Способ и устройство для обнаружения направленного короткого замыкания на землю на основе изменения трехфазного тока

Изобретение относится к обнаружению замыканий на землю в электрической сети. Сущность: способ включает обнаружение короткого замыкания на землю на основе измеренных трехфазных токов i_A, i_B и i_C и получение момента времени t, соответствующего моменту времени, когда было только что обнаружено короткое замыкание на землю; определение того, является ли это короткое замыкание на землю однофазным коротким замыканием на землю или двухфазным коротким замыканием на землю, на основе трех инкрементных фазных токов Δi_A, Δi_B и Δi_C в момент времени t; и когда определено однофазное короткое замыкание на землю, определение того, является ли это короткое замыкание на землю коротким замыканием выше по линии или коротким замыканием ниже по линии, на основе амплитуды инкрементного фазного тока замкнутой фазы. Технический результат: повышение точности обнаружения направления на место короткого замыкания на землю, отсутствие необходимости датчика напряжения. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для обнаружения короткого замыкания на землю, более конкретно к способу и устройству для обнаружения направленного короткого замыкания на землю на основе изменения трехфазного тока во время переходного периода.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В распределительной электрической сети часто существует много древовидных ветвей. Обычно в сети в каждой географической ключевой позиции устанавливается множество индикаторов возникновения неисправности (FPI, Fault Passage Indicator). Эти FPI будут обнаруживать различные типы неисправностей, а некоторые FPI также определяют и направление неисправности. Неисправность, вероятность возникновения которой является самой большой (приблизительно 70%) в распределительной электрической сети, является однофазным коротким замыканием на землю. Поэтому как для DNO (операторов распределительной сети), стремящихся быстро определить местонахождение неисправности и восстановить неисправные части, так и для конечных потребителей электрической энергии, стремящихся сократить продолжительность отключения электричества, очень важным является экономичное и надежное обнаружение однофазного короткого замыкания на землю и определение направления однофазного короткого замыкания на землю.

В европейском патенте EP 239098 A1 описаны способ и устройство для обнаружения неустойчивой неисправности в системе с множеством фидеров. Этот способ измеряет напряжение на катушке Петерсона, вычисляет производную первого порядка, а затем вычисляет коэффициент корреляции тока каждого контура фидера, и фидер, имеющий самый высокий коэффициент корреляции, обнаруживается как имеющий короткое замыкание на землю. Патент применяет измерение напряжения и применим только к системе, в которой нулевая точка заземлена через катушку Петерсона.

В патентной публикации WO 2011023305 A1 раскрыт способ выбора неисправной фазы и определения типа неисправности. Способ использует индикатор для того, чтобы определить, является ли неисправность межфазным коротким замыканием, трехфазным коротким замыканием или коротким замыканием на землю. Способ измеряет межфазный ток и использует разделяющий коэффициент для того, чтобы определить различные типы неисправностей, но он не предоставляет информации об определении направления.

В японском патентном документе JP 2009526203 описан способ для обнаружения короткого замыкания на землю и устройство для питания кабеля. Способ предусматривает пороговое значение оцениваемого среднего напряжения или переменную, полученную из него, и сравнивает их с фазным напряжением. Если напряжение или переменная, полученная из него, имеют значение ниже порогового значения, предполагается, что это короткое замыкание на землю. Способ использует только сигнал напряжения.

В японском патентном документе JP 2009038912 A описаны способ и устройство для обнаружения короткого замыкания на землю. Датчик напряжения нулевой последовательности используется для того, чтобы обнаружить короткое замыкание на землю в системе в целом. Затем ток в каждом фидере используется для того, чтобы вычислить сопротивление каждого фидера. Вычисленное значение сравнивается с предварительно заданным значением, и фидер, имеющий сопротивление ниже предварительно заданного значения, определяется как имеющий короткое замыкание на землю. Этот способ использует сигнал напряжения и ток для того, чтобы вычислить переменную импеданса.

В японском патентном документе JP 4215656 B2 раскрыто устройство обнаружения короткого замыкания на землю и способ обнаружения короткого замыкания на землю. Этот способ измеряет токи трех фаз IA, IB и IC. Затем каждое из абсолютных значений |IA-IB|, |IB-IC| и |IC-IA| сравнивается с предварительно заданным значением Iset для короткого замыкания на землю. Если каждое из абсолютных значений равно или больше чем предварительно заданное значение, короткое замыкание на землю обнаружено. Способ использует межфазный ток, но не определяет направление.

В существующей области электротехники обеспечиваются следующие три существующих типа алгоритмов обнаружения однофазного короткого замыкания на землю:

- Классический алгоритм определения направления

Остаточные токи и напряжения измеряются во время переходных процессов короткого замыкания. Знак тока I0 сравнивается со знаком напряжения V0 и, если их знаки идентичны, то короткое замыкание определяется как расположенное выше по линии короткое замыкание, а противоположные знаки означают, что это расположенное ниже по линии короткое замыкание. Информация о напряжении получается посредством измерения электрического поля и магнитного поля в нескольких метрах ниже по линии. Способ измерения напряжения очень чувствителен к помехам, например от линий MV (среднего напряжения) или HV (высокого напряжения), расположенных рядом. В дополнение к этому, электрическое поле очень чувствительно к условиям окружающей среды, таким как влажность.

