Результат интеллектуальной деятельности: НАПРАВЛЕННОЕ ДЕТЕКТИРОВАНИЕ РЕЗИСТИВНОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ И РАЗРЫВА ПРОВОДНИКА СРЕДНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к детектированию замыканий в распределительных электрических сетях, в частности в сетях среднего напряжения. В частности, изобретение предлагает принцип детектирования резистивных замыканий между электрическим проводником среднего напряжения и землей, замыкания, вызванного, например, разрывом проводников, а также соответствующее устройство.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Как показано на фиг.1, электрические распределительные сети 1 могут быть разбиты на несколько уровней, с сетями 2 передачи и распределения сверхвысокого и высокого напряжения СВН/ВН на первом уровне (от 35 до более 200 кВ), используемыми для передачи или распределения электроэнергии от электростанций на большие расстояния. Распределительная сеть 5 среднего напряжения СН, обычно в диапазоне от 1 до 35 кВ, более точно с напряжением 11 кВ между фазой и нейтралью во Франции, берет на себя передачу меньшей мощности потребителям промышленного типа и подстанциям 10, 20, 30, преобразующим высокое напряжение в низкое напряжение НН (в частности, 0,4 кВ во Франции). Низкое напряжение 15, 25, 35 поставляется клиентам с низкой потребностью в электроэнергии с помощью трехфазных проводов 15_А, 15_B, 15_C и нейтрального провода 15_N.

Электрическая сеть 5 СН может быть образована воздушными линиями и/или подземными кабелями. Независимо от структуры, сеть 5 подвержена различным замыканиям, которые важно детектировать и локализовать, чтобы уменьшить возникающие из-за них проблемы: отключение электроэнергии, нарушение прочности изоляционных материалов или безопасность людей. Среди этих замыканий 7 наиболее частыми являются однофазные замыкания, происходящие за пределами первичной подстанции, при которых фаза находится в контакте с землей или происходит разрыв воздушного кабеля, в частности из-за неблагоприятных погодных условий.

Эти замыкания 7, как и многофазные замыкания, которые затрагивают несколько фаз, относятся к типу короткого замыкания и в начале имеют высокие токи, которые могут достигать нескольких тысяч или десятков тысяч ампер, в то время как провода и/или оборудование, как правило, предназначены для того, чтобы выдерживать несколько сотен ампер в номинальном режиме. Например, когда нейтраль N трансформатора непосредственно заземлена, ток замыкания соответствует напряжению сети 5, поделенному на сумму сопротивлений цепи, которая является очень низкой.

Один из вариантов детектирования такого рода замыкания заключается в измерении протекающего тока или относящихся к нему параметров. Тем не менее, эти измерения должны быть выполнены с помощью измерений трехфазных напряжений, если задано соответствующее направление (со стороны линии или со стороны нагрузки) по отношению к оборудованию детектирования замыкания. Тем не менее, напряжение сети 5 СН приводит к усложнению доступа к точкам измерения и проблемам изоляции электронного оборудования: такой тип детектирования направления трудно реализовать.

Кроме того, детектирование тока короткого замыкания само по себе может стать сложным. В частности, заземление сети СН, как правило, выполняется с помощью импеданса: ограничительный элемент типа сопротивления или катушки компенсации вставляется между нейтральной точкой N вторичной обмотки трансформатора 3 и землей в целях повышения общего импеданса на пути тока замыкания, чтобы таким образом уменьшить ток. Это снижает нагрузку на компоненты сети 5, а также обеспечивает защиту людей. В этом случае должны быть сделаны более тонкие измерения тока (чувствительные к замыканию на землю).

Кроме того, другие элементы являются ответственными за ограничение значения тока замыкания и усложняют детектирование: сопротивление земли является одним из факторов, который следует принять во внимание, поскольку свойственно природе замыкания 7. Однако, хотя параметры заземления могут быть учтены путем регулировки настроек оборудования защиты и детектирования во время выполнения установки, то же самое нельзя сказать о характеристиках замыкания, которые являются непредсказуемыми. Среди замыканий, которые наиболее сложно детектировать, в особенности имеет место разрыв проводника СН, который может произойти с контактом или без контакта с землей.

