SI21717A - Detekcijsko vezje zaščitnega tokokroga za odkrivanje in izklop prekinjenih električnih vodnikov v elektroenergetskem omrežju poljubne napetosti - Google Patents

Abstract

Detekcijsko vezje zaščitnega tokokroga za odkrivanje in izklop prekinjenih električnih vodnikov v elektroenergetskem omrežju poljubne napetosti rešuje problem hitrega, zanesljivega in selektivnega odkrivanja lokacij prekinjenih vodnikov (3) znotraj poljubnih konfiguracij elektroenergetskih vodov (2) in to z ustrezno razporeditvijo detektorjev (D1, D2, D3...Dn), ter s pomočjo merjenja medfazne in/ali inverzne in/ali sofazne komponente sistema napetosti. Na tej osnovi izum omogoča pravočasen izklop prekinjenih električnih linijskih vodnikov (3) iz elektroenergetskih vodov (2), oziroma iz tovrstnih omrežij. Izum je uporaben pri vseh vrstah linijskih vodnikov (3) in za vse vrste električnih napetosti, tako v obstoječih, kot tudi pri gradnji novih elektroenergetskih vodov (2).

Description

Mag. Bezjak Marjan, univ.dipl.ing.el. Aljaževa ulica 12 2000 Maribor Slovenija

DETEKCIJSKO VEZJE ZAŠČITNEGA TOKOKROGA ZA ODKRIVANJE IN IZKLOP PREKINJENIH ELEKTRIČNIH VODNIKOV V ELEKTROENERGETSKEM OMREŽJU POLJUBNE NAPETOSTI

Predmet izuma je detekcijsko vezje zaščitnega tokokroga za odkrivanje in izklop prekinjenih električnih vodnikov v elektroenergetskem omrežju poljubne napetosti, oziroma je natančneje zaščitni tokokrog za avtomatsko izključitev prekinjenega električnega vodnika zaradi prekinitve vodnika, ugotovljene s pomočjo daljinske indikacije stanja v elektroenergetskem omrežju.

Izum je po mednarodni patentni klasifikaciji predvidoma uvrščen v H02H3/00 in dodatno še v H02J13/00.

Tehnični problem, ki ga rešuje izum, je takšna konstrukcija detekcijskega vezja zaščitnega tokokroga, ki bo s pomočjo merjenja medfazne in/ali inverzne in/ali sofazne komponente sistema napetosti omogočala hitro, zanesljivo in selektivno informacijo o natančni lokaciji prekinjenega električnega vodnika in to s pomočjo ustrezne razporeditve detektorjev znotraj poljubne konfiguracije električnega omrežja, pri vseh vrstah vodnikov in napetosti ter na tej osnovi tudi pravočasen izklop prekinjenega električnega voda iz elektroenergetskega omrežja. Hkrati bo celotna konstrukcija detekcijskega vezja zaščitnega tokokroga enostavna in jo bo mogoče vgraditi tako v nova, kot tudi v že obstoječa elektroenergetska omrežja, prednostno v transformatorske postaje, na drogove, v nizkonapetostne omarice ali na drugih segmentih električnega voda.

Najstarejša znana zaščita za zaznavo prekinjenih oziroma pretrganih vodnikov, v elektroenergetskem omrežju nizke, srednje in visoke napetosti, je tako imenovana električna zaščita, ki deluje na osnovi zemljostičnega toka in, ki po določenem programiranem postopku prekine delovanje elektroenergetskega voda. Slabost te rešitve je v tem, da električna zaščita v nekaterih primerih ne zazna prekinitve vodnika ali več vodnikov in to takrat, ko prekinitev vodnika ne povzroči zemljostičnega toka ali pa je ta tok tako majhen, da ga zemljostična zaščita ne zazna. Pogosti vzroki, da ta rešitev ne deluje zanesljivo, so predvsem v tem, da pri prekinitvi vodnika ne pride do stika z zemljo zaradi izolacije na vodniku ali je stik z zemljo slab, na primer na skalnatem terenu, kjer je električna upornost na mestu stika zelo velika in povzroči visokoohmsko napako, ali so dolgi vodi neozemljeni oziroma so vanje vgrajeni različni sistemi ozemljitve, ali je prekinitev voda takšne narave, da zemljostični tok ne steče ali ne steče dovolj velik, da bi aktiviral zemljostično zaščito, kar se pojavi pri prekinitvi voda v zraku ali če se nenapajan del prekinjenega vodnika dolgega elektroenergetskega voda nahaja na tleh. Pomanjkljivost te rešitve je tudi v tem, da lahko traja odkrivanje prekinjenih vodnikov in njihov izklop iz elektroenergetskega omrežja več ur ali celo dni, ves ta čas pa predstavlja prekinjeni vodnik pod napetostjo smrtno nevarnost tako za ljudi, kot za živali.

