ОБНАРУЖЕНИЕ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ, В ЧАСТНОСТИ НЕУСТОЙЧИВОГО КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ, В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ
DETECTING FAULT, IN PARTICULAR TRANSIENT FAULT IN ELECTRICAL NETWORK

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к обнаружению короткого замыкания, например на землю, в частности в воздушной сети; способ согласно изобретению полагается на анализ частоты сигнала тока.
Согласно другому аспекту, изобретение относится к устройству обнаружения, подходящему для осуществления вышеупомянутого способа. В частности, устройство обнаружения короткого замыкания содержит средство, которое обеспечивает возможность определения частоты сигнала тока из минимального количества значений, а именно трех.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Устройства обнаружения короткого замыкания в трехфазных сетях обеспечивают возможность инициировать защиту нагрузок и/или помочь в локализации упомянутых коротких замыканий. Например, фиг. 1A изображает схему электрической распределительной сети 1 среднего напряжения, которая содержит трехфазный трансформатор 2, вторичная обмотка которого может содержать общий нейтральный проводник, в общем случае соединенный с землей через сопротивление 3 (в случае сети с изолированной нейтралью не существует физического соединения между нейтральной точкой сети и землей). Вторичная обмотка, кроме того, соединена с главной распределительной линией, которая питает исходящие линии 4, 4', некоторые из которых могут включать в себя, в первую очередь, прерыватель цепи или другое устройство 5 прерывания, защищающее их.
Исходящие линии 4, 4', состоящие из воздушных линий и/или подземных кабелей, могут подвергаться различным коротким замыканиям, которые важно обнаружить и локализовать для того, чтобы устранить возникающие проблемы: отключение электроэнергии, ухудшение стойкости материалов изоляции, не считая безопасности людей. Устройство 6 обнаружения короткого замыкания, установленное на исходящих линиях 4' или участках линий 4, может выполнять функцию указателя перехода короткого замыкания, например включая световой указатель 7; устройство 61 может, кроме того, быть ассоциировано с или интегрировано в реле 8 защиты, подходящее для управления открытием контактов прерывателя 5 цепи.
0
Среди этих коротких замыканий самыми частыми являются однофазные замыкания типа короткого замыкания, находящегося вне подстанции источника, в которых фаза находится в контакте с землей, или разрыва воздушного кабеля в случае плохой погоды, в частности. Теперь между линейными проводниками 4 и землей могут возникать значения 9 высокой емкости, вызывающие циркуляцию существенных токов нулевой последовательности I в случае короткого замыкания на землю 10. Кроме того, значительное большинство коротких замыканий является по своей природе не постоянными, в частности в воздушных сетях: некоторые исчезают естественным образом перед операцией функций защиты, иногда периодически, другие ликвидируются более или менее медленным циклом повторных включений и т. д.
Чтобы принять необходимые возможные меры предосторожности или осуществить устройства, подходящие для характеризации и локализации короткого замыкания, обнаружение коротких замыканий должно быть быстрым, порядка нескольких миллисекунд, даже меньше в случае неустойчивых коротких замыканий, и, разумеется, надежным.
Существуют устройства и способы обнаружения короткого замыкания, как описано, например, в EP 1475874, EP 1890165, FR 2936319, FR 2936378 или WO 2006/136520. Они преимущественно основаны на пересечении порогового значения измеренным или вычисленным параметром: дополнительно к измерению тока или напряжения, а также величин, получаемых из них (среднее и т.д.), используются временные или симметричные компоненты, даже фазоинверторы; для коротких замыканий воздушных линий также предлагаются измерения магнитного или электрического поля на столбе или для каждой линии. Однако эффективность тревог от превышения порогового значения сильно зависит от параметров сети, таких как нейтральная система или сопротивляемость заземления, а также от технологий датчиков. Кроме того, некоторые методики требуют существенной дискретизации или периода вычисления, которые обеспечивают возможность обнаружения короткого замыкания только в течение следующего периода тока или даже не обеспечивают возможности вовсе для неустойчивых событий.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Среди других преимуществ задачей изобретения является устранение недостатков существующих устройств и способов обнаружения короткого замыкания и оптимизация обнаружения короткого замыкания.
