FI125428B - Menetelmä sähkönjakeluverkon suojaukseen transienttityyppisien maasulkujen eliminoimiseksi - Google Patents

Description

Menetelmä sähkönjakeluverkon suojaukseen transienttityyppisien maasulkujen eliminoimiseksi

Keksintö liittyy sähkönjakeluverkon suojaamiseen ja erityisesti keskijänniteverkon suojaamiseen katkeilevalta tai ohimenevältä maasululta.

Sähkönjakeluverkossa voi tapahtua monia erilaisia maasulkuja. Maa-kaapeliverkoissa maasulut ovat yleensä pysyviä ja vikaresistanssil-taan pieniä. Tällaiset viat edellyttävät viallisen johto-osuuden kytkemistä eroon muusta verkosta. Ilmajohtoverkossa esiintyy tyypillisesti valokaarimaasulkuja, jotka voidaan eliminoida jälleen-kytkentöjen avulla.

Edellisistä poikkeava vikatapaus on katkeileva maasulku, jossa kontakti maahan välillä katkeilee ja vian kesto on huomattavasti jakson aikaa lyhyempi. Tällainen katkeileva transienttityyppinen maasulku voi aiheutua esimerkiksi vauriosta kaapelin eristyksessä. Ilmajohdon päälle katkeava oksa aiheuttaa usein hetkellisen, mutta ohimenevän maasulun. Kompensoidussa verkossa maasulun sammumisen todennäköisyys on suuri, mutta eristevaurion tapahduttua vika todennäköisesti syttyy yhä uudelleen. Vika ilmenee tällöin toistuvina voimakkaina maasulkuvirtapiikkeinä ja vastaavina nopeina nollajän-nitteen hetkellisarvon muutoksina. Tarkka syttymishetki on satunnainen johtuen läpilyönti-ilmiön yleisestä luonteesta.

Verkon kompensointiaste vaikuttaa transienttivian toistumiseen. Täysin kompensoidussa verkossa nollajännite vaimenee pois useamman jakson aikana, ja vika voi toistua muutaman sadan millisekunnin välein. Kompensointikelan kyllästyminen maasulkutilanteessa aikaansaa vaikeasti tulkittavia transienttihäiriöitä. Myös monet muut verkon erityispiirteet aikaansaavat maasuluista mitä moninaisimpia vasteita. Jos kompensointi on viritetty sivuun, vika voi toistua puolijakson välein, koska nollajännite ei ehdi vaimentua vikojen välissä.

Ohimenevällä maasululla tarkoitetaan tässä yhteydessä maasulkua, jossa yhteys maahan on hyvin lyhytaikainen, niin että maasulku sammuu nopeasti. Tällöin syntyvä virtapulssi on samankaltainen kuin katkeilevassa maasulussa.

Katkeileva tai ohimenevä maasulku voi esiintyä myös maasta erotetussa tai resistanssin kautta maadoitetussa verkossa. Ellei katkeilevaa maasulkua tunnisteta selektiivisesti, seurauksena voi olla laajan verkko-osan laukeaminen jännitteettömäksi, esimerkiksi sähköaseman syöttökennon katkaisijan laukeaminen sen sijaan, että vain vikaantunut johtolähtö erotettaisiin verkosta. Tyypillisesti tällainen ongelma seuraa siitä, että varasuojauksen ehtona käytetyn nollajännitteen arvo säilyy suurena selvästi virtapulsseja pitemmän aj an.

Suomalaisessa patentissa 121612 on esitetty eräs transientti-vikojen suojaukseen käytetty menetelmä, jossa mitatusta nolla j ännitteestä ja mitatusta nollavirrasta prosessoidaan signaalit näytteinä, joiden tuloa summataan esivalitun aikalas-kurin ajan. Jos summa on negatiivinen, haaralinja todetaan vialliseksi ja erotetaan verkosta. Menetelmä vaatii huomattavan määrän näytesignaalien prosessointia. Menetelmän etuna mainitaan, ettei se edellytä suurta näytteenottotaajuutta.

