СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ ДО ОДНОФАЗНОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ В ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
METHOD FOR RANGING OF LINE-TO-GROUND SHORT CIRCUIT IN POWER SUPPLY LINES

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и электроэнергетике и может быть использовано в устройствах защиты для определения дальности до места однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) в трехфазных распределительных сетях среднего класса напряжений с изолированной, компенсированной или заземленной через резистор нейтралью.
Известен «Способ определения место и характера повреждения линии электропередачи с использованием ее моделей», который заключается в том, что выделяют напряжения и токи основных гармоник, подают напряжения основных гармоник на входы моделей, измеряют токи на указанных входах и сравнивают их с выделенными токами, подключают к каждой модели комплексную нагрузку в месте предполагаемого повреждения, устанавливают активные и реактивные проводимости комплексных нагрузок такими, чтобы токи основных гармоник на входах моделей и выделенных токов линии совпали, определяют углы комплексных нагрузок, выбирают нагрузку с нулевым углом и принимают, что место и характер повреждения соответствуют месту подключения указанной нагрузки и величинам ее активных проводимостей (Лямец Ю.Я., Антонов В.И., Ефремов В.А., Нудельман Г.С, Подшивалин Н.В. Патент РФ №RU 2033622, МПК G01R 31/11, Н02Н 3/28, 20.04.1995).
Известен «Способ определения места повреждения на воздушных линиях электропередачи», взятый за прототип, который заключается в том, что по измеренным фазным токам и напряжениям в момент короткого замыкания и току нагрузки в предаварийном режиме при помощи телеграфных уравнений получают приближенное расстояние до места повреждения. Далее посредством итерационного процесса, меняя переходное сопротивление в месте повреждения, учитывая поперечные емкости линии, волновые процессы и критерий того, что мнимая часть расстояния до места повреждения стремится к нулю, уточняют расстояние до места повреждения (Висящев А.Н., Устинов А.А. Патент РФ №RU 2426998, МПК G01R 31/08, 20.11.2009).
Недостатки обоих способов связаны с тем, что для определения места повреждения используются напряжения и токи, связанные с промышленной частотой 50 Гц. Рабочие частоты данного метода малы, что приводит к малой точности данного метода. Кроме того, основными характеристиками модели являются сопротивления линии электропередачи, и переходное сопротивление места повреждения. При этом величина переходного сопротивления места повреждения не известна, и она является источником погрешностей. Кроме того, измерительные трансформаторы промышленной частоты 50 Гц имеют большие угловые погрешности (угловые погрешности порядка 60° для трансформаторов тока нулевой последовательности типа ТЗЛМ и ТЗРЛ), что также является источником погрешности.
Задача изобретения заключается в повышении точности определения места повреждения линии электропередачи, за счет того, что в качестве исходных сигналов в предлагаемом способе используют сигналы переходного процесса, которые возникают при однофазном замыкании на землю.
Технический результат достигается тем, что в способе определения дальности до однофазного замыкания на землю в линиях электропередачи путем одностороннего измерения напряжений и токов доаварийного и аварийного режимов, согласно заявляемому изобретению, по суммарной емкости нулевой последовательности всех линий, подключенных к шинам, по значению мгновенного напряжения на поврежденной фазе в момент возникновения однофазного замыкания на землю, по погонному индуктивному сопротивлению нулевой последовательности линии электропередачи, на которой возникло однофазное замыкание на землю, по скорости нарастания напряжения нулевой последовательности после возникновения однофазного замыкания на землю - определяют расстояние от шин, питающих линию электропередачи, до места однофазного замыкания на землю.
Таким образом, для определения расстояния от шин, питающих линию электропередачи, до места однофазного замыкания на землю определяют суммарную емкость нулевой последовательности всех линий, подключенных к шинам, значение мгновенного напряжения на поврежденной фазе в момент возникновения однофазного замыкания на землю, погонное индуктивное сопротивление нулевой последовательности линии электропередачи, скорость нарастания напряжения нулевой последовательности на поврежденной линии после возникновения однофазного замыкания на землю.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена общая схема подстанции, на линии которой происходит ОЗЗ, на фиг.2 изображена упрощенная схема переходного процесса.
При повреждении линии электропередачи, скорость возникновения дугового высоковольтного разряда в месте повреждения весьма высока, обычно указывают величину времени возникновения τ<100 нс. Благодаря весьма крутому фронту изменения напряжения в месте повреждения, генерируются высокие частоты переходных процессов F<(1/τ)~10 МГц. Таким образом, частоты переходных процессов значительно больше промышленной частоты 50 Гц.
Это, во-первых, повышает точность определения места повреждения в предлагаемом способе.
Во-вторых, большая разность частот переходных процессов F<10 МГц и промышленной частоты 50 Гц позволяет достаточно легко выделить сигналы переходных процессов на фоне промышленной частоты 50 Гц.