Для таких замыканий с высоким сопротивлением, таким образом, реализовано детектирование через напряжение. Например, документ ЕР 1603211 относится к коммуникационному оборудованию, установленному на концах линии. Детектирование обрыва проводника осуществляется простым детектированием потери напряжения линии. Теоретические исследования указывают на возможность использования обратного напряжения и/или напряжения нулевой последовательности в сети 5 СН. Тем не менее, проблемы, связанные с измерением напряжения на ранее упомянутых средневольтных фазных проводниках, остаются полностью нерешенными.

Таким образом, очевидно, что детектирование и локализация резистивных замыканий в сети среднего напряжения, в частности в случае обрыва проводника, практически не развивались в связи с использованием сложно реализуемых измерений, в частности переключатели напряжений в проводниках среднего напряжения и точные измерения токов короткого замыкания, протекающих в последних.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Среди других преимуществ задачей изобретения является смягчить некоторые недостатки существующих систем детектирования и предложить преимущественно детектирование направления резистивных замыканий на землю в сетях среднего напряжения, особо сосредоточившись на разрыве проводников. В частности, изобретение предполагает использование измерений в низковольтной системе распределения электроэнергии, на стороне нагрузки от СН/ВН подстанции для детектирования и идентификации замыкания со стороны среднего напряжения.

Согласно одному аспекту, изобретение относится к способу детектирования резистивных замыканий на землю, в частности замыканий из-за разрыва проводника, в электрических распределительных сетях среднего напряжения, снабжающих множество линий передач низкого напряжения. Способ содержит определение обратных напряжений для каждой линии передачи, соответствующих симметричной составляющей фазных напряжений, сравнение амплитуды этих обратных напряжений с пороговым значением, которое преимущественно является регулируемым, и указание на возникновение замыкания, когда превышение порогового значения происходит, по меньшей мере, один раз.

Согласно другому аспекту, способ детектирования связан с относительным расположением детектируемого замыкания. Для этого фазовые напряжения обрабатываются, и результат обработки позволяет определить, находится ли детектируемое замыкание со стороны линии или со стороны нагрузки от точки измерения. В частности, определяются стандарт или амплитуда фазных напряжений каждой линии передачи, также как и их среднее значение и их минимальное значение для каждой линии передачи. Среднее значение сравнивается с амплитудами, а минимальное значение сравнивается с пороговым значением.

Согласно еще одному аспекту, изобретение относится к устройству, соответствующему способу детектирования и предпочтительно для вышеуказанного способа направленного детектирования, подходящего для электрических сетей среднего напряжения, которые содержат, по меньшей мере, одну трансформаторную подстанцию среднего напряжения/низкого напряжения, определяющую линию передачи, обеспечивающую множество фазных проводов низкого напряжения.

Согласно одному аспекту изобретения вышеупомянутое устройство объединяется в систему для возможности контроля в электрических сетях среднего напряжения. Для этого устройство принимает образцы сигналов напряжений каждого проводника каждой линии передачи с возможностью их обработки, или множество устройств встраивается на уровне каждой линии передачи, или возможно любое другое сочетание, например, с устройством, выполненным с возможностью приема информации относительно ветви электрической сети. Система дополнительно содержит средство, указывающее на появление замыкания, и предпочтительно относительное расположение последнего на стороне линии или на стороне нагрузки по отношению к точкам поступления сигналов, принятых системой.

В частности, устройство для детектирования резистивного замыкания на землю содержит средство для приема образцов сигналов напряжения каждого проводника линии передачи низкого напряжения, средство для получения образцов сигналов фазных напряжений из принятых сигналов напряжения, средство для определения симметричной составляющей обратного напряжения линии передачи, средство для сравнения обратного напряжения с порогом срабатывания, и, предпочтительно, средство для настройки порога срабатывания. Устройством детектирования предпочтительно оборудована каждая из снабжаемых линий передачи низкого напряжения, в частности оно располагается в трансформаторной подстанции, и система, образованная таким образом, содержит средство для индикации возникновения замыкания в электрических сетях среднего напряжения, когда средство сравнения одного из устройств детектирования выдает результат, в котором модуль обратного напряжения превышает порог срабатывания.

