RU2631025C2

RU2631025C2 - Обнаружение направления слабоустойчивого короткого замыкания на землю среднего напряжения с помощью линейной корреляции

Info

Publication number: RU2631025C2
Application number: RU2013133963A
Authority: RU
Inventors: Гийом Верно; Натали БОМ; Тибо НЕВЕ
Original assignee: Шнейдер Электрик Эндюстри Сас
Priority date: 2012-07-20
Filing date: 2013-07-19
Publication date: 2017-09-15
Also published as: CN103576045B; RU2013133963A; CN103576045A; EP2687860B1; FR2993670A1; EP2687860A1; ES2569080T3; FR2993670B1

Abstract

Изобретение относится к обнаружению коротких замыканий в системе распределения энергии. Сущность: устройство (10) для обнаружения направления короткого замыкания (7) на землю в многофазной энергосистеме содержит средства (14), (14’) для приема сигналов, представляющих собой ток каждой из фаз и ток нулевой последовательности (I₀), средство (30) обработки сигналов тока, содержащее средство (34) для вычисления нормализованных коэффициентов корреляции и средство (36) для вычисления среднего значения (μ) и среднеквадратичного отклонения (σ) между вычисленными коэффициентами корреляции, средство для интерпретации результатов обработки сигналов, содержащее средство для сравнения среднего значения (μ) и среднеквадратичного отклонения (σ) для определения, расположено ли короткое замыкание со стороны линии или со стороны нагрузки от устройства (10). Устройство (10) дополнительно содержит средство (20) хранения значений сигналов тока нулевой последовательности и тока каждой из фаз в течение периода хранения до сигнала обнаружения возникновения короткого замыкания на землю. Средство (30) обработки сигналов содержит средство для определения изменения сигнала тока нулевой последовательности и тока каждой из фаз за заранее заданное время, которое меньше или равно времени хранения, средство для вычисления нормализованного коэффициента корреляции (34), предназначенное для вычисления коэффициента корреляции между изменением сигнала, представляющего собой ток нулевой последовательности, и изменением каждого из сигналов, представляющих собой фазный ток. Технический результат: возможность определения направления короткого замыкания без использования измерения напряжения. 5 н. и 12 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Область техники

Изобретение относится к обнаружению коротких замыканий в системе распределения электроэнергии, в частности системе среднего напряжения. В частности, изобретение предлагает принцип обнаружения резистивных коротких замыканий между электрическим проводником среднего напряжения и землей, причем короткого замыкания, вызванного, например, разрывом упомянутого проводника, а также соответствующее устройство. Параметры, получаемые исключительно из обработки сигналов, представляющих собой токи каждой фазы энергосистемы, позволяют осуществлять обнаружение направления без использования значений, представляющих собой фазные напряжения, или значений, представляющих собой линейные напряжения.

Изобретение также относится к устройству индикации коротких замыканий и к отключающему реле, содержащему датчики тока, связанные с каждой фазой энергосистемы, и обеспечивающему вышеупомянутое устройство обнаружения сигналов, позволяющее осуществлять индикацию, например с помощью индикаторной лампы, или вызывающее срабатывание устройства прерывания тока энергосистемы.

Предшествующий уровень техники

Устройства обнаружения короткого замыкания на землю используются, в частности, в трехфазных системах распределения электроэнергии среднего напряжения. Как показано на фигуре 1, системы 1 распределения электроэнергии могут быть разбиты на несколько уровней, с первой энергетической системой 2 для передачи и распределения сверхвысоких и высоких напряжений VHV/HV (от 35 до более чем 200 кВ), используемой для транспортировки или распределения электроэнергии от электростанций на большие расстояния. Трехфазный трансформатор 3 подает энергию в распределительную энергосистему 4 среднего напряжения MV, обычно между 1 и 35 кВ, а точнее с фазным напряжением 11 кВ во Франции, для передачи в меньших масштабах потребителям промышленного типа или подстанциям, преобразующим среднее напряжение в низкое напряжение LV (в частности 0,4 кВ во Франции).

Поэтому линия сетевого электропитания обеспечивает линии питания 5, 5’, состоящие из воздушных линий и/или подземных кабелей, некоторые 5 из которых могут содержать прерыватель или другое распределительное устройство 6, выполняющее защиту на уровне входа. Независимо от решения энергосистема 4 подвержена различным неисправностям, которые важно обнаруживать и определять их местонахождение для уменьшения проблем, которые возникают: прерывание подачи питания, ухудшение сопротивления изолирующего оборудования, не говоря уже о безопасности людей. Среди этих неисправностей самыми частыми являются однофазные неисправности 7, возникающие вне исходной подстанции, когда фаза находится в контакте с землей, или разрыв кабеля воздушных линий, в частности, в случае суровых погодных условий.

Эти неисправности 7, так же как многофазные неисправности, которые касаются нескольких фаз, имеют тип короткого замыкания и приводят к большим токам, которые могут достигать нескольких тысяч или десятков тысяч ампер, тогда как провода и/или оборудование, как правило, выдерживают несколько сотен ампер в нормальных рабочих условиях.

Линии 5’ питания или секции линии 5 могут тогда содержать устройство 8 обнаружения короткого замыкания на землю. Устройство 8 может выступать в качестве индикатора прохождения короткого замыкания, зажигая, например, индикаторную лампу; кроме того, устройство 8₁ может быть связано или интегрироваться в релейную защиту 9, предназначенную для управления размыканием контактов прерывателя 6.

