RU2217769C1 - Селективное устройство для определения однофазных замыканий в кабельных линиях - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для мониторинга состояния разветвленной трехфазной кабельной сети с изолированной или компенсированной нейтралью крупных электрических подстанций с целью определения кабеля, в котором произошло однофазное замыкание на землю. В предлагаемом устройстве в цифровом виде производится анализ уровня гармонических составляющих тока нулевой последовательности по каждому присоединению, а также анализ информации о направлении протекания тока в присоединениях. Селективное устройство для определения однофазных замыканий в кабельных линиях содержит трансформаторы тока нулевой последовательности, согласующие каскады, мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь, полосовой фильтр, фазочувствительный блок, блоки оперативной памяти, авторегрессионный фильтр, усредняющий сумматор, блок определения канала с отличающейся фазой, блок выбора максимума, реле тока, пороговые элементы, ключевую схему, индикаторный блок и блок управления. Технический результат - повышение эффективности. 1 з.п.ф-лы, 10 ил.

Description

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для мониторинга состояния разветвленной трехфазной кабельной сети с изолированной или компенсированной нейтралью крупных электрических подстанций (обычно 6-10 кВ), обеспечивающих энергоснабжение промышленных объектов и жилых массивов, с целью определения кабеля, в котором произошло однофазное замыкание на землю.

Известно устройство максимальной токовой защиты нулевой последовательности с реле тока, включенными на выходе трансформаторов тока нулевой последовательности [1] . Недостатком устройства является неспособность работать при небольшом числе присоединений и существенных отличиях емкостных токов в различных присоединениях. Известное устройство "Поиск-1" использует для селекции замыканий фиксированную настройку на 5, 7, 11 и 13 гармоники частоты 50 Гц и допускает работу в полосе частот. Однако параметры кабельной сети не учитываются, что является недостатком.

Известное устройство "Зонд" работает на принципе сравнения амплитуд и фаз токов только 11 гармоники. Недостатком прибора является отсутствие учета информации о других гармониках тока.

Известное устройство УСЗ-ЗМ [2] использует информацию об уровне нескольких высших гармоник, однако их равновесное суммирование не позволяет учесть особенности каждого присоединения (длину, мощность нагрузки, другие параметры), что снижает эффективность прибора. Информация о фазах токов в присоединениях также не учитывается.

Общим недостатком аналогов является неполное использование информации о частотных составляющих и фазах токов в присоединениях.

Наиболее близким является "Селективное устройство для определения однофазных замыканий в кабельных линиях" [3], содержащее последовательно соединенные трансформаторы тока нулевой последовательности (ТТНП) и согласующие каскады, подключенные на входы мультиплексора, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок выбора максимума, блок управления, последовательно соединенные ключевую схему и индикаторный блок, по каждому из N каналов имеется цепь блокировки, состоящая из последовательно включенных реле тока и пороговых элементов, соединенных с ключевой схемой. Однако отсутствует обработка информации о фазах токов в присоединениях, что накладывает ограничения на характеристики прибора.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности селективного определения присоединения, в котором произошло однофазное замыкание на землю в кабельной линии.

Поставленная задача решается тем, что в селективное устройство для определения однофазного замыкания на землю, включающее в себя N измерительных каналов, входы которых являются входами устройства с первого по N-й, каждый канал состоит из последовательно соединенных ТТНП и согласующего каскада, подключенного к соответствующему входу мультиплексора, реле тока, подключенного к входу согласующего каскада, порогового элемента, включенного последовательно с реле тока и соединенного с входом ключевой схемы, соответствующим номеру измерительного канала, содержащее также АЦП, блок управления, последовательно соединенные ключевую схему и индикаторный блок, введены новые блоки и связи. А именно, выход мультиплексора соединен с входом АЦП, первый выход АЦП соединен с входом амплитудного измерителя, состоящего из последовательно соединенных авторегрессионного фильтра (АР-фильтра), усредняющего сумматора, блока оперативной памяти и блока выбора максимума. Второй идентичный выход АЦП соединен с входом фазового измерителя, состоящего из последовательно соединенных полосового фильтра, фазочувствительного блока, второй вход которого соединен с выходом умножителя частоты, блока оперативной памяти и блока определения номера канала с отличающейся фазой, причем вход умножителя частоты является (N+1)-ым входом устройства.