Suunnattujen maasulkujen paikallistamiseen yleisesti käytetyt suojalaitteet, jotka perustuvat FFT-laskentaan, eivät sovellu transienttityyppisten vikojen havaitsemiseen.

Maasulun aiheuttama nollavirran äkillinen kapea piikki on vaikea havaita näytteistetystä signaalista, kun näytteistys-taajuus 32 kpl/jakso eli 1,6 kHz tai pienempi. Myös 3,2 kHz taajuudella signaali voi olla huomattavan vääristynyt. Piikki saadaan selkeästi esiin 20 kHz näyteistystaajuudella (verk-kotaajuus 50 Hz), mutta käytännön laitetekniikassa se on aivan liian kaukana.

Sinänsä tunnetaan piikin polariteettia monitoroiva menetelmä, jossa havaitun katkeavan maasulun aiheuttaman transienttipii-kin nollavirran ja nollajännitteen polariteetit ovat vastak kaiset. Tälle menetelmälle ei ole ollut tähän mennessä luotettavaa algoritmipohjaista sovellusta.

Kaikessa sähköverkon valvonnassa, erityisesti transientti-ilmiöiden tarkkailussa ongelmana ovat väärät hälytykset. Vian aiheuttama transienttipiikki aiheuttaa huomattavaa jälkivä-rähtelyä verkon terveessä osassa. Katkeileva, transientti-tyyppinen maasulku on helposti sekoitettavissa pienivastuksi-seen jatkuvaan maasulkuun, koska molemmissa esiintyy voimakasta jälkivärähtelyä terävän piikin jälkeen.

Tämän keksinnön tarkoituksena on aikaansaada yksinkertaisempi erityisen luotettava menetelmä transienttityyppisten maasul-kuvikojen havaitsemiseksi ja eliminoimiseksi käyttäen algoritmipohjaista ratkaisua tunnistamaan viallinen haaralinja. Tavoitteena on tunnistaa kaikenlaisissa sähköverkoissa katkeileva maasulku ja erottaa se normaalimaasulusta.

Keksinnön tunnusmerkilliset piirteet on esitetty oheisessa patenttivaatimuksessa 1. Keksinnön mukaan näytteistystaajuuden ei tarvitse olla lähelläkään nollavirtapiikin puhtaasti kuvaavaa taajuutta (20 kHz) vaan taajuus 32 näytettä/jakso, edullisimmin 64 - 128 näytettä/jakso riittää kehitetyn algoritmin ansiosta. Tarvittava taajuus on korkeampi kuin yleisimmin käytössä olevissa sähköverkon suojauslaitteissa, mutta kuitenkin käytännöllisesti toteutettavissa (3,2 kHz 50 Hz:n verkossa, jopa 1,6 kHz riittää). Tässä tehokkaaseen ja luotettavaan tunnistukseen riittävä näytteistystaajuus ei tuo visuaalisesti transienttipiikkiä esiin, mutta kukin piikki jättää sellaisen jäljen mittausketjuun, että se mahdollistaa tunnistamisen.

Edullisimmin keksinnön mukaisen menetelmän tarkkuutta toistuvien maasulkuvikojen havaitsemisessa parannetaan huomattavasti sulkemalla tunnistus valitun viiveen ajaksi aina, kun havaitaan saamansuuntaiset 10- ja U0-piikit. Tyypillisesti vikautuneessa haaralinjassa saadaan oikea hälytys ja poiskyt-kentä samalla kun terveiden haaralinjojen valvontalaitteet havaitsevat samansuuntaiset piikit, mikä aikaansaa näissä hetkellisen sulkuajan reagoida muihin piikkeihin. Menetelmä voi tällöin hyödyntää varsin alhaisia kynnysarvoja hälytystä varten ilman pelkoa vääristä hälytyksistä.

Eräs edullinen menetelmän parannus liittyy muutos-admittans-silaskennassa käytettyyn nollajännite-erotuksen määritykseen. Nollavirtamaksimin määrittävän indeksin molemmin puolin lasketaan jännite-ero ja näistä valitaan isompi.

