ФИКСАТОР НАПРАВЛЕНИЯ ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ
GROUND FAULT DIRECTIONAL LOCK

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано при определении направления замыкания на землю воздушных высоковольтных линий 6-35 кВ.
В качестве прототипа рассматриваются приборы «ОМЗ-1» и «Гармоника», производящие измерение тока замыкания на землю с частотами 50 Гц и высших гармоник соответственно /1/.
Схема комбинированного прототипа приведена на фиг.1 и состоит из датчика тока ДТ1, связанного с высоковольтной линией Л2 через магнитное поле. При верхнем положении переключателя П3 сигнал с частотой 50 Гц проходит через резонансный фильтр РФ4, настроенный на нее и усилитель переменного тока УП5 и далее на исполнительный элемент ИЭ6. При нижнем положении П3 сигнал с частотой 550 Гц проходит через резонансный фильтр РФ7, настроенный на нее и усилитель переменного тока УП8.
Прототип имеет следующие недостатки: невозможность автоматического определения отпайки (или заданного участка), где произошло замыкание на землю с целью снижения времени поиска повреждения; трудность отстройки от токов нагрузки при измерении тока замыкания на землю с частотой 50 Гц; невозможность проведения измерений в течение переходного процесса замыкания на землю; невозможность проведения измерений при кратковременных замыканиях на землю; трудность определения места замыкания на землю в случае, когда от подстанции отходят две протяженные линии данного напряжения, а также если имеется дополнительно ряд коротких линий.
Целью изобретения является повышение точности и снижение времени поиска при определении места замыкания на землю.
Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве определения места замыкания на землю, содержащее линию передачи, датчик тока, усилитель переменного тока и первый исполнительный элемент, отличающийся тем, что с целью повышения точности и снижения времени поиска места замыкания на землю в него дополнительно введены два идентичные передающие устройства, в состав каждого из которых входит первый, второй и третий резисторы, трансформатор, блок питания, первый, второй и третий ключи, первый и второй элементы НЕ, первый, второй и третий преобразователи переменного напряжения в постоянное, первый и второй сумматоры, дифференцирующее устройство, первый, второй, третий и четвертый элементы И, первый, второй, третий и четвертый ждущие мультивибраторы, первый и второй элементы задержки, выпрямитель, конденсатор, первый, второй и третий пороговые устройства, первый, второй и третий триггеры, элемент ИЛИ, причем три вывода первого, второго и третьего резисторов подключены к трем фазам линии передачи соответственно, а выход первого резистора подключен к входам первого и второго сумматоров; выход второго резистора подключен к входу управления первого ключа и входу выпрямителя и выходу третьего ключа, а выход третьего резистора подключен к входам трансформатора и второго сумматора; выход трансформатора подключен к входу блока питания, а выход первого элемента НЕ подключен к входу первого ключа; выход первого ключа подсоединен к входам первого и второго сумматоров, а их выходы подключены к входам второго и третьего преобразователей переменного напряжения в постоянное; выходы второго и третьего преобразователей переменного напряжения в постоянное подключены к входам первого элемента задержки, второго элемента НЕ и первого элемента И соответственно; датчик тока, первый преобразователь переменного напряжения в постоянное, дифференцирующее устройство и усилитель переменного тока подключены последовательно, выход которого подключен к входу второго ключа; выход первого элемента И подключен к входам сброса первого, второго и третьего триггеров и входу первого ждущего мультивибратора, выход которого подключен к входу управления второго ключа; выход второго ключа подсоединен к входам первого, второго и третьего пороговых устройств, а их выходы подключены к входам первого, второго и третьего триггеров соответственно; выходы первого, второго и третьего триггеров подключены к входам первого, второго и третьего элементов И, выходы которых подключены к входам второго, третьего и четвертого ждущих мультивибраторов соответственно; выход выпрямителя подключен к входу конденсатора, выход которого подключен к входу третьего ключа; выход второго элемента НЕ подключен к входу второго элемента задержки, выход которого подсоединен к входам первого элемента НЕ и второго элемента И; выход второго ждущего мультивибратора подключен к входам третьего элемента И и элемента ИЛИ; выход третьего ждущего мультивибратора подключен к входам четвертого элемента И и элемента ИЛИ; выход четвертого ждущего мультивибратора подключен к входу элемента ИЛИ, выход которого подключен к входу управления третьего ключа; в состав приемника входит первый и второй резисторы, сумматор, преобразователь переменного напряжения в постоянное, элемент НЕ, фильтр низкой частоты, первый и второй элементы задержки, ждущие мультивибраторы, счетчики, второй исполнительный элемент, причем два вывода первого и второго резисторов подключены к двум фазам линии передачи соответственно, а их выходы подключены к входам сумматора. И выход второго ключа дополнительно подсоединен к входу фильтра низкой частоты; сумматор, преобразователь переменного напряжения в постоянное, элемент НЕ подключены последовательно; выход элемента НЕ подключен к входам сброса первого и второго счетчиков и входам первого и второго элементов задержки, выходы которых подсоединены к входам первого и второго ждущих мультивибраторов соответственно; выходы первого и второго ждущих мультивибраторов подключены к входам первого и второго элементов И соответственно, к вторым входам которых подключены выход фильтра низкой частоты; выходы первого и второго элементов И подсоединены к входам первого и второго счетчиков, а их выходы подключены к входам первого и второго исполнительных элементов соответственно.
