УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА АВАРИЙНОГО ЗАЗЕМЛЕНИЯ
DEVICE AND METHOD FOR DEFINITION OF GROUND SHORT CIRCUIT

Область изобретения
Настоящее изобретение относится к устройству и способу для определения места однофазного замыкания на землю в электрических сетях.
Предпосылки изобретения
Определение места замыкания на землю является сложной задачей. Существует много факторов, которые ухудшают точность вычисления места замыкания. Распределительные сети обладают некоторыми специфическими свойствами, которые дополнительно усложняют и затрудняют создание алгоритмов локализации места замыкания. Они включают, например, неоднородность линий, наличие побочных и отводящих нагрузок.
Одним из важных факторов, влияющих на точность основанного на импедансе алгоритма определения места замыкания на землю, является суммарный эффект тока нагрузки и сопротивления замыкания. Также емкости между фазой и землей в заземленных высокоимпедансных системах, в особенности системах с защищенным фидером, снижают точность измерения импеданса. Алгоритмы локализации аварийного места обычно используют дельта величины (аварийное состояние минус нормальное состояние) или симметричные компоненты для компенсации эффектов тока нагрузки и аварийного сопротивления. В известных алгоритмах компенсация нагрузки обычно направлена только на величины токов.
Многие известные из уровня техники способы основаны на предположении, что нагрузка подключена к крайней точке фидера, т.е. на том, что нагрузка всегда расположена за аварийной точкой. Если это действительно так, то точность определения места аварийного заземления высока. К сожалению, в реальных фидерах средней величины напряжения это допущение редко бывает правильным. На самом деле при учете скачков напряжения нагрузки обычно расположены либо в начале фидера, либо распределяются более или менее случайным образом по всей длине фидера. В таких случаях точность алгоритмов определения места аварийного заземления снижается.
В патенте США 4313169 описано устройство определения места аварийного заземления. Приведенное техническое решение основано на мониторинге изменений напряжения и тока в энергопередающей линии вследствие аварийного заземления и вычисления расстояния до аварийной точки с использованием этих изменений и константы этой линии.
В патенте США 4996624 описан способ определения места аварийного заземления для радиальных систем передачи и распределения энергии. При использовании этого способа сначала определяют положительную последовательность импеданса, а затем используют ее для определения расстояния до аварийной точки.
Проблема, связанная с этими техническими решениями, заключается в том, что они рассчитаны на эффективное применение только в низкоимпедансных сетях. Поэтому они не могут использоваться в высокоимпедансных заземленных сетях.
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 устройства, способа и машиночитаемого запоминающего носителя, отличительные признаки которых заявлены в независимых пунктах 1, 4, 12, 15 и 21 формулы изобретения. Предпочтительные варианты воплощения данного изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
Идея настоящего изобретения основана на компенсации ошибок, возникающих из-за нагрузки в сочетании с аварийным сопротивлением как в величинах напряжений, так и токов при определении места аварийного заземления в высокоимпедансных сетях.
Преимущество данного изобретения заключается в том, что оно позволяет выявлять места аварийного заземления в однофазных незаземленных скомпенсированных (с катушкой Петерсена) сетях, а также в заземленных через импеданс и эффективно заземленных сетях, когда нагрузка не обязательно подключена к крайней точке линии, или когда аварийное сопротивление составляет большую величину.
Краткое описание чертежей
Далее настоящее изобретение будет описано более подробно на примерах предпочтительных вариантов воплощения со ссылкой на приложенный чертеж.
На чертеже представлена схема, иллюстрирующая электрическую сеть, для которой применимо настоящее изобретение.
Подробное описание изобретения
Использование способа и устройства в соответствии с настоящим изобретением не ограничено какой-либо конкретной системой, напротив они могут использоваться в разнообразных трехфазных электрических устройствах 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.
Более того, применение данного изобретения не ограничено его использованием в устройствах, использующих 50 Гц или 60 Гц в качестве основной частоты или какой-либо определенный номинал напряжения.
На чертеже представлена схема, иллюстрирующая электрическую сеть, для которой применимо настоящее изобретение. На схеме показаны только те компоненты, которые необходимы для понимания настоящего изобретения. Показанная в качестве примера сеть может быть распределительной сетью среднего напряжения (т.е. 29 кВ), запитываемой через подстанцию, содержащую трансформатор 10 и шину 20. Сеть также содержит выходные отводы, т.е. фидеры, один из которых 30 показан отдельно. Другие возможные фидеры, так же как и другие части сети, кроме линии 30, обозначены как «фоновая сеть». На схеме также показан блок реле защиты 40 в начале линии 30, а также точка F аварийного заземления. Необходимо отметить, что количество фидеров или других элементов сети может быть любым. Также в сети может быть несколько подстанций. Кроме того, данное изобретение может быть использовано без трансформатора 10, например, в сетях с коммутационным щитом (фидерной подстанцией). Сеть представляет собой трехфазную сеть, хотя для большей ясