СИСТЕМА И СПОСОБ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ
SYSTEM AND METHOD FOR DETERMINATION OF SHORT-CIRCUIT GROUND LOCATION IN ELECTRIC NETWORKS

Уровень техники изобретения и предшествующий уровень техники
Настоящее изобретение, в целом, относится к решениям для компенсации токов короткого замыкания на землю в многофазной электрической сети. В частности, изобретение относится к системе для определения местоположения короткого замыкания на землю согласно преамбуле пункта 1 формулы изобретения и соответствующему способу. Изобретение также относится к компьютерной программе и считываемому процессором носителю.
Сегодня существуют технические решения, чтобы быстро и полностью компенсировать ток короткого замыкания при коротком замыкании на землю в высоковольтной электрической сети. Например, заявитель спроектировал систему, которая может устранять любой ток ошибки в пределах менее 60 миль без влияния на передачу мощности неисправной частью устройства. Такое быстрое вмешательство, конечно, является полезным, поскольку оно значительно уменьшает риск последующего повреждения, такого как короткие замыкания, возгорания и/или несчастные случаи.
WO 2014/021773 раскрывает решение, в котором управляемый заземляющий измерительный преобразователь размещается, чтобы компенсировать остаточный рабочий ток при коротком замыкании на землю сети подачи мощности переменного напряжения с трансформатором питания. Первичная обмотка заземляющего трансформатора соединяется с электрической сетью, а вторичная катушка заземляющего трансформатора соединяется между нулевой точкой электрической сети и заземлением, заземляющий трансформатор содержит два или более соединителей обмотки и блок управления, который через соединители обмотки управляет вторичными напряжениями заземляющего трансформатора с амплитудами и фазными углами относительно сигнала напряжения трансформатора подачи мощности.
Проблема с ранее известными технологиями
Одним недостатком очень быстрого вмешательства является то, что возможность определения местоположения фактического места короткого замыкания является сильно ограниченной. Вследствие нормативных причин, зачастую требуется, чтобы возможный ток короткого замыкания мог быть быстро уменьшен до нуля, или почти до нуля, и все еще не существует доступный способ для определения местоположения короткого замыкания, вызванного ошибочным током. Например, ток короткого замыкания не должен превышать пороговое значение, которое типично значительно ниже тока, который возникает, если напряжение питания будет приложено, чтобы обнаруживать возможную неисправность. Последующее определение местоположения, таким образом, рискует вызвать формирование искры, которая, в свою очередь может вызвать, например, лесной пожар. Следовательно, с помощью способов, известных до сих пор, невозможно определять безопасным способом, была ли неисправность де факто временной, как часто бывает в сети воздушных линий, либо неисправность имеет постоянную природу.
Сущность изобретения
Задачей изобретения, следовательно, является решение вышеупомянутой проблемы, таким образом, предоставляющее средство определения местоположения любого короткого замыкания на землю в многофазной электрической сети, в то же время удовлетворяя текущим требованиям посредством решения устранения токов короткого замыкания надежным и быстрым образом.
Согласно одному аспекту изобретения, задача первоначально описанной системы решается, причем система содержит, по меньшей мере, один датчик, размещенный в электрической сети и соединенный с возможностью связи с блоком управления. По меньшей мере, один датчик приспособлен для регистрации значений измерений, представляющих ток нулевой последовательности и полную проводимость нулевой последовательности. В режиме обнаружения короткого замыкания блок управления выполнен с возможностью постепенно регулировать выходное напряжение от источника переменного напряжения относительно амплитуды и/или фазного угла, так что одно из изменившегося тока нулевой последовательности и полной проводимости нулевой последовательности между источником переменного напряжения и местом короткого замыкания может быть измерено посредством, по меньшей мере, одного датчика. По меньшей мере, один датчик, в свою очередь, выполнен с возможностью применять зарегистрированные измеренные значения, представляющие ток нулевой последовательности и/или полную проводимость нулевой последовательности, к блоку управления. В режиме обнаружения короткого замыкания блок управления дополнительно выполнен с возможностью обнаруживать короткое замыкание на землю на основе, по меньшей мере, значений измерения, представляющих изменения тока нулевой последовательности и/или полной проводимости нулевой последовательности.
Эта система является полезной, поскольку она делает возможным обнаружение местоположения короткого замыкания без риска превышения тока максимальной мощности в месте короткого замыкания. Не является проблематичным предоставление возможности блоку управления регулировать напряжение источника переменного тока так, что его выходной ток в режиме обнаружения короткого замыкания ниже некоторого порогового значения, скажем 0,5 А. Этот ток является пределом пост-локализации короткого замыкания на землю в областях Австралии, которые являются особенно чувствительными к лесным или степным пожарам.
Согласно предпочтительному варианту осуществления этого аспекта изобретения, блок управления выполнен с возможностью переключаться в режим компенсации короткого замыкания после режима обнаружения короткого замыкания. Следовательно, передача мощности через часть неисправного устройства может продолжаться до тех пор, пока точное местоположение короткого замыкания не будет установлено, и пока необходимые ресурсы для устранения короткого замыкания не будут выделены.
Согласно другому предпочтительному варианту осуществления этого аспекта изобретения, блок управления, в режиме обнаружения короткого замыкания, выполнен с возможностью управлять источником переменного напряжения, чтобы выводить переменное напряжение в электрической сети, причем переменное напряжение накладывается на напряжение электрической сети и постепенно изменяется, и его частота отличается от частоты электрической сети. Это обеспечивает обнаружение короткого замыкания на землю посредством, по меньшей мере, одного датчика.
Является особенно предпочтительным, если блок управления выполнен с возможностью управлять источником переменного напряжения, чтобы выводить переменное напряжение с особой накладываемой формой сигнала, и если, по меньшей мере, один датчик выполнен с возможностью обнаруживать особую форму сигнала. Таким образом, некоторые типы коротких замыканий на землю могут быть обнаружены и локализованы даже более эффективно.
Согласно другому аспекту изобретения, задача вышеописанного способа решается, при этом будут зарегистрированы измеренные значения, которые представляют ток нулевой последовательности и полную проводимость нулевой последовательности, посредством, по меньшей мере, одного датчика, размещенного в электрической сети, и в режиме обнаружения короткого замыкания. Напряжение, выводимое из источника переменного напряжения, постепенно регулируется относительно амплитуды и/или фазного угла, так что изменение тока нулевой последовательности и полной проводимости нулевой последовательности между источником переменного напряжения и коротким замыканием может быть измерено с помощью, по меньшей мере, одного датчика. На основе одного из измеренных значений, представляющих изменение тока нулевой последовательности и/или полной проводимости нулевой последовательности, возможное короткое замыкание на землю обнаруживается. Преимущества, достигнутые посредством этого способа, также как и с предпочтительными вариантами его осуществления, являются очевидными из обсуждения выше со ссылкой на предложенную систему.
Согласно дополнительному аспекту изобретения, задача решается посредством программы системы программного обеспечения, которая является загружаемой в память, по меньшей мере, одного процессора, при этом компьютерная программа содержит программное обеспечение для выполнения предложенного выше способа, когда компьютерная программа работает, по меньшей мере, в одном процессоре.
Согласно другому аспекту изобретения, задача решается посредством компьютерно-читаемого носителя, имеющего программу, сохраненную на нем, причем программа выполнена с возможностью инструктировать, по меньшей мере, одному процессору выполнять предложенный выше способ, когда программа загружена, по меньшей мере, в один процессор.
Дополнительные преимущества, полезные признаки и применения настоящего изобретения будут очевидны из последующего описания и зависимых пунктов формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Изобретение будет сейчас объяснено более подробно посредством вариантов осуществления, которые показаны в качестве примера, со ссылкой на сопровождающие чертежи.
Фиг. 1 иллюстрирует первое решение предшествующего уровня техники для резонансного заземления.
Фиг. 2 иллюстрирует второе решение предшествующего уровня техники для компенсации остаточного тока.
Фиг. 3 показывает однолинейную схему согласно одному варианту осуществления изобретения для определения местоположения короткого замыкания на землю.
Фиг. 4 иллюстрирует, посредством блок-схемы последовательности операций, способ согласно варианту осуществления изобретения.
Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
+
-
0
L
Первоначально, ссылка выполняется на фиг. 1, который иллюстрирует упомянутое в начале известное решение для так называемого резонансного заземления в многофазной электрической сети. Фиг. 1 показывает преобразование электрической сети в ее симметричный компонент. Электрическая сеть здесь включает в себя источник 110 мощности, который подает задающее напряжение E в электрическую сеть и исходные импедансы Z, Z и Z, а также полезную нагрузку Z в электрической сети.
0
L
Если короткое замыкание на землю происходит в форме однофазного заземления 1Ø, ток короткого замыкания может быть уменьшен посредством дросселя 120 нулевой точки, соединенного между нулевой точкой N и заземлением E. Дроссель 120 нулевой точки является переменной индуктивностью L, которая формирует параллельный резонансный контур с емкостным током 3C утечки электрической сети. С другой стороны, передача полезной нагрузки Z должна быть ограничена системой плюсовой и минусовой последовательности, т.е., между короткими замыканиями; и, с другой стороны, дроссель 120 нулевой точки должен быть приспособлен для согласования переменных токов утечки, которые возникают в электрической сети во время эксплуатации.