Предложенный фиксатор направления замыкания на землю состоит из нескольких передающих устройств и приемного устройства, причем первые устанавливаются на ответвлениях, а последний на подстанции. При замыкании одной фазы на землю по факту появления напряжения нулевой последовательности срабатывают все передающие устройства данной линии, сигналы их, распространяясь по фазе линии, принимаются приемным устройством, установленным на подстанции, где сработавшие передающие устройства отличают по времени появления сигнала в виде импульсов постоянного напряжения от момента замыкания на землю, здесь используется принцип временного разделения сигналов.
Преимуществом предлагаемого устройства по сравнению с прототипом является возможность автоматического определения отпайки (или заданного участка), где произошло замыкание на землю с целью снижения времени поиска повреждения; возможность отстройки от токов нагрузки при измерении тока замыкания на землю с частотой 50 Гц за счет использования при измерении приращения тока при замыкании на землю и маловероятности изменения в этот момент тока нагрузки; возможность проведения измерений в течение переходного процесса замыкания на землю и проведения измерений при кратковременных замыканиях на землю вследствие непрерывного наблюдения за процессом замыкания на землю; повышение точности определения места замыкания на землю в случае, когда от подстанции отходят две протяженные линии данного напряжения, а также если имеется дополнительно ряд коротких линий, так как при установке передающих устройств на отпайках емкостные токи на данных участках значительно снижаются по сравнению с емкостным током линии.
Как показали проведенные нами расчеты, предложенное устройство позволяет повысить точность и снизить время поиска при определении участка замыкания на землю.
В просмотренных источниках информации нами не обнаружены указанные отличительные признаки. Следовательно, предложенное решение отвечает критерию существенности отличий.
Согласно фиг.3 предложенное устройство содержит два идентичных передающих устройства ПерУ9 и ПерУ62.