- Амперометрический алгоритм

Направление короткого замыкания не может быть определено посредством только измерения остаточного тока. Поэтому для того, чтобы уменьшить расстояние, которое будет инспектироваться во время короткого замыкания, амперометрическим FPI запрещается обнаруживать короткое замыкание выше по линии, и пороговое значение уровня короткого замыкания должно быть установлено выше, чем максимально возможный емкостный ток.

- Нечувствительный к емкостному току алгоритм (ICC, Insensitive to Capacitive Current)

Трехфазный ток измеряется до короткого замыкания и во время короткого замыкания. Алгоритм имеет два принципа: максимальное среднеквадратичное значение основано на сравнении фазных токов между исправной фазой и замкнутой фазой. Если короткое замыкание происходит ниже по линии, среднеквадратичное значение (со стороны короткого замыкания) очевидно должно быть больше, чем два других фазных тока, в противном случае короткое замыкание находится выше по линии. Коэффициент корреляции основан на волновом подобии между фазным током и остаточным током. У расположенного ниже по линии короткого замыкания один из фазных токов должен быть очень похожим на остаточный ток. Эти два принципа могут использоваться в комбинации или дополнительно друг к другу. Известно, что алгоритм не может надежно определить направление короткого замыкания.

Способ по настоящему изобретению, раскрытый далее, может преодолеть недостатки вышеупомянутого предшествующего уровня техники и вышеупомянутых алгоритмов.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Дополнительные аспекты и преимущества настоящего изобретения будут сформулированы в описании, которое следует далее, и частично будут очевидны из описания или могут быть поняты при применении настоящего изобретения.

Настоящее изобретение раскрывает способ для обнаружения однофазного короткого замыкания на землю в распределительной электрической сети и для определения его направления (находится ли короткое замыкание выше по линии или ниже по линии). Способ использует сигналы трехфазного тока до того, как произошло короткое замыкание, и после того, как произошло короткое замыкание.

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы реализовать точное определение направления короткого замыкания, используя только датчик тока.

Настоящее изобретение предлагает способ направленного обнаружения короткого замыкания на землю, включающий в себя: a. обнаружение короткого замыкания на землю на основе измеренных трехфазных токов i_A, i_B и i_C и получение момента времени t, соответствующего моменту времени, когда было только что обнаружено короткое замыкание на землю; b. определение того, является ли это короткое замыкание на землю однофазным коротким замыканием на землю или двухфазным коротким замыканием на землю, на основе трех инкрементных фазных токов Δi_A, Δi_B и Δi_C в момент времени t; и c. когда определено однофазное короткое замыкание на землю, определение того, является ли это короткое замыкание на землю коротким замыканием выше по линии или коротким замыканием ниже по линии, на основе амплитуды инкрементного фазного тока замкнутой фазы.

Настоящее изобретение далее предлагает устройство направленного обнаружения короткого замыкания на землю, включающее в себя: модуль обнаружения короткого замыкания на землю для обнаружения короткого замыкания на землю на основе измеренных трехфазных токов i_A, i_B и i_C и получения момента времени t, соответствующего моменту времени, когда было только что обнаружено короткое замыкание на землю; модуль определения однофазного короткого замыкания на землю для того, чтобы определить, является ли это короткое замыкание на землю однофазным коротким замыканием на землю или двухфазным коротким замыканием на землю, на основе трех инкрементных фазных токов Δi_A, Δi_B и Δi_C в момент времени t; а также модуль определения направления короткого замыкания на землю для того, чтобы, если короткое замыкание на землю определено как однофазное короткое замыкание на землю, определить, является ли это короткое замыкание на землю коротким замыканием выше по линии или коротким замыканием ниже по линии, на основе амплитуды инкрементного фазного тока замкнутой фазы.

По сравнению с другими способами направленного обнаружения неисправности в существующих датчиках Flair/Flite способ по настоящему изобретению имеет следующие преимущества.

- Значительное улучшение точности: доля правильного обнаружения направления значительно улучшена по сравнению с существующим алгоритмом направленного обнаружения короткого замыкания, основываясь на текущей информации (по результатам проверки с помощью пакетного моделирования, на использованной платформе моделирования способ по настоящему изобретению обеспечивает 100%-ную степень точности).

- Отсутствие необходимости в датчике напряжения: по сравнению с традиционным способом настоящее изобретение не нуждается в получении информации о напряжении. Следовательно, стоимость датчика напряжения может быть сэкономлена.

Настоящее изобретение записывает ток (нагрузочный компонент) перед коротким замыканием для того, чтобы вычесть нагрузочный компонент из измеренного тока во время короткого замыкания, чтобы быть в состоянии извлечь компонент короткого замыкания, содержащий более полезную информацию, соответствующую характеристикам коротких замыканий, произошедших в различных местах.

Настоящее изобретение обнаруживает самое начало короткого замыкания посредством использования измеренного значения, и таким образом содержит переходный сигнал зарядного и разрядного емкостного тока высокой частоты, который способен помочь определить замкнутую фазу.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Вышеупомянутые и другие задачи, признаки и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными из подробного описания предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения в совокупности с чертежами, на которых похожие условные обозначения относятся к блокам, имеющим похожие структуры, и в которых:

Фиг.1 изображает упрощенную диаграмму эквивалентной электрической схемы тока короткого замыкания во время однофазного короткого замыкания.

