Определение направления короткого замыкания на землю для распределительных сетей среднего или высокого напряжения

Определение направления короткого замыкания на землю для распределительных сетей среднего или высокого напряжения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Это изобретение относится к области защиты систем питания, а более точно - к детектированию короткого замыкания на землю в электрических системах питания от среднего до высокого напряжения, которые служат в качестве распределительных сетей.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Трехфазные электрические системы питания могут эксплуатироваться как с заземленной, так и с изолированной (незаземленной) нейтралью, в зависимости от условий их использования.

В электрической системе с изолированной нейтралью ни один из ее схемных проводников не заземляется на землю специальным образом.

Фиг.1 схематически представляет трехфазную электрическую систему 1 питания переменного тока с изолированной нейтралью с источником 5 и обмотками трансформатора 6 источника, которые запитывают нагрузку 2. Путь, по которому следует емкостной ток, указан ссылкой 7.

В трехфазных симметричных системах в установившемся режиме, принимая ток в фазной линии A в качестве опорного сигнала, ток в двух других фазных линиях B и C соответственно задержан по времени на одну треть и две трети относительно тока в фазной линии A.

В упрощенной модели, учитывающей несовершенства линий A, B, C, каждая фазная линия имеет емкость C_L линии (так называемую фазную емкость (емкость с фазы на землю), линейная емкость (емкость с фазы на фазу) здесь пренебрежимо мала), которая помещена параллельно между фазой и землей.

Каждая из трех фазных линий A, B, C присоединена к полюсу вторичной обмотки 3, соединенной звездой или треугольником, связанной с соединенной звездой первичной обмоткой источника питания (не изображен). Нейтраль N соединенной звездой вторичной обмотки 3 не заземлена.

Если однофазное короткое замыкание 9 на землю появляется в фазной линии A, единственный путь для протекания тока в землю проходит через фазную емкость C_L окружающей системы и две оставшиеся ненарушенные фазные линии B и C неисправной схемы.

В трехфазной электрической системе 1 питания с изолированной нейтралью, как изображено на фиг.1, как только возникает однофазное короткое замыкание на землю, теоретически нет замкнутой цепи, поэтому нет значительного тока короткого замыкания, и линейные напряжения остаются симметричными. Таким образом, немедленное устранение короткого замыкания не требуется, и системе дана возможность работать в течение относительно более длительного периода в случае однофазного короткого замыкания на землю. В большинстве случаев, то есть более чем в 80 процентах, короткое замыкание одной линии на землю обычно является временным коротким замыканием, так что подача питания не прерывалась бы.

Поэтому многие промышленные системы, подобные химическим заводам или нефтеперерабатывающим заводам, которые включают в себя технологические процессы, которые не могут прерываться без дорогостоящих расходов или потерь продукта, часто эксплуатируются с изолированной нейтралью. Это предоставляет неисправной схеме возможность оставаться находящейся в эксплуатации, в то время как устраняется временное короткое замыкание на землю. Однако в таких системах трудно определять местоположение короткого замыкания на землю с помощью технологий современного уровня техники.

Отсюда электрическая система питания с изолированной нейтралью могла бы поддерживать уровень надежности подачи питания. Однако кроме этого замечательного преимущества основной проблемой систем с изолированной нейтралью являются установившиеся и переходные перенапряжения.

В действительности, если происходит случайное короткое замыкание на землю, и имеется возможность протекания тока в течение существенного времени, перенапряжения могут развиваться в связанных фидерных линиях.

Более точно, в случае если однофазное короткое замыкание на землю возникает в фазной линии A трехфазной системы с изолированной нейтралью, фазное напряжение неисправной фазной линии A снижается до потенциала земли. Это заставляет фазное напряжение в других фазных линиях B и C повышаться в раз (это называется перенапряжением установившегося состояния).