Один вариант обнаружения этого типа короткого замыкания 7 состоит в измерении тока, который течет, или параметров, которые относятся к нему. Эти измерения, однако, совершаются путем измерений трехфазных напряжений, если требуется указать относительное направление (сторона сети или сторона нагрузки) по отношению к оборудованию обнаружения короткого замыкания. Напряжение MV энергосистемы 4, однако, создает сложность в доступе к измерительным точкам и проблемы изоляции электронного оборудования. Этот тип обнаружения направления трудно реализовать.

В документе FR 2936319 обнаружение направления короткого замыкания на землю в многофазной энергосистеме основано на дисперсии беззнаковых коэффициентов линейной корреляции между фазными токами и током нулевой последовательности. Использование среднего значения и среднеквадратичного отклонения этого коэффициента корреляции позволяет определить, находится ли короткое замыкание на стороне сети или стороне нагрузки, по измерениям датчиков фазного тока детекторов 8_i, 8_i+1, без измерения напряжения.

Это решение является, однако, неподходящим в случае высокого тока нагрузки, в частности, когда отношение тока короткого замыкания к току нагрузки составляет менее 10%. В частности, когда короткое замыкание является сильно резистивным (вследствие природы короткого замыкания или, например, когда почва является сильно резистивной) или когда емкостные токи слабы, обычно для энергосистем со значительной долей воздушных линий относительно подземных кабелей, указанное направление может быть неправильным. Аналогично заземление вторичной обмотки трансформатора 3 может само по себе ограничивать амплитуду короткого замыкания на землю, и вышеупомянутый метод является недостаточным. В системах распределения электроэнергии MV мы говорим о резистивном коротком замыкании на землю через большое сопротивление (или слабоустойчивом коротком замыкании на землю) тогда, когда уровень тока короткого замыкания мал (и поэтому его трудно обнаружить), или потому что сопротивление в месте короткого замыкания высоко, или потому что заземление нейтрали на уровне станции исходного трансформатора ограничивает этот ток короткого замыкания (например, случай компенсационной обмотки или изолированной нейтрали), или потому что почва сама по себе имеет резистивную природу.

Для этих высокорезистивных коротких замыканий должны быть выполнены более точные измерения тока (обнаружение слабоустойчивого короткого замыкания на землю), и поэтому реализовано обнаружение через напряжение. Например, документ EP 1603211 относится к коммуникационному оборудованию, установленному на концах линий. Обнаружение разрыва проводника выполняется простым обнаружением отключения напряжения линии. Другие теоретические исследования указывают на возможность использования обратного напряжения и/или напряжения нулевой последовательности в энергосистеме 4 MV. Однако проблемы, присущие измерению напряжения на ранее упомянутых фазных проводах среднего напряжения, остаются нерешенными.

Обнаружение и локализация этого типа резистивного короткого замыкания в энергосистеме среднего напряжения, в частности в случае разрыва проводов, были разработаны лишь в очень небольшой степени из-за использования измерений, которые являются очень сложными в реализации.

Альтернатива предлагается в документе EP 2533060 (опубликованном после даты приоритета настоящей заявки) с обнаружением и локализацией резистивного короткого замыкания на землю и/или разрыва провода в энергосистеме среднего напряжения посредством информации относительно напряжений в низковольтной энергосистеме. Это, однако, предполагает доступ к энергосистеме LV, который может быть проблематичен, когда используется промежуточная подстанция или подстанция ответвления MV/MV без трансформатора MV/LV.

Краткое изложение сущности изобретения

Среди прочих преимуществ задача изобретения состоит в смягчении недостатков существующих устройств и способов обнаружения направления резистивного короткого замыкания на землю. В частности, реализованный принцип обнаружения направления основан на анализе коэффициентов корреляции между изменениями сигнала, представляющего собой ток нулевой последовательности, и изменениями сигналов, представляющих собой фазные токи, без использования различных напряжений энергосистемы, одновременно позволяя осуществлять обнаружение и локализацию слабоустойчивых коротких замыканий на землю.

Согласно одному из признаков, изобретение относится к способу для обнаружения направления короткого замыкания на землю в многофазной энергосистеме, предпочтительно трехфазной энергосистеме, при этом сигналы, представляющие собой ток нулевой последовательности и ток каждой из фаз, текущий в контролируемой секции линии, сохраняются за заранее заданный период хранения, который по меньшей мере равен периоду энергосистемы. Хранение предпочтительно выполняется скользящим образом, то есть за фиксированный период хранения последние измеренные значения постепенно заменяют соответствующие первые значения так, чтобы сохраненные значения представляли собой ток нагрузки насколько возможно ближе ко времени измерения. В предпочтительном варианте воплощения сигналы, представляющие собой фазные токи, фильтруются, в частности аналоговым образом, и/или дискретизируются, предпочтительно с частотой, позволяющей получить по меньшей мере приблизительно тридцать точек за заранее заданное время и период, например, приблизительно соответсвующий 1,5 кГц по меньшей мере для энергосистемы на 50 Гц.

Способ обнаружения направления содержит первый этап обнаружения короткого замыкания путем сравнения сигнала, представляющего собой ток нулевой последовательности, текущий в контролируемой секции линии, с порогом обнаружения. Сигнал, представляющий собой ток нулевой последовательности, может быть получен непосредственно или путем вычисления по сигналам, представляющим собой токи каждого фазного провода упомянутой секции.