В частности, принцип обнаружения согласно изобретению полагается на определение частоты некоторой электрической величины, например циркулирующего тока, в сети и ее сравнение с собственной частотой.
Согласно одному из его аспектов, изобретение относится к способу для обнаружения возникновения короткого замыкания, включающего в себя неустойчивое короткое замыкание, в многофазной сети, содержащему получение сигналов, представляющих параметр тока, а именно фазовое напряжение, в течение по меньшей мере одного предварительно определенного промежутка времени. Предпочтительно сигналы фильтруются и/или дискретизируются. Далее способ содержит этап определения частоты предполагаемого синусоидального сигнала на основе полученных сигналов, и, в частности, путем полиномиального приближения упомянутого сигнала и решения уравнения от трех последовательных значений параметра, разнесенных на один и тот же промежуток времени; обеспечивает преимущества то, что частота определяется через ее колебание по отношению к собственной частоте сети.
Предпочтительно способ согласно изобретению содержит этап сохранения значений параметра в течение периода сохранения, большего чем период вычисления, причем упомянутые значения параметра имеют возможность быть ассоциированными с соответствующей упомянутой определенной частотой.
Упомянутая определенная частота затем сравнивается с пороговыми значениями для проверки, что она остается между двумя значениями, предпочтительно с центром в собственной частоте сети. В зависимости от результата возникновение короткого замыкания идентифицируется или не идентифицируется. Способ, таким образом, предпочтительно содержит передачу информации в отношении наличия короткого замыкания и, возможно, также сохраненных данных блоку управления, например.
Другим субъектом изобретения является устройство обнаружения короткого замыкания, подходящее для многофазной сети, и, в частности, когда сеть имеет компенсированную или изолированную нейтраль. Устройство обнаружения согласно изобретению может быть ассоциировано с датчиками тока и/или напряжения, которые обеспечивают его соответствующими представляющими сигналами.
Устройство согласно изобретению содержит первый модуль, подходящий для подачи сигнала, представляющего параметр сети; предпочтительно первый модуль содержит средство для приема сигнала, представляющего параметр, а именно фазовое напряжение, средство дискретизации и/или средство фильтрации, такое как аналоговый фильтр. Первый модуль содержит средство для сохранения сигнала в течение предварительно определенного промежутка времени.
Устройство согласно изобретению содержит второй обрабатывающий модуль, подходящий для определения частоты сигнала из сохраненных значений параметра, предпочтительно из трех значений, разнесенных на идентичный период дискретизации. Имеет преимущества то, что средство для определения частоты выполнено с возможностью раскладывать полиномиальные приближения синусоидального сигнала. Обрабатывающий модуль дополнительно содержит средство для проверки, что должным образом определенная частота находится внутри полосы, центром которой предпочтительно является собственная частота сети, что может быть регулируемым параметром устройства.
Обеспечивает преимущества то, что устройство также содержит средство для передачи информации, относящейся к результату сравнения, иначе говоря возникновению короткого замыкания, и, возможно, некоторых из сохраненных данных параметра.
В предпочтительном варианте осуществления устройство обнаружения дополнительно содержит средство для подачи сигнала, представляющего второй параметр сети одновременно с предшествующим параметром, причем средство сохранения выполнено с возможностью удерживать его также в памяти, в парах.
Устройство обнаружения согласно изобретению может быть обеспечено в тройном виде с одним устройством для каждой фазы для формирования устройства для обнаружения коротких замыканий на линии, например воздушной линии, причем средство связи выполнено с возможностью посылать их информацию одному и тому же блоку управления.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Другие преимущества и признаки станут более четко понятны из последующего описания конкретных вариантов осуществления изобретения, обеспеченных в качестве иллюстративных и не ограничивающих примеров, представленных на приложенных чертежах.
Фиг. 1A, уже описанная, изображает электрическую сеть, в которой могут быть использованы устройства обнаружения короткого замыкания; фиг. 1B более конкретным образом изображает местоположения возможных измерений для обнаружения согласно изобретению.
Фиг. 2A изображает, схематически и фильтрованным образом, сигналы, представляющие фазовый ток и ток нулевой последовательности, а также их частоту, при возникновении короткого замыкания на землю после места и до места устройства обнаружения; фиг. 2B изображает конкретный случай неустойчивого короткого замыкания; фиг. 2C изображает сигналы тока, напряжения и частоты на исправной исходящей линии при возникновении короткого замыкания в сети.
Фиг. 3 изображает способ обнаружения согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения.
Фиг. 4 изображает структурную схему устройства обнаружения согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения.
ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
A
B
C
0
0
Изобретение будет описано для симметричной трехфазной сети 1 с компенсированной или изолированной нейтралью, в которой каждая линия 4, 4' содержит три воздушных фазовых проводника 4, 4, 4, вторичную обмотку трансформатора 2, соединенную с землей через катушку 3 Петерсена (фиг. 1A) или не соединенную с ней (фиг. 1B), и ток нулевой последовательности I равен нулю при отсутствии какого-либо короткого замыкания. Ток нулевой последовательности I должен пониматься как, с точностью до возможного коэффициента три, векторная сумма различных фазовых токов или даже ток, соответствующий мгновенной результирующей величине фазовых токов, иногда называемый остаточным током, который, если это уместно, соответствует току замыкания на землю или току утечки. Следует заметить, что существует возможность избежать этой ситуации, а именно с током/напряжением ненулевой последовательности, и сеть может содержать другое количество фаз; кроме того, нейтральный режим не требует компенсации.
A
X_A
0
Y_A
A
B
Как известно, при возникновении короткого замыкания на землю 10 на одной из фаз A у тока I упомянутой фазы амплитуда увеличивается до места (I) короткого замыкания 10: существует, таким образом, возникновение тока нулевой последовательности I до места короткого замыкания 10. Как изображено на фиг. 2A, частое увеличение тока I также замечается после места короткого замыкания через емкостную линию 9; кроме того, изменения 18 могут также присутствовать на фазах, которые не имеют короткого замыкания, но их амплитуда низка. Наконец, разумеется, напряжения V, V, представленные на различных фазах, также подвергаются влиянию более или менее обнаружимым образом.
A
B
0
Когда короткое замыкание неустойчиво, как иллюстрируется на фиг. 2B для кратковременного короткого замыкания на землю с сопротивлением 1 Ом продолжительности 1 мс в воздушной сети с компенсированной нейтралью, происходит то же самое явление, но в течение более короткого промежутка времени: амплитуда полупериодов тока и напряжения V, V может, таким образом, быть включена в шум самого сигнала и становиться почти невидимой конкретным устройствам измерения. Кроме того, даже для сигналов вроде тока нулевой последовательности I, амплитуда полупериода которого более значительна, промежуток времени, в течение которого сигнал инвертируется, хотя часто чуть больше продолжительности короткого замыкания 10 ввиду разряда емкостных токов, остается низкой и может быть недостаточной для обеспечения возможности дискретизации, что необходимо для способов обнаружения короткого замыкания на основе вычисления полупериода сигнала.
Z_A
Z_B
Однако следует заметить, на фиг. 2B, что независимо от точки измерения, до места X_A или после места Y_A короткого замыкания 10, но также на исправной фазе B, частота f тока в сети 1 со своей стороны сильно искажается в течение короткого замыкания. Это изменение частоты, вычисляемое из кривых тока и/или напряжения, разумеется, также присутствует и для не неустойчивого короткого замыкания, как иллюстрируется на фиг. 2A. К тому же можно увидеть на фиг. 2C, что даже для неустойчивого короткого замыкания и даже для измерения на исправной исходящей линии 4' короткое замыкание 10 генерирует значительное изменение частоты f, f тока.
Изобретатели, таким образом, приняли во внимание, что присутствие изменения частоты и отклонение последнего от пределов, окружающих авторизованную полосу, а именно 50±0,5 Гц в метрополии Франции, обеспечивает возможность определения наличия короткого замыкания в сети. Пример пределов представлен двумя пунктирными линиями, находящимися на 48 и 52 Гц на фиг. 2A, 2B и 2C.