Это повышение напряжения вызывает зарядный ток, I_C, между фазными емкостями. Как только дуга погашена, напряжение неисправной фазы будет внезапно повышаться, что вызовет повторное зажигание дуги. Как только дуга повторно зажигается, она будет вызывать значительное переходное перенапряжение, так как напряжение исправных фаз накладывается на напряжение этой заряженной емкости.

Такая ситуация перенапряжения может приводить к повреждению изоляции и быть опасной для персонала. Действительно, в то время как короткое замыкание на землю остается на фазной линии трехфазной системы с изолированной нейтралью, персонал, контактирующий с одной из других фазных линий и землей, подвергается 1,732 кратному напряжению, которое он испытывал бы в системе с глухозаземленной нейтралью.

В электрических системах питания с изолированной нейтралью, для того чтобы ограничивать перенапряжение и, в конечном счете, избегать повторного зажигания погашенной дуги, резистор (заземление через резистор) или катушка подавления дуги присоединены между нейтральной точкой и землей.

Технические условия резистора определяются пользователем для достижения требуемого тока короткого замыкания на землю.

Когда катушка подавления дуги присоединена между нейтралью системы и землей, система называется компенсированной системой.

Фиг.2 изображает скомпенсированную систему 1’, которая запитывает нагрузку 2. Те же элементы, что изображены на фиг.1, имеют идентичные ссылки и в дальнейшем описываться не будут.

Нейтральная точка N вторичной обмотки 3 силового трансформатора заземлена через реактор 4 импеданса.

Реактор 4 импеданса, известный в качестве катушки Петерсена, компенсирует емкостной ток, снижает ток дуги короткого замыкания, а также ограничивает напряжение нейтральной точки и, конечно, ограничивает напряжение перекрытия дуги, так что он мог бы ограничивать вероятность повторного зажигания погашенной дуги. Путь, по которому следует индуктивный ток, указан ссылкой 8.

Функционирование катушки Петерсена, присоединенной, как изображено на фиг.2, далее будет пояснено подробно для трехфазной системы 1’.

Чтобы добиться эффективного гашения емкостных зарядных токов, ток I_L, протекающий через катушку Петерсена, должен быть равен току I_C.

Поэтому в случае короткого замыкания на землю в фазной линии A емкостной зарядный ток I_C нейтрализуется током I_L через реактор, который равен по амплитуде, но находится не в фазе на 180 градусов.

Таким образом, значение индуктивности L_p в катушке Петерсена должно соответствовать емкостям фазных линий, которые могут меняться так и когда выполняются модификации в фазных линиях. Отсюда реактивное сопротивление катушки Петерсена выбирается, для того чтобы достигать степени K_c компенсации короткого замыкания на землю, заданной следующей формулой.

где L_p - индуктивность катушки Петерсена, - основная частота в радианах, а - общая фазная емкость всех линий. Для резонансной компенсации - K_c=1, для недокомпесации - K_c<1, для перекомпенсации - K_c>1.

Если реактор 4 импеданса хорошо настроен, ток короткого замыкания на землю становится минимальным, давая в результате легкое гашение дуги короткого замыкания в воздухе.

Как упомянуто выше, важно надежно выявлять и определять местоположение коротких замыканий, в системах с изолированной нейтралью, заземленных через резистор, или компенсированных системах, с тем, чтобы иметь возможность планировать необходимые исправительные меры, чтобы справляться с электрической проблемой, которая вызвала короткое замыкание.

На самом деле, все заземленные системы, а особенно с изолированной нейтралью, оборудованы силовым защитным оборудованием, в котором электрические переменные контролируются, чтобы выявлять направление однофазных коротких замыканий на землю. Точнее, защитное оборудование включает в себя средства, которые используются для контроля остаточного напряжения и остаточного тока, и средство для выявления электрического короткого замыкания в фазной линии системы и отсоединения той части сети, в которой происходит короткое замыкание, как можно быстрее ограничивая размер отсоединенного участка.

