FI86782B - Digitalt impedansrelae. - Google Patents

Description

66782

Digitaalinen impedanssirele

Etenkin ilmajohtojen, kaapeleiden, kokoojakiskojen, mutta myös muuntajien, generaattoreiden jne. suojaamiseksi oikosulun ja maasulun yhteydessä käytetään usein nk. impedanssireleitä. Impedanssisuoja toimii mittauspisteen jännitteen ja virran 'suhteen perusteella. Koska voimajohdon impedanssi on suoraan verrannollinen johdon pituuteen, käytetään joskus hieman väärää nimeä etäisyyssuoja impedanssisuojän sijasta.

Tällaisissa suojissa on yleensä impedanssin mittausominaisuuden lisäksi myös muita ominaisuuksia, jotka lisäävät suojavaikutusta. Tämä voi osittain olla suuntaus ja ulottuvuusominaisuuksien muodossa, ja osittain näitä voidaan käyttää ylivirtasuojien käynnistyseliminä, täydellisen valinnaisuuden suojissa, verkon heilahdusten suojissa jne.

Se, että suojalla on suuntausominaisuuksia merkitsee, että voidaan määritellä edessä ja takana oleva suojaussuunta mittauspisteen suhteen, sekä että suoja voi päätellä onko virhe edessä vai takana. Ulottuvuusominaisuudet merkitsevät, että voidaan määritellä kuinka kaukana mittauspisteestä suojausvaikutus toimii.

Periaatteessa impedanssisuoja toimii siten, että mittauspisteen impedanssi, joka on mitatun jännitteen ja virran suhde, verrataan suojaan ennalta säädettyyn arvoon, ja toiminta saadaan mikäli mitattu impedanssi on säädetyn arvon alapuolella.

Esillä oleva keksintö tarkoittaa laitetta ali-impedanssin ilmaisemiseksi digitaalisesti.

Kuten sanottu impedanssisuoja toimii mikäli mitattu impedanssi on suojassa säädetyn impedanssin alapuolella, nk. malli-impedanssin Toiminnan kriteerit määritetään suojan toirriintakäyrien 2 86782 avulla RX-tasossa. Kuviossa 1 esitetään tällainen taso, jossa on virheettömän järjestelmän kuormitusimpedanssi ZB, joka on kaikkien verkkoon kytkettyjen kuormitusten ja johdinimpedanssien resultantti. ZB:n vaihekulma on yleensä alueella ± 30°.

Vektori ZL edustaa johdinimpedanssin janaa pitkin voimajohdinta suorassa maasulussa, so. mikäli johtimen ja maan välinen vastus on mitätön. Usein esiintyy kuitenkin pieni resistanssi virhekoh- dassa. Vektori RF edustaa tällaista virheresistanssia, joka yleensä muodostuu valokaariresistanssista ja pylväsmaadoitusre-sistanssista.

Mikäli mitattu impedanssi on viivoitetun alueen sisäpuolella, on virhe korjattava. Tämän edellytyksenä on, että suoja voi erottaa kuormitus- ja virheimpedansseja toisistaan. Kuten kuviosta 1 nähdään, voi tämä hyvin pienellä ZB arvolla olla suojan toiminta-alueen sisäpuolella.

Tällaisien suojien yhteydessä ei sinänsä olla kiinnostuneita impedanssin suuruudesta, so. jännitteen ja virran suhteesta mittauspisteessä. Siksi kriteerin muodostus ja toimintavaatimus viedään yksinkertaisempaan erotusmenetelmään. Tämä menetelmä selviää seuraavasta viittaamalla kuvioon 2. Tässä on jännite, joka on verrannollinen mittauspisteen jännitteeseen, ja I virta, joka on verrannollinen mittauspisteen virtaan. Aiemmin esitetty toimintavaatimus merkitsee, että mikäli U^/I < ZM on impedanssilleen käynnistettävä toimenpide. Epäyhtälö voidaan kirjoittaa toiseen muotoon 0 < IZM - Uj_, joka virtamuuntajan 1, impedanssin ZM ja jännitemuuntajan 2, ks. kuvio 2, sopivalla mitoittamisella merkitsee, että epäyhtälö tasasuuntaajien 4 ja 5 kautta voidaan muuttaa nollailmaisemiseksi nollailmaisimella 3. Mikäli sovitetaan U2 = IZM, on toimenpide tällöin käynnistettävä mikäli u2 “ ul > esim. releen 6 kautta.

