НАПРАВЛЕННОЕ ДЕТЕКТИРОВАНИЕ ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ
DIRECTED DETECTION OF GROUND SHORT-CIRCUIT

Область техники
Изобретение относится к направленному детектированию замыкания на землю без измерения напряжения линии. В частности, изобретение относится к способу для детектирования замыкания на землю в энергосистеме, дополнительно позволяющему определять находится ли место замыкания на землю до или после точки детектирования. Способ согласно изобретению базируется только на сигналах, представляющих токи каждой фазы энергосистемы, обработка которых дает в результате параметры, предоставляющие возможность направленного детектирования.
Согласно другому признаку изобретение относится к устройству детектирования, обеспечивающему реализацию вышеупомянутого способа. В частности, устройство направленного детектирования замыкания на землю содержит средство для вычисления параметров из сигналов тока каждой фазы, интерпретации параметров, предоставления относительного местоположения замыкания без использования значений, представляющих напряжение между фазами, или значений, представляющих напряжения "фаза-нейтраль".
И, наконец, изобретение относится к устройству индикации короткого замыкания и реле расцепления, содержащему датчики тока, связанные с каждой фазой энергосистемы, и подающему в вышеупомянутое устройство детектирования сигналы, допускающие индикацию, например, посредством светового индикатора, или расцепляющие распределительное устройство энергосистемы.
Предшествующий уровень техники
1
Устройства обнаружения замыкания на землю используются, в частности, в высоковольтных трехфазных электрических распределительных энергосистемах. На фиг.1 показана электрическая распределительная энергосистема 1, которая содержит трехфазный трансформатор 2, вторичная обмотка которого соединена с магистральной распределительной линией 3. Вторичная обмотка дополнительно содержит общий нейтральный провод 4, обычно заземленный через полное сопротивление. Магистральная линия 3 подает питание в распределительные линии 5, 5', 5", некоторые из которых могут содержать входной прерыватель цепи или другое распределительное устройство 6, защищающее линию. Распределительные линии 5' или сегменты линии 5 могут содержать устройство 7 детектирования замыкания на землю. Устройство 7 может выступать в качестве индикатора замыкания, например, путем подсветки индикаторной лампы 8. Устройство 7 дополнительно может быть связано с или интегрировано в реле 9 защиты, предоставляющее возможность управления размыканием контактов прерывателя 6 цепи.
0
0
0
d
0
В идеальном случае энергосистема 1 сбалансирована, т.е. ток Iнулевой последовательности, протекающий в ней, является нулевым. Под током нулевой последовательности подразумевается, при возможном коэффициенте три, векторная сумма различных фазных токов или ток, соответствующий мгновенному результирующему вектору фазных токов, иногда называемому остаточным током, который может соответствовать току замыкания на землю или току утечки на землю. Если одна из фаз случайно заземляется, этот баланс пропадает после короткого замыкания 10. Детектирование короткого замыкания в таком случае может состоять, как проиллюстрировано на фиг.2A, в измерении тока I нулевой последовательности, например, посредством тороидального сердечника 11, окружающего линию 5, и сравнении сигнала, представляющего ток I, с пороговым значением S, при этом превышение порогового значения понимается как детектирование D короткого замыкания 10. Альтернативно ток I замыкания на землю может быть получен посредством суммирования сигналов тока каждой фазы, и в таком случае датчик 12 тока расположен на каждом проводе линии 5 (см. фиг.2B и 2C).
A
B
C
0
0
Тем не менее и в частности, если распределительные линии 5 являются подземными кабелями, высокие значения емкости могут возникать между линейными проводниками 5, 5, 5и землей. Таким образом, в случае наличия замыкания 10 на землю в линии 5 емкости 13 являются источником больших токов I нулевой последовательности, протекающих в других распределительных линиях 5', 5" (которые не имеют замыкания на землю) или после короткого замыкания 10. Эти (относительно) сильные токи I короткого замыкания могут приводить к ошибочному детектированию посредством устройств 7 детектирования, присутствующих в неповрежденных соседних линиях 5'.
i
i+1
0
A
B
C
A
B
C
0
0
Поэтому важно проводить различие между коротким замыканием 10, возникающим после устройства 7 детектирования, и коротким замыканием 10, возникающим до устройства 7, что фактически позволяет детектировать неисправность соседней распределительной линии посредством емкостного соединения. Это дифференцирование не может выполняться посредством устройства, представленного схематично на фиг.2A, особенно в случае энергосистемы 1 с компенсированной нейтралью (т.е. нейтраль 4 заземлена посредством компенсирующей катушки), которая генерирует остаточный ток I с недостаточным значением, в частности, в случае подземных кабелей 5. Для таких направленных детектирований короткого замыкания устройства 7 детектирования, как проиллюстрировано на фиг.2B, основаны на измерении тока, а также напряжения линии 5. Система детектирования, таким образом, содержит датчики 12A, 12B, 12C тока, подающие сигналы, представляющие токи I, I, I, протекающие в каждой из фаз линии 5, и средства 14A, 14B, 14C для измерения напряжения, в частности, в форме трансформаторов напряжения, которые подают сигналы, представляющие напряжения V, V, Vкаждого фазного провода. Устройство 7 детектирования содержит средство 15 обработки данных от упомянутых датчиков 12, средств 14, и модуль 16 обработки, который на основе сигналов, представляющих ток I нулевой последовательности и напряжение V нулевой последовательности, полученных таким образом, предоставляет возможность обнаружения как наличия D, так и относительного местоположения L короткого замыкания 10.