Po dokumentu SI21482 je znana je rešitev naprave za odkrivanje in izklop prekinjenega polizoliranega vodnika v električnih vodih srednje napetosti. Po tem dokumentu se naprava sestoji iz izklopne enote, ki je nameščena na začetku voda polizoliranih vodnikov in se sestoji iz indikatorske enote, ki je nameščena na koncu teh polizoliranih vodnikov. Pred izklopno enoto in za indikatorsko enoto pa se nahajajo goli vodniki. Pomanjkljivost te znane rešitve je predvsem v tem, da naprava zazna prekinitev v enem od polizoliranih vodnikov na osnovi padca napetosti v njemu pripadajoči fazi na koncu električnega voda, kar pa ne daje zanesljive informacije o prekinjenem vodniku. Rešitev pa je tudi nepraktična, saj je uporabna zgolj v električnih vodih srednje napetosti in za polizolirane vodnike.

Problem, ki je ostal nerešen, je predvsem v zanesljivosti in selektivnosti odkrivanja prekinjenih vodnikov znotraj vseh vrst napetosti v elektroenergetskih omrežjih različnih konfiguracij in je nadalje v izvedbi, ki bo uporabna za vse vrste vodnikov, tako golih, polizoliranih, izoliranih, kablov, kabelskih snopov in podobno.

Po izumu je problem rešen z detekcijskim vezjem zaščitnega tokokroga za odkrivanje in izklop prekinjenih električnih vodnikov v elektroenergetskem omrežju poljubne napetosti, ki meri medfazne napetosti in z ustrezno programiranimi parametri medfazne in/ali inverzne in/ali sofazne komponente sistema napetosti odkriva prekinjene vodnike, s pomočjo ustrezno razporejenih detektorjev znotraj elektroenergetskega voda pa določa tudi natančno lokacijo prekinitve. Izum bo opisan na prednostnem izvedbenem primeru in slikah, ki prikazujejo sl. 1 elektroenergetski vod z detekcijskim vezjem po izumu, v shematskem prikazu sl. 2 funkcionalno shemo detektorja medfazne, inverzne in sofazne komponente napetosti

Detekcijsko vezje zaščitnega tokokroga za odkrivanje in izklop prekinjenih električnih vodnikov v elektroenergetskem omrežju poljubne napetosti po izumu, skupaj oblikujejo elektroenergetski vod 2 s tremi linijskimi vodniki 3, ki se praviloma napajajo iz nadrejene transformatorske postaje 1 ter podrejene transformatorske postaje Ti, T₂, T3 ...T_n, dalje stikala Si, S₂, S3 ...S_n z vklopno-izklopnim mehanizmom na daljinsko upravljanje in detektorji Dj, D₂, D3 ...D_n, ki so zaščitno razporejeni vzdolž celotnega elektroenergetskega voda 2. Iz predhodno opisanega sledi, da nadrejena transformatorska postaja 1 preko elektroenergetskega voda 2 z električno energijo napaja podrejene transformatorske postaje Τι, T₂, T3 ...T_n ter stikala Si, S₂, S3 ...S_n in detektorje Di, D₂, D3 ...D_n, pri čemer napajanje z električno energijo poteka v smeri A.

