СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ КОНТРОЛИРУЕМОГО СИГНАЛА ДЛЯ ЦИФРОВОЙ ЗАЩИТЫ ОТ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ ПРИ ПЕРЕМЕЖАЮЩЕМСЯ ДУГОВОМ ЗАМЫКАНИИ
METHOD OF FORMING A CONTROLLED SIGNAL FOR DIGITAL PROTECTION AGAINST EARTH FAULTS WITH INTERMITTENT ARC FAULT

Изобретение относится к области электротехники, а именно к релейной защите электрических сетей и предназначено для применения в измерительном тракте защит от замыканий на землю.
Однофазное замыкание на землю вначале проявляется в виде неустойчивого кратковременного периодически возникающего дугового замыкания. Такой вид неустойчивого замыкания принято считать перемежающимся. Перемежающиеся дуговые замыкания считаются опасными, если период его возникновения сокращается до 50-70 мс (Халилов Ф.Х., Евдокунин Г.А., Поляков В.С. и др. Защита сетей 6-35 кВ от перенапряжений. Санкт-Петербург: Энергоатомиздат, 2002. - 268 с.; Аль-Хомиди М.С., Добрягина О.А., Шагурина Е.С., Шадрикова Т.Ю., Шуин В.А. Оценка чувствительности токовых защит от замыканий на землю в кабельных сетях 6-10 кВ. Вестник ИГЭУ. Вып. 3 - 2016. - С. 50-55). Опасность существования такого вида замыкания заключается в возможности его перехода в более сложное замыкание, например, двойное замыкание на землю.
Перемежающиеся дуговые замыкания сопровождаются кратковременными импульсными токами. Для выявления такого вида замыкания алгоритмы защит, так или иначе, используют измерения пикового значения импульсного тока. В этом заключается основная сложность и недостаток существующих способов, использующих непосредственное цифровое измерение пикового значения импульса тока, поскольку для этого потребуется измерительный тракт с высокой частотой дискретизации.
Известен способ формирования контролируемого сигнала для цифровой защиты от замыканий на землю при перемежающемся дуговом замыкании, реализованный в устройствах (RU 2629375 C1, опубликовано 29.08.2017; Воробьева Е.А. Совершенствование принципов выполнения адаптивных токовых и адмитанских защит от замыканий на землю в кабальных сетях 6-10 кВ: дис. … канд. техн. наук: 05.14.02 / Воробьева Екатерина Андреевна. - Иваново, 2018. - 206 с.). Согласно этому способу контролируемый сигнал для цифровой защиты от замыканий на землю при перемежающемся дуговом замыкании формируют в результате следующих операций: сначала входной сигнал защиты преобразуют в цифровой сигнал с помощью аналого-цифрового преобразования (АЦП), затем из цифрового сигнала выделяют составляющую переходного процесса путем преобразования с помощью цифрового полосового частотного фильтра, и наконец, преобразуют ее в контрольный сигнал в виде среднеквадратической величины.
Недостаток способа заключается в необходимости выполнения измерительного тракта АЦП с высокой частотой дискретизации для обеспечения надлежащего выделения высокочастотных составляющих переходного процесса, что усложняет реализацию способа.
Известен способ формирования контролируемого сигнала для цифровой защиты от замыканий на землю при перемежающемся дуговом замыкании, реализованный в устройстве, защищенном патентами (WO 2005/038474 A1, опубликовано 28.04.2005 и RU 2358273 C2, опубликовано 10.06.2009). Согласно способу из цифрового входного сигнала защиты выделяют составляющую переходного процесса путем обработки с помощью цифрового полосового частотного фильтра и преобразуют ее в контрольный сигнал с помощью дискретного преобразования Фурье.
Недостатком способа является невысокая надежность выявления перемежающегося дугового замыкания при недостаточно высокой частоте дискретизации импульсного тока.
Этот способ является наиболее близким к заявленному изобретению и принят за прототип.
Техническим результатом предполагаемого изобретения является повышение надежности выявления дугового перемежающегося замыкания без повышения частоты дискретизации тракта АЦП.
Технический результат достигается тем, что выделяют составляющую переходного процесса электрической сети и преобразуют ее в контрольный сигнал, используя аналоговые преобразования до АЦП. Суть этих операций заключается в том, что упомянутую операцию выделения составляющей переходного процесса выполняют путем селективного аналогового преобразования непосредственно входного сигнала защиты, а упомянутую операцию преобразования составляющей переходного процесса в контрольный сигнал выполняют путем эталонного аналогового преобразования, формирующего сигнал с заданными характеристическими параметрами.