Альтернативно, система для детектирования резистивного замыкания в электрических сетях среднего напряжения в соответствии с изобретением содержит, по меньшей мере, одно устройство детектирования, имеющее средства, которые способны принимать образец сигнала напряжения каждого проводника каждой линии передачи низкого напряжения, получать образцы сигналов фазных напряжений каждой линии передачи, определять симметричную составляющую обратного напряжения последних и сравнивать модуль каждого обратного напряжения с порогом переключения, а также средство для указания возникновения замыкания в электрических сетях среднего напряжения, когда средство сравнения дает результат, в котором обратное напряжение превышает порог переключения.

В случае, когда нейтраль трансформаторных подстанций среднего напряжения/низкого напряжения является заземленной, система согласно изобретению дополнительно содержит датчики напряжения на каждом фазном проводе и на нейтральном проводе.

Устройство согласно изобретению преимущественно выполнено с возможностью направленного детектирования резистивного замыкания, дополнительно содержит средство обработки образцов сигналов фазных напряжений и средство для интерпретации результатов обработки сигналов для определения того, что замыкание произошло со стороны линии или со стороны нагрузки от точки измерения сигналов, принятых упомянутым устройством. В частности, средство обработки содержит средство для вычисления нормы фазных напряжений, средство для вычисления средней нормы, средство для определения минимальной нормы, первое средство для сравнения норм фазных напряжений со своим средним значением и второе средство для сравнения минимальной нормы с пороговым значением.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения изобретения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

Фиг.1 изображает электрическую сеть, на которой используется детектирование согласно изобретению;

Фиг.2А, 2В и 2С изображают проявления различных замыканий напряжений линий НН;

Фиг.3 изображает схематически этапы способа согласно варианту осуществления изобретения;

Фиг.4 изображает устройство детектирования направления согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Когда происходит резистивное замыкание на землю 7 в электрической сети 5 СН, напряжение, протекающее в последней, искажается, по меньшей мере, в рассматриваемой фазе, и эти нарушения могут быть определены на уровне электрических сетей 15, 25, 35 НН, распределяемых электрической сетью 5 СН. В многофазных энергосистемах 1, описанных ранее на фиг.1, детектирование замыкания согласно изобретению осуществляется посредством устройств 100, 200, 300 направленного детектирования на уровне каждой линии передачи НН.

В иллюстрированном предпочтительном варианте осуществления и предпочтительном варианте использования изобретения, устройство 100 связано с каждым трансформатором 10, который содержит три фазных провода 15_A, 15_B, 15_C и нейтральный провод 15_N. Однако от этой идеальной ситуации можно отойти, и энергосистема может содержать другое число фаз, в частности нейтраль может быть компенсированной.

В случае резистивного замыкания 7 в электрической сети 5 СН, представляются три варианта - устройства 100 детектирования направления связаны с неповрежденными линиями передачи 15, устройства 200 расположены на стороне линии от замыкания 7 и устройства 300 находятся на стороне нагрузки от замыкания 7. Замыкание 7 создает очевидное искажение напряжения V фаз, что имеет влияние со стороны нагрузки относительно упомянутого замыкания. Тем не менее, в некоторых случаях могут быть повреждены другие фазы на стороне линии энергосистем НН или даже исправные линии передачи 15.

В частности, на фиг.2 показаны замыкания в случае воздушных трехфазных энергосистем, графическое представление было сохранено, замыкание на стороне линии расположено на чертеже слева. Могут быть идентифицированы шесть видов замыканий (отбрасываем случай трех оборванных проводников, поскольку тогда отсутствует информация электрической природы, и рассматриваются только одновременные замыкания):

i) разрыв на уровне перемычки, элемента, который дает возможность обойти изоляторы на каждой стороне столба, поддерживающего линии (т.е. замыкание 7 бесконечного сопротивления без заземляющего проводника);

ii) разрыв одного проводника с заземлением со стороны линии;

iii) разрыв одного проводника с заземлением со стороны нагрузки;

iv) разрыв двух проводников, один из которых заземлен на стороне линии, а другой на стороне нагрузки;

v) разрыв двух проводников с заземлением на стороне нагрузки;

vi) разрыв двух проводников с заземлением на стороне линии.

