Kommunikationskanäle als das schwächste Glied in der Systemschutzkette

Der menschliche Körper als elektromagnetischer Kommunikationskanal und ein wenig Beziehungskrams.. (April 2019).

Anonim

Sicherer und zuverlässiger Schutz

Schutztechniker haben eine Vielzahl von Kommunikationskanälen für den Relaisschutz. Dies ist ein Bereich für sich und ist sehr wichtig für eine Diskussion der Schutzsysteme. Historisch und aktuell waren Kanäle in der Regel das schwächste Glied in der Schutzkette.

Kommunikationswege als schwächstes Glied in der Systemschutzkette (Foto: Strommast mit Leitungsfallen und Glasfaserkabel)

Von den frühen Anwendungen in den 1930er Jahren bis zu den ziemlich hochentwickelten und höchst zuverlässigen Geräten, die in der letzten Zeit verfügbar waren, wurden enorme Fortschritte gemacht. Dies ist ein Spezialgebiet, und Schutzanträge sollten von Spezialisten in diesem Bereich gestellt werden, die mit den Schutzanforderungen vertraut sind.

Gutes Engineering für Kanäle ist für einen sicheren und zuverlässigen Schutz ebenso wie für den Schutz des Relais erforderlich.

Inhalt:

  1. Power-Line Carrier: Ein-Aus oder Frequenz-Shift
  2. Pilotdrähte - Audio Tonübertragung
  3. Pilotdrähte - 50 Hz oder 60 Hz Übertragung
  4. Digitale Kanäle
  5. Zusammenfassung

1. Power-Line-Träger - Ein-Aus oder Frequenz-Shift

Ab Anfang der 1930er Jahre wurden Radiofrequenzen zwischen 50 und 150 kHz den Stromleitungen zum Pilotschutz überlagert. Sie wurden ursprünglich in einem Ein-Aus-Modus verwendet, und mit fortschreitender Technik wurde eine Frequenzverschiebung verfügbar.

Diese sind als Power-Line-Carrier-Kanäle (PLCC) bekannt und werden häufig mit Frequenzen zwischen 30 und 300 kHz verwendet. Abbildung 1 zeigt einen typischen Kanal dieses Typs.

In den Vereinigten Staaten wird die Phase-zu-Erde-Kopplung am häufigsten verwendet . Andere verwendete Typen sind Phase-Phase, Zwei-Phase-zu-Erde und so weiter. Die Sender erzeugen etwa 1 bis 10 W Hochfrequenz (HF) .

In der Vergangenheit waren 100-W-Sender verfügbar, die jedoch derzeit nicht gebräuchlich sind. Das HF-Signal ist über einen Leitungstuner und einen Kopplungskondensator, wie gezeigt, mit der Hochspannungsleitung verbunden. Der Tuner, der normalerweise an der Basis der Kopplungskondensatoreinheit montiert ist, löscht die Kapazität der Kopplungskondensatoreinheit.

Dies liefert im Wesentlichen einen Widerstandspfad mit niedriger Impedanz für eine effiziente Übertragung von RF-Signalen zu und von dem Leitungsabschnitt.

Abbildung 1 - Typisches Single-Line-Diagramm für einen Phase-zu-Masse-Power-Line-Carrier-Kanal

Am entfernten Ende durchläuft die RF-Energie ähnliche Geräte wie der Empfänger. Der Sender-Empfänger kann auf die gleiche Frequenz oder auf verschiedene Frequenzen abgestimmt sein, was einen Doppelfrequenztuner erfordern kann .

Die Induktivität zwischen dem Kopplungskondensator und Masse stellt eine hohe Impedanz für das RF-Signal dar, aber eine niedrige Impedanz für das System von 50 oder 60 Hz. Diese Einheit kann auch eine Sekundärspannung als Kopplungskondensator-Spannungsvorrichtungen (CCVTs) liefern, in welchem ​​Fall drei verwendet werden, um einzelne Phasen zu verbinden, und nur eine wird zum Koppeln verwendet, wie gezeigt.

Eine Leitungsfalle ist in der Hochspannungsleitung an jedem Anschluß direkt außerhalb des HF-Pfades angeschlossen. Es ist darauf abgestimmt, eine hohe HF-Impedanz bereitzustellen, um den Signalverlust in die Busse und die zugehörigen Systeme zu minimieren und zu verhindern, dass externe Erdschlüsse das Signal möglicherweise kurzschließen.