Tämän epäyhtälön mukainen laukaisuehto ja esitetty virran ja jännitteen mittaustapa antaa kuvion 3 mukaisen toimintakäyrän, 3 86782 so. kaikkien impedanssien laukaisun viivoitetun ympyrän pinnan sisällä. Tämä alue ei täsmää kovin hyvin kuvion 1 mukaisen viivoitetun pinnan toivotun peitealueen kanssa. Erilaisten enemmän tai vähemmän monimutkaisten kompensointipiirien avulla voidaan kuitenkin vaikuttaa mittausalueeseen siten, että se voidaan sovittaa erityisiin ja joskus erilaisiin toivomuksiin, jotka esiintyvät esim. ilmajohdolla ja kaapeleilla.

Impedanssirele, jolla on edellä selostetun ilmaisinperiaatteen mukaiset staattiset komponentit ja kompensointipiirit mittausalueen sovittamiseksi, on esitetty julkaisussa SE-330 930. Tämä suoja on toteutettu tavanomaisin analogisin piirein. Yksinkertaistettu laitteen kuvanto kuvion 1 mukaisesti mainitussa patenttijulkaisussa on esitetty kuviossa 4. Kuten tästä selviää, tallennetaan tasasuunnattu jännitesignaali kuvion 2 mukaisesti kondensaattorin C ja tasasuuntaajan 7 kautta hieman vaihe-käännettynä jännitteenä. Kuviossa 5 esitetään kuvion 4 mukaisen kytkennän virta- ja jännitekäyriä kulman cot funktiona. Virta i^ tasasuuntaajan 5 kautta on, kuten selviää kuviosta 1 julkaisussa SE-330 930, tasoitettu kuusipulssitasasuunnattu virta. Virta i2 on jännitteen U suhteen vaihesiirretty ei-tasoitettu virta. U]_' on vastuksen kautta kulkevien virtojen i^ ja ±2 aiheuttama jännite. Releen toimintaominaiskäyrä on täten soikea, kuten selviää kuvion 6 käyrästä 8. Kulman a määrää kondensaattorin C arvo. Kun kondensaattori on oikosuljettu, on ominaiskäyrä käyrän 9 mukainen kuviossa 6.

On yleisesti tunnettua, että kun kytketään vaihtojännite impedanssiin, esim. muuntajaan tai tyhjäkäyntijohtoon, esiintyy, johtuen jännitteen vaiheesta kytkentähetkenä, tasasuunnattu magneettinen tasoitusvuo, johon kerrostuu stationaarinen vaihto-vuo. Epäedullisimmassa tapauksessa, joka esiintyy kytkettäessä jännitteen ollessa nolla, on tasoitusvuo yhtä kuin stationaarisen vaihtovuon huippuarvo. Käytännössä tämä voi johtaa siihen, että muuntajan kytkentävirta kytkettäessä korkeajännitepuolella on 5-10 kertaa nimellisvirran amplitudiarvo ja kytkettäessä matalajännitepuolella 10-20 kertaa nimellisvirran amplitudiarvo. Siksi on välttämätöntä impedanssisuojien, differentiaalisuo- 4 86782 jien jne. tapaisten suojien yhteydessä voida erottaa kytkentä-ja oikosulkuvirrat. On tapana sanoa, että suojien on oltava stabiloidut kytkentävirroille. Stabiloinnissa käytetään tyypillistä erilaisuutta kytkentä- ja oikosulkuvirran välillä. Tällainen hyvin merkittävä ero on se, että kytkentävirralla on paljon parillisia harmonisia taajuuksia ja etenkin toinen harmoninen on voimakas.

Kuten selviää edellä mainitusta ja patenttijulkaisusta SE-330 930, sisältävät analogiset staattiset releet hyvin suuren määrän komponentteja. Tämä merkitsee sitä, että ne vaativat paljon tilaa. Suojiin kuuluvilla analogisilla suodattimilla on rajoituksensa, osittain selektiivisyyden ja osittain nopeuden muodossa. Toivotun suojatoimintaominaiskäyrän säätäminen on vaikeata johtuen komponenttien taajuusriippuvuudesta ym.

Keksintö käsittää impedanssireleen, jolla on periaatteessa sama toiminta kuin tekniikan tason mukaisella impedanssireleellä. Impedanssisuoja on digitaalinen, jolloin voidaan poistaa analogisten suojien haittapuolia. Keksinnön mukaiselle releelle on tunnusomaista se, mitä on sanottu patenttivaatimuksen 1 tunnus-merkkiosassa.

Digitalisoinnin avulla saadaan - nopeampi ja parempi jännitteiden ja virtojen mittaus - nopeampi ja parempi toivottujen suureiden suodatus - parempi ja yksinkertaisempi suojatoiminta-alueen säätö - tilan tarpeen huomattava pieneneminen - halvempi ratkaisu.

Kuvioissa kuvio 1 esittää RX-tasoa, jolla on impedanssisuojan toivottu peitealue, kuvio 2 esittää kytkentää, joka periaatteessa osoittaa suojan toiminnan, kuvio 3 esittää ympyrän muotoista toimintaominaiskäyrää, kuvio 4 esittää kytkentää soikean toimintaominaiskäyrän aikaansaamiseksi, 86782 5 kuvio 5 esittää kuvion 4 suureiden virta- ja jännitekäyttäyty-mistä, kuvio 6 esittää soikeita toimintaominaiskäyriä, kuvio 7 esittää keksinnön mukaisen digitaalisesti toimivan impedanssisuojän rakennetta, ja kuvio 8 esittää vaihtoehtoista ottopiiriä.

Keksinnön erästä suoritusmuotoa selostetaan kuvion 7 avulla. Oletetaan, että jänniteottosignaaleilla UTR, URg ja UgT sekä virtasignaaleilla IR, Ig ja IT on signaali-ja tehotasot, jotka on sovitettu tämän keksinnön mukaisen laitteen digitaaliselle käsittelylle. Edelleen oletetaan, että antosignaalit START, START R, START S ja START T syötetään vahvistinasteisiin, jotka voivat ohjata relettä ja/tai vaiheen valitsevaa logiikkaa.

Kuten selviää kuviosta 7, muunnetaan jännitesignaalit U,pR, URS ja UgT analogisista signaaleista vastaaviksi digitaalisiksi arvoiksi A/D-muuntimissa 10a, 10b ja 10c. Samalla tavalla muunnetaan virtasignaalit IR, Ig ja IT analogisista signaaleista vastaaviksi digitaalisiksi arvoiksi A/D-muuntimissa 11a, 11b ja 11c.

Digitalisointi merkitsee, että analogiset signaalit muunnetaan : " pulssijonoksi, joka koostuu tietystä määrästä näytteenottoja jak sossa, ja että näytteenottoarvot muunnetaan binäärisiksi luvuiksi jatkokäsittelyä varten. Näytteenottotaajuus valitaan huomioonottaen valitun järjestelmän kellotaajuus ja mittauksessa, suodatuksessa jne. haluttu tarkkuus.

Virranmittauspiirissä on edelleen digitaaliset perusäänisuo-dattimet 12a, 12b ja 12c, sekä digitaaliset suodattimet 13a, 13b ja 13 toiselle harmoniselle.Suodatetut arvot kokoaalto-tasasuunnataan, so. jokainen negatiivinen näytteenotto muunnetaan positiiviseksi arvoksi tasasuuntaajissa 14a, 14b, 14c ja vastaavasti 15a, 15b ja 15c. Toiselle harmoniselle haetaan ; huippuarvo huippuarvonmuodostajissa 16a, 16b ja 16c.

_ 86782 o

Kun tyhjänä käyvä johto tai muuntaja kytketään, voi, kuten edellä mainittiin, syntyä hyvin suuri virta, jolla on voimakas toinen harmoninen. Huippuarvonmuodostajilta 16a, 16b ja 16c saatu arvo käytetään nyt releen stabiloimiseksi tällaisen kytkennän yhteydessä. Tämä tapahtuu vähentämällä toisen harmonisen huippuarvo summaimissa 17a, 17b ja 17c perustaajuudesta. Tällä tavoin stabiloidut virta-arvot kerrotaan kertojissa 18a, 18b ja 18c säädettävällä malli-impedanssilla ZM. Kertojien jälkeinen arvo vastaa periaatteessa kuvion 2 ja kuvion 4 jännitettä U2.

Jännitteenmittauspiirissä on perustaajuussuodattimet 19a, 19b ja 19c sekä 20a, 20b ja 20c. 19-suodattimissa otetaan perustaa-juus suoraan vaiheessa ottosignaalin kanssa ja 20-suodattimissa otetaan perustaajuus 90° vaihesiirrettynä ottosignaalin suhteen. Suodattimien antosignaalit vastaavat tällöin perustaajuuden sini- ja kosiniosaa. Samalla tavalla kuin virranmittauksen yhteydessä suoritetaan tasasuuntaajien 21a, 21b ja 21c ja vastaavasti 22a, 22b ja 22c suodatettujen arvojen kokoaaltotasa-suuntaus.