В других случаях, например при заземленном проводнике и разорванной перемычке, фактически, одно из двух событий предшествует другому и будет детектировано заранее.

В первых четырех случаях i), ii), iii) и iv), как показано на фиг.2A, подвергается влиянию только напряжение V на стороне нагрузки от замыкания 7. Одна из фаз остается неизменной, а амплитуда напряжений двух других фаз снижается. В случае v) при разрыве двух проводов с заземлением на стороне нагрузки (фиг.2B) влияние оказывается только на напряжение на стороне нагрузки, с уменьшением напряжения каждой фазы, одна из них даже исключается. С другой стороны, в случае vi) разрыва двух проводников с заземлением на стороне линии, также присутствуют изменения напряжения на стороне линии 25 и даже на исправной линии 15 передачи с полным исключением на стороне нагрузки 35.

Для каждой точки измерений возможно вычислить симметричные составляющие напряжения (V_d прямое напряжение, V_i обратное напряжение и V₀ напряжение нулевой последовательности для фазных напряжений V_AN, V_BN, V_CN) с помощью матрицы Фортескью:

Можно отметить, что во всех вышеупомянутых случаях замыканий, что модуль обратного напряжения V_i превышает пороговое значение S_d, которое может быть установлено между 4 и 20% от номинального тока, желательно на уровне 12%, по меньшей мере, в одной из точек 100, 200, 300 измерений. Таким образом, наличие замыкания можно детектировать, вычисляя эту симметричную составляющую. В случае с энергосистемой с n фазами, приведенные выше формулы, в частности в матрице Фортескью, должны быть корректированы путем замены цифры 3 на n.

Детектированное замыкание находится на стороне нагрузки от точки измерения, за исключением ситуации vi), когда только линии 25 передачи со стороны линии и неповрежденные линии 15 передачи указывают на его присутствие. Чтобы локализовать замыкание 7 по отношению к точке 100, 200, 300 измерения, важно установить последний случай vi), в котором V_i300 <S_d. Может быть установлено, что только в первых четырех случаях i), ii), iii), iv) и не в проблемном случае vi), для точки измерения при замыкании со стороны нагрузки, среднее значение µ между амплитудами фазных напряжений больше двух номинальных значений ||V_xn||. Кроме того, чтобы различать два оставшихся случая v) и vi), для которых среднее между амплитудами фазных напряжений ниже двух номинальных значений, будь то замыкание 7 на стороне линии или на стороне нагрузки, может быть установлено, что точка измерения на стороне нагрузки от замыкания указывает, что, по меньшей мере, одно из фазных напряжений исключается, то есть минимальная V_min из амплитуд фазных напряжений ||V_xn|| ниже порогового значения S_v. Таким образом, можно, зная только фазные напряжения, определить, находится ли детектированное замыкание со стороны линии или со стороны нагрузки от измерения.

Таким образом, принцип детектирования и расположения согласно изобретению основаны на измерении фазных напряжений в распределенных энергосистемах 15, 25, 35 НН исключительно для детектирования резистивного замыкания типа разрыва проводников с помощью обратного напряжения, затем относительной локализации замыкания с помощью амплитуд. На первом этапе, как показано на Фиг.3, измеряются напряжения каждой фазы V_A, V_B, V_c в энергосистемах 15, 25, 35 НН, как и напряжение нейтрали V_N. Обратная симметричная составляющая V_i определяется с помощью подходящей формулы. Если обратное напряжение V_i не превышает порог переключения S_d, тогда в энергосистеме, напрямую снабжающей линию передачи, замыкание не детектировано, и измерение возобновляется через определенные промежутки времени для непрерывного контроля.

Когда обратное напряжение V_i превышает порог переключения S_d, идентифицируется резистивное замыкание и может быть реализован второй этап метода, т.е. определение направления местоположения. Простое детектирование возникновения замыкания может быть доведено до сведения пользователей с помощью зажигания диода или с помощью другой системы оповещения.