Тем не менее, средства 14 для измерения напряжения являются как громоздкими, так и дорогостоящими. Помимо этого, они не обязательно всегда подходят для монтажа в уже существующих линиях 5. Для экономически жизнеспособной реализации предпочтительно, чтобы устройства 7 детектирования короткого замыкания не содержали средство для измерения 14 или обработки напряжения энергосистемы 1.
0
i
Таким образом, как показано на фиг.2C, созданы устройства 17 детектирования замыкания на землю, в которых напряжение не используется. Например, в документе EP 1475874 раскрыто устройство направленного детектирования замыкания на землю, для которого, помимо сигнала, представляющего остаточный ток I, модуль 18 обработки использует сигнал, представляющий обратный ток I, при этом каждый из сигналов сравнивается с пороговым значением, чтобы указывать замыкание на землю после датчиков 12 тока. Детектирование вышерасположенного короткого замыкания, тем не менее, требует второго блока обработки, и необходимость иметь сложные компоненты дополнительно нагружает устройство 17 детектирования.
0
A
B
C
Другой подход реализован в документе EP 1890165, в котором модуль 19 обработки сравнивает форму тока I нулевой последовательности с фазными токами I, I, I, чтобы определять расположено ли место детектирования замыкания на землю после устройства 17 детектирования или нет. Это сравнение, тем не менее, основано на нейронной сети 19, комплексной системе, база знаний которой в значительной степени обуславливает диагностику детектирования D и диагностику направления L (база знаний, которая не соответствует конечной энергосистеме 1, может приводить к ошибочным результатам детектирования). Кроме того, база знаний требует фиксированных коэффициентов (весовых коэффициентов нейронной сети и коэффициентов смещения), которые соответствуют конкретному рабочему режиму, такому как нейтраль энергосистемы и уровень расцепления детектора. Любая модификация настроек или рабочих параметров устройства 17 детектирования затем может требовать новой обучающей операции, которую сложно выполнять, в частности, посредством команд, отвечающих за монтаж или техническое обслуживание такого оборудования.
Следовательно, очевидно, что существующие устройства 7, 17 направленного детектирования замыкания на землю не оптимизированы для повсеместной реализации из-за своей сложности, обусловлена ли она числом требуемых датчиков 12, 14, или системой 18, 19 обработки сигналов.
Краткое изложение существа изобретения
Задачей настоящего изобретения является устранение недостатков существующих устройств и способов направленного детектирования замыкания на землю. В частности, реализованный принцип направленности основан на анализе амплитуд или других нормированных значений фазного тока без использования напряжений энергосистемы и без какой-либо высокочастотной дискретизации сигналов, представляющих токи (в типичном варианте, достаточно частоты дискретизации меньше 1 кГц, например, около 500 Гц), что предоставляет возможность реализации оборудования, не имеющего запоминающего устройства большой емкости на программном и/или аппаратном уровне. Альтернативно, также без использования различных напряжений энергосистемы реализованный принцип направленности может быть основан на анализе коэффициентов корреляции между сигналом, представляющим ток нулевой последовательности, и сигналами, представляющими фазные токи.
Поставленная задача согласно изобретению решена путем создания способа направленного детектирования замыкания на землю в многофазной, предпочтительно трехфазной, энергосистеме, содержащего первый этап, на котором обнаруживают короткое замыкание посредством сравнения сигнала, представляющего ток нулевой последовательности, протекающий в отслеживаемом сегменте линии, с пороговым значением детектирования. Сигнал, представляющий ток нулевой последовательности, может быть получен непосредственно или посредством вычисления из сигналов, представляющих токи каждого фазного провода сегмента.
Если на первом этапе детектируют наличие замыкания на землю в сегменте, запускается второй этап способа согласно изобретению. Второй этап основан на обработке сигналов, представляющих векторную норму токов каждой фазы сегмента, причем эти сигналы получают за достаточный предварительно установленный период, например, за целое число полупериодов энергосистемы. Любая норма тока переменного напряжения подходит для относительного местоположения согласно изобретению, но, предпочтительно используется среднеквадратическое значение тока или амплитуда тока. Согласно изобретению сигналы, представляющие норму фазных токов, могут подаваться непосредственно, например, из датчика среднеквадратичного значения или амплитуды. Альтернативно, эти сигналы могут быть определены из сигналов, представляющих фазные токи, которые затем обрабатываются посредством любого подходящего средства, чтобы извлекать из них выбранную норму.
Преимущественно сигналы, представляющие фазные токи, фильтруют, в частности, пропорциональным образом, и/или дискретизируют. Согласно изобретению может использоваться относительно низкая частота дискретизации, в частности, меньше 1 кГц, например, около 500 Гц.
После обнаружения сигналов, представляющих норму фазных токов, второй этап способа продолжают обработкой сигналов, чтобы интерпретировать место расположения короткого замыкания, детектированного на первом этапе, до или после точки измерения фазного тока. Согласно изобретению обработка сигналов содержит вычисление среднего значения сигналов, представляющих норму фазного тока, и сравнение среднего значения с каждым из сигналов. Если одна норма фазного тока после того, как произошло короткое замыкание, превышает среднее значение вычисленных норм для этих трех фаз, то короткое замыкание находится после точки детектирования.
