Способ и устройство для обнаружения короткого замыкания на землю

Способ и устройство для обнаружения короткого замыкания на землю

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к обнаружению короткого замыкания на землю.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Обычные и наиболее часто используемые функции защиты от короткого замыкания на землю в электрических сетях основаны на определении остаточного тока, поляризованной нулевой последовательности напряжения. Особенно в незаземленных и компенсированных распределительных сетях подобные защитные функции основаны на locosφ, losinφ или на критерии фазового угла. Однако в некоторых странах предпочтительным и даже требуемым способом обеспечения функции защиты от короткого замыкания на землю стало определение нейтральной полной проводимости. Ссылка Дж. Лоренц и др. «Критерий полной проводимости для определения в автоматизированных системах подстанций в польских распределительных энергетических сетях», CIRED 97, Бирмингем, июнь 1997, раскрывает примеры воплощения способа защиты от короткого замыкания на землю, основанного на определении нейтральной полной проводимости.

В простых условиях способ защиты по нейтральной полной проводимости основан на оценке показателя: Y _ o = I _ o / − U _ o , т.е. нейтральной полной проводимости сети, вычисленной из основных частотных фазоров остаточного тока I _ o и остаточного напряжения U _ o , и затем сравнения результата с заранее определенными рабочими границами (рабочая характеристика) в области нейтральной полной проводимости (область Y _ o ). Остаточный ток I _ o может быть измерен посредством кабеля на сердечнике трансформатора, а остаточное напряжение U _ o может быть измерено, например, с помощью третичных однополюсных изолированных трансформаторов, соединенных треугольником.

Публикация WO 2010/061055 раскрывает другой способ вычисления нейтральной полной проводимости с использованием изменений остаточного тока и остаточного напряжения, вызванного замыканием:

Y _ o = Δ I _ o / ( − Δ U _ o ) ,

где

Δ I _ o = I _ o ( t 2 ) − I _ o ( t 1 )

Δ U _ o = U _ o ( t 2 ) − U _ o ( t 1 )

a t₁ и t₂ относятся к двум отдельным моментам времени: до (t₁) и во время (t₂) замыкания.

Кроме того, в публикации WO 2010/061055 раскрыта характеристика способа защиты по нейтральной полной проводимости, в которой рабочая характеристика в области нейтральной полной проводимости (область Y _ o ) определяет такую закрытую область, центр которой отстоит от начала плоскости полной проводимости по направлению к отрицательному направлению мнимой проводимости и/или к отрицательной активной проводимости.

В функциях защиты от короткого замыкания, чьи операции основаны на измеренной нейтральной полной проводимости, действие производится в нейтральной области полной проводимости (область Y _ o ). Это означает, что терминал с функцией защиты посредством, например, нейтральной полной проводимости требует задания установок в блоках нейтральной полной проводимости, например Сименс или на практике милиСименс. Такие блоки и концепция нейтральной полной проводимости могут быть незнакомы обслуживающему их персоналу, который работает с оборудованием защиты. Такие установки могут рассматриваться как непрактические и трудные в освоении благодаря тому, что они весьма редки на практике использования в технике защиты. Указанные выше причины препятствуют широкому использованию систем защиты от короткого замыкания на землю, основанных на нейтральной полной проводимости, несмотря на преимущества, которые обеспечивают системы защиты от короткого замыкания на землю, основанные на нейтральной полной проводимости.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью настоящего изобретения, таким образом, является создание способа и устройства для осуществления способа для преодоления вышеописанной проблемы или, по крайней мере, ослабления ее влияния. Цели изобретения достигаются посредством способа, компьютерного программного продукта и устройства, которые описаны в независимых пунктах формулы изобретения. Предпочтительные варианты воплощения данного изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.

Настоящее изобретение основано на идее задания заранее одного или более значений параметров, которые определяют рабочие характеристики защиты, таких как величины остаточного тока, величины остаточной мощности, или удельной величины, которые затем либо преобразуют в один или более заранее заданный параметр для области остаточного тока, или для области нейтральной полной проводимости или отдельной области нейтральной полной проводимости в область остаточного тока, в область остаточной мощности или отдельную область для обеспечения сравнения определенного значения нейтральной полной проводимости с одним или более заранее заданным параметром с целью обнаружения короткого замыкания на землю.

