СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИДЕРА С ОДНОФАЗНЫМ ЗАМЫКАНИЕМ НА ЗЕМЛЮ И АВТОМАТИЧЕСКИМ ВВОДОМ РЕЗЕРВА В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ
METHOD FOR IDENTIFICATION OF FEEDER WITH SINGLE-PHASE EARTH FAULT AND AUTOMATIC LOAD TRANSFER IN DISTRIBUTION NETWORKS

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и электроэнергетике и может быть использовано в устройствах селективной защиты для определения фидера с однофазным замыканием на землю в трехфазных распределительных разветвленных сетях среднего класса напряжений с изолированной, компенсированной или заземленной через резистор нейтралью с последующим отключением и при необходимости - безаварийным автоматическим вводом резерва.
Известен способ определения присоединения с однофазным замыканием на землю (ОЗЗ) на основе измерения тока нулевой последовательности (ТНП) каждой линии (Кривенков В.В., Новелла В.Н. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения. 1981, М., Энергоиздат; Шабад М.А. Расчеты релейной защиты и автоматики распределительных сетей. 3-е изд. Л., 1985, Энергоатомиздат). Селективность таких защит обеспечивается отстройкой от собственного емкостного тока присоединения. Недостатком способа является то, что в ряде случаев невозможно выбрать уставку защиты из условия несрабатывания реле при внешнем ОЗЗ и условия срабатывания (чувствительности) на защищаемом присоединении. На практике это приводит к «загрублению» уставки и как следствие - к ложным срабатываниям исправных защит. В других случаях, выбор уставки невозможен, поскольку собственный емкостный ток присоединения равен или превышает значение суммы токов неповрежденных присоединений. Срабатывание защиты носит случайный характер, не связанный с уставкой. Применение таких защит целесообразно для обеспечения поперечной селективности присоединений с малыми собственными емкостными токами (Шонин О.Б., Рогов П.А. Оценка селективности устройств защиты от однофазных замыканий на землю в шахтных сетях 6(10) кВ. Статья сборника "Записки Горного института", СПб: СПГТИ(ТУ), 2008). Измерение тока отягчено погрешностью трансформатора тока нулевой последовательности (ТТНП), которая зависит от амплитуды и частоты тока. Для ТТНП типа ТЗЛМ и ТЗРЛ эти погрешности составляют 18-52% [Гречухина И.В., Слышалов В.К. Расчет электромагнитного поля кабельной оболочки в режиме однофазного замыкания. ИГЭУ, Вестник ИГЭУ, Выпуск II, Иваново, 2001]. В связи с этим выбор уставки на основе усредненных значений приводит к неверной оценке чувствительности и селективности.
Известен более чувствительный и селективный способ централизованного определения присоединения с ОЗЗ, основанный на сравнении ТНП в переходном или установившемся режимах и определении поврежденного присоединения по одному из признаков, например по наибольшему току (Федосеев А.М. Релейная защита электрических систем. Учебник для вузов. - М.: Энергия, 1976). Однако в случае защиты присоединения с большим собственным емкостным током этот способ также не обеспечивает селективности. Кроме того, ложные срабатывания происходят из-за погрешностей датчиков тока. При замыкании удаленного присоединения в разветвленной сети в условиях срабатывания находятся защиты нескольких узлов нагрузок и поэтому обеспечить продольную селективность не удается.
Рассмотренные ограничения справедливы и для способов с обратнозависимыми времятоковыми характеристиками.
Известен способ определения присоединения с ОЗЗ, выбранный за прототип, основанный на принципе выявления направления мощности и позволяющий обеспечить поперечную селективность защит (Шабад М.А. Расчеты релейной защиты и автоматики распределительных сетей. - СПб: ПЭИПК, 2003, с.141). Этот способ реализован в устройстве направленной защиты от однофазных замыканий на землю в сети с изолированной или компенсированной нейтралью (авторское свидетельство №1275622, H02H 3/16). Однако угловые погрешности порядка 60° для ТТНП типа ТЗЛМ и ТЗРЛ приводят к смещению зоны максимальной чувствительности и последующему неселективному срабатыванию. Обеспечение продольной селективности в разветвленной сети невозможно, поскольку условия на срабатывание в удаленном присоединении и питающих его фидерах совпадают.