На фиг.2 показана блок-схема передающего устройства ПерУ9, состоящего из резисторов R11, R12, R13, трансформатора Тр 14, датчика тока ДТ1, ключей К15, К16, К17, логических элементов НЕ18, НЕ19, блока питания БП20, преобразователей переменного напряжения в постоянное Пр21, Пр22, Пр23, сумматоров СУМ24, СУМ25, дифференцирующего устройства ДУ26, усилителя переменного тока УП5, логических элементов И27, И28, И29, И30, элементов задержки ЭЗ31, ЭЗ32, выпрямителя В33, пороговых устройств ПУ34, ПУ35, ПУ36, конденсатора С37, триггеров Тг38, Тг39, Тг40, ждущих мультивибраторов ЖМ41, ЖМ42, ЖМ43, ЖМ44, логического элемента ИЛИ45, причем выходы (три фазы высоковольтной линии) Л2 подключены к резисторам R11, R12, R13 соответственно (использованы в макетных образцах согласно патентам - «Фиксатор направления короткого замыкания. Патент №2328752, Гаджибабаев Г.Р.…» и «Система телеизмерения гололедно ветровой нагрузки. Патент №2332765, Гаджибабаев Г.Р.» - указанные патенты подтверждают положительные результаты апробации новой системы передачи информации по высоковольтным линиям 6-10 кВ в виде импульсов постоянного напряжения) и ДТ1 передающего устройства ПерУ9; выход R11 подключен к входам СУМ24, СУМ25, выход R12 - к входам В33, К15 и выходу К17, а выход R13 подключен к входам Тр14, СУМ25; выход Тр14 подключен к входу БП20, а выход НЕ18 подключен к входу управления К15; выход К15 подключен к входам СУМ24, СУМ25, выходы которых подключены к входам Пр22, Пр23 и их выходы подключены к входам НЕ 19, ЭЗ31 и И27 соответственно; выход ДТ1 подключен к входу Пр21, выход которого подключен к входу ДУ26; выход ДУ26 подключен к входу УП5, выход которого подключен к входу К16; выход И27 подключен к входам сброса Тг38, Тг39, Тг40 и входу ЖМ41, выход которого подключен к входу управления К16; выход К16 подключен к входам ПУ34, ПУ35, ПУ36, выходы которых подключены к входам установки Тг38, Тг39, Тг40, а их выходы подключены к входам И28, И29, И30; выход Э331 подключен к входу И27, а выход В33 подключен к входу С37, выход которого подключен к входу К17; выход НЕ19 подключен к входу ЭЗ32, выход которого подключен к входу И28 и НЕ18; выход И28 подключен к входу ЖМ42, выход которого подключен к входам И29 и ИЛИ45; выход И29 подключен к входу ЖМ43, выход которого подключен к входам И30 и ИЛИ45; выход И30 подключен к входу ЖМ44, выход которого подключен к входу ИЛИ45; выход ИЛИ45 подключен к входу К17.
На фиг.2 также показана блок-схема приемного устройства ПрУ46, состоящего из резисторов R47, R48, фильтра низких частот ФНЧ49, сумматора СУМ50, преобразователя переменного напряжения в постоянное Пр51, логического элемента НЕ52, элемента задержки ЭЗ53, ждущего мультивибратора ЖМ54, логического элемента И55, счетчика импульсов Сч56, исполнительного элемента ИЭ6, Кроме того, в приемном устройстве добавлен канал (фиг.3), состоящий из элемента задержки ЭЗ57, ждущего мультивибратора ЖМ58, логического элемента И59, счетчика импульсов Сч60, исполнительного элемента ИЭ61. Выход Л2 подключен к входам R47, R48, выходы которых подключены к входам СУМ50, а выход R48 дополнительно подключен к входу ФНЧ50; СУМ50, Пр51, НЕ52 включены последовательно, а выход НЕ52 подключен к входам ЭЗ53, ЭЗ57 и входам сброса Сч56, Сч60; ЭЗ53 и ЖМ54 включены последовательно, а выходы ЖМ54 и ФНЧ49 подключены к входам И55; выход И55 включен к входу Сч56, выход которого включен к входу ИЭ6; Э357 и ЖМ58 включены последовательно, а выходы ЖМ58 и ФНЧ49 подключены к входам И59; выход И59 включен к входу Сч60, выход которого включен к входу ИЭ61. На фиг.3 показано, что передающие устройства ПерУ9 и ПерУ62 устанавливаются в двух отпайках (ответвлениях) Л2а и Л2б линии Л2, и на фиг.4 приведены графики напряжений, для случая когда ток замыкания на землю проходит только по одной отпайке.
Функционирование фиксатора направления замыкания на землю согласно фиг.2 заключается в следующем.
В рабочем режиме работы линии благодаря высокоомным (4-6 мОм) сопротивлениям R11, R12, R13 номинальные фазные напряжения линии  кВ снижаются до необходимого уровня на их выходах. Благодаря использованию малогабаритного трансформатора Тр14 (мощностью 1-2 Вт) можно получить в блоке питания БП20 стабилизированное напряжение 6-9 В при применении микросхем с малым потреблением. Выходным напряжением R12 заряжается С37 через В33 до напряжения 200-400 В при закрытом ключе К17 в рабочем режиме линии.
