СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ
EARTH-FAULT DETECTION METHOD

Изобретение относится к области энергетики, в частности - к способам обнаружения замыкания на землю фазы электрической сети с изолированной нейтралью. Может найти применение при разработке и производстве устройств релейной защиты коротких шин тяговых подстанций, соединяющих выход силового трансформатора и вход выпрямителя.
Известно, что количество повреждений силовых линий, связанных с замыканием на землю, в процентном отношении существенно превышает количество повреждений, вызванных другими видами замыканий, и растет по мере материального износа электрических сетей. Разработано много способов обнаружения замыкания на землю, основанных на различных принципах анализа тех или иных характеристик физических процессов, происходящих при замыкании. Вследствие нелинейности сопротивления дуги является принципиально некорректным применение способов, использующих частотный анализ. Сложность происходящих явлений при замыкании определяется, в том числе, и конкретными местными условиями, характеризующими электрические свойства поверхности, с которой взаимодействует фазовый проводник. Потому формирование новых способов определения факта замыкания фазы на землю представляет актуальную техническую задачу, особенно при малой длине шин тяговых подстанций электрического транспорта.
Известен способ определения замыкания на землю, реализованный в устройствах токовой защиты нулевой последовательности, (Федосеев A.M. Релейная защита электрических систем. - М.: Энергия, 1976; Чернобровое Н.В., Семенов В. А. Релейная защита энергетических систем. М.: Энергоатомиздат, 1998), в соответствии с которым контролируют среднеквадратичное или средневыпрямленное значение составляющих промышленной частоты тока нулевой последовательности установившегося режима однофазного замыкания на землю. Недостатком данного способа является низкая эффективность, связанная с ограничением величины собственного емкостного тока фазы при замыкании на землю.
Известен способ, в соответствии с которым контролируют направление тока нулевой последовательности путем анализа фазных соотношений составляющих промышленной частоты подведенных величин в установившемся режиме однофазного замыкания на землю (Федосеев A.M. Релейная защита электрических систем. - М.: Энергия, 1976; Гельфанд Я.С. Релейная защита распределительных сетей. М.: Энергоатомиздат, 1987). Указанный способ не ограничен величиной собственного емкостного тока контролируемого присоединения, однако недостатком его является не всегда достаточная селективность и устойчивость функционирования при дуговых замыканиях на землю.
Известен так же способ обнаружения однофазного замыкания на землю (Попов И.Н., Лачугин В.Ф., Соколова Г.В. Релейная защита, основанная на контроле переходных процессов. - М., Энергоатомиздат, 1986 г.; Лачугин В.Ф. Направленная импульсная защита от замыканий на землю // Энергетик. 1997. №9. - С. 21), являющийся наиболее близким к предлагаемому по технической сути и принятый за прототип, основанный на использовании электрических величин переходного процесса при пробое изоляции фазы контролируемой сети на землю.
Однако ввиду незначительной длины линии от трансформатора к выпрямительному блоку в тяговой подстанции применение данного способа для целей контроля замыкания на землю в тяговых подстанциях затруднительно из-за относительно малых значений реактивных параметров линии передачи.
Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением - выявление утечки тока фазы на землю в короткой шине.
Технический результат, достигаемый заявляемым решением - повышение достоверности обнаружения факта короткого замыкания фазы на землю короткой шины тяговой подстанции.
Технический результат достигается за счет того, что с заданной периодичностью и одновременно измеряют, а затем сравнивают друг с другом мгновенные значения токов в начале и в конце линии, подсчитывают за заданный интервал времени число измерений, при которых разница мгновенных значений токов превысила заданный порог, сравнивают это число с заданным пороговым числом и при превышении порога принимают решение об обнаружении короткого замыкания на землю.
Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Пусть имеется источник тока, соединенный короткой линией с потребителем. При этом мгновенное значение тока, направляемого потребителю, измеряют посредством первого трансформатора тока, установленным на выходе источника тока, а мгновенное значение тока, поступающего в потребитель, измеряют посредством второго трансформатора тока, установленным непосредственно у ввода тока в потребитель. Запускают таймер, который будет отрабатывать заранее определенный интервал времени. Значения мгновенных токов измеряют многоканальным аналого-цифровым преобразователем (АЦП) с одновременным семплированием, так как моменты времени старта преобразования значений обоих токов должны совпадать. Полученные синхронизированные цифровые значения мгновенных амплитуд токов сравнивают между собой путем вычитания из значения тока, направленного потребителю, значения тока, поступившего потребителю. Затем получившуюся разницу токов сравнивают с заданным пороговым значением. Если разница превышает заданное пороговое значение, то увеличивают значение счетчика, подсчитывающего число превышений разницей токов порогового значения. Процесс измерения мгновенных значений токов, вычисления их разницы и сравнения ее значения с заданным порогом осуществляют периодически с заданной частотой до момента окончания заданного интервала времени, отсчитываемого таймером. По окончании заданного интервала времени сравнивают полученное число превышений разницей токов порогового значения разницы с заданным пороговым значением числа превышений. Если число превышений разницы мгновенных токов заданного порога за заданный интервал времени не превышает заданный порог, то принимают решение об отсутствии короткого замыкание на землю. Если же число превышений разницы мгновенных токов заданного порога за заданный интервал времени превышает заданный порог, то принимают решение о том, что имеется короткое замыкание на землю.
Вышеописанный процесс обнаружения замыкания на землю осуществляют периодически, с заданной частотой повторения, до тех пор, пока в этом есть необходимость.
Предлагаемый способ промышленно реализуем, для обоснования чего рассмотрим имеющиеся технические характеристики оборудования, которое возможно применить для его реализации. Известно, что короткое замыкание на землю характеризуется прерывистым протеканием тока замыкания, при этом частотный спектр тока замыкания содержит высшие гармоники. Так, при частоте сети 50 Гц в технической литературе отмечается наличие 9 гармоники и выше, вплоть до 40 гармоники, что соответствует частоте от 450 до 2000 Гц. В соответствии с теоремой Котельникова частота дискретизации функции должна быть минимум в два раза больше максимальной частоты изменения функции, т.е. в данном случае она должна быть не менее 4000 Гц. Этой частоте соответствует длительность периода 250 мкс, что для современных и широко распространенных АЦП (например, типа МАХ1419), в том числе и встроенных в микропроцессор, во много раз больше их времени преобразования, которое может составлять 13 мкс и менее. При длительности выполнения команды микропроцессора, например, типа - Atmega-2562, в 0,063 мкс за время, приходящееся на обработку значения одного измерения тока время микропроцессора, т.е. примерно около 120 мс, он может выполнить свыше 1900 команд. Такого количества команд вполне достаточно для выполнения математических вычислений и логических операций для реализации предлагаемого способа. Таким образом, промышленная реализация предлагаемого способа доступна широко распространенными электронными компонентами и микропроцессорами.
Предлагаемый способ обнаружения факта замыкания фазы короткой линии на землю обладает существенными преимуществами перед известными способами - относительно прост, не требует значительных вычислительных ресурсов аппаратуры, ориентирован на обнаружение нарушения. Кроме того, задавая определенные значения пороговых величин (время контроля, число превышений разницей токов порогового числа) возможно выделение начала пробоя шин на землю.