В частности, согласно конкретному варианту осуществления изобретения, на этапе интерпретации осуществляют последовательное сравнение между средним значением и каждым из сигналов и суммирование выходных сигналов сравнения, которое сравнивается с 1. Если сумма индикаторов сравнения, принимающих значение 1 в случае более низкого положения, равна единице, то короткое замыкание расположено после точки, где получены сигналы.
Альтернативно, на втором этапе обрабатывают сигналы, представляющие токи каждой фазы сегмента и ток короткого замыкания этого же сегмента, причем эти сигналы получаются за достаточное заданное время, например, за целое число полупериодов энергосистемы. Преимущественно сигналы, представляющие фазные токи, фильтруют, в частности, пропорциональным образом, и/или дискретизируют, предпочтительно, на частоте, обеспечивающей возможность получения, по меньшей мере, около двадцати точек за период заданного времени, например, около 1 кГц для энергосистемы в 50 Гц и полупериода. Сигнал, представляющий ток нулевой последовательности, также может быть получен здесь либо непосредственно, либо посредством вычисления из сигналов, представляющих токи каждого фазного провода упомянутого сегмента, до или после фильтрации и/или дискретизации.
После обнаружения сигналов, представляющих различные токи, на втором этапе способа продолжают обработку сигналов, чтобы интерпретировать расположение короткого замыкания, детектированного на первом этапе, до или после точки измерения фазного тока. Согласно изобретению обработка сигналов содержит вычисление нормированных коэффициентов линейной корреляции между сигналом, представляющим ток нулевой последовательности сегмента, и каждым из сигналов, представляющих фазные токи. Предпочтительно используют формулу Браве-Пирсона и/или коэффициенты без знака. Затем анализируют дисперсию упомянутых коэффициентов, в частности, посредством вычисления их среднего значения и их среднеквадратического отклонения.
Если дисперсия коэффициентов линейной корреляции без знака является высокой, например, при среднеквадратическом отклонении более 0,3 и среднем значении более 0,5, то принимают, что короткое замыкание располагается после устройства обнаружения. С другой стороны, для меньшей дисперсии, в частности, для среднего значения меньше 0,5 и среднеквадратического отклонения меньше 0,2 короткое замыкание располагается до устройства детектирования.
Дисперсию коэффициентов предпочтительно выполняют посредством представления сравнительного соотношения в виде формулы. В частности, если разность между среднеквадратичным отклонением, умноженным на корень из трех, и разность между средним значением и единицей положительна, то короткое замыкание располагается после точки детектирования. Может использоваться и любое другое сравнение на основе неравенства . Согласно другому варианту сравнение выполняется графически относительно прямой линии уравнения . В зависимости от того, размещена или нет точка координат среднего значения и среднеквадратичного отклонения в полуплоскости, содержащей начало координат, короткое замыкание расположено до или после.
Оба варианта для второго и следующих этапов способа могут использоваться последовательно или с исключением друг друга в зависимости от возможной дискретизации. В частности, согласно предпочтительному варианту осуществления, выполняется предварительный этап для верификации возможностей дискретизации, и в зависимости от того, больше или меньше частота, например, чем 1 кГц, используется вариант с вычислением коэффициентов корреляции или с определением норм. В другом варианте осуществления первая локализация определяется через нормы, и если значение по умолчанию принимается как расположенное после, локализация подтверждается посредством определения через коэффициенты корреляции.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения упомянутый способ(ы) направленного детектирования связан с активацией распределительного устройства для изоляции сегмента, начинающегося с точки после места, где детектируется короткое замыкание.
Согласно другому аспекту изобретение относится к устройству направленного детектирования замыкания на землю линии в многофазной, предпочтительно трехфазной, энергосистеме, подходящей для вышеупомянутого способа(ов). Устройство направленного детектирования согласно изобретению может быть связано с амплитудой, среднеквадратичным значением или другими датчиками нормы тока каждой из фаз линии или датчиков тока каждой из фаз линии, например, тороидальными сердечниками детектирования, которые подают сигналы, представляющие упомянутые токи, в устройство. Устройство направленного детектирования дополнительно может являться частью индикатора контура короткого замыкания, например, посредством активации средства сигнализации типа индикаторной лампы, если короткое замыкание детектируется после датчиков. В предпочтительном варианте осуществления устройство направленного детектирования согласно изобретению связано с реле защиты, защищающим линию, средством сигнализации, приводящим к активации распределительного устройства линии, тем самым изолируя сегмент, в котором детектируется короткое замыкание.
В частности, устройство для направленного детектирования замыкания на землю согласно изобретению содержит первое средство для приема сигналов, представляющих норму тока каждой фазы линии, которая должна отслеживаться. Первое средство может принимать упомянутый сигнал непосредственно или содержать средство для приема сигналов, представляющих токи каждой фазы, и средство для определения из них соответствующей нормы, например, амплитуды или среднеквадратичного значения, или даже Манхэттанской нормы или бесконечной нормы. Преимущественно первое средство для приема сигналов, представляющих нормы фазных токов, связано со средством для фильтрации упомянутых сигналов, например, аналоговым фильтром. Первое средство предпочтительно содержит средство дискретизации, чтобы получать определенное число дискретных значений, например, при частоте в 500 Гц.