Рассмотрим весь переходный процесс, начиная с момента непосредственно до повреждения. Трехфазный источник питания 1 (фиг.1) подключен к шинам 2 (в однолинейной модели). От шин 2 отходят неповрежденные линии электропередачи 3, ток нулевой последовательности на линиях измеряется трансформаторами 4. От этих же шин 2 отходит линия электропередачи 5, на которой произошло повреждение - OЗЗ 6. Провода поврежденной линии электропередачи проходят через трансформатор тока 7, который измеряет ток Iо. В исходном состоянии (до повреждения, до ОЗЗ) напряжение на нейтрали источника питания 1 равно нулю (напряжение нулевой последовательности Uo=0). Напряжения на шинах 2 контролируются трансформатором напряжения 8, который выдает фазные напряжения 9 и напряжение нулевой последовательности 10.
При замыкании на землю одной фазы поврежденной линии электропередачи 5 (например, фазы С) происходит разряд суммарной емкости Со нулевой последовательности всех линий, подключенных к шинам этой фазы. Обычно основной вклад в сопротивление нулевой последовательности линии вносит индуктивное сопротивление линии. Поэтому упрощенную схему (фиг.2) переходного процесса можно представить в виде разряда суммарной емкости 11 Со нулевой последовательности всех линий, подключенных к шинам, через индуктивность нулевой последовательности 12 Lo поврежденной линии на отрезке от шин 2 до точки повреждения, до ОЗЗ 6.
В исходном состоянии, до повреждения, емкость 11 Со заряжена до напряжения Uc, которое было на поврежденной фазе С в момент повреждения. При этом ток разряда Iо регистрирует трансформатор тока 7.
Индуктивность нулевой последовательности 12 Lo пропорционально длине Д поврежденной линии на отрезке от шин 2 до точки повреждения, до ОЗЗ 6:
Lo=Д*Lпогонное, где: Lпогонное - погонное индуктивное сопротивление нулевой последовательности поврежденной линии.
При приложении напряжения Uc к индуктивности Lo ток Iо линейно нарастает со временем:
dIo/dt=Uc/Lo=Uc/(Д*Lпогонное), где: dIo/dt - скорость нарастания тока Iо.
Поэтому, измерив величину скорости dIo/dt сразу после возникновения ОЗЗ, зная напряжение Uc в момент повреждения и параметр линии L погонное, - определяем дальность Д от шин 2 до места повреждения 6:
Д=Uc/(dIo/dt*L погонное).
В общем случае, закон изменения тока dIo/dt будет более сложный, но в любом случае, измерив скорость нарастания тока dIo/dt со временем, можно определить дальность Д от шин до места повреждения.
Ток нулевой последовательности 1о изменяет напряжение Uo на шинах 2:
dUo/dt=Io/Co.
Поэтому скорость нарастания тока dIo/dt равна:
2
2
dIo/dt=Co*(dUo/dt).
Соответственно, по скорости нарастания напряжения нулевой последовательности Uo на шинах 2, получим дальность Д от шин 2 до места повреждения 6:
2
2
Д=Uc/[(dUo/dt)*Со*Lпогонное].
Полный разряд емкости Со 11 на индуктивность Lo 12 приводит к перекачке энергии заряженного конденсатора Со 11 в энергию тока Iо, mах (максимальное значение тока нулевой последовательности) на индуктивности Lo 12:
2
2
Io, max*Lo=Uc*Co
Поэтому, замерив Io, max переходного процесса, определяем Lo=Д*Lпогонное, и, соответственно, находим дальность до OЗЗ:
2
2
Д=Uc*Co/(Io, max* Lпогонное).
Максимальное значение тока нулевой последовательности Io,max определим из максимальной величины скорости нарастания напряжения dUo/dt,max; и, соответственно, из скорости нарастания напряжения нулевой последовательности Uo на шинах 2, находим дальность до OЗЗ:
2
2
Д=Uc/[(dUo/dt, max)* Со*Lпогонное]
Таким образом, предлагаемый способ определения дальности до однофазного замыкания на землю в линиях электропередачи имеет следующие особенности:
1. Контролируется напряжение нулевой последовательности Uo на шинах.
2. Контролируется напряжение каждой фазы (А, В, С) на шинах.
3. По данным контрольным величинам, по суммарной емкости Со нулевой последовательности всех линий, подключенных к шинам, и по параметрам поврежденной линии - определяется дальность до ОЗЗ.
4. В нормальном режиме напряжение нулевой последовательности Uo на шинах Uo~0, поэтому поврежденный режим с ОЗЗ (когда Uo начинает изменяться) легко отличим от нормального режима работы линии.
5. Особенностью предлагаемого способа является то, что необходимо контролировать только напряжения на шинах, питающих отходящие линии, и нет необходимости контролировать большое число отходящих линий (ток нулевой последовательности на этих линиях).
6. Длительность переходного процесса при ОЗЗ весьма мала: меньше миллисекунды. Поэтому для записи переходного процесса (скорости изменения напряжения нулевой последовательности Uo на шинах) требуется высокая частота дискретизации (сотни тысяч измерений в секунду).