Kuten aiemmin on mainittu, on keksinnön mukaisella laitteella periaatteessa sama toiminta kuin SE-330 930 julkaisun laitteella. Tämä merkitsee sitä, että jotta saataisiin kuvion 3 mukainen ympyränmuotoinen ominaiskäyrä, tarvitaan digitaalinen arvo, joka vastaa kuvion 2 signaalia tai kuvion 4 signaalin ' sitä osaa, joka vastaa tasattua virtaa ij_. Tämä aikaansaadaan muodostamalla liukuva keskiarvo, so. toisiaan seuraavien mitattujen huippuarvojen keskiarvo, jossa keskiarvomuodostus päivitetään jokaisella uudella mitatulla huippuarvolla. Koska lähdetään perustaajuuden sekä sini- että kosiniosasta ja kokoaaltotasa-suuntausarvoista, saadaan huippuarvo 4 kertaa jaksossa. Eräässä suoritusmuodossa säästetään 4 kappaletta mitattua huippuarvoa keskiarvon muodostamista varten. Tämä merkitsee sitä, että muodostetaan liukuva keskiarvo jakson aikana. Huippuarvon määrityksen tarkkuus on, kuten mainittu, riippuvainen näytteenottojen lukumäärästä jaksossa.

7

Liukuva keskiarvo muodostetaan TAI-elementtien 23a, 23b, 23c ja huippuarvonmuodostajien 24a, 24b ja 24c avulla.

86782

Toiminnan kriteerinmuodostus, so. START-antosignaalien aikaansaaminen, suoritetaan myös tässä laitteessa nollailmaisuna. Mikäli virta x ZM~näytteenotto on suurempi kuin jännitteen liukuva keskiarvo saadaan toiminta summaimilta 25a, 25b ja 25c. Kuten selviää kuviosta 7, voidaan suoran START-signaalin lisäksi kullekin vaiheelle saada yhteinen signaali TAI-elementin 26 kautta mikäli jokin vaiheista ilmoittaa ali-impedanssia.

Kuvion 6 mukaisen soikean toimintaominaiskäyrän 9 muodostamiseksi tarvitaan jännitteenmittausarvo joka vastaa kuvion 5 jännitettä U^. Tämä aikaansaadaan keksinnön mukaisella laitteella lisäämällä summaimien 27a, 27b ja 27c liukuvaan keskiarvoon jännitteen hetkellisarvo jännitteen perustaajuusnävtteenoton digitaalisten arvojen muodossa, jotka saadaan suodattimilta 19 ja tasasuuntaajilta 21. Ympyränmuotoisen ja soikean ominaiskävrän kytkentä suoritetaan kytkimellä 28.

Jotta soikean toimintaominaiskäyrän isoakseli yhtyisi impedanssi-tason X-akselin kanssa on virran ja jännitteen näytteenottojen : oltava synkronoidut, so. ne on otettava samanaikaisesti. Jotta saataisiin tietty isoakselin kulma a, joka vastaa kuvion 6 käyrää 8, siirretään virran näytteenottoja jännitteen näytteenottojen suhteen. Ajansiirtäminen voidaan suorittaa usealla eri tavalla. Eräässä suoritusmuodossa voidaan virran näytteen-otot viivyttää jännitteen näyttöottojen suhteen kuten on esitetty kuviossa 7 elimien 29 avulla.

... Mikäli otetaan esimerkiksi 8 näytteenottoa jaksossa, vastaa koko naisen näytteenoton viivytys kääntämistä, joka vastaa kulmaa a = . 45°. Jotta saataisiin kulma a = 70°, on virran näytteenottojen tapahduttava 20° jännitteen näytteenottojen jälkeen, joka 8:11a 20 näytteenotolla jaksossa vastaa ygy * 20 = 1,111 ms. Muuttamalla jännitteen ja virran näytteenottojen välistä aikaa saadaan tällä tavalla isoakselin ja täten soikeiden ominaiskäyrien eri kulma 8 86782

Jotta tämäntyyppinen impedanssisuoja toimisi tyydyttävästi tarvitaan tiettyjä lisätoimintoja. On esimerkiksi toivottavaa, voida vaikuttaa impedanssisuojän palautumisarvoon siten, että tämä arvo on hieman korkeampi kuin toiminta-arvo. Tämä voi esimerkiksi yksinkertaisesti tapahtua kytkemällä vastaavaan START-toimintaan hystereesin muodostava elementti.

Stabiilin ja rauhallisen toiminnan aikaansaamiseksi voidaan kytkeä aikaviive-elementti START-piireihin, jotta mahdollinen toiminta jatkuisi tietyn säädettävän ajan.