Устройство согласно изобретению содержит первое средство обработки для обработки полученных сигналов, связанных со средством активации для активации первого средства обработки, при этом средство активации запускается посредством детектирования возникновения замыкания на землю. Детектирование возникновения замыкания на землю, активирующее средство активации, предпочтительно выполняется в виде устройства согласно изобретению, которое содержит соответствующее средство, в частности, второе средство для приема сигнала, представляющего ток нулевой последовательности линии, и средство для сравнения сигнала, представляющего ток нулевой последовательности, с пороговым значением обнаружения. Второе средство предпочтительно содержит средство для выведения тока нулевой последовательности сигналов, представляющих фазные токи, или их нормы, в частности, посредством суммирования.
Первое средство для обработки сигналов устройства согласно изобретению содержит средство для вычисления среднего арифметического сигналов, представляющих нормы каждой из фаз. Средство для вычисления предпочтительно связано со средством временной задержки, обеспечивающим обнаружение сигналов в течение периода, соответствующего целому числу полупериодов энергосистемы.
Первое средство для обработки сигналов соединено на выходе с первым средством интерпретации для определения относительного положения замыкания на землю, детектируемого относительно точки, в которой получены сигналы. Первое средство интерпретации содержит модули сравнения между вычисленным средним значением и каждым из сигналов, используемых для вычисления среднего значения. Согласно конкретному варианту выполнения изобретения, средство для интерпретации сравнения среднего арифметического норм фазных токов с рассматриваемыми нормами содержит один модуль сравнения на фазу, сравнивающий среднее арифметическое и норму связанной с ней фазы, сумматор, суммирующий логические выводы предыдущих модулей сравнения, и модуль сравнения, сравнивающий вывод сумматора со значением 1.
Альтернативно или в дополнение устройство для направленного детектирования замыкания на землю согласно изобретению содержит третье средство для приема сигналов, представляющих токи каждой фазы линии, которая должна отслеживаться, и второе средство для приема сигнала, представляющего ток нулевой последовательности линии, которое предпочтительно содержит средство для выведения сигналов, представляющих ток нулевой последовательности, из сигналов, представляющих фазные токи, в частности, посредством суммирования. Преимущественно третье средство для приема сигналов, представляющих фазные токи, связано со средством для фильтрации сигналов, например, аналоговым фильтром. Третье средство предпочтительно содержит средство дискретизации, чтобы получать достаточное число дискретных значений, например, при частоте в 1 кГц.
Устройство согласно этому варианту осуществления изобретения содержит второе средство обработки для обработки полученных типичных сигналов, связанных со средством активации для активации упомянутого средства обработки, связанного с первым средством обработки, при этом средство активации запускается посредством детектирования возникновения замыкания на землю.
Второе средство для обработки сигналов устройства согласно изобретению содержит средство для вычисления нормированных коэффициентов линейной корреляции, которые преимущественно не имеют знака, предпочтительно согласно формуле Браве-Пирсона, между сигналом, представляющим ток нулевой последовательности, и каждым из сигналов, представляющих фазные токи. Вычислительное средство предпочтительно связано со средством временной задержки, предоставляющим возможность обнаружения сигналов в течение периода времени, соответствующего целому числу полупериодов энергосистемы. Вычисленные данные затем передаются в модуль для вычисления среднего арифметического и среднеквадратического отклонения, соединенный на выходе со вторым средством интерпретации, сравнивающим результаты, чтобы определять, возникло ли короткое замыкание до или после точки, где получены сигналы, представляющие фазные токи. Второе средство интерпретации может иметь графический или вычислительный тип.
Устройство согласно изобретению может содержать средство для активации второго средства обработки в зависимости от результата, который получен посредством первого средства интерпретации.
Первое и второе средства обработки, такие как первое и второе средства интерпретации, могут содержать отдельный объект или могут быть сгруппированы в одном модуле, который затем выполняется с возможностью осуществлять оба способа. Кроме того, первое и третье средства, а также второе средство для приема сигналов, представляющих значение тока, могут быть одним и тем же. В этом случае предпочтительно имеется средство для определения варианта дискретизации, причем средство позволяет выбирать частоту дискретизации и соответствующим образом активировать первое или второе средство обработки.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительного варианта воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
фиг.1 уже описана и представляет энергосистему, в которой могут использоваться устройства детектирования замыкания на землю;
фиг.2A, 2B и 2C уже описаны и представляют блок-схемы устройств детектирования замыкания на землю, согласно предшествующему уровню техники;
фиг.3 показывает сигналы, представляющие фазные токи, когда замыкание на землю возникает в фазе, соответственно, до и после устройства детектирования, в схематическом представлении и фильтрованным способом;
фиг.4A и 4B иллюстрируют способ детектирования, согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения;
фиг.5 представляет блок-схему устройства детектирования замыкания на землю, согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения.
Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения
A
B
C
0
Устройство 20 для направленного детектирования замыкания 10 согласно изобретению может использоваться в любой многофазной энергосистеме 1, такой как система, представленная на фиг.1, вместо существующих устройств 7, 17. В предпочтительном проиллюстрированном варианте осуществления и использовании изобретения линия 5, к которой подключено устройство 20, содержит три фазных провода 5, 5, 5, при этом энергосистема сбалансирована, т.е. ток I нулевой последовательности равен нулю при отсутствии короткого замыкания. Тем не менее, можно отступать от этой идеальной ситуации, и энергосистема может содержать другое число фаз.