Силовое защитное оборудование измеряет, с помощью средств измерения электрических переменных, каждую из активной или реактивной мощности, протекающей через специальные измерительные узлы электрической системы. Защитное оборудование работает, только если мощность является большей, чем установленное пороговое значение, и если она является протекающей в заданном направлении, определенном направленным реле защитного оборудования. Направление является прямым направлением либо обратным направлением относительно измерительного узла системы.

Если защитное оборудование работает, оно выполнено с возможностью испускать сигнал управления, чтобы справляться с неисправностью, управляя одним или несколькими из множества блоков прерывателей цепи, или чтобы запускать реле автоматического повторного включения.

Фиг.3 схематически показывает электрическую распределительную сеть, содержащую основное защитное устройство. Те же элементы, что изображены на фиг.1 и 2, имеют идентичные ссылки и не будут описываться повторно.

Необходимо отметить, что выводы, которые могут быть сделаны по фиг.3, также могут быть сделаны для электрических систем питания с изолированной нейтралью или для электрических систем питания с заземлением через резистор.

Защитное оборудование изображено в качестве использующегося для электрической распределительной сети 30 питания, имеющей главную шину 31, предоставляющую питание некоторым фидерным линиям, причем представлены только 2 фидерные линии 32 и 32’. Главная шина 31 и фидерные линии 32 и 32’ могут быть трехфазными. На фиг.3 они содержат три фазные линии А, В, С. Каждая фидерная линия питания запитывает нагрузку 2 (2’). Назначение защитного оборудования состоит в том, чтобы детектировать короткое замыкание фазы на землю, которое может возникнуть на фазных линиях А, В, С фидерной линии.

Нейтраль N электрической распределительной сети 30 заземлена посредством катушки 4 Петерсена, которая соединена с землей G.

На каждой фидерной линии 32 и 32’ обеспечен измерительный узел, где измеряется остаточный ток I_r фидерной линии.

Измерение остаточного тока I_r на измерительном узле фидерной линии осуществляется посредством катушки (кольцо СТ) 35 и 35’ вблизи трех фазных линий А, В, С фидерной линии.

Наряду с этим остаточное напряжение V_r фидерной линии измеряется посредством компоновок 38, 38’ трансформатора напряжения.

Для каждой фидерной линии 32 и 32’ ассоциировано соответствующее направленное реле 37 и 37’, которое подключается к соответствующей измерительной катушке 35, 35’ ассоциированной фидерной линии и к компоновке 38, 38’ трансформатора напряжения.

Направленное реле 37, 37’ является основанным на микропроцессоре реле, которое включает в себя блок детектирования напряжения и блок детектирования тока. Блок детектирования напряжения выполнен с возможностью контролировать остаточное напряжение V_r набора фидерных линий благодаря компоновке трансформаторов напряжения, а блок детектирования тока выполнен с возможностью контролировать остаточный ток I_r в связанной питающей линии на измерительной катушке линии.

Блок детектирования тока и блоки детектирования напряжения также присоединены, по меньшей мере, к одному микроконтроллеру реле. Блок детектирования тока вводит цифровой сигнал, указывающий остаточный ток I_r, в микроконтроллер. Подобным образом блок детектирования напряжения вводит цифровой сигнал, указывающий остаточное напряжение V_r, в микроконтроллер. Микроконтроллер направленного реле выполнен с возможностью определять направление короткого замыкания относительно соответствующего измерительного узла посредством вычисления активной или реактивной мощности, протекающей через этот измерительный узел.

Как показано в документе, озаглавленном «Directional Overcurrent Relaying (67) Concepts», J. Horak, Basler Electr., IEEE, Conference Publications, 2006 («(67) концепций направленной токовой релейной защиты», Дж. Хорак, Basler Electric, Опубликованные материалы конференции IEEE, 2006 г.), 59-й ежегодной конференции для проектировщиков защитных реле, 4-6 апреля 2006 года, направленное реле воспринимает направление потока энергии на измерительном узле посредством фазового угла между остаточным током I_r и остаточным напряжением V_r.