Основная предпосылка для ограничения передачи мощности плюсовой последовательности и минусовой последовательности предоставляется в подавляющем большинстве существующих электрических сетей. Резонансное заземление сегодня является преобладающей системой для существующих высоковольтных распределительных сетей.
Немедленным результатом ограничения тока на однофазных площадках 1Ø является то, что наложения световой дуги, которые являются самыми частыми неисправностями в сетях воздушных линий, самоизолируются. Дроссель 120 нулевой точки, следовательно, также называется гасящей катушкой или катушкой Петерсена по имени изобретателя Вальдемара Петерсена.
При коротком замыкании на землю дроссель 120 нулевой точки компенсирует емкостные токи утечки. Резистивные токи утечки остаются без компенсации, и резистивные токи утечки обычно представляют 5-10% суммарного тока короткого замыкания на землю.
Поскольку все больше и больше сетей воздушных линий заменяются подземными кабелями, емкостные токи утечки электрической сети, как правило, увеличиваются. Это также увеличивает резистивные токи утечки в электрических сетях. Как следствие, некомпенсированные резистивные остаточные токи также увеличиваются, что, в свою очередь подвергает риску проявление функции самогашения в этой части электрической сети, которая все еще включает в себя сети воздушных линий. По причинам безопасности это, конечно, является неприемлемым.
0
Фиг. 2 иллюстрирует второе решение предшествующего уровня техники для компенсации остаточного тока, которое является дальнейшим развитием структуры на фиг. 1. Теперь настроенный параллельный резонансный контур 3C//L здесь исключается ради ясности.
+
-
0
L
0
По аналогии с фиг. 1, фиг. 2 показывает задающее напряжение E от источника 210 мощности, исходные импедансы Z, Z и Z и полезную нагрузку Z. Кроме того, содержится устройство 220 компенсации остаточного тока, которое, в свою очередь, включает в себя источник (-) E напряжения, который синхронизируется с электрической сетью, который вводит компенсирующий ток между нулевой точкой и заземлением электрической сети, причем этот компенсирующий ток является равным остаточному току, но фаза искажена на 180° относительно фазного угла остаточного тока. Источник (-)E напряжения устройства 220 компенсации остаточного тока является параллельным с суммой резистивных токов R/3 электрической сети. Затем, как описано выше, известные решения не предоставляют возможности локализации местоположения короткого замыкания во время компенсации остаточного тока, в то же время удовлетворяя нормативным требованиям для максимальной силы тока, изобретение нацелено на решение этой проблемы.
Фиг. 3 показывает однолинейную схему согласно одному варианту осуществления изобретения для определения местоположения короткого замыкания на землю в многофазной электрической сети.
В общих чертах, предложенная методология предполагает, что, после того как неисправность была обнаружена, и ток короткого замыкания на землю был компенсирован согласно вышеописанному со ссылкой на фиг. 2, напряжение/ток предполагаемого местоположения короткого замыкания постепенно увеличивается, в то время как соответствующие параметры измеряются в электрической сети. В этом режиме обнаружения короткого замыкания используется тот же источник переменного напряжения, который используется для компенсации остаточного тока в режиме компенсации тока короткого замыкания.
Более конкретно, в режиме обнаружения короткого замыкания, сигнал локализации короткого замыкания накладывается посредством источника (-)E мощности для компенсации остаточного тока. Соотношение между током и напряжением в месте короткого замыкания определяется посредством первоначально неизвестного импеданса короткого замыкания, вместе с исходным импедансом цепи короткого замыкания. Для того, чтобы гарантировать, что ток, получающийся в результате сигнала локализации, не превышает заданные пределы, напряжение сигнала локализации постепенно увеличивается до тех пор, пока место короткого замыкания не будет определено посредством специально приспособленных датчиков, альтернативно до тех пор, пока не будет достигнут максимальный уровень напряжения, что бы ни произошло первым.
На фиг. 3 многофазная электрическая сеть питается посредством источника 310 мощности. Система, предложенная согласно изобретению, содержит синхронизированный с электрической сетью источник 380 переменного напряжения, который подключается между нулевой точкой N сети и заземлением E.