Первый выход блока определения номера канала с отличающейся фазой, являющийся выходом фазового измерителя, и выход блока выбора максимума, являющийся выходом амплитудного измерителя, соединены соответственно с N+1 и N+2 входами ключевой схемы, входы с первого по N-й индикаторного блока соединены с соответствующими выходами ключевой схемы, N+1 и N+2 входы индикаторного блока соединены со вторым и третьим выходами блока определения канала с отличающейся фазой. Выход а блока управления соединен со вторыми входами АЦП, АР-фильтра, полосового фильтра и усредняющего сумматора, выход b блока управления соединен с N+1 входом мультиплексора, выход с блока управления соединен со вторыми входами фазочувствительного блока и блоков оперативной памяти, N+2 входом мультиплексора, четвертым входом АР-фильтра, выход d блока управления соединен со вторыми входами блока определения номера канала с отличающейся фазой и блока выбора максимума, с N+3 входом ключевой схемы, выход е блока управления соединен с третьим входом АР-фильтра.

Для анализа кабельных линий на предмет определения однофазного замыкания на землю введены АР-фильтр, полосовой фильтр, умножитель частоты, фазочувствительный блок, усредняющий сумматор, два блока оперативной памяти, блок выбора максимума, блок определения канала с отличающейся фазой.

На фиг. 1 дана функциональная схема устройства; на фиг.2 - структурная схема блока определения канала с отличающейся фазой, на фиг.3 - то же блока выбора максимума; фиг.4 - пример возможной реализации блока выбора максимума двух двоичных чисел; на фиг.6 - то же ключевой схемы, на фиг.7 - то же блока управления, на фиг.8 - то же фазочувствительного блока; на фиг.5 - частотная характеристика АР-фильтра; на фиг.9 - временные диаграммы работы устройства; на фиг. 10 - вероятность правильного обнаружения при совместной работе двух измерителей.

Селективное устройство для определения однофазных замыканий в кабельных линиях (фиг. 1) содержит N измерительных каналов, входы которых являются входами устройства с первого по N-й, каждый канал состоит из последовательно соединенных ТТНП 1 и согласующего каскада 2, подключенного к соответствующему входу мультиплексора 3. Выход мультиплексора 3 соединен с входом АЦП 4, первый выход АЦП 4 соединен с входом амплитудного измерителя, состоящего из последовательно соединенных АР-фильтра 5, усредняющего сумматора 6, блока оперативной памяти 7 и блока выбора максимума 8. Второй выход АЦП 4 соединен с входом фазового измерителя, состоящего из последовательно соединенных полосового фильтра 9, фазочувствительного блока 10, второй вход которого соединен с выходом умножителя частоты 11, блока оперативной памяти 12 и блока определения номера канала с отличающейся фазой 13, причем вход умножителя частоты 11 является (N+1)-м входом устройства. Первый выход блока определения номера канала с отличающейся фазой 13, являющийся выходом фазового измерителя, и выход блока выбора максимума 8, являющийся выходом амплитудного измерителя, соединены соответственно с N+1 и N+2 входами ключевой схемы 14. Входы с первого по N-й индикаторного блока 15 соединены с соответствующими выходами ключевой схемы 14, N+1 и N+2 входы индикаторного блока 15 соединены со вторым и третьим выходами блока определения канала с отличающейся фазой 13. Цепь блокировки по каждому измерительному каналу состоит из последовательно соединенных реле тока 16, вход которого подключен к входу согласующего каскада 2 соответствующего канала, и порогового элемента 17, выход которого соединен с входом ключевой схемы 14, соответствующим номеру измерительного канала. Выход а блока управления 18 соединен со вторыми входами АЦП 4, АР-фильтра 5, полосового фильтра 9 и усредняющего сумматора 6, выход b блока управления 18 соединен с N+1 входом мультиплексора 3, выход с блока управления 18 соединен со вторыми входами фазочувствительного блока 10 и блоков оперативной памяти 7 и 12, N+2 входом мультиплексора 3, четвертым входом АР-фильтра 5, выход d блока управления 18 соединен со вторыми входами блока определения номера канала с отличающейся фазой 13 и блока выбора максимума 8, с N+3 входом ключевой схемы 14, выход е блока управления 18 соединен с третьим входом АР-фильтра 5.