Направленное реле создает векторные величины, которые используются для вычисления произведений с моментом вращения. Значение произведения с моментом вращения указывает направление электрического тока: для прямого короткого замыкания знак момента вращения отрицателен, тогда как для обратного короткого замыкания знак положителен.

Направленное реле испускает аварийный сигнал, указывающий короткое замыкание фазы на землю, происходящее в фазной линии A, B, C фидерной линии, если активная или реактивная мощность, протекающая через измерительный узел фидерной линии, больше, чем установленный порог, и если короткое замыкание находится в заданном направлении относительно узла, где измеряется остаточный ток I_r. Заданное направление короткого замыкания зависит от запрограммированных настроек защитного оборудования.

В действительности короткое замыкание в прямом или короткое замыкание в обратном направлениях указывает, что короткое замыкание происходит выше по току или ниже по току, соответственно от измерительного узла, в котором измеряется остаточный ток.

Направленные реле могут быть реализованы как в заземленных, так и электрических системах питания с изолированной нейтралью.

В наши дни есть много технологий для определения направления короткого замыкания относительно точки системы. Однако эти технологии используют либо специальные аппаратные средства с высокими уровнями дискретизации, либо специальные измерения высокого разрешения и точности, либо применение специальных измерительных приборов для подачи специальных сигналов в систему питания.

Точнее наилучшие существующие решения основаны на сети нулевых последовательностей подвергнутой однофазному короткому замыканию на землю системы питания, например, описанной в документе, озаглавленном «A Review of System Grounding Methods and Zero Sequence Current Sources», Johnson, G., Schroeder, M., Dalke, G., IEEE, 2008 61st Annual Conference for Protective Relay Engineers, 1-3 April 2008 («Обзор способов заземления систем и источников тока нулевой последовательности», Джонсон Дж., Шредер М., Дальке Дж., 61-я ежегодная конференция для проектировщиков защитных реле, 1-3 апреля 2008 года).

Первое решение состоит в использовании мгновенной реактивной мощности для определения направления короткого замыкания. Этот способ надлежащим образом работает в системах с заземленной через резистор нейтралью и в системах с изолированной нейтралью.

Для компенсированной электрической системы питания, как изображено на фиг.3, и для короткого замыкания прямого направления в фидерной линии 32, 32’ зависимость остаточного напряжения V_r и остаточного тока I_r неисправной фидерной линии 32, 32’ на измерительном узле этой фидерной линии задана следующей формулой:

Для короткого замыкания обратного направления зависимость имеет значение:

где R_L - эквивалентное сопротивление нулевой последовательности неисправной фидерной линии; C_L - эквивалентная емкость неисправной фидерной линии; и - общее сопротивление и емкость всех фидерных линий соответственно; R_p - эквивалентное сопротивление катушки Петерсена; - основная частота в радианах; - частота в радианах; K_c - степень компенсации катушки Петерсена.

В резонансных или перекомпенсированных системах нет разницы в мнимой части тока между коротким замыканием прямого направления и коротким замыканием обратного направления, а поэтому невозможно определять направление короткого замыкания. Следовательно, первое решение не работает правильно для систем, скомпенсированных катушкой Петерсена.

Второе решение, известное как метод активной мощности (или так называемый ваттметрический метод), применяет ваттметр для измерения активной мощности. Способ действителен для электрических систем питания с изолированной нейтралью для систем с заземленной через резистор нейтралью, а также компенсированных катушкой Петерсена систем, однако, он требует специального трансформатора тока с высокой чувствительностью, более высокой точностью и более высоким разрешением. Ваттметрический метод является распространенной направленной технологией для скомпенсированных систем, но его чувствительность ограничена сопротивлениями короткого замыкания не большими, чем несколько кило-Ом.