Фиг.2 изображает волну трехфазного тока во время короткого замыкания на землю фазы А во время окна замыкания (то есть во время первого периода колебания после момента обнаружения короткого замыкания).

Фиг.3 изображает форму колебания трехфазного инкрементного тока Δi во время окна короткого замыкания. Фаза B и фаза C очень близки друг к другу, так что они почти наложились друг на друга.

Фиг.4 изображает форму колебания трехфазного инкрементного тока Δi, полученную путем увеличения обведенной кружком на Фиг.3 части при коротком замыкании на землю фазы А во время окна короткого замыкания.

Фиг.5 изображает блок-схему способа для определения направления короткого замыкания в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.6 изображает упрощенную схему модельной электрической цепи для способа определения направления короткого замыкания на землю в соответствии с настоящим изобретением.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Настоящее изобретение будет полностью описано со ссылкой на чертежи, показывающие один вариант осуществления настоящего изобретения. Однако настоящее изобретение может быть осуществлено многими различными способами и не должно рассматриваться как ограничиваемое описанными в настоящем документе вариантами осуществления. Скорее эти варианты осуществления описаны для того, чтобы настоящее раскрытие было полным и законченным и смогло полностью передать область охвата настоящего изобретения специалистам в данной области техники. На чертежах компоненты преувеличены в целях большей ясности.

Следует понимать, что хотя термины «первый», «второй», «третий» и т.д. могут быть использованы в настоящем документе для того, чтобы описать различные элементы, компоненты и/или части, эти элементы, компоненты и/или части не должны быть ограничены этими терминами. Эти термины используются только для того, чтобы отличить один элемент, компонент и/или часть от другого. Следовательно, первый элемент, компонент и/или часть, обсуждаемый ниже, мог бы быть назван вторым элементом, компонентом и/или частью без отхода от сущности настоящего изобретения.

Терминология, используемая в настоящем документе, используется только с целью описания конкретных вариантов осуществления и не предназначена для ограничения настоящего изобретения. Используемое в настоящем документе единственное число подразумевает также и множественное число, если контекст явно не указывает противоположное. Далее будет подразумеваться, что термин "включает в себя", используемый в настоящем документе, определяет наличие перечисленных признаков, целых чисел, этапов, операций, элементов и/или компонентов, но не исключает присутствия или добавления одного или более других признаков, целых чисел, этапов, операций, элементов, компонентов и/или групп перечисленного.

Если не определено иначе, все термины (включая технические и научные термины), используемые в настоящем документе, имеют то же самое значение, что и обычно понимаемое одним из специалистов в данной области техники, которому принадлежит настоящее изобретение. Далее будет подразумеваться, что термины, например, определенные в обычно используемых словарях, должны интерпретироваться как имеющие значение, которое совместимо с их значением в контексте соответствующей области техники и не будет интерпретироваться в идеализированном или чрезмерно формальном смысле, если только это не определено явно в настоящем документе.

Принцип способа идентификации короткого замыкания в соответствии с настоящим изобретением следующий. Фиг.1 изображает упрощенную диаграмму эквивалентной электрической схемы тока короткого замыкания во время однофазного короткого замыкания. Фиг.1 представляет собой схематическую упрощенную схему электрической цепи, и опускает большинство следующих компонентов: полное сопротивление (импеданс) трансформатора, продольный импеданс фидера, связи между фидерами, полное сопротивление цепи заземления и полное сопротивление утечки фидера. Предполагается, что нагрузка является линейной и симметричной.

Во время нормального функционирования ток нагрузки и емкостный ток в трех фазах уравновешивают друг друга, так что ток нулевой последовательности не может быть измерен с помощью IED (интеллектуальное электронное устройство). Во время этого происходит короткое замыкание на землю фазы A, например, напряжение на фазе A уменьшится. Напряжения на других двух фазах также изменятся (в большинстве случаев, увеличатся). Этот вид искажения напряжения сделает три фазных емкостных тока неуравновешенными. Следовательно, остаточный ток может быть обнаружен с помощью IED. Когда переходное значение остаточного тока превышает предварительно заданное пороговое значение (например, 10A), считается, что обнаружено короткое замыкание на землю. Следовательно, получен момент времени, в который началось короткое замыкание, так что может быть сделано определение направления.

Остаточный ток, измеренный с помощью IED D1 в положении, изображенном на Фиг.1, включает в себя ток IN нулевой точки и емкостные токи IC1(=IC1C+IC1B) от всех смежных фидеров (обозначенных здесь только фидером 1 на Фиг.1). Емкостный ток (обозначенный сплошной стрелкой) короткозамкнутого фидера уравновешивает себя посредством входа и выхода, и поэтому он не может быть измерен с помощью остаточного тока. Ток короткозамкнутой фазы содержит две части: нагрузочный компонент и компонент короткого замыкания. Нагрузочный компонент не показан на диаграмме принципиальной схемы, но нагрузочный компонент существует как перед коротким замыканием, так и во время короткого замыкания.

Компоненты короткого замыкания в короткозамкнутой фазе содержат 5 стрелок (две сплошные стрелки, две пустые стрелки и одна незаполненная стрелка). Если сумма тока I_N нулевой точки и емкостных токов I_C1 от всех смежных фидеров имеет достаточно большое значение, то компонент короткого замыкания в короткозамкнутой фазе будет иметь значение, значительно большее, чем значения компонентов короткого замыкания двух других исправных фаз (5 стрелок в фазе A >> одной стрелки в фазах B и C). Когда это соотношение между компонентами короткого замыкания трехфазных токов выполняется, это означает, что короткое замыкание находится ниже по линии; в противном случае это означает, что короткое замыкание находится выше по линии.