Traps sind für die Abstimmung auf eine einzelne Frequenz, zwei (zwei) Frequenzen oder auf ein breites Spektrum von HF-Frequenzen verfügbar. Sie sind so ausgelegt, dass sie einen 50 bis 60 Hz-Laststrom kontinuierlich mit geringem Verlust übertragen und dem maximalen Fehlerstrom standhalten, der durch die Leitung fließen kann.

Abbildung 2 - Einphasen-zu-Masse-Kopplung (Mittelphase)

Obwohl das HF-Signal in eine der Phasen eingeführt wird, wird es von allen dreiphasigen Leitern weitergeleitet. Es gab mehrere Gelegenheiten, bei denen die zufällige Kopplung an verschiedene Phasen an den zwei Endgeräten seit mehreren Jahren unbemerkt blieb, weil ein adäquates Signal empfangen wurde.

Tatsächlich kann das Signal größer sein, wenn es an verschiedene Phasen gekoppelt ist.

Die Modellanalyse hat ein wichtiges modernes Werkzeug zur Vorhersage der Trägerleistung und der besten Kopplungs- und Übertragungsmethode geliefert. Dies ist besonders für lange Linien wichtig.

Freileitungen weisen tendenziell eine charakteristische Impedanz (Z 0 ) zwischen 200 und 500 V Phase-zu-Erde und 400-488 V zwischen den Phasen auf. Die Trägerausrüstung und die Kopplung stimmen diese Werte insbesondere für eine maximale Leistungsübertragung der RF überein.

Stöße und Diskontinuitäten, insbesondere wenn sie bei viertel Wellenlängen liegen, können zu hohen Signalverlusten führen. Die RF-Signale sollten ausgewählt werden, um diese Probleme zu vermeiden.

Power-Line-Carrier-Anwendungen für Stromkabel können unmöglich oder sehr schwierig sein, da ihre charakteristische Impedanz niedrig ist und die Verluste höher sind als bei Freileitungen.

Carrier-Sender-Empfänger werden je nach Design und Anwendung ein- und ausgeschaltet, mit Mark-Space-Signalen frequenzversetzt oder einseitig seitenbandig betrieben.

Störlichtbogenrauschen war kein Problem oder ein signifikanter Faktor bei der Verwendung eines Stromleitungsträgers zum Schutz. Trennschalter mit Strömen von weniger als 200 A können den Betrieb von Träger-Ein-Aus-Empfängern verursachen, aber dies beeinträchtigt nicht den mit dieser Art von Ausrüstung verwendeten Schutz.

Weitere Informationen: Power-Line-Übertragungskanal und Anwendungsaspekte für die Weiterleitung von Übertragungsleitungen

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2. Pilotdrähte - Tonübertragung

Audiotöne im Bereich von 1000-3000 Hz werden zum Schutz verwendet. Sie sind kompatibler für die Verwendung über gemietete Telefonanlagen und werden daher häufig über diese Kanäle zum Schutz verwendet.

Die zuvor beschriebenen Schutzgefahren und Lösungen sind anwendbar. Neutralisierende Transformatoren sollten in der Lage sein, die Audiofrequenzen mit geringen Verlusten zu übertragen.

Frequenz-Shift, Ein-Aus und Puls-Code-Ausrüstung ist verfügbar.

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3. Pilotdrähte - 50 Hz oder 60 Hz Übertragung

Einer der frühen und immer noch benutzten Kanäle ist ein verdrilltes Paar von "Telefon" -Drähten, um einen Niederspannungs-Stromkreis mit niedriger Leistung zwischen den Schutzzonenanschlüssen bereitzustellen.

Vorzugsweise sind Drähte in der Größenordnung von AWG 19 sowohl für die mechanische Festigkeit als auch für die Bereitstellung einer Schleife erwünscht, die nicht mehr als etwa 2000 V für zwei Anschlüsse oder nicht mehr als 500 V pro Schenkel für Anwendungen mit drei Anschlüssen beträgt.

