PL236806B1 - Układ i sposób detekcji zwarć wysokooporowych linii kablowych i kablowo-napowietrznych - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest układ detekcji zwarć wysokooporowych linii kablowych lub kablowo - napowietrznych charakteryzujący się tym, że posiada blok (1) stanowiący układ detekcji stanów przejściowych mierzonego prądu I_uz_zp oraz blok (2) stanowiący układ usuwania tła mierzonego prądu I_uz_zp, do których to bloków (1 i 2) doprowadzany jest sygnał wejściowy I_uz_zp oraz blok (1b) stanowiący układ do detekcji stanów przejściowych prądu I_pn i blok (12) detekcji usunięcia doziemienia, do których to bloków (1b) i (12) doprowadzany jest sygnał wejściowy I_pn, przy czym wyjścia bloków (1 i 1b) doprowadzają sygnał do bloku (3) stanowiącego bramkę logiczną typu AND, która pobudza blok (2), którego wyjście doprowadza sygnał do bloku (4) stanowiącego układu filtracji połączonego z blokiem (5), który natomiast stanowi układ obliczania wielkości kryterialnych, a jego wyjścia są połączone z komparatorami (6, 7 i 8), których wyjścia doprowadzają sygnał do bloku (9) stanowiącego bramkę typu AND połączonego z aktywatorem bloku będącego opóźniaczem (10), z kolei zacisk stop opóźniacza (10) jest połączony z blokiem (12), a wyjście samego opóźniacza (10) połączone jest z układem sterowania łącznikiem (11). Przedmiotem wynalazku jest również sposób detekcji zwarć wysokooporowych w liniach kablowych lub kablowo - napowietrznych

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ i sposób detekcji zwarć wysokooporowych linii kablowych i kablowo-napowietrznych. Wynalazek wykorzystuje pomiar prądu w bednarce lub innym elemencie instalacji uziemiającej łączącej żyły powrotne kabla z uziomem stacji elektroenergetycznej.

Detekcja zwarć wysokooporowych jest bardzo ważna, ponieważ pozwala ograniczyć ryzyko porażenia ludzi i zwierząt. Zwarcie jest bowiem stanem awaryjnym podczas, którego układ izolacji zostaje uszkodzony, przez co potencjał elektryczny przenosi się na pobliskie elementy oraz ziemię. W miejscu doziemienia potencjał jest największy i maleje ze wzrostem odległości od miejsca zwarcia. Różnice potencjałów między stopami nazywa się powszechnie napięciem krokowym. Napięcie krokowe maleje ze wzrostem odległości od miejsca doziemienia i zależy od odległości między stopami. Do porażenia może więc dojść nieświadomie, bez bezpośredniego kontaktu z miejscem uszkodzenia np. zerwanym przewodem.

W przypadku bezpośredniego kontaktu z miejscem uszkodzenia spodziewane napięcie rażeniowe jest większe. Ryzyko bezpośredniego dotyku miejsca uszkodzenia np. zerwanego przewodu zależy od świadomości ludzi. Odpowiednie przepisy wskazują miejsca, w których potencjalne awarie miałyby szczególnie niekorzystne skutki i nakazują zachowanie szczególnych środków ostrożności np. zwiększenie pewności zawieszenia przewodów. Niestety, biorąc pod uwagę rozległość sieci dystrybucyjnych - ponad 850 tys. kilometrów linii średniego napięcia w Polsce, nie jest możliwe zapobiegnięcie wszystkim awariom i dlatego ważne jest stosowanie urządzeń do detekcji zwarć wysokooporowych.

W momencie wystąpienia zwarcia jednofazowego o niskiej rezystancji dochodzi do przepięć o dużej wartości. Wartość szczytowa przepięć zależy głównie od sposobu pracy punktu neutralnego oraz od rezystancji przejścia w miejscu zwarcia. Przepięcia w fazach nieuczestniczących w zwarciu jednofazowym skutkują wzrostem naprężenia na izolacje. Wzrost naprężenia na izolacje podczas zwarć jednofazowych może prowadzić do uszkodzenia kolejnych elementów sieci elektroenergetycznej i w konsekwencji do wystąpienia zwarć dwufazowych z ziemią. Zwarcie dwufazowe z ziemią jest szczególnie niebezpieczne ponieważ prowadzi do przepływu prądu zwarciowego o dużej amplitudzie. W konsekwencji może dojść do awarii kolejnych elementów sieci elektroenergetycznej np. upalenia mostka, co wydłuża czas usunięcia awarii i przestoju w przedsiębiorstwach zasilanych z ciągu zasilającego, w którym wystąpiła awaria. Prawdopodobieństwo wystąpienia zwarć dwufazowych z ziemią jest szczególnie duże, jeżeli sieć elektroenergetyczna pracuje z niewykrytym zwarciem doziemnym, ponieważ izolacja jest uszkodzona, a miejsca uszkodzeń mają tendencje do dalszej degradacji.

W stanie techniki znane są sposoby oraz układy detekcja zwarć wysokooporowych w liniach kablowych lub kablowo-napowietrznych. Takie rozwiązania przedstawiają chociażby opis W O0031554. Rozwiązanie według wynalazku proponuje alternatywne podejście do detekcji zwarć wysokooporowych w liniach kablowych lub kablowo-napowietrznych.

Istotą wynalazku jest układ do detekcji zwarć wysokooporowych w liniach kablowych lub kablowo-napowietrznych charakteryzujący się tym, że posiada blok stanowiący układ detekcji stanów przejściowych mierzonego prądu I_uz_zp oraz blok stanowiący układ usuwania tła mierzonego prądu I_uz_zp. Do bloków tych doprowadzany jest sygnał wejściowy I_uz_zp.

Posiada także blok stanowiący układ do detekcji stanów przejściowych prądu I_pn i blok detekcji usunięcia doziemienia, do których to bloków doprowadzany jest sygnał wejściowy I_pn.

Przy czym wyjścia bloków stanowiącego układ detekcji stanów przejściowych mierzonego prądu I_uz_zp oraz stanowiącego układ do detekcji stanów przejściowych prądu I_pn doprowadzają sygnał do kolejnego bloku stanowiącego bramkę logiczną typu AND, która pobudza blok stanowiący układ usuwania tła mierzonego prądu I_uz_pn, którego wyjście doprowadza sygnał do bloku stanowiącego układ filtracji połączonego z blokiem, który stanowi układ obliczania wielkości kryterialnych.

Wyjścia bloku, który stanowi układ obliczania wielkości kryterialnych są połączone z trzema szeregowymi komparatorami, których wyjścia doprowadzają sygnał do bloku stanowiącego bramkę typu AND połączonego z aktywatorem bloku będącego opóźniaczem.

Z kolei zacisk stop opóźniacza jest połączony z blokiem detekcji usunięcia doziemienia, a wyjście samego opóźniacza połączone jest z układem sterowania łącznikiem.

W uproszczonym schemacie ideowym wyjścia układów detekcji połączone są z wejściami bramki logicznej typu AND, której wyjście jest połączone z aktywatorem układu usuwania tła mierzonego prądu I_uz_zp na podstawie doprowadzonej wielkości I_uz_zp. Wyjście układu usuwania tła

PL 236 806 B1 połączone jest z wejściem układu filtracji, który jest połączony z układem obliczania wielkości kryterialnych. Wyjście układu obliczania wielkości kryterialnych połączone jest z komparatorami, których wyjścia są połączone z bramką logiczną typu AND, której wyjście połączone jest z aktywatorem opóźniacza. Sygnał stop opóźniacza doprowadzony jest przez blok detekcji usunięcia doziemienia. Wyjście z bloku opóźniacza połączone jest z układem sterującym łącznika.