Следующий вопрос заключается в следующем: когда сумма тока I_N нулевой точки и емкостных токов I_C1 от всех смежных фидеров имеет достаточно большое значение? То есть при каких условиях электрическая сеть может удовлетворять этому условию?

Это зависит от двух факторов:

тип заземления нулевой точки в трансформаторе трансформаторной подстанции; и

полная длина смежных фидеров.

В эффективной системе заземления нулевой точки ток самой нулевой точки имеет достаточно большое значение, так что величина емкостного тока не важна.

В неэффективной системе заземления нулевой точки (широко известной как слаботочная система заземления, которая включает в себя незаземленную нулевую точку, нулевую точку, заземленную через большое сопротивление, и нулевую точку, заземленную через катушку Петерсона. Незаземленная нулевая точка и нулевая точка, заземленная через большое сопротивление, являются очень схожими и не будут отличаться друг от друга в последующем обсуждении) сеть должна иметь смежные фидеры, имеющие достаточно большие длины. Другими словами, сеть должна иметь множество фидеров (> 2). Это условие обычно может быть удовлетворено, так как трансформаторная подстанция обычно имеет 8-9 фидеров на шине. Если однофазное короткое замыкание происходит в положении, показанном на Фиг.1, тогда компоненты короткого замыкания, измеренные с помощью IED D1, включают в себя IN, IC1 и IC2 (=IC2B+IC2C). Если это система с незаземленной нулевой точкой, тогда ток, проходящий через нулевую точку, равен 0, IN может быть проигнорирован, и остаются только емкостные токи. Следовательно, IC1 должен быть достаточно большим, чтобы предположение было правильным. Если это нулевая точка, заземленная через катушку Петерсона, поскольку значение полного сопротивления катушки Петерсона отрегулировано в соответствии с питающим током частотой 50 Гц, для зарядных и разрядных емкостных токов высокой частоты, появляющихся в переходных состояниях, полное сопротивление катушки Петерсона будет расти с частотой, так что ее можно будет приблизительно рассматривать как разомкнутую. Следовательно, для емкостных токов высокой частоты заземление через катушку Петерсона эквивалентно незаземленной системе. В это время величины емкостных токов высокой частоты в переходных состояниях сравниваются друг с другом. Время обнаружения по настоящему изобретению находится в переходных состояниях короткого замыкания, и поэтому определение направления может быть сделано с помощью использования быстрого затухающего высокочастотного тока. Если время обнаружения находится в устойчивых состояниях короткого замыкания и высокочастотный ток полностью исчез, то, поскольку катушка Петерсона имеет почти полностью уравновешивающее воздействие на емкостный ток в устойчивом состоянии, очевидно, что никакое изменение тока не может быть измерено в фазе короткого замыкания, и поэтому не может быть получено никакой информации о направлении короткого замыкания.

Следовательно, направление короткого замыкания в заземлении с использованием катушки Петерсона определяется посредством использования переходных состояний, что также является очень серьезным преимуществом настоящего изобретения.

Способ идентификации короткого замыкания в соответствии с принципами настоящего изобретения считает короткое замыкание обнаруженным в случае, если переходное значение остаточного тока выше предварительно заданного значения, такого как 10A.

Способ определения направления в соответствии с настоящим изобретением основан на следующих принципах.

Принцип 1. Когда происходит однофазное короткое замыкание на землю, инкрементные токи ΔI (определение ΔI дано в нижеследующем уравнении 1) двух исправных фаз, которые обнаружит FPI, очень похожи друг на друга. Следовательно, может быть определена замкнутая фаза.

Принцип 2. На неисправном фидере, если это короткое замыкание ниже по линии, тогда замкнутая фаза будет иметь значение Δi значительно больше, чем значения Δi двух исправных фаз. Если это условие не удовлетворено, тогда это короткое замыкание выше по линии.

Определения Δi таких трех фаз как A, B и C, показаны в уравнении 1:

Уравнение 1

где N - количество точек отсчета за период устройства обнаружения короткого замыкания, например 36. Однако специалистам в данной области техники должно быть понятно, что различные продукты могут иметь различные значения частоты измерения. t представляет собой момент времени, соответствующий моменту, в который только что было обнаружено короткое замыкание.

Способ определения направления в соответствии с настоящим изобретением включает в себя следующие этапы.

1. Обнаружение короткого замыкания на землю

Способ обнаруживает короткое замыкание на землю посредством использования измеренного значения (или переходного значения). Как только измеренное значение становится больше, чем предварительно заданное значение, такое как 10A, тогда считается, что произошло короткое замыкание на землю. Однако специалистам в данной области техники должно быть понятно, что возникновение короткого замыкания на землю может быть обнаружено посредством использования других настоящих или будущих способов.

2. Определение того, является ли короткое замыкание однофазным коротким замыканием на землю или оно является двухфазным коротким замыканием на землю

Во время однофазного короткого замыкания на землю два из значений Δi в окне короткого замыкания (первый период, в котором короткое замыкание было обнаружено) очень близки друг другу. Определение первого периода следующее: принимая, что индекс точки отсчета, соответствующей моменту, когда короткое замыкание было обнаружено, равен t, первый период включает в себя все точки отсчета, попадающие в интервал [t, t+N-1]. См. Фиг.2, Фиг.3 и Фиг.4.