Также известны следующие способы:
Способ определения фидера с однофазным дуговым замыканием на землю в радиальных распределительных кабельных сетях (РФ 2254586, G01R 31/08, 24.12.2003), заключающийся в том, что в режиме однофазного замыкания регистрируют переходное напряжения на шинах главного пункта питания и первые полуволны переходных токов в отходящих фидерах и сопоставляют полярности токов, фидер, имеющий полярность тока, противоположную по отношению к остальным, считается поврежденным, при этом сначала выполняют распознавание режима замыкания на основе анализа фазных напряжений на шинах главного пункта питания, после чего сопоставляют полярности первых полуволн переходных токов, регистрируемых в проводниках, соединяющих оболочки кабелей с контуром заземления подстанции. Недостатком способа является то, что необходимость в регистрации напряжения нулевой последовательности требует использование датчика напряжения, учета его погрешностей, учета периода восстановления фазных напряжений, после ликвидации замыкания на землю это приводит к увеличению зон нечувствительности защиты. Выход из строя (перегорание) даже одного предохранителя электромагнитных трансформаторов напряжения приводит к неправильному функционированию защиты или выходу ее из строя. При использовании в распределительной сети нескольких электромагнитных измерительных трансформаторов напряжения возможны веерные отключения неповрежденных присоединений из-за феррорезонансных явлений. При замыкании на землю через переходное сопротивление возможны отказы срабатывания защиты из-за низкого уровня напряжения нулевой последовательности. Кроме того, этот способ не обеспечивает продольной селективности.
Способ защиты трехфазной сети от однофазных замыканий на землю (РФ 2309507, 10.05.2006), основанный на использовании контролируемой электрической величины - пульсирующей мощности защищаемых линий, выделяемой путем измерения или вычисления мгновенной мощности трех фаз линий и одновременно ее среднего значения. Для измерения или вычисления мгновенной мощности трех фаз линий и ее составляющих используются фазные/линейные напряжения сети. В ряде случаев невозможно выбрать уставку для контролируемого параметра в силу "эксплуатационной" нестабильности схемы сети, выражающейся в изменении значений емкостных токов фидеров и суммарного емкостного тока сети, в частности, в результате отключения/подключения линий. Надежность определения поврежденного присоединения зависит от точности измерения тока и напряжения в условиях помех в виде небаланса токов и напряжений и погрешностей соответствующих датчиков, значения которых могут достигать до 60% в зависимости от уровня сигнала и частоты сигнала.
К другим существенным недостаткам перечисленных способов относятся:
1. Несогласованность работы устройств защиты с устройствами автоматики приводит к развитию аварийного режима.
2. Чувствительность к изменению конфигурации сети приводит к рассогласованию уставок в исходной и новой сети, возникающей, например, вследствие срабатывания устройств автоматики.
3. Совпадение условий срабатывания в удаленном присоединении и питающих фидерах не позволяют обеспечить селективное определение поврежденного присоединения в продольном сечении разветвленных сетей, что в свою очередь снижает надежность безаварийного ввода резерва.
К существенным недостаткам других известных способов относятся:
1. Ряд способов реализуется только в сетях с изолированной нейтралью.
2. Использование в качестве контролируемой величины установившегося значения тока нулевой последовательности не позволяет выявить фидеры с кратковременными самоустраняющимися замыканиями.
3. Необходимость в кратковременных включениях в сеть дополнительных элементов в соответствии с идеей способа исключает автоматический режим работы защиты и требует постоянного присутствия обслуживающего персонала, использования специального коммутационного и измерительного оборудования, что приводит к относительно большому времени определения поврежденного присоединения.
4. Необходимость в искусственном замыкании на землю может вызвать развитие аварийного режима, особенно в разветвленных сетях.
5. В ряде способов срабатывание защиты может носить случайный характер, поскольку высшие гармонические составляющие тока нулевой последовательности изменяются в широком диапазоне из-за ряда случайных факторов, например коэффициента несинусоидальности напряжения сети, резонансных процессов и т.п..