Pri tem velja, da so detektorji Di, D3 ...D13 praviloma nameščeni pred pripadajočimi stikali Si, S2,.. .S_n tako, da je detektor Di nameščen pred stikalom Si, detektor D3 pred stikalom S2 in tako dalje do detektorja D13, ki se nahaja pred stikalom S_n, gledano v smeri napajanja A. Za kasnejši opis delovanja detekcijskega vezja zaščitnega tokokroga po prijavljenem izumu je v shemi označena točka B, kot namišljeno mesto prekinitve enega, dveh ali vseh linijskih vodnikov v elektroenergetskem vodu 2. Opisano je prikazano na sl. 1. V nekem drugem izvedbenem primeru, ki pa ni prikazan, se lahko v enostavnejših električnih omrežjih namesto detektorjev Di, D3, D5, D₇, D9, Dn, D13, ob stikalih Si, S2, S3.. .S_n, na njihova mesta vgradijo senzorji električnega polja.

Na sl. 2 je prikazan detektor Di, oziroma detektor D2, oziroma detektor D_n, ki so praviloma znotraj istega elektroenergetskega voda enake konstrukcije. V prikazanem prednostnem izvedbenem primeru se sleherni od njih sestoji iz vhodne enote 6, procesne enote 7 z časovnim relejem 8, komunikacijske kartice 9 naprave za samonadzor 10 in iz napajalnega modula 11, kijih med sabo povezuje neoznačena vezava. Detektorji Di,D₂, D3 ...D_n so z linijskimi vodniki 3 v elektroenergetskem vodu 2 spojeni preko merilnih transformatorjev 5. V nekem drugem izvedbenem primeru se lahko namesto merilnih transformatorjev 5 uporabijo neprikazani kapacitivni delilci, prav tako pa se lahko detektorji Di, D2, D3 ...D_n na linijske vodnike 3 vežejo direktno pod pogojem, da je elektroenergetski vod 2 nizkonapetostni.

Prav tako so lahko v nekem drugem izvedbenem primeru detektorji Di,D2,D3 ...D_ntudi enostavnejše izvedbe, z manj sestavnimi enotami, v odvisnosti od namena uporabe.

Kot je predhodno že omenjeno, lahko pride v naravi na elektroenergetskem vodu 2, iz različnih vzrokov, do prekinitve enega, dveh ali vseh treh linijskih vodnikov 3. V našem prednostnem izvedbenem primeru, prikazanem na sl. 1, je simulirana prekinitev enega od linijskih vodnikov 3 in sicer v točki B elektroenergetskega voda 2. Zaradi te prekinitve, sta od točke B dalje pod napetostjo samo še dva linijska vodnika 4.

