Способ селективного определения отходящей линии с однофазным замыканием на землю в распределительных сетях напряжением 6-35 кВ
METHOD OF SELECTIVE IDENTIFICATION OF OUTGOING LINE WITH SINGLE-PHASE EARTH FAULT IN DISTRIBUTION NETWORKS WITH VOLTAGE OF 6-35 KV

Изобретение относится к области релейной защиты и может быть использовано для определения отходящей линии при замыкании одной из фаз на землю в распределительных сетях 6-35 кВ с компенсированной или изолированной нейтралью. Наиболее распространенными повреждениями в этих сетях являются однофазные замыкания на землю (ОЗЗ). Они составляют 70-80% всех повреждений на линии.
Изобретение относится к электроэнергетике, в частности к релейной защите электрических сетей напряжением 6-35 кВ с изолированной и компенсированной нейтралью, и предназначено для селективного определения поврежденной линии среди других линий сети при возникновении ОЗЗ.
Известен способ определения места однофазного повреждения в электрической сети 6-35 кВ с компенсацией тока замыкания на землю, при котором две секции сигнальной обмотки компенсирующего реактора последовательно поочередно закорачивают коммутаторами через дополнительные сопротивления с целью обеспечения модуляции в токе ОЗЗ, и далее защита поврежденной линии реагирует на частоту модуляции (см. патент РФ №2160953, кл. Н02Н 3/16, опубл. 20.12.2000 г.).
Недостатками известного способа являются возможность неселективной работы защиты при перемежающихся дуговых замыканиях; сложность в его технической реализации.
Известен способ определения поврежденной линии в компенсированной трехфазной сети при однофазном замыкании на землю (см. патент РФ №2535298, кл. Н02Н 3/16, опубл. 10.12.2014 г.). Данный способ основан на измерении токов нулевой последовательности защищаемых линий сети с последующей фильтрацией первой гармоники из результатов измерений. В результате получения и сравнения амплитудно-частотных спектров гармоник измеренных токов и при совпадении амплитудно-частотного спектра тока одной из защищаемых линий сети с амплитудно-частотным спектром тока компенсирующего реактора по группе гармоник, принадлежащих току реактора, фиксируют поврежденную линию.
Недостатками известного способа являются: возможность неселективной работы защиты при больших значениях переходного сопротивления в месте возникновения ОЗЗ, а также при перемежающихся дуговых замыканиях; трудность отстройки от естественных гармонических составляющих тока нулевой последовательности; возможные неселективные срабатывания защиты при феррорезонансных процессах; необходимость установки дополнительного силового оборудования.
Наиболее близким по технической сущности заявляемого технического решения является способ, реализованный в устройстве для защиты от замыканий на землю в сетях с компенсированной нейтралью (см. патент №177958, кл. H01H 83/02, опубл. 01.01.1966 г.), а именно (см. статья Вайнштейн Р.А. Защита от замыканий на землю в компенсированных сетях 6-10 кВ / Р.А. Вайнштейн, С.И. Головко, B.C. Григорьев, Коберник Е.Д., Максимов В.Н., Юдин С.М. // Электрические станции. 1998, №7. - С. 26-30), основанный на использовании дополнительного «наложенного» тока непромышленной частоты. Данный способ контролирует ток нулевой последовательности защищаемых линий, содержащий помимо тока основной частоты дополнительную составляющую, получаемую при помощи дополнительного источника с частотой 25 Гц. Выделяют составляющую «наложенного» тока, по которой определяют поврежденную линию. Дополнительная составляющая частотой 25 Гц присутствует только на поврежденной линии и является признаком возникновения режима ОЗЗ на этой линии.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого способа, заключаются в том, что для определения поврежденного присоединения на основной ток промышленной частоты «накладывают» дополнительный ток непромышленной частоты.
Недостатками прототипа являются: возможность неселективной работы защиты при больших значениях переходного сопротивления в месте возникновения ОЗЗ, а также при перемежающихся дуговых замыканиях; трудность отстройки от естественных гармонических составляющих тока нулевой последовательности; возможные неселективные срабатывания защиты при феррорезонансных процессах; необходимость установки дополнительного силового оборудования.
