RO104459B1 - Metoda si aparat pentru detectarea distantei pana la locul defectului, pe liniile de transport a energieie electrice - Google Patents

Abstract

Inventia este utila în sistemele de distributie a energiei electrice, pe liniile de înalta tensiune, pentru protectia sistemelor prin deconectarea liniilor pe care au aparut defecte.Metoda si aparatul folosesc valorile instantanee ale curentului i0 si tensiunii u0 , culese de pe linie si filtreaza componentele aperiodice si armonice superioare din semnalele culese cu ajutorul unor filtre aperiodice trece jos, respectiv filtre armonice trece jos, ce functioneaza prin esantionare, se defazeaza cu900 semnalele filtrate obtinând i'0 si u'0 , se genereaza în mod programabil prin conversie digital-analogica cu interpolare liniara, familii de caracteristici poligonale de masura prin componentele sale rezistive R si inductive X, se detecteaza momentul si distanta pâna la locul de aparitie al defectului printr-un algoritm de calcul constând în sistemul: f1= Ri0 - Xi'0- u0 =0f2 = Xi0+Ri0 -u'0 =0 care determina situatia vectorului impedantei liniei pe una dintre caracteristicile familiei poligonale de masura, prin generarea unui semnal z de coincidenta în timp a validarii celor doua egalitati, se interfateaza aparatul cu un calculator ce permite vizualizarea pe ecran a familiilor poligoanelor de masura si a pozitiei curente a vectoruluiimpedan-tei liniei, precum si prelucrarea informatiilor aferente comportarii liniei înainte si dupa defect cu ajutorul unor programe specifice software.Precizia si timpul de detectare a distantei pâna la locul defectului în conditiile luarii în consideratie a componentelor aperiodice si armo-nice superioare, precum si deformarea valorilor curentului de catre saturatia transformatoarelor de curent este de approximativ

Description

Invenția se referă la o metodă și un aparat pentru detectarea distanței până Ia locul defectului, pe linia de transport a energiei electrice, util în sistemele de distribuție a energiei electrice pe liniile de înaltă tensiune, pentru detectarea locului defectului apărut.

Se cunosc metode pentru detectarea distanței până la locul defectului pe liniile de transport a energiei electrice, ca de exemplu:

[1] metoda și aparatul bazat pe aceasta care utilizează circuite de referință pentru împedanța de defect aferentă patrulaterului de defect, ce se compară în amplitudine și fază cu împedanța liniei, cu scopul depistării momentului și locului defectului pe linia electrică.

Dezavantajele metodei și aparatului, cunoscute, sunt următoarele:

- nu se ia în considerație componentele aperiodice și armonice superioare frecvenței rețelei care însoțesc componentele sinusoidale ale curentului și tensiunii, în momentul defectului din care cauză timpul de răspuns și precizia de detectare a distanței până la locul defectului sunt nesatisfăcătoare;

- caracteristica poligonală de măsură este un patrulater ce nu poate fi programat ca număr de laturi, formă și dimensiuni, foarte ușor, din afara aparatului, ca de exemplu cu ajutorul tehnicii de calcul;

- nu permite interfațarea cu mijloace ale tehnicii de calcul pentru vizualizarea carcateristicii de măsură, a poziției curente a vectorului împedanței liniei înainte și după defect, cu posibilitatea de prelucrare pe calculator a informațiilor privind defectul.

Metoda, conform invenției, înlătură dezavantajele de mai sus prin aceea că folosește valorile instantanee ale curentului și tensiunii culese de pe linie, se filtrează componentele aperiodice și armonice superioare din semnalele culese, cu ajutorul unor filtre ce funcționează prin eșantionare în regim tranzitoriu, având timp de răspuns foarte mic, se generează în mod programabil, prin conversie digital-analogică, familii de caracteristici poligonale de măsură prin compoenntele sale rezistive și inductive, se detectează momentul și distanța până la locul de apariție a defectului printr-un algoritm de calcul, prin care se compară părțile reale și imaginare ale împedanței aferente poligonului de măsură cu cea a liniei electrice, se interfațează aparatul cu un calculator ce permite vizualizarea pe ecran a formei și dimensiunii poligonului de măsură a poziției curente a vectorului împedanței liniei, precum și prelucrarea informațiilor aferente comportării liniei înainte și după defect, cu ajutorul unor programe specifice software.

Aparatul, conform metodei prezentate mai sus, înlătură dezavantajele soluțiilor cunoscute prin aceea că este alcătuit din: blocuri de filtrare a componentelor aperiodice și de filtrare a armonicelor superioare ce funcționează cu eșantionare, atât pentru curentul cât și pentru tensiunea culese de pe linie, blocuri de calcul analogic și comparație digitală, conform metodei de calcul a momentului și locului defectului apărut pe linie, la care se aplică valorile filtrate ale curentului și tensiunii defazate cu 0°, precum și cu 90°, împreună cu valorile componentelor rezistive, respectv inductive obținute din blocurile de generare a familiilor de caracteristici poligonale programabile digital-analogic din calculator, blocurile de interfațare cu calculatorul ce permit transmiterea semnalelor de tîmp pentru toate blocurile aparatului, a semnalelor de declanșare a întrerupătoarelor liniei defecte, de blocare la pendulații, precum și de vizualizare a familiilor de caracteristici poligonale de măsură, a poziției curente a vectorului impedanței liniei, precum și obținerea unor statistici referitoare la apariția defectului.

Scopul invenției este să înlăture dezavantajele soluției cunoscute.

