СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА АВАРИЙНОГО ЗАЗЕМЛЕНИЯ
METHOD AND DEVICE TO PINPOINT FAULTY GROUNDING SECTION

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к определению места аварийного заземления в электрических сетях.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фидер распределительной сети обычно состоит из множества различного типа воздушных и/или кабельных секций. Это означает, что фидер электрически неоднороден.
Параметры проводников (сопротивление, индуктивность и емкость) могут значительно различаться в зависимости от типа и конфигурации проводника. В особенности друг от друга отличаются параметры воздушных и кабельных сетей. Обычно угол положительной последовательности импеданса в кабелях значительно меньше, чем в воздушных сетях. Кроме того, воздушные сети различного типа отличаются друг от друга. Это же относится и к кабельным сетям.
В сущности, результат определения места аварийного заземления на основе алгоритма вычисления импеданса представляет собой определение электрического расстояния до аварийной точки, т.е. результат получают в виде импеданса (контура). Фиг.1 иллюстрирует модель аварийного контура для случая замыкания фазы на землю в аварийной точке F электрической линии (фидера). При аварийном замыкании фазы на землю импеданс аварийного контура равен:
где
d = расстояние до аварийной точки в относительных единицах (0…1).
1
1
= импеданс положительной последовательности линии = R+j•X
1
R= сопротивление положительной последовательности линии
1
X= реактивное сопротивление положительной последовательности линии
0
1
N
N
= импеданс возвратного контура на землю линии = (Z-Z)/3=R+ j·X
N
0
1
R= сопротивление возвратного контура на землю линии = (R-R)/3
N
0
1
X = реактивное сопротивление возвратного контура на землю линии = (X-X)/3
0
0
= импеданс нулевой последовательности линии = R+j•X
0
R = сопротивление нулевой последовательности линии
0
X= реактивное сопротивление нулевой последовательности линии
F
R = сопротивление аварийной линии. В случае аварийного контура фазы на землю оно обычно включает сопротивления дуги и линейной опоры.
В случае неоднородной линии величины импеданса отдельных секций линии различаются и импеданс линии представляет собой сумму импедансов секций:
где
= импеданс положительной последовательности секции А линии
= импеданс положительной последовательности секции В линии
= импеданс положительной последовательности секции С линии
= импеданс возвратного контура на землю секции А линии
= импеданс возвратного контура на землю секции В линии
= импеданс возвратного контура на землю секции С линии
В результате электрическое расстояние до аварийной точки (в омах) не может быть прямо преобразовано в физическое расстояние, такое как, например, мили, километры или относительные величины. Однако в виду того, что распределительные линии в большинстве случаев являются неоднородными, применяемые в реле защиты алгоритмы импеданса обычно не принимают это во внимание, что может привести к существенной ошибке в определении места аварии.
В патенте США 6,483,435 раскрыты способ и устройство для определения места аварийного заземления в распределительных сетях. Приведенное техническое решение рассматривает неоднородный фидер. Однако рассматриваемое техническое решение основано на трудоемком вычислении, т.к. при вычислении учитываются конкретные нагрузки в фидере.
ый
В публикации «Обзор опыта локализации аварийного заземления на основе импеданса» (Эдмунд О. Швейцер; 14 ежегодный семинар штатов Айова-Небраска систем защиты; 16 октября 1990; г.Омаха, Небраска) описан способ вычисления для определения аварийного места заземления в неоднородной линии. Это техническое решение также сложно для вычисления и поэтому трудноосуществимо в реле защиты.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения, таким образом, является создание способа и устройства для осуществления этого способа для преодоления вышеописанных проблем или, по крайней мере, снижения их влияния. Цели настоящего изобретения достигаются с помощью способа, устройства и машиночитаемого запоминающего носителя, отличительные признаки которых заявлены в независимых пунктах 1, 5 и 10 формулы изобретения. Предпочтительные варианты воплощения настоящего изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
Настоящее изобретение основано на идее определения аварийной секции электрической линии и затем расстояния до аварийной точки на основе реактивного сопротивления аварийного контура и заранее заданной положительной последовательности реактивного сопротивления и реактивных сопротивлений возвратного контура на землю секций линии.
