного напряжения в постоянное, аналого-цифровой преобразователь соединенный с блоком обработки и управления, управляющим процессами измерения высокочастотного сигнала, приемом и передачей информации о поврежденной отходящей линии и расстояния до места возникновения однофазного замыкания на землю по радиоканалу через радиомодуль на узловой блок управления устройства селективного определения поврежденного присоединения и расстояния от подстанции до места возникновения однофазного замыкания на землю, а также блок питания, в том числе аккумуляторы в качестве дублирующего источника питания, при этом сердечник высокочастотного трансформатора выполнен из феррита и предусмотрена нагрузочная индуктивность для предотвращения перехода сердечника в состояние насыщения.