Способ и устройство для определения замыкания фазы на землю

Способ и устройство для определения замыкания фазы на землю

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0001] Настоящее изобретение относится к определению места замыкания на землю в трехфазной электрической сети.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] В некоторых странах, таких как Польша, защита, основанная на нейтральной полной проводимости стала обычной функцией защиты от замыкания на землю. Поступила информация, что для лучшей эффективности определения места замыкания на землю по сравнению с традиционными способами существует способ защиты от замыкания на основе разности фоновых токов в незаземленных и компенсированных распределительных цепях.

[0003] В публикации "Критерий проводимости для определения места короткого замыкания на землю в автоматизированных системах подстанций в польских силовых распределительных сетях", Дж. Лоренц и др., CIRED 97, Бирмингем, Июнь 1997 описаны примеры использования систем защиты короткого замыкания на землю, основанной на нейтральной полной проводимости, и упоминается, что с середины 1996 г. до 2000 г. в Польше были установлены систем защиты, основанные на нейтральной полной проводимости.

[0004] Проще говоря, система защиты на нейтральной полной проводимости основана на оценке частн Y _ 0 = 3 I _ 0 / U _ 0 , т.е. нейтральной проводимости сети и сравнении результата с границами плоскости полной проводимости. Разностный ток 3I₀ обычно измеряют при помощи кабельного стержневого трансформатора, а разностное напряжение U _ 0 измеряют на открытых третьих соединенных треугольником изолированных полюсах трансформаторов напряжения.

[0005] В настоящее время в существующих системах защиты на нейтральной полной проводимости клеммы реле обычно требуют от пользователя выбирать рабочий критерий из нескольких возможных, таких как, 1) чрезмерная полная проводимость, 2) чрезмерная активная проводимость (не направленной или прямой/обратной направленной) без/с наклоном, 3) чрезмерная реактивная проводимость (не направленной или прямой/обратной направленной) без/с наклоном или сочетанием критериев с 1 по 3 (симметричными вокруг начала координат). На Фиг.1 показаны примеры рабочих характеристик существующих функций защиты на полной проводимости, представленных на плоскости полной проводимости (B - ось реактивной проводимости, G - ось активной проводимости). Затененная область в каждой рабочей характеристике определяет нормальную и нерабочую области, т.е. когда нейтральная полная проводимость лежит в этой области, то защита работает. Например, характеристика чрезмерной полной проводимости может быть определена заданием абсолютной величины Y_set для полной проводимости Y _ , которая, как показано, определяет окружность на плоскости полной проводимости. Характеристика чрезмерной активной проводимости может быть определена заданием нижней (-G_set) и верхней (+G_set) границей активной проводимости, а наклон может затем быть задан с углом α, как показано на фигуре. Аналогичным образом, характеристика чрезмерной реактивной проводимости может быть определена заданием абсолютной величины нижней (-B_set) и верхней (+B_set) границей реактивной проводимости, а наклон может затем быть задан с углом α. Необходимо отметить, что характеристики чрезмерной активной проводимости и реактивной проводимости, показанные линиями на Фиг.1, в виде затененной области, показаны только частично для большей ясности.

Дополнительно могут быть сформированы различные комбинации рабочих характеристик путем комбинации установок примененных одновременно, например, установок чрезмерной активной проводимости и чрезмерной реактивной проводимости.

[0006] В известном уровне техники используемые рабочие характеристики зависят от обслуживания нейтральной точки сети. Например, в изолированных сетях должен быть применен критерий реактивной проводимости. В компенсированных сетях, напротив, рекомендуется использовать критерий чрезмерной активной проводимости. Это означает, что клемма реле с защитой на основе активной проводимости требует много установок, которые нужно выставить в соответствии со свойствами сети.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0007] Целью настоящего изобретения является создание способа и устройства для воплощения способа для устранения вышеуказанных недостатков или, по крайней мере, снижения их последствия. Цели настоящего изобретения достигаются использованием способа, компьютерной программы и устройства, отличающихся тем, что содержится в независимых пунктах формулы изобретения. Предпочтительные варианты воплощения данного изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.