Istotą wynalazku jest również sposób detekcji zwarć wysokooporowych w liniach kablowych lub kablowo-napowietrznych. W sposobie tym dokonuje się ciągłego pomiaru prądu w uziomie żył powrotnych kabli elektroenergetycznych I_uz_zp lub prądu I_o żył powrotnych mierzonego przy pomocy typowych filtrów składowej zerowej. W czasie doziemienia rozpoznawanego przez blok stanowiący układ do detekcji stanów przejściowych mierzonego prądu I_uz_zp na podstawie wzrostu i charakterystycznego stanu przejściowego I_uz_zp oraz przez blok stanowiący układ do detekcji stanów przejściowych prądu na podstawie skokowego wzrostu prądu I_pn, a jednoczesne pobudzenie bloków stanowiących układ detekcji stanów przejściowych mierzonego prądu I_uz_zp oraz układ do detekcji stanów przejściowych prądu I_pn aktywuje bramkę logiczną AND. Aktywacja bramki z kolei pobudza blok stanowiący układ usuwania tła mierzonego prądu I_uz_zp do usunięcia tła prądu żyły powrotnej, po czym I_uz_zp jest przetwarzane w blokach stanowiących układ filtracji połączony z układem obliczania wielkości kryterialnych w celu otrzymania wielkości kryterialnych. Otrzymane wartości kryterialne następnie porównywane są za pomocą komparatorów mogących wspólnie pobudzić bramkę logiczną AND połączoną z aktywatorem opóźniacza. W przypadku rozpoznania skokowego spadku prądu I_pn generuje sygnał na otwarcie łącznika w przypadku, gdy odmierzony czas jest większy lub równy wartości nastawionej. Idea sposobu według wynalazku realizuje się przez to, że doziemienie jest rozpoznawane na podstawie jednoczesnego wzrostu prądu I_uz_zp oraz prądu I_pn. Po wykryciu doziemienia prąd I_uz_zp będący wielkością kryterialną jest filtrowany i przetwarzany. Następnie jeżeli układ komparatorów rozpozna, że wielkość kryterialna mieści się w odpowiednim zakresie generowany jest sygnał potwierdzający wykrycie doziemienia.

Alternatywnie wynalazek może wykorzystywać pomiar składowej zerowej prądu żył powrotnych otrzymywanej przy pomocy klasycznych filtrów. Dodatkowo do zabezpieczenia doprowadzony jest prąd punktu neutralnego - I_pn. Zastosowanie prądu I_pn pozwala na wyeliminowanie niepotrzebnego działania podczas różnego rodzaju stanów zakłóceniowych niebędących zwarciem doziemnym. Dodatkowo w celu uniewrażliwienia zabezpieczenia na prąd przepływający od zabezpieczanej linii do linii, w której wystąpiło zwarcie zabezpieczenie wyposażone jest w człon kierunkowy pozwalający na rozróżnianie zwarć występujących w zabezpieczanej linii od zwarć poza zabezpieczaną linią. Wielkością kryterialną zabezpieczenia jest prąd I_uz_zp_zw, gdzie I_uz_zp_zw jest różnicą prądów I_uz_zp po i sprzed wystąpieniu doziemienia.

Zaletą wynalazku jest wysoka czułość zabezpieczenia na zwarcia doziemne. W przypadku kabli 3 żyłowych o wspólnej żyle powrotnej lub 3 kabli jednożyłowych prąd uziomowy I_uz_zp ulega wyraźnej zmianie podczas zwarć doziemnych. Do detekcji zwarć doziemnych wystarczy 1 przekładnik prądowy o mniejszej przekładni niż przekładniki wykorzystywane do budowy filtrów składowej zerowej w żyłach roboczych, co przekłada się na większą dokładność pomiaru w zakresie małych prądów występujących podczas zwarć wysokooporowych w liniach kablowych. Ponadto montaż osprzętu potrzebnego do pracy zabezpieczenia jest prostszy.