Третье решение, так называемый «метод первой полуволны», применяется в специальных аппаратных средствах для выявления коротких замыканий на землю для систем с опосредованно заземленной нейтралью. Он основан на том обстоятельстве, что полярности остаточного напряжения и остаточного тока различны для короткого замыкания прямого направления и сходны для обратного короткого замыкания. Он действителен для компенсированных катушкой Петерсена систем, однако он требует специальных аппаратных средств с более высокой частотой дискретизации, например 3 кГц или даже выше (для основной частоты 50 Гц), вследствие того обстоятельства, что он действителен в течение короткой длительности не большей чем 3 мс.

Таким образом, ясно, что каждое из следующих существующих решений является действенным, однако ни одно не является легко приспосабливающимся ко всем типам вышеупомянутых электрических систем питания.

Поэтому задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить новый способ для определения направления переходного короткого замыкания на землю для электрической системы питания с изолированной нейтралью или заземленной через резистор нейтралью, а также компенсированной электрической системы питания. Этот способ реализуется в обычном направленном реле с более низкими частотами дискретизации, без какой бы то ни было необходимости в специальных аппаратных средствах или дорогостоящих измерительных приборах и измерениях.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Это изобретение имеет отношение к способу для определения направления короткого замыкания на землю относительно измерительного узла в трехфазной электрической системе питания, содержащему этапы:

a) дискретизации остаточного напряжения упомянутой трехфазной электрической системы питания и остаточного тока в упомянутом измерительном узле в течение цикла основной частоты для получения, соответственно, дискретизированного сигнала остаточного напряжения и дискретизированного сигнала остаточного тока;

b) фильтрации, в первом цифровом фильтре, дискретизированного сигнала остаточного напряжения и применения фазового сдвига к дискретизированному сигналу остаточного напряжения для выделения сдвинутой по фазе составляющей фильтрованного сигнала напряжения дискретизированного сигнала остаточного напряжения с нецелочисленным порядком основной частоты и для получения сдвинутого по фазе фильтрованного сигнала напряжения;

c) фильтрации дискретизированного сигнала остаточного тока во втором цифровом фильтре для выделения составляющей фильтрованного сигнала тока дискретизированного сигнала тока с нецелочисленным порядком основной частоты для получения фильтрованного сигнала тока;

d) использования фильтрованного сигнала тока и сдвинутого по фазе фильтрованного сигнала напряжения для вычисления переходной реактивной мощности, протекающей через упомянутый измерительный узел;

e) определения направления короткого замыкания по функции знака вычисленной переходной реактивной мощности, так что если знак вычисленной переходной реактивной мощности отрицателен, то направление короткого замыкания является прямым, тогда как если знак вычисленной переходной реактивной мощности положителен, то направление короткого замыкания имеет значение обратного короткого замыкания.

Преимущественно этап e) содержит этапы:

e1) сравнения сдвинутого по фазе фильтрованного сигнала напряжения и фильтрованного сигнала тока с соответственными предопределенными порогами;

e2) ограничения диапазона амплитуд сдвинутого по фазе фильтрованного сигнала напряжения и фильтрованного сигнала тока одним и тем же интервалом, симметричным вблизи 0, согласно результатам этапа e1) для получения ограниченного сдвинутого по фазе фильтрованного сигнала напряжения и ограниченного фильтрованного сигнала тока;

e3) вычисления переходной реактивной мощности с использованием ограниченного, сдвинутого по фазе фильтрованного сигнала напряжения и ограниченного фильтрованного сигнала тока;

e4) сравнения вычисленной переходной реактивной мощности с отрицательным и положительным значением порога детектирования.

