Указатель удаленности однофазного замыкания на землю в трехфазной линии электропередачи (варианты)

Изобретение предназначено для использования на железных дорогах для определения расстояния до места однофазного замыкания на землю в трехфазных линиях электропередачи автоблокировки. Устройство как по первому, так и по второму вариантам содержит испытательный источник питания, один однофазный и два трехфазных коммутационных аппарата, три датчика тока и измерительный модуль. В устройстве по первому варианту измерительный модуль содержит четыре сумматора, миниселектор, делитель, задатчик постоянной величины, умножитель и масштабирующий элемент. В устройстве по второму варианту дополнительно включен четвертый датчик тока, а измерительный модуль содержит три сумматора, миниселектор, делитель, задатчик постоянной величины, умножитель и масштабирующий элемент. Технический результат заключается в упрощении и повышении точности определения удаленности места однофазного замыкания на землю. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к электрическим сетям, а именно трехфазным линиям электропередачи с изолированной или компенсированной нейтралью, и может использоваться, например, для определения удаленности однофазного замыкания на землю в трехфазных линиях электропередачи для электроснабжения автоблокировки на железных дорогах.

Особенности выполнения и эксплуатации высоковольтных (6-10 кВ) линий электропередачи для электроснабжения автоблокировки на железных дорогах описаны в /1/.

Первой особенностью трехфазных линий электропередачи для электроснабжения автоблокировки железных дорог является существенная несимметрия загрузки ее фаз (до 10-30%). Такая несимметрия обусловлена подключением к ней через каждые 1-3 км однофазных нагрузок. На всем протяжении линии электропередачи (20-40 км) однофазные нагрузки, подключаемые к ней в разных точках линии, хотя и присоединяются к разным фазам, однако, в том числе из-за разной мощности нагрузок и неодинакового их изменения по часам суток, полной симметрии не достигается.

Второй особенностью являются малые различия значений токов удаленных коротких замыканий от тока нагрузки, особенно при наличии переходного сопротивления в месте повреждения.

Третьей особенностью является значительная величина токов поперечной емкостной проводимости. При этом значение такого тока между фазами линии электропередачи с поврежденной и неповрежденной изоляцией оказывается соизмеримым с током удаленного короткого замыкания.

Четвертой особенностью является то, что однофазные замыкания на землю сопровождаются большим переходным сопротивлением, достигающим тысяч ом.

Пятой особенностью является то, что на электрифицированных железных дорогах однофазного переменного тока линия электропередачи для электроснабжения проходит близко от контактной сети, а иногда и на опорах последней. Однофазная контактная сеть оказывает сильное электромагнитное влияние на линию электропередачи, наводя в каждом из ее проводов значительные ЭДС, соизмеримые по абсолютному значению с напряжением источника питания упомянутой линии.

Все эти особенности существенно отличают трехфазную линию электропередачи для электроснабжения автоблокировки от трехфазных линий электропередачи другого назначения и очень сильно влияют на точность определения расстояния до места однофазного замыкания на землю по параметрам аварийного режима. К параметрам аварийного режима относят токи, напряжения, фазовые углы, другие электрические величины, которые измеряют на питающем конце линии электропередачи при возникновении нарушения изоляции в каком-либо месте на ее протяжении. При этом известно, что в сети с изолированной нейтралью параметры аварийного режима при замыкании одной фазы трехфазной линии электропередачи на землю не несут никакой информации об удаленности места повреждения. Поэтому на время осуществления измерений параметров аварийного режима трехфазную линию электропередачи с однофазным замыканием на землю переводят в режим однофазного короткого замыкания путем соединения нулевой точки питающего эту линию трансформатора с землей /1/ либо в режим двухфазного короткого замыкания на землю путем соединения у питающего трансформатора с землей другой фазы с неповрежденной изоляцией /2/.

Сущность устройства 1 поясняется на фиг.1, сущность устройства 2 - на фиг.2.

Устройство 1

Известно устройство АОП-1 определения удаленности места повреждения изоляции одной фазы трехфазной линии электропередачи, подключенной к питающему трансформатору и снабженной измерительными трансформаторами тока и напряжения, содержащее однофазный коммутационный аппарат, первый вывод которого подключен к земле, а второй - к нулевой точке питающего трансформатора, и измерительный модуль, включающий делитель, подключенный к измерительным трансформаторам тока и напряжения /1, с.121 и 122/. В момент замыкания однофазного коммутационного аппарата измерительный модуль подключают к трансформатору тока поврежденной фазы, этот модуль фиксирует фазовые напряжения U₁ и ток I₁ провода (фазы) с поврежденной изоляцией, а делитель осуществляет операцию

где Z_n-з - сопротивление единицы длины контура провод-земля;

l_k - расстояние от питающего конца линии электропередачи до места повреждения.