[0008] Данное изобретение основано на идее использования нулевой последовательности токов и напряжений до замыкания на землю и во время замыкания на землю для определения нейтральной полной проводимости, и сравнения определенной нейтральной полной проводимости или величины ее определяющей с заранее заданной для выявления замыкания на землю в трехфазной электрической линии, в которой заранее заданная рабочая характеристика, представленная на плоскости полной проводимости, определяет закрытую область таким образом, чтобы центр закрытой области отстоял от начала координат плоскости полной проводимости по направлению к отрицательной активной проводимости и/или по направлению к отрицательной реактивной проводимости.

[0009] Преимуществом данного изобретения является то, что оно обеспечивает упрощенную эксплуатацию и лучшие характеристики, что одновременно приемлемо для незаземленных сетей, заземленных сетей высокого активного сопротивления и/или компенсированных сетей. Поэтому, не требуется никаких изменений задаваемых значений, если, например, изменяется способ заземления, посредством отсоединения компенсационной катушки. Кроме того, настоящее изобретение обеспечивает иммунитет к активному сопротивлению замыкания на землю и разбалансировке системы при использовании дельта-величин при вычислении нейтральной полной проводимости. Поэтому, можно достичь высокой чувствительности в отношении того, как может быть обнаружено замыкание на землю в случае сетей высокого активного сопротивления.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0010] Ниже настоящее изобретение будет описано более подробно на примерах предпочтительных вариантов воплощения со ссылкой на приложенные чертежи, где:

Фиг.1 - показаны примеры рабочих характеристик функций полной проводимости;

Фиг.2 - упрощенная эквивалентная электрическая схема для трехфазной электрической сети;

Фиг.3 - упрощенная эквивалентная электрическая схема для трехфазной электрической сети;

Фиг.4 - пример рабочих характеристик варианта воплощения устройства;

Фиг.5 - пример рабочих характеристик варианта воплощения устройства; и

Фиг.6 - график, иллюстрирующий вариант воплощения устройства, осуществляющий несколько стадий защиты.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0011] Настоящее изобретение не ограничено какой-либо конкретной системой и может быть использовано в различных трехфазных электрических системах для определения короткого замыкания на землю в трехфазной электрической линии электрической сети. Электрическая линия может быть, например, фидером, а также воздушной линией, кабелем или их комбинацией. Система электрической мощности, в которой данное изобретение может быть осуществлено, может представлять собой, например, сеть электропередачи или распределения или их части и может содержать несколько фидеров или секций. Более того, использование данного изобретения не ограничивается системами, использующими 50 Гц или 60 Гц в качестве основной частоты или какого-либо конкретного уровня напряжения.

[0012] Фиг.2 и Фиг.3 представляют собой упрощенные эквивалентные электрические схемы для трехфазной электрической сети, в которой может быть использовано настоящее изобретение. На Фиг.2 показана ситуация, при которой происходит замыкание в фоновой сети, а на Фиг.3 показана ситуация, при которой происходит замыкание в контролируемой сети. На указанных схемах показаны только те компоненты, которые необходимы для понимания сути изобретения. В качестве типичной сети может быть рассмотрена средневольтная (например, 20 кВ) распределительная сеть, запитываемая через подстанцию, содержащую трансформатор 10 и общую шину 20. Приведенная сеть также содержит линейные выходы, т.е. фидеры, один из которых отдельно обозначен позицией 30. Другие возможные фидеры, также как и другие части сети, кроме линии 30, относятся к 'фоновой сети' и представлены единственным линейным выходом 40, хотя следует отметить, что в фоновой сети могут существовать любое число фидеров или других сетевых элементов. Также возможно наличие нескольких питающих подстанций. Кроме того, данное изобретение можно использовать, например, в коммутирующей станции без трансформатора 10. Сеть является трехфазной сетью и три фазы трехфазной электрической системы обозначены как L1, L2, и L3. В типичной системе рабочий элемент настоящего изобретения может находиться в блоке реле (не показан), который размещен в начале линии 30, например, в точке соединения линии 30 и общей шины 20. Также возможно проводить только некоторые измерения в месте размещения такого блока, а результаты измерений затем передать на другой блок или блоки, расположенные в другом месте, для их дальнейшей обработки. Таким образом, функциональность данного изобретения может быть распределена между двумя или более физическими блоками, вместо нахождения в одном блоке, а также блок или блоки, в которых применено данное изобретение, могут быть размещены в защищаемой электрической линии 30 или вдали от нее. Это, однако, не имеет значения для основной идеи данного изобретения. Обозначения, используемые на Фиг.2 и Фиг.3, следующие:

U _ 0 = Нулевая последовательность напряжения сети

E _ L1 = Фаза L1 источника напряжения

E _ L2 = Фаза L2 источника напряжения

E _ L3 = Фаза L3 источника напряжения

I _ CC = Ток через устройство заземления (компенсационная катушка плюс параллельный резистор)

Y _ CC = Полная проводимость устройства заземления (компенсационная катушка плюс параллельный резистор)

I _ L1 = Фазовый ток в фазе L1, измеренный на входе

I _ L2 = Фазовый ток в фазе L2, измеренный на входе

I _ L3 = Фазовый ток в фазе L3, измеренный на входе

I _ L1Fd = Фазовый ток в фазе L1 электрической линии

I _ L2Fd = Фазовый ток в фазе L2 электрической линии

I _ L3Fd = Фазовый ток в фазе L3 электрической линии

I _ L1Bg = Фазовый ток в фазе L1 фоновой сети

I _ L2Bg = Фазовый ток в фазе L2 фоновой сети

I _ L3Bg = Фазовый ток в фазе L3 фоновой сети

U _ L1 = Фазовое напряжение фазы L1 на подстанции

U _ L2 = Фазовое напряжение фазы L2 на подстанции

U _ L3 = Фазовое напряжение фазы L3 на подстанции

Y _ F = Полная проводимость замыкания (при допущении, что это чистая активная проводимость)

Y _ L1Fd = Полная проводимость фазы L1 электрической линии

Y _ L2Fd = Полная проводимость фазы L2 электрической линии

Y _ L3Fd = Полная проводимость фазы L3 электрической линии

Y _ L1Bg = Полная проводимость фазы L1 фоновой сети

Y _ L2Bg = Полная проводимость фазы L2 фоновой сети

Y _ L3Bg = Полная проводимость фазы L3 фоновой сети

Z _ Ld = Импеданс фазы нагрузки, соединенной треугольником

[0013] Измеренные величины тока и напряжения, предпочтительно полученные посредством подходящего измерительного устройства включая, например, датчики тока и напряжения (не показаны на фигурах), подсоединенные к фазам электрической системы. В большинстве существующих систем защиты эти величины легко доступны, и поэтому применение настоящего изобретения не обязательно требует использования каких-либо отдельных или специальных измерительных устройств. Каким образом эти величины получены не имеет значения для основной идеи данного изобретения, а зависит от конкретной измеряемой электрической системы.

[0014] В настоящем изобретении используется вычисление нейтральной полной проводимости Y _ 0 , т.е. остаточного тока 3 I _ 0 ( I _ 0 является током нулевой последовательности), измеренной в начале электрической линии 30 (3 I _ 0 = I _ L1Fd + I _ L2Fd + I _ L3Fd ) и остаточного напряжения U _ 0 (с отрицательным знаком). В соответствии с вариантом воплощения данного изобретения вычисление нейтральной полной проводимости выполняется с "дельта"-величинами, где t1 и t2 обозначают две отдельные временные точки, перед t1 и во время t2 замыкания:

Y _ 0Δ = 3 • ( I _ 0_t2 − I _ 0_t1 ) ( U _ 0_t2 − U _ 0_t1 )         (1)

[0015] Начало вычисления нейтральной полной проводимости (например, согласно уравнению (1) предпочтительно проводится сразу при обнаружении замыкания на землю. Замыкание на землю в электрической сети может быть обнаружено на основе нулевой последовательности напряжения. Это можно осуществить двумя альтернативными способами: или при достижении амплитудой остаточного напряжения заранее заданного значения U _ 0set :

| U _ 0 | > U _ 0set           (2)

или при превышении величиной изменения остаточного напряжения заранее заданного значения:

| U _ 0_t2 | − | U _ 0_t1 | > U _ 0Δset         (3)

[0016] Преимуществом использования уравнения (3) в качестве первичного критерия является то, что благодаря асимметрии сети во время исправного состояния сети может существовать большая амплитуда остаточного напряжения. Это может приводить к очень большим величинам U_0set, что в свою очередь приводит к нечувствительности при обнаружении замыкания. При применении уравнения (3) первичный критерий основывается на изменении, а не на абсолютной величине и, поэтому чувствительность обнаружения замыкания увеличивается.