В предлагаемом устройстве в цифровом виде производится анализ уровня гармонических составляющих тока нулевой последовательности по каждому присоединению, а также анализ информации о направлении протекания тока в присоединениях. Принятие решения об обнаружении однофазного замыкания на землю происходит в случае совпадения номера присоединения с максимальным уровнем гармонических составляющих (с выхода амплитудного измерителя), номера присоединения с направлением протекания тока, отличным от остальных (с выхода фазового измерителя), и при превышении порога сигнала с ТТНП по данному каналу.

Устройство работает следующим образом. При возникновении однофазного замыкания в сети с изолированной нейтралью изменяются емкостные составляющие тока на землю, что приводит к нарушению баланса токов в поврежденной линии [2] . При этом появляется сигнал с выхода ТТНП 1, содержащий гармоники тока сетевой частоты [3, 4]. С ТТНП 1 через согласующие каскады 2 сигналы со всех присоединений поступают на входы мультиплексора 3, который осуществляет последовательное переключение на вход АЦП 4 ограниченных во времени последовательностей данных со всех присоединений. АР-фильтр 5 выделяет частоты 1, 3, 5, 7, 9, 11 и 13 гармоник сетевой частоты (фиг.5). При расчете фильтра для каждого присоединения можно учесть его индивидуальные параметры с целью адекватного анализа. Устройство АР-фильтра известно, его работа и расчет коэффициентов рассмотрены в [5]. На второй вход АР-фильтра 5 поступают из блока управления 18 синхроимпульсы поступления на вход фильтра новых данных, на третий вход поступают коэффициенты фильтра для данного присоединения, на четвертый вход АР-фильтра 5 с блока управления 18 поступает синхроимпульс записи коэффициентов фильтра.

Усредняющий сумматор 6 выполняет суммирование последовательностей отсчетов по каждому присоединению на выходе АР-фильтра 5, что позволяет судить об уровне гармонических составляющих тока нулевой последовательности в этих присоединениях. Эта информация по всем присоединениям храниться в блоке оперативной памяти 7, и с помощью блока выбора максимума 8 определяется присоединение с максимальным уровнем гармонических составляющих. Сигнал со второго идентичного выхода АЦП 4 также поступает на вход полосового фильтра 9, настроенного на первую гармонику сетевой частоты при отсутствии дугогасящего реактора или любую другую гармонику, например третью, при его наличии. Фазочувствительный блок 10 сопоставляет направление тока в присоединении по сравнению с сигналом ТН 3U₀ с внешнего трансформатора. При наличии дугогасящего реактора и работе по l-ой нечетной гармонике тока сигнал ТН 3U₀ проходит через умножитель частоты на l 11. Сигнал ТН 3U₀ с внешнего трансформатора в цифровом виде поступает на N+1 вход устройства, являющийся входом умножителя частоты 11. Результат сравнения направлений протекания тока записывается в блок оперативной памяти 12. Блок определения номера канала с отличающейся фазой 13 определяет номер присоединения, в котором направление тока отлично от остальных, что и сигнализирует о наличии однофазного замыкания на землю. Сигнал с ТТНП 1 по каждому каналу также поступает на вход реле тока 16 и затем на пороговый элемент 17. При превышении порога в элементе 17 по данному присоединению и совпадении номера присоединения с замыканием на выходах амплитудного и фазового измерителей ключевая схема 14 открывается и выдает информацию о номере этого присоединения на индикаторный блок 15. Индикация состояний "Ошибка фазового измерителя" и "Норма по фазовому измерителю" непосредственно выводится соответственно со второго и третьего выходов блока определения канала с отличающейся фазой 13 на индикаторный блок 15.