Известно устройство для определения удаленности места повреждения изоляции одной фазы трехфазной линии электропередачи, подключенной к питающему трансформатору и снабженной измерительными трансформаторами тока и напряжения, содержащее два однофазных коммутационных аппарата, одни выводы которых присоединены к земле, а другие - к разным фазам линии электропередачи на ее питающем конце, избиратель неповрежденной фазы и измерительный модуль, включающий делитель, подключаемые к измерительным трансформаторам тока и напряжения /2, 3/. При замыкании одной фазы трехфазной линии электропередачи на землю избиратель неповрежденной фазы включает один из однофазных коммутационных аппаратов, который замыкает неповрежденную фазу на землю, создавая режим двухфазного короткого замыкания на землю. Измерительный блок фиксирует линейное напряжение U₁₂ между фазой с поврежденной изоляцией и неповрежденной фазой, искусственно замкнутой на землю, а также ток I₁ фазы с поврежденной изоляцией. При этом делитель осуществляет операцию

Недостатком этих устройств является крайне низкая точность. Соответствие между значением l_k и расстоянием до места повреждения имеет место только в том случае, когда отсутствуют все пять особенностей, характерных для трехфазных линий электропередачи для электроснабжения автоблокировки и перечисленных выше. Особенно большую погрешность вызывают такие особенности, как несимметричная загрузка фаз, большое переходное сопротивление и электромагнитное влияние контактной сети железных дорог, электрифицированных по системе однофазного переменного тока. Погрешность становится настолько большой, что «не обеспечивает требуемой точности и надежности измерений» /1, с.123/.

Известно устройство для определения удаленности однофазного замыкания в трехфазной линии электропередачи, подключенной через трехфазный коммутационный аппарат к источнику питания упомянутой линии, содержащее первый однофазный коммутационный аппарат, соединяющий нулевую точку или одну из неповрежденных фаз источника питания с землей, второй, третий и четвертый однофазные коммутационные аппараты с индивидуальными приводами, три перемычки и измерительный модуль, включающий сумматор, образованный двумя согласующими трансформаторами, и делитель /4/, принятые в качестве прототипа.

При замыкании одной фазы линии электропередачи на землю определяют поврежденную фазу, затем отключают трехфазный коммутационный аппарат, устанавливают одну перемычку на питающем конце линии электропередач и две перемычки на противоположном ее конце, отключают второй, третий или четвертый однофазный коммутационный аппарат, измерительный модуль подключают к измерительным трансформаторам тока и напряжения соответствующих фаз, после чего включают первый однофазный коммутационный аппарат, а затем и трехфазный коммутационный аппарат. При этом измерительный модуль фиксирует комплексные значения линейного напряжения ₁₂ и токов ₁ и ₂ в подключенных к источнику питания двух фазах линии электропередачи и осуществляет операцию

где L - длина линии электропередачи,

- комплексное сопротивление прямой последовательности единицы длины линии электропередачи.

В этом устройстве исключено (при симметричной загрузке фаз) влияние переходного сопротивления на погрешность определения удаленности места повреждения и снижено влияние всех остальных особенностей (дестабилизирующих факторов). Устройство /4/ имеет следующие недостатки:

- для работы устройства необходимо предварительно определить фазу с поврежденной изоляцией. Это осуществляется, например, с помощью трех вольтметров, измеряющих фазовое напряжение каждого из проводов линии электропередачи относительно земли /1, с.105/. Напряжение фазы с поврежденной изоляцией в пределе снижается до нуля, а напряжение двух других фаз в пределе возрастает в раз по сравнению с нормальным режимом. Однако при замыкании одной фазы на землю через большое переходное сопротивление фазовые напряжения поврежденной и неповрежденной фаз, как известно, могут различаться настолько незначительно, что определить фазу с поврежденной изоляцией становится невозможным /5/. В этом случае возможно неверное подключение измерительного модуля, что вызывает регистрацию неверного значения l_k;

- измерительный модуль осуществляет операции с комплексными числами, т.е. с фиксацией фазовых углов между величинами U₁₂, I₁, I₂ и аргумента Z. При больших переходных сопротивлениях фазовые углы становятся незначительными, а если эти углы измеряются неточно, то возникает большая погрешность при определении значения l_k.

Источниками неточного измерения фазовых углов является, как известно, так называемая угловая погрешность трансформаторов тока и согласующих трансформаторов /6, с.118/, используемых в устройстве /4/;

- в устройстве /4/ снижено электромагнитное влияние контактной сети, однако оно не исключено полностью, что вызывает значительную погрешность при определении l_k;

- применение устройства /4/ требует большого числа операций в высоковольтной линии электропередачи (определение фазы с поврежденной изоляцией, переключение многих коммутационных аппаратов, установка перемычек).

Перечисленные недостатки усложняют устройство и снижают его точность.

Техническим результатом предложенного решения является упрощение и повышение точности определения расстояния до места однофазного замыкания на землю в трехфазной линии электропередачи.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройство, содержащее коммутационный аппарат, первый вывод которого соединен с землей, и измерительный модуль, включающий первый сумматор и делитель, дополнительно включены первый и второй трехфазные коммутационные аппараты, первый, второй и третий датчики тока, испытательный источник питания, а в измерительном модуле - второй, третий и четвертый сумматоры, миниселектор, задатчик постоянной величины, умножитель и масштабирующий элемент, при этом одна из фаз или нулевой вывод испытательного источника питания подключены ко второму выводу коммутационного аппарата, а другая фаза упомянутого испытательного источника питания подключена к общей точке первого, второго и третьего датчиков тока, включенных в звезду, лучи которой присоединены к первым выводам первого трехфазного коммутационного аппарата, вторые выводы которого подключены к соответствующим фазам трехфазной линии электропередачи в ее начале на питающем конце, на противоположном конце которой к тем же фазам упомянутой линии присоединены вторые выводы второго трехфазного коммутационного аппарата, первые выводы которого замкнуты между собой накоротко, в измерительном модуле вывод первого датчика тока подключен к первым входам второго, третьего и четвертого сумматоров, вывод второго датчика тока подключен соответственно к первому входу первого и вторым входам третьего и четвертого сумматоров, вывод третьего датчика тока подключен соответственно ко вторым входам первого и второго сумматоров и третьему входу четвертого сумматора, выходы первого, второго и третьего сумматоров присоединены соответственно к первому, второму и третьему входам миниселектора, выход которого подключен ко второму входу делителя, первый вход которого соединен с выходом четвертого сумматора, а выход подключен ко второму входу умножителя, первый вход которого соединен с задатчиком постоянной величины, а выход присоединен к масштабирующему элементу, причем коэффициент передачи масштабирующего элемента равен или пропорционален обратной величине произведения коэффициентов передачи умножителя, делителя, миниселектора и задатчика постоянной величины.