0
Система также включает в себя блок 370 управления, который приспособлен для управления источником 380 переменного напряжения в режиме компенсации тока короткого замыкания, чтобы компенсировать какой-либо ток ΔI короткого замыкания на землю в резонансно-заземленной электрической сети до значения, лежащего ниже порогового уровня. Дополнительно, трехфазный измерительный трансформатор 340 соединяется с контроллером 370, причем этот трехфазный измерительный трансформатор 340 выполнен с возможностью измерять напряжение 3U нулевой последовательности, чтобы определять, существует ли короткое замыкание на землю в электрической сети.
OL1P
OL1D
OL2P
OL2D
OLNP
OLND
Система дополнительно включает в себя, по меньшей мере, один датчик, здесь приведенный в пример по ссылкам 351, 352, 35N, 361, 362 и 36N, причем этот датчик размещается в электрической сети и соединяется с возможностью связи с блоком 370 управления. По меньшей мере, один датчик 351, 352, 35N, 361, 362 и/или 36N дополнительно выполнен с возможностью регистрировать значения Y, Y, Y, Y, Y и Y измерений, представляющие ток нулевой последовательности и полную проводимость нулевой последовательности, так что эти параметры могут быть сообщены блоку 370 управления.
Во время текущей компенсации остаточного тока режим обнаружения короткого замыкания может быть активирован автоматически, или в ответ на команду блоку 370 управления, причем эта команда была сформирована оператором электрической сети.
P
В режиме обнаружения короткого замыкания блок 370 управления выполнен с возможностью поступательно регулировать выходное напряжение U  от источника 380 переменного напряжения относительно амплитуды и/или фазного угла, так что ток нулевой последовательности и/или полная проводимость нулевой последовательности между источником 370 переменного напряжения и возможным местом короткого замыкания изменяются.
OL1P
OL1D
OL2P
OL2D
OLNP
OLND
OL1P
OL1D
OL2P
OL2D
OLNP
OLND
По меньшей мере, один из датчиков 351, 352, 35N, 361, 362 и/или 36N регистрирует значения Y , Y, Y, Y, Y  и Y измерений, представляющие ток нулевой последовательности и/или полную проводимость нулевой последовательности, и передает эти значения Y , Y, Y, Y, Y и Y  измерений блоку 370 управления.
OL1P
OL1D
OL2P
OL2D
OLNP
OLND
В режиме обнаружения короткого замыкания блок 370 управления выполнен с возможностью локализовать короткое замыкание GF на землю на основе, по меньшей мере, одного из измеренных значений Y, Y, Y, Y, Y и Y, представляющих ток нулевой последовательности и/или полную проводимость нулевой последовательности, по меньшей мере, от одного датчика 351, 352, 35N, 361, 362 и/или 36N. В то же время, посредством измерения тока в заземлении 390 дросселя 330 нулевой точки, блок 370 управления проверяет, что изменение тока ΔI не превышает максимальный допустимый уровень.
N
1
2
N
SW
Предпочтительно, блок 370 управления выполнен с возможностью переключаться в режим компенсации короткого замыкания, после того как режим обнаружения короткого замыкания закончился, если короткое замыкание GF на землю было локализовано. Альтернативно, ассоциированная линия ветви проводника, такая как L на фиг. 3, может быть отсоединена от источника 310 мощности. На фиг. 3 показаны переключатели 321, 322 и 32N тока, которые размещаются на соответствующей линии L, L и L и являются индивидуально управляемыми из блока 370 управления на основе управляющего сигнала CtrI.
Если короткое замыкание на землю не обнаруживается, блок 370 управления предпочтительно выполнен с возможностью отсоединять источник 380 переменного напряжения.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, блок 370 управления в режиме обнаружения короткого замыкания выполнен с возможностью управлять источником 380 переменного напряжения, чтобы выводить переменное напряжение в электрическую сеть, которое (i) накладывается на напряжение электрической сети, (ii) постепенно изменяется, и (iii) частота которого отличается от частоты электрической сети. Соответственно, обнаружение сигнала обеспечивается посредством, по меньшей мере, одного датчика 351, 352, 35N, 361, 362 и/или 36N.
Особенно предпочтительным является то, конфигурируется ли блок 370 управления, чтобы управлять источником 380 переменного напряжения, чтобы выводить переменное напряжение в электрическую сеть с наложенной формой сигнала, и, по меньшей мере, один датчик 351, 352, 35N, 361, 362 и/или 36N специально выполнен с возможностью обнаруживать эту наложенную форму сигнала.
В целом, является предпочтительным, если блок 370 управления выполнен с возможностью задействовать вышеописанную процедуру полностью автоматическим образом, например, посредством выполнения компьютерной программы в процессоре. Следовательно, блок 370 управления преимущественно включает в себя запоминающее устройство 375, которое хранит компьютерную программу, включающую в себя программное обеспечение для выполнения процедуры, когда программа работает в процессоре.