Hälytyksen aikaansaavien FWD-piikkien määrä on edullisesti 2 ja laskenta-aika 250 ms (yleisesti 100 - 1000 ms).

Edullisesti seurataan myös nollajännitteen stabiilisuutta välittömästi piikin jälkeen ja esivalitun kriteerin mukaisesti luokitellaan vika jatkuvaksi maasuluksi. Jatkuva maasulku on nimittäin hankala erottaa katkeilevasta maasulusta. Edullinen sovellus vertaa viimeistä max U0 mittausta viiden vanhemman mittauksen keskiarvoon. Mikäli saatu suhde on välillä 98 - 102 % on vika luokitellaan välittömästi piikin jälkeen jatkuvaksi maasuluksi.

Keksintöä kuvataan seuraavassa yksityiskohtaisesti viittaamalla oheisiin eräitä keksinnön sovelluksia kuvaaviin piirroksiin, joissa

Kuva 1 esittää transienttisuojauslaitteen kytkentää 3-vai-heisen neljän syöttölinjan valvonnassa Kuva 2a esittää haaralinjan nollavirtaa transienttimaasulun ilmaantuessa

Kuva 2b esittää kuvan 2a suhteen vastaavaa tapahtumaan nolla j ännitteelle

Kuva 2c esittää kuvan 2b suhteen vastaavaa tapahtumaa nähtynä terveessä haaralinjassa.

Kuvat 3a - 3c esittävät kuvien 2a - 2c kanssa vastaavaa tilannetta ei-kompensoidussa sähköverkossa

Kuvan 1 älykkäät suojalaitteet 20A, 20C, 20C ja 20D valvovat kukin päälinjalle 16 kytkettyä haaralinjaa (A, B, C tai D). Kukin suojalaite käsittää itsenäisen mikrokontrollerin pro-sessoreineen ja muisteineen sekä I/O-välineineen. Kukin haaralinjaa on liitetty kaapelipäätteeseen 14A, 14B, 14C ja 14D. Päälinjan 16 vaiheista Li, L2, L3 otetaan syöttö kuhunkin haaralinjaan. Kukin haaralinja on suojattu 3-vaihekat-kaisijalla 12A, 12B, 12C ja 12D. Kutakin katkaisijaa 12A, 12B, 12C ja 12D ohjataan sanotulla suojalaitteella 20A, 20C, 20C and 25D. Näistä kussakin on päälinjan nollajännitettä mittaava sisääntulo U01 ja haaralinjan nollavirtaa mittaava virtasisääntulo 101. Kunkin 3-vaihekatkaisijan 12A, 12B, 12C ja 12D toimilaite on kytketty vastaavan toimilaitteen lähtöön D01, jolla suoritetaan poiskytkentä tarvittaessa.

Nollajännitetunnistus käyttää yhteistä tähtikytkettyä en-siökäämisarjaa 29. Nollajännite kuhunkin jännitesisääntuloon UO muodostetaan jännitemuuntajien avokolmiokytkennällä 27. Nollajännite viedään kunkin suojalaitteen jännitemittausmuun-tajalle 26. Virtamittaukset viedään kullekin virtamittaus-muuntajalle 24 sisääntuloon 101.

Kukin suojalaite 20A, 20C, 20C ja 20D katkaisee oman haara-linjansa jännitteettömäksi havaittuaan katkeilevan maasulun jäljempänä esitetyn logiikan avulla. Poislaukaisu on luotettava jo toisesta transienttimaasulusta asetetun aikajakson (esim. 50 ms) kuluessa.

Kuvissa 2a-c kuten 3a-c esitetään transienttimaasulun aikaansaamat virta- ja jännitekaaviot näytteistyspuskurin (64 näytettä) aikajaksolta. Puskuria päivitetään joka 5. ms, jolloin puskurimuistista poistuu vanhimmat 16 näytettä ja uudet 16 näytettä lisätään loppuun.

