Селективное устройство для определения однофазных замыканий в кабельных линиях

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения кабеля, в котором произошло однофазное замыкание на землю в разветвленной трехфазной кабельной сети с изолированной или компенсированной нейтралью. Цель изобретения - повышение эффективности селективного определения (селективности) однофазного замыкания на землю в кабельных линиях. Поставленная цель достигается применением весовой обработки ряда высших гармоник емкостного тока с учетом параметров кабельных линий. Ведение операции взвешенной цифровой фильтрации обеспечило выигрыш на 10 - 15% по вероятности правильного определения однофазного замыкания предложенного технического решения в сравнении с прототипом. Сущность изобретения: селективное устройство для определения однофазных замыканий в кабельных линиях содержит трансформатор тока нулевой последовательности, согласующий каскад, блоки спектральной обработки, амплитудные детекторы, индикаторный блок, реле тока, 2 мультиплексора, блок аналого-цифрового преобразования (АЦП), весовой сумматор, демультиплексор, схему выбора кода, ключевую схему, пороговый элемент и блок управления. 2 з.п.ф-лы, 7 ил.

Изобретение предназначено для определения кабеля, в котором произошло однофазное замыкание на землю в разветвленной трехфазной кабельной сети с изолированной или компенсированной нейтралью,и может быть использовано для контроля и диагностики состояния кабельной сети крупных электрических подстанций (обычно 6 10 кВ), обеспечивающих энергоснабжение промышленных объектов и жилых массивов.

Известно устройство максимальной токовой защиты нулевой последовательности с реле тока, включенными на выходе трансформаторами тока нулевой последовательности (ТТНП) (1). Однако такая защита может быть выполнена при условии, когда суммарное значение емкостных токов основной частоты 50 Гц всех элементов данной сети (ΣI_i) примерно в 10 раз превышает наибольшее значение емкостного тока одного элемента (I_i). Таким образом, недостаток устройства состоит в неспособности работать при небольшом числе присоединений, а также при наличии в группе присоединений одного с большой протяженностью, а, следовательно, с большим емкостным током. Известное устройство "Поиск-1" использует для селекции замыканий фиксированную настройку на 5, 7, 11 и 13 гармоники частоты 50 Гц и допускает работу в полосе частот. Однако в нем не учитываются параметры кабельной сети, что является его недостатком.

Известное устройство "Зонд" работает на принципе сравнения амплитуд и фаз токов только 11 гармоники, информация же о других гармониках не используется, что существенно ограничивает его возможности.

Общей характеристикой аналогов является то, что они накладывают ограничения на параметры кабельной сети и при их использовании невозможно учесть информацию об анализируемой сети.

Наиболее близким является устройство УСЗ-ЗМ, содержащее последовательно соединенные ТТНП, блок спектральной обработки, равновесный сумматор гармоник и индикаторное устройство (2). Устройство УСЗ-ЗМ использует информацию об уровне нескольких высших гармоник с целью повышения селективности однофазных замыканий на землю в кабельных линиях. Однако равновесное суммирование высших гармоник не учитывает особенности кабельной линии (ее длину, мощность нагрузки и другие параметры кабельной линии), что снижает эффективность селективности прототипа.

Целью изобретения является повышение эффективности селективного определения однофазного замыкания на землю в кабельных линиях.

Указанная цель достигается тем, что в селективное устройство определения однофазного замыкания на землю, включающее в себя N измерительных каналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные трансформатор тока нулевой последовательности (ТТНП) и согласующий каскад, последовательно соединенные блок спектральной обработки и M амплитудных детекторов, а также индикаторный блок и реле тока. Введены первый мультиплексор, последовательно соединенные второй мультиплексор, аналогоцифровой преобразователь (АЦП), весовой сумматор, демультиплексор, блок выбора кода и ключевая схема, а также пороговый элемент и блок управления.

В предлагаемом устройстве используется весовая обработка спектральных составляющих высших гармоник с учетом особенности параметров кабельной линии, а также дополнительная логическая обработка, использующая выходной сигнал реле тока, срабатывающего от тока, наведенного во второй обмотке трансформатора тока нулевой последовательности, управляющего через пороговый элемент ключевой схемой.