Фиг.2 изображает волну трехфазного тока во время короткого замыкания на землю фазы А во время окна короткого замыкания (то есть во время первого периода после момента обнаружения короткого замыкания).

Фиг.3 изображает форму колебания трехфазного инкрементного тока Δi во время окна короткого замыкания. Фаза B и фаза C очень близки друг к другу, так что они почти наложились друг на друга.

Фиг.4 изображает форму колебания трехфазного Δi, полученную путем увеличения обведенной кружком на Фиг.3 части при коротком замыкании на землю фазы А во время окна короткого замыкания.

Для того чтобы определить близость между двумя Δi для описания отношения «два из значений Δi очень близки друг другу», переменная GAP определяется как среднеквадратичное значение разности между двумя Δi:

Уравнение 2

Например, если замкнутая на землю фаза является только фазой A, то будет удовлетворено следующее уравнение 3:

Уравнение 3

Для того чтобы количественно определить отношение, показанное уравнением 3 для короткого замыкания фазы A, норма G определяется следующим образом:

Уравнение 4

Если произойдет однофазное короткое замыкание на землю, то одна из этих трех норм G в уравнении 4 будет близка к 0. Например, для короткого замыкания фазы А должно быть так, что значение нормы GBC близко к 0.

Если не удовлетворяется условие, что одно из значений GAP гораздо меньше, чем каждое из двух других, тогда это двухфазное короткое замыкание на землю.

В дополнение к этому, существуют другие способы для идентификации однофазного короткого замыкания на землю и двухфазного короткого замыкания на землю. Например, когда замыкание является двухфазным коротким замыканием на землю, фазный ток будет очень большим (например, в 3-6 раз превысит нагрузочный ток). Следовательно, способ для идентификации однофазного короткого замыкания на землю и двухфазного короткого замыкания на землю не ограничен вышеупомянутым способом.

Хотя вышеизложенное дает конкретный способ для того, чтобы количественно определить близость между двумя значениями Δi, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что другие способы количественного определения близости, существующие в настоящее время или в будущем в соответствии с принципами настоящего изобретения, также находятся в области защиты настоящего изобретения.

Аналогичным образом, хотя вышеизложенное дает конкретный способ для того, чтобы количественно определить различные отношения в соответствии с принципами настоящего изобретения, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что другие способы количественного определения, существующие в настоящее время или в будущем в соответствии с принципами настоящего изобретения, также находятся в области защиты настоящего изобретения.

3. Для однофазного короткого замыкания на землю определяется, находится ли короткое замыкание выше по линии или ниже по линии.

Из принципа, описанного выше, может быть известно, что если при переходных процессах короткого замыкания ток в короткозамкнутой фазе значительно больше тока в исправной фазе, то это короткое замыкание находится ниже по линии. То есть когда по сравнению с двумя исправными фазами короткозамкнутая фаза будет иметь существенно большее среднеквадратичное значение Δi, будет определено, что это короткое замыкание находится ниже по линии.

Уравнение 5

Для короткого замыкания фазы A удовлетворяется следующее соотношение, т.e. и .

В противном случае это короткое замыкание находится выше по линии.

Для короткого замыкания фазы A, для того чтобы численно выразить вышеприведенные отношения, определяется следующая норма Yaw:

$$Yaw=\frac{\Delta I_A}{\mathrm{0,5}\cdot (\Delta I_B+\Delta I_C)}\cdot 100\%$$ Уравнение 6

Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что для вышеприведенного уравнения 6 числитель и знаменатель будут меняться в соответствии с изменением короткозамкнутой фазы. Таким образом, если короткозамкнутой будет фаза B, тогда вышеприведенное уравнение 6 будет выглядеть как $$Yaw=\frac{\Delta I_B}{\mathrm{0,5}\cdot (\Delta I_A+\Delta I_C)}\cdot 100\%$$ ; а если короткозамкнутой будет фаза C, тогда вышеприведенное уравнение 6 будет выглядеть как $$Yaw=\frac{\Delta I_C}{\mathrm{0,5}\cdot (\Delta I_A+\Delta I_B)}\cdot 100\%$$ .

Фиг.5 изображает блок-схему способа для определения направления короткого замыкания в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

Как показано на Фиг.5, на этапе 401 измеряются фазные токи i_A, i_B и i_C.

На этапе 402 вычисляется значение i₀, i₀=(i_A+i_B+i_C), это переходное значение остаточного тока. Во время нормального функционирования, так как трехфазный ток уравновешен, остаточный ток должен быть очень близким к 0.

На этапе 403 принимается решение, больше ли значение i₀ порогового значения. Если значение i₀ больше, чем первое пороговое значение, то это означает, что обнаружено короткое замыкание на землю, и происходит переход на этап 404, в противном случае осуществляется возврат на этап 401. Первое пороговое значение равно, например, 10. Величина i₀ может быть задана пользователем, например 25A или 50A, и может также принимать очень маленькое значение, такое как 1A. Когда пользователь уверен, что нет никакого короткого замыкания, и дисбаланс элементов датчика тока и элементов в цепи не будет вызывать остаточный ток больше определенного значения, это значение можно рассмотреть в качестве первого порогового значения. Чем меньше первое пороговое значение, тем более чувствительно устройство (может обнаружить короткое замыкание на землю, имеющее большее значение импеданса).