Kaavioissa ohuella ehyellä viivalla on 20 kHz taajuudella simuloitu todellinen signaali, pistekatkoviivalla 3,2 kHz taajuudella näytteistetty signaali ja pitkäkatkoviivalla tästä suodatettu signaali. On oleellista, että käytännöllinen näytteistystaajuus (tässä 64 näytettä jaksolla) 'kadottaa' huomattavan määrän terävän transienttipulssin muodosta, mutta kehitetty algoritmi pystyy suoriutumaan tästä tunnistustehtä-västä kuitenkin erittäin hyvin. Toiminnan luotettavuuteen vaikuttaa merkittävästi algoritmin logiikka terveiden haara-linjojen valvonnassa, jolla estetään väärät laukaisut mm. verkon terveen osan aikaansaaman värähtelyn johdosta tai suuntaavan jatkuvan maasulun yhteydessä.

Todellisen maasulun esittävää nollavirtakaaviota on merkitty viitteellä I0FWD ja ehjän haaralinjan nollavirtakaaviota viitteellä I0REV. Yhteinen nollajännitekaavio on merkitty viitteellä U0.

Kuvassa 2a on haettu puskurista 10-signaalin maksimiarvon tarkka paikka, eli kyseinen indeksi (ind) puskurista.

Mikäli maksimiarvon paikka ei ole puskurin ihan reunassa vaan keskivaiheilla aloitetaan laskenta, muutoin odotetaan vielä seuraavaan kierrokseen, jolloin maksimiarvo on +16 näytettä keskemmällä.

Ensimmäinen havahtuminen edellyttää sekä nollavirtamaksimin että nollajännitemaksimin ylittävän näille asetetut kynnysarvot. Tämä resetoituu nopeasti (25 ms) eikä aiheuta jatkotoimia ellei laskenta löydä jotain vikapulssia.

Virtamuutos DELTAIO lasketaan valitulla indeksin offset-arvolla (tässä offset = 4). Tämä offset-arvo (yleensä 3-6) määritetään kokeellisesti ja se on riippuvainen näytteistys-taaj uudesta.

Nollavirran 10 maksimikohta puskurissa on yksiselitteinen. Se on suurimman piikin huippu. Nollajännitteen U0 tilanne ei ole selkeä tässä vaiheessa, joten löytyneen nollavirta 10-piikin määrittämän indeksin (ind) molemmilta puolilta jännitepusku-rissa lasketaan nollajännitemuutokset DELTAUOR (oikea) ja DELLTAUOL (vasen), kuva 2b. Nollavirran 10-huippu ja nolla-jännitteen U0-huippu eivät koskaan osu samaan kohtaan puskureissa.

Tässä esimerkissä oikeanpuoleinen nollajännitemuutos DELTAUOR on selvästi suurempi ja valitaan jatkolaskentaan jännitemuu-toksena DELTAUO, koska se edustaa vian aiheuttamaa muutosta.

Seuraavaksi lasketaan muutos-admittanssi INADMIT = DELTAI0/DELTAUO.

Negatiivinen arvo indikoi viallista haaralinjaa (FWD-suunta) ja positiivinen arvo tervettä haaralinjaa (REV-suunta).

Toisen tason havahtuminen seuraa, jos muutos-admittanssi INADMIT ylittää asetetun kynnysarvon. Tämä admittanssihavah-tuminen käynnistää FWD tai REV-hälytysajastimen, muuten piikki unohdetaan.

Negatiivinen muutos-admittanssi (FWD) käynnistää kaksi aika-laskuria: FWD-laskuri, laskuri 2 (FWDreset = 250 ms) FWD piikkien keräämiseksi ja laukaisulaskuri 500 ms (laskuri 5) lopullisen laukaisun tekemiseksi.

Positiivinen muutos-admittanssi (FWD) käynnistää REV-laskurin (laskuri 3), REVreset = 250 ms. Tämä nollaa edelliset laskurit ja sulkee havahtumiset, kunnes on saanut aikansa täyteen.

Jos FWDreset aikana tulee ainakin yksi eli toinen FWD-piikki tai tulee useampiakin FWD piikkejä, kyseessä katkeilva maa-sulku, joka johtaa hälytykseen ellei laukaisulaskurin aikana tule REV-piikkiä.