Блок определения канала с отличающейся фазой 13 (фиг.2) устроен следующим образом. Данные о направлении тока в присоединениях с выхода блока оперативной памяти 12 записываются с первого входа блока в регистр сдвига 19 с прямым и инверсным выходами. Генератор тактовых импульсов 28, синхронизируемый блоком управления, подает импульсы сдвига на регистр сдвига 19. Импульсы сдвига считаются счетчиком 23. Первый счетчик до двух 21 считает единицы в сдвигаемом коде и при фиксировании наличия в нем двух единиц дает сигнал на сброс счетчика импульсов 23 и переключение первой ключевой схемы 20 с прямого на инверсный выход регистра 19. Если и инверсный код имеет больше одной единицы, то срабатывает второй счетчик до двух 22, и на второй выход блока определения номера канала с отличающейся фазой 13, соединенный с индикаторным блоком 15, выдается сигнал, свидетельствующий об ошибке фазового измерителя. Номер присоединения (число импульсов сдвига кода) записывается в регистр 25 при фиксировании второй ключевой схемой 24 единицы на выходе первой ключевой схемы 20. Если счетчик 23 зафиксирует прохождение N тактовых импульсов и триггер 29 зафиксирует наличие хотя бы одной единицы в коде, то третья ключевая схема 26 открывается и передает код номера присоединения из регистра 25 на первый выход блока. Если триггер 29 не зафиксировал в коде ни одной единицы, а счетчик 23 сигнализирует о том, что просмотрен весь код (прохождение N тактовых импульсов), то на выходе схемы И 27, являющемся третьим выходом блока определения номера канала с отличающейся фазой, появляется сигнал, означающий совпадение направления тока во всех присоединениях. Этот сигнал передается на индикаторный блок 15.

Блок выбора максимума 8 (фиг.3) состоит из схем 30 выбора максимального числа из двух двоичных чисел X1 и Х2. Пример возможной реализации схемы выбора максимума из двух двоичных чисел приведен на фиг.4. Она содержит цифровой компаратор 31, на входы которого поступают два двоичных числа и синхросигнал с выхода d блока управления. В зависимости от соотношения X1 и Х2 формируется логическая единица на одном из выходов компаратора. Трем состояниям X1 больше Х2, X1 равно Х2, Х2 больше X1 соответствуют активные выходы на одном из трех выходов цифрового компаратора, два первых выхода которых поступают на схему ИЛИ 32. С выхода схемы ИЛИ 32 сигнал (соответствующий состоянию X1 больше Х2) поступает на второй вход первой ключевой схемы 33, с выхода которой цифровой код числа X1, поступающий со второго входа схемы выбора максимума на первый вход ключевой схемы, поступает на первый вход схемы объединения 34. Схема объединения объединяет выходы первой 33 и второй 35 ключевых схем и представляет собой группу двухвходовых схем ИЛИ, число которых равно числу разрядов объединяемых кодов. В отдельных случаях объединение выходов первой и второй ключевых схем может быть выполнено монтажным способом. Цифровой сигнал с третьего выхода компаратора 31 при условии Х2 больше X1 поступает на первый вход второй ключевой схемы 35, на второй вход которой поступает код числа Х2. Если число Х2 больше X1, то срабатывает вторая ключевая схема 35 и код числа Х2 через схему объединения 34 поступает для сравнения в следующую ступень сравнения на аналогичную схему выбора максимума 30. Таким образом, на фиг.4 и приведен один из вариантов реализации схемы выбора максимума из двух чисел на элементах цифровой вычислительной техники.

Ключевая схема 14 состоит из демультиплексоров 36 (фазового измерителя) и 37 (амплитудного измерителя), а также N трехвходовых схем И 38 (фиг.6). Код присоединения с замыканием с выхода блоков выбора максимума 8 и определения номера канала с отличающейся фазой 13 попадает на демультиплексоры соответственно 36 и 37. Синхросигнал с выхода d блока управления синхронизирует работу демультиплексоров 36 и 37. Если порог в пороговом элементе 17 превышен и код присоединения с обнаруженным замыканием по выходу амплитудного и фазового измерителей совпадает с номером сработавшей цепи блокировки, то схема И 38 выдает единицу по соответствующему каналу на выход блока, соединенного с соответствующей цепью блока индикации 15.