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția este de a depista în timp cât mai mic, cu precizie satisfăcătoare, momentul și locul defectului apărut pe linia de transport a energiei electrice, în scopul deconectării tronsonului de linie pe care a apărut defectul.

Se dă, în continuare, un exemplu de realizare a invenției în legătură și cu fig. 1.....15, care reprezintă:

- fig.l, caracteristica poligonală de măsură a împedanței de defect;

- fig.2, familia de 8 caracteristici poligonale de măsură, cu 8 laturi și 8 segmente pe fiecare latură;

- fig.3, forma curentului de defect, conținând componentele aperiodice și armonice superioare, ce însoțesc componenta sinusoidală fundamentală;

- fig.4, forma curentului de defect în situația deformată, datorată saturației transformatoarelor de curent;

- fig.5, forma semnalului la ieșirea filtrelor armonice ce funcționează cu eșantionare;

- fig.6, variația constantei k în cazurile semnalelor aperiodice și armonice, la intrarea filtrelor pentru componente aperiodice;

- fig.7, schema bloc a aparatului ce face obiectul invenției;

- fig.8, exemplu de realizare a filtrului pentru componente aperiodice;

- fîg.9, exemplu de realizare a blocului de defazare cu 90°;

- fig.10,exemplu de realizare a filtrului armonic cu eșantionare pentru componente armonice superioare;

- fig. 11, exemplu de realizare a circuitelor pentru obținerea semnalelor de timp;

- fig. 12, exemplu de realizare a generatoarelor pentru R și X, cu ajutorul convertorului D/A cu interpolare;

- fig. 13, exemplu de realizare a circuitelor de multiplicare analogică;

- fig. 14, exemplu de realizare a circuitelor sumatoare;

- fig. 15, exemplu de realizare a circuitelor de comparație cu histerezis, pentru realizarea coincidenței trecerilor prin zero, conform metodei.

Se prezintă, în continuare, metoda de măsură a impedanței de defect, considerând regimul staționar de defect din care au dispărut componentele aperiodice superioare ce însoțeau componentele sinusoidale armonice fundamentale ale curentului și tensiunii, în timpul regimului tranzitoriu de defect.

Metoda utilizează atât valorile instantanee cât și reprezentarea în complex a mărimilor electrice (tensiune, curent, impedanță) considerăm expresiile instantanee ale curentului și tensiunii pe linie, în regim staționar de defect, ca fiind defazate între ele având expresiile;

u₀=U₀ cos ω J i₀ —I_o COS (u ) - φ _r)

Aceste mărimi defazate cu 90 vor fi:

u ’o⁼ Uycos (uj- “κ/2) = U_o sin ω y i ’a =h cos (ω p - φ ₀- ^/2) = I„ sin (ω j-φ ₀’)

Impedanța de defect are expresia:

Zo = Z_oe‘^j* · în care Z^U,, /(>

Considerăm, de asemenea, poligonul impedanței de defect definit de componentele sale: Z - R +jx în care R= Z cos φ

X = Z sin φ

Z-J&+X¹';

Pentru a detecta momentul de apariție a defectului pe linie (pentru orice poziție a vectorului liniei Z„) marcat de situarea vectorului de defect Z^ pe poligonul de defect, se imprimă vectorului Z, ce definește poligonul de defect, o mișcare permanentă de rotație cu viteza unghiulară ω >>ω _e (vectorul Z parcurgând astfel poligonul de defect cu viteza unghiulară ω mult mai mare decât ω o) și se compară vectorul de defect al liniei Zj, cu vectorul ce definește poligonul Z, urmărind satisfacerea egalității Z„ =Z ce definește momentul apariției defectului pe linie (fig.l).

Pentru a determina distanța la care s-a produs defectul, se definește în loc de o singură φ-arcfg — carcateristică o familie de caracteristici poligonale care să acopere întreaga lungime a liniei electrice. Se cunoaște că modulul impedanței de defect este direct proporțional cu lungimea liniei de la un capăt până la locul de defect. De xemplu, o linie de 240 km se împarte în 8 părți a câte 30 km, obținând o familie de 8 caracteristici (fig.2).

Fiecărei caracteristici de măsură îi alocăm maximum 8 laturi, iar fiecare latură o împărțim în 5 segmente.

Se obține astfel, pornind de la aproximativ 2ps, durata unui segment pe o latură:

latură - 5* 1,95 = 9,76 fis -102,4 kHz; 1 poligon - 8* 9,76 =78,125 /is-12,8 kHz;

familie - 8*78,125=625 ps - 1,6 kHz;

sistem - 8*625 =5ms -»200Hz. Prin sistem se Înțelege parcurgerea celor 6 tipuri de defecte posibile: 3 între faze, 3 la pământ și 2 timpi pentru reset general.

Prin urmare, următoarele relații definesc parcurgerea familiei de poligoane de măsură cu viteza unghiulară ω :

φ=φ (t) ω t și deci R=Z(<p ) cos ω t; Ζ=Ζ(ια ) Χ=Ζ(φ ) sinu t

Deoarece pentru a urmări apariția egalității Z=Zo nu dispunem de valorile componentelor Ιζ, și Xq ale vectorului impedanței de defect , se caută determinarea momentului de apariție a defectului, printr-un sistem de ecuații echivalente cu egalitatea Z=Zo în care să apară mărimi a căror valoare să poată fi măsurată. Obținem astfel succesiv:

Z = Z(, sau

Z - Zo =0 sau înmulțind cu £ £Z - £> Zo =0 sau

Io Z - Ho =d, dar expresiile în complex în formă trigonometrică pentru U„. L, Zq sunt:

£/0 = (/0 [cos ω ,/ + j șina dJ

Io = I_o [cos (ω d-φ J+Jsinfa f-φ dl

Z ~7[cos φ +jsin<p ] înmulțirea a două numere complexe în formă algebrică se face astfel (a+bj)(c+dj) = ac-bd+j(ad+bc), deci, particularizând, obținem: L Ζο^_ϋ> - 0> echivalent cu:

Po cos (ω y - φ /] Z cos φ - //„ sin (ω ,j] Z Stn φ +j{[(I₀ COS (ω d~<P Z sin φ +p_o sin (ω of - φ f)]Z cos φ } = U₀(cos ω d+jsinet </)

Identificând partea reală și imaginară obținem sistemul:

1/Zcos (ω d - φ f cos φ -Ι_ϋ Z sin (c> d ~<P o) sinp = U_o cos ω d Ificos (ω d V o> ^s'tn φ -l0 Z sin (ω d V J ^c°s<(> = Uo sin ω d

Grupând, obținem:

(Z cos<p )Pdos% d~<f> 0)] - (Zsinp )[I₀ sin (ω d-ψ /J^UdLoso d (Z simp )PoCOS (ω d-φ a)]+(Z£os<f> )P₀ sin (ω d~<P o>]~Vdino d înlocuind cu valorile instantanee definite anterior, pentru î₀, Uo, i’_o, u’_o, R, X obținem:

Ri₀-Xi’₀-u₀ = 0 Xi_a+Ri‘₀-u’_o=0

Acest sistem de ecuații în care găsim operații de înmulțire , adunarea scădere, comparație, în care se folosesc mărimi electrice instantaee ce se pot culege din linie (curent și tensiune) și valorile lor defazate cu 90°, precum și valorile generate R, X ce definesc familia poligoanelor de măsură, reprezintă metoda de detectare a momentului de apariție pe linie și de măsură a distanței de la capătul liniei până la punctul de defect pe linie.

Pentru a studia aplicabilitatea metodei de măsură a distanței până la locul defectului în cazul regimului tranzitoriu de defect, definim pentru început semnalele electrice ce însoțesc inerent mărimile sinusoidale din regimul staționar de defect.

Presupunând un scurtcircuit metalic pe linie, descris de ecuația diferențială:

u^Rio+fL’-MJdio/dt în care u^U^inv ,/ io= curentul de defect L’= inductanța proprie a liniei

R= rezistența liniei M= inductanța mutuală notăm L=L’-M și rezolvând ecuația diferențială obținem soluția:

ΐ₀=1^ΐη(ω μ-φ ₀) + Ce'^<RoAo)' în care C este o constantă care se determină considerând valoarea curentului în momentul t=Q al apariției scurtcircuitului egală cup/₀ undep este un coeficient subunitar pozitiv sau negativ (-1 ^p <. 1).

La t=0 obținem: i₀ (O)=pî₀= -Ιμίη φ +C, deci:

C=pl_o +L,siti φ ₀ =I₉ (p+sin<p J

Notăm ctg<p o=Re/X₀=R</(a , deci Ro/L^a gCtg φ ₀

Se obține soluția:

/₀-/₀[sin (t^i-φθ) +(p-tsin <p₀) e ¹ ]

Considerând la modul general că apariția unui scurtcircuit generează armonici superioare ale frecvenței rețelei (aproximativ 400 Hz ΉΟΟΟ Hz), se poate completa expresia curentului de defect, rezultând forma generală a acestuia (fig.3):

i sin ( ω_οί -φ₀) +(^+«ίη φ₀) «“»«* ' +»sin (k<^t -ψ) ] în care:

I_o - modulul curentului de defect; φ ₀ - argumentul impedanței de defect;

-1 <: 1 - coeficient ce definește mărimea curentului în momentul apariției defectului;

0^n<l -coeficient ce definește amplitudinea relativă a armonicei raportată la fundamentală;

k - ordinul armonicei; ψ - faza armonicei.

în cazul în care luăm în considerație deformarea curentului de defect, datorată saturației miezului transformatorului de curent, obținem o formă care păstrează din forma inițială numai valorile înainte și după trecerile prin zero ale curentului, în rest fiind zero, deoarece depășește valoarea la care se saturează miezul (fig.4). Prima saturație apare uzual după aproximativ 5ms.

Pentru a face aplicabil principiul de măsură prezentat anterior (în regim permanent de defect) și în cazul regimului tranzitoriu de defect, observăm că el este aplicabil și în cazul în care fiecare din cele două mărimi i₀ și u„ se înmulțesc cu același parametru variabil λ (t):

Λ(λ io) -X(X ig) - (λ Uo) -0 X(X Îo)a~R(\ Îq) - (X u'q) ⁼ 0 deci:

λ (RiO -Xi'O) -XuO =0 λ (XiO +Ri'0)-X u’O =0 și simplificând cu λ , se obține principiul prezentat inițial.

Deci, filtrarea componentelor aperiodică și armonică, trebuie să conducă la obținerea unor mărimi filtrate, înmulțite cu același parametru λ (t).

în acest sens, utilizăm filtre normale, dar care, în mod periodic, sunt aduse în condiții inițiale nule, obținând în mod calitativ următoarea formă de răspuns (fig.5), ce va fi determinată cantitativ în continuare.

Folosim un filtru armonic (cu poli complecși) Butterworth trece jos de ordin 2, pentru componentele armonice superioare cu funcția de transfer:

( ^s ) s ²+2 +ωθ în care £ ~ 0 - amortizarea filtrului foarte aproape de zero, adică de pragul de oscilație; ω ₀- frecvența de tăiere la -3dB.