Предлагаемый способ предназначен для распределительных сетей среднего напряжения 6/10/35 кВ с изолированной или скомпенсированной нейтралью. Такие сети характеризуются большой разветвленностью. От шин одной подстанции могут исходить большое число линий электропередачи до нескольких десятков линий на одну секцию шин, что создает большие трудности при обнаружении места повреждения. Одним из существенных недостатков режима изолированной нейтрали 6-35 кВ является сложность определения отходящей линии с замкнутой на землю фазой и координаты места повреждения. Это связано с тем, что при замыкании на землю токи в фазах изменяются незначительно и чувствительность современных защит не позволяет селективно отключить поврежденную линию. В случае с компенсированной нейтралью задача еще больше усложняется тем, что сразу после замыкания реактор стремится скомпенсировать емкостный ток замыкания на землю.
Способ селективного определения отходящей линии с замыканием на землю в сети с изолированной или резонансно компенсированной нейтралью заключается в фиксации момента замыкания на землю, определении поврежденного присоединения (фазы) по результатам измерениям токов с частотой резонанса напряжения на защищаемых линиях, подаче на шины распределительного устройства, питающего защищаемые линии электропередачи, синусоидального напряжения с переменной частой, согласно предложенному техническому решению аварийный режим и поврежденная фаза определяют путем сравнения измеренного действующего значения высокочастотного тока при достижении резонанса напряжения, при этом поврежденная отходящая линия с замкнутой на землю фазой будет отличаться существенно большим действующим значением тока на резонансной частоте в сравнении с действующим значением тока на отходящей линии без замыкания на землю.
Сущность технического решения поясняется чертежами.
На Фиг. 1 изображена упрощенная схема распределительного устройства с указанием места замыкания на землю, которая состоит из распределительного устройства 1 с коммутационными аппаратами 2, с шины 3 которого питаются линии 4. Одна из линий с замкнутой на землю фазой 5.
На Фиг. 2 представлена схема подключения генератора непромышленной частоты 7 через согласующий трансформатор 6 к шинам 3 распределительного устройства 1, а также расположение датчиков тока 8 на каждой фазе отходящих линий, с помощью которых измеряется действующее значение тока непромышленной частоты, где А - обозначение рассматриваемой фазы А.
На Фиг. 3 рассмотрена схема замещения при замыкании на землю фазы А в первой линии.
На Фиг. 4 показаны результаты моделирования работы рассматриваемого способа, где i - мгновенное значение тока, A; t - время, с.
C
C
Л1
Л2
ВЧ
З
Схема замещения при замыкании на землю фазы А в первой отходящей линии (фиг. 3) состоит из следующих элементов: R - приведенное активное сопротивление короткого замыкания системы; X - индуктивное сопротивление короткого замыкания, учитывающая эдс, индуктируемая потоками рассеивания; В и В - емкостная проводимость первой и второй отходящей линий соответственно; Е - электродвижущая сила источника высокочастотного сигнала непромышленной частоты; R - активное сопротивление земли;  - суммарный ток в фазе А;  и - ток в фазе А на первой и второй отходящей линии соответственно; , , ,  и  - потенциал в соответствующем узле.
Кривые зависимости мгновенного значения тока (Фиг. 4) от времени на целой фазе (выноска Тн) и поврежденной (выноска Ст) были получены в результате расчетов режима однофазного замыкания на землю фазы С по схеме замещения на фиг. 3.
C
Σ
C
Технический результат достигается следующим образом: распределительное устройство 1 (фиг. 1), с шин 3 которого питаются защищенные линии 4. На шины 3 распределительного устройства 1, через согласующий трансформатор 6 (фиг. 2), с генератора 7 подают синусоидальное напряжение с переменной частотой. Частота на генераторе 7 изменяется до момента возникновения резонанса напряжения и ток в защищаемых линиях 4 достигает максимального значения, величина которого ограничена активными сопротивлениями R (фиг. 3). Резонансная частота для схемы, представленной на фиг. 3, определяется следующим образом:  где ω - резонансная угловая частота, С - суммарная эквивалентная емкость отходящих линий электропередачи, L - приведенная индуктивность рассеяния системы.