Однако определение частоты использует, в частности в области отслеживания электрических сетей, долгие вычисления, которые влекут задержанную способность к реагированию и риск слепоты к кратковременному короткому замыканию в исправном сигнале. В частности, обнаружения пересечений нуля через максимум или через минимум сигнала требуют измерения периода, который по меньшей мере равен периоду сети, ровно как фазоинверторы. Теперь, как объяснено выше, изобретение призвано для очень скорого определения наличия короткого замыкания в реальном времени, и чтобы делать это даже для очень быстрых неустойчивых коротких замыканий.
Несмотря на это положение дел, изобретение использует этот параметр для способа и устройства обнаружения короткого замыкания. Собственно, изобретатели обнаружили, что конкретные аналитические методики, а именно полиномиальное разложение, могут обеспечивает возможность применить их наблюдения при наличии измерений сигнала только в течение короткого промежутка времени, а именно только в течение трех моментов.
k
ech
ech
k-1
k+1
k
В частности, определение частоты синусоидального сигнала Y(t)=A×sin(2⋅π⋅f⋅t+ϕ) может быть сделано только из трех последовательных измерений сигнала, а именно напряжения V, разнесенных на один и тот же интервал времени T, путем прихода к следующему уравнению: cos(2⋅π⋅f⋅T)=(V+V)/V, иначе говоря, частота f сигнала напряжение V дается формулой:
Разумеется, этот способ ограничен пробами, для которых сигнал напряжения не переходит через ноль: пики замечаются на конкретных вычисленных кривых частоты на фиг. 2A, 2B и 2C, соответствующих этим пробам.
Поскольку функция арккосинуса может требовать существенных средств вычисления, а также относительно долгого времени, прежде чем обеспечить результат, согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, частота f сигнала V оценивается через разработки, ограниченные нулевой близостью, точность фактически демонстрирует приемлемость для ожидаемого результата. В частности, применимы следующие функции синуса и косинуса:
и
0
Зная три последовательных значения параметра, разнесенных на один и тот же интервал, таким образом, существует возможность, путем разложения многочлена, определить приближение частоты f сигнала. В качестве альтернативы, с учетом только колебания частоты относительно собственной частоты, иначе говоря δf=f-f, также возможно учесть многочлены порядка 1, 2, 3 или 4. В частности, определение оценки колебания частоты δf может быть выполнено посредством разложения одного из следующих многочленов:
k-1
k+1
k
1- (V+V)/V=a-b⋅X
k-1
k+1
k
2
2- (V+V)/V=a-b⋅X-a/2⋅X
k-1
k+1
k
2
3
3- (V+V)/V=a-b⋅X-a/2⋅X+b/6⋅X
k-1
k+1
2
3
4
4- (V+V)/Vk=a-b⋅X-a/2⋅X+b/6⋅X+a/24⋅X
ech
0
ech
0
ech
где X=2⋅π⋅δf⋅T; a=cos(2⋅π⋅f⋅T); b=sin(2⋅π⋅f⋅T)
Известны аналитические математические способы для разложения этого типа многочлена, а именно:
- так называемый способ Виета для уравнения 2 и квадратичного порядка;
- так называемые способы Кардано или Тартальи для уравнения 3 и кубического порядка;
- способы Декарта или Феррари для уравнения 4 и биквадратного порядка.
Выбор порядка многочлена, используемого согласно изобретению, является по своей природе объектом компромисса между:
- функциональными возможностями конечного продукта: простое средство обнаружения короткого замыкания может иногда обходится порядком 1 или 2; если, однако, частота f также используется для некоторых функций отслеживания в отсутствии короткого замыкания 10 в сети 1 (вычисление мощности, энергии, гармонических функций, квалиметрий и т.д.), рекомендуется более высокий порядок многочлена;
ech
ech
- выбранным T дискретизации, который должен во всех случаях быть больше трети его аналога частоты Шеннона (если применение требует доходить вплоть до 150 Гц, иначе говоря, дискретизация больше 300 Гц согласно теореме Найквиста-Шеннона, дискретизация T согласно изобретению больше 450 Гц);
ech
- уровнями производительности микропроцессора, который должен иметь возможность выполнения вычисления между двумя пробами, разделенными T. В частности, период вычисления может оцениваться за менее чем 11 мкс для многочлена порядка 1, приблизительно 12,5 мкс для многочлена порядка 2, приблизительно 155 мкс для многочлена порядка 3 и 186 мкс для многочлена порядка 4, при процессоре 2.33 GHz Intel Core Duo P8700.