Răspunsul x„(t) al filtrului la aplicarea semnalului de intrare x,(t) este soluția ecuației diferențiale următoare:

d²x dt , în care:

xjf)-XJsin ( gV-tp₀)+(/>+sin <p₀) e +»sin (£ω<,ί-ψ)]

Soluția ecuației diferențiale în condițiile nule:

*.(*)= *e ** cos [ ω₀7ΐ-ξ²/ -arctg (--+-=1=^ ] +* (f) in care:

1____z\ (p+sin <p₀)_„-®o(«g Φο)( ₊

cig ²φ₀-2ξί^ <Po+l

7t+jfe⁴+2jt ²(2 ξ²-1) (OS ( Λω_οί -ty—arctg * ]

1-fcPentru a simplifica expresia lui x_o(t), considerăm ξ = 0 și obținem valoarea aproximativă:

^iaei) cos (t^i-φ₀)

Eroarea care se face o putem estima considerând valoarea aproximativă a lui x_p(t):

260

265

t) τΫ⁰⁰⁵⁵ ( «V -Φο) ^Xi f ^S ~ 2 ° ^{p 2}£ 1+ctg ²<p0 * 1-Jt yvus ț -ψ;

270

Cei doi coeficienți ai componentei armonice superioare rezultată la ieșirea filtrului n și cel al componentei fundamentale (l-e'^£ “**)/2£ au valorile următoare, pentru £-0,04; n=l k=10, adică pentru 500Hz.

275

280

285

t[ms]	1-e a=--- 2ξ	fc- n , 1-jfc2	T
1	0,159	0,01	6,3
2	0,319	0,01	3,1
3	0,478	0,01	2,0
4	0,638	0,01	1,5
5	0,7748	0,01	1,2
6	0,9343	0,01	1,0
7	1,0711	0,01	0,9
8	1,2306	0,01	0,8
9	1,3901	0,01	0,7
10	1,5269	0,01	0,6

290

Se constată o eroare foarte mică.

Coeficientul componentei aperiodice are următoarea variație, în care se consideră p— 1;

<P o	(p + sin φ o) sin2 φ 0
0°	0,00
30°	0,37
45°	0,85
60°	1,40
90°	2,00

295 care introduce erori de măsură inacceptabile (de exemplu de 260% la 5ms). Este normal, deoarece filtrul este trece jos, iar componentele aperiodice au în spectrul lor frecvențe joase. Pentru a remedia această situație, se utilizează înaintea filtrului armonic trece jos o structură de filtru, pentru componente aperiodice bazat pe filtre aperiodice (cu poli reali) trece tot (întârziere), de tip Bessel, care au timp de răspuns foarte mic.

înainte de descrierea acestui filtru să reținem ca acceptabilă o eroare de 3,1 % pentru filtrul armonic de ordinul 2, prezentat mai sus, ceea ce înseamnă o citire a răspunsului sau la 2,5 ms de la aducerea la zero (inițial izarea)fîltruiui (am prezentat anterior că o parcurgere a unei familii de caracteristici durează 0,625 ms inclusă ca durată în cele 2,5 ms). în acest fel , filtrul armonic va fi adus la zero din 2,5 ms în 2,5 ms, citirile la ieșirea filtrului făcându-se în 0,625 ms de la sfârșitul celor 2,5 ms.

Filtrul pentru componente aperiodice are la bază celula de filtru trece tot, de tip Bessel, cu funcția de transfer:

r»(») s -1/ t s +1/ τ în care τ este constanta de timp.

Pe baza acestui filtru se obține filtrul de ordinul 1 trece jos, ce are funcția de transfer următoare:

i-y₀(ș) _ i/τ s +1/ τ descris de ecuația diferențială:

—X --Xdt τ τ *

La intrarea acestui filtru se aplică semnale de tipul: x_i=x_il + x_i2= cos ω „t + în care ω „ = 2ιτ ί=2π/Τ pulsația rețelei de 50Hz, iar a_a este constantă de timp a liniei în situația de defect:

«o“—<Po ^ωο în care φ ₀ este argumentul împedanței de defect:

tg <Po“ ^A) deci

A>

*0

Variația lui a₀ în raport de φ ₀ este următoarea:

«o ““te ¹⁸ <Pj^Wîl

φ 0 [grade]	0°	5°	10°	30°	45°	60°	80°	85°	90°
Oi 0 [ms]	0,00	0,27	0,56	1,83	3,18	5,50	18,03	36,34	oo

Răspunsul în timp al filtrului Yj (s) la semnalul de intrare x_; =cos ω _ot este următorul: x_el = (cos arc tg ω ₀T )cos (ω _ot- arc tg ω _οτ) - cos² arc tg ω _or) e'^Ur.

Alegând constanta de timp τ= 1 ms, putem considera că după timpul t>3*r = 3 ms se poate neglija componenta aperiodică și putem aproxima: ^xei ⁼ (cos arc tg ω _Qr )cos (ω _ot- arc tg ω _οτ)

Răspunsul în timp al filtrului Y/s) la semnalul de intrare = e'^y° este următorul:

Pentru r=lms<a₀, ceea ce apare pentru φ ₀> 10° se poate aproxima:

ot„ «η (ί-e

-t) T+i /α₀ λ-Vmo x_o2 = e'** (1-e 0. (pentru tx₀<r = lms componenta exponențială e'^Vm nu pune probleme privind durata regimului tranzitoriu, deoarece este mai scurt decât cel dat de e'^')·

Deci, cu aproximațile prezentate, filtrul Y,(s) introduce o defazare a componentelor armonice egală cu β =arc tg ω _or și o întârziere a componentelor aperiodice egală cu r.