Преимуществом способа и устройства, согласно настоящему изобретению, является то, что оно позволяет задать рабочие границы в виде величины остаточного тока, величины остаточной мощности или удельных величин при использовании защиты от короткого замыкания на землю, основанной на нейтральной полной проводимости. Таким образом, данное изобретение обеспечивает все преимущества принципа, основанного на нейтральной полной проводимости, например иммунитет к активному сопротивлению замыкания и дисбаланса системы, а также использование простых заданных величин, таких как величина остаточного тока, величина остаточной мощности, удельные величины, которые известны и понятны обслуживающему персоналу.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Ниже настоящее изобретение будет описано более подробно на примерах предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на приложенные чертежи, где:

Фиг.1 - пример упрощенного эквивалентного контура трехфазной электрической сети;

Фиг.2 - пример упрощенного эквивалентного контура трехфазной электрической сети;

Фиг.3 - блок-схема варианта воплощения изобретения;

Фиг.4 - блок-схема варианта воплощения изобретения;

Фиг.5 - блок-схема варианта воплощения изобретения;

Фиг.6 - блок-схема варианта воплощения изобретения;

Фиг.7 - блок-схема варианта воплощения изобретения;

Фиг.8 - блок-схема варианта воплощения изобретения;

Фиг.9 - пример рабочих характеристик области остаточного тока, согласно вариантам воплощения изобретения;

Фиг.10 - пример рабочих характеристик области остаточной мощности, согласно вариантам воплощения изобретения;

Фиг.11 - пример рабочих характеристик области удельной величины, согласно вариантам воплощения изобретения; и

Фиг.12 - пример рабочих характеристик области нейтральной полной проводимости, согласно вариантам воплощения изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Применение настоящего изобретения не ограничено какой-либо конкретной системой и может применяться с различными трехфазными электрическими системами для обнаружения короткого замыкания фазы на землю в трехфазной электрической сети. Электрическая сеть может представлять собой, например, фидер, воздушную линию, кабель или их комбинацию. Линия электроснабжения, в которой данное изобретение применяется, может представлять собой линию электропередачи или распределительную сеть или, например, их часть и может содержать несколько фидеров или секций. Кроме того, использование данного изобретения не ограничивается системами, использующими в качестве основной частоту 50 Гц или 60 Гц или какое-либо конкретное значение напряжения.

На Фиг.1 и Фиг.2 приведены примеры упрощенных эквивалентных контуров трехфазной электрической сети, в которых может использоваться данное изобретение. На Фиг.1 показана ситуация, при которой происходит короткое замыкание в фоновой сети 40, а на Фиг.2 показана ситуация, при которой происходит короткое замыкание в контролируемой электрической линии 30. На указанных фигурах показаны только те компоненты, которые необходимы для понимания сути изобретения. Используемая в качестве примера сеть может представлять собой средневольтную (например, 20 кВ) распределительную сеть, запитываемую от подстанции, содержащей трансформатор 10 и общую шину 20. Указанная сеть также содержит электрические выходы, т.е. фидеры. Другие возможные фидеры, так же как и другие части сети, кроме защищенного фидера 30 обозначены как 'фоновая сеть' и представлена единственным линейным выходом 40, хотя следует отметить, что в фоновой сети возможно наличие ряда фидеров или других элементов сети. Также могут быть несколько питающих подстанций. Кроме того, настоящее изобретение может быть использовано, например, с коммутирующей станцией без трансформатора 10. В случае использования сетью катушки гашения дуги, она может быть расположена в подстанции (централизованная компенсация 50) и соединена непосредственно с нейтральной точкой системы, либо через трансформатор заземления, либо на фидерах через трансформаторы заземления (децентрализованная компенсация 60).