Если первый этап обнаруживает наличие короткого замыкания на землю в упомянутой секции, сохранение значений останавливается, так что сохраненные значения представляют собой ток нагрузки во время короткого замыкания, который не нарушен им. Кроме того, инициируется второй этап способа, согласно предпочтительному варианту воплощения. Второй этап основан на обработке сигналов, представляющих собой токи каждой фазы упомянутой секции и ток короткого замыкания той же секции, причем эти сигналы получены за достаточный, заранее заданный период, например целое число периодов энергосистемы, меньше или равный времени хранения сохраненных значений. Сигналы, представляющие собой токи фаз и ток нулевой последовательности, получаются таким же образом, как и для сохранения, с тем же самым фильтрованием и дискретизацией.

После сбора сигналов, представляющих собой различные токи, продолжается второй этап способа, заключающийся в обработке упомянутых сигналов, чтобы обеспечить возможность интерпретации, расположено ли короткое замыкание, обнаруженное на первом этапе, со стороны сети или со стороны нагрузки от точки измерения фазного тока. Обработка сигналов согласно изобретению содержит вычисление изменения сигналов, представляющих собой ток нулевой последовательности и каждого из фазных токов, вычисления нормализованных коэффициентов линейной корреляции между сигналом, представляющим собой изменение тока нулевой последовательности секции, и изменениями каждого из сигналов, представляющих собой фазные токи. Предпочтительно используются формула Браве-Пирсона и/или коэффициенты со знаком. Затем анализируется дисперсия упомянутых коэффициентов, в частности, путем вычисления их среднего значения и их среднеквадратичного отклонения.

Предпочтительно дисперсия коэффициентов достигается путем формулировки сравнительного отношения. В частности, если разность между среднеквадратичным отклонением и абсолютным значением среднего значения, умноженным на две трети квадратного корня из двух, является положительной величиной, то короткое замыкание располагается со стороны нагрузки от обнаружения. Может использоваться любое другое сравнение, основанное на неравенстве 3⋅σ>2⋅√2⋅|μ|. Согласно другому варианту, сравнение выполняется графически относительно двух линий уравнения

: в зависимости от того, расположена или нет точка координат из среднего значения и среднеквадратичного отклонения в полуплоскости, содержащей ось X, короткое замыкание расположено со стороны сети или со стороны нагрузки.

Согласно предпочтительному варианту воплощения способа согласно изобретению упомянутый способ обнаружения направления связан с приведением в действие распределительного устройства для изоляции секции со стороны нагрузки от точки, в которой было обнаружено короткое замыкание.

Согласно другому свойству, изобретение относится к устройству для обнаружения направления резистивного короткого замыкания на землю в многофазной энергосистеме, предпочтительно трехфазной энергосистеме, которое является подходящим для вышеупомянутого способа. Устройство обнаружения направления согласно изобретению может быть связано с датчиками тока каждой из фаз линии, например катушками обнаружения, которые обеспечивают ему сигналы, представляющие собой упомянутые токи. Устройство обнаружения направления может дополнительно являться частью индикатора короткого замыкания пути, например, с помощью активации средства предупреждения типа индикаторной лампы, если обнаружено короткое замыкание со стороны нагрузки от датчиков. В особенно предпочтительном варианте воплощения устройство обнаружения направления согласно изобретению связано с реле защиты линий, средством предупреждения, вызывающим приведение в действие распределительного устройства линии, позволяющего изолировать секцию, в которой было обнаружено короткое замыкание.

В частности, устройство для обнаружения направления короткого замыкания на землю через большое сопротивление согласно изобретению содержит первое средство для приема сигналов, представляющих собой токи каждой фазы контролируемой линии, а также второе средство для приема сигнала, представляющего собой ток нулевой последовательности упомянутой линии, причем второе средство предпочтительно содержит средство, позволяющее получить упомянутый сигнал, представляющий собой ток нулевой последовательности, в частности, путем суммирования, по сигналам, представляющим собой фазные токи. В предпочтительном варианте воплощения первое средство для приема сигналов, представляющих собой фазные токи, связано со средством фильтрации упомянутых сигналов, например аналоговым фильтром; первое средство предпочтительно содержит средство дискретизации для получения достаточного числа дискретных значений, например, с частотой более 1,5 кГц.

Устройство согласно изобретению дополнительно содержит средство для хранения значений сигналов, представляющих собой ток нулевой последовательности и токи каждой из фаз, в течение заранее заданного времени хранения, которое больше, чем период энергосистемы, и предпочтительно соответствует целому числу периодов. Средство хранения в оптимальном варианте воплощения предназначено для скользящего хранения, то есть для сохранения значений последнего рассматриваемого периода времени, постепенно заменяя первые сохраненные значения последними значениями, по мере того, как осуществляется сбор последних.

Устройство согласно изобретению содержит средство обработки полученных типичных сигналов, связанное с приводящим в действие средством упомянутого средства обработки, приводящим в действие средством, инициируемым посредством обнаружения возникновения короткого замыкания на землю. Обнаружение возникновения короткого замыкания на землю, активирующего приводящее в действие средство, предпочтительно выполняется устройством, согласно изобретению, которое содержит подходящие средства, в частности средство для сравнения сигнала, представляющего собой ток нулевой последовательности, с порогом обнаружения. Обнаружение возникновения короткого замыкания на землю также приводит к остановке сохранения данных, средство хранения содержит соответствующее средство деактивации, так что сохраненные значения относятся к состоянию энергосистемы перед тем, как случилось короткое замыкание.