6. В ряде способов надежная работа защит не обеспечивается в виду малого значения высших гармонических составляющих тока нулевой последовательности присоединений.
7. При использовании «наложенного тока» его протекание возможно не только по поврежденной линии, но и по неповрежденным линиям с относительно большой емкостью, особенно при замыканиях через большое переходное сопротивление.
Перечисленные недостатки снижают надежность, селективность, чувствительность защит, увеличивают время выявления повреждения, повышают вероятность ложных срабатываний и аварийного ввода резерва.
Технический результат состоит в повышении надежности работы защищаемой сети.
Технический результат достигается тем, что в условиях изменяющейся структуры разветвленной высоковольтной сети и изменения параметров однофазного замыкания на землю, наличия несбалансированных сигналов датчиков тока и напряжения нулевой последовательности фидер с однофазным замыканием на землю определяют на основе контроля электрических величин в защищаемой сети и их сравнения с учетом фазовых соотношений согласно изобретению: поврежденное немагистральное присоединение в узле нагрузки однозначно определяют путем сравнения направлений переходных и/или установившихся токов нулевой последовательности отходящих фидеров с опорным сигналом - током нулевой последовательности кабеля, питающего узел нагрузки, с последующей выработкой команды на отключение поврежденного фидера и передачи команды по каналу связи на блокировку срабатывания защит вышестоящих узлов.
Также технический результат достигается тем, что при выявлении повреждения в магистральном кабеле и отсутствии блокировки срабатывания с нижестоящих узлов формируется команда на двухстороннее отключение этого кабеля с последующим присоединением нижестоящего отключенного узла к резервной линии.
Это позволяет повысить поперечную и продольную селективность, повысить помехоустойчивость, исключить необходимость непосредственного измерения и сравнения токов и напряжений, отказаться от датчиков напряжения нулевой последовательности.
Сущность способа основана на преобразовании фазовых соотношений между токами нулевой последовательности в логические переменные, обмене информации между узлами нагрузок (УН), выявлении поврежденного фидера на основе анализа логических переменных. Суть метода заключается в том, что направления тока нулевой последовательности (ТНП) в отходящих присоединениях по отношению к направлению тока, питающего фидеры, кодируются как логическая единица при синфазности сравниваемых токов или как логический ноль при их противофазности или малом уровне сравниваемых токов. Поврежденным считается фидер, кодирование тока нулевой последовательности которого дает единицу при условии, что кодирование остальных дает ноль. Для выявления замыкания на магистральном (межузловом) кабеле требуется межузловой обмен информацией, отражающей распределение токов в смежных узлах. В случае повреждения межузлового кабеля в схеме "разомкнутое кольцо" подается команда на двухстороннее отключение фидера и ввод резерва.
Предлагаемый способ защиты от ОЗЗ поясняется с помощью фрагмента типовой разветвленной распределительной сети с указанием направлений токов нулевой последовательности при ОЗЗ на линии 4 узла нагрузки 4, представленной на фиг.1, и функциональной блок-схемы предлагаемого способа защиты, представленной на фиг.2.
Фрагмент типовой разветвленной распределительной сети, представленный на фиг.1, содержит следующие блоки:
1, 2, 3.1, 3.2, 4 - узлы нагрузки (нумерация дана от источника питания);
1.0 - фидер, питающий узел нагрузки 1;
1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5 - отходящие линии 1, 2, 3, 4, 5 узла нагрузки 1;
1.6 - резервная линий питания узла нагрузки 1.
З
Блоками 6 представлены автоматические выключатели соответствующих фидеров и межсекционные автоматические выключатели. Блоками 7 представлены датчики тока нулевой последовательности соответствующих фидеров. Блоком 8 представлен поврежденный фидер с сопротивлением замыкания на землю R фазы А.