Используемая в качестве примера сеть представляет собой трехфазную сеть трехфазной электрической системы и обозначена как L1, L2, и L3. В иллюстративной системе рабочие функции данного изобретения могут осуществляться при его размещении в блоке реле 70, расположенном на входе системы. Также возможно, что в месте расположения блока реле 70 осуществляются только часть измерений и их результаты передаются на другой блок или блоки, расположенные в другом месте, для их дальнейшей обработки. Таким образом, рабочие функции данного изобретения могут быть распределены на два или более физических блоков, вместо только одного блока, а блок или блоки могут размещаться в защищенной электрической линии 30 или в отдаленном месте. Это, однако, не имеет отношения к основной идее данного изобретения.

Обозначения, используемые на Фиг.1 и 2:

U _ o = Остаточное напряжение сети

E _ L 1 = Фаза-L1 напряжение питания

Y _ C C = Полная проводимость устройства заземления 50 в подстанции.

Устройство может включать катушку компенсации с или без параллельного резистора или ограничительного резистора тока.

В случае незаземленной сети Y _ C C = 0 .

I _ C C = Ток через устройство заземления 50 в подстанции

I _ L 1 = Фазовый ток в фазе L1, измеренный на входе

I _ L 2 = Фазовый ток в фазе L2, измеренный на входе

I _ L 3 = Фазовый ток в фазе L3, измеренный на входе

I _ L 1 F d = Фазовый ток в фазе L1 электрической линии

I _ L 2 F d = Фазовый ток в фазе L2 электрической линии

I _ L 3 F d = Фазовый ток в фазе L3 электрической линии

I _ L 1 B g = Фазовый ток в фазе L1 фоновой сети

I _ L 2 B g = Фазовый ток в фазе L2 фоновой сети

I _ L 3 B g = Фазовый ток в фазе L3 фоновой сети

U _ L 1 = Напряжение фазы-на-землю фазы L1 в подстанции

U _ L 2 = Напряжение фазы-на-землю фазы L2 в подстанции

U _ L 3 = Напряжение фазы-на-землю фазы L3 в подстанции

Y _ F = Полная проводимость (предполагается чистая проводимость)

Y _ L 1 F d = Полная проводимость фазы L1 электрической линии

Y _ L 2 F d = Полная проводимость фазы L2 электрической линии

Y _ L 3 F d = Полная проводимость фазы L3 электрической линии

Y _ L 1 B g = Полная проводимость фазы L1 фоновой сети

Y _ L 2 B g = Полная проводимость фазы L2 фоновой сети

Y _ L 3 B g = Полная проводимость фазы L3 фоновой сети

Z L d = Фазовый импеданс нагрузки, соединенной треугольником

Y _ C C l o c a l = Полная проводимость устройства заземления 60 (катушка компенсации), размещенного в электрической линии

I _ C C l o c a l = Ток через устройство заземления 60, размещенное в электрической линии.

Значения тока и напряжения, которые требуются для нижеприведенных вариантов воплощения, могут быть получены посредством подходящего для этого измерительного прибора, включая, например, датчики тока и напряжения (не показаны на фигурах), соединенные с фазами электрической системы. В большинстве существующих систем защиты такие измерения легко доступны и поэтому осуществление разнообразных вариантов воплощения не обязательно требует каких-либо дополнительных измерительных приборов. Остаточное напряжение электрической сети может быть получено из напряжений в фазах или посредством их измерений в открытых обмотках, соединенных треугольником, образованных, например, трансформаторами напряжения. Остаточный ток электрической линии 30 может быть получен с помощью подходящего для тока измерительного устройства, такого как преобразователь сердечника кабеля или соединение Хольмгрина (суммарное соединение) в точке измерения, такой как блок реле 70. Способ получения указанных значений не связан с основной идеей данного изобретения и зависит от конкретной электрической системы.