Средство обработки сигналов устройства согласно изобретению содержит средство для вычисления нормализованных коэффициентов линейной корреляции со знаком, предпочтительно согласно формуле Браве-Пирсона, между сигналом, представляющим собой изменение тока нулевой последовательности, и каждым из сигналов, представляющим собой изменения фазных токов. Вычисляющее средство связано со средством задержки времени, позволяющим осуществлять сбор сигналов в течение периода, который соответствует целому числу периодов энергосистемы и меньше или предпочтительно равен времени хранения. Расчетные данные передаются модулю для вычисления среднего арифметического и среднеквадратичного отклонения, соединенному на выходе со средством интерпретации, сравнивающим результаты для определения, расположено ли короткое замыкание со стороны сети или со стороны нагрузки от точки, где сигналы, представляющие собой фазные токи, были получены. Средство интерпретации может быть графического или вычислительного типа.

Краткое описание чертежей

Другие преимущества и характеристики станут более очевидны из следующего описания конкретных вариантов воплощения изобретения, приведенных только с иллюстративными и неограничивающими целями, представленных в прилагаемых чертежах.

Фигура 1, которая уже была описана, представляет собой энергосистему, в которой могут использоваться устройства обнаружения короткого замыкания на землю.

Фигура 2 схематически показывает фильтрованные сигналы, представляющие собой токи фазовой и нулевой последовательностей, и их изменения, когда в фазе происходит короткое замыкание на землю соответственно со стороны сети и стороны нагрузки от устройства обнаружения.

Фигура 3 изображает способ обнаружения согласно предпочтительному варианту воплощения изобретения.

Фигура 4 представляет собой блок-схему устройства обнаружения короткого замыкания на землю согласно предпочтительному варианту воплощения изобретения.

Описание предпочтительных вариантов воплощения

Устройство 10 для обнаружения направления короткого замыкания 7, согласно изобретению, может использоваться в любой многофазной энергосистеме 1, такой как это описано на фигуре 1, вместо существующих устройств 8. В изображенном предпочтительном варианте воплощения и режиме использования изобретения линия 5, на которой установлено устройство 10, содержит три фазных провода 5_A, 5_B, 5_C, и энергосистема сбалансирована, то есть ток нулевой последовательности I₀ равен нулю в отсутствие короткого замыкания. Однако возможны отклонения от этой идеальной ситуации, и энергосистема может содержать другое число фаз.

Когда происходит короткое замыкание 7 на землю в одной из фаз A, ток упомянутой фазы I_A в идеале становится равен нулю со стороны нагрузки от короткого замыкания 7 и увеличивает свою амплитуду со стороны сети. Однако если короткое замыкание на землю 7 имеет очень большое сопротивление, изменения тока, создаваемые коротким замыканием 7, очень малы, до 20-40 раз меньше, чем ток нагрузки, и могут маскироваться емкостными токами. Как изображено на фигуре 2, датчик тока 12A на дефектном проводе 5A тогда обеспечивает сигнал, представляющий собой ток I_A, который не обозначает явный разрыв в момент короткого замыкания 7, поскольку ток короткого замыкания слаб и едва заметен.

Однако изобретение показывает, что можно обойти эту проблему масштаба, вычитая ток нагрузки, измеренный перед коротким замыканием, из тока короткого замыкания I_A. Как показано на фигуре 2, становится виден четкий разрыв в сигнале, обеспеченном датчиком 12A. Кроме того, изменение тока ΔI_A в неисправной фазе различается в зависимости от того, находится ли устройство согласно изобретению со стороны сети 10_i+1 или со стороны нагрузки 10_i от упомянутого датчика 12.

Фигура 2 также показывает:

- ток I и его изменения ΔI, которые одновременно нарушаются в других двух фазах B и C, но в меньшей пропорции, чем в фазе A;

- ток нулевой последовательности I₀, детектируемый в линии 5 или с помощью соответствующего датчика 12 или путем вычисления по трем фазным токам I_A, I_B, I_C, полученным датчиками 12A, 12B, 12C, и его изменение.

Согласно изобретению, для определения, находится ли короткое замыкание 7 со стороны сети или стороны нагрузки от датчиков 12, обеспечивающих сигналы, представляющие собой токи линии 5, используются коэффициенты корреляции между различными кривыми. На самом деле замечено, что после возникновения короткого замыкания на землю через большое сопротивление, в случае короткого замыкания 7, происходящего со стороны нагрузки от устройства 10_i, сходство между изменением тока нулевой последовательности I₀ и изменением тока I_A неисправной фазы является большим, в отличие от малого сходства между изменением тока нулевой последовательности I₀ и изменениями токов I_B, I_C других фаз. С учетом этого нормализованные коэффициенты корреляции с током нулевой последовательности I₀ должны быть, по абсолютному значению, близки к 1 для фазы A, и низки, например близки к ±0,1, для других фаз. И наоборот, в случае короткого замыкания 7, происходящего со стороны сети от устройства 10_i+1, после возникновения короткого замыкания сходство изменения тока нулевой последовательности I₀ с изменением тока I_A поврежденной фазы является малым, тогда как сходство между изменением тока нулевой последовательности I₀ и изменением токов I_B, I_C других фаз остается средним. Поэтому нормализованные коэффициенты корреляции со знаком с изменениями тока нулевой последовательности I₀ должны остаться средней величины, например близкими к ±0,5 для фаз В и C и близкими к нулю для фазы A.

Нормализованный коэффициент линейной корреляции, используемый в этом способе согласно изобретению, предпочтительно получается с помощью формулы Браве-Пирсона и имеет знак. Датчики 12 фактически обеспечивают сигнал переменного тока (AC), текущего в каждой из фаз 5_A, 5_B, 5_C, который предпочтительно замеряется так, чтобы получить определенное число дискретных значений, представляющих собой значения тока. В предпочтительном варианте воплощения число N значений, обеспечиваемых путем замеров, настраивается по времени T_acq сбора для оптимизации воспроизводимости и надежности результатов формулы Браве-Пирсона, то есть предпочтительно более 30 значений в случае времени T_acq сбора, равного периоду энергосистемы, например, с частотой дискретизации, равной приблизительно 1,5 кГц для трехфазной энергосистемы 4 при 50 Гц.