Es ist zwingend erforderlich, dass sie paarweise verdrillt sind, um Spannungsunterschiede zwischen dem Paar von Signalen an anderen Paaren im Kabel und von externen Spannungen außerhalb des Kabels zu minimieren.

Die Probleme, die bei Pilotdrähten auftreten, resultieren aus der Induktion durch Blitz oder einen parallel geschalteten Stromkreis, Isolationsbeanspruchung durch Anstieg der Stations-Erdmattenspannung bei Fehlern, direktem Körperkontakt durch Blitz oder mit dem Stromkreis, physikalische Beschädigung durch Isolationsfehler, oder Gewehrfeuer, das auf Overhead-Schaltungen gerichtet ist.

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4. Digitale Kanäle

In den letzten Jahren werden digitale Kanäle zunehmend für Pilotrelaisierungskommunikationen verwendet. Zu den Arten digitaler Kanäle, die für diese Funktion verwendet werden, gehören:

  • Dunkle Faser (dedizierte Glasfaserkabel),
  • Multiplex-Glasfasersysteme (T1 und SONET),
  • Digitale Mikrowelle,
  • Funkverbindungen und
  • 56 kbps Telefonleitungen (Digitaler Datenservice).

Digitale Mikrowellen können Punkt-zu-Punkt sein oder in einem SONET-Ring verwendet werden . Digitale Kommunikationssysteme sind eine Studie für sich und würden den Rahmen dieses Artikels sprengen.

Abbildung 3 - Die beliebteste (und teuerste) Methode ist die Implementierung von SONET in einer Reihe miteinander verbundener Ringe, wie unten gezeigt (das SONET-Netzwerk)

.

die Wolke

.

enthält miteinander verbundene Ringe, die die USA umfassen). Die Ringe selbst bestehen aus 4 bidirektionalen Fasern - einem primären Paar von Senden / Empfangen und einem sekundären (Reserve) Paar von Senden / Empfangen.

Für Sicherheitsingenieure ist es jedoch wichtig, sich mit diesem Bereich vertraut zu machen, da digitale Kommunikationssysteme in modernen Schutzsystemen immer wieder eine große Rolle spielen.

Die große Menge an Steuerverdrahtung, die in den Unterstationen für Schutz und Kontrolle benötigt wurde, wird in vielen Fällen durch digitale Kommunikationssysteme mit der Anwendung von auf einem Mikroprozessor basierenden Weiterschaltungen ersetzt. Praktisch alle modernen Mikroprozessor-Relais haben eingebaute digitale Kommunikationsfähigkeiten und Ports zum Senden und Empfangen von digitalen Nachrichten .

In Bezug auf Pilotrelais-Systeme kann die optimale digitale Kanalleistung von einem dedizierten Faserpaar erhalten werden . Das dedizierte Paar ist praktisch immun gegen elektrische Interferenz, hat eine sehr niedrige Bitfehlerrate und eine sehr kurze Ende-zu-Ende-Datenverzögerungszeit.

Eine solche Anwendung ist jedoch sehr teuer und kann zu langen Ausfällen führen, wenn die Faser geschnitten wird.

Multiplexed digital vernetzte Systeme bieten den Vorteil sehr niedriger Ausfallraten. Wenn in solchen Systemen ein Pfad verloren geht, wird eine alternative Route automatisch und schnell eingefügt. Solche Systeme sind auch wirtschaftlicher als dunkle Fasern, da bis zu 24 Kanäle auf einem einzigen Faserpaar gemultiplext werden können.

Verzögerungszeit und -zeit zum Umschalten auf einen alternativen Pfad müssen berücksichtigt werden, wenn multiplexierte digitale Kommunikationssysteme angewendet werden. Die normalen Größen von Verzögerungen und Umschaltzeiten, die involviert sind, verhindern jedoch üblicherweise nicht die Verwendung von gemultiplexten Kommunikationssystemen in Pilotschemata, die digitale Relais verwenden.

Digitale Mikrowellen eignen sich für Pilotrelaying-Schemata, da die Kanalverzögerungszeiten sehr kurz sind (500-600 ms).

Ein Problem bei der Verwendung von digitalen Mikrowellen ist die Neigung, bei schlechten Wetterbedingungen zu verblassen - unter diesen Bedingungen treten am häufigsten Störungen im Stromnetz auf!