[0017] На Фиг.2 показано, что при возникновении однофазного замыкания на землю вне электрической линии 30, измеренная нейтральная полная проводимость равна суммарной проводимости линии (сумме всех фазовых полных проводимостей) с отрицательным знаком:

Y _ 0Δ = − Y _ Fdtot = − ( G Fdtot + j • B Fdtot )       (4)

где

Y _ Fdtot = Суммарная полная проводимость линии

G_dtot = Суммарная активная проводимость линии

B_Fdtot = Суммарная реактивная проводимость линии

Y _ Fdtot = Y _ L1Fd + Y _ L2Fd + Y _ L3Fd

Y _ L1Fd = G_L1Fd+j•B_L1Fd

Y _ L2Fd = G_L2Fd+j•B_L2Fd

Y _ L3Fd = G_L3Fd+j•B_L3Fd

G_L1Fd = Активная проводимость фаза-на-землю фазы L1 электрической линии

G_L2Fd = Активная проводимость фаза-на-землю фазы L2 электрической линии

G_L3Fd = Активная проводимость фаза-на-землю фазы L3 электрической линии

B_L1Fd = Реактивная проводимость фаза-на-землю фазы L1 электрической линии

B_L2Fd  = Реактивная проводимость фаза-на-землю фазы L2 электрической линии

B_L3Fd = Реактивная проводимость фаза-на-землю фазы L3 электрической линии

[0018] На практике составляющая активной проводимости д е й с т в ( Y _ Fdtot ) = G Fdtot = ( G L1Fd + G L2Fd + G L3Fd ) весьма мала из-за потерь за счет сопротивления утечки в проводниках. По крайней мере, в воздушных сетях потери могут быть настолько малыми, что активное сопротивление не может быть точно измерено. В этом случае только составляющая реактивной проводимости м н и м ( Y _ Fdtot ) = B Fdtot = ( B L1Fd + B L2Fd + B L3Fd ) = w • ( C L1Fd + C L2Fd +C L3Fd ) верна. Характеристика защиты за счет полной проводимости должна задаваться такой, чтобы измеренная нейтральная полная проводимость во время внешнего замыкания оставалась внутри рабочих характеристик (=защита не работает). Внешнее замыкание означает, что точка замыкания расположена снаружи защищенной электрической линии 30. Это может быть достигнуто за счет задания характеристики полной проводимости такой, что указанная характеристика всегда покрывает суммарную линейную полную проводимость электрической линии. Величина суммарной линейной полной проводимости (сумма полных проводимостей всех фаз) можно определить на основе величины тока замыкания на землю электрической линии:

Y _ Fdtot ≈ j • 3 ⋅ I 0Fd /U phase         (5)

где

3•I_0Fd = амплитуда тока замыкания на землю, обеспечиваемого линией в случае внешнего замыкания (R_F=0 Ом)

U_phase=номинальное напряжение замыкания на землю сети

[0019] Другим вариантом определения суммарной полной проводимости линии является вычисление нейтральной полной проводимости на основе изменений фоновых тока и напряжения в течение исправного состояния. Эти изменения могут происходить из-за, например, изменения настройки компенсационной катушки или переключения параллельного резистора компенсационной катушки (включено или выключено):

Y _ Fdtot = 3 • ( I _ 0_h2 − I _ 0_h1 ) − ( U _ 0_h2 − U _ 0_h1 )         (6)

где

3 • I _ 0_h1 = фоновый ток до изменения в течение исправного состояния

3 • I _ 0_h2 = фоновый ток после изменения в течение исправного состояния

U _ 0_h1 = фоновое напряжение до изменения в течение исправного состояния

U _ 0_h2 = фоновое напряжение после изменения в течение исправного состояния

[0020] Этот вариант воплощения обладает тем преимуществом, что установки характеристики полной проводимости могут быть обновлены при использовании уравнения (6) так, чтобы и установки и характеристики соответствовали текущему состоянию переключения электрической линии, т.е. суммарная линейная полная проводимость линии покрывалась этой характеристикой полной проводимости. Обновление может осуществляться в реальном времени, т.е. всегда, когда состояние переключения трехфазной электрической линии изменяется. Также обновление может осуществляться, например, на заранее заданных интервалах.