Таким же образом вычисление соответствующих изменений фазных токов и тока ΔI нулевой последовательности выполняется для каждой точки с вычитанием, для каждого измеренного значения, значения тока нагрузки перед коротким замыканием в то же время на синусоидальной волне сигнала. Предпочтительно не использовать фиксированное окно памяти для опорных токов, хотя этот параметр обычно используется, например, для измеряющих качество функций, требующих вычитания опорных значений. Большинство энергосистем 4 на самом деле имеют колебания с точки зрения нагрузки и частоты: частота 50 Гц (или 60 Гц) остается средним значением относительно фактической частоты, которая не фиксирована. Таким образом, замер по N точкам может привести к смещению измерений на несколько микросекунд на знаковой волне относительно опорных моментов времени, взятых в фиксированном окне, особенно если они далеко от точки измерения, что будет создавать отклонения при вычислении текущего изменения ΔI.

Поэтому согласно изобретению опорные значения, представляющие собой ток нагрузки непосредственно перед коротким замыканием, сохраняются в соответствии с принципом скользящей памяти для окна с продолжительностью, по меньшей мере эквивалентной T_acq. Пока короткое замыкание не было обнаружено, значения, представляющие собой сигнал, измеренный датчиками 12, заменяют первые сохраненные значения для того же самого момента на знаковой волне, чтобы хранить замеры непосредственно перед коротким замыканием, что минимизирует возможные смещения, вызванные колебанием частоты и/или нагрузки.

Таким образом, в способе согласно изобретению, схематически изображенном на фигуре 3, сигналы, представляющие собой фазные токи, которые предпочтительно являются фильтрованными, собираются в течение времени сбора T_acq, а затем дискретизируются. Параллельно вычисляется ток нулевой последовательности I₀ для того же периода времени, или он может быть измерен непосредственно с помощью специализированной катушки 12. Значения за время сбора T_acq сохраняются в подходящей памяти, упомянутое хранение является скользящим, то есть пока короткое замыкание не было обнаружено, последнее измеренное/полученное значение заменяет предыдущее значение.

Как только было обнаружено D короткое замыкание 7, например, путем сравнения тока нулевой последовательности I₀ (или его изменения) с порогом S₀, значения, сохраненные в памяти I_{0_MEM}, I_{A_MEM}, I_{B_MEM}, I_{C_MEM}, сохраняются и больше не заменяются, а сигналы, представляющие собой фазные токи, предпочтительно фильтрованные, непосредственно перед коротким замыканием, собираются за время сбора T_acq и затем дискретизируются. Параллельно вычисляется ток нулевой последовательности I₀ для того же промежутка времени. Из этих замеров I_Af*, I_Bf*, I_Cf*, I₀ затем почленно вычитаются значения I_{A_MEM}, I_{B_MEM}, I_{C_MEM}, I_{0_MEM}, сохраненные в скользящей памяти, чтобы определить изменения дискретизированных, фильтрованных сигналов фазных токов и тока нулевой последовательности. Коэффициенты корреляции со знаком между изменениями сигналов ΔI_Af*, ΔI_Bf*, ΔI_Cf* и ΔI₀ вычисляются по формуле Браве-Пирсона согласно уравнению (1), в котором r_XY обозначает показатель линейной корреляции со знаком между двумя переменными X, Y, у которых известны N точных значений x, y.

Таким образом, получаются три нормализованных коэффициента линейной корреляции r_A, r_B, r_C. Как было указано выше, в зависимости от того, находится ли короткое замыкание 7 со стороны сети или стороны нагрузки, коэффициенты r_A ближе к 1 или к 0. Согласно изобретению, чтобы оценить эту близость, используются среднее арифметическое μ и среднеквадратичное отклонение σ распределения коэффициентов корреляции. Фактически среднее значение/среднеквадратичное отклонение (μ, σ) с большим средним значением и малым среднеквадратичным отклонением (например, μ>0,7 и σ<0,5) соответствует короткому замыканию со стороны сети, в отличие от среднего значения/среднеквадратичного отклонения (μ, σ) с малым средним значением и высоким среднеквадратичным отклонением (например μ<0,5 и σ>0,5), что соответствует короткому замыканию со стороны нагрузки. Следует отметить, что коэффициент корреляции здесь имеет знак в отличие от используемого в документе FR 2936319. Изменения вследствие тока короткого замыкания малы, и информация, предоставляемая знаком, не может игнорироваться.

В частности, замечено, что для короткого замыкания 7 со стороны нагрузки от обнаружения 10_i верно следующее соотношение (2), тогда как для короткого замыкания 7 со стороны сети, 10_i+1, верно обратное, то есть: 3⋅σ<2⋅√2⋅|μ|.

В предпочтительном способе согласно изобретению, как только среднее значение и среднеквадратичное отклонение были вычислены, выполняется сравнение согласно соотношению (2) или любому соотношению, которое получено непосредственно из него, и в зависимости от результатов дается расшифровка L направления относительно положения короткого замыкания, либо указываемое внешней стороне, либо посылаемое реле 9 для отключения прерывателя 6 стороны сети, либо любого другого использования.