Vian suunnan kertoo suoraan muutos-admittanssin INADMIT polariteetti. Jos muutos-admittanssi INADMIT on negatiivinen, todellinen vika (FWD) on havaittu kyseisessä haaralinjassa. Jos se on positiivinen, vian (REV) havainto (kuva 2c) on ehjässä haarassa eli varsinaisen vian aikaan saamaa värähtelyä terveessä verkossa tai muu häiriö. Kuvan 2c tapauksessa jännite-ero lasketaan samaan tapaan kuin edellä käyttäen tässä nollavirran 10 puskurin maksimikohdan indeksiä (ind) määrittämään nollajännite-ero kuvan 2b kaaviosta siten, että suurempi jännite-ero indeksin vierestä otetaan jatkolasken-taan.

Jos uutta FWD-piikkiä ei havaita ja hälytysajastin laskee loppuun eli saavutetaan 250 ms, havahtumiset nollataan. Jos havaitaan jakson aikana REV-piikki, FWD-laskuri nollataan ja asetetaan REV-aikalaskuri, jona aikana FWD-piikkeihin ei reagoida. Uusi REV-piikki käynnistää sulkuaika-laskurin alusta.

Kun FWD-aikalaskurin 250 ms on täynnä, niin siirrytään seu-raavaan vaiheeseen, eli mahdolliseen poiskytkentäkäskyn antoon. Jos FWD-piikkejä on tullut jakson aikana vähintään kaksi ja laskuri pääsee loppuun, seuraa poiskytkentä 500 ms laskurin ajan tullessa täyteen ellei REV-piikkiä tule ennen laukaisua .

On tietenkin selvää, ettei kuvien 2a ja 2c mukaisten signaalien tallennuksen hetkellä ole tietoa, kumpaan luokkaan (FWD ja REV) kukin puskurimuistiin tallennettu tilanne kuuluu. Tai puskurin näytteiden maksimiarvot eivät ylitä valittuja kynnysarvoja, jolloin tapaus ei ole kumpikaan.

Kuvissa 3a-3c on esitetty tilanne alikompensoidussa verkossa, jolloin transienttimaasulun tunnistus on paljon haasteelli-sempaa voimakkaan jälkivärähtelyn vuoksi. Kehitetty algoritmi suoriutuu tästä. Kuvan 3c signaalista on helppo havaita, että REV-havainnon on syytä käynnistää sulkuaika, koska muuten seuraisi jopa useita kynnysarvon ylityksiä ja siten havahtu-misia saman alkuperäisen vian johdosta.

Yleisesti suojalaite käsittää mikrokontrollerin CPU-, muisti-välineineen ja i/O-välineet nollavirran ja nollajännitteet mittaamiseksi käsittäen signaalien analogiakäsittelyosan, A/D-muuntimet signaalien näytteistämiseksi ja puskurimuistit ja suojalaitteeseen kuuluu ohjelmisto menetelmän toteuttamiseksi.

Oheisissa esimerkeissä ei näytetty nollajännitteen stabii-lisuden mittausta välittömästi piikin jälkeen, sillä siitä voidaan parhaiten tunnistaa jatkuva maasulku, jonka tunnistus sekoittuu helposti katkeilevaan maasulkuun.

Esivalitun kriteerin mukaisesti luokitellaan vika jatkuvaksi maasuluksi, jos nollajännite säilyy huomattavan stabiilina piikin jälkeen.

Edullisimmin verrataan viimeistä max UO mittausta muutaman, esimerkiksi viiden vanhemman mittauksen keskiarvoon. Mikäli uusin nollajännite UO on asetetulla välillä, esimerkiksi alueella 98 - 102 % UO-keskiarvosta, vika luokitellaan välittömästi piikin jälkeen jatkuvaksi maasuluksi ja kaikki muut havahtumiset suljetaan.