В первом примере реализации способа селективное аналоговое преобразование осуществляют с помощью аналогового фильтра заграждения основной гармоники.
Во втором примере реализации способа селективное аналоговое преобразование осуществляют с помощью аналогового фильтра верхних частот.
В третьем примере реализации способа селективное аналоговое преобразование осуществляют с помощью тракта активно-адаптивного распознавания сигнала.
В четвертом примере реализации способа эталонное аналоговое преобразование осуществляют с помощью аналогового фильтра с заданной импульсной характеристикой.
В пятом примере реализации способа эталонное аналоговое преобразование осуществляют с помощью пик-детектора с возможностью сброса выходного сигнала через заданный интервал времени.
На фиг. 1 приведена осциллограмма тока поврежденной фазы при перемежающемся дуговом замыкании. Фиг. 2 содержит блок-схему, поясняющую способ формирования контролируемого сигнала в прототипе. На фиг. 3 представлен сигнал с отсчетами (светлые точки) в тракте АЦП прототипа. Фиг. 4 содержит блок-схему, поясняющую последовательность операций при формировании контролируемого сигнала в предлагаемом изобретении. Фиг. 5 представляет результат операции выделения составляющей переходного процесса путем селективного аналогового преобразования. Фиг. 6 показывает результат эталонного аналогового преобразования с помощью аналогового фильтра с заданной импульсной характеристикой. Фиг. 7 представляет результат эталонного аналогового преобразования с помощью пик-детектора. На фиг. 8 представлена импульсная характеристика аналогового фильтра с заданной импульсной характеристикой. На фиг. 9 приведена амплитудно-частотная характеристика аналогового фильтра с заданной импульсной характеристикой. На фиг. 10 представлена импульсная характеристика пик-детектора с возможностью сброса выходного сигнала через заданный интервал времени.
Как уже говорилось выше, перемежающееся дуговое замыкание сопровождается кратковременным импульсным током замыкания, обусловленным, например, разрядом емкостей электрической сети. Ток замыкания, протекающий по поврежденной фазе, представляет собой значительный импульс (фиг. 1), длительность которого не превышает нескольких миллисекунд (Лихачев Ф.А. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов. М.: Энергия, 1971; стр. 65).
Принцип работы прототипа (фиг. 2) требует измерения пикового значения импульсного тока трактом АЦП с высокой частотой дискретизации. При недостаточно высокой частоте дискретизации устройство теряет надежность функционирования, поскольку процесс дискретизации сигнала не синхронизирован с моментом появления перемежающегося дугового замыкания, и отчеты тока, измеряемые трактом АЦП прототипа, могут не соответствовать пиковому значению импульсного тока. Этот случай иллюстрирует фиг. 3, откуда видно, что при принятой частоте дискретизации на импульс тока приходится только один отчет (отсчет А). Поскольку место расположения этого отчета произвольно, то отсчет может и не оказаться на пике импульсного тока, что может привести к неправильному измерению значения пика и послужить причиной неустойчивого функционирования защиты.
В предлагаемом способе используется принципиально иной метод измерения импульсов перемежающегося дугового замыкания (фиг. 4). Сначала (еще до АЦП) из входного сигнала защиты путем селективного аналогового преобразования выделяют сам импульсный ток (составляющую переходного процесса). А преобразование импульсного тока в контрольный сигнал выполняют путем эталонного аналогового преобразования, формирующего сигнал с заданными характеристическими параметрами. Поэтому на входе АЦП действует продолжительный сигнал, что позволяет измерить ток перемежающегося дугового и при сравнительно невысокой частоте дискретизации и повысить, тем самым, надежность выявления перемежающегося дугового замыкания и упростить тракт АЦП.
Рассмотрим работу предлагаемого способа, используя для этой цели диаграммы фиг. 1, 5-7.
Из входного сигнала защиты  (фиг. 1) путем селективного аналогового преобразования выделяют составляющую переходного процесса  (фиг. 5). В случае входных сигналов защиты в виде фазных токов составляющая переходного процесса перемежающегося дугового замыкания существует на фоне основной гармоники (фиг. 1). Для исключения влияния основной гармоники на измерение импульсного тока выделение составляющей переходного процесса при перемежающемся дуговом замыкании выполняют путем селективного аналогового преобразования, например, с помощью аналогового фильтра заграждения основной гармоники.
Если входным сигналом защиты является ток нулевой последовательности, в котором теоретически при замыкании на землю основной гармоники не существует, селективное аналоговое преобразование выполняют с помощью аналогового фильтра верхних частот.