Pe baza acestui filtru Y, se construiește filtrul pentru componente aperiodice în felul următor:

Se scade din semnalul de la ieșirea unui filtru trece jos de ordinul 1, cu constanta de timp r, semnalul de la ieșirea cascadei de două filtre trece jos de ordinul 1, cu constantele de timp r/2 ponderate cu factorul k, obținând relația matematică următoare:

^v ' s +1/ r s+2f r deci pentru χ_;=χ_;ι - cos ω _ot vom obține la ieșirea semnalului:

χ,ι = (cos arc tg w_flr)cos (ω _ot- arc tg ω _οτ) -k (cos² arc tg ω ₀τ/2) cos (ω _ot- 2arc tg ω _or/2) Pentru valori mici ale expresiei: “°^tm ^{1 fl}’³ se poate aproxima că 2 arc tg ω „r/2 =arc tg ω_οτ obținând:

x.i = [(cos arc tg ω _οτ) -k (cos² arc tg ω ₀τ/2)] cos (ω _ot- arc tg ω _οτ) Pentru X; =x_a = e obținem:

X_e2 = _e-v® (l-e'^t'^r)-k(l-e'^tW2)² x„₂ =[(l-e'^Vr) -k (l-e^'²)² je'*'™

Pentru a rejecta componenta aperiodică e¹'⁰ se alege valoarea lui:

_e t/-r/2 -t/r/2

2e'^f^²(F-/->

,, _e ^llT__g -tt t/2 2

4^/-/2(^-J— t/2

2sh — tleci k- cth — 7

Se constată pentru t<0 valoarea k£ 1.

Dacă am alege o valoare pentru k, în sensul de a rejecta componentele armonice atunci ar fi:

, cos arc tg ω_οτ ~cos ²arc tg 2 -sin ²arc tg ωοτ/ 2 cos ²arc tg ωθτ/ 2 cos ²arc tg ωθτ/ 2

-1 -tg ²arc tg ω_οτ/ 2 -1 -ω^,²τ²/ 4 < 1

Prin urmare, se constată proprietatea filtrului prin care, dacă se alege k, încât să rejecteze componentele aperiodice atunci componentele armonice vor trece prin filtru și reciproc, deoarece valorile lui k în cele două cazuri se exclud reciproc (fig.6).

Semnalul armonic la ieșirea filtrului are amplitudinea:

jc_<2-[cos arc tg ω_οτ-( cth —) cos ²arc tg ω₀Τ] «cos (-arc tg ω_οτ) τ 2

Pentru a putea aplica principiul de măsură propus, mai sunt necesare circuite de defazare cu 90° a semnalelor. Aceasta se realizează pe baza celulei de filtru trece tot_fprezentat anterior.

Se obține următoarea celulă de defazare:

φ)-1ΐΜί!---pe»tru faza de 0° s +1/ τ

2s

Y₂(s) - 1 +y₀ (s) —~—pentru faza de 90° s +1/ τ

Răspunsurile în timp ale celor două celule la semnale de intrare de formă:

X; =cosc«) o t sunt:

x_ei = (cosarctgi«) _or )*cos(w _ot-arctgw _ot ) pentru 0° respectiv x_e2=2(sînarctg ω _οτ )*sin(w _ot-atctgw _ot ) pentru 90°.

Semnalele sunt, deci, defazate cu 90° între ele, dar au amplitudini diferite.

Introducând la intrarea celulelor de defazare, semnalul:

x_;=(cosarctg ω _Or)*cos(u _ot-arctgw ₀Tt), cules de la ieșirea filtrului de componente periodice, se obțin semnalele:

x_ei = (cos² arctg ω _οτ )*cos(w ₀t-2arctgw _ot ), respectiv: x_B2=2(cosarctg ω _οτ )*sinarctg&> _οτ)*δϊη(ω ₀t-2arctgw _οτ) sau: x_e2= (sin2arctgM „t )*sin(w _ot-2arctgcj _or)

Pentru ca amplitudinele celor două semnale x_Bl și x_e2 să fie egale este necesar ca:

cos² arctgw ₀T=2sinarctg« _or *cosarctg« _or , de unde:

cosarctgo _ur =2sinarctgâ> „r adică ω _or = 1/2 încât pentru 50Hz rezultă:

în acest fel, durata regimului tranzitoriu al celulelor de defazare este acceptabilă, deoarece dacă o considerăm egală cu 2r=3ms, aceasta este similară cu cea a filtrului precedent pentru componente aperiodice pentru 0°.

«cos ( ω_θί -2 arctg ω_οτ), respectiv 9Q°

*sln (ω,)/ -2arctg ωθτ

Variația acestor semnale în raport de frecvență armonicelor este prezentată mai jos, pentru r=l,6ms; t=l,6ms, deci k=l,31:

flHz]	ω οτ	β	cos/3	sinjS	Ύ	οοδγ	Xel	X.2
50	0,5	26°	0,90	0,45	14°	0,97	0,3	0,3
500	5,0	79°	0,19	0,98	68°	0,37	0,003	0,04
1000	10,0	85°	0,10	0,99	79°	0,19	0,005	0,09

unde β=arctg ω _οτ ωθτ y-arctg

Pentru t= l,6ms; t> >τ deci k= 1 se obține:

flHz]	Xel	X=2
50	0,036	0,036
500	0,011	0,11
1000	0,006	0,11

Se poate concluziona că pentru t> > t= l,6ms amplitudinea semnelor x_el și χ_ώ reprezintă 0,036*10V=0,36V suficient de mare pentru a putea fi prelucrată de circuitele electronice. Este utilă, totuși, folosirea unui amplificator încât să se obțină la ieșire o amplitudine, de exemplu de 10*0,36V=3,6V.