л
0
При открытом ключе К15 на выходах СУМ24, СУМ25 формируются сигналы линейного напряжения u и напряжения нулевой последовательности u (при наличии замыкания на землю). Для формирования логической 1 и 0 далее использованы Пр22, Пр23.
i
В обмотке катушки ДТ1 наводится напряжение u от токов в фазах линии аналогично как в прототипе, и на выходе Пр21 формируется постоянное напряжение. До замыкания на землю на выходе ДТ1 имеется напряжение, наведенное токами нагрузки, и его значение можно снизить, выбирая соответствующее место крепления передающего устройства на опоре между проводами. В момент замыкания на землю на выходе Пр21 появляется приращение постоянного напряжения, пропорциональное току замыкания на землю (изменение тока нагрузки считается маловероятным в момент замыкания на землю, т.к. линейные напряжения при этом остаются неизменными), передающееся на выход ДУ26 и далее усиливаемое УП5.
0
1
1
1
При замыкании на землю из-за появления u, на оба входа И27 поступают логические 1 (роль ЭЗ31 заключается в том, чтобы при включении линии до окончания переходных процессов не происходило ложное срабатывание). От переднего фронта импульса выходного сигнала И27 (момент t на фиг.4) срабатывает ЖМ41 и одновременно происходит сброс Тг38, Тг39, Тг40 и открытие К16 выходным сигналом ЖМ41 кратковременно. При этом выходной сигнал УП5 (на фиг.4 приведено значение 3 В≥u≥2 В на его выходе для ПерУ9, установленного в начале отпайки до места замыкания на землю, и значение 2 В≥u≥1 В для ПерУ62, установленного в начале отпайки, где отсутствует замыкание на землю) попадает на входы ПУ34 - ПУ36, имеющие разные уставки срабатывания.
2
3
4
2
3
2
3
5
6
4
2
5
При значениях уставок срабатывания, ПУ34, ПУ35, ПУ36, равных 1, 2 и 3 В соответственно в ПерУ9 сработают Тг38, Тг39, а в ПерУ62 - Тг38 (напряжения u, u, и u на выходах триггеров ПерУ9 приведены на фиг.4). В момент t отключения линии (при замыкании на землю релейной защитой или вручную) на выходе ЭЗ32 через НЕ19 появляется логическая 1 с задержкой t-t и через И28 передним фронтом импульса срабатывает ЖМ42. В момент t на выходе ЖМ42 появляется импульс. От заднего фронта импульса ЖМ42 срабатывает ЖМ43 и т.д. В нашем случае импульсы u, u появляются на выходах ЖМ42 и ЖМ43 в ПерУ9. На выходе ЭЗ32 ПерУ62 логическая 1 появляется с задержкой t-t (u изображен пунктиром). С задержкой, после отключения линии через ЭЗ32 и НЕ18 отключается К15.
Импульсы с выходов ждущих мультивибраторов через ИЛИ45 поступают на вход управления К17 и через этот ключ постоянное напряжение С37 (200-400 В) передается через R12 в линию (К15 закрыт) за время существования выходных импульсов ждущих мультивибраторов. На сопротивлении утечки линии выделяется сигнал постоянного напряжения, поступающий на вход ПрУ46 (см. вышеуказанные патенты).
В рабочем режиме через R47 и R48 на выходе СУМ50 формируется сигнал линейного напряжения, благодаря которому через Пр51 и НЕ52 блокируется работа И55 и И59 для исключения ложного срабатывания счетчиков.
л
5
2
7
2
6
5
8
7
При отключении линии сигнал u на выходе СУМ50 равен нулю и на выходе НЕ52 появляется логическая 1 и происходит сброс Сч56 и Сч60. Благодаря ЭЗ53 и ЭЗ57 задерживается пуск ЖМ54 и ЖМ58 на время t-t и t-t соответственно от момента отключения линии. Далее запускаются эти ждущие мультивибраторы с интервалами импульсов на выходе t-t и t-t соответственно. За эти интервалы времени с R48 поступают на вход ФНЧ49 импульсы с выходов ПрУ9 и ПерУ62. Согласно фиг.4 импульсы ПерУ9 записываются в Сч56, а ПерУ62 - в Сч60. Соответственно ИЭ6 и ИЭ61 зафиксируют 2 и 1 импульс соответственно. Это свидетельствует о том, что в отпайке с ПерУ9 имеется больший ток, чем в другой, и, значит, замыкание на землю произошло за местом установки ПерУ9.
