Способ и устройство для определения неисправной фазы

Изобретение относится к диагностике трехфазных электрических цепей. Сущность: определяют значения первого индикатора в каждой из трех фаз на основе соотношения фазового тока в измеряемой фазе и отрицательной составляющей тока и соотношения максимума всех фаз и импеданса цепи фазы, замкнутой на землю. Определяют значения второго индикатора в каждой из трех фаз на основе соотношения максимума фазовых токов всех фаз и фазового тока в измеряемой фазе и соотношения минимума значений первого индикатора всех фаз и первого индикатора в измеряемой фазе. Выявляют неисправную фазу, если значения второго индикатора в этой фазе ниже заданного порогового значения. Технический результат: минимальное количество настроек, независимость от вариаций нагрузки, условий заземления и вариаций постоянной составляющей тока. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для определения неисправной фазы или фаз трехфазной электрической сети в аварийной ситуации.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Одна из основных задач всех систем защиты является быстрая изоляция неисправной части от остальной сети электропитания для поддержания ее устойчивой работы. Полное отключение, например, линии высоковольтной передачи или линии пониженного напряжения всегда угрожает устойчивой работе одной или более сетям электропитания. Это обусловлено тем, что линии высоковольтной передачи передают электрическую энергию от производительной части к потребляющей части энергосистемы, и их разъединение всегда вызывает дисбаланс между произведенной и потребленной энергией в отключенных частях.

Большинство неисправностей, например, на воздушных линиях представляют собой замыкание одной фазы на землю, которое устраняется после короткого перерыва электропитания. По этой причине в электросетях применяются однополюсные автоматические размыкатели, и неисправная фаза размыкается на короткое время, а риск потери устойчивости сети электропитания минимизируется до возможно низкого уровня. Надежная функция выявления фазы, обеспечивающая определение неисправных фаз(ы), связана, например, с функцией обеспечения дистанционной защиты с помощью блока реле защиты. Отказ в определении неисправной фазы весьма вероятно будет сопровождаться ошибками в исполнении обеих этих функций.

Функции определения фазы простейшим образом исполняются на основе только токов в фазах. Чувствительность этого метода обычно ограничена, например, нагрузкой и сопротивлением короткого замыкания. Улучшенная чувствительность достигается при использовании симметричных составляющих токов или если эта операция дополняется критерием импеданса (полного сопротивления). Такие определители фазы обычно используют в дистанционных реле.

Одним из недостатков фазовых селекторов, основанных на измерениях тока и импеданса, является то, что они требуют нескольких настроек. Они, следовательно, могут представлять трудности для настройки пользователем. Вычисление необходимых параметров настройки требует огромного опыта и знаний конкретной электросети. Это вызывает особые трудности при использовании критериев тока и импеданса одновременно в работе фазового селектора.

В патенте США 5783946 описан способ определения неисправной фазы. Недостатком приведенного решения является то, что для своего функционирования оно требует наличия данных до момента повреждения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью настоящего изобретения является создание способа и устройства, устраняющих вышеуказанные недостатки или, по крайней мере, снижающих их влияние. Цели настоящего изобретения достигаются прелагаемыми способом и устройством, которые заявлены в независимых пунктах 1 и 8 формулы изобретения. Предпочтительные варианты воплощения данного изобретения раскрыты в зависимых пунктах.

Настоящее изобретение основано на идее использования критериев тока и импеданса с применением значений соотношения тока и импеданса для идентификации неисправных фаз(ы).

Преимуществом способа и устройства согласно данному изобретению является то, что они требуют только минимального количества настроек даже при совместном использовании критериев тока и импеданса с целью повышения чувствительности. Способ и устройство согласно данному изобретению также в значительной степени независимы от вариаций, например, нагрузки и условий заземления, а также от постоянной составляющей тока, которая может в других случаях привести к сбоям или сильному запаздыванию при осуществлении этой функции.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение будет более подробно описано ниже на предпочтительных вариантах воплощения со ссылками на приложенные чертежи, где

Фиг.1 - блок-схема, иллюстрирующая устройство согласно данному изобретению; и

Фиг.2 - схема технологического процесса, иллюстрирующая способ согласно данному изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Использование способа и устройства, согласно данному изобретению не ограничивается любой конкретной системой, а может быть использовано в различных трехфазных электросетях для определения поврежденных фаз(ы) при коротком замыкании. Такие системы включают, например, передающие и распределительные электросети или их компоненты, так же как системы и устройства генерации электроэнергии. Более того, использование данного изобретения не ограничивается системами, использующими стандартные частоты 50 Гц или 60 Гц.