Einige der wichtigen Parameter, die bei der Anwendung digitaler Kommunikationssysteme in Pilotrelaisschemata berücksichtigt werden müssen , umfassen Folgendes :

1. Verzögerungszeit von Ende zu Ende

Das Pilotsystem muss in der Lage sein, mit Variationen in Verzögerungszeiten umzugehen , die in vielen digitalen Systemen existieren . Ein Unterschied könnte zwischen der Verzögerungszeit beim Senden eines Signals und der beim Empfangen eines Signals involvierten Zeit bestehen.

Verzögerungszeiten können sich auch ändern, wenn alternative Pfade eingefügt werden.

2. Unterbrechungen des Kommunikationskanals

Das System muss so ausgelegt sein, dass es nach einem Schaltvorgang im Kommunikationsnetz resynchronisiert werden kann.

3. Übermäßige Bitfehler.

Eine hohe Dämpfung, die durch große Entfernungen verursacht wird, kann zu Bitfehlerraten führen, die sehr hoch sind, um einen befriedigenden Betrieb eines Pilotsystems zu erhalten. Darüber hinaus können Kupferverbindungen innerhalb von Kommunikationsnetzen existieren, was zu elektrischen Interferenzen führen kann.

Der Austausch von Adernpaaren, die in elektromechanischen Pilotleitungssystemen verwendet werden, muss sehr kurze Ende-zu-Ende-Verzögerungen aufweisen. Diese älteren Pilotleitersysteme waren nicht dafür ausgelegt, irgendeine Kanalverzögerung zu berücksichtigen.

HINWEIS: - In solchen Anwendungen sind Kanalverzögerungen von weniger als 1 ms wünschenswert, und Kanäle mit Verzögerungen von mehr als 2 ms sollten nicht berücksichtigt werden .

Die Erfahrung hat gezeigt, dass digitale Kanäle, die von Telefongesellschaften über Channel Service Units (CSUs) verfügbar sind, nicht für Schutzrelaisanwendungen geeignet sind. Da die CSU nicht für den Einsatz in einer Unterstation ausgelegt ist, können Fehler in der Nähe dazu führen, dass der Kanal verloren geht.

Periodische Unterbrechungen, lange Verzögerungszeiten (größer als 20 ms) und asymmetrische Verzögerungen sind andere Probleme, die aufgetreten sind, als versucht wurde, solche Systeme in Weiterleitungsschemata anzuwenden.

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Zusammenfassung

Die für die Schutzweiterschaltung verwendeten Kanäle sind wie folgt:

  1. Pilotdrähte - Ein verdrilltes Kabelpaar zur Übertragung von 60, 50 Hz DC zwischen den Klemmen. Ursprünglich wurden Telefonpaare verwendet, private dedizierte Paare werden bevorzugt.
  2. Tonfrequenztöne - Ein- oder Ausschaltarten über Drahtpaare, Netzleitungsträger oder Mikrowelle.
  3. Netzleitungsträger - Funkfrequenzen zwischen 30 und 300 kHz, übertragen hauptsächlich über Hochspannungsleitungen. Es werden Ein- oder Ausschaltarten verwendet.
  4. Mikrowelle - Funksignal zwischen 2 und 12 GHz, übertragen durch Sichtverbindung zwischen den Terminals. Mehrere Kanäle mit Schutz durch einen Hilfsträger oder Audioton.
  5. Digitaler Kanal - Zu den Medienarten gehören dedizierte Glasfaser- (Dark Fiber) oder Multiplex-Netzwerke. Multiplex-Netzwerke umfassen T1-Multiplexing, SONET, digitale Mikrowellen- und Funkverbindungen.

    Im Besitz des Versorgungsunternehmens können Glasfaserkabel in das Erdungskabel eingebettet, um ein Stromkabel gewickelt oder entlang der Wegstrecke vergraben werden . Digitale Kanäle können auch von einem externen Telekommunikationsunternehmen gemietet werden.

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Stromleitungsträger in der Hochspannungsfreileitung (VIDEO)

Referenz // Protective Relaising Principles and Applications von J. Lewis Blackburn und Thomas J. Domin (Kauf von Hardcopy von Amazon)

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