Для анализа кабельных линий на предмет определения однофазного замыкания на землю введены первый и второй мультиплексоры, АЦП, весовой сумматор, демультиплексор, схема выбора максимума, ключевая схема, пороговый элемент и блок управления.

На фиг. 1 дана функциональная схема устройства; на фиг.2 структурная схема блока выбора кода; на фиг.3 то же, цифрового весового сумматора; на фиг. 4 то же блока выбора максимума; на фиг.5 пример возможной реализации блока выбора максимума из двух двоичных чисел; на фиг.6 функциональная схема блока управления; на фиг.7 временные диаграммы работы устройства.

Селективное устройство определения однофазного замыкания на землю содержит N измерительных каналов, каждый из которых включает последовательно соединенные ТТНП1 и согласующий каскад 2, последовательно соединенные блок 3 спектральной обработки и амплитудные детекторы 4, а также индикаторный блок 5 и реле 6 тока, причем каждый выход блока спектральной обработки соединен с соответствующими входами амплитудного детектора 4, а входы реле 6 тока и согласующего каскада 2 объединены между собой.

Устройство также содержит первый мультиплексор 7 и последовательно соединенные второй мультиплексор 8, АЦП 9, весовой цифровой сумматор 10, демультиплексор 11, блок 12 выбора кода и ключевую схему 13, а также пороговый элемент 14 и блок 15 управления.

Устройство работает следующим образом. При возникновении однофазного замыкания в сети с изолированной нейтралью изменяются емкостные составляющие тока на землю, что приводит к нарушению баланса токов нулевой последовательности в поврежденной линии (3). При этом появляется сигнал с выхода вторичной обмотки ТТНП 1, содержащий составляющие высших нечетных гармоник (1 3). С ТТНП 1 поступает сигнал одновременно на входы реле 6 тока и согласующего каскада 2, с выхода которого сигнал через первый мультиплексор 7 поступает на блок 3 спектральной обработки. Этот блок представляет набор аналоговых фильтров, настроенных на 3, 5, 7, 11 и 13-ю гармоники основной рабочей частоты 50 Гц. Сигналы гармоник поступают на амплитудные детекторы 4, которые выделяют действующее значение каждой гармоники. Второй мультиплексор 8 последовательно подключает аналоговые значения амплитуд каждой гармоники на вход АЦП 9, где аналоговый уровень гармоники преобразуется в цифровой код, который записывается в первый регистр сдвига весового цифрового сумматора 10.

После того, как все цифровые коды гармоник будут записаны в соответствующие регистры сдвига, блоком 10 вычисляется взвешенная сумма гармоник по алгоритму: где U_k взвешенный цифровой отсчет, a_i весовые коэффициенты, X_M-i цифровые коды гармоник.

Информационная величина U_k, соответствующая каждой кабельной линии, через демультиплексор 11 поступает на вход блока 12 выбора кода, в котором выбирается сигнал максимального уровня и он записывается в соответствующий N-й регистр сдвига. Функциональное назначение блока 12 - определить максимальный код информационного сигнала, который поступает на вход одного из ключевых каскадов. При однофазном замыкании на землю в одной из N кабельных линий протекают токи высших гармоник, которые трансформируются в ТТНП 1, что приведет к возможному срабатыванию нескольких реле тока 6 (в виде недостаточной селективности). Сигнал с выхода реле тока поступает на вход порогового элемента 14, на выходе которого в результате "опрокидывания" образуется логическая единица. Сигнал единицы поступает на вход ключевой схемы 13, которая аппаратура "закреплена" за определенной кабельной линией. Если в этой кабельной линии будет фазовое замыкание на землю, то на второй вход одной ключевой схемы также поступит логическая единица. Ключевая схема при наличии на ее входах информационных сигналов об однофазном замыкании кабельной линии однозначно выдаст информационный код на соответствующий индикатор, которые также аппаратурно заклеены за каждой кабельной линией. Индикаторное устройство зафиксирует однозначное фазовое замыкание на землю в конкретной кабельной линии.