Чтобы улучшить этот вычислительный этап способа согласно изобретению, можно графически определить относительное местоположение со стороны нагрузки или со стороны сети короткого замыкания 7 путем расположения точки координат (μ, σ) на графике (x, y), где построены две полупрямых уравнения (3). Если точка расположена в полуплоскости, содержащей ось X (x, 0), короткое замыкание случилось со стороны сети.

Способ согласно изобретению может быть реализован в релейной защите 9, в индикаторе короткого замыкания с системой оповещения, путем реализации в подходящем устройстве 10 обнаружения направления короткого замыкания на землю.

Устройство 10 согласно предпочтительному варианту воплощения изобретения представлено в схематичном виде на фигуре 4. Оно содержит средство 14 для получения сигналов, представляющих собой фазные токи, обеспеченные подходящими датчиками 12A, 12В, 12C, например катушками обнаружения, в оптимальном варианте воплощения с фильтрованием с помощью подходящего средства 16, такого как аналоговый фильтр. В предпочтительном варианте воплощения фильтрованные сигналы I_Af, I_Bf, I_Cf обрабатываются далее путем дискретизации, а средство для получения типовых сигналов 14 содержит модуль 18 дискретизации, в оптимальном варианте воплощения функционирующий с частотой более 1,5 кГц, таким образом, обеспечивая фильтрованные дискретизированные сигналы для дальнейшей обработки I_Af*, I_Bf*, I_Cf*.

Устройство 10 согласно изобретению дополнительно содержит средство 14’ для получения сигнала, представляющего собой ток нулевой последовательности I₀. Это средство может быть соединено непосредственно с катушкой 12 обнаружения интересующего нас тока, окружающей линию 5 (пунктирная линия). Альтернативно средство 14’, относящееся к значению тока нулевой последовательности I₀, определяет упомянутый ток путем обработки сигналов, относящихся к фазным токам I_A, I_B, I_C (не показаны), в оптимальном варианте воплощения фильтрованных I_Af, I_Bf, I_Cf (не показаны) и, возможно, дискретизированных I_Af*, I_Bf*, I_Cf* (непрерывные линии).

Устройство 10 согласно изобретению дополнительно содержит подходящее средство 20 хранения для сохранения скользящим образом окна заранее заданной продолжительности предыдущих значений фильтрованных дискретизированных сигналов фазного тока I_Af*, I_Bf*, I_Cf* и сигнала, представляющего собой ток нулевой последовательности I₀. Таким образом, сигналы сохраняются в памяти в виде опорных значений I_{A_MEM}, I_{B_MEM}, I_{C_MEM}, I_{0_MEM}.

В дополнение к тому, чтобы быть входными сигналами для средства 14’ для определения сигнала, представляющего собой ток нулевой последовательности I₀, и для средства 20 хранения сигналы, представляющие собой фильтрованные дискретизированные фазные токи I_Af*, I_Bf*, I_Cf*, передаются модулю 30 обработки, который содержит четвертый компонент: сигнал, представляющий собой ток нулевой последовательности I₀, четыре других входных сигнала для значений, которые сохранены в средстве 20 хранения и которые активируются при обнаружении D короткого замыкания 10 на землю. С этой целью модуль 30 обработки соединен с устройством 25 обнаружения короткого замыкания любого типа, здесь предпочтительно модуль сравнения тока нулевой последовательности I₀ с порогом обнаружения S_d: если порог превышен, то короткое замыкание D обнаружено, и модуль 30 обработки активируется.

Модуль 30 обработки последовательно содержит устройство 32 для вычисления соответствующих изменений входных сигналов I_Af*, I_Bf*, I_Cf*, I₀ относительно сохраненных входных сигналов I_{A_MEM}, I_{B_MEM}, I_{C_MEM}, I_{0_MEM}, устройство 34 для вычисления нормализованных коэффициентов r корреляции по этим четырем входным сигналам ΔI_Af*, ΔI_Bf*, ΔI_Cf*, ΔI₀, устройство 36 для вычисления среднего арифметического μ и среднеквадратичного отклонения σ этих трех входных данных r_A, r_B, r_C, устройство 38 сравнения с двумя входными сигналами (μ, σ), которое соединено со средством 40 интерпретации, выход которого является сигналом L обнаружения направления короткого замыкания на землю со стороны нагрузки или стороны сети от датчиков 12, согласно результату интерпретации.

Средство 32 для вычисления соответствующих изменений входных сигналов I_Af*, I_Bf*, I_Cf*, I₀ относительно сохраненных входных сигналов I_{A_MEM}, I_{B_MEM}, I_{C_MEM}, I_{0_MEM} вычисляет эти значения почленно для каждого фрагмента данных окна времени сбора T_acq. Это средство обеспечивает на выходе изменения дискретизированных фильтрованных сигналов фазных токов ΔI_Af*, ΔI_Bf*, ΔI_Cf* и изменение сигнала, представляющего собой ток нулевой последовательности ΔI₀.

Средство для вычисления нормализованных коэффициентов 34 корреляции со знаком предпочтительно использует формулу (1) Браве-Пирсона и связано со средством задержки времени, чтобы гарантировать, что изменения дискретизированных фильтрованных сигналов фазных токов ΔI_Af*, ΔI_Bf*, ΔI_Cf* и изменение сигнала, представляющего собой ток нулевой последовательности ΔI₀, были получены за достаточное время сбора T_acq, например один период энергосистемы 1 или больше.

Средство 38 сравнения, обеспечивающее значение модулю 40 интерпретации, может использовать различные функции. В частности средство 38 сравнения может содержать графическое сравнение по двум входным значениям относительно полуплоскости, очерченной полупрямыми уравнения (3). Средство 38 может определить разность между девятью восьмыми квадрата среднеквадратичного отклонения и квадратом средней величины, чтобы сравнить ее с нулем. Возможен и любой другой вариант.