To prekinitev enega od treh linijskih vodnikov 3 v točki B zaznajo detektorji D10 do D_n, torej vsi, ki se nahajajo za točko B v smeri napajanja A. Detektorji Di₀, D_J2 ... D_n bodo, vsak zase, neposredno ali posredno preko centra daljinskega vodenja, poskusili izklopiti njim najbližje stikalo S_n, S6 in S5, gledano proti smeri napajanja A, oziroma proti točki prekinitve B. V našem izvedbenem primeru to pomeni, da bo detektor D_n poskusil izklopiti stikalo S„, vendar mu ga ne bo uspelo izklopiti, ker je detektor D13 aktiviran. Prav tako bo detektor D12 poskusil izklopiti stikalo Se, a mu ne bo uspelo, ker je detektor Du aktiviran. Nasprotno temu bo detektorju D10 uspelo izklopiti stikalo S5, ki leži pred točko B v smeri napajanja A, ker njemu pripadajoči detektor D9 ni aktiviran. Izklop stikala S5 je lahko direkten ali preko oddaljenega centra za daljinsko vodenje elektroenergetskega voda 2. Hkrati z izklopom stikala S5 merilni transformator 5, znotraj vsakega od detektorjev Dio, Dn .. .do D_n, zazna spremembo napetosti v enem ali v več linijskih vodnikih 3 za točko B, torej v območju linijskih vodnikov 4, znotraj elektroenergetskega voda 2 in to napetost hkrati tudi izmeri. Podatek o spremembi napetosti, oziroma o njeni izmerjeni vrednosti merilni transformator 5 transformira dalje v vhodno enoto 6, iz katere se nato ta informacija o stanju napetosti prenese v procesno enoto 7. V njej se ta informacija analizira in primerja s prednastavljenimi parametri treh medfaznih napetosti Ui, U2 in U3 in/ali z nastavljenimi parametri inverzne komponente sistema napetosti U- in/ali z nastavljenimi parametri sofazne komponente sistema napetosti Uo. Pri tem ima časovni rele 8 znotraj procesne enote 7 to funkcijo, da informacije o spremembah napetosti za točko B, v elektroenergetskem vodu 2, detektorji Dio do D_n ne upoštevajo vse dokler ne preteče čas, kije v ta namen nastavljen z časovnim relejem 8. To pomeni, da bodo detektorji Dio do D_n informacijo o spremembi napetosti za točko B v elektroenergetskem vodu 2 upoštevali šele po preteku tega časa. Nastavitev časa zamika v časovnem releju 8 je poljubna ob pogoju, daje to minimalni čas, v katerem se napetost v elektroenergetskem vodu 2 popolnoma umiri. Če detektorji Di₀ do D_n tudi po umiritvi zaznajo prekinjeno napetost je to znak, da je okvara na elektroenergetskem vodu 2 trajna. Šele v tem primeru časovni rele 8 spusti informacijo o tej trajni okvari v komunikacijsko kartico 9, ki jo nato posreduje v center daljinskega vodenja in jo hkrati posreduje tudi stikalu S5 pred točko B. Daljinski center takoj zatem sproži akcijo za odpravo okvare na elektroenergetskem vodu 2 in, če je le mogoče, med tem omogoči prenapajanje nanj priključenih uporabnikov.

Naprava za samonadzor 10, znotraj detektorjev Di do D_n, ima pri tem nalogo, da izvaja popolno in permanentno kontrolo delovanja vseh njihovih sestavnih elementov in njihovih funkcij in, da o tem občasno obvešča center daljinskega vodenja.

Vloga napajalnega modula v detektorjih Di do D_n je, da se isti napajajo s potrebno električno energijo. Nastopajo lahko v obliki akumulatorjev, baterij, sponk, usmernikov in podobno.

Na detekcijskem vezju zaščitnega tokokroga za odkrivanje in izklop prekinjenih električnih vodnikov v elektroenergetskem omrežju poljubne napetosti po prijavljenem izumu, so izvedene laboratorijske raziskave in kasneje še empirične meritve na terenu. Meritve so bile opravljene na podrejenih transformatorskih postajah Tj, Τβ do T_n z nekoliko nesimetričnim jedrom s podatki: S=5 kVA, 380 V/2x 110 V. Rezultati teh meritev so prikazani v spodnjih tabelah in predstavljajo efektivne vrednosti. Legenda pri tem uporabljenih oznak je naslednja: Uab- primarna medfazna napetost; UfAprimama fazna napetost; U_ab- sekundama medfazna napetost; Uf_a- sekundama fazna napetost; tok-jakost linijskega toka.

Tabela I

Vezalna skupina Dyn5 Napajanje A-C

Prosti tek: Un= 231 V

Primar:

Napetosti Tok

Uab	54,0 V	UfA	133,5 V	0,1682 A
Ubc	179,0 V	uffl	95,2 V	0 A
Uca	230,0 V	Uk:	132,5 V	0,1682 A

Sekundar:

Napetosti Tok

Uab	42,5 V	Ufa	18,6 V	0 A
Ubc	143,0 V	Ufb	62,8 V	0A
Uca	98,0 V	Ufe	80,0 V	0 A
		Obremenitev: Un= 231 V
Primar:
		Napetosti		Tok
Uab	113,1 V	UfA	131,8 V	3,18 A
Ubc	115,7 V	Uffl	66,3 V	0A
Uca	228,8 V	Ufe	134,1 V	3,18A

Sekundar:

		Napetosti		Tok
Uab	0 V	Ufa	39,0 V	2,96 A
Ubc	118,0 V	Ufb	39,0 V	3,01 A
Uca	118,0 V	Ufe	79,2 V	6,01 A

Tabela II

Vezalna skupina Yzn5

Napajanje A-C

Prosti tek: Un⁼ 380 V

Primar.