Чтобы найти замыкание 7 на стороне линии или на стороне нагрузки от точки измерения напряжений V_xn, для каждой фазы X определяются амплитуды ||V_xn|| напряжений, например среднее квадратичное или другие, и вычисляется их среднее арифметическое µ. Если, по крайней мере, две нормы ||V_xn|| превышают среднее μ, то замыкание 7 имеет место на стороне линии от точки 300 измерения. В противном случае, вычисляются минимальные значения V_min фазных напряжений амплитудой ||V_xn||, и если это минимальное значение V_min превышает пороговое значение S_v, установленное, например, на уровне 5% от номинального значения энергосистемы, то замыкание 7 имеет место на стороне линии от точки 300 измерения, в противном случае - на стороне нагрузки.

Расположение замыкания 7 на стороне нагрузки от точки измерения в действительности относится как к исправной линии 15 передачи, так и трансформатору 20, расположенному на поврежденной линии. Однако затем легко идентифицировать ветвь электрической сети 5 СН, где произошло замыкание, учитывая, что это единственная линия передачи для которой, по меньшей мере, один из установленных датчиков 300 не указывает на замыкание. Замыкание на самом деле произошло в L между двумя точками измерений, одной - соответствующей всем вышеперечисленным критериям, и другой - не соответствующей последнему.

В результате D, L могут быть указаны непосредственно на уровне трансформаторных подстанций путем зажигания диодов, в частности, разного цвета, или с помощью централизованной системы удаленного типа на функциональной схеме электрической сети 1, например, для дистанционной индикации в центр управления.

В заключение, с помощью этого принципа индикации можно найти замыкание 7, которое во всех случаях и в любой ситуации находится между "горящим" детектором и "негорящим" детектором. Детектирование резистивного замыкания на землю, разрыва проводника СН выполняется без датчиков тока (и, следовательно, без низкого предела детектирования) с помощью измерителей напряжения, установленных в сети НН, которые, в дополнение к простоте установки, обеспечивают лучшую точность измерения.

Средство 50 детектирования в виде датчика напряжения устанавливается таким образом на каждой линии передачи НН, в частности на уровне трансформаторов 10, 20, 30 НН, питаемых электрической сетью 5 СН. Они связаны с системой контроля в электрической сети СН, содержащей устройства 100, 200, 300 детектирования направления, обеспечивая обработку информации от каждой линии передачи, причем упомянутые устройства 100, 200, 300 имеют возможность быть встроенными в каждый трансформатор 10, 20, 30 или образуют часть центральной системы, в которую передается информация от каждого датчика 50. Данные от этих устройств 100, 200, 300 направленного детектирования дают возможность выявления относительного расположения замыкания между двумя устройствами. На фиг.4 проиллюстрирован предпочтительный вариант осуществления устройства, подходящего для реализации способа согласно изобретению.

Устройство 100 направленного детектирования согласно изобретению содержит средство 110 для получения образцов сигналов фазных напряжений V_A, V_B, V_C, V_N, предоставляемых датчиками 50 и принятых соответствующим средством устройства 100. В предпочтительном варианте осуществления сигналы, предварительно отфильтрованные соответствующим средством 112, таким как аналоговый фильтр, V_af, V_Bf, V_cf, V_nf обрабатываются дополнительно и средство 110 для получения образцов сигналов содержит модуль 114 дискретизации, работающий, в частности, с частотой более 1 кГц, тем самым выдавая фильтрованные сигналы дискретизации V_af*, V_вf*, V_cf* на средство 116 вычисления комплексных векторов, позволяя получить фазные напряжения V_AN, V_BN, V_CN. Следует отметить, что если нейтраль энергосистемы НН не распределяется, то использование измерения напряжений между фазами U_AB, U_BC, U_CA позволяет восстановить искусственную нейтраль с помощью преобразования "треугольник-звезда".