В другом случае операцию выделения составляющей переходного процесса выполняют путем селективного аналогового преобразования с помощью тракта активно-адаптивного распознавания сигнала (RU 2564536 C1, опубликовано 10.10.2015; Антонов В.И., Наумов В.А., Солдатов А.В., Иванов Н.Г., Митин Д.А. Распознавание слабых гармонических составляющих сигналов в защите генератора от однофазного замыкания на землю. / Электрические станции. 2018. № 1 (1038). С. 52-55.). Этот способ заключается в предварительном адаптивном распознавании составляющей основной гармоники и последующем удалении ее путем вычитания из входного сигнала.
После этого выделенную составляющую переходного процесса (импульсный ток перемежающегося дугового замыкания)  (фиг. 5) трансформируют в контрольный сигнал (фиг. 6 и 7) путем эталонного аналогового преобразования. Тогда на входе АЦП будет действовать длительный контрольный сигнал - сигнал с заданными характеристическими параметрами, амплитуда которого будет пропорциональна пиковому значению составляющей переходного процесса.
Эталонное аналоговое преобразование может быть осуществлено по-разному. Например, оно может быть выполнено с помощью аналогового фильтра с заданной импульсной характеристикой, или с помощью пик-детектора с возможностью сброса своего выходного сигнала через заданный промежуток времени.
Рассмотрим способ, когда эталонное аналоговое преобразование осуществляют с помощью аналогового фильтра с заданной импульсной характеристикой (фиг. 8). В этом случае частота колебаний импульсной характеристики определяется резонансной частотой фильтра ; ей соответствует вершина амплитудно-частотной характеристики (точка А на фиг. 9). Резонансную частоту фильтра  лучше выбрать такой, чтобы отличать реакцию фильтра на импульс тока от присутствующих во входной электрической величине гармоник, например, некратной основной гармонике. На фиг. 9 резонансная частота была выбрана равной =125 Гц. Таким образом, с помощью такого эталонного аналогового преобразования импульсы во входной электрической величине преобразуются в контрольный сигнал с заданными характеристическими параметрами  (фиг. 6), представляющий в данном случае колебания заданной частоты и затухания.
Передаточная функция аналогового фильтра может быть следующей:
p
где  - комплексная переменная,  - резонансная угловая частота аналогового фильтра,  - коэффициент затухания,  - коэффициент усиления.
Как уже говорилось выше, перемежающиеся дуговые замыкания считаются опасными, если период возникновения замыканий становится меньше определенной величины . В отечественной практике релейной защиты принято считать опасными перемежающиеся дуговые замыкания с периодом замыкания менее =70 мс.
Отсюда следует, что для разграничения опасных и неопасных перемежающихся дуговых замыканий необходимо, чтобы в контрольном сигнале присутствовали паузы. Для появления пауз в контрольном сигнале необходимо ограничивать его эффективную длительность, под которой здесь понимается отрезок времени, за который амплитуда импульсной характеристики понижается до заданного порога (5% от амплитуды контрольного сигнала). Иными словами, эффективная длительность импульсной характеристики аналогового фильтра принципиально должна быть меньше граничной значения =70 мс, т.е. , где  - постоянная времени фильтра.
Импульсная характеристика аналогового фильтра на фиг. 9 построена при постоянной времени  мс. Поэтому реакция такого аналогового фильтра успевает понизиться до заданного порога перед тем, как появится следующий импульс при  мс.
В другом случае эталонное аналоговое преобразование осуществляют с помощью пик-детектора с возможностью сброса его выходного сигнала через заданный интервал времени. Выделенный импульсный ток (фиг. 5) путем эталонного аналогового преобразования с помощью пик-детектора, преобразуют в контрольный сигнал  (фиг. 7), который будет иметь форму прямоугольных импульсов с длительностью  и с амплитудой, пропорциональной пиковому значению импульсного тока в соответствии со своей импульсной характеристикой (фиг. 10).
Для разграничения опасных и неопасных перемежающихся дуговых замыканий необходимо, чтобы длительность импульсной характеристики пик-детектора  обеспечивала понижение контрольного сигнала  до нуля еще до того, как появится следующий импульс. На фиг. 7 длительность импульсной характеристики принята равной  мс.
Таким образом, благодаря выделению импульсного тока перемежающегося дугового замыкания непосредственно из входного сигнала путем селективного аналогового преобразования и последующего его трансформирования с помощью эталонного аналогового преобразования в сигнал с заданными характеристическими параметрами еще до АЦП, повышается надежность выявления перемежающегося дугового замыкания без повышения частоты дискретизации тракта АЦП.