în cazul x,, amplitudinea armonicelor raportată la fundamentală este de minimum 3 ori mai mică, dar pentru x_e2 este de 3 ori mai mare, datorită caracterului de filtru trece sus al celulei de defazare cu 90°.

Acest fapt nu pune probleme deosebite, deoarece armonicele superioare vor fi atenuate de minimum 50 de ori față de fundamentală de către filtrul armonic pentru t>3ms, obținând global, pe tot ansamblul filtrelor apreriodice, defazoarelor, filtrelor armonice, o atenuare minimă a armonicelor superioare de 50/3 = 15 ori față de fundamentală, reprezentând o eroare maximă de 7%.

Aparatul, pe baza metodei prezentate anterior, este alcătuit astfel:

Valorile instantanee ale curentului și tensiunii sunt culese din rețeaua de distribuție a energiei electrice, cu ajutorul transformatoarelor de măsură și se reduc până la IOV cu ajutorul blocurilor 1 și 2 din (fig.7).

Semnalele corespunzătoare curentului și tensiunii se aplică filtrelor pentru componente aperiodice 3 și 4, alcătuite (fig. 8) din câte 3 celule identice de filtre trece jos de ordinul 1, din care rezultă semnale armonice cu frecvența rețelei și armonici superioare. Componentele aperiodice ce apar în cazul defectului pe linie durează cel mult cât timpul de răspuns al filtrului, de aproximativ 3ms, în rest fiind rejectate de filtru.

Semnale obținute se aplică celulelor de defazare, 5 și 6 (fig.9), care pe lângă defazajul de 90° introduc inerent o amplificare a armonicelor superioare, datorată caracterului de filtru trece sus al defazorului.

în continuare, semnale obținute iv,

Li se aplică filtrelor armonice 7,8,9 și 10, de ordinul 2, pentru componente de frecvențe superioare (fig. 10). prin semnalul de RESET filtrele sunt aduse în condiții inițiale nule din 2,5 ms în 2,5 ms. Semnalul de RESET (fig. 11) se sincronizează prin blocul de TIMING cu frecvența rețelei de 50 Hz și, de asemeni, se sincronizează cu momentul de apariție a defectului prin preluarea variațiilor bruște aperiodice ce apar la ieșire filtrelor aperiodice 3 și 4 de către blocul 23. în cazul în care forma curentului este mult deformată de saturația transformatoarelor de curent se resetează filtrele cu 2,5 ms înainte de trecerile prin zero ale curentului și se întrerupe aplicarea semnalelor de intrare după 2,5 ms de la trecerea prinzero a curentului. Astfel, se preia porțiunea sănătoasă a formei curentului, iar între aceste intervale de timp ieșirea filtrului este o oscilație liberă care preia amplitudinea și faza ultimei zone sănătoase a curentului.

La ieșirea filtrelor se găsesc circuite de eșantioane și memorare S/H, care păstrează constantă valoarea ce se aplică circuitelor următoare, pe toată perioada de citire a filtrelor de 0,62 ms.

Cu ajutorul modulului digital, care poate fi un calculator personal, se generează familiile de caracteristici corespunzătoare treptelor de declanșare prin coordonatele vârfurilor poligoanelor. Cuvintele de 8 biți ce reprezintă coordonatele vârfurilor se aplică convertoarelor digital analogice 11 și 12 cu interpolare liniară între vârfuri, care de fapt generează semnalele R și X aferente poligoanelor de măsură (fig. 12).

Semnalele u₀, u₀’, i₀, i₀’,R, X se aplică multiplicatoarelor analogice în 4 cadrane aferente blocurilor 13, 14, 15 șî 16, din care rezultă semnalele Xi₀’, Ri„, Xî_e, Itî„* (fig. 13).

Acestea se aplică sumâtoarelor 17 și 18 (fig. 14) de unde rezultă cele două semnale fl și 12, ce formează principiul de măsură prezentat anterior.

Pentru a depista coincidența trecerilor prin zero ale semnalelor fl și f2, cu ajutorul blocului 21 se generează în prealabil, cu ajutorul blocurilor 19 și 20 (fig, 15) pentru fiecare trecere prin zero a lui fl, respectiv (2 câte un impuls scurt de 2 /xs ce rerezintâ 1/5 din lungimea unei laturi de poligon. Totodată, aceste circuite au histerezis calculat încât să acopere echivalentul în nivel electric între două caracteristici adiacente a celor 30 km distanță între două caracteristici poligonale.

Semnalul de coincidență z de la ieșirea blocului 21 condiționează semnalul de la ieșirea blocului 28, pe care îl blochează în cazul apariției pendulațiilor în sistemul energetic. Pendulațiile se sesizează prin durata trecerilor vectorului de defect de la o caracteristică poligonală la cea vecină ei, care nu trebuie să fie mai mare decât o valoare prescrisă.

Vizualizarea poziției curente a vectorului de defect și a familiilor de măsură se poate face cu ajutorul unui dîsplay, având intrările analogice x și y, precum și z , pentru intensificarea vectorului de defect pe imaginea familiilor caracteristicilor de măsură. Durata acestui semnal este de 2 gs.

în cazul utilizării unui calculator personal, ca parte digitală, se poate realiza o posprocesare a imformațiilor culese înainte și după apariția defectului pe linie, cu ajutorul unor programe software specifice aplicației.