Согласно данному изобретению, значение нейтральной проводимости трехфазной электрической линии определяют на основе значений остаточного напряжения электрической сети и остаточного тока электрической сети. Значение нейтральной проводимости можно вычислить как отношение фазора остаточного тока I _ o и фазора остаточного напряжения ( − U _ o ) в течение короткого замыкания на землю:

Y _ o = I _ o / ( − U _ o )

Другим образом вычисление нейтральной проводимости может быть выполнено на основе значений с помощью так называемых дельта величин, где t₁ и t₂ относятся к двум отдельным моментам времени - до (t₁) и во время (t₂) короткого замыкания на землю:

Y _ o = Δ I _ o / ( − Δ U _ o ) ,

где

Δ I _ o = I _ o ( t 2 ) − I _ o ( t 1 )

Δ U _ o = U _ o ( t 2 ) − U _ o ( t 1 )

Преимуществом использования дельта величин является то, что вычисленная нейтральная полная проводимость теоретически становится невосприимчивой к активному сопротивлению замыкания и дисбалансу системы (при определенных условиях) и может быть определена из основых данных сети, как описано ниже.

Ссылаясь на Фиг.1, видно, что когда происходит короткое замыкание на землю в одной фазе вне электрической линии 30, измеренная нейтральная полная проводимость равна суммарной полной проводимости фидера (включая возможные децентрализованные катушки компенсации) с отрицательным знаком:

Y _ o = Δ I _ o / ( − Δ U _ o ) = − ( Y _ F d t o t + Y _ C C l o c a l ) ,

где

Y _ F d t o t = Y _ L 1 F d + Y _ L 2 F d + Y _ L 3 F d

Y _ L 1 F d = G L 1 F d + j * B L 1 F d

Y _ L 2 F d = G L 2 F d + j * B L 2 F d

Y _ L 3 F d = G L 3 F d + j * B L 3 F d

G_L1Fd = Активная проводимость фазы L1 на землю электрической линии

G_L2Fd = Активная проводимость фазы L2 на землю электрической линии

G_L3Fd = Активная проводимость фазы L3 на землю электрической линии

B_L1Fd = Мнимая проводимость фазы L1 на землю электрической линии

B_L2Fd = Мнимая проводимость фазы L2 на землю электрической линии

B_L3Fd = Мнимая проводимость фазы L3 на землю электрической линии

Y _ C C l o c a l = G C C l o c a l − j * B C C l o c a l

G_CClocal = Активная проводимость устройства заземления 60, имеющаяся на электрической линии 30. Это включает активную проводимость катушек компенсации, расположенных на электрической линии 30.

B_CC = Мнимая проводимость устройства заземления 60, имеющаяся на электрической линии 30. Это включает мнимую проводимость катушек компенсации, расположенных на электрической линии 30.

Ссылаясь на Фиг.2, видно, что когда происходит короткое замыкание на землю в одной фазе внутри электрической линии 30, измеренная нейтральная полная проводимость равна полной проводимости фоновой сети 40 плюс полной проводимости нейтрального соединения (в случае децентрализованной компенсации, полные проводимости всех катушек защищенного фидера могут быть включены в полную проводимость Y _ C C ):

Y _ o = Δ I _ o / ( − Δ U _ o ) = Y _ B g t o t + Y _ C C ,

где

Y _ B g t o t = Y _ L 1 B g + Y _ 12 B g + Y _ L 3 B g

Y _ L 1 B g = G L 1 B g + j * B L 1 B g

Y _ L 2 B g = G L 2 B g + j * B L 2 B g

Y _ L 3 B g = G L 3 B g + j * B L 3 B g

G_L1Bg = Активная проводимость фазы L1 фоновой сети

G_L2Bg = Активная проводимость фазы L2 фоновой сети

G_L3Bg = Активная проводимость фазы L3 фоновой сети

B_L1Bg = Мнимая проводимость фазы L1 фоновой сети

B_L2Bg = Мнимая проводимость фазы L2 фоновой сети

B_L3Bg = Мнимая проводимость фазы L3 фоновой сети

Y _ C C = G C C − j * B C C

G_CC = Активная проводимость устройства заземления 50, имеющегося на подстанции. Оно включает активную проводимость катушки компенсации с или без параллельного резистора или активную проводимость резистора, ограничивающего ток. В случае незаземленной сети G_CC=0. В случае децентрализованной компенсации, активные проводимости всех катушек вне электрической линии 30 могут быть включены в активную проводимость G_CC.