A
A
A
i+1
0
A
B
C
Когда замыкание 10 на землю возникает в одной из фаз A, ток фазы I (в идеале) становится равным нулю после короткого замыкания 10, но до короткого замыкания 10 его возросшая амплитуда уменьшается. Как проиллюстрировано на фиг.3, датчик 12A тока на поврежденном проводе 5 тем самым подает сигнал, представляющий ток I (пунктирная линия), помечающий явный разрыв на уровне короткого замыкания 10 и различающийся в зависимости от того, находится устройство согласно изобретению до 20 или после 20 датчика 12. Фиг.3 также показывает, что ток точно уменьшается в двух других фазах B и C, но сохраняет почти постоянную форму, хотя его амплитуда немного изменяется. Наконец, фиг.3 иллюстрирует ток I нулевой последовательности, детектируемый в линии 5 либо посредством соответствующего датчика 11 (см. фиг.2A), либо посредством вычисления из этих трех фазных токов I, I, I, полученных посредством датчиков 12.
B
C
A
i+1
1
i+1
Согласно изобретению используется дифференциальное изменение норм тока, таких как, в частности, амплитуда. Фактически, как представлено на фиг.3, амплитуды фазного тока являются почти постоянными. Перед коротким замыканием амплитуда || Ix || каждого из сигналов Ix фазного тока является идентичной. После короткого замыкания амплитуда неуменьшенных сигналов || I ||, || I || фазного тока остается практически постоянной. Амплитуда тока поврежденной фазы || I ||, с другой стороны, существенно возрастает в случае нижерасположенного короткого замыкания 20 и становится практически нулевой для вышерасположенного короткого замыкания 20. Более конкретно, в случае нижерасположенного короткого замыкания 20 среднее значение амплитуд тока после ликвидации короткого замыкания в таком случае ниже среднего значения тока поврежденной фазы и выше соответствующих амплитуд токов других фаз. В случае возникновения короткого замыкания 10 до устройства 20, с другой стороны, среднее значение амплитуд тока после ликвидации короткого замыкания выше среднего значения тока поврежденной фазы A и ниже соответствующих амплитуд токов двух других фаз B, C.
acq
Согласно изобретению среднее значение сигналов, представляющих амплитуды токов каждой фазы, вычисляется указанным образом и затем определяется их положение относительно различных компонентов, чтобы определять положение короткого замыкания 10 относительно датчиков 12, подающих сигналы, представляющие амплитуды предпочтительно фильтрованных токов линии 5. Местоположение также зависит от количества раз, в которое среднее значение превышает сигналы, используемые для того, чтобы вычислять это среднее значение. Если среднее значение амплитуд превышает амплитуды только один раз, то короткое замыкание расположено до. Сигналы предпочтительно анализируются за достаточное количество времени T, в частности, за время обнаружения сигнала, которое превышает один полупериод энергосистемы, например, один период или любое целое число полупериодов.
Хотя способ раскрыт на примере амплитуды тока, способ согласно изобретению также может быть применен с любой нормой, представляющей изменение сигнала, представляющего фазный ток. В частности, амплитуда может быть заменена на среднеквадратическое (rms) значение либо на евклидову норму (т.е. норму 2), либо на норму 1 (также известную под названием нормы по задаче водителя такси или Манхэттанской нормы), либо также на бесконечную норму (или верхнюю норму). Сигнал, представляющий нормированное значение тока каждой фазы, может быть получен посредством обычного датчика 12 тока и затем определен соответствующим средством. Согласно изобретению, тем не менее, можно ограничивать число вычислительных модулей и тем самым использовать датчик мгновенной амплитуды (или среднеквадратического значения) в каждой фазной линии 5.
A
B
C
acq
Af
Bf
Cf
acq
Af*
Bf*
Cf*
Таким образом, в способе согласно изобретению блок-схема которого показана на фиг.4A, как только короткое замыкание детектировано D, например, посредством способа, аналогичного описанному относительно фиг.2A, сигналы, представляющие амплитуды фазного тока || I ||, || I ||, || I ||, обнаруживаются в течение времени обнаружения T. Альтернативно, как также проиллюстрировано на фиг.4, можно непосредственно использовать предпочтительно фильтрованные сигналы, представляющие фазные токи I, I, I, в частности, в случае, когда эти сигналы измерены для других целей, например, чтобы определять ток нулевой последовательности. Сигналы, обнаруженные за время обнаружения T, затем предпочтительно дискретизируются. Фактически, предпочтительно воздействовать на дискретные значения с регулярными временными интервалами. Согласно изобретению, необязательно, чтобы частота дискретизации была высокой, и достаточно от пяти до десяти амплитудных значений за длительность около полупериода или периода энергосистемы 1, так, частота дискретизации около в 500-1000 Гц для трехфазного тока при 50 Гц, например, подходит для способа согласно изобретению. Векторная норма упомянутых фильтрованных дискретизированных сигналов || I ||, || I ||, || I || 1 затем определяется посредством формул, соответствующих выбранной норме.
В варианте осуществления способа выполняют этап верификации возможности повышения частоты дискретизации. Если результат является положительным, и дискретизация может быть выполнена, например, больше чем в 1 кГц, для большей точности и в зависимости от доступного средства обработки, способ может придерживаться P1 альтернативы, раскрытой ниже.