Преимущество данного способа и устройства заключается в том, что место аварийного заземления фазы может быть определено с высокой точностью также и для неоднородных линий без значительного увеличения необходимых вычислительных мощностей.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Настоящее изобретение будет описано ниже более подробно на примерах предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на приложенные чертежи, где:
Фиг.1 - схема аварийного контура аварийного заземления фазы на землю в электрической линии;
Фиг.2 - схема электрической сети, для которой применимо настоящее изобретение;
Фиг.3 - схема электрической сети, для которой применимо настоящее изобретение;
Фиг.4А, 4В и 4С - схемы электрической сети различных конфигураций воздушных линий.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Использование способа и устройства в соответствии с настоящим изобретением не ограничено какой-либо конкретной системой, они могут использоваться в разнообразных трехфазных электрических системах для определения места аварийного заземления в трехфазной электрической линии электрической сети. Электрическая линия может представлять собой, например, фидер. Электрическая сеть может представлять собой, например, электропередающую или электрораспределительную сеть или ее часть. Кроме того, данное изобретение не ограничено использованием в системах, использующих 50 Гц или 60 Гц в качестве основной частоты или какой-либо определенный номинал напряжения.
Фиг.2 иллюстрирует схему электрической сети, для которой применимо настоящее изобретение. На схеме показаны только те компоненты, которые необходимы для понимания сути данного изобретения. Сеть, приведенная в качестве примера, может быть распределительной сетью среднего номинала напряжения (например, 20 кВ), питающейся от подстанции, содержащей трансформатор 10 и шину 20. Сеть также содержит выходной отвод, т.е. фидер 30, который состоит из трех секций 30а, 30b и 30с. На схеме также показан блок реле защиты 40 в начале линии 30. Следует отметить, что в сети может быть любое количество фидеров или других элементов сети. Также сеть может иметь несколько подстанций. Кроме того, настоящее изобретение можно использовать в качестве переключающей станции, например, без трансформатора 10. Сеть представляет собой трехфазную сеть, однако с целью лучшего понимания не все фазы показаны на схеме.
Функционирование настоящего изобретения достигается посредством компьютера или соответствующего оборудования цифровой обработки сигнала, такого как, например, цифровой процессор сигнала (DSP) общего назначения с подходящим программным обеспечением. Также возможно использование специализированной интегральной схемы или схем или соответствующих компонент или устройств. Настоящее изобретение может быть воплощено на существующих системных элементах, таких как различные реле защиты, или путем использования отдельных элементов или устройств. При воплощении функционирования данного изобретения за счет программного обеспечения это программное обеспечение может поставляться в виде компьютерного программного продукта, содержащего компьютерный программный код, который при его запуске на компьютере заставляет компьютер или соответствующий процессор сигнала исполнять функции в соответствии с данным изобретением, как это будет описано ниже. Компьютерный программный код может быть записан на машиночитаемом носителе, таком подходящем средстве памяти, как, например, флэш-память или на диск, с которого он считывается и загружается в блок или блоки, которые исполняют этот программный код. Дополнительно этот программный код, воплощающий данное изобретение, может быть загружен в блок или блоки, которые исполняют этот программный код, например, через подходящую сеть передачи данных, которая может заменить или обновить возможно уже имеющийся программный код. Приведенная на Фиг.2 в качестве примера система функционирования данного изобретения предпочтительно обеспечивается блоком реле защиты 40. Также возможно, что только часть измерений осуществляется блоком реле защиты 40, а затем они передаются для дальнейшей обработки на другой блок или блоки (не показаны на схеме), расположенные в другом месте.
Величины тока и напряжения, используемые в дальнейшем, получают предпочтительно за счет подходящего измерительного прибора, включающего, например, преобразователи тока и напряжения (не показаны на схеме), соединенного с фазами электрической сети. В большинстве существующих систем защиты эти величины легкодоступны и поэтому воплощение данного изобретения не обязательно требует каких-либо отдельных измерительных приборов. То, как эти величины получают, не относится к основной идее настоящего изобретения и зависит от конкретной наблюдаемой электрической сети. Аварийное заземление фазы трехфазной электрической линии 30 и соответствующая фаза трехфазной электрической линии наблюдаемой электрической системы может быть обнаружена, например, блоком реле защиты 40, стоящим в электрической линии 30. Конкретный способ определения случая аварийного заземления и точки аварийного заземления в соответствующей аварийной фазе не зависит от основной идеи настоящего изобретения.