Кроме того, в качестве испытательного источника питания может использоваться источник питания трехфазной линии электропередачи, а в качестве первого и второго трехфазных коммутационных аппаратов - съемные перемычки.

Сущность изобретения поясняется схемой, приведенной на фиг.1, где приняты следующие обозначения:

1, 2, 3 - провода (фазы) трехфазной линии электропередачи;

4 - источник питания трехфазной линии электропередачи;

5 - отключающий элемент (выключатель, разъединитель);

6, 7, 8 - трансформаторы тока;

9 - коммутационный аппарат;

10 - испытательный источник питания;

11 - первый трехфазный коммутационный аппарат;

12, 13, 14 - первый, второй и третий датчики тока;

15 - второй трехфазный коммутационный аппарат;

16, 17, 18, 19 - первый, второй, третий и четвертый сумматоры;

20 - миниселектор;

21 - делитель;

22 - задатчик постоянной величины;

23 - умножитель;

24 - масштабирующий элемент;

25 - измерительный модуль;

К - место однофазного замыкания на землю линии электропередачи;

L - длина линии электропередачи;

l_k - расстояние до места однофазного замыкания.

Элементы 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 известны и не относятся к самому предмету изобретения, а являются обычными атрибутами того объекта, для которого предназначено рассматриваемое устройство /1, с.29, рис.14/. Остальные элементы схемы, приведенные на фиг. 1, относятся к предмету изобретения. Элементы 9, 16 и 21 известны из прототипа и аналогов. Элементы 10, 11, 12, 13, 14, 15, 17, 18, 19, 20, 22, 23, 24 и связи между ними являются новыми.

Трехфазная линия электропередачи с проводами (фазами) 1, 2, 3 подключена к источнику питания 4 через отключающий элемент 5. В начале линии электропередачи на ее питающем конце к проводам 1, 2, 3 соответствующими (первыми) выводами присоединен первый трехфазный коммутационный аппарат 11. К выводам противоположной стороны (вторым) трехфазного коммутационного аппарата 11 присоединены по одному в каждую фазу первый 12, второй 13 и третий 14 датчики тока, соединенные в звезду. Общая точка звезды подключена к одной из фаз испытательного источника питания 10. Другая фаза испытательного источника питания 10 или его нулевой вывод присоединены ко второму выводу коммутационного аппарата 9, первый вывод которого соединен с землей. На противоположном конце линии электропередачи к ее проводам 1, 2, 3 подключен второй трехфазный коммутационный аппарат 15, выводы другой стороны которого замкнуты между собой накоротко.

В измерительном модуле вывод первого датчика тока 12 подключен к первым входам второго 17, третьего 18 и четвертого 19 сумматоров. Вывод второго датчика тока 13 подключен к первому входу первого 16 и вторым входам третьего 18 и четвертого 19 сумматоров. Вывод третьего датчика тока 14 подключен ко вторым входам первого 16 и второго 17, а также к третьему входу четвертого 19 сумматоров. Выходы первого 16, второго 17 и третьего 18 сумматоров присоединены соответственно к первому, второму и третьему входам миниселектора 20, выход которого подключен ко второму входу делителя 21. Первый вход делителя 21 соединен с выходом четвертого сумматора 19, а выход делителя 21 подключен ко второму входу умножителя 23, первый вход которого соединен с выходом задатчика постоянной величины 22. Выход умножителя 23 соединен с масштабирующим элементом 24.

В качестве испытательного источника питания 10 может быть использован однофазный или многофазный генератор или трансформатор с напряжением как совпадающим, так и не совпадающим по величине с напряжением источника питания 4 линии электропередачи. При более высоком напряжении испытательного источника питания 10 устройство можно использовать для дополнительной функции - выявления мест в линии электропередачи со слабой изоляцией. При более низком напряжении испытательного источника питания 10 улучшаются условия электробезопасности при обслуживании устройства. В качестве испытательного источника питания 10 может использоваться также и источник питания 4. Соответствующие подключения при этом показаны пунктиром.

В качестве первого и второго трехфазных коммутационных аппаратов 11 и 15 могут быть использованы типовые выключатели, контакторы или разъединители, а также съемные перемычки.

В качестве датчиков тока 12, 13, 14 могут быть использованы измерительные трансформаторы тока. Все элементы измерительного модуля 25 могут быть выполнены с помощью типовых блоков аналоговой, цифровой или микропроцессорной техники.

При разомкнутом отключающем элементе 5 и включенных коммутационных аппаратах 9, 11 и 15 на выходе датчиков тока 12, 13 и 14 сигналы равны соответственно:

где I₁, I₂, I₃ - токи в проводах соответственно 1, 2, 3 линии электропередачи на ее питающем конце;

К_Т - коэффициент передачи датчиков тока.

На выходе первого 16, второго 17, третьего 18 и четвертого 19 сумматоров сигналы соответственно равны:

где I_C=I₁+I₂+I₃ - сумма токов трех фаз линии электропередачи на ее питающем конце;

с_C - коэффициент передачи сумматоров.