На этапе 404 вычисляются значения GAP_AB, GAP_BC и GAP_AC.

На этапе 405 принимается решение, является ли одно значение GAP из трех значений GAP, вычисленных на этапе 404, гораздо меньшим, чем значения двух других. Если да, то это однофазное короткое замыкание на землю, и происходит переход на этап 406. Если нет, то это двухфазное короткое замыкание на землю, и происходит переход на этап 407.

На этапе 406 определяется направление однофазного короткого замыкания на землю. Этап 406 включает в себя этап 4061, на котором определяется, какая фаза неисправна. Когда самым маленьким является GAP_AB, то есть когда норма GAB меньше, чем второе пороговое значение, неисправной является фаза C; когда самым маленьким является GAP_BC, то есть когда норма GBC меньше, чем второе пороговое значение, неисправной является фаза A; и когда самым маленьким является GAP_AC, то есть когда норма GAC меньше, чем второе пороговое значение, неисправной является фаза B. В соответствии с результатами моделирования схемы, изображенной на Фиг.6, диапазон значений второго порогового значения составляет, например, (35,82%, 131,71%). На этапе 4062 вычисляется значение Yaw по отношению к неисправной фазе. На этапе 4063 определяется, больше ли значение Yaw, чем третье пороговое значение. В соответствии с результатами моделирования схемы, изображенной на Фиг.6, диапазон значений третьего порогового значения составляет, например, (500%, 600%). Если результатом этапа 4063 является «Да», происходит переход на этап 4065, который фиксирует, что короткое замыкание находится ниже по линии. Если результатом этапа 4063 является «Нет», то происходит переход на этап 4064, который фиксирует, что короткое замыкание находится выше по линии, и процесс заканчивается.

На этапе 407 принимается решение, что короткое замыкание является двухфазным коротким замыканием на землю, и процесс заканчивается.

Настоящее изобретение предназначено для обнаружения коротких замыканий в области распределения электрической энергии среднего напряжения и главным образом используется для:

- способов заземления нулевой точки в трансформаторной подстанции высокого/среднего напряжения, включающих в себя следующие: непосредственное заземление, импедансное заземление, заземление с использованием катушки Петерсона или отсутствие заземления;

- воздушных и подземных силовых сетей FPS и RTU (удаленных оконечных блоков);

- когда измерение только фазных токов является возможным или многообещающим;

- когда способом заземления распределительного трансформатора высокого/среднего напряжения является заземление с высоким импедансом, заземление с использованием катушки Петерсона или отсутствие заземления, должен существовать способ, позволяющий использовать настоящее изобретение, когда больше чем два фидера соединены с шиной среднего напряжения.

Способ по настоящему изобретению может быть применен к следующим приложениям:

1> - индикатор повреждения линии для подземной сети, удаленный мониторинг и управление трансформаторной подстанции среднего/низкого напряжения.

- индикатор повреждения линии для воздушной сети, удаленный мониторинг и управление LBS (обслуживание на основании местоположения).

2> Подземная сеть

- автономные FPI, встроенные в распределительный шкаф среднего напряжения (или имеющие связное оборудование Modbus RS), главным образом для новых установок.

- настенные автономные FPI, в частности для более позднего изменения.

Воздушная сеть

В настоящее время FPI для воздушных линий бывают двух видов: прикрепляющиеся или устанавливаемые на опоре ЛЭП.

Считается, что точность измерения устанавливаемого на опоре ЛЭП устройства дистанционного считывания напряжения сильно зависит от окружающей среды и поэтому не может надежно удовлетворять глобальные потребности.

Следовательно, способ по настоящему изобретению может обеспечить решение, подходящее для прикрепляющейся техники, такое как

- продукт, имеющий блок сбора данных и интерфейс.

Далее со ссылкой на Фиг.6 будет описан результат моделирования способа направленного обнаружения короткого замыкания на землю в соответствии с настоящим изобретением.

Для того чтобы проверить способ направленного обнаружения короткого замыкания на землю в соответствии с настоящим изобретением, распределительная сеть на 20 кВ моделировалась при помощи программы EMTP (Electro-Magnetic Transient Program). Использованные параметры электрической цепи следующие:

Параметры подземного кабеля: Z1=(0,15+j0,099) Ом/км, C1=0,25 мкФ/км, Z0=(0,3+j0,1256) Ом/км, C0=0,25 мкФ/км, длина кабеля от 0,2 до 30 км.

Параметры воздушной линии: Z1=(0,25+j0,382) Ом/км, C1=0,00756 мкФ/км, Z0=(0,5+j0,5005) Ом/км, C0=0,00756 мкФ/км, длина от 0,2 до 30 км.

Вид заземления нулевой точки трансформатора: резистивное, через катушку Петерсона и без заземления.

Сопротивление короткого замыкания: от 0,01 до 300 Ом.

Параметры силового трансформатора: P0=21 кВт, I0=0,7%, Uk=12%, Pk=104 кВт.

Мощность короткого замыкания системы: Sk = 150 MBA.

Коэффициент мощности нагрузки: cosφ = 0,9.

Фиг.6 изображает упрощенную схему модельной электрической цепи для способа определения направления короткого замыкания на землю в соответствии с настоящим изобретением.

Сначала было определено, верно ли допущение 1.