Joskus on toivottavaa ehkäistä toiminta mikäli mitattu virta on ennaltamäärätyn arvon alapuolella. Tämä voi edullisesti tapahtua kytkemällä elementtien 17 ja 13 välille I.,T.T-elementti.

Täydellisessä suojassa on yleensä myös eri testitoimintoja, jotka osittain ohjaavat ottoasteita siten, että saadaan START-signaali valitussa vaiheessa, ja osittain generoivat estosignaaIin.

On myös hyvin tavallista käyttää hyväksi suojan ominaisuuksia täydentäville toiminnoille.

: " Koska virranmittaus sisältyy,on hyvin yksinkertaista hyödyntää tämä mittaus ylivirtakäynnistykseen virralla joka vastaa tietyn nimellisvirran moninkertaa.

: On yksinkertaista täydentää tällainen impedanssisuoja nollavirran toiminnalla. Virranmittaus, A/D-muuntaminen ym. tapahtuu samalla tavalla kuin imoedanssisuojatoiminnalla. Nollavirralla kytketään ....· virranmittauspiiri vaihejännitteen mittaamiseksi. Kuviossa 8 nähdään vaihtoehtoinen ottopiiri impedanssireleelle joka myös peittää nollavirran toiminnan. Tässä syötetään vaihejännitteet · : UR, Us ja UT A/D-muuntimille 10a, 10b ja 10c. Kun kytkin 31 on kytketty yläsasentoonsa A mitataan vaihejännitteet. Pääjän-. nitteet UTR, URS ja UgT muodo tetaan nyt elimissä 30a, 30b ja 9 86782 30c oman vaiheen ja edeltävän vaiheen erotusjännitteenä ottamalla näytteenottojen erotus kahdesta vaiheesta,jotka muodostavat pääjännitteen. Kun kytkin 31 on asennossa B johdetaan pääjännitteet UTR, URg ja UgT suodattimille 19 ja 20.

Laite voidaan muodostaa monella eri tavalla pää-, sivu- ja täydennystoimintojen yhdistelmänä.

Claims (6)

10 86782

1. Digitaalinen impedanssirele, johon viedään verkkojänni-te (UTR, URS, UST) ja vaihevirrat (IR, Is, IT) ja jossa on elimet A/D-muunnoksen (10, 11) suorittamiseksi, elimet digitaaliseksi suodattamiseksi (12, 13, 19, 20), elimet digitaaliseksi tasasuuntaamiseksi (14, 15, 21, 22), huippu-arvonmuodostajat (16, 24), summain (17), TAl-elementit (23, 26), kertojat (18) ja nollailmaisin jännitepiirin ja virtapiirin muodostamiseksi, jolloin virtapiiri on sovitettu kehittämään digitaalisen pulssijonon, joka vastaa vaihevir-tojen hetkellisarvoa, tunnettu siitä, että jännite-piiri käsittää ensimmäisen piirin (10, 19, 20, 21, 22, 23, 24) digitaalisen keskiarvon tuottamiseksi, joka vastaa verkkojännitteen keskiarvoa, joka arvo muodostetaan joukosta toistensa jälkeen mitattujen huippuarvojen keskiarvona, ja jossa keskiarvonmuodostus päivitetään jokaisella uudella mitatulla huippuarvolla, ja toisen piirin (10, 19, 20, 21, 22. digitaalisen pulssijonon tuottamiseksi, joka vastaa verkkojännitteen hetkellisarvoa, sekä summaimen (27) molempien piirien antaman digitaalisen arvon summaamiseksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että impedanssirele käsittää elimet (29) virtapiirin digitaalisen pulssijonon viivyttämiseksi jännitepiirin digitaalisen pulssijonon suhteen.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että impedanssirele käsittää elimet (12, 14) digitaalisen pulssijonon saamiseksi, joka vastaa vaihevirtojen toista harmonista.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että impedanssirele käsittää elimet (17), jotka mitatusta digitaalisesta pulssijonosta, joka vastaa vaihe-virtoja, vähentää digitaalisen pulssijonon, joka vastaa vaihevirtojen toista harmonista. 86782 11

5. Patenttivaatimuksen 1 ja 4 mukainen laite, tunnettu siitä, että impedanssirele käsittää elimet (18) vaihevirtojen mitatun digitaalisen pulssijonon, virtojen toisen harmonisen vähentämisen jälkeen, kertomiseksi arvolla, joka vastaa malli-impedanssia ( zm) ·

6. Patenttivaatimuksen 1 ja 5 mukainen laite, tunnettu siitä, että impedanssiarvo käsittää elimet virtapiirin ja jännitepiirien pulssijononäytteenottojen erotusten nollailmaisemiseksi. 12 86782