Через миниселектор 20 пройдет тот из сигналов А₁₆, А₁₇ или А₁₈, который имеет наименьшее значение. Поскольку провода 1, 2, 3 линии электропередачи между собой замкнуты накоротко на питающем конце трехфазным коммутационным аппаратом 11, а на противоположном конце этой линии - трехфазным коммутационным аппаратом 15, то на питающем конце значение тока в проводе, замкнувшемся на землю, будет больше, чем значения тока в других проводах. Поэтому при замыкании на землю провода 1 наименьшим будет сигнал А₁₆, при замыкании на землю провода 2 наименьшим будет сигнал А₁₇, при замыкании на землю провода 3 наименьшее значение будет иметь сигнал А₁₈.

В схеме, показанной на фиг.1, на землю замкнут провод 1. Для этого случая сигнал на выходе миниселектора равен:

A₂₀=c_MC·A₁₆=c_MC·c_C·K_Т·(I₂+I₃),

где с_MC - коэффициент передачи миниселектора. Сигнал на выходе делителя 21 равен:

где с_∂ - коэффициент передачи делителя.

Сигнал на выходе задатчика постоянной величины 22 равен:

A₂₂=с_з·1.5·L,

где L - длина линии электропередачи.

Сигнал на выходе умножителя 23 равен:

где с_у - коэффициент передачи умножителя.

Сигнал на выходе масштабирующего элемента 24 равен:

A₂₄=c_МЭ·A₂₃,

где с_МЭ - коэффициент передачи масштабирующего элемента.

Масштабирующий элемент 24 выполнен с коэффициентом передачи, равным или пропорциональным обратной величине произведения коэффициентов передачи умножителя 23, делителя 21, миниселектора 20 и задатчика постоянной величины 22:

где n - коэффициент пропорциональности.

При этом сигнал на выходе масштабирующего элемента равен:

где l_k - расстояние до места замыкания линии электропередачи на землю.

Если n=1, единицы измерения значений L и l_k одинаковы. В том случае, если необходимо измерять L и l_k в разных единицах, например L в км, а l_k в метрах, то коэффициент пропорциональности n принимается равным отношению используемых единиц расстояний.

При замыкании на землю провода 2 линии электропередачи сигнал на выходе элемента 24 будет равен:

а при замыкании на землю провода 3 линии электропередачи этот сигнал равен:

Устройство работает следующим образом. При замыкании на землю любого из проводов 1, 2, 3 линии электропередачи отключают отключающий элемент 5 и включают первый 11 и второй 15 трехфазные коммутационные аппараты, а затем и коммутационный аппарат 9. После этого фиксируют показание l_k масштабирующего элемента 24 измерительного модуля 25. Это показание пропорционально расстоянию от источника питания до места замыкания на землю любого из проводов линии электропередачи.

Технический результат в виде упрощения и повышения точности определяется следующими факторами:

- не требуется предварительное определение той фазы, которая замкнулась на землю;

- не требуется изменять схему подключения устройства к датчикам тока в зависимости от того, какая из фаз линии электропередачи замкнулась на землю;

- не требуется подключение устройства к измерительному трансформатору напряжения;

- отсутствует влияние на показания устройства такого дестабилизирующего фактора, как индуктивное влияние контактной сети электрических железных дорог однофазного переменного тока (по принципу действия), поскольку наведенные в каждом из проводов 1, 2, 3 линии электропередачи ЭДС в предложенной схеме измерения взаимно компенсируются;

- отсутствует зависимость показаний устройства от угловых погрешностей датчиков тока, поскольку для вычисления l_k используются модули токов, а не их комплексные значения;

- снижено влияние распределенных однофазных нагрузок и токов поперечной емкостной проводимости линии электропередачи, поскольку трехфазные коммутационные аппараты 11 и 15 замыкают накоротко все три фазы 1, 2, 3 линии электропередачи как на питающем, так и на ее противоположном концах.

Кроме того, устройство не реагирует по принципу действия на величину сопротивления дуги или переходного сопротивления в месте замыкания на землю.

Устройство 2

Известно устройство АОП-1 определения удаленности места повреждения изоляции одной фазы трехфазной линии электропередачи, подключенной к питающему трансформатору и снабженной измерительными трансформаторами тока и напряжения, содержащее однофазный коммутационный аппарат, первый вывод которого подключен к земле, а второй - к нулевой точке питающего трансформатора, и измерительный модуль, включающий делитель, подключенный к измерительным трансформаторам тока и напряжения /1, с.121 и 122/. В момент замыкания однофазного коммутационного аппарата измерительный модуль подключают к трансформатору тока поврежденной фазы, этот модуль фиксирует фазовые напряжения U₁ и ток I₁ провода (фазы) с поврежденной изоляцией, а делитель осуществляет операцию

где Z_n-з - сопротивление единицы длины контура провод-земля;

l_k - расстояние от питающего конца линии электропередачи до места повреждения.