Когда происходит однофазное короткое замыкание на землю, FPI обнаружит, что значения ΔI двух исправных фаз очень близки друг другу. Следовательно, может быть определена неисправная фаза.

Статистические данные по трем видам положения индикатора короткого замыкания таковы:

Короткое замыкание ниже по линии: GBC=[0,07%, 3,46%], GAB=[163,27%, 199,99%], GAC=[163,27%, 199,99%].

Короткое замыкание выше по линии: GBC=[0,38%, 35,82%], GAB=[148,72%, 199,23%], GAC=[131,71%, 199,23%].

Из вышеприведенного результата моделирования очевидно, что любое значение порогового значения в диапазоне между 35,82% и 131,71% может во всех случаях идентифицировать неисправную фазу.

Далее было определено, верно ли допущение 2.

Если короткое замыкание расположено ниже по линии, то неисправная фаза будет иметь значение ΔI, которое значительно больше, чем значения ΔI двух исправных фаз. Если это условие не удовлетворяется, то короткое замыкание расположено выше по линии.

Статистические данные моделирования FPI на короткозамкнутом фидере таковы:

Короткое замыкание ниже по линии: Yaw=[600%, 72621,88%].

Короткое замыкание выше по линии: Yaw=[20,92%, 500%].

Следовательно, из вышеприведенного результата моделирования очевидно, что любое значение порогового значения в диапазоне между 500% и 600% может во всех случаях идентифицировать, находится ли это короткое замыкание ниже по линии или выше по линии.

Вышеизложенное является иллюстрацией к настоящему изобретению и не должно рассматриваться как ограничивающее настоящее изобретение. Хотя были описаны несколько вариантов осуществления настоящего изобретения, специалисты в данной области техники легко поймут, что можно сделать много модификаций примерных вариантов осуществления без отхода от сути и преимуществ настоящего изобретения. Соответственно, все такие модификации предполагаются входящими в область охвата настоящего изобретения, определенную формулой изобретения. Следует понимать, что вышеизложенное является иллюстрацией к настоящему изобретению и не должно рассматриваться как ограниченное лишь раскрытыми конкретными вариантами осуществления настоящего изобретения, и модификации к раскрытым вариантам осуществления и другим вариантам осуществления предполагаются входящими в область охвата приложенной формулы изобретения. Настоящее изобретение определяется формулой изобретения и ее эквивалентами.

1. Способ направленного обнаружения короткого замыкания на землю, включающий в себя:
a. обнаружение короткого замыкания на землю на основе измеренных трехфазных токов i_A, i_B и i_C и получение момента времени t, соответствующего моменту времени, когда было только что обнаружено короткое замыкание на землю;
b. определение того, является ли это короткое замыкание на землю однофазным коротким замыканием на землю или двухфазным коротким замыканием на землю, на основе трех инкрементных фазных токов Δi_A, Δi_B и Δi_C в момент времени t; и
c. когда определено однофазное короткое замыкание на землю, определение того, является ли это короткое замыкание коротким замыканием выше по линии или коротким замыканием ниже по линии, на основе среднеквадратичных значений инкрементных фазных токов.

2. Способ по п. 1, в котором этап b дополнительно включает в себя: b1) определение того, является ли это короткое замыкание на землю однофазным коротким замыканием на землю или двухфазным коротким замыканием на землю, посредством сравнения близости трех инкрементных фазных токов Δi_A, Δi_B и Δi_C в момент времени t.

3. Способ по п. 2, в котором этап b1) дополнительно включает в себя: b11) вычисление среднеквадратичного значения разности каждых двух инкрементных фазных токов в трех инкрементных фазных токах в момент времени t для того, чтобы получить три переменных значения разности GAP_AB, GAP_BC и GAP_AC; если одна из этих трех переменных значения разности GAP_AB, GAP_BC и GAP_AC намного меньше, чем другие две, то принимается решение, что замыкание является однофазным коротким замыканием на землю; в противном случае принимается решение, что замыкание является двухфазным коротким замыканием на землю.

4. Способ по п. 3, в котором три инкрементных фазных тока в момент времени t вычисляются на основе следующих уравнений:

где Δi_A - инкрементный ток фазы A, Δi_B - инкрементный ток фазы В, Δi_C - инкрементный ток фазы С, i_A - ток фазы A, i_B - ток фазы В, i_C - ток фазы С, а N - количество точек отсчета, и
три переменные значений разности GAP_AB, GAP_BC и GAP_AC вычисляются на основе следующих уравнений:

5. Способ по п. 4, в котором этап с дополнительно включает в себя:
c1) определение двух фаз, имеющих минимальные переменные значения разности, как исправных фаз, а оставшейся фазы - как короткозамкнутой фазы; и
с2) вычисление среднеквадратичных значений трех инкрементных фазных токов Δi_A, Δi_B и Δi_C в момент времени t, и
определение короткого замыкания как находящегося ниже по линии, если по сравнению с двумя исправными фазами короткозамкнутая фаза имеет значительно большее среднеквадратичное значение инкрементного фазного тока; в противном случае определение короткого замыкания как находящегося выше по линии.