Układ detekcji zwarć wysokooporowych linii kablowych lub kablowo-napowietrznych według wynalazku w przykładzie realizacji przedstawiono na rysunku, na którym fig. 1 pokazuje schemat blokowy układu. Układ detekcji zwarć wysokooporowych linii kablowych lub kablowo-napowietrznych, znamienny tym, że sygnał wejściowy I_uz_zp jest doprowadzony do bloku 1 - układu detekcji stanów przejściowych mierzonego prądu I_uz_zp i bloku 2 - układu usuwania tła mierzonego prądu I_uz_zp, z kolei sygnał wejściowy I_pn jest doprowadzony do bloku 1b - układu do detekcji stanów przejściowych prądu I_pn i bloku 12 - bloku detekcji usunięcia doziemienia, natomiast wyjścia bloków 1 i 1b doprowadzają sygnał do bloku 3 - bramki logicznej typu AND, która pobudza blok 2, którego wyjście doprowadza sygnał do bloku 4 - układu filtracji połączonego z blokiem 5 - układem obliczania wielkości kryterialnych, którego wyjścia są połączone z komparatorami 6, 7 i 8, których wyjścia doprowadzają sygnał do bloku 9 - bramki typu AND połączonej z aktywatorem bloku 10 - opóźniacza, z kolei zacisk stop opóźniacza jest połączony z blokiem 12, a wyjście samego opóźniacza połączone jest z układem sterowania łącznikiem 11.

Sposób i układ detekcji zwarć wysokooporowych linii kablowych lub kablowo-napowietrznych przedstawiają natomiast następujące przykłady.

PL 236 806 B1

P r z y k ł a d 1

W zabezpieczanej linii wystąpiło zwarcie doziemne, w związku z czym blok 1 wykrył zmianę prądu lub charakterystyczne stany przejściowe I_uz_zp, a blok 1b wykrył zmianę prądu lub charakterystyczne stany przejściowe I_pn, co spowodowało wygenerowanie wysokiego stanu na wyjściu bloku 3 - bramki logicznej typu AND. Następnie blok 2 określił wartość prądu I_uz_zp_zw charakterystyczną dla zwarcia doziemnego. Prąd I_uz_zp_zw został następnie odfiltrowany w bloku 4, a następnie w bloku 5 obliczono moduł i kąt prądu I_uz_zp_filtr. Pobudzone zostały komparatory 6, 7 i 8, w związku z czym aktywowano opóźniacz i rozpoczęto zliczanie czasu. Ponieważ nie wykryto skokowego zmniejszenia prądu I_pn przez blok 12 opóźniacz kontynuował zliczanie czasu aż do osiągnięcia wartości nastawionej po czym wygenerowany został sygnał na otwarcie łącznika zabezpieczanej linii.

P r z y k ł a d 2

Przez żyły powrotne zabezpieczanego kabla przepływa prąd błądzący niezwiązany z doziemieniem w zabezpieczanej linii. Gwałtowna zmiana prądu I_uz_zp powoduje pobudzenie bloku 1 jednak ze względu na brak doziemienia nie wykryto wzrostu I_pn, w związku z czym blok 3 nie zostaje pobudzony, a działanie algorytmu zostaje przerwane bez podjęcia dodatkowych działań.

P r z y k ł a d 3

Działanie wynalazku polega na wykorzystaniu pomiaru prądu uziomowego żył powrotnych zabezpieczanego kabla lub składowej zerowej prądu żył powrotnych oraz prądu punktu neutralnego I_pn. Pierwszym etapem działania wynalazku jest detekcja stanów przejściowych w prądzie żyły powrotnej i/lub wzrostu amplitudy prądu w bloku 1. W celu uniewrażliwienia wynalazku na zbędne działanie związane z innymi stanami przejściowymi w mierzonym prądzie I_uz_zp wykorzystywany jest skokowy wzrost prądu lub rozpoznanie charakterystycznych stanów przejściowych I_pn rozpoznawanych przez blok 1b. W przypadku gdy w tym samym czasie wykryto skokowe zmiany w blokach 1 i 1b aktywowane jest wyjście bramki logicznej 3, które pobudza blok 2. Blok 2 porównuje prądy w żyłach powrotnych sprzed i po wykryciu stanu przejściowego w celu otrzymania różnicy wielkości związanej z doziemieniem, które wystąpiło w zabezpieczanej linii. Sygnał I_uz_zp_zw jest przetwarzany przez blok 4 w celu otrzymania odpowiedniej postaci mierzonych wielkości, następnie w bloku 5 obliczany jest moduł oraz kąt prądu I_uz_zp_filtr. Wielkości są porównywane przez układ komparatorów 6, 7 i 8. W przypadku gdy mierzone wielkości znajdują się w odpowiednim zakresie pobudzana jest bramka logiczna typu AND 9, której wyjście połączone z aktywatorem opóźniacza 10 powoduje rozpoczęcie zliczania czasu. W przypadku, gdy przez dostatecznie długi czas określony nastawą nie wystąpi zatrzymanie opóźniacza, opóźniacz wygeneruje sygnał na otwarcie łącznika 11. Sygnał na zatrzymanie opóźniacza generowany jest przez blok 12 po wykryciu skokowego zmniejszenia wartości prądu I_pn i służy do zablokowania działania zabezpieczenia w przypadku wygaszenia zwarcia doziemnego w zabezpieczanej linii. Resetowanie opóźniacza występuje po określonej zwłoce czasowej i ma na celu zapewnienie prawidłowego działania podczas zwarć doziemnych przerywanych.