Блок 12 выбора кода /фиг.2/ работает следующим образом. В N регистрах сдвига 16 записаны цифровые коды информационных сигналов по каждой кабельной линии, которые поступают под действием управляющего сигнала на N входов схемы выбора максимума 17 и одновременно на первые входы N компараторов 18. Схема выбора максимума 17 пропускает на выход код максимального числа, который поступает на вторые объединенные входы компаратора 18. В одном из компараторов 18 цифровые коды совпадают и на его выходе будет логическая единица, на остальных компараторах логический нуль. Регистры сдвига 16 и компараторы 18 аппаратурно "закреплены" за каждой кабельной линией.

Цифровой весовой сумматор 10 /фиг. 3/ работает следующим образом. На вход первого из M последовательно включенных регистров сдвига 19 поступает цифровая информация об уровнях высших гармоник одной из кабельных линий. Под действием управляющего сигнала информация из регистров сдвига 19 передается на первые выходы умножителей 20, на вторые входы которых под действием управляющих сигналов поступают цифровые коды весовых коэффициентов a_i, соответствующие данной кабельной линии. Весовые коэффициенты по каждой кабельной линии хранятся в постоянном запоминающем устройстве 21 /ПЗУ/. На адресные входы ПЗУ поступают код кабельной линии (старший разряды адреса) и код номера весового коэффициента (младшие разряды адреса). В соответствии с заданным блоком управления 15 адресом из ПЗУ выбирается цифровой код, соответствующий заданному номеру весового коэффициента для анализируемой кабельной линии. Весовые коэффициенты a_i в двоичной системе счисления программируются с учетом особенностей кабельной линии. После умножения цифровых кодов уровней гармоник X_M-i на соответствующей весовой коэффициент a_i произведения поступают на входы M входового сумматора 22. В момент поступления управляющего сигнала на сумматор результирующая сумма (цифровой код) поступает на демультиплексор для дальнейшей обработки.

Блок 17 выбора максимума (фиг. 4) содержит M2 схем 23 выбора максимального числа из двух двоичных чисел X₁ и X₂. Пример возможной реализации схемы выбора максимума из двух двоичных чисел приведена на фиг. 5. Она содержит цифровой компаратор 24, на входы которого поступает два двоичных числа X₁, X₂. В зависимости от соотношения на выходе компаратора формируется логическая единица на одном из выходов. Трем состояниям X₁>X₂, X₁=X₂ и X₂>X₁ соответствуют активные выходы на одном из трех выходов цифрового компаратора, два первых выхода которых поступают на схему ИЛИ 25. С выхода схемы ИЛИ сигнал (соответствующий состоянию X₁>X₂) поступает на первую ключевую схему 26, с выхода которой цифровой код числа X₂ поступает на вход второй схемы 27 объединения. Схема объединения объединяет выходы первой и второй ключевых схем 26, 28 и представляет собой групп двух входовых схем ИЛИ, число которых равно числу разрядов объединяемых кодов. В отдельных случаях объединение выходов первой и второй ключевых схем может быть выполнено монтажным способом. Цифровой сигнал с третьего выхода компаратора 24 при условии X₂>X₂ поступает на первый вход второй ключевой схемы 28, на второй вход которой поступает код числа X₂. Если число X₂>X₁, то срабатывает вторая ключевая схема 28 и код числа X₂ через схему 27 объединения поступает для сравнения в следующую ступень сравнения на аналогичную схему выбора максимума 23. Таким образом, на фиг. 4 и приведен один из вариантов реализации схемы выбора максимума из чисел на элементах цифровой вычислительной техники.