Claims (8)

1. Menetelmä transienttityyppisten maasulkuvikojen tunnistamiseksi sähköverkossa ja viallisen osan selektiiviseksi laukaisemiseksi, jossa sähköverkossa on useita päälinjaan kytkettyjä haaralinjoja (A - D), ja jossa kunkin haaralinjan (A-D) nollajännitettä UO ja nollavirtaa 10 mitataan, näytteiste-tään ja monitoroidaan etsimällä se haaralinja, jossa havaitun transienttipiikin nollavirran ja nollajännitteen polariteetit ovat vastakkaiset, tunnettu siitä, että a) puskuroidaan jatkuvasti kunkin valitun haaralinjan A-D nollavirran I01A-D ja nollajännitteen UO signaaleja valitulla näytteistystaajuudella, jolloin b) haetaan nollavirran näytteistyspuskurin näytteistä absoluuttinen maksimiarvo (lOmax) ja sen indeksi (ind) puskurissa, jolloin c) lasketaan muutos-admittanssia kuvaava arvo nollavirran 10 erotuksen DELTAIO ja nollajännitteen UO erotuksen DELTAUO suhteella DELTAI0/DELTAUO kukin erotus laskettuna sanotulla indeksillä (ind) ja valitulla sen offset-arvolla (ind - 4 ; ind + 4), d) määritetään kunkin piikin muutos-admittanssin polariteetti, jonka avulla kukin se luokitellaan vastakkaissuuntaisiin (FWD) tai samansuuntaisiin (REV) piikkeihin, e) todetaan haaralinjan (A-D) transienttimaasulku havaittaessa kyseisessä haaralinjassa vähintään kahden peräkkäisen vastakkaissuuntaisen (FWD) piikin avulla valitun ajan (FWDreset) kuluessa.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että nollajännitteen (UO) ja nollavirran (10) mittaus näytteistystaajuudella vähintään 32 näytettä/jakso, edullisimmin taajuudella 64 - 128 näytettä/jakso.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sanottu offset-arvo on 3 - 6.

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1 - 3 mukainen menetelmä, tun nettu siitä, että laskenta aloitetaan vain, jos näytteistys-puskurien nollavirran 10 ja nollajännitteen UO absoluuttiarvot ylittävät valitut kynnysarvot.

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että aina havaittaessa samansuuntainen (REV) piikki, suljetaan vastakkaissuuntaisten (FWD) piikkien havaitseminen keskeytetään esivalitun sulkuajan ajaksi.

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1 - 5mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että seurataan myös nollajännitteen stabiili-suutta välittömästi piikin jälkeen ja esivalitun kriteerin mukaisesti luokitellaan vika jatkuvaksi maasuluksi.

7. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että laukaisuproseduuri tapahtuu tarkemmin vaiheina: - tunnistetaan näyte-datasta esivalittua kynnysarvoa suuremmat piikit ja poistetaan piikkien jälkeinen data - verrataan samanaikaisten virta- ja jännitepiikkien polariteettejä - luokitellaan haaralinja terveeksi, jos polariteetit ovat samat (REV) ja vialliseksi, jos polariteetit ovat vastakkaiset (FWD), - jos polariteetit ovat samat (REV-piikki), aktivoidaan REV-käynnistyslaskuri esiasetetun jakson (REV reset) ajaksi, käynnistäen laskuri aina uudestaan, jos REV-piikki tulee uudestaan, ja - jos polariteetit ovat erimerkkiset (FWD-piikki), aktivoidaan FWD-laskuri valituksi ajaksi, ja - suljetaan FWD-laskuri, jos REV-piikki havaitaan,ja ja käynnistetään haarajohdon laukaisu, kun havaitaan peräkkäisiä FWD-piikkejä esiasetetun kriteerin mukainen määrä.

8. Suojalaite sähköverkossa haaralinjan valvomiseksi, tunnettu siitä että se käsittää mikrokontrollerin CPU-, muistivä-lineineen ja I/O-välineet nollavirran ja nollajännitteet mittaamiseksi käsittäen signaalien analogiakäsittelyosan, A/D-muuntimet signaalien näytteistämiseksi ja puskurimuistit ja suojalaitteeseen kuuluu ohjelmisto jonkin patenttivaatimuksen 1-7 mukaisen menetelmän toteuttamiseksi.