A
B
C
A
После того как три нормы || I ||, || I ||, || I || получены, вычисляется их среднее арифметическое М, а затем сравнивается с каждой из норм, взятых по отдельности. Если одна норма || I || меньше среднего значения М, короткое замыкание 10 считается расположенным до. Последний этап интерпретации предпочтительно выполняют посредством суммирования результатов от модулей сравнения, выходные сигналы которых являются двоичными, т.е. равны 1, если среднее значение больше, и 0, если среднее значение меньше. Сумма результатов сравнивается с 1 и ассоциируется с вышерасположенным коротким замыканием, если есть равенство.
Af
Bf
Cf
Af*
Bf*
Cf*
Способ согласно изобретению может быть использован в реле 9 защиты, в индикаторе короткого замыкания с системой 8 сигнализации, посредством реализации в соответствующем устройстве 20 направленного детектирования замыкания на землю. Устройство 20 согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения представлено схематично на фиг.5. В зависимости от типа датчика 12, с которым оно связано, оно может содержать средство 22 для получения сигналов, представляющих фазные токи, подаваемые посредством датчиков, например, тороидальных сердечников детектирования, преимущественно с фильтрацией посредством надлежащего средства 24, такого как аналоговый фильтр. В предпочтительном варианте осуществления фильтрованные сигналы I, I, I дополнительно приводятся к требуемым параметрам посредством дискретизации, и средство 22 для получения типичных сигналов содержит модуль 26 дискретизации, работающий, в частности, при частоте ниже 1 кГц, тем самым предоставляя фильтрованные дискретизированные сигналы I,I, I в средство 28 для вычисления их нормы, амплитуды, среднеквадратичного значения или других норм, затем обрабатываемых в модуле 30 обработки.
Модуль 26 дискретизации может содержать средство, подходящее для модификации частоты дискретизации и/или для верификации того, что частота дискретизации выше 1 кГц возможна. Альтернативно, второй модуль 26' дискретизации, работающий при более чем 1 кГц, доступен и связан со средством выбора. Средство 26, 26' дискретизации может быть соединено с другим модулем 30' обработки, описанным ниже, когда они работают при более высокой частоте.
0
0
d
0
A
B
C
Af
Bf
Cf
Af*
Bf*
Cf*
Модуль 30 обработки активируется в зависимости от детектирования замыкания 10 на землю. С этой целью модуль 30 обработки соединяется с любым устройством 32 детектирования замыкания. В частности, устройство 32 детектирования замыкания связано со средством 34 для получения сигнала, представляющего ток I нулевой последовательности, и содержит модуль сравнения, сравнивающий ток I нулевой последовательности с пороговым значением S обнаружения. Если пороговое значение превышено, то короткое замыкание D детектируется, и модуль 30 обработки активируется. Средство для получения тока I нулевой последовательности может быть соединено с соответствующим датчиком 11 (фиг.2A), или предпочтительно определять ток посредством обработки сигналов относительно фазных токов I, I, I (не показано), преимущественно фильтрации I, I, I (не показано) и возможно дискретизации (фиг.5) или даже непосредственно из их амплитуды || I ||, || I ||, || I || (не показано).
Средство 28 для вычисления норм предпочтительно является частью модуля 30 обработки, так что активируется только после возникновения D замыкания 10 на землю. Альтернативно, различные элементы 22, 28 для подачи сигналов, представляющих норму токов, из сигналов, представляющих токи, могут быть опущены в зависимости от характера датчиков 12. Сигналы, подаваемые посредством датчиков 12 мгновенного значения, непосредственно подходят для использования в модуле 30 обработки.
Af*
Bf*
Cf*
,
Модуль 30 обработки в таком случае содержит устройство 36 для вычисления среднего арифметического М трех введенных данных || I ||, ||I ||, ||I ||устройство для сравнения 38 с четырьмя входными сигналами, этих трех значений и вычисленным средним значением, соединенное со средством 40 интерпретации, выходной сигнал которого является сигналом L направленного детектирования замыкания на землю после или до датчиков 12 в зависимости от результата интерпретации.
Af*
Bf*
Cf*
acq
Af
Bf
Cf
Средство 36 для вычисления среднего значения М связано со средством временной задержки, чтобы гарантировать, что сигналы, представляющие нормы фазного тока || I ||, ||I ||, ||I ||, обнаруживаются за достаточный период времени T, например, полупериод или период энергосистемы 1 или даже больше. Преимущественно в случае, если эти сигналы определены из сигналов, представляющих фазный ток I, I, I, средство 28 определения также связано с этим средством временной задержки, которое может, например, быть соединено непосредственно с устройством активации.
Средство 38 сравнения сравнивает каждое из значений нормы с их средним значением и преимущественно подает двоичный сигнал в средство 40 интерпретации согласно направлению сравнения. В зависимости от числа нулевых результатов средство интерпретации предоставляет сигнал L относительного местоположения. В предпочтительном варианте осуществления средство 40 интерпретации или средство 38 сравнения содержит средство суммирования двоичных результатов сравнения в этом порядке, между средним значением и каждой нормой, при этом короткое замыкание квалифицируется как расположенное до, если сумма равна 1, и расположенное после для суммы, равной двум.