В соответствии с одним вариантом воплощения настоящего изобретения, как только аварийное заземление фазы обнаружено на электрической линии (фидере) 30 и соответствующая аварийная фаза определена с учетом неоднородности фидера 30, определение места аварийного заземления фазы предпочтительно происходит следующим образом. Сначала определяют реактивное сопротивление аварийного контура, образованного аварийным заземлением фазы в измеряемой точке. В приведенной на Фиг.2 в качестве примера системе измеряемой точкой может служить блок реле защиты 40 в начале линии 30. Далее определяют аварийную секцию 30а, 30b или 30c электрической линии 30, т.е. секцию, в которой произошло аварийное заземление. В соответствии с вариантом воплощения данного изобретения аварийная секция электрической линии 30 определяет, какая из секций 30а, 30b или 30c является наиболее близкой к измеряемой точке для всех этих секций, для которых сумма положительной последовательности реактивных сопротивлений и реактивного сопротивления возвратного контура на землю определяемой секции и положительной последовательности реактивных сопротивлений секций, если таковые имеются, между измеряемой точкой и определяемой секцией больше или равна реактивному сопротивлению в аварийном контуре. Другими словами, аварийная секция определяется как одна из секций 30а, 30b или 30c электрической линии 30, для которой справедливо следующее:
положительная последовательность реактивного сопротивления и реактивное сопротивление возвратного контура на землю определяемой секции + положительная последовательность реактивных сопротивлений и реактивных сопротивлений возвратного контура на землю секций, если таковые имеются, между измеряемой точкой и определяемой секцией ≥ определенному реактивному сопротивлению в аварийном контуре; и
если вышеприведенное уравнение справедливо для одной секции электрической линии 30, то в качестве аварийной секции из всех секций, удовлетворяющих этому уравнению, выбирается секция, ближайшая к измеряемой точке.
Наконец, расстояние D между измеряемой точкой и аварийной точкой (аварийное расстояние) может быть вычислено по следующей формуле:
p
Loор
P
F
F
D=D+((Х-Х)Х)•D,
где
Loop
X = реактивное сопротивление аварийного контура,
Р
Х = сумма положительной последовательности реактивных сопротивлений и реактивного сопротивления возвратного контура на землю секций, если таковые имеются, между измеряемой точкой и аварийной точкой электрической линии,
F
X = сумма положительной последовательности реактивного сопротивления возвратного контура на землю аварийной секции,
P
D = суммарная длина секций, если таковые имеются, между измеряемой точкой и аварийной точкой электрической линии, и
F
D = длина аварийной секции электрической линии.
В соответствии с вариантом воплощения настоящего изобретения реактивное сопротивление возвратного контура на землю аварийной секции вычисляется, например, по нижеприведенной формуле. Необходимо, однако, отметить, что конкретный способ определения реактивного сопротивления аварийного контура не является предметом рассмотрения при описании основной идеи настоящего изобретения.
Loop
1
N
X=dpu•(X+X),
где
dpu = расстояние до аварийной точки в относительных единицах.
= фазор фазового напряжения аварийной фазы линии;
1
0
= импеданс положительной последовательности линии (Ω)=R+j•X;
= сопротивление положительной последовательности линии (Ω);
= реактивное сопротивление положительной последовательности линии (Ω);
0
1
= реактивное сопротивление возвратного контура на землю линии (X-X)/3;
= фазор тока в аварийной фазе линии;
0
1
= импеданс возвратного контура на землю (Ω)=(Z-Z)/3;
0
0
= импеданс нулевой последовательности (Ω)=R+j•X,
= сопротивление линии нулевой последовательности (Ω);
= реактивное сопротивление линии нулевой последовательности (Ω);
= фазор тока в возвратном контуре на землю линии ( где  и  являются фазорами тока трех фаз линии).
1A
1B
1C
NA
NB
NC
A
B
C
В соответствии с вариантом воплощения настоящего изобретения аварийная секция 30а, 30b и 30c электрической линии 30 определяет путем пошагового сравнения секция за секцией, начиная с секции, ближайшей к измеряемой точке, суммы положительной последовательности реактивных сопротивлений и реактивного сопротивления возвратного контура на землю секций, если таковые имеются, между измеряемой точкой и измеряемой секцией с определенным реактивным сопротивлением аварийного контура. Пример процедуры пошагового сравнения описан ниже для электрической линии 30, показанной на Фиг.2, которая состоит из секций 30а, 30b и 30c. Однако этот способ универсален и применим к любому количеству секций в линии. Расстояние D может измеряться, например, в километрах или милях. Положительные последовательности реактивных сопротивлений (в омах) для секций обозначены соответственно X X X. Реактивные сопротивления (в омах) возвратного контура на землю обозначены соответственно X X X. Длины секций обозначены D, D И D. Указанная процедура предпочтительно продолжается до тех пор, пока аварийное заземление фазы и сама аварийная фаза не определены следующим образом:
Loop
Шаг 0. Определяют X, т.е. реактивное сопротивление аварийного контура, вызванного аварийным заземлением фазы (мнимая часть  уравнения 1).
Loop
1A
NA
Шаг 1. Если X≤(X+X), аварийное расстояние D равно:
Loop
1A
NA
A
D=(X/(X-X))•D. В противном случае перейти к шагу 2.