Преимущественно способ дополнительно содержит:

g) вычисление среднеквадратического значения дискретизированного сигнала напряжения;

h) сравнения вычисленного среднеквадратического значения с пусковым порогом;

i) сравнения вычисленного среднеквадратического значения с возвратным порогом; упомянутый возвратный порог является меньшим, чем пусковое пороговое значение;

j) выделяют колебания характеристического сигнала вычисленного среднеквадратического значения;

k) сравнения амплитуды выделенных колебаний с порогом детектирования импульса;

l) вычисления количества раз, когда амплитуда выделенных колебаний является большей, чем порог детектирования импульса, в течение цикла основной частоты;

при этом если вычисленное среднеквадратическое значение является большим, чем пусковое пороговое значение, и меньшим, чем упомянутый возвратный порог, и если количество, вычисленное на этапе 1), является большим, чем предопределенное количество, то упомянутое короткое замыкание определяется в качестве прерывистого короткого замыкания; тогда как упомянутое короткое замыкание является постоянным коротким замыканием, если вычисленное среднеквадратическое значение является большим, чем пусковое пороговое значение, и меньшим, чем возвратный порог, в течение предопределенного интервала времени.

Изобретение также имеет отношение к цифровому полосовому фильтру или фильтрации и фазовому сдвигу дискретизированного сигнала U_N напряжения и для извлечения сдвинутого по фазе фильтрованного сигнала Unh напряжения дискретизированного сигнала напряжения с нецелочисленным порядком основной частоты для выполнения способа, при этом упомянутый фильтр содержит средство вычисления для вычисления следующей формулы:

где z - комплексная переменная, причем

,

и

,

где N - количество шагов дискретизации за цикл основной частоты, T₀ - период цикла основной частоты, Ta - время дискретизации сигнала, T_A=0,2 с, а k_F=4,4 для 220 Гц, 6,6 для 330 Гц.

Изобретение также имеет отношение к цифровому полосовому фильтру для фильтрации дискретизированного сигнала I_N и для выделения фильтрованного сигнала I_NH тока дискретизированного сигнала тока с нецелочисленным порядком основной частоты, чтобы реализовывать способ, при этом упомянутый фильтр содержит средство вычисления для вычисления следующей формулы:

,

причем

,

и

,

где N - количество шагов дискретизации за цикл основной частоты, T₀ - период цикла основной частоты (для f₀=50 Гц, T₀=0,02 с), T_А - время дискретизации сигнала, T_A=0,2 с, а k_F=4,4 для 220 Гц, 6,6 для 330 Гц.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:

фиг.1 схематически представляет трехфазную электрическую систему питания с изолированной нейтралью, которая запитывает нагрузку;

фиг.2 схематически изображает компенсированную электрическую систему питания, которая запитывает нагрузку;

фиг.3 схематически изображает электрическую распределительную сеть, содержащую основное защитное оборудование;

фиг.4 изображает схематический блок операций, выполняемых способом определения направления короткого замыкания, согласно настоящему изобретению;

фиг.5 изображает конструкцию средств определения направления согласно настоящему изобретению;

фиг.6A-6D изображает схематические блоки операций, определяющие, является ли короткое замыкание на землю постоянным коротким замыканием, прерывистым коротким замыканием или помехой, согласно настоящему изобретению, при этом:

фиг.6A изображает конструкцию пускового реле и возвратного реле согласно настоящему изобретению;

фиг.6B изображает средство определения постоянного короткого замыкания согласно настоящему изобретению;

фиг.6C изображает средство настраиваемого таймера согласно настоящему изобретению;

фиг.6D изображает средство определения прерывистого короткого замыкания согласно настоящему изобретению;

фиг.7 изображает схематический блок операций для испускания аварийного сигнала неисправности согласно настоящему изобретению.

Идентичные, подобные или эквивалентные части разных фигур имеют одинаковые ссылочные позиции с тем, чтобы облегчать сравнения между разными фигурами.

Разные части, изображенные на фигурах, не обязательно начерчены в одном и том же масштабе, чтобы сделать фигуры легче понятными.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

В последующем описании для целей пояснения, а не ограничения, изложены специфичные детали, такие как конкретные архитектуры, интерфейсы, технологии и т.д., для того чтобы обеспечить исчерпывающее понимание настоящего изобретения. Однако специалистам в данной области техники будет очевидно, что настоящее изобретение может быть осуществлено на практике в других вариантах осуществления, которые отклоняются от этих специфичных деталей. В других случаях подробные описания широко известных устройств, схем и способов опущены с тем, чтобы не затенять описание настоящего изобретения излишней детализацией.