0
A
0
B
C
0
i+1
0
0
B
C
0
acq
Если дискретизация может быть выполнена при достаточной частоте, для большей точности, согласно изобретению, предпочтительно использовать коэффициенты корреляции между различными кривыми, чтобы определять расположение короткого замыкания 10 до или после датчиков 12, подавая предпочтительно фильтрованные сигналы, представляющие токи линии 5. Можно фактически заметить, что после того, как замыкание на землю возникло, в случае возникновения короткого замыкания 10 после устройства 20 подобие между током I нулевой последовательности и током I поврежденной фазы является большим, в отличие от подобия между током I нулевой последовательности и токами I, I других фаз, которое является средним. Таким образом, нормированные коэффициенты корреляции с током I нулевой последовательности, по абсолютному значению, должны быть близкими к 1 для фазы A и средними, например, близкими к 0,5, для других фаз. С другой стороны, в случае возникновения короткого замыкания 10 выше в линии от устройства 20, после того как короткое замыкание возникло, подобие тока I нулевой последовательности с током IA поврежденной фазы является небольшим, тогда как подобие между током I нулевой последовательности и токами I, Iдругих фаз остается средним. Нормированные коэффициенты корреляции без знака с током I нулевой последовательности, следовательно, должны оставаться средними, например, близкими к 0,5 для фаз B и C и быть близкими к нулю для фазы A. Сигналы здесь снова предпочтительно анализируются за достаточное время T, при конкретном обнаружении сигналов за время более полупериода энергосистемы, например, один период энергосистемы или любое целое число полупериодов.
A
B
C
acq
acq
Нормированный коэффициент линейной корреляции, используемый в способе согласно изобретению, предпочтительно получается посредством формулы Браве-Пирсона и не имеет знака. Датчики 12 фактически подают сигнал переменного тока, протекающего в каждой из фаз 5, 5, 5, который предпочтительно дискретизировать, для получения заданного числа дискретных значений, представляющих ток. Преимущественно число N значений, подаваемых посредством дискретизации, должно соответствовать времени обнаружения T, чтобы оптимизировать воспроизводимость и надежность результатов формулы Браве-Пирсона, т.е. предпочтительно более 20 значений в случае времени обнаружения T, равного полупериоду энергосистемы, например, при частоте дискретизации около 1 килогерц для трехфазной энергосистемы 1 при 50 Гц.
acq
0
Af*
Bf*
Cf*
0
XY
Таким образом, в способе согласно изобретению, представленном схематично на фиг.4, как только короткое замыкание было детектировано D, например, посредством способа, аналогичного описанному относительно фиг.2A, предпочтительно фильтрованные сигналы, представляющие фазные токи, обнаруживаются за время обнаружения T и затем дискретизируются. Параллельно, ток I нулевой последовательности вычисляется для этого же периода времени. Коэффициенты корреляции, в данном случае без знака, между дискретизированными фильтрованными сигналами, представляющими фазные токи I, I, I, и сигналом, представляющим ток I нулевой последовательности, вычисляются посредством формулы Браве-Пирсона согласно уравнению (1), в котором r обозначает индекс линейной корреляции без знака между этими двумя переменными X, Y, соответственно, N точечных значений x, y которых известны
A
B
C
Таким образом, получаются три нормированных коэффициента линейной корреляции без знака r, r, r.
A
Как указано выше, в зависимости от того, возникло ли короткое замыкание 10 до или после, коэффициенты r находятся ближе к 1 или к 0. Согласно изобретению, чтобы оценивать эту близость, используется среднее арифметическое μ и среднеквадратическое отклонение σ распределения коэффициентов корреляции. Фактически, пара среднего значения/среднеквадратического отклонения (μ, σ) с высокими значениями (например, μ>0,5 и σ>0,3) соответствует расположенному после короткому замыканию, тогда как, с другой стороны, пара среднего значения/среднеквадратического отклонения (μ, σ) с низкими значениями (например, μ<0,5 и σ<0,2) соответствует расположенному до короткому замыканию.
1
1+1
Более конкретно, следует отметить, что для короткого замыкания 10 после точки детектирования 20 следующее соотношение (2) верифицируется, тогда как для короткого замыкания 10, расположенного до 20, противоположное истинно, т.е.:
(2)
В предпочтительном способе согласно изобретению, после того, как среднее значение и среднеквадратическое отклонение вычислены, выполняется сравнение согласно соотношению (2) или любому соотношению, которое получено непосредственно из него, и в зависимости от результата интерпретация L направления относительно положения короткого замыкания представляется, или внешне указывается, или передается в реле 9, чтобы расцеплять вышерасположенный прерыватель 6 цепи, или используется любым другим способом.
Для упрощения этого этапа вычисления способа согласно изобретению, можно определять относительное положение короткого замыкания 10 до или после графически посредством размещения точки координат (μ, σ) на графике (x, y), где нанесена линия уравнения (3). Если точка расположена в полуплоскости, содержащей начало координат (0, 0), речь идет о вышерасположенном коротком замыкании
(3)
Af*
Bf*
Cf*
Af*
Bf*
Cf*
0
Чтобы реализовывать этот способ согласно изобретению, может быть изготовлено соответствующее устройство 20 направленного детектирования замыкания на землю. Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, представленному схематично на фиг.5, предыдущее устройство 20 дополнено соответствующим средством. В частности, модуль 26' дискретизации работает преимущественно при более чем 1 кГц, тем самым обеспечивая возможность обработки фильтрованных дискретизированных сигналов I, I, I. Оба модуля 26, 26' дискретизации могут быть объединены и содержать средство для выбора частоты. Сигналы, представляющие фильтрованные дискретизированные фазные токи I, I, I , передаются во второй модуль 30' обработки, который дополнительно содержит четвертый вход для сигнала, представляющего ток I нулевой последовательности. Второй модуль 30' обработки может быть идентичным первому модулю 30 обработки.