Ток на резонансной частоте в защищаемых линиях 4 измеряется датчиками тока 8 (фиг. 2). На фиг. 4 показаны результаты моделирования работы рассматриваемого способа, где на выноске «Тн» представлен ток нагрузки промышленной частоты 50 Гц на неповрежденном присоединении, а на выноске «Ст» - суммарный ток в поврежденном присоединении. На фиг. 4 видно, что высокочастотная составляющая тока на отходящей линии 5 с замкнутой на землю фазой А будет существенно больше высокочастотного тока в отходящей линии без замыкания фазы на землю (теоретически равен нулю), что позволяет определить с высокой достоверностью поврежденное присоединение.
Представляем конкретный пример реализации предложенного способа селективного определения отходящей линии с замыканием на землю в распределительных сетях.
Рассмотрена схема распределительного устройства (фиг. 2) с двумя отходящими линиями длиной 10 км, схема замещения которой представлена на фиг. 3. Для упрощения расчетов из схемы исключены активные и реактивные сопротивления линий, т.к. они не оказывают влияния на данный способ определения поврежденного присоединения. Исходные данные для расчета:
C
Активное сопротивление системы: R=0,1 Ом.
C
Индуктивность системы: L=0,01 Гн.
Л1
Л2
Емкость между землей и фазой линии длиной 10 км: С=С=0,06 мкФ.
З
Активное сопротивление земли: R=10 Ом.
ВЧ
Электродвижущая сила высокочастотного генератора: Е=1 В.
На первоначальном этапе определим угловую частоту резонанса для рассматриваемой схемы (фиг. 2) замещения по формуле
Далее найдем частоту резонанса:
С
Рассчитаем параметры схемы замещения для частоты 2,65 кГц. Индуктивное сопротивление системы Х равно:
С
BЧ
C
4
Х = ωL = 1,67⋅10⋅0,01=166,5 Ом.
Емкостная проводимость линии на частоте 2,65 кГц:
Л1
Л2
ВЧ
Л1
4
-6
В = В = ωС = 1,67⋅10⋅0,06⋅10=0,001 См.
Для схемы замещения (фиг. 3) составим систему уравнений по методу узловых потенциалов [Теоретические основы электротехники. Электрические цепи: учеб. / Л.А. Бессонов. - 10-е изд. - М.: Гардарики, 2000. - 638 с, с. 56]:
где  - проводимость системы, определяется по формуле
- емкостная проводимость линии между фазой и землей, определяется по формуле
- проводимость земли, определяется по формуле
Решив данную систему уравнений, найдем значения потенциалов в каждом узле:
; ; ; .
A
В соответствии с законом Ома для участка цепи ток I равен:
2
Аналогично определяем ток I:
1
По первому закону Кирхгофа ток I:
1
2
Определим амплитудное значение тока I и I:
1
2
Найдем действующее значение тока I и I:
Из полученных значений действующего тока видно, что действующее значение тока на резонансной частоте в поврежденной линии на несколько порядков больше, чем в не поврежденной.
Применение высокочастотного тока:
- не мешает работе силового оборудования распределительной сети;
- не изменяет режим работы сети (сети с изолированной или скомпенсированной нейтралью);
- не мешает работе защит, основанных на измерении токов и напряжений промышленной частоты 50 Гц;
- источник высокочастотного напряжения (индуктор) легко присоединяется к сети.
Предлагаемый способ может быть реализован на базе известных микропроцессорных устройств.
Преимущество изобретения состоит в том, что оно обеспечивает достоверное определение поврежденной линии среди других линий сети, что позволяет создать селективную защиту электрических сетей от ОЗЗ.