SE501934C2 - Förfarande och anordning för att identifiera enkla jordfel - Google Patents

Description

20 25 30 35 40 45 2 501 934 För att kunna placera uppfinningen i sitt rätta sammanhang samt även därmed kunna påvisa värdet av uppfinningen skall inledningsvis ges en relativt fyllig beskrivning av teknikens ståndpunkt då det gäller ett distansskydds användning så som fellokalisator och de problem som är förknippade med dagens teknik inom detta område.

Baskriteriet för utlösning av en kraftledning där man använder ett distansskydd baseratpå impedansprincipen utgår från en kontroll av om IZI = |UA /IAI < Zin (1) dvs om talvärdet av impedansen bestämt med hjälp av fasspänning UA och fasström IA är mindre än ett förinställt värde Zin. Denna kontroll kan lämpligen ske med ett vanligt underimpedansrelä med en inställning Zin understigande normal belastningsimpedans.

Då distansskyddet skall användas så som fellokalisator krävs dock en väsentlig utvidgning av baskonceptet för att uppnå önskad noggrannhet och snabbhet i utvärderingen då ett fel på kraftledningen har indikerats.

De flesta fellokalisatorer är baserade på mätning av reaktansen mellan en kortslutning och den ände av kraftledningen där fellokalisatorn är placerad. Noggrannheten vid avståndsbestämningen påverkas dock av felresistansen. Orsaken till detta är att den ström som flyter genom felresistansen är något fasförskjuten relativt fasläget hos den vid kraftledningens ände uppmätta strömmen. Detta innebär att felresistansen uppfattas som en skenbar impedans med en resistiv och en reaktiv komponent. Det är denna reaktiva komponent som ger upphov till onoggrannheten eller felet i avståndsbestämningen eftersom den påverkar den uppmätta reaktansen.

Principerna för fellokalisering och bestämning av felresistans vid ett inträffat fel på en skyddad ledningssträcka är kända från ett flertal publikationer varav några kommer att redovisas nedan. Underlaget består av mätvärden erhållna med hjälp av mättransformatorer för spänning och ström i en mätstation i anslutning till den skyddade ledningen. Dessa mätvärden appliceras på en i distansskyddet inbyggd modell av det aktuella nätet. Dagens teknik omfattar A/D-konvertering och filtrering av mätvärdena som sedan via olika distansskyddsekvationer för modellen bestämmer felavstånd och felresistansens storlek.

En fellokalisator beskrivs i en artikel "An accurate fault locator with compensation for apparent reactance in the fault resistance resulting from remote-end infeed" publicerad i IEEE Transaction on PAS, Vol. PAS- 104, No 2, Feb 1985, pp 424-436. Denna fellokalisator tar, förutom hänsyn till kraftlinjens impedans Zl även hänsyn till kraftlinjens 10 15 20 25 30 35 40 45 3 501 934 källimpedanser för att korrekt kunna beskriva nätet och inverkan av inmatning till felstället av ström till felstället från båda hållen. Enligt denna metod memoreras samplade fasströmmar IR, IS och IT, som nedan anges som IA, uppmätta i en mätstation A vid ledningens ena ände, för att kunna bestämma ändringen i fasströmmarna vid mätstationen som uppstår då ett fel inträffar, dvs strömändringen IFA är lika med aktuell fasström IA efter det att ett fel har inträffat minus fasströmmen före det att felet har inträffat. Det här beskrivna sättet att få ett mått på strömändringen IFA kräver en omfattande minneskapacitet och beräkningsförfarandet är relativt tidskrävande.

På grund av att den ström IF som flyter genom felresistansen har strömbidrag även från en matningsstation vid kraftledningens andra ände kommer IF att vara skild från IFA. Sambandet mellan dessa kan bestämmas med hjälp av nätets distributionsfaktor. De ekvationer som på detta sätt kan ställas upp medger en möjlighet att bestämma både strömmen IF genom felet, felresistans och avstånd till felet. Denna metod för att få fram strömmen IF genom felresistansen är dock inte speciellt lämplig då man ställer stora krav på snabba skyddsfunktioner. Orsaken till detta är bland annat att strömmar både före och efter det att ett fel har inträffat fourierfiltreras för att få fram strömmarnas fundamentalkomponenter och beräkningsförfarandet för att lösa uppställda ekvationer för felavstånd m m är relativt omfattande. Mätning vid två skilda tidpunkter gör det också svårt att få en gemensam fasreferens speciellt vid avvikelse från nominell frekvens.