Claims (2)

Zastrzeżenia patentowe

1. Układ detekcji zwarć wysokooporowych linii kablowych lub kablowo-napowietrznych, znamienny tym, że posiada blok (1) stanowiący układ detekcji stanów przejściowych mierzonego prądu I_uz_zp oraz blok (2) stanowiący układ usuwania tła mierzonego prądu I_uz_zp, do których to bloków (1) i (2) doprowadzany jest sygnał wejściowy I_uz_zp oraz blok (1b) stanowiący układ do detekcji stanów przejściowych prądu I_pn i blok (12) detekcji usunięcia doziemienia, do których to bloków (1b) i (12) doprowadzany jest sygnał wejściowy I_pn, przy czym wyjścia bloków (1) i (1b) doprowadzają sygnał do bloku (3) stanowiącego bramkę logiczną typu AND, która pobudza blok (2) stanowiący układ usuwania tła mierzonego prądu I_uz_zp, którego wyjście doprowadza sygnał do bloku (4) stanowiącego układ filtracji połączonego z blokiem (5) stanowiącym układ obliczania wielkości kryterialnych, a jego wyjścia są połączone z komparatorami (6), (7) i (8), których wyjścia doprowadzają sygnał do bloku (9) stanowiącego bramkę typu AND połączonego z aktywatorem bloku będącego opóźniaczem (10), z kolei zacisk stop opóźniacza (10) jest połączony z blokiem (12), a wyjście samego opóźniacza (10) połączone jest z układem sterowania łącznikiem (11).

2. Sposób detekcji zwarć wysokooporowych w liniach kablowych lub kablowo-napowietrznych, znamienny tym, że w sposób ciągły dokonuje się pomiar prądu w uziomie żył powrotnych

PL 236 806 B1 kabli elektroenergetycznych I_uz_zp lub prądu I_o żył powrotnych mierzonego przy pomocy typowych filtrów składowej zerowej, a w czasie doziemienia rozpoznawanego przez blok (1) stanowiący układ detekcji stanów przejściowych mierzonego prądu I_uz_zp na podstawie wzrostu i charakterystycznego stanu przejściowego I_uz_zp oraz przez blok (1b) stanowiący układ do detekcji stanów przejściowych prądu na podstawie skokowego wzrostu prądu I_pn, a jednoczesne pobudzenie bloków (1) i (1b) aktywuje bramkę logiczną AND (3), która z kolei pobudza blok (2) stanowiący układ usuwania tła mierzonego prądu I_uz_zp do usunięcia tła prądu żyły powrotnej, po czym I_uz_zp jest przetwarzane w bloku (4) stanowiącym układ filtracji połączonym z blokiem (5), który stanowi układ obliczania wielkości kryterialnych w celu otrzymania wielkości kryterialnych, które następnie porównywane są w komparatorach (6), (7) i (8) mogących wspólnie pobudzić bramkę logiczną AND (9) połączoną z aktywatorem opóźniacza (10), który może być zatrzymany w przypadku rozpoznania skokowego spadku prądu I_pn przez blok (12) i który generuje sygnał na otwarcie 40 łącznika (11) w przypadku, gdy odmierzony czas jest większy lub równy wartości nastawionej.