Блок управления 18 (фиг.7) содержит последовательно соединенные тактовый генератор 39 и первый формирователь 40. Выход тактового генератора 39 соединен со входом первого делителя частоты 41, выход которого соединен со входами счетчика адреса 42, выход которого является выходом b блока, ПЗУ 43, второго формирователя 44, выход которого является выходом с блока, второго делителя частоты 45. Выход второго делителя частоты 45 соединен с входом третьего формирователя 46, выход которого является выходом d блока. Синхроимпульсы с формирователя 40 поступают на АЦП 4, на АР-фильтр 5 и полосовой фильтр 9, усредняющий сумматор 6. Сигнал с первого делителя частоты 41 поступает на счетчик адреса 42, с выхода которого - на мультиплексор 3 и на ПЗУ 43, хранящее коэффициенты АР-фильтра 5 для каждого присоединения. Второй формирователь 44 формируют синхроимпульсы для фазочувствительного блока 10, мультиплексора 3, АР-фильтра 5, двух блоков оперативной памяти 7 и 12. С выхода второго делителя частоты 45 через третий формирователь 46 синхросигнал поступает на блок определения номера канала с отличающейся фазой 13, блок выбора максимума 8, ключевую схему 14.

Фазочувствительный блок 10 устроен следующим образом (фиг.8). В цифровом фазовом детекторе 47 (реализуемом известной схемой DDC фирмы Analog Device) [6, 7] происходит сравнение фазы двух цифровых сигналов, поступающих на его первый и второй входы с выходов соответственно полосового фильтра 9 и умножителя частоты 11. Сигнал с выхода цифрового фазового детектора 47, соответствующий фазовому сдвигу сигналов на его первом и втором входах, поступает на весовой сумматор 48, где происходит его накопление за время, соответствующее времени анализа данного присоединения. С выхода весового сумматора 48 сигнал поступает на пороговое устройство 49. В зависимости от значения входного сигнала на выходе порогового устройства устанавливается логическая единица (если U_ВХ больше порога П1 либо U_ВХ меньше порога П2) или логический ноль (если U_ВХ между П1 и П2), причем П1 больше 0, больше П2. Таким образом, сигнал на выходе фазочувствительного блока говорит о совпадении или несовпадении фаз сигналов на его входе. Сигнал с блока управления 18 поступает на третий вход цифрового фазового детектора 47 и на второй вход весового сумматора 48, синхронизируя их работу.

Предлагаемое устройство состоит из известных блоков, следовательно, является возможной его практическая реализация.

Технический результат: предложено устройство, в которое введен дополнительно фазовый измеритель, связанный с амплитудным измерителем, что при их совместном действии существенно увеличивает вероятность правильного определения присоединения с однофазным замыканием. Пусть Р1 - вероятность правильного обнаружения замыкания амплитудным измерителем, P1 - фазовым. Тогда вероятность обнаружения совместно двумя измерителями в соответствии с теорией вероятностей можно вычислить по формуле P_Σ = 1-(1-P1)•(1-P2). В диапазоне изменения Р2 от 0,3 до 0,7, при характерных значениях Р1 вероятность P_Σ оказывается на 5-15% больше по сравнению с прототипом (фиг.10). Выигрыш может незначительно изменяться на конкретной подстанции в зависимости от ее характеристик.

Источники информации
1. Кузнецов А.П. Определение мест повреждения на воздушных линиях электропередачи. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 94 с.

2. Шабад М.А. Защита трансформаторов 10 кВ. - М.: Энергоатомиздат, 1980. - 144 с.