Устройство 10 с фигуры 4 может в предпочтительном варианте воплощения быть связано с реле 9 защиты для электроэнергетических систем или с индикатором короткого замыкания пути для подземных линий 5 среднего напряжения, соединенных как энергосистема 1, выход модуля интерпретации вызывает срабатывание прерывателя 6, включение индикаторной лампы или активацию любого другого средства обеспечения безопасности и/или предупреждения.

Таким образом, согласно изобретению, способ и устройство 10 для обнаружения направления короткого замыкания 7 на землю линии 5 многофазной энергосистемы 1 были достигнуты без измерения напряжения, что улучшает и устройства, и их вариант осуществления, позволяя обнаруживать слабоустойчивые короткие замыкания на землю в загруженной энергосистеме. Фактически, хотя вариант воплощения особенно подходит для обнаружения направления слабоустойчивого короткого замыкания на землю, в частности, когда амплитуда тока короткого замыкания составляет менее 10% тока нагрузки, он естественным образом применим в других случаях вместо способа, описанного в FR 2936319, хотя он является более трудоемким в реализации.

Хотя изобретение было описано в отношении трехфазной системы распределения электроэнергии, в которой нейтраль заземлена путем компенсации полного сопротивления, оно этим не ограничивается. Изобретение может относиться к другим типам многофазных энергосистем, в частности, к любой системе с нейтралью. Кроме того, хотя оно было описано с определением и обработкой мгновенного тока нулевой последовательности I₀ для обнаружения короткого замыкания, способ согласно изобретению позволяет использовать изменение упомянутого тока I₀ относительно его значения, определенного за предыдущий период. Этот вариант оказывается особенно интересным в случае энергосистем, имеющих небольшой дисбаланс между фазами, поэтому их ток нулевой последовательности I₀ не равен нулю в ситуации отсутствия короткого замыкания.

Различные схемы, модули и функции, представленные в рамках предпочтительного варианта воплощения изобретения, могут фактически быть достигнуты с аналоговыми или цифровыми компонентами или в программном виде, функционирующем с помощью микроконтроллеров или микропроцессоров, и описанные типовые сигналы могут иметь вид электрических или электронных сигналов, значений данных или информации в памяти или регистрах, оптических сигналов, которые могут отображаться, в частности, на индикаторах, или показаний приборов, или механических сигналов, действующих с помощью приводов. Аналогично датчики тока могут отличаться от описанных трансформаторов, могут быть, например, датчиками на основе эффекта Холла или магнитосопротивления.

Claims

1. Устройство (10) для обнаружения направления короткого замыкания (7) на землю в многофазной энергосистеме, содержащее:

первое средство (14) для приема сигналов, представляющих собой ток (I_A, I_B, I_C) каждой из фаз;

второе средство (14’) для приема сигнала, представляющего собой ток нулевой последовательности (I₀) этого набора фаз;

средство (30) обработки сигналов, представляющих собой ток, содержащее средство (34) для вычисления нормализованных коэффициентов корреляции (r_A, r_B, r_C) и средство (36) для вычисления среднего значения (μ) и среднеквадратичного отклонения (σ) между вычисленными коэффициентами корреляции;

средство для активации упомянутого средства (30) обработки согласно сигналу (D) обнаружения возникновения короткого замыкания на землю в энергосистеме (1);

средство для интерпретации результатов обработки сигналов, содержащее средство для сравнения упомянутого среднего значения (μ) и упомянутого среднеквадратичного отклонения (σ) для определения, расположено ли короткое замыкание со стороны линии или со стороны нагрузки от устройства (10);

отличающееся тем, что устройство (10) дополнительно содержит средство (20) хранения значений сигналов, представляющих собой ток нулевой последовательности и ток каждой из фаз (I_{0_MEM}, I_{A_MEM}, I_{B_MEM}, I_{C_MEM}) в течение периода хранения до сигнала обнаружения (D) возникновения короткого замыкания (7) на землю, а средство (30) обработки сигналов содержит средство для определения изменения сигнала, представляющего собой ток нулевой последовательности и ток каждой из фаз (ΔI₀, ΔI_A, ΔI_B, ΔI_C), относительно сохраненных значений (I_{0_MEM}, I_{A_MEM}, I_{B_MEM}, I_{C_MEM}) за заранее заданное время, которое меньше или равно времени хранения, средство для вычисления нормализованного коэффициента корреляции (34), предназначенное для вычисления коэффициента корреляции (r_A, r_B, r_C) между изменением сигнала, представляющего собой ток нулевой последовательности (ΔI₀), и изменением каждого из сигналов, представляющих собой фазный ток (ΔI_A, ΔI_B, ΔI_C).

2. Устройство (10) по п.1, в котором время хранения соответствует целому числу периодов энергосистемы (1) и заранее заданное время равно времени хранения (T_acq).

3. Устройство по п.1, в котором средство (20) хранения выполнено с возможностью хранения значений за скользящий период и содержит средство деактивации согласно сигналу (D) обнаружения возникновения короткого замыкания на землю в энергосистеме (1).

4. Устройство (10) по п.1, в котором второе средство (14’) содержит средство для суммирования сигналов, представляющих собой каждый из фазных токов (I_A, I_B, I_C), для обеспечения сигнала, представляющего собой ток нулевой последовательности (I₀).