Все числовые примеры (главным образом пороги), приведенные на всем протяжении последующего описания, даны для системы единиц, зависящей от электрической системы питания, в которой применяется настоящее изобретение.

Концепция в основе изобретения состоит в том, чтобы представить высокоточный способ для определения направления короткого замыкания на землю посредством переходной реактивной мощности.

Для этой цели этап цифровой полосовой фильтрации гармоник нецелочисленного порядка сигнала остаточного тока и сигнала остаточного напряжения системы питания используется для извлечения информации о направлении короткого замыкания.

Посредством устранения составляющей основной частоты f₀ (50 Гц) из этих сигналов и усиления гармонических составляющих нецелочисленного порядка (таких как 220 Гц или 330 Гц для вышеприведенной основной частоты), благодаря этапу полосовой фильтрации, цифровой высококачественный полосовой фильтр легко конструируется для остаточного напряжения и остаточного тока. Впоследствии определение направления короткого замыкания может производиться по переходной реактивной мощности.

Способ согласно изобретению выполнен не только для систем с нейтралью с заземленной катушкой Петерсена, но также для систем с изолированной нейтралью или с заземлением через резистор, как будет описано дальше.

Должно быть отмечено, что для частоты гармонических составляющих нецелочисленного порядка (такой как 220 Гц или 330 Гц для основной частоты 50 Гц) сигналов остаточного напряжения и остаточного тока, такой как 220 Гц или 330 Гц, сигнал остаточного напряжения опережает сигнал остаточного тока приблизительно на 90 градусов для короткого замыкания прямого направления, однако сигнал остаточного напряжения отстает от сигнала остаточного тока приблизительно на 90 градусов для короткого замыкания обратного направления, причем безразлично, какой вид компенсации происходит, безразлично, является ли система системой с изолированной нейтралью, заземленной через катушку Петерсена, или системой, заземленной через резистор.

Учитывая этот признак, способ согласно изобретению для определения направления короткого замыкания далее будет подробно описан относительно фиг.3 и 4.

Со ссылкой на фиг.3 изобретение изображено в качестве применяемого к защитному оборудованию электрической распределительной сети 30, имеющей свою нейтраль, заземленную через катушку Петерсена. Последующее описание способа согласно настоящему изобретению, однако, действительно для электрической распределительной сети с изолированной нейтралью или заземленной через резистор электрической распределительной сети.

Как уже описано, фиг.3 схематически изображает защитное оборудование, выполненное с возможностью детектировать короткое замыкание фазы на землю в наборе из трех фидерных линий и выполнять исправительные действия в случае короткого замыкания, чтобы справляться с ним. Защитное оборудование, однако, может быть предусмотрено для более чем трех питающих линий.

Более того, должно пониматься, что нормально может быть несколько измерительных узлов, направленных реле или блоков прерывателя цепи на каждую фидерную линию в отношении такой сети 30.

Каждое направленное реле является основанным на микропроцессоре реле, которое включает в себя блок детектирования напряжения и блок детектирования тока. Блок детектирования напряжения выполнен с возможностью контролировать остаточное напряжение V_r набора из трех фидерных линий благодаря компоновке трансформаторов 37 напряжения. Блок детектирования тока выполнен с возможностью контролировать остаточный ток I_r в связанной фидерной линии на измерительном узле такой линии.

Блок детектирования тока содержит аналого-цифровой (A/D) преобразователь и вводит цифровой сигнал I_N, указывающий остаточный ток I_r, измеренный на измерительном узле, в один микроконтроллер направленного реле. Блок детектирования напряжения также содержит аналого-цифровой преобразователь и вводит цифровой сигнал U_N, указывающий остаточное напряжение V_r, измеренное компоновкой трансформаторов напряжения, в микроконтроллер направленного реле.