ech
Для применений обнаружения короткого замыкания на основе отклонения от полосы частот [48-52 Гц] фактически обнаружено, что даже низкая дискретизация (обычно 1800 Гц) может быть более чем подходящим: интервал дискретизации T=0,556 мс оставляет более чем достаточно времени для выполнения какого-либо из предшествующих четырех вычислений. Предпочтительный вариант осуществления согласно изобретению, таким образом, использует порядок многочлена OP=3 для дискретизации 1800 Гц.
Таким образом, как иллюстрируется на фиг. 3, способ обнаружения короткого замыкания согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения содержит последовательные этапы:
ech
- получения сигналов, представляющих напряжение V, в фазе сети, разнесенных на предварительно определенный промежуток времени T; предпочтительно сигналы получаются путем непрерывного измерения с дискретизацией и фильтрацией;
- определения колебания частоты δf путем предварительно определенного математического вычисления разрешения многочлена порядка OP, который устанавливается и соответствует одной из предшествующих формул, а именно уравнению 3;
f
- сравнение колебания частоты δf с пороговым значением S для того, чтобы определить возникновение короткого замыкания 10.
Согласно предпочтительной альтернативе, существует возможность изменения многочлена, иначе говоря порядка многочлена OP согласно управлению узла энергии и потреблению.
k-1
k+1
k
k
0
k
k-1
ech
В предпочтительном варианте осуществления для избегания деления на сигнал, который слишком низок (используется параметр (V+V)/N, соответствующий пикам, которые можно увидеть на фиг. 2A, 2B и 2C), центральное значение из трех полученных сигналов напряжения сравнивается с пороговым значением ε. Если эта проба V в действительности слишком мала, например менее 0,2 % номинального напряжения сети 1, то колебание частоты считается равным нулю (f=f) или идентичным предшествующему колебанию (f=f), и способ определения откладывается на T.
Когда обнаруживается короткое замыкание, может быть послан простой сигнал 7 тревоги или, в противном случае, реле 8 защиты может быть отключено автоматически; возможны различные другие варианты. Согласно предпочтительному варианту осуществления центральный пункт 100 управления уведомляется о коротком замыкании, для того чтобы был осуществлен этап оценки ситуации; в частности, параметры, измеренные и вычисленные в способе обнаружения, могли быть сохранены и переданы одновременно с указанием обнаружения короткого замыкания для того, чтобы продолжить, например, локализацией короткого замыкания, а именно согласно принципу, изложенному в FR 2713411, и/или определением его природы, а именно согласно принципу, изложенному в FR 2959618.
ech
stock
Устройство 20, которое обеспечивает возможность осуществления способа согласно изобретению, изображается на фиг. 4. Устройство содержит первый модуль 30, который обеспечивает возможность получения сигнала, представляющего ток, а именно напряжения V, из информации, обеспеченной подходящим датчиком 12 тока; устройство согласно изобретению может быть объединено с датчиком 12 линией или может быть непосредственно установлено на кабеле воздушной сети. Первый модуль 30 предпочтительно содержит, в любом порядке, средство 32 для фильтрации сигнала V, такое как аналоговый фильтр, и средство 34 дискретизации, а именно оперирующее на 1800 Гц; фильтрованный дискретизированный сигнал V* сохраняется, например скользящим образом и только для 3T или для определенного промежутка времени T, в средстве 36 сохранения.