5. Устройство (10) по п.1, дополнительно содержащее средство (18) обнаружения возникновения короткого замыкания на землю в энергосистеме, соединенное с приводящим в действие средством средства (30) обработки сигналов и со средством (20) хранения, содержащим компаратор сигнала, представляющего собой ток нулевой последовательности (I₀), с порогом обнаружения (S₀).

6. Устройство (10) по п.1, в котором первое средство (14) для приема сигналов, представляющих собой токи каждой фазы (I_A, I_B, I_C), содержит средство (18) дискретизации, выполненное с возможностью обеспечения достаточного числа значений в течение заранее заданного времени и времени хранения (T_acq).

7. Индикатор прохождения короткого замыкания на землю, содержащий датчики (12_A, 12_B, 12_C) тока, расположенные на каждом фазном проводе (5_A, 5_B, 5_C) контролируемой энергосистемы (1), и содержащий устройство (10) обнаружения направления короткого замыкания по любому из пп.1-6, соединенное с упомянутыми датчиками тока (12_A, 12_B, 12_C) для приема сигналов, представляющих собой фазные токи (I_A, I_B, I_C).

8. Реле защиты (9) заземления, содержащее по меньшей мере один индикатор короткого замыкания по п.7 и средство для приведения распределительного устройства (6) в действие согласно результатам средства (40) интерпретации устройства (10) обнаружения направления индикатора.

9. Способ обнаружения направления (D, L) короткого замыкания (7) на землю в многофазной энергосистеме (1), в котором сигналы, представляющие собой ток нулевой последовательности (I_{0_MEM}) и каждый из фазных токов (I_{A_MEM}, I_{B_MEM}, I_{C_MEM}), сохраняют в течение времени (T_acq) по меньшей мере один период энергосистемы, содержащий активацию, после получения сигнала (D), указывающего на наличие упомянутого короткого замыкания (10) на землю, обнаружения направления (L) короткого замыкания (10), причем упомянутое обнаружение направления содержит последовательные этапы, на которых:

- получают сигналы, представляющие собой каждый из фазных токов (I_A, I_B, I_C) за заранее заданный промежуток времени (T_acq), который меньше или равен времени хранения;

- получают сигнал, представляющий собой ток нулевой последовательности (I₀), текущий в энергосистеме за тот же самый заранее заданный промежуток времени (T_acq);

- обрабатывают сигналы, представляющие собой фазовые токи и ток короткого замыкания на землю (I₀, I_A, I_B, I_C);

- интерпретируют результаты обработки сигналов для указания, расположено ли обнаруженное короткое замыкание (D) со стороны нагрузки или со стороны сети от места, где были получены сигналы, представляющие собой фазные токи (I_A, I_B, I_C);

отличающийся тем, что упомянутый этап обработки сигналов содержит этапы, на которых:

- вычисляют изменение тока нулевой последовательности (I₀) и каждого из фазных токов (I_A, I_B, I_C) за заранее заданное время (T_acq) относительно сохраненных значений (I_{0_MEM}, I_{A_MEM}, I_{B_MEM}, I_{C_MEM});

- вычисляют нормализованные коэффициенты корреляции (r_A, r_B, r_C) между изменениями сигналов тока нулевой последовательности (ΔI₀) и каждого из фазных токов (ΔI_A, ΔI_B, ΔI_C) за заранее заданное время (T_acq);

- вычисляют среднее арифметическое (μ) и среднеквадратичное отклонение (σ) упомянутых коэффициентов корреляции (r_A, r_B, r_C);

- упомянутую интерпретацию выполняют путем сравнения с использованием упомянутого среднего значения (μ) и упомянутого среднеквадратичного отклонения (σ).

10. Способ по п.9, в котором хранение представленных значений (I_{0_MEM}, I_{A_MEM}, I_{B_MEM}, I_{C_MEM}) получают скользящим образом до тех пор, пока не получен сигнал (D) индикатора наличия короткого замыкания.

11. Способ по п.9, в котором сигнал (D), указывающий наличие короткого замыкания (7) на землю, получают путем приема сигнала, представляющего собой ток нулевой последовательности (I₀), текущий в энергосистеме (1), и результата сравнения сигнала тока нулевой последовательности (I₀) с порогом (S₀) обнаружения короткого замыкания.

12. Способ по п.9, в котором получение сигнала, представляющего собой ток нулевой последовательности (I₀), текущий в энергосистеме (1), состоит в вычислении упомянутого тока на основании сигналов, представляющих собой каждый из фазных токов (I_A, I_B, I_C).

13. Способ по п.9, в котором этап интерпретации содержит этап, на котором сравнивают с нулем разность между квадратом трехкратного среднеквадратичного отклонения (σ) и восьмикратного квадрата среднего значения (μ).

14. Способ по п.9, в котором этап интерпретации содержит этап, на котором графически сравнивают среднее значение (μ) и среднеквадратичное отклонение (σ) с двумя полупрямыми по уравнению

.

15. Способ по п.9, в котором этап обеспечения сигналов, представляющих собой фазные токи (I_A, I_B, I_C), содержит этап, на котором дискретизируют ток с частотой более 1,5 кГц.

16. Способ по п.9, в котором вычисление нормализованных коэффициентов корреляции (r_A, r_B, r_C) выполняют согласно формуле Браве-Пирсона.

17. Способ защиты линии (5) тока при возникновении короткого замыкания (7) на землю, содержащий этапы, на которых приводят в действие распределительное устройство (6) упомянутой линии (5), если было обнаружено короткое замыкание (7) на землю с помощью способа по любому из пп.9-15 со стороны нагрузки от упомянутого распределительного устройства (6).