Af*
Bf*
Cf*
0
A
B
C
Модуль 30' обработки последовательно содержит устройство 28' для вычисления нормированных коэффициентов r корреляции без знака из четырех входных сигналов I, I, I, I, устройство 36' для вычисления среднего арифметического μ и среднеквадратического отклонения σ трех введенных элементов данных r, r, r, устройство 38' сравнения для сравнения с двумя входными сигналами μ, σ, которое соединено со вторым средством 40' интерпретации, выходным сигналом которого является сигнал L направленного детектирования замыкания на землю до или после датчиков 12 в зависимости от результата интерпретации. Вычислительное устройство 28' для коэффициентов корреляции может быть интегрировано с вычислительным устройством 28 для нормы сигналов или может составлять независимый объект. Устройства 36', 38' обработки и сравнения, соответственно, второе средство 40' интерпретации, относительно коэффициентов корреляции, могут, таким же образом, быть интегрированы или не интегрированы с устройствами 36, 38 обработки и сравнения, соответственно, первое средство 40 интерпретации, относительно норм.
Af*
Bf*
Cf*
acq
Средство 28' для вычисления нормированных коэффициентов корреляции без знака предпочтительно использует формулу Браве-Пирсона (1) и связано со средством временной задержки, чтобы гарантировать то, что сигналы, представляющие фазные токи I, I, I, обнаруживаются за достаточный период времени T, например, полупериод или период энергосистемы 1 или даже более.
Средство 38' сравнения, подающее значение в модуль 40' интерпретации, может использовать различные функции. В частности, средство 38' сравнения может содержать графическое сравнение двух значений, введенных относительно полуплоскости, ограниченной линией уравнения (3). Средство 38' может определять разность между троекратным квадратом среднеквадратического отклонения и квадратом разности между единицей и средним значением, чтобы сравнивать его с нулем. Возможен и любой другой вариант.
Устройство на фиг.5 преимущественно может быть связано с реле 9 защиты для энергосистем или с индикатором контура короткого замыкания для подземных высоковольтных линий 5, соединенных с энергосистемой 1, выводом модуля интерпретации, запускающего разрыв прерывателя 6 цепи, светоизлучающим элементом индикаторной лампы 8 или любым другим средством защиты и/или сигнализации.
Таким образом, согласно изобретению способ и устройство для направления детектирования 20 замыкания 10 на землю линии многофазной энергосистемы 1 осуществлены без измерения напряжения, что как облегчает устройства, так и упрощает их реализацию. Кроме того, дискретизация, используемая для обработки сигналов согласно изобретению, может быть низкой, в частности, на частоте между 500 и 1000 Гц, тем самым представляя возможности экономии с точки зрения памяти и процессора для устройства. Способ, кроме того, может быть адаптирован в зависимости от вариантов для дискретизации.
Даже когда средство 26 дискретизации адаптировано более чем для 1 кГц в качестве частоты, можно использовать оба вычисления для того, чтобы ускорять локализацию. Способ с нормами действительно требует меньших вычислений, и такое быстрое определение относительного местоположения может быть преимущественно для предварительного определения. В некоторых случаях, если первое средство 40 интерпретации не определяет вышерасположенную неисправность, может быть предпочтительным проверять достоверность результата через второе определение P2 посредством коэффициента корреляции, что дольше по времени и требует больше памяти. Соответствующие средства 42 затем активируют средство 26' дискретизации и/или непосредственно второе средство 28' обработки для подтверждения нижерасположенного местоположения.
0
0
0
Хотя изобретение описано в отношении трехфазной электрической распределительной сети, в которой нейтраль заземляется посредством компенсированного полного сопротивления, оно не ограничено этим. Другие типы многофазных энергосистем могут быть охвачены изобретением, в частности, является подходящим любой нейтральный режим. Помимо этого, хотя изобретение описано для определения и обработки мгновенного тока I нулевой последовательности, способ согласно изобретению может использовать изменение упомянутого тока I относительно его значения, определенного за предшествующий период. Этот вариант оказывается особенно интересным в случае энергосистем, имеющих небольшой дисбаланс между фазами, ток I нулевой последовательности которых, как следствие, является ненулевым в ситуациях без короткого замыкания.
Различные схемы, модули и функции, представленные в пределах области предпочтительного варианта осуществления изобретения, фактически могут быть выполнены из компонентов, которые являются аналоговыми, цифровыми или в программируемой форме, работающей с микроконтроллерами или микропроцессорами, и описанные типичные сигналы могут иметь формы электрических или электронных сигналов, могут быть в форме значений данных или информации в запоминающих устройствах или регистрах, оптических сигналов, допускающих отображение, в частности, на дисплеях или индикаторных панелях, или механических сигналов, действующих с помощью активирующих устройств. Аналогичным образом, датчики тока могут отличаться от описанных трансформаторов, такие как датчики на эффекте Холла или на магниторезистивном эффекте.