k-1
k
k+1
k-1
k
k+1
0
Устройство 20 согласно изобретению далее содержит второй модуль 40 для проверки частоты f. Первый модуль 30 обеспечивает три последовательных значения V, V, V напряжения средству 42 вычисления второго модуля 40, подходящего для вычисления частоты сигнала путем полиномиального разложения на основе трех значений напряжения V, V, V. В имеющем преимущества варианте осуществления средство вычисления содержит множество блоков, причем каждый использует модель разложения различного порядка OP, и средство 42 вычисления обеспечено средством для выбора блока, который будет активирован; то же самое средство выбора выгодно обеспечивает возможность повторно войти в собственную частоту f сети 1, в которой устройство 20 будет установлено.
k
0
f
Предпочтительно второй модуль 40 содержит, прежде всего, средство 44 для сравнения центральный значение V с пороговым значением ε и для активации средства 42 вычисления, когда сигнал достаточно велик. Второй модуль 40, наконец, содержит средство 46 для сравнения вычисленной частоты f с пороговым значением f±S и средство для передачи информации, касающейся обнаружения D короткого замыкания благодаря переходу порогового значения. В качестве дополнения к указанию возникновения короткого замыкания средство связи может быть выполнено с возможностью также передавать блоку управления значения, сохраненные в средстве 36 сохранения.
В имеющем преимущества варианте осуществления устройство 20 согласно изобретению выполнено с возможностью также получать и сохранять сигналы, представляющие другой параметр, а именно ток I, измеренный подходящим датчиком 14, причем сигналы дискретизируются и фильтруются тем же самым первым модулем 30 и сохраняются в парах с сигналами напряжения V*, чтобы быть переданными вместе.
Устройство 50 обнаружения выгодно содержит три устройства 20 согласно изобретению, одно для каждой фазы, причем три устройства 20 осуществляют связь с одним и тем же блоком 100 управления.
0
Таким образом, за счет использования частоты f в качестве параметра для определения возникновения короткого замыкания 10 существует возможность обеспечить, даже для воздушных сетей 1, скорое и одновременное обнаружение короткого замыкания 10 непостоянной природы (иначе говоря, очень короткого промежутка времени, вплоть до 1 мс), без предшествующего знания о сети 1 за исключением ее собственной частоты f. Хотя это может быть одновременно на различных фазах, обнаружение не зависит от фаз A, B, C: проблема слепоты в отношении других фаз устраняется.
0
Таким образом, возникновение короткого замыкания 10 может быть идентифицировано, в частности путем измерения на фазе B, отличной от A, где оно возникает, в частности на исходящей линии 4', отличной от 4, где измерение выполняется, при отсутствии линии или связи между датчиками 12, 14 различных фаз. Кроме того, никакое регулирование порогового значения не является необходимым: способ и устройство согласно изобретению могут быть использованы непосредственно путем указания номинальной частоты f соответствующей многофазной электрической сети (50 Гц или 60 Гц, даже 400 Гц для встроенной сети самолетного или судового типа); нет необходимости знать номинальное напряжение сети 1, номинальный ток нагрузки, ожидаемый ток короткого замыкания или емкостный ток сети.
Кроме того, осуществление обнаружения короткого замыкания может выполняться только из трех проб, которые обеспечивают возможность хорошей способности к реагированию обнаружения, в том числе для непостоянного короткого замыкания очень короткого промежутка времени, а именно в предпочтительном варианте осуществления, в котором частота определяется путем аналитического разложения многочленов порядка 1-4 согласно так называемым способам Виета (для квадратичного порядка), Кардано или Тартальи (для кубического порядка), Декарта или Феррари (для четвертого порядка).
За счет этого быстрого определения частоты существует возможность более быстро реагировать на эти неисправности по сравнению со стандартными способами.
Хотя изобретение было описано с использованием напряжения на фазе, оно не ограничивается этим: существует возможность продолжить обнаружением путем определения частоты f из тока I, в частности когда линии 4 не слабо нагружены (для избегания каких-либо проблем в измерении). Подобным образом, характеристики сети 1 могут варьироваться, а именно нейтральный режим может отличаться, как может и количество фаз или собственная частота f0. Кроме того, принцип определения частоты может, разумеется, быть ассоциирован с другими приложениями, такими как в реле защиты или квалиметрах, или для избегания какого-либо риска сброса нагрузки на децентрализованных производствах фотовольтаического или ветротурбинного типа.