Для того, чтобы подвести итог, и со ссылкой на блок-схему последовательности операций на фиг. 4, мы сейчас опишем вариант осуществления способа предложенного изобретения.
На первом этапе 410 изучается, должен ли быть применен режим компенсации тока короткого замыкания. Если это не тот случай, процедура циклически возвращается и заканчивается на этапе 410. Если на этапе 410 было обнаружено короткое замыкание на землю, следует этап 420, на котором компенсация выполняется для тока короткого замыкания на землю, так что ток короткого замыкания на землю ниже порогового значения. Затем следует этап 430.
На этапе 430 проверяется, должен ли быть активирован режим обнаружения короткого замыкания. Если это не тот случай, процедура циклически возвращается обратно к этапу 420 для непрерывной компенсации тока короткого замыкания на землю. Если на этапе 430 обнаруживается, что режим обнаружения короткого замыкания должен быть активирован, этапы 440 и 450 активируются, предпочтительно параллельно друг с другом.
На этапе 440 источник переменного напряжения управляется, чтобы постепенно регулировать выходное напряжение от источника переменного напряжения относительно амплитуды и фазного угла, так, чтобы приводить в результате к изменению тока нулевой последовательности и полной проводимости нулевой последовательности между источником переменного напряжения и местом короткого замыкания.
На этапе 450 ток нулевой последовательности и/или полная проводимость нулевой последовательности между источником переменного напряжения и местом короткого замыкания измеряется посредством специально приспособленных датчиков, установленных в электрической сети.
P
Pmax
После этапа 440 следует этап 480, когда проверяется, является ли выходное напряжение U от источника переменного напряжения ниже или равным максимально допустимому значению U . Если так, процедура переходит к этапу 460, а иначе следует этап 490.
После этапа 450 следует этап 460, когда изучается, было ли короткое замыкание на землю обнаружено посредством измерений на этапе 450. Если так, следует этап 470, а иначе цикл переходит обратно к этапам 440 и 450 для непрерывной локализации короткого замыкания.
На этапе 470 проверяется, должна ли ветвь линии, на которую повлияло короткое замыкание на землю, быть отсоединена; и если так, происходит отсоединение подвергшейся воздействию ветви линии, процедура переходит к этапу 410. Иначе, процедура возвращается к этапу 420.
На этапе 490 источник переменного напряжения отсоединяется. Затем процедура возвращается к этапу 410.
Вышеописанные этапы, также как любая случайная их последовательность, описанная со ссылкой на фиг. 4, может управляться посредством запрограммированного процессора. Кроме того, хотя вышеописанные варианты осуществления изобретения, со ссылкой на чертежи, содержат компьютерные и компьютерно-реализованные процессы, изобретение распространяется, в частности, на носителе или в носителе, приспособленном, чтобы на практике реализовывать изобретение. Программа может быть в форме исходного кода, объектного кода, кода, который представляет промежуточный код между исходным и объектным кодом, например, в частично скомпилированной форме, или в любой другой форме, подходящей для использования при реализации настоящего изобретения. Носитель может быть любым объектом или устройством, приспособленным для переноса программы. Например, носитель может содержать носитель хранения, такой как флеш-память, ROM (постоянное запоминающее устройство), например, CD (компакт-диск) или полупроводниковое ROM, EPROM (электрически программируемое ROM), EEPROM (стираемое EPROM) или магнитный записываемый носитель, например, гибкий или жесткий диск. Кроме того, носитель может быть перегружаемым носителем, таким как электрический или оптический сигнал, который может передаваться по электрическому или оптическому кабелю или посредством радиоволн или другими средствами. Когда программа состоит из сигнала, который может быть направлен напрямую посредством кабеля или другого устройства или элемента, носитель может быть таким кабелем, устройством или элементом. Альтернативно, носитель может быть интегральной схемой, в которую внедряется программа, при этом интегральная схема приспособлена выполнять или использоваться в выполнении соответствующих процессов.
Изобретение не ограничивается вариантами осуществления, описанными со ссылкой на чертежи, но может свободно варьироваться в рамках прилагаемой формулы изобретения.
Термин "включает в себя/включающий в себя", когда используется в данном документе, этот термин понимается как ссылка на наличие указанных отличительных признаков, целых частей, этапов или компонентов. Однако, термин не исключает наличия или добавления одного или более дополнительных отличительных признаков, целых частей, этапов или компонентов или их групп.