Napetosti Tok

Uab	190,2 V	UfA	218,6 V	0,0993 A
Ubc	192,4 V	Uffl	110,4 V	0A
Uca	381,3 V	Ufe	221,6 V	0,0992 A

Sekundar:

Napetosti Tok

Uab	0 V	Ufa	33,0 V	0A
Ubc	119,0 V	Ufb	33,0 V	0 A
Uca	119,0 V	Ufe	66,3 V	0A
Primar: Napetosti	Obremenitev: Un= 380 V	Tok
Uab	189,6 V	UfA	217,6 V	1,6315 A
Ubc	189,9 V	UfB	109,6 V	0 A
Uca	379,5 V	Uic	220,6 V	1,6315 A

Sekundar:

Napetosti	Tok
Uab	ov	Ufa	32,5 V	3,04 A
Ubc	98,0 V	Ufb	32,5 V	3,06 A
Uca	97,8 V	Ufe	64,0 V	6,12 A

Kot je razvidno iz tabel so raziskave in meritve pokazale, da ne pride do nesimetrije napetosti na koncu elektroenergetskega voda 2 v primeru prekinitve linijskega vodnika 3, če je zvezdišče primarja podrejene transformatorske postaje Ti do T_n ozemljeno, kar se v praksi ne izvaja in, če je podrejena transformatorska postaja Ti do T_n napajana dvostransko, torej če zanka ni ločena, kar je v distributivnih omrežjih samo za kratek čas načrtovanih preklopov na drugo napajalno nadrejeno transformatorsko postajo.

Rezultati vseh meritev so pokazali, da fazne napetosti na primarju podrejenih transformatorskih postaj Ti do T_n, ki jih lahko označimo tudi z Uif, ne dajo vedno zaneljive informacije o prekinitvi enega ali več linijskih vodnikov 3 v elektroenergetskem vodu 2. Dokazali pa so tudi, da dajo zanesljivo informacijo o takšni prekinitvi sekundarne fazne napetosti U₂f, saj je U₂f < 0,5 . U₂fN· Pri tem je U₂fN nazivna sekundama napetost. Medfazne napetosti na primarju in sekundarju so zanesljiva informacija o prekinitvi enega ali več napajalnih linijskih vodnikov 3 v elektroenergetskem vodu 2, saj je U < 0,5 . Un ob že omenjenem pogoju, da zvezdišče primarnega navitja omrežnega oziroma podrejenega transformatorja Ti, T₂ ...T_n ni ozemljeno in, da ni dvostranskega napajanja prekinjenega elektroenergetskega voda 2.

Meritve in analiza nesimetričnega sistema napetosti so pokazale, da so komponente inverznega sistema simetričnih komponent napetosti > 0,5 . UfN in sofazne komponente U > 0,3 . UfN. V primeru prekinitve dveh linijskih vodnikov 3, v točki B elektroenergetskega voda 2, ni pozitivnih niti inverznih komponent sistema napetosti, temveč so samo sofazne komponente Uo v vrednosti fazne napetosti Uo=UfN.

Claims (9)

1. Detekcijsko vezje zaščitnega tokokroga za odkrivanje in izklop prekinjenih električnih vodnikov v elektroenergetskem omrežju poljubne napetosti, značilno po tem, da je v elektroenergetski vod (2), med nadrejeno transformatorsko postajo (1) in med podrejene transformatorske postaje (Τι, T₂, T3 ...T_n), ter v smeri napajanja (A) in v zaporednem nizu vgrajeno poljubno število detektorjev (D_b D₂, D3 ...D_n) s pripadajočimi stikali (Si, S₂, S3 ...S_n) z integriranim daljinskim vklopno-izklopnim mehanizmom na daljinsko upravljanje, pri čemer so detektorji (Di, D₂, D3 ...D_n) znotraj elektroenergetskega voda (2) razporejeni tako, da omogočajo določitev lokacije njegove prekinitve v točki prekinitve (B).