Сигналы V_xn, приходящие из средства 110 получения, передаются в блок 120 детектирования замыкания 7, который, в частности, содержит средство 122 для определения, по меньшей мере, одного из V_i симметричных составляющих напряжения, в частности, с помощью матрицы Фортескью. Модуль обратного напряжения |V_i|, определяется соответствующим средством 124. Блок 120 детектирования содержит средство 126 для сравнения модуля обратного напряжения с порогом детектирования S_d, если пороговое значение будет превышено, то детектировано замыкание D и активируется блок 130 обработки. Главным образом, средство 128 предназначено для регулировки порога переключения S_d, в частности, во Франции между 4 и 20% от номинального значения.

Блок 130 обработки принимает сигналы V_aN, V_bn, V_cn от средства 110 получения. Он содержит средство 132 для вычисления их нормы (или амплитуды, среднеквадратичного значения или другого) ||V_AN||, ||V_BN||, ||V_CN||. Полученное значение передается на первое средство 134 для сравнения минимума нормы V_min с пороговым значением S_v. Параллельным образом, полученные нормы ||V_AN||, ||V_BN||, ||V_CN|| последовательно передаются в средство 136 вычисления среднего арифметического µ трех входных данных и на второе средство 138 сравнения, которое содержит четвертый вход, соответствующий вычисленному среднему µ. Средства 132, 138 сравнения подключены к средству 140 интерпретации, на выходе которого появляется сигнал L направленного детектирования замыкания на землю на стороне нагрузки или на стороне линии от датчиков 50 согласно результатам интерпретации.

Второе средство 138 сравнения сравнивает каждую норму ||V_xп|| со своим средним µ и предпочтительно выдает двоичный сигнал согласно направлению сравнения на средство 140 интерпретации. В предпочтительном варианте осуществления, средство 140 интерпретации или второе средство 138 сравнения содержит средство суммирования двоичных результатов сравнения.

Элементы 110, 120, 130 устройства направленного детектирования могут быть сгруппированы вместе в устройстве, которое может быть, например, объединено с четырьмя датчиками 50 и находиться в трансформаторной подстанции СН/НН. Они также могут быть разделены при помощи, например, средства 110 получения, связанного с датчиками 50 в трансформаторной подстанции, и блоками детектирования и обработки, интегрированными в центр управления, при этом фазные напряжения автоматически или не автоматически передаются в эти блоки. В частности, каждый из блоков 110, 120, 130 может обрабатывать множество линий передач, одновременно либо последовательно и содержать подходящие запоминающие устройства.

Таким образом, согласно изобретению средство для измерения напряжения каждого проводника устанавливается на линиях передачи НН предпочтительно на уровне каждого трансформатора, питаемого от электрической сети СН, которую необходимо контролировать. Средство измерения выполнено с возможностью измерения напряжения каждой фазы и напряжения нейтрали. Полученные сигналы передаются на одно или несколько устройств детектирования, которые выполнены с возможностью определения результирующего обратного напряжения и амплитуды. Решение согласно изобретению представляет преимущество рассмотрения проблемы обрыва проводников СН, позиционируя себя с точки зрения напряжений в энергосистеме НН, где измерительные приборы проще, и рассматривая исчерпывающим образом весь диапазон возможных ситуаций для одного или нескольких поврежденных проводников (для трехфазной энергосистемы).

Система или способ согласно изобретению могут быть связаны с защитными устройствами электрической сети 5, например защитным реле, которое расцепляет и изолирует замкнутые ветви энергосистемы, в случае детектирования замыкания в упомянутой ветви.

Согласно другому варианту, может быть предусмотрена отложенная индикация, например, при помощи журнала событий. Любой вид прямой, локальной или удаленной, немедленной или отложенной индикации или любой более радикальный тип действия может быть связан с детектированием согласно изобретению.

Хотя изобретение было описано со ссылкой на воздушные электрические сети, оно никоим образом не ограничивается ими. Изобретение находит такое же применение и те же варианты осуществления в частично или полностью подземных электрических сетях, где обрыв кабеля может произойти после повреждения или износа изоляторов или повреждения других компонентов, которые могут быть затронуты изобретением. Кроме того, элементы, представленные для выполнения вышеупомянутых функций, могут быть заменены эквивалентами. В частности, напряжение может быть измерено любым типом датчика (резистивный, емкостной, электрическое поле,...), и средства обработки сигналов могут принимать соответствующие формы, в частности, для вычисления обратного напряжения.