Invenția prezintă următoarele avantaje:

- timpul de detectare a defectului apărut pe linia electrică cuprins între 5ms și lOms;

- precizia de detectare a distanței până la locul defectului pe linie, în condițiile luării în considerație a componentelor aperiodice și armonice superioare ce deformează inerent mărimile sinusoidale, cu frecvența fundamentală a curentului și tensiunii pe linie, la apariția defectului, precum și de deformarea valorilor curentului de către saturația transformatoarelor de curent este de aproximativ 10% cu răspuns în 5ms și 2% cu răspuns în lOms;

- blocarea declanșării întrerupătoarelor de deconectare a liniei de către aparatul de detectare a momentului și locului defectului pe linie, în cazul apariției pendulațiilor în sistemul energetic;

- utilizarea unor caracteristici poligonale foarte apropiate de cele ideale de măsură a impedanței de defect care țin seama de situațiile reale de defect (scurtcircuit între oricare dintre faze sau oricare fază și pământ, suprasarcina și scurtcircuitele prin arc), precum și posibilitatea introducerii compensărilor de curent homopolar;

- flexibilitate și programabilitate în stabilirea familiilor caracteristicilor poligonale de măsură 2 impedanței de defect, prin programarea coordonatelor poligoanelor sau prin programarea pantelor laturilor poligoanelor;

- declanșarea întrerupătoarelor de deconectare a liniei defecte cu mai multe trepte de timp de declanșare, corelate cu mai multe trepte de familii de caracteristici de măsură;

- vizualizarea poziției curente a vectorului impendanței liniei, pe o familie de caracteristici poligonale de măsură, cu ajutorul unui dîsplay cu tub catodic sau cu cristale lichide, respectiv pe calculator personal;

- interfațarea aparatului cu calculator personal, pentru înregistrarea și prelucrarea pe calculator a informațiilor privind evoluția impendantei și comportării liniei înainte și după apariția defectului, întocmirea unor statistici privind comportarea liniei pe o perioadă de timp;

- posibilitatea de discriminare a defectelor pe linie din cele șase cazuri posibile de scurtcircuite între faze sau între faze și pământ;

- posibilitatea de a realiza aparatul modular, de sine stătător, interfațat la calculator personal sau ca modul încorporat în calculatorul personal. Aparatul este relativ simplu, are volum și greutate redusă, preț de cost relativ mic, fiabilitate mare, fiind alcătuit dintr-o parte minimală analogică și o parte digitală interfațată, încorporată sau implicită în cadrul unui calclator personal;

- posibilitatea impământării tehnologice sau totale, atât hardware cât și software sau firware, în una din următoarele variante:

a) cu hardware complet dedicat aplicației, având la bază circuitele analogice prezentate, iar pentru partea digitală circuite CMOS alimentate la 15V. Partea digitală trebuie să furnizeze semnalele de timp pentru filtre, precum și cuvintele de 8 biți pentru convertoarele D/A ce pot fi memorate în memorii EPROM care să poată fi citite, conform unor secvențe prescrise de funcționare a aparatului. Vizualizarea se poate face pe display cu tub catodic de tip osciloscop sau cu cristale lichide cu interfață aferentă;

b) cu parte analogică harware concepută ca un modul care poate fi cuplat sau inclus în calculatorul personal aferent aplicației. în rest, funcțiile digitale pot fi realizate prin programe software. Afișarea caracteristicilor poligonale și a vectorului impedanței liniei se face pe ecranul PC-ului. Se poate realiza cu programe software o prelucrare a imformației înainte și după defect, precum și o statistică asupra comportării liniei;

c) partea analogică și partea digitală pot fi micro integrate la cerere, în cazul în care seria de fabricație este suficient de mare și prețul de cost realizat justifică această soluție;

d) dacă se dispune de calculator rapid se poate realiza tot aparatul numai din programe software care să realizeze aplicațiile de filtrare de data aceasta digitală, precum și operații de calcul necesare implementării principiului de măsură propus în invenție.

Claims (2)

1. Metodă pentru detectarea distanței până la locul defectului pe liniile de transport a energiei electrice, caracterizată prin aceea că:

- valorile instantanee ale curentului Lși ale tensiunii u<, ce sunt culese din linia de înaltă tensiune se aplică atenuate la intrarea a două filtre aperiodice cu 3 poli reali, ce permit rejectarea componentelor aperiodice, având constante de timp variabile, aplicate la intrarea lor în timp ce componentele armonice de diferite frecvențe aplicate la intrarea filtrelor sunt doar atenuate, filtru a cărui funcție de transfer este:

F(s) -

V ^T _ _k( ²/^T ) 2 s+l/r ^{ s+2/τ’*' iar răspunsul în timp aproximat în condițiile T=lms, t>3r pentru un semnal de intrare: x_;-cos ωθ+e ”7 în care ^ωο Λ) este costanta de timp a liniei, până la locul defectului, este:

χ.= (coșarctgcj ₀T-kcos²arctg&) ₀r/2) cos(a) _ot-arctgw _GT) + [(l-e'^y9-k(l-e ^-²)] e‘^;“° , iar componenta armonică e'*'™ este rejectată dacă k=ch t/r;

-semnalele filtrate pentru rejectarea componentelor aperiodice sunt aplicate la intrarea a două blocuri de defazare a semnalelor cu 0°, respectiv 90° față de semnalele de intrare, rezultând semnalele L», îgoo, Uo», funcțiile de transfer ale filtrelor fiind:

^yiÎ^s)~s+l/~T ^pentru °° ** ~ ii/ T~P^{entru 90}° iar răspunsurile în timp aproximate în condițiile r= 1.6ms, t> 2r pentru un semnal de intrare x. =cosw _ot sunt:

x_ei = (cos arctgâ) _Or)*cos(w _ot-arctg<ij _or) pentru 0° respectiv:

x_e2=2(sin arctgai ₀7)*sin(w _or-arcg« _ot) pentru 90°;

- semnalele curentului șî tensiunii defazate cu 0 și 90° sunt aplicate la intrarea a patru filtre armonice de ordinul 2 (cu 2 poli compleși conjugați), pentru rejectarea componentelor armonice superioare ce funcționează cu eșantioane, fiind aduse periodic în condiții inițiale nule, filtrul având timp de răspuns foarte mic, funcția de transfer a filtrului fiind:

y_(s) 5 ²+2 ξωθΐ +ωο iar răspunsul în timp aproximat în condițiile £ foarte mic și condiții inițiale nule pentru x_e(t) și derivata sa dx.(t)/dt pentu un semnai de intrare:

x_i(t)=x_i[sin(w _ot-<p <,) + nsin(ka> „t-ψ ) + (p + sin(p₀)e^o<cW)o)t], este:

*„( t ) -^-( 1 ~e ) cos ( ωθί -<p₀) +x, ⁿ cos ( ka^t -ψ) 4 ς 1 -k

-χ/ρ+sin (po)(sin ²<p^) e “(cig 4¼) t

- se generează o familie de poligoane de măsură, programate prin coordonatele vârfurilor poligoanelor cu cuvinte de 8 biți de către un bloc digital, prin intermediul a două convertoare digital-analogice, cu interpolare liniară între vârfuri, pentru componentele reală rezistivă R și imaginară de reactanță χ=ω ₍₎L;

-semnalele curentului L și L’ și ale tensiunii u<, și Uq* filtrate de componentele aperiodice și armonice superioare și defazate cu 0° și 90° împreună cu semnalel generate R și X care definesc familia poligoanelor de măsură se aplică unui bloc de calcul construit cu multiplicatoare analogice, sumatoare și comparatoare care realizează relațiile:

fl =Rio-Xi₀’-Uo=0 f2 = Xi_o+Ri_o*-u_o ^t=0 care determină situarea vectorului impedanței liniei pe una dintre caracteristicile familiei poligonale de măsură, prin generarea unui semnal Z de coincidența în timp a validării celor două egalități.

2. Aparat pentru detectarea distanței până la locul defectului pe liniile de transport a energiei electrice, conform metodei de la revendicarea 1, caracterizat prin aceea că, valorile instantanee ale curentului și ale tensiunii Uq sunt culese din linia de Înaltă tensiune și aplicate atenuatoarelor (1 și 2), semnalele L și Ug de la ieșirea atenuatoarelor fiind aplicate la intrarea unor filtre aperiodice, (3 și 4) pentru rejectarea componentelor aperiodice a acestor semnale, semnalele L și 1¼ conținând componentele armonice fundamentale de 50Hz și componentele armonice superioare, aplicându-se la intrarea defazoarelor (5 și 6) obținând la ieșire semnalele iv, i₀“, i^® defazate cu 0°, respectiv 90°, semnalele defazate cu 0^, respectiv 90°, aplicându-se fiecare împreună cu semnalele de timp pentru eșantionare RESET, S/H, INT la intrarea a patru filtre armonice de ordinul 2 (7, 8, 9 și 10) ce rejectează armonicele superioare, obținând semnalele u₀, u₀’, i_G, ce conțin componenta fundamentală de 50Hz, atenuată după o funcție exponențială, semnalele R și X ce definesc familia de poligoane de măsură fiind generate de convertoarele digital-analogice cu interpolare liniara între vârfuri (11 și 12), semnalele Uo, Uq’, io, io’.R, X, aplicându-se la intrarea a patru multiplicatoare analogice (13, 14, 15, și 16) obținând semnalele XL’, RL, XL, RL’, aceste semnale aplicându-se la intrarea sumatoarelor (17 și 18) obținând semnalele:

fl=RLXL Ai F2 =RL’+XL'A’ cele două semnale (fl și 12) fiind aplicate comparatoarelor cu histerezis (19 și 20) care generează impulsuri foarte scurte Ia fiecare trecere prin zero a semnalelor (Π și f2) de la

665

670 intrarea lor, impulsurile generate de comparatoarele (19 și 20), aplicându-se unui circuit de coincidență în timp cu poartă logică (21), rezultând impulsul Z foarte scurt în timp, în momentul trecerii simultane prin zero a semnalelor (Π și f2) aceasta determinând situarea vectorului liniei pe una dintre caracteristicile familiilor poligoanelor de măsură, semnalul de coincidență Z împreună cu semnalele generate R și X, aplicându-se unui display analogic cu tub catodic sau cristale lichide (30) pentru a vizualiza prin intersificarea spotului poziția vectorului liniei pe imaginea familiilor de caracteristici de măsură, semnalul

Președintele comisiei de invenții: ing. Ohan Petre Examinator: ing. Constantinescu Dorin de coincidență Z aplicându-se la intrarea circuitului (28) de blocare la pendulații care generează un impuls de durată cât maximul intervalului de timp dintre două apariții succesive ale lui Z pe două caracteristici adiacente, semnalul de coincidență Z fiind astfel validat sau nu de impulsul generat de semnalul de coincidență Z apărut anterior lui, iar semnalul de la ieșirea blocului (28) fiind aplicat blocului (29) de declanșare a întrerupătoarelor de deconectare a liniei, culegerea și prelucrarea imformațiilor defectului fiind asigurată de un microcalculator (24, 25, 26 și 27) interfațat la partea analogică.