2. Detekcijsko vezje po zahtevku 1, značilno po tem, da detektorji (D_2> D4_; De ... D_n), znotraj elektroenergetskega voda (2), ugotavljajo prekinitev enega ali več linijskih vodnikov (3) in, da detektorji (Dp D3 D5...D13), ob stikalih (Sp S₂, S₃...S_n), omogočijo selektivni izklop elektroenergetskega voda (2) z enim ali več prekinjenimi linijskimi vodniki (3).

3. Detekcijsko vezje po zahtevku 1, značilno po tem, da je detektor (Di) praviloma nameščen pred stikalom (Si), detektor (D3) pred stikalom (S₂) in tako naprej vse do konca elektroenergetskega voda (2), kjer je detektor (D13) nameščen pred stikalom (S_n), gledano v smeri napajanja (A).

4. Detekcijsko vezje po zahtevku 2, značilno po tem, da v nekaterih primerih detektorje (Dp D3, D5.. ,D_n) nadomestimo s senzorji električnega polja, ki pa niso prikazani.

5. Detekcijsko vezje po zahtevku 1, značilno po tem, da se vsak od detektorjev (Di, D₂, D₃ ...D_n) sestoji iz vhodne enote (6), procesne enote (7) z časovnim relejem (8), dalje iz komunikacijske kartice (9), iz naprave za samonadzor (10) in iz napajalnega modula (11).

6. Postopek delovanja detekcijskega vezja zaščitnega tokokroga za odkrivanje in izklop prekinjenih električnih vodnikov v elektroenergetskem omrežju poljubne napetosti, značilen po tem, da prekinitev najmanj enega od treh linijskih vodnikov (3) v točki (B) elektroenergetskega voda (2) zaznajo detektorji od (Dio) do (D_n), ki so nameščeni za točko (B) v smeri napajanja (A), pri čemer bo detektor (Dio), ki leži takoj za točko prekinitve (B), izklopil stikalo (S5), ki leži pred točko (B) v smeri napajanja (A), ker njemu pripadajoči detektor (D9) ni aktiviran; da je izklop stikala (S5) lahko izveden direktno ali preko oddaljenega centra vodenja.

7. Postopek po zahtevku 6, značilen po tem, da pred izklopom stikala (S5) detektorji od (Dio) do (D„), nameščeni za točko prekinitve (B), zaznajo prekinitev v enem ali več linijskih vodnikih (4), vendar detektor D_n ne more izklopiti stikala S_n, kot tudi ne detektor D12 stikala S6, ker so stikalom S6 in S_n pripadajoči detektorji Dn in D]₃ aktivirani.

8. Postopek po zahtevku 7, značilen po tem, da podatek o spremembi vhodna enota (6) sprejme in nato posreduje dalje v procesno enoto (7), v kateri se ta informacija analizira in primerja z predhodno nastavljenimi parametri treh medfaznih napetosti (Ui, U2, U₃) in/ali z nastavljenimi parametri inverzne komponente sistema napetosti (U-) in/ali z nastavljenimi parametri sofazne komponente sistema napetosti (Uo).

9. Postopek po zahtevku 8, značilen po tem, da ima časovni rele (8) procesne enote (7) funkcijo, da informacije o spremembah napetosti za točko (B) detektorji od (Dio) do (D_n) ne upoštevajo, vse dokler ne preteče v časovnem releju (8) nastavljen časovni interval, tako imenovani čas zamika; čas zamika je lahko poljubno dolg ob pogoju, da je minimalni čas zamika tisti, v katerem se napetost v elektroenergetskem vodu (2) popolnoma umiri; da časovni rele (8) posreduje informacijo o trajnim okvari oziroma prekinitvi v komunikacijsko kartico (9) le, če detektorji (D|₀, Dn ...D_n) tudi po umiritvi napetosti v elektroenergetskem vodu (2) zaznajo spremembo napetosti, pri čemer komunikacijska kartica (9) to informacijo posreduje stikalu (S5) pred točko prekinitve (B) in na zato določeno mesto, ko je center daljinskega vodenja, dežurni elektrikar in podobno.