На примере блока 1 видно, что каждый узел имеет один питающий фидер, несколько присоединений, отходящий магистральный кабель и одну линию аварийного питания. На примере блока 2 показано, что питающая линия каждого узла подключена через автоматический выключатель, все отходящие линии имеют автоматические выключатели и оснащены измерительными датчиками тока нулевой последовательности. Предполагается, что защита, реализующая предложенный способ, установлена в каждом узле. Выявление поврежденного присоединения производится параллельно во всех узлах, что позволяет быстро определить поврежденную линию независимо от числа узлов в сети. Защита обеспечивает надежную работу в узле при двух и более подключенных отходящих линиях.
Функциональная блок-схема предлагаемого способа защиты содержит следующие блоки:
1 - блок измерения и преобразования токов нулевой последовательности;
2 - блок перемножения сигналов с последующим интегрированием на конечном интервале времени;
3 - блок кодирования;
4 - уставка небаланса тока нулевой последовательности;
5 - блок определения поврежденной линии узла;
6 - блок передачи и приема информации;
7 - канал связи;
8 - блок управления выключателями;
9 - блок временной задержки.
Способ осуществляется следующим образом.
0in
0out1
0out2
0outN
На входы блока измерения и преобразования 1 непрерывно поступают сигналы с датчиков тока нулевой последовательности, установленных на линии, питающей узел нагрузки (3I), и на N отходящих линиях узла нагрузки (3I, 3I, …, 3I). В блоке 2 осуществляется выявление синфазности/противофазности токов нулевой последовательности отходящих линий по отношению к току питающей узел линии путем перемножения сигнала тока нулевой последовательности каждой отходящей линии с сигналом тока нулевой последовательности питающей линии с последующим численным интегрированием на конечном интервале времени. Время интегрирования выбирается исходя из условия отстройки от помех, например, вызванных коммутациями в сети. Положительный сигнал на выходе блока 2 указывает на синфазность токов, отрицательный - на противофазность. В блоке 3 осуществляется кодирование сигналов путем сравнения каждого с уставкой небаланса тока (блок 4). Если значение сигнала меньше уставки - то он принимается равным нулю, если больше, то сигнал нормируется до значения 1. В блоке 5 осуществляется определение поврежденной линии узла. Поврежденным считается фидер, кодирование сигнала тока нулевой последовательности которого дает единицу при условии, что кодирование остальных сигналов тока дает ноль. При выявлении поврежденной линии в узле на блок 8 поступает сигнал с номером поврежденной линии и посредствам блоков 6 и 7 подается команда блокировки на срабатывание защиты вышестоящего узла. Блок 8 осуществляет подачу сигнала на отключение выявленной поврежденной линии при отсутствии команды блокировки от нижестоящего узла в течение временной выдержки (блок 9), обусловленной временем выявления повреждения на нижестоящем узле и временем передачи команды. Такой способ позволяет однозначно выявить и отключить только поврежденное присоединение в разветвленной распределительной сети. При обнаружении повреждения в межузловой линии схемы "разомкнутое кольцо" осуществляется двухстороннее отключение магистрального фидера и автоматический ввод резерва посредством блоков 6 и 7.
В качестве контролируемых электрических величин служат только токи нулевой последовательности без их собственного измерения и соответствующего выбора уставок, а в качестве базового параметра используется только направление тока питающего фидера, что в свою очередь повышает помехоустойчивость. Непрерывный контроль состояния токов нулевой последовательности в узлах, своевременное селективное выявление и отключение поврежденного присоединения позволяет исключить возможность возникновения двойных замыканий на землю.
Предлагаемый способ защиты от ОЗЗ может быть применен в разветвленных сетях любой конфигурации при различных соотношениях между емкостями линий, позволяет быстро и селективно выявить поврежденную линию и удовлетворяет требованиям, предъявляемым к защитам шахтных сетей. Быстрая локализация позволяет снизить вероятность повреждения электрическим током, вероятность взрывов, пожаров. Повышение селективности и надежности защиты исключает развитие аварийных режимов, неоправданные отключения линий, перерывы в электроснабжении. Способ позволяет осуществлять безаварийные вводы резерва. Все это способствует повышению эффективности производства.
Для практического осуществления предлагаемого способа защиты от ОЗЗ могут быть использованы известные устройства и функциональные элементы. Для подключения защиты к сети можно использовать имеющиеся на линиях трансформаторы тока нулевой последовательности. Трансформаторы напряжения нулевой последовательности, обычно применяемые в распределительных устройствах, для реализации защиты не требуются. Операции по измерению, перемножению с последующим интегрированием, кодированию сигнала, обмен информацией со смежными узлами, управление выключателями можно реализовать сравнительно просто с помощью микропроцессорных устройств. Это позволяет при сравнительно небольших материальных затратах обеспечить надежную, селективную и быстродействующую защиту сети от ОЗЗ.
На основе анализа структур и параметров высоковольтных разветвленных кабельных сетей шахт объединения ОАО «Воркутауголь»: "Воргашорская", "Заполярная", "Воркутинская" были разработаны модели распределительных сетей в среде Simulink системы MatLab v.7. В разработанной модели предложенный способ определения линии с ОЗЗ был реализован: а) с использованием математических и логических блоков Simulink и б) с помощью S-функции, содержащей программу выявления повреждения и управления выключателями, написанную на языке Microsoft Visual C++, согласно заявленному способу. Последняя модель работает в дискретной области времени и тем самым учитывает специфику работы микропроцессорных устройств защиты. Разработанные модели подтвердили заявленные преимущества алгоритма определения ОЗЗ в стационарных и переходных режимах замыкания.
Экспериментальная проверка устройства защиты реализующего предлагаемый способ была выполнена в лаборатории кафедры электротехники и электромеханики СПГГИ (ТУ) им. Г.В.Плеханова. Целью эксперимента являлась проверка селективности отключения поврежденной линии, правильность подачи сигналов блокировок и оценка времени отключения поврежденных линий. Устройство защиты реализовано в виде модуль-контроллера, разработанного на базе процессора AT MEGA 16-16.
Основные параметры модуль-контроллера:
- восемь аналоговых входов, с диапазоном измерения по току от -200 мА до +200 мА;
- устройство чувствительно к току от 2 мА, с учетом аналогового преобразования ток-напряжение в соответствующее напряжение диапазона 0-5 В и последующего аналого-цифрового преобразования (20 кГц, 8 бит);
- восемь дискретных выходов, типа "сухой контакт" при напряжении 100 В и токе коммутации 1 А;
- время выполнения одной операции 125 нс;
- оперативная память 16 кБ;
- вывод данных измерений и промежуточных расчетов на ПК по средствам USB интерфейса; данные отображаются посредством программы-оболочки, разработанной для модуль-контроллера на языке Delphi v.7.0; индикация состояний коммутационных аппаратов осуществляется с помощью информационной панели модуль-контроллера;
- возможность интеграции в единую систему защиты распределительной сети на базе интерфейса Ethernet;
Программа, управляющая работой модуль-контроллера, написана на языке IAR Embedded Workbench, загружена и скомпилирована при помощи программы PonyProg2000.
Сигналы датчиков тока, подаваемые на вход модуль-контролера воспроизводились цифро аналоговыми преобразователями (5 кГц, 8 бит) платы сбора данных National Instruments NI USB 6218 по результатам моделирования сети в среде Simulink MATLAB. Та же плата использовалась для осцилографирования результатов испытаний. Вывод и измерение сигналов производились в соответствии с программой, разработанной в среде LabView v.8.5.
На фиг.3 представлена осциллограмма, полученная с помощью платы сбора данных в одном из экспериментов, на которой 1 - сигнал-команда на отключение выключателя поврежденной линии при уровне 5 В, 2 - ток нулевой последовательности поврежденного присоединения и 3 - неповрежденного.
Испытания подтвердили, что устройство защиты подает своевременные и правильные команды на отключение поврежденного присоединения в узле нагрузки и своевременные и правильные команды на блокировку вышестоящих защит при замыканиях в различных фидерах разветвленной сети.
Селективное выявление поврежденного присоединения осуществлялось спустя 10-20 мс с момента возникновения повреждения, что соответствует отключению поврежденной линии уже в середине или концу переходного процесса замыкания. Устройство защиты может работать как автономно в узле нагрузки, так и в составе автоматической системы управления совместно с верхним уровнем.
Приведенные данные и сведения подтверждают возможность промышленного осуществления предлагаемого изобретения.