Известно устройство для определения удаленности места повреждения изоляции одной фазы трехфазной линии электропередачи, подключенной к питающему трансформатору и снабженной измерительными трансформаторами тока и напряжения, содержащее два однофазных коммутационных аппарата, одни выводы которых присоединены к земле, а другие - к разным фазам линии электропередачи на ее питающем конце, избиратель неповрежденной фазы и измерительный модуль, включающий делитель, подключаемые к измерительным трансформаторам тока и напряжения /2, 3/. При замыкании одной фазы трехфазной линии электропередачи на землю, избиратель неповрежденной фазы включает один из однофазных коммутационных аппаратов, который замыкает неповрежденную фазу на землю, создавая режим двухфазного короткого замыкания на землю. Измерительный блок фиксирует линейное напряжение U₁₂ между фазой с поврежденной изоляцией и неповрежденной фазой, искусственно замкнутой на землю, а также ток I₁ фазы с поврежденной изоляцией. При этом делитель осуществляет операцию

Недостатком этих устройств является крайне низкая точность. Соответствие между значением l_k и расстоянием до места повреждения имеет место только в том случае, когда отсутствуют все пять особенностей, характерных для трехфазных линий электропередачи для электроснабжения автоблокировки и перечисленных выше. Особенно большую погрешность вызывают такие особенности, как несимметричная загрузка фаз, большое переходное сопротивление и электромагнитное влияние контактной сети железных дорог, электрифицированных по системе однофазного переменного тока. Погрешность становится настолько большой, что «не обеспечивает требуемой точности и надежности измерений» /1, с.123/.

Известно устройство для определения удаленности однофазного замыкания в трехфазной линии электропередачи, подключенной через трехфазный коммутационный аппарат к источнику питания упомянутой линии, содержащее первый однофазный коммутационный аппарат, соединяющий нулевую точку или одну из неповрежденных фаз источника питания с землей, третий и четвертый однофазные коммутационные аппараты с индивидуальными приводами, три перемычки и измерительный модуль, включающий сумматор, образованный двумя согласующими трансформаторами, и делитель /4/, принятые в качестве прототипа.

При замыкании одной фазы линии электропередачи на землю определяют поврежденную фазу, затем отключают трехфазный коммутационный аппарат, устанавливают одну перемычку на питающем конце линии электропередач и две перемычки на противоположном ее конце, отключают второй, третий или четвертый однофазный коммутационный аппарат, измерительный модуль подключают к измерительным трансформаторам тока и напряжения соответствующих фаз, после чего включают первый однофазный коммутационный аппарат, а затем и трехфазный коммутационный аппарат. При этом измерительный модуль фиксирует комплексные значения линейного напряжения ₁₂ и токов ₁ и ₂ в подключенных к источнику питания двух фазах линии электропередачи и осуществляет операцию

где L - длина линии электропередачи,

- комплексное сопротивление прямой последовательности единицы длины линии электропередачи.

В этом устройстве исключено (при симметричной загрузке фаз) влияние переходного сопротивления на погрешность определения удаленности места повреждения и снижено влияние всех остальных особенностей (дестабилизирующих факторов). Устройство /4/ имеет следующие недостатки:

- для работы устройства необходимо предварительно определить фазу с поврежденной изоляцией. Это осуществляется, например, с помощью трех вольтметров, измеряющих фазовое напряжение каждого из проводов линии электропередачи относительно земли /1, с.105/. Напряжение фазы с поврежденной изоляцией в пределе снижается до нуля, а напряжение двух других фаз в пределе возрастает в раз по сравнению с нормальным режимом. Однако при замыкании одной фазы на землю через большое переходное сопротивление фазовые напряжения поврежденной и неповрежденной фаз, как известно, могут различаться настолько незначительно, что определить фазу с поврежденной изоляцией становится невозможным /5/. В этом случае возможно неверное подключение измерительного модуля, что вызывает регистрацию неверного значения l_k;

- измерительный модуль осуществляет операции с комплексными числами, т.е. с фиксацией фазовых углов между величинами U₁₂, I₁, I₂ и аргумента Z. При больших переходных сопротивлениях фазовые углы становятся незначительными, а если эти углы измеряются неточно, то возникает большая погрешность при определении значения l_k.

Источниками неточного измерения фазовых углов является, как известно, так называемая угловая погрешность трансформаторов тока и согласующих трансформаторов /6, с.118/, используемых в устройстве /4/;

- в устройстве /4/ снижено электромагнитное влияние контактной сети, однако оно не исключено полностью, что вызывает значительную погрешность при определении l_k;

- применение устройства /4/ требует большого числа операций в высоковольтной линии электропередачи (определение фазы с поврежденной изоляцией, переключение многих коммутационных аппаратов, установка перемычек).

Перечисленные недостатки усложняют устройство и снижают его точность.

Техническим результатом предложенного решения является упрощение и повышение точности определения расстояния до места однофазного замыкания на землю в трехфазной линии электропередачи.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройство, содержащее коммутационный аппарат, первый вывод которого соединен с землей, и измерительный модуль, включающий сумматор и делитель, дополнительно включены первый и второй трехфазные коммутационные аппараты, первый, второй, третий и четвертый датчики тока, испытательный источник питания, а в измерительном модуле - второй и третий сумматоры, миниселектор, задатчик постоянной величины, умножитель и масштабирующий элемент, при этом одна из фаз или нулевой вывод испытательного источника питания подключены ко второму выводу коммутационного аппарата, а другая фаза упомянутого испытательного источника питания подключены через четвертый датчик тока к общей точке первого, второго и третьего датчиков тока, включенных в звезду, лучи которой присоединены к первым выводам первого трехфазного коммутационного аппарата, вторые выводы которого подключены к соответствующим фазам трехфазной линии электропередачи в ее начале на питающем конце, на противоположном конце которой к тем же фазам упомянутой линии электропередачи присоединены выводы второго трехфазного коммутационного аппарата, первые выводы которого замкнуты между собой накоротко, в измерительном модуле вывод первого датчика тока подключен соответственно к первым входам второго и третьего сумматоров, вывод второго датчика тока подключен соответственно к первому входу первого и второму входу третьего сумматоров, вывод третьего датчика тока подключен соответственно ко вторым входам первого и второго сумматоров, выходы первого, второго и третьего сумматоров подсоединены соответственно к первому, второму и третьему входам миниселектора, выход которого присоединен к второму входу делителя, первый вход которого подключен к выводу четвертого датчика тока, а выход присоединен ко второму входу умножителя, первый вход которого соединен с задатчиком постоянной величины, а выход присоединен к масштабирующему элементу, причем коэффициент передачи сумматоров равен отношению коэффициента передачи четвертого датчика тока и коэффициенту передачи первого, второго и третьего датчиков тока, а коэффициент передачи масштабирующего элемента равен или пропорционален обратной величине произведения коэффициентов передачи умножителя, делителя, миниселектора и задатчика постоянной величины.