6. Способ по п. 5, в котором этап с2 дополнительно включает в себя: вычисление значения Yaw; если значение Yaw больше, чем третье пороговое значение, определение, что короткозамкнутая фаза имеет значительно большее среднеквадратичное значение инкрементного фазного тока; и
значение Yaw вычисляется в соответствии со следующим уравнением:

причем ΔI_{fault phase} представляет собой среднеквадратичное значение инкрементного фазного тока короткозамкнутой фазы, ΔI_{first healthy phase} представляет собой среднеквадратичное значение инкрементного фазного тока первой исправной фазы и ΔI_{second healthy phase} представляет собой среднеквадратичное значение инкрементного фазного тока второй исправной фазы.

7. Способ по п. 6, в котором среднеквадратичные значения трех инкрементных фазных токов Δi_A, Δi_B и Δi_C вычисляются в соответствии со следующими уравнениями:

8. Способ по любому из пп. 1-7, в котором этап а дополнительно включает в себя:
определение того, что обнаружено короткое замыкание на землю, когда сумма токов трех фаз i_A, i_B и i_C больше, чем первое пороговое значение.

9. Устройство направленного обнаружения короткого замыкания на землю, включающее в себя:
модуль обнаружения короткого замыкания на землю для обнаружения короткого замыкания на землю на основе измеренных трехфазных токов i_A, i_B и i_C и получения момента времени t, соответствующего моменту времени, когда было только что обнаружено короткое замыкание на землю;
модуль определения однофазного короткого замыкания на землю для того, чтобы определить, является ли это короткое замыкание на землю однофазным коротким замыканием на землю или двухфазным коротким замыканием на землю, на основе трех инкрементных фазных токов Δi_A, Δi_B и Δi_C в момент времени t; и
модуль определения направления короткого замыкания для того, чтобы, если короткое замыкание на землю определено как однофазное короткое замыкание на землю, определить, является ли это короткое замыкание коротким замыканием выше по линии или коротким замыканием ниже по линии, на основе среднеквадратичных значений инкрементных фазных токов.

10. Устройство по п. 9, в котором модуль определения однофазного короткого замыкания на землю дополнительно включает в себя первый модуль сравнения для определения, является ли это короткое замыкание однофазным коротким замыканием на землю или двухфазным коротким замыканием на землю, посредством сравнения близости трех инкрементных фазных токов Δi_A, Δi_B и Δi_C в момент времени t.

11. Устройство по п. 10, в котором модуль определения однофазного короткого замыкания на землю дополнительно включает в себя первый вычислительный модуль для вычисления среднеквадратичного значения разности каждых двух инкрементных фазных токов в трех инкрементных фазных токах в момент времени t для того, чтобы получить три переменные значений разности GAP_AB, GAP_BC и GAP_AC; и
первый модуль сравнения сравнивает три переменные значений разности GAP_AB, GAP_BC и GAP_AC друг с другом, и если одна из трех переменных значений разности GAP_AB, GAP_BC и GAP_AC намного меньше, чем другие две, принимает решение, что короткое замыкание является однофазным коротким замыканием на землю; в противном случае принимается решение, что короткое замыкание является двухфазным коротким замыканием на землю.

12. Устройство по п. 11, в котором три инкрементных фазных тока в момент времени t вычисляются на основе следующих уравнений:
где Δi_A - инкрементный ток фазы A, Δi_B - инкрементный ток фазы В, Δi_C - инкрементный ток фазы С, i_A - ток фазы A, i_B - ток фазы В, i_C - ток фазы С, а N - количество точек отсчета, и
три переменные значений разности GAP_AB, GAP_BC и GAP_AC вычисляются на основе следующих уравнений:

13. Устройство по п. 12, в котором модуль определения направления короткого замыкания дополнительно включает в себя:
модуль определения короткозамкнутой фазы для определения двух фаз, имеющих минимальные переменные значений разности, как исправных фаз, а оставшейся фазы - как короткозамкнутой фазы; и
второй вычислительный модуль для вычисления среднеквадратичных значений трех инкрементных фазных токов Δi_A, Δi_B и Δi_C в момент времени t; и
второй модуль сравнения для сравнения среднеквадратичных значений трех инкрементных фазных токов и определения короткого замыкания как находящегося ниже по линии, если по сравнению с двумя исправными фазами короткозамкнутая фаза имеет значительно большее среднеквадратичное значение инкрементного фазного тока, или как находящегося выше по линии в противном случае.

14. Устройство по п. 13, в котором
второй вычислительный модуль дополнительно вычисляет значение Yaw; и
второй модуль сравнения дополнительно сравнивает значение Yaw и третье пороговое значение и, если значение Yaw больше, чем третье пороговое значение, определяет, что короткозамкнутая фаза имеет значительно большее среднеквадратичное значение инкрементного фазного тока; и
значение Yaw вычисляется в соответствии со следующим уравнением:

причем ΔI_{fault phase} представляет собой среднеквадратичное значение инкрементного фазного тока короткозамкнутой фазы, ΔI_{first healthy phase} представляет собой среднеквадратичное значение инкрементного фазного тока первой исправной фазы и ΔI_{second healthy phase} представляет собой среднеквадратичное значение инкрементного фазного тока второй исправной фазы.

15. Устройство по любому из пп. 9-14, в котором модуль обнаружения короткого замыкания на землю дополнительно включает в себя:
четвертый модуль сравнения для сравнения суммы трех фазных токов i_A, i_B и i_C с первым пороговым значением и, если сумма трех фазных токов i_A, i_B и i_C больше, чем первое пороговое значение, определения того, что короткое замыкание на землю обнаружено.