[0021] На Фиг.3 показано, что при возникновении однофазного замыкания на землю в электрической линии 30, измеренная нейтральная полная проводимость равна полной проводимости фоновой сети 40 плюс компенсационной катушки включая параллельный резистор:

Y _ 0Δ = Y _ Bgtot + Y _ CC           (7)

где

Y _ Bgtot = Y _ L1Bg + Y _ L2Bg + Y _ L3Bg

Y _ L1Bg = G _ L1Bg + j • B _ L1Bg

Y _ L2Bg = G _ L2Bg + j • B _ L2Bg

Y _ L3Bg = G _ L3Bg + j • B _ L3Bg

G _ L1Bg = Активная проводимость фаза-на-землю фазы L1 фоновой сети

G _ L2Bg = Активная проводимость фаза-на-землю фазы L2 фоновой сети

G _ L3Bg = Активная проводимость фаза-на-землю фазы L3 фоновой сети

B _ L1Bg = Реактивная проводимость фаза-на-землю фазы L1 фоновой сети

B _ L2Bg = Реактивная проводимость фаза-на-землю фазы L2 фоновой сети

B _ L3Bg = Реактивная проводимость фаза-на-землю фазы L3 фоновой сети

Y _ CC = G CC − j • B CC

G_CC = Активная проводимость устройства заземления (компенсационная катушка плюс параллельный резистор)

B_CC = Реактивная проводимость устройства заземления (компенсационная катушка)

[0022] G_CC представляет собой активную проводимость резистора, который соединен параллельно с компенсационной катушкой в случае компенсированных сетей. В случае незаземленных сетей B_CC=0, а G_CC является активным сопротивлением заземляющего резистора. В случае незаземленных сетей Y _ CC = 0 . Характеристика защиты полной проводимости должна быть выставлена такой, чтобы измеренная нейтральная полная проводимость при внутреннем замыкании перемещалась в направлении вовне рабочих характеристик (= защита действует). Внутреннее замыкание означает, что точка замыкания находится внутри защищенной электрической линии 30.

[0023] В случае компенсированной сети и при настроенной компенсационной катушке на резонанс (B_CC=B_Bgtot+B_Fgtot), измеренная нейтральная полная проводимость, вычисленная с помощью дельта величин, равна:

Y _ 0Δ = ( G Bgtot + G CC ) − j • B Fgtot         (8)

[0024] Это наиболее трудный случай различения внешнего и внутреннего замыкания, т.к. мнимая часть измеренной нейтральной полной проводимости одинакова в обоих случаях. Безопасная и надежная защита может потребовать, чтобы электрический ток через сопротивление рос во время замыкания благодаря использованию параллельного резистора. Вычисление нейтральной полной проводимости затем может оценить активную проводимость параллельного резистора. Поэтому различение может быть осуществлено на основе активной проводимости.

[0025] Согласно варианту воплощения настоящего изобретения после определения нейтральной полной проводимости, например, на основе уравнения (1), ее сравнивают с заранее заданной рабочей характеристикой для обнаружения замыкания фазы на землю в трехфазной электрической линии 30. В соответствии с этим вариантом воплощения заранее заданная рабочая характеристика при ее расположении на плоскости полной проводимости, определяет закрытую область таким образом, что центр закрытой области отстоит от начала координат плоскости полной проводимости в отрицательном направлении реактивной проводимости и/или в отрицательном направлении активной проводимости. Сравнение определенной нейтральной полной проводимости или этой показательной величины с заранее заданной рабочей характеристикой для определения замыкания фазы на землю в трехфазной электрической линии предпочтительно включает определение, находится ли определяемая нейтральная полная проводимость внутри или снаружи указанной закрытой области, которая определена заранее заданной рабочей характеристикой на плоскости полной проводимости, и определение замыкания фазы на землю трехфазной электрической линии, когда определенная нейтральная полная проводимость находится снаружи указанной закрытой области, определяемая заранее заданной рабочей характеристикой на плоскости полной прово