Loop
1A
NA
1B
NВ
A
Loop
1A
NA
1B
NB
Шаг 2. Если X≤((X+X)+(X+Х)), аварийное расстояние D равно: D=D+((X-(X+X)/(X+X))•DB. В противном случае перейти к шагу 3.
Шаг 3. Аварийное расстояние D равно:
A
B
Loop
1A
NA
1B
NB
1C
NC
C
D=D+D+((X-(X+X)-(X+X))-(X+X))•D
В соответствии с вариантом воплощения настоящего изобретения, когда электрическая линия содержит параллельные ветви, а аварийная секция электрической линии определена на секции одной из таких ветвей, для каждой параллельной ветви определяют альтернативную аварийную секцию и расстояние между измеряемой точкой и аварийной точкой. На Фиг.3 приведен пример электрической линии 31, которая состоит из трех электрических секций 31а, 31b и 31с. Линия 31 разветвляется после секции 31а и ответвленные секции 31b и 31с параллельны друг другу. Поэтому секции 31а, 31b и 31с могут быть также соединены таким образом: 31а+31b и 31а+31с. В случае, если аварийная точка расположена за точкой разветвления, т.е. или в секции 31b, или 31с, то предпочтительно вычислять две альтернативы для места аварии: одну в секции 31b, другую в секции 31с. Другими словами, когда применяется описанная выше пошаговая процедура, предпочтительно проходить отдельно по схемам 31а+31b и 31а+31с до тех пор, пока не будет определено, что аварийная точка находится в секции 31а, в этом случае процедура не потребует дальнейших шагов. Когда места альтернативных точек определены, выбор настоящего места аварии может быть определено посредством другой информации о системе. Хотя Фиг.3 с целью ясности иллюстрирует простую схему линии, которая состоит только из двух ветвей 31b и 31с, вышеописанный вариант воплощения данного изобретения может применяться в более сложной схеме линии, в которой могут существовать гораздо большее число ветвей и эти ветви могут в свою очередь разветвляться.
При вышеописанных вычислениях принималось, что положительные последовательности реактивных сопротивлений и реактивные сопротивления возвратного контура на землю для секций известны. Точное определение места требует точного задания величин для реактивных сопротивлений линий. Величины для секций линии обычно известны или могут быть легко получены из таблиц. Так как табличные величины для воздушных линий справедливы только для конкретной конструкции опор, то может оказаться необходимым, чтобы пользователь или оператор системы защиты корректировал величины табличных величин реактивных сопротивлений в соответствии с действительной схемой установки для минимизации ошибок определения места аварии из-за неточных исходных данных. На Фиг.4А, 4В и 4С показаны различные схемы воздушных линий. На этих схемах три фазы трехфазной электрической сети обозначены как L1, L2 и L3. Положительная последовательность реактивного сопротивления может быть вычислена с использованием, например, следующего уравнения, которое применимо к трехфазным медным или алюминиевым воздушным линиям:
где
n
f = основная частота, например, 50 или 60 Гц
еn
12
23
31
1/3
a=(a a a)= средняя геометрическая величина расстояний [м] в фазе, как показано на Фиг.4А, 4В и 4С.
хy
a = расстояние [м] между фазами Х и Y
r = радиус [м] одного проводника
ln = натуральный логарифм
Соответствующие величины нулевой последовательности реактивного сопротивления зависят от конкретных условий и конфигураций. Однако, существенной точности можно достичь сравнительно простыми вычислениями с помощью следующих уравнений, которые применимы к трехфазным воздушным линиям без проводов заземления:
где
1
R= сопротивление проводника переменного тока [Ом/км];
n
f = основная частота [Гц];
эквивалентная глубина возвратного контура на землю [м];
earth
ρ= удельное сопротивление земли [Ом/м];
en
12
23
31
2
2
2
1/3
1/3
r={r•((a a а )} = эквивалентный радиус связки проводников [Гц];
r = радиус одного проводника [м];
хy
а = расстояние между фазами Х и Y [м].
Реактивные сопротивления возвратного контура затем могут быть вычислены с использованием нулевой последовательности реактивных сопротивлений, как описано выше. Необходимо отметить, однако, что для основной идеи данного изобретения неважно, каким образом определены положительная последовательность реактивных сопротивлений и реактивные сопротивления возвратного контура на землю.
Для специалиста в данной области очевидно, что по мере развития техники концепция данного изобретения может быть воплощена различным образом. Настоящее изобретение и его варианты воплощения не ограничиваются вышеприведенными примерами и могут изменяться в объеме заявленной формулы изобретения.