Настоящее изобретение делает возможным определить неисправную фазы или фазу при коротком замыкании в трехфазной электросети. Три фазы трехфазной электросети, которые должны контролироваться, обозначены L1, L2 и L3. В описании изобретения используются обозначения величин токов I_L1, I_L2 и I_L3, а также напряжений U_L1, U_L2 и U_L3, которые возникают в фазах L1, L2 и L3 соответственно при коротком замыкании. Предпочтительно, чтобы эти величины получали при помощи подходящих инструментальных измерений, включая, например, подключенные к этим фазам измеряемой электросети преобразователи тока и напряжения. В большинстве существующих систем защиты эти величины легко доступны и, таким образом, применение настоящего изобретения не требует обязательного наличия отдельного измерительного инструментария. Для основной идеи данного изобретения не имеет значения способ получения указанных измерений, а зависит от конкретной контролируемой электрической сети. Короткое замыкание контролируемой электрической сети может быть обнаружено, например, с помощью реле защиты, связанного с электрической сетью.

На Фиг.1 показана упрощенная блок-схема, иллюстрирующая устройство, выполненное в соответствии с настоящим изобретением. Необходимо отметить, что настоящее изобретение никоим образом не ограничено устройством, показанным в качестве примера на Фиг.1. Работоспособность настоящего изобретения может быть осуществлена посредством оборудования для цифровой обработки сигнала, такого как, например, цифровой процессор сигнала (ЦПС) общего назначения с соответствующим программным обеспечением. Также возможно использование специальных интегральной микросхемы или микросхем или соответствующих устройств. Данное изобретение может быть построено на существующей элементной базе, на таких как различные реле защиты, или с использованием отдельных элементов и устройств. Устройство 10 принимает величины токов I_L1, I_L2 и I_L3, а также величины напряжений U_L1, U_L2 и U_L3 в фазах контролируемой электрической сети L1, L2 и L3 (не показана на чертеже). Дополнительно устройство 10 предпочтительно принимает сигнал F индикации короткого замыкания, который сигнализирует о коротком замыкании в электросети и активизирует индикацию повреждения фазы. Устройство 10 может также выявлять короткое замыкание независимо. Это может быть осуществлено, если любые величины A_L1, A_L2 и А_L3 второго индикатора, который будет подробно описан ниже, будут меньше определенного порогового значения, предпочтительно 0,6; при этом короткое замыкание обнаруживается и активизируется индикация короткого замыкания. После того как неисправная фаза или фазы обнаружены, как это более подробно описано ниже, соответствующая информация может быть передана на другие устройства или оборудование, например реле защиты, через ВЫХОД.

Процесс идентификации короткого замыкания согласно данному изобретению описан ниже со ссылкой на схему технологического процесса, приведенной на Фиг.2. Первое значение (201) индикатора в каждой из трех фаз определяется на основе соотношения тока фазы в контролируемой фазе и отрицательного последовательного компонента тока и соотношения максимума фазы к импедансу замкнутого на землю контура всех фаз и фазы к импедансу замкнутого на землю контура в контролируемой фазе. После этого определяется второе значение (202) индикатора в каждой из трех фаз на основе соотношения максимальных токов фаз и тока в контролируемой фазе и соотношения минимума первого значения индикатора всех фаз и первого индикатора в контролируемой фазе. Наконец, происходит определение (203) фазы как неисправной, если второе значение индикатора в контролируемой фазе ниже заданного порогового значения Т.