I svenska patentansökan SE 9201972-8 beskrivs ett förfarande för att på ett mycket snabbt sätt bestämma strömmen IF som baseras på den nollföljdsfria delen av den strömförändring som sker i samband med felet. Förfarandet för evaluering av strömmen IF utgår från summan IFA1,2 av ändringarna i plus- och minusföljdsströmkomponenterna vid en mätstation A. Man gör här ansatsen att IF är lika med en linjärkombination av summan av uppmätta strömsampel för varje fas vid två närliggande tidpunkter tj och tg och där varje av dessa sampelvärden multipliceras med var sin koefficient som väljs på så sätt att strömmen IF blir i fas med plus- och minusföljdsförändringarna. Ekvationen för IF kommer sålunda att få följande form: IF = kRi-Iiu + kRz~IR2 + ksi-Isi + ksz-Isz + kri-Iri +kT2-Irz (2) där IR1, 151 och IT1 är samtidiga strömsampelvärden i R-, S- och T-fasen vid tidpunkten t1 och motsvarande IRQ, Igg och IT2 är samtidiga strömsampelvärden vid tidpunkten tg. Ett belägg för denna ansats samt ett av flera alternativa sätt att ta fram koefficienterna kR1, kgg, k51 och så vidare redovisas i nämda patentskrift. 10 15 20 25 30 35 40 45 501 934 I svenska patentansökan SE 9203071-7 beskrivs en felmodell av ett ledningsnät där man även har tagit hänsyn till nätets nollföljdsimpedans genom att även summaströmmen IN, även kallad jordströmmen, dvs IN = IR +13 + IT = 3-10 (3) där IR , Ig , och IT är respektive fasströmmar och IQ är nollföljds- strömmen, kommer att ingå i de ekvationer som kan ställas upp för att bestämma felparametrarna. Även om man nu i princip med tillgång till nätets parametrar och fas- strömmarna IA samt IN och IF kan bestämma avståndet till ett fel och felresistansen återstår dock ett praktiskt problem, nämligen att snabbt få ett korrekt värde på belastningsströmmen omedelbart före det att ett fel har inträffat. Enligt den redovisade IEEE Transaction on PAS, Vol. PAS- 104, No 2, Feb 1985, pp 424-436 memoreras samplade värden av fasströmmarna kontinuerligt för att kunna betämma strömändringarna vid ett feltillfälle. Detta kräver en omfattande datakapacitet. För att erhålla fasströmmarnas grundton befriad från övertoner och likströms- komponenter sker dessutom också i regel en fourierbehandling för att bestämma amplitud och fas.

Det finns också andra metoder för amplitudbestämning av de uppmätta strömmarna. En sådan metod går ut på att ta reda på toppvärdet med hjälp av två på varandra följande sampelvärden för varje period. En sådan metod omtalas bl a i "High-speed distance Relaying using a digital computer, Part l- System Description", IEEE Trans on Power Apparatus and Systems, Vol-91, No 3, May/Junel972, ppl235-l243 av G.B.

Gilchrest, G. D. Rockefeller och E. A. Udren. De toppvärden som erhålles på detta sätt under normala förhållanden, dvs före det att en eventuell mättning inträffar, är relevanta »mätvärden som motsvarar fourieramplituderna. Då det vid mättning eller andra tillstånd uppträder övertoner, likströmskomponenter m m kommer dock toppvärden bestämda med denna metod att påverkas.

Det är uppenbart så att noggrannheten vid felbestämning ökar om man tar hänsyn både till felströmmen IF och jordströmmen IN enligt ovan. Detta gäller i princip både för enfas- och flerfasfel. Förhållandena vid ett enfasfel är dock mera komplexa på grund av spänningsfallet i jordströmskretsen och en vanligtvis högre felresistans. Behovet av en mera noggrann beräkning är därför större vid ett enfasfel. Genom att snabbt få besked om att ett fel är ett enfasfel kan man därför avgöra om det är nödvändigt med den mera noggranna beräkningsmetoden för att få fram felavstånd m m. Om ett detekterat fel inte är ett enfasfel, dvs det är 10 15 20 25 30 35 40 45 5 501 934 ett flerfasfel, kan man använda en enklare metod baserad på fasströmmarna för bestämning av felavstånd m m.

Med utgångspunkt från detta resonemang samt vad som anförts inledningsvis under teknikens ståndpunkt beträffande enfasfel, framgår det att det är av stort värde att efter det att ett fel har detekterats snabbt kunna avgöra om felet är ett enfas- eller ett flerfasfel. Ett förfarande och en anordning enligt uppfinningen medger en sådan snabb identifiering.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Som det har framgått av den tidigare redovisade problemställningen avser uppfinningen ett förfarande och en anordning för att identifiera enkla jordfel, dvs att då det uppstår ett fel som kan tolkas som ett flerfasfel men i själva verket är ett enfasfel, entydigt ge besked om att det är ett enfasfel.