Кроме того, в качестве испытательного источника питания может использоваться источник питания трехфазной линии электропередачи, а в качестве первого и второго трехфазных коммутационных аппаратов - съемные перемычки.

Сущность изобретения поясняется схемой, приведенной на фиг.2, где приняты следующие обозначения:

1, 2, 3 - провода (фазы) трехфазной линии электропередачи;

4 - источник питания трехфазной линии электропередачи;

5 - отключающий элемент (выключатель, разъединитель);

6, 7, 8 - трансформаторы тока;

9 - коммутационный аппарат;

10 - испытательный источник питания;

11 - первый трехфазный коммутационный аппарат;

12, 13, 14 - первый, второй и третий датчики тока;

15 - второй трехфазный коммутационный аппарат;

16,17, 18 - первый, второй и третий сумматоры;

19 - четвертый датчик тока;

20 - миниселектор;

21 - делитель;

22 - задатчик постоянной величины;

23 - умножитель;

24 - масштабирующий элемент;

25 - измерительный модуль;

К - место однофазного замыкания на землю линии электропередачи;

L - длина линии электропередачи;

l_k - расстояние до места однофазного замыкания.

Элементы 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 известны и не относятся к самому предмету изобретения, а являются обычными атрибутами того объекта, для которого предназначено рассматриваемое устройство /1, с.29, рис.14/. Остальные элементы схемы, приведенные на фиг. 2, относятся к предмету изобретения. Элементы 9, 16 и 21 известны из прототипа и аналогов. Элементы 10, 11, 12, 13, 14, 15, 17, 18, 19, 20, 22, 23, 24 и связи между ними являются новыми.

Трехфазная линия электропередачи с проводами (фазами) 1, 2, 3 подключена к источнику питания 4 через отключающий элемент 5. В начале линии электропередачи на ее питающем конце к проводам 1, 2, 3 соответствующими (первыми) выводами присоединен первый трехфазный коммутационный аппарат 11. К выводам противоположной стороны (вторым) трехфазного коммутационного аппарата 11 присоединены по одному в каждую фазу первый 12, второй 13 и третий 14 датчики тока, соединенные в звезду. Общая точка звезды подключена через четвертый датчик тока 19 к одной из фаз испытательного источника питания 10. Другая фаза испытательного источника питания 10 или его нулевой вывод присоединены ко второму выводу коммутационного аппарата 9, первый вывод которого соединен с землей. На противоположном конце линии электропередачи к ее проводам 1, 2, 3 подключен второй трехфазный коммутационный аппарат 15, выводы другой стороны которого замкнуты между собой накоротко.

В измерительном модуле вывод первого датчика тока 12 подключен к первым входам второго 17 и третьего 18 сумматоров. Вывод второго датчика тока 13 подключен к первому входу первого 16 и второму входу третьего 18 сумматоров. Вывод третьего датчика тока 14 подключен ко вторым входам первого 16 и второго 17 сумматоров. Выходы первого 16, второго 17 и третьего 18 сумматоров соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами миниселектора 20, выход которого подключен ко второму входу делителя 21. Первый вход делителя 21 соединен с выводом четвертого датчика тока 19, а выход этого делителя подключен ко второму входу умножителя 23, к первому входу которого присоединен задатчик постоянной величины 22, а выход соединен с масштабирующим элементом 24.

В качестве испытательного источника питания 10 может быть использован однофазный или многофазный генератор или трансформатор с напряжением, как совпадающим, так и не совпадающим по величине с напряжением источника питания 4 линии электропередачи. При более высоком напряжении испытательного источника питания 10 устройство можно использовать для дополнительной функции - выявления мест в линии электропередачи со слабой изоляцией. При более низком напряжении испытательного источника питания 10 улучшаются условия электробезопасности при обслуживании устройства. В качестве испытательного источника питания 10 может использоваться также и источник питания 4. Соответствующие подключения при этом показаны пунктиром.

В качестве первого и второго трехфазных коммутационных аппаратов 11 и 15 могут быть использованы типовые выключатели, контакторы или разъединители, а также съемные перемычки.

В качестве датчиков тока 12, 13, 14 могут быть использованы измерительные трансформаторы тока. Все элементы измерительного модуля 25 могут быть выполнены с помощью типовых блоков аналоговой, цифровой или микропроцессорной техники.

При разомкнутом отключающем элементе 5 и включенных коммутационных аппаратах 9, 11 и 15 на выходе датчиков тока 12, 13 и 14 сигналы равны соответственно:

где I₁, I₂, I₃ - токи в проводах соответственно 1, 2, 3 линии электропередачи на ее питающем конце;

К_T - коэффициент передачи датчиков тока.