Фазор (вращающийся вектор) Z_Ln импеданса замкнутого на землю контура фазы Ln (n=1,2,3) предпочтительно определяется по следующей формуле:

, где

= фазор напряжения фазы Ln, где n=1,2,3 и

= фазор тока фазы Ln, где n=1,2,3.

В соответствии с вариантом воплощения данного изобретения значения первого индикатора W_L1, W_L2 и W_L3 для трех фаз L1, L2 и L3 соответственно определяются по следующим формулам:

, где

(максимальный фазор , , ), и

= фазор отрицательного последовательного компонента тока, где

оператор и .

Согласно настоящему изобретению значения второго индикатора А_L1, A_L2 и A_L3 для трех фаз L1, L2 и L3 соответственно определяются по следующим формулам:

, где

(максимальный фазор , , ), и

W_Lmin=min(W_L1, W_L2, W_L3).

Согласно настоящему изобретению заданное пороговое значение Т меньше 1. Предпочтительно заданное пороговое значение Т равно приблизительно 0,6. Указанное предпочтительное значение равное 0,6 основано на сетевом анализе, включая многократное компьютерное моделирование, проведенное заявителем. Пороговое значение Т задает чувствительность определения. Если пороговое значение Т выбрать близко к 1, то это повышает возможность того, что исправная фаза ошибочно определится как поврежденная. Таким образом, пороговое значение Т должно быть выбрано в зависимости от чувствительности и других требований, предъявляемых конкретной электросетью, в которой используется настоящее изобретение, если значение следующего сравнения для A_L1, A_L2 и/или A_L3 является ИСТИНОЙ, то соответствующая фаза L1, L2 и/или L3 является соответственно неисправной:

A_L1<T,

A_L2<T,

A_L3<T,

Согласно настоящему изобретению, неисправность в трехфазной электросети определяется, если:

, где

K_maxload является задаваемым параметром,

; (максимальный фазор , , ), и

; (минимальный фазор , , ).

Вышеуказанное условие для неисправности в трехфазной электросети предпочтительно отменяет неисправность заземления и признаки короткого замыкания. Параметр K_maxload представляет собой настройку, которая предпочтительно выбирается на основе максимальной нагрузки. K_maxload предпочтительно определяется по следующей формуле:

K_maxload=(q_maxPE*Z_maxload)², где

q<1 и предпочтительно равно 0,8 и

Z_maxload=U_line ²/S_max, где

U_line = межфазное напряжение [kV],

S_max = максимальная контролируемая нагрузка электросети [MVA].

Значение параметра q определяет чувствительность критерия. Если значение параметра q выбирают ближе к 1, то это повышает вероятность того, что нормальная по нагрузке ситуация ошибочно определится как ситуация неисправности. Поэтому значение параметра q должно быть выбрано в зависимости от чувствительности и других требований, предъявляемых конкретной электросетью, в которой используется данное изобретение. Выбранные рабочие переменные обеспечивают очень чувствительную, устойчивую и безопасную работу. По данным многочисленных сеансов компьютерного моделирования, проведенных заявителем, алгоритм весьма устойчив и безопасен. Он обычно может правильно определить неисправную фазу, по крайней мере, с сопротивлением замыкания до 100 Ом (в 20 kV сетях) в случае пробоя на землю и с сопротивлением замыкания до 10 Ом (в 20 kV сетях) в случае короткого замыкания (в фазе). Настоящее изобретение просто в воплощении, так как оно не требует ячеек памяти. Кроме того, оно основано только на определении амплитуды фазора и не требует информации о фазовом угле.

Специалисту в данной области очевидно, что по мере развития техники концепция данного изобретения может быть воплощена различным образом. Данное изобретение и варианты его воплощения не ограничены вышеприведенными примерами и могут меняться в объеме настоящего изобретения.