Uppfinningen går ut på att med hjälp av de uppmätta fasströmmarna 111,53* efter det att ett fel har detekterats, dvs innehållande både aktuell belastnings- och felström, jordfelsströmmarna IFR,FS_F1~ genom felet, företrädesvis beräknade enligt den i SE 9201972-8 redovisade metoden och jordströmmen IN bestämd enligt ekvation (3) ovan för varje fas beräknar en hjälpström enligt IBR,Bs,BT = IR,s,T - fi-IFRfsFT - b-IN (4) där man för IBR utgår från IR, IFR och IN och motsvarande för S- och T- faserna.

Om ett observerat fel i ett kraftnät är ett enfasfel kommer ainplitudvärdet på denna hjälpström att vara praktiskt taget konstant för den felbehäftade fasen men kommer att variera på ett påtagligt sätt för de icke felaktiga faserna. Uppfinningen medger på detta sätt ett enkelt och entydigt förfarande för att konstatera om det är ett enfasfel samtidigt som den felaktiga fasen identifieras.

Genom lämpligt val av koefficienter "a" och "b" utgör hjälpströmmen även ett mått på den aktuella belastningsströmmen i den felaktiga fasen, dvs i allmänhet även motsvarande värdet på belastningsströmmen före det att felet har inträffat i denna fas. Ett lämpligt val innebär att koefficienten "b" bör ligga mellan 0,3 och 0,4 dvs 0,3 < b < 0,4 och att a = 2b 10 15 20 25 30 35 40 6 501 934 För att uppnå den önskade snabbheten i utvärderingen av om det är ett enkelt jordfel, sker efter filtrering av störningar av högt frekvensinnehåll, på känt sätt en amplitudskattning av hjälpströmmen, exempelvis enligt den i IEEE Trans on Power Apparatus and Systems, Vol-91, No 3, May/June1972, pp1235-l243 beskrivna metoden. Om nu två på varandra följande amplitudskattade värden av hjälpströmmen hos en fas skiljer sig från varandra mindre än ett på förhand bestämt lågt värde samtidigt som det är en väsentlig skillnad mellan två på varandra följande amplitudskattade värden för de andra faserna betyder detta att man har identifierat ett enfasigt fel, dvs den fas där ändringen i amplitud är mycket liten.

Eftersom arnplituden på de i hjälpströmmen ingående strömmarna IA, IF och IN kan bestämmas nära tidpunkten för felets inträffande undvikes också eventuella problem i samband med fasdrift.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSFORMER En anordning för att genomföra förfarandet enligt uppfinningen framgår av bifogade figur. Det förutsättes då att man kontinuerligt har tillgång till samtliga fasströmmar IR, IS och IT.

Då ett fel har detekterats kan man med den redovisade ekvationen (2) och med kännedom om de däri ingående konstanterna via de aktuella fasströmmarna beräkna strömmen Ip genom felet hos de olika faserna, dvs IFK IFS och Ipf. Denna beräkning sker i en jordfelsberäknare 1.

Om kraftnätet har en jordad nollpunkt kommer det, då det uppstår ett jordfel, att uppträda en jordström IN enligt ekvation (3). Denna kan då bestämmas genom att fasströmmarna adderas i en jordströmsberäknare 2 vars utgång ger jordströmmen IN.

Bestämning av de olika fasernas hjälpström, dvs IBR, 1133 och IBT enligt ekvation (4) sker sedan i hjälpströmsberäknare 3, 4 och 5.

Hjälpströmsberäknaren 3 för bestämning av hjälpströmmen för fas R, dvs IBR, tillföres fasströmmen IR, jordfelsströmmen för fas R, dvs IFR multiplicerat med koefficienten "a" samt jordströmmen IN multiplicerat med koefficienten På motsvarande sätt tillföres fasström, jordström och ström genom felet för faserna S och T till hjälpströmsberälcnarna 4 och 5.

För att dels kunna eliminera störningar med högt frekvensinnehåll och dels snabbt kunna få ett mått på hjälpströmmarna sker i 10 15 20 25 30 35 40 45 7 501 954 hjälpströmsberäknarna 3, 4 och 5 även en filtrering och arnplitudskattning av de beräknade värdena.

Genom att jämföra två på varandra följande på detta sätt erhållna värden på hjälpströmmarna för varje fas kan man konstatera om det har skett någon förändring AIB i samband med att ett fel har uppstått. .För R-fasen erhålles AIBR med hjälp av en tidsfördröjningsenhet 6 och en summator 7. Motsvarande jämförelse för S- och T-fasen sker med hjälp av en tidsfördröjningsenhet 9 och en summator 10 respektive av en tidsfördröjningsenhet 12 och en summator 13 varvid erhålles ett mått på A133 och AIBT.