Блок детектирования напряжения, а также блок детектирования тока, соответственно, дискретизируют остаточное напряжение V_r и остаточный ток I_r с низкими частотами дискретизации, например, 24 шага дискретизации на цикл основной частоты, когда последняя равна 50 Гц. В действительности никаких специальных аппаратных средств с более высокочастотными уровнями дискретизации не требуется для реализации способа согласно настоящему изобретению. Таким образом, может использоваться обычное направленное реле.

Поэтому микроконтроллер обыкновенных направленных реле может быть запрограммирован для реализации способа согласно настоящему изобретению.

Фиг.4 изображает схематический блок операций, выполняемых, по меньшей мере, одним микроконтроллером обычного направленного реле, согласно способу настоящего изобретения.

В этом примере направление короткого замыкания фазы на землю выбирается так, чтобы быть прямым направлением.

Когда короткое замыкание происходит в фидерной линии, дискретизированные сигнал остаточного напряжения U_N и сигнал остаточного тока I_N проходят через цифровые полосовые фильтры 41 и 42 соответственно, чьи центральные частоты являются нецелочисленными порядками основной частоты f₀. Центральная частота цифрового полосового фильтра 41 является такой же, как у цифрового полосового фильтра 42.

Что касается основной частоты 50 Гц, центральная частота фильтров устанавливается, чтобы предпочтительно иметь значение 220 Гц, 330 Гц, но также может иметь значение 440 Гц или 660 Гц.

В цифровом полосовом фильтре 41 и 42 не только усиливается составляющая сигнала на центральной частоте , установленной для фильтра, но также устраняется составляющая сигнала на основной частоте f₀.

Устранение составляющей основной частоты f₀ и тем самым использование переходной реактивной мощности предоставляют способу согласно изобретению возможность быть выполненным не только для системы с заземленной через катушку Петерсена нейтралью, но также для системы с изолированной нейтралью или системы, заземленной через резистор.

Действительно, что касается системы с заземленной через катушку Петерсена нейтралью, должно быть отмечено, что для составляющей основной частоты остаточного напряжения и остаточного тока, то есть , уравнение 1 предполагает следующее:

A. Если она является недокомпенсированной системой, остаточное напряжение V_r опережает остаточный ток I_r на 90 градусов в качестве короткого замыкания прямого направления, однако отстает от тока на 90 градусов в качестве короткого замыкания обратного направления;

B. Если она является резонансной компенсированной системой, мнимая часть тока является нулевой, в то время как происходит прямое короткое замыкание;

C. Если она является перекомпенсированной системой, остаточное напряжение отстает от остаточного тока на 90 градусов для коротких замыканий как прямого, так и обратного направлений.

Поэтому если она является резонансной или перекомпенсированной системой, нет разницы для мнимой части остаточного тока между коротким замыканием прямого направления и коротким замыканием обратного направления. Таким образом, устранение составляющей основной частоты U_N и I_N предоставляет возможность для лучшего определения направления короткого замыкания для всех типов электрической системы питания.

Цифровые полосовые фильтры 41 и 42 имеют одинаковую конструкцию, однако параметры фильтров отличаются, так что фазовый сдвиг +90 градусов выполняется над сигналом U_N остаточного напряжения. Этот фазовый сдвиг предоставляет возможность реализации определения направления короткого замыкания посредством использования знака реактивной мощности, как будет кратко описано.

В качестве альтернативы фазовый сдвиг -90 градусов мог бы выполняться над сигналом остаточного тока.

Цифровой полосовой фильтр 41 содержит средство вычисления для получения фильтрованного и сдвинутого по фазе выходного сигнала U_NH напряжения из цифрового сигнала U_N напряжения. Средство вычисления выполняет следующее уравнение, заданное в z-преобразовании:

где z - комплексная переменная, U_NH(z) - представление комплексной плоскости, U_N(z) - представление комплексной плоскости, причем

и