1. Способ определения неисправной фазы или фаз в трехфазной электросети в случае повреждения, при котором:

a) определяют значения (201) первого индикатора в каждой из трех фаз на основе соотношения фазового тока в измеряемой фазе и отрицательной составляющей тока и соотношения максимума всех фаз и импеданса цепи фазы, замкнутой на землю, в измеряемой фазе;

b) определяют значения (202) второго индикатора в каждой из трех фаз на основе соотношения максимума фазовых токов всех фаз и фазового тока в измеряемой фазе и соотношения минимума значений первого индикатора всех фаз и первого индикатора в измеряемой фазе; и

c) выявляют (203) неисправную фазу, если значение второго индикатора в измеряемой фазе ниже заданного порогового значения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что значения (201) первого индикатора W_L1, W_L2 и W_L3 для трех фаз L1, L2 и L3 соответственно определяются по следующим формулам:

где - фазовый ток в фазе Ln, n=1,2,3,

- импеданс цепи фазы Ln, замкнутой на землю при n=1,2,3,

- отрицательная составляющая тока и

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что значения (202) второго индикатора А_L1, А_L2 и А_L3 для трех фаз L1, L2 и L3 соответственно определяются по следующим формулам:

где (максимальный фазор , , ) и

W_Lmin=min(W_L1,W_L2,W_L3).

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно:

d) выявляют неисправность (203) трехфазной сети, если

где K_maxload является задаваемым параметром,

(максимальный фазор , , );

(минимальный фазор , , );

= импеданс цепи фазы L_n, замкнутой на землю при n=1, 2, 3.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что значения K_maxload определяется по следующим формулам:

K_maxload=(q_maxPE·Z_maxload)²,

где q<1 и предпочтительно равно 0,8 и

Z_maxload=U_line ²/S_max,

где U_line - межфазное напряжение; S_max - максимальная контролируемая нагрузка электросети.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что импеданс , замкнутой на землю фазы Ln при n=1, 2, 3 определяется по следующей формуле:

где - фазовое напряжение в фазе Ln, где n=1, 2, 3, и

- фазовый ток в фазе Ln, где n=1, 2, 3.

7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что задается пороговое значение, равное приблизительно 0,6.

8. Устройство для определения неисправной фазы или фаз в трехфазной электросети в случае повреждения, содержащее: первое средство для определения значений первого индикатора в каждой из трех фаз на основе соотношения фазового тока в измеряемой фазе и отрицательной составляющей тока и соотношения максимума всех фаз и импеданса цепи фазы, замкнутой на землю в измеряемой фазе; второе средство, для определения значений второго индикатора в каждой из трех фаз на основе соотношения максимума фазовых токов всех фаз и фазового тока в измеряемой фазе и соотношения минимума значений первого индикатора всех фаз и первого индикатора в измеряемой фазе; и средство для выявления неисправной фазы при значении второго индикатора в этой фазе ниже заданного порогового значения.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что первое средство выполнено для определения значений А_L1, А_L2 и А_L3 для трех фаз L1, L2 и L3 соответственно по следующим формулам:

где - фазовый ток в фазе Ln, n=1, 2, 3;

- импеданс цепи фазы Ln, замкнутой на землю при n=1, 2, 3;

- отрицательная составляющая тока и

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что первое средство выполнено для определения значений A_L1, A_L2 и А_L3 для трех фаз L1, L2 и L3 соответственно второго индикатора по следующим формулам:

где (максимальный фазор , , ) и

W_Lmin=min(W_L1, W_L2, W_L3).

11. Устройство по п.8, отличающееся тем, что первое средство выполнено для определения неисправной фазы трехфазной сети при:

где K_maxload является задаваемым параметром,

(максимальный фазор , , ) и

(минимальный фазор , , );

= импеданс цепи фазы L_n, замкнутой на землю при n=1, 2, 3.

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что

K_maxload=(q_maxPE·Z_maxload)²,

где q - приблизительно равно 0,8 и

Z_maxload=U_line ²/S_max, где

U_line - межфазное напряжение электросети,

S_max - максимальная контролируемая нагрузка электросети.

13. Устройство по п.8, отличающееся тем, что импеданс замкнутого на землю контура фазы Ln при n=1, 2, 3 определяется по следующей формуле:

где - фазовое напряжение в фазе Ln, где n=1, 2, 3 и

- фазовый ток в фазе Ln, где n=1, 2, 3.

14. Устройство по любому из пп.8 - 13, отличающееся тем, что заданное пороговое значение составляет приблизительно 0,6.