De på detta sätt erhållna förändringarna för varje fas jämförs i en jämförare (ll, 14) för varje fas med ett på förhand givet gränsvärde ot.

Om nu AIBR är mindre än gränsvärdet ot, exempelvis 10% av kraftnätets märkström In, erhålles en signal RJ. Detta innebär enligt det som anförts tidigare att då måste samtidigt både A135 och AIBT vara betydligt större än ot vilket resulterar i att både jämföraren för S- och T-fasen indikerar detta genom att avge signalerna SN respektive TN. Generellt gäller sålunda att då AIB - värdena är mindre än ot erhålles RJ, SJ eller TJ medan om AIB - värdena är större än ot erhålles RN, SN och TN.

Med tillgång till dessa signaler finns nu förutsättningar för att identifiera ett enkelt jordfel i någon fas. Ett enkelt jordfel i R-fasen identifieras via ett "och"-element 15 om nu jämförama 8, ll och 14 avger signalerna RJ, SN och TN. På samma sätt identifieras ett enkelt jordfel i S-fasen via ett "och"-element 16 om jämförarna avger signalerna SJ, RN och TN och ett enkelt jordfel i T-fasen via ett "och"-element 17 om jämförarna avger signalema TJ , RN och SN.

Den redovisade utföringsformen enligt den bifogade figuren kan inom ramen för uppfinningen varieras på ett flertal olika sätt, exempelvis med diskreta komponenter i ett hybrid utförande med blandad analog och digital teknik, på ett mer eller mindre integrerat sätt, utformad som programvara eller på annat motsvarande sätt.

Claims (3)

501 934 PATENTKRAV 5

1. Förfarande för att efter det att ett fel har detekterats identifiera enkla jordfel i ett kraftnät med märkström In och där man via. kraftnätets fasströmmar IR,3,T kan bestämma jordfelsströmmarna IFR,1=5,1=T för varje fas samt även motsvarande jordström IN och som k ä n n e t e c k n a s av att en hjälpström IBR_BS,BT för varje fas bestäms 10 genom beräkning enligt IBR,Bs,BT = IR,s,T - fl-IFRfsfr - b-IN (4) där a och b är på förhand givna koefficienter och där bestämningen av 15 hjälpströmmen baseras på amplitudskattning av de beräknade värdena och om två på varandra följande amplitudskattade bestämda värden av hjälpströmmen för någon fas vid ett detekterat fel skiljer sig från varandra mindre än ett på förhand givet gränsvärde ot uppfattas detta som att ett enfasfel har uppstått i kraftnätet i denna fas. 20

2. Förfarande för att efter det att ett fel har detekterats identifiera enkla jordfel i ett kraftnät enligt patentkrav 1 som k ä n n e t e c k n a s av att a=2b och 0,3< b<0,4 25 och att gränsvärdet ot < 0,l-In

3. Anordning för att genomföra förfarandet enligt patentkrav 1 för att efter det att ett fel har detekterats identifiera enkla jordfel där man med 30 tillgång till samtliga fasströmmar 111,53" med hjälp av en jordfelsberäknare (l) bestämmer jordfelsströmmarna Ipjgpgjfr och med hjälp av en jordströmsberäknare (2) bestämmer en jordström IN och där anordningen är k ä n n e t e c k n a d av att den innefattar 35 - hjälpströmsberäknare (3, 4, 5) för bestämning och amplitudskattning av en hjälpström för varje fas enligt IBR,Bs,BT = IR,s,T - 21~IFR,1=s,FT - b-IN (4) 40 där a och b är på förhand givna koefficienter, - enheter för att bestämma skillnaden mellan två på varandra följande bestämda amplitudskattade värden av hjälpströmmen vilka enheter för varje fas består av en tidsfördröjningsenhet (6, 9, 12) och en summator 45 (7, 10, 13) 10 15 20 25 30 35 40 45 9 501 934 - en jämförare (8, ll, 14) för varje fas som jämför den bestämda skillnaden för varje fas med ett på förhand givet gränsvärde ot och om skillnaden är mindre än gränsvärdet avger jämföraren för R-fasen en signal RJ avger jämföraren för S-fasen en signal SJ avger jämföraren för T-fasen en signal TJ och om skillnaden är större än gränsvärdet avger järnföraren för R-fasen en signal RN avger järnföraren för S-fasen en signal SN avger jämföraren för T-fasen en signal TN - och via ett "och"-element (15, 16, 17) för varje fas identifieras ett enkelt jordfel i R-fasen om järnförarna avger signalerna RJ, SN och TN i S-fasen om järnförarna avger signalerna SJ, RN och TN i T-fasen om jämförarna avger signalema TJ, RN och SN