B_CC = Мнимая проводимость устройства заземления 50, имеющаяся на подстанции. Это включает мнимую проводимость катушки компенсации. В случае незаземленной сети B_CC=0. В случае децентрализованной компенсации, мнимые проводимости всех катушек вне электрической линии 30 могут быть включены в мнимую проводимость B_CC.

Согласно варианту воплощения настоящего изобретения, защита на основе полной проводимости, подобной другим функциям защиты от короткого замыкания на землю, может использовать условие перенапряжения U_o в качестве общего критерия для первоначального обнаружения замыкания в электрической сети. Заданное значение U_o для начала определения может быть задано выше максимального уровня U_o нормально работающей сети для исключения ложных срабатываний. Согласно варианту воплощения данного изобретения, при определении нейтральной полной проводимости короткое замыкание на землю может быть определено в трехфазной электрической линии 30 на основе полученного значения нейтральной полной проводимости и одного или более заранее заданных значения параметров. Заранее заданные значения параметров определяют характеристику операции, на основе которой возможно определить происходит ли короткое замыкание на землю в электрической линии 30 или вне ее. Согласно варианту воплощения данного изобретения, одно или более заранее заданных значений параметров задаются в виде величины остаточного тока, величины остаточной мощности или удельной величины. Согласно варианту воплощения данного изобретения, обнаружение замыкания содержит преобразование одного или более заранее заданных значений параметров из области остаточного тока, области остаточной мощности или в области удельной величины в область нейтральной полной проводимости с преобразованной одной или более заранее заданными величинами параметров. Согласно другому варианту воплощения данного изобретения обнаружение замыкания содержит преобразование определенного значения нейтральной полной проводимости из области нейтральной полной проводимости в область остаточного тока, область остаточной мощности или в область удельной величины, и производят сравнение в области остаточного тока, в области остаточной мощности или в области удельной величины преобразованные величины нейтральной полной проводимости с одним или более значениями заранее заданными величинами параметров. Теперь короткое замыкание на землю может быть обнаружено в трехфазной электрической линии 30 на основе этого сравнения. Согласно варианту воплощения данного изобретения, обнаружение замыкания происходит в трехфазной электрической линии 30, если сравнение показывает, что определенное значение нейтральной полной проводимости находится в рабочей зоне, определенной одним или более значениями заранее заданными величинами параметров. Если определенное значение нейтральной полной проводимости находится вне рабочей зоны, то короткого замыкания на землю в трехфазной электрической линии 30 нет.

Согласно варианту воплощения настоящего изобретения, преобразование одного или более значений заранее заданного параметра из области остаточного тока в область нейтральной полной проводимости производят согласно следующему уравнению:

Y _ o * = c o n j ( I _ o ) / q ,

где

I _ o = значение в области остаточного тока

Y _ o * = эквивалентное значение в области нейтральной полной проводимости

q = коэффициент преобразования.

Согласно варианту воплощения настоящего изобретения, преобразование определенной нейтральной полной проводимости из области нейтральной полной проводимости в область остаточного тока производится согласно следующему уравнению:

I _ o * = c o n j ( Y _ o ) * q ,

где

Y _ o = значение в области нейтральной полной проводимости

I _ o * = эквивалентное значение в области остаточного тока

q = коэффициент преобразования.

Согласно варианту воплощения настоящего изобретения, коэффициент преобразования q равен номинальному напряжению фазы на землю электрической сети или измеренному напряжению фазы на землю в исправном состоянии электрической сети. В соответствии с вариантом воплощения коэффициент преобразования q является скалярной величиной, благодаря чему абсолютное значение напряжения фазы на землю электрической сети можно использовать в качестве коэффициента преобразования.

Согласно варианту воплощения настоящего изобретения, преобразование одного или более заранее заданных значений параметров из области остаточной мощности в область нейтральной полной проводимости может быть выполнено в соответствии со следующим уравнением:

Y _ o * = c o n j ( S _ o ) / q ∧ 2 ,

где

S _ o = значение в области остаточной мощности

Y _ o * = эквивалентное значение в области нейтральной полной проводимости

q = коэффициент преобразования.

Согласно варианту воплощения настоящего изобретения, преобразование определенного значения нейтральной полной проводимости из области нейтральной полной проводимости в область остаточной мощности прои