Блок управления (фиг. 6) содержит последовательно соединенные задающий генератор 29 тактовой частоты, первый делитель 30 частоты и счетчик 31 старших разрядов адреса (поступающих на ПЗУ 21 весового сумматора 10/, последовательно соединенные первый элемент 32 задержки и счетчик 33 адреса (поступающего на демультиплексор 11), последовательно соединенные второй элемент 34 задержки и второй делитель 35 частоты, а также счетчик 36 младших разрядов адреса (поступающих на ПЗУ 21 весового сумматора 10), первый формирователь 37, второй формирователь 38 и третий формирователь 39. Частота задающего генератора 29 выбирается максимальной, исходя из верхней частоты анализируемого спектра сигнала (f_т 2·f_max 1,3 кГц в соответствии с теоремой В. А. Котельникова). Для преобразования аналогового сигнала в цифровой код используется АЦП 9, тактовая частота преобразования которого равна f_т. Сигнал с частотой f_т поступает с третьего выхода 3 блока 15 управления. Счетчик 36 младших разрядов адреса преобразует частоту в адресный код. Цифровые коды адресов поступают с выхода блока управления на соответствующие входы второго мультиплексора 8 и цифрового весового сумматора 10. Первый и второй формирователи формируют управляющие сигналы для работы весового сумматора 10, первый элемент задержки 32 и счетчик 33 адреса демультиплексора формируют код адреса демультиплексора, задержанный относительно кода адреса строки. Эта задержка необходима для синхронизации работы устройства. Аналогично второй элемент задержки 34 и второй делитель 35 частоты формируют задержанный управляющий сигнал схемы блока 12 выбора кода. Таким образом, блок 15 управления обеспечивает последовательный "спрос" кабельных линий для выявления однофазного замыкания на землю.

При одновременном уровне гармоник в кабельной линии протяженностью 3 км и нагрузочном рабочем токе 100 А эффективность предложенного технического решения, оцениваемая по вероятности правильного обнаружения замыкания, превысила эффективность прототипа на (10-15%) в зависимости от варьирования весовыми коэффициентами гармоник в сравнении с простым усреднением гармоник, как это выполнено в прототипе.

Формула изобретения

1. Селективное устройство для определения однофазных замыканий в кабельных линиях, содержащее N измерительных каналов, каждый из которых выполнен в виде последовательно соединенных трансформатора тока нулевой последовательности и согласующего каскада, входом подключенного к входу реле тока, блок спектральной обработки, входом соединенный с выходами согласующих каскадов измерительных каналов, а выходами с входами соответствующих М амплитудных детекторов, индикаторный блок, отличающееся тем, что введены первый мультиплексор, через который выходы N согласующих каскадов соединены с входам блока спектральной обработки, последовательно соединенные второй мультиплексор, соответствующие входы которого подключены к выходам М амплитудных детекторов, аналого-цифровой преобразователь, весовой цифровой сумматор и демультиплексор, блок выбора кода, N ключей, пороговые элементы и блок управления, соответствующие выходы которого соединены с управляющими входами первого и второго мультиплексоров, аналого-цифрового преобразователя, весового цифрового сумматора, демультиплексора и блока выбора кода, при этом N выходов демультиплексора соединены с соответствующими входами блока выбора кода, N выходов которого подключены к первым (N 1) входам соответствующих ключей, вторые входы которых соединены с выходами соответствующих реле тока измерительных каналов через соответствующие пороговые элементы, выходы всех ключей подключены к соответствующим индикаторам индикаторного блока, N выводов вторичных обмоток трансформаторов тока нулевой последовательности являются соответствующими входами устройства.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок выбора кода выполнен в виде N регистров сдвига, первые входы которых являются соответствующими входами, а объединенные вторые входы управляющим входом блока выбора кода, N компараторов, выходы которых являются соответствующими выходами блока выбора кода, и схемы выбора максимального кода, выход которой подключен к первым входам соответствующих компараторов, а соответствующие входы к выходам соответствующих регистров сдвига и вторым входам компараторов.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что весовой цифровой сумматор выполнен в виде М регистров сдвига, объединенные первые входы которых являются входом весового цифрового сумматора, М умножителей, первые входы которых соединены с выходами соответствующих регистров сдвига, сумматора, входы которого соединены с выходами соответствующих умножителей, а выход является выходом весового цифрового сумматора, и блока постоянной памяти, выходы которого соединены с вторыми входами соответствующих умножителей, а объединенные вторые входы регистров сдвига, входы блока постоянной памяти и (М+1)-ый вход сумматора являются соответствующими управляющими входами весового цифрового сумматора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6