Согласно описанию при неустойчивых замыканиях на землю при исчезновении и появлении вновь напряжения нулевой последовательности триггеры сбрасываются и происходит обновление их значений.
Принцип работы предлагаемого устройства заключается в сравнительной оценке показаний исполнительных элементов, соответствующих разным передающим устройствам, и тем самым приводит к повышению точности измерений. Место замыкания расположено за передающим устройством, показания которого наибольшие.
Измерения участка замыкания на землю по показаниям только одного передающего устройства является менее точным, так как ток данного повреждения может меняться в широких пределах для одного и того же места из-за неполноты замыкания на землю, в режиме переходного процесса, из-за различной структуры связанной электрической системы и т.д., и поэтому градуировка шкалы прибора в абсолютных единицах (например в амперах) оказывается практически невозможной. Уместно отметить работу релейной защиты по идентификации поврежденного фидера, где в ряде случаев производится сопоставление показаний токов для разных фидеров данной подстанции и в ряде случаев отмечаются их ложные срабатывания. В отличие от этого в предлагаемом устройстве производится сравнительная оценка показаний передающих устройств, измеряющих токи в отпайках одного и того же фидера, где емкостные токи в них пропорциональны емкостному току всего фидера и всегда меньше него. Поэтому предлагаемое устройство по принципу работы может точнее измерить токи при любых режимах протекания тока замыкания.
Такой подход относительного измерения позволяет использовать предлагаемый прибор в компенсированных и некомпенсированных сетях.
После определения направления замыкания на землю необходимо уточнить место замыкания на землю с применением используемых в электрических сетях переносных приборов, и при этом точность работы их также повышается при измерениях на поврежденной отпайке из-за снижения емкостных токов ее неповрежденных фаз.
Особенностью настройки уставок передающих устройств является предотвращение зашкаливания их на участках, где отсутствует замыкание на землю. Для этого нужно правильно подобрать оптимальное количество запоминающих устройств (триггеров, т.е. шкалу) передающих устройств.
По имеющимся экспериментальным данным при токе замыкания на землю 1А (при минимальной протяженности всех линий подстанции - 20-30 км) на выходе ДТ1 в некомпенсированных сетях (в России сейчас около 20% сетей 6-35 кВ работает с компенсацией емкостного тока и, соответственно, около 80% - это сети с изолированной нейтралью - журнал Электроинфо. Апрель 2005, №4 (18)) можно получить напряжение 0,1-0,2 В с частотой 50 Гц. Если принять во внимание неполноту замыкания на землю, примем снижение тока до 0.5 А, а возможное максимальное повышение тока замыкания при переходном процессе примем равным 2 А. Подбором коэффициента усиления усилителя переменного тока и уставок срабатывания пороговых устройств можно получить уровни изменений тока замыкания, при котором срабатывает один триггер. Если принять, что каждый последующий триггер передающего устройства срабатывает при изменении тока на 0,5 А, то их необходимое число будет 2/0,5=4 (триггера). Если принять, что в некомпенсированных сетях непредсказуемое изменение тока замыкания является 4-кратным, то минимальное количество триггеров равно четырем. С повышением количества триггеров увеличивается точность измерений.
2
В одной из последних разработок в виде переносного прибора «КВАНТ» (измеряет ток замыкания в виде высокочастотных составляющих частотой 550 Гц на землю в компенсированных сетях - описание получено из Интернета) он имеет максимальный коэффициент усиления, равный 1000. Так как расстояние между проводами и прибором равно 6-8 м, а предлагаемое устройство, установленное на опоре между проводами, отдалено от них на расстояние не более 1 м и поскольку напряженность магнитного поля пропорциональна квадрату расстояния, то примем увеличение мощности сигнала на входе предлагаемого устройства равным 7≈50 раз, соответственно коэффициент усиления можно снизить до значения, равного 1000/50=20. С таким коэффициентом усиления устройство будет работать более стабильно с гораздо меньшим влиянием помех.
Литература
1. Борухман В.А., Кудрявцев А.А., Кузнецов А.П. Устройства для определения мест повреждения на воздушных линиях электропередачи 6-750 кВ. - М.: Энергия, 1980, с.76-97.