3. Патент РФ 2079145, МКИ⁵ G 01 R 31/02, 31/08 на изобретение по заявке 94027957. Приор. от 25.07.1994. Селективное устройство для определения однофазных замыканий в кабельных линиях. / Кошелев В.И., Федоров В.А., Шестаков Н.Д., Сергеев В.Д. - Зарегистр. 10.05.1997.

4. Васильев А. А. и др. Электрическая часть станций и подстанций. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 576 с.

5. Марпл-мл. С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения: Пер. с англ.- М.: Мир, 1990. - 584 с.

6. Шлеев С. Е. Элементарная база и архитектура цифровых радиоприемных устройств. // Цифровая обработка сигналов. - 1999. - N 1. - С. 36-47.

7. Бехар В., Кабакчиев X. Алгоритм цифровой демодуляции ЛЧМ-сигналов. // Цифровая обработка сигналов. - 2001. - N 2. - С.25-31.

Claims (2)

1. Селективное устройство для определения однофазных замыканий в кабельных линиях, содержащее N измерительных каналов, входы которых являются входами устройства с первого по N-й, каждый канал состоит из последовательно соединенных трансформатора тока нулевой последовательности и согласующего каскада, подключенного к соответствующему входу мультиплексора, реле тока, подключенного к входу согласующего каскада, порогового элемента, включенного последовательно с реле тока и соединенного с входом ключевой схемы, соответствующим номеру измерительного канала, содержащее также аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), блок управления, последовательно соединенные ключевую схему и индикаторный блок, отличающееся тем, что выход мультиплексора соединен с входом АЦП, первый выход АЦП соединен с входом амплитудного измерителя, состоящего из последовательно соединенных авторегрессионного фильтра, усредняющего сумматора, блока оперативной памяти и блока выбора максимума, второй выход АЦП соединен с входом фазового измерителя, состоящего из последовательно соединенных полосового фильтра, фазочувствительного блока, второй вход которого соединен с выходом умножителя частоты, причем вход умножителя частоты является (N+1)-м входом устройства, блока оперативной памяти и блока определения номера канала с отличающейся фазой, первый выход блока определения номера канала с отличающейся фазой, являющийся выходом фазового измерителя, и выход блока выбора максимума, являющийся выходом амплитудного измерителя, соединены соответственно с N+1 и N+2 входами ключевой схемы, входы с первого по N-й индикаторного блока соединены с соответствующими выходами ключевой схемы, N+1 и N+2 входы индикаторного блока соединены со вторым и третьим выходами блока определения канала с отличающейся фазой, выход а блока управления соединен со вторыми входами АЦП, авторегрессионного фильтра, полосового фильтра и усредняющего сумматора, выход b блока управления соединен с N+1 входом мультиплексора, выход с блока управления соединен со вторыми входами фазочувствительного блока и блоков оперативной памяти, N+2 входом мультиплексора, четвертым входом авторегрессионного фильтра, выход d блока управления соединен со вторыми входами блока определения номера канала с отличающейся фазой и блока выбора максимума, с N+3 входом ключевой схемы, выход е блока управления соединен с третьим входом авторегрессионного фильтра.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок определения номера канала с отличающейся фазой выполнен в виде последовательно соединенных регистра сдвига с прямым и инверсным выходами, первый вход которого является первым входом блока, первой ключевой схемы, двух последовательно соединенных счетчиков до двух, причем выход последнего является вторым выходом блока определения номера канала с отличающейся фазой, выход первого счетчика до двух соединен с третьим входом первой ключевой схемы и вторым входом счетчика до N, последовательно соединенным со второй ключевой схемой, регистром, третьей ключевой схемой, выход которой является первым выходом блока, второй выход счетчика до N соединен со вторым входом третьей ключевой схемы и не инверсным входом схемы И, выход которой является третьим выходом блока определения номера канала с отличающейся фазой, выход генератора тактовых импульсов соединен со вторым входом регистра сдвига и с первым входом счетчика до N, вход генератора тактовых импульсов является вторым входом блока, выход первой ключевой схемы соединен помимо счетчика со вторым входом второй ключевой схемы и входом триггера, выход которого соединен с третьим входом третьей ключевой схемы и с инверсным входом схемы И.

Images