На выходе первого 16, второго 17 и третьего 18 сумматоров сигналы соответственно равны:

где с_C - коэффициент передачи сумматоров.

На выходе четвертого датчика тока 19 сигнал равен:

где I_C=I₁+I₂+I₃ - сумма токов трех фаз линии электропередачи на ее питающем конце;

- коэффициент передачи четвертого датчика тока 19.

Миниселектор 20 пропускает на свой выход тот из сигналов А₁₆, А₁₇ или А₁₈, который имеет наименьшее значение. Поскольку провода 1, 2, 3 линии электропередачи между собой замкнуты накоротко коммутационным аппаратом 11 на питающем конце и коммутационным аппаратом 15 на противоположном ее конце, то на питающем конце значение тока в проводе, замкнувшемся на землю, будет больше, чем значения тока в других проводах. Поэтому при замыкании на землю провода 1 наименьшим будет сигнал А₁₆, при замыкании на землю провода 2 наименьшим будет сигнал А₁₇, при замыкании на землю провода 3 наименьшее значение будет иметь сигнал A₁₈.

В схеме, показанной на фиг.2, на землю замкнут провод 1. Для этого случая сигнал на выходе миниселектора 20 равен:

где с_MC - коэффициент передачи миниселектора. Сигнал на выходе делителя 21 равен:

где с_∂ - коэффициент передачи делителя.

Коэффициент передачи сумматоров принят равным отношению коэффициента передачи четвертого датчика тока к коэффициенту передачи первого, второго и третьего датчиков тока:

В этом случае сигнал А₂₁ равен:

Сигнал на выходе задатчика постоянной величины 22 равен:

А₂₂=c_з·1,5·L,

где L - длина линии электропередачи;

c_з - коэффициент передачи задатчика постоянной величины 22.

Сигнал на выходе умножителя 23 равен:

Сигнал на выходе масштабирующего элемента 24 равен:

A₂₄=c_МЭ·A₂₃,

где c_МЭ - коэффициент передачи масштабирующего элемента.

Коэффициент передачи масштабирующий элемента 24 равен или пропорционален обратной величине произведения коэффициентов передачи умножителя, делителя, миниселектора и задатчика постоянной величины:

А₂₄=с_МЭ·А₂₃,

где n - коэффициент пропорциональности.

В этом случае сигнал А₂₄ равен:

где l_k - расстояние до места замыкания линии электропередачи на землю.

Если n=1, то единицы измерения значений L и l_k одинаковы. В том случае, если необходимо измерять L и l_k в разных единицах, например L в км, а l_k в метрах, то коэффициент пропорциональности n принимается равным отношению используемых единиц расстояний.

При замыкании на землю провода 2 линии электропередачи сигнал на выходе элемента 24 будет равен:

а при замыкании на землю провода 3 линии электропередачи этот сигнал равен:

Устройство работает следующим образом. При замыкании на землю любого из проводов 1, 2, 3 линии электропередачи отключают отключающий элемент 5 и включают первый 11 и второй 15 трехфазные коммутационные аппараты, а затем и коммутационный аппарат 9. После этого фиксируют показание l_k масштабирующего элемента 24 измерительного модуля 25. Это показание пропорционально расстоянию от источника питания до места замыкания на землю любого из проводов линии электропередачи.

Технический результат в виде упрощения и повышения точности определяется следующими факторами:

- не требуется предварительное определение той фазы, которая замкнулась на землю;

- не требуется изменять схему подключения устройства к датчикам тока в зависимости от того, какая из фаз линии электропередачи замкнулась на землю;

- не требуется подключение устройства к измерительному трансформатору напряжения;

- отсутствует влияние на показания устройства такого дестабилизирующего фактора, как индуктивное влияние контактной сети электрических железных дорог однофазного переменного тока (по принципу действия), поскольку наведенные в каждом из проводов 1, 2, 3 линии электропередачи ЭДС в предложенной схеме измерения взаимно компенсируются;

- отсутствует зависимость показаний устройства от угловых погрешностей датчиков тока, поскольку для вычисления l_k используются модули токов, а не их комплексные значения;

- снижено влияние распределенных однофазных нагрузок и токов поперечной емкостной проводимости линии электропередачи, поскольку трехфазные коммутационные аппараты 11 и 15 замыкают накоротко все три фазы 1, 2, 3 линии электропередачи как на питающем, так и на ее противоположном концах.

Кроме того, устройство не реагирует по принципу действия на величину сопротивления дуги или переходного сопротивления в месте замыкания на землю.

Источники информации

1. Герман Л.А., Векслер М.И., Шелом И.А. Устройства и линии электроснабжения автоблокировки. - М.: Транспорт, 1987.-192 с.

2. Фигурнов Е.П., Тептиков Н.Р. Определение удаленности замыкания в высоковольтных линиях автоблокировки. В кн.: Релейная защита и автоматика устройств электроснабжения железных дорог. Межвузовский сборник трудов. Ростовский институт инженеров ж.д. транспорта, вып. 144. Ростов-на-Дону, РИИЖТ, 1978, с.81-86.

3. А.С. СССР №920576. Устройство для избирания неповрежденной фазы/ Я.Д.Гуральник, В.А.Манухов, Н.Р.Тептиков, Е.П.Фигурнов, В.М.Эрлих. М.Кл³ G 01 R 31/08. №2965324/24-21, заявл. 01.08.78, опубл. 15.04.82, Бюл. №14.

4. Патент RU №2186404. Способы и устройства для определения удаленности однофазного замыкания в трехфазной линии электропередачи (варианты)/ Фигурнов Е.П., Бочев А.С., Бодров П.А. 7 G 01 R 31/06, №2001109805/09, заявл. 11.04.2001, опубл. 27.07.2002, Бюл.№21.

5. Шуин В.А., Гусенков А.В. Защита от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. -М.: НТФ «Энергопрогресс», 2001.-104 с./ Библиотека электротехника; вып. 11(35)/.

6. Электрические измерения/ В.Н.Малиновский, P.M.Демидова-Панферова, Ю.Н.Евланов и др.; Под ред. д-ра техн. Наук В.Н.Малиновского. - М.: Энергоатомиздат, 1985.-416 с.

1. Указатель удаленности однофазного замыкания на землю в трехфазной линии электропередачи с изолированной или компенсированной нейтралью с односторонним питанием, подключенной через отключающий элемент к источнику питания, содержащий коммутационный аппарат, первый вывод которого соединен с землей, и измерительный модуль, включающий первый сумматор и делитель, отличающийся тем, что в него дополнительно включены первый сумматор и делитель, дополнительно включены первый и второй трехфазные коммутационные аппараты, первый, второй и третий датчики тока, испытательный источник питания, а в измерительном модуле - второй, третий и четвертый сумматоры, миниселектор, задатчик постоянной величины, умножитель и масштабирующий элемент, при этом одна из фаз или нулевой вывод испытательного источника питания подключены ко второму выводу коммутационного аппарата, а другая фаза упомянутого испытательного источника питания подключена к общей точке первого, второго и третьего датчиков тока, включенных в звезду, лучи которой присоединены к первым выводам первого трехфазного коммутационного аппарата, вторые выводы которого подключены к соответствующим фазам трехфазной линии электропередачи в ее начале на питающем конце, на противоположном конце которой к тем же фазам упомянутой линии присоединены вторые выводы второго трехфазного коммутационного аппарата, первые выводы которого замкнуты между собой накоротко, в измерительном модуле вывод первого датчика тока подключен к первым входам второго, третьего и четвертого сумматоров, вывод второго датчика тока подключен соответственно к первому входу первого и вторым входам третьего и четвертого сумматоров, вывод третьего датчика тока подключен соответственно ко вторым входам первого и второго сумматоров и третьему входу четвертого сумматора, выходы первого, второго и третьего сумматоров присоединены соответственно к первому, второму и третьему входам миниселектора, выход которого подключен ко второму входу делителя, первый вход которого соединен с выходом четвертого сумматора, а выход подключен ко второму входу умножителя, первый вход которого соединен с задатчиком постоянной величины, а выход присоединен к масштабирующему элементу, причем коэффициент передачи масштабирующего элемента равен или пропорционален обратной величине произведения коэффициентов передачи умножителя, делителя, миниселектора и задатчика постоянной величины.

2. Устройство по п.1, в котором в качестве испытательного источника питания используется источник питания трехфазной линии электропередачи.

3. Устройство по п.1, в котором в качестве первого и второго трехфазных коммутационных аппаратов используются съемные перемычки.

4. Указатель удаленности однофазного замыкания на землю в трехфазной линии электропередачи с изолированной или компенсированной нейтралью с односторонним питанием, подключенной через отключающий элемент к источнику питания, содержащий коммутационный аппарат, первый вывод которого соединен с землей, и измерительный модуль, включающий первый сумматор и делитель, отличающийся тем, что в него дополнительно включены первый и второй трехфазные коммутационные аппараты, первый, второй, третий и четвертый датчики тока, испытательный источник питания, а в измерительном модуле - второй и третий сумматоры, миниселектор, задатчик постоянной величины, умножитель и масштабирующий элемент, при этом одна из фаз или нулевой вывод испытательного источника питания подключены ко второму выводу коммутационного аппарата, а другая фаза упомянутого испытательного источника питания подключена через четвертый датчик тока к общей точке первого, второго и третьего датчиков тока, включенных в звезду, лучи которой присоединены к первым выводам первого трехфазного коммутационного аппарата, вторые выводы которого подключены к соответствующим фазам трехфазной линии электропередачи в ее начале на питающем конце, на противоположном конце которой к тем же фазам упомянутой линии электропередачи присоединены выводы второго трехфазного коммутационного аппарата, первые выводы которого замкнуты между собой накоротко, в измерительном модуле вывод первого датчика тока подключен соответственно к первым входам второго и третьего сумматоров, вывод второго датчика тока подключен соответственно к первому входу первого и второму входу третьего сумматоров, вывод третьего датчика тока подключен соответственно ко вторым входам первого и второго сумматоров, выходы первого, второго и третьего сумматоров подсоединены соответственно к первому, второму и третьему входам миниселектора, выход которого присоединен к второму входу делителя, первый вход которого подключен к выводу четвертого датчика тока, а выход присоединен ко второму входу умножителя, первый вход которого соединен с задатчиком постоянной величины, а выход присоединен к масштабирующему элементу, причем коэффициент передачи сумматоров равен отношению коэффициента передачи четвертого датчика тока и коэффициенту передачи первого, второго и третьего датчиков тока, а коэффициент передачи масштабирующего элемента равен или пропорционален обратной величине произведения коэффициентов передачи умножителя, делителя, миниселектора и задатчика постоянной величины.

5. Устройство по п.4, в котором в качестве испытательного источника питания используется источник питания трехфазной линии электропередачи.

6. Устройство по п.4, в котором в качестве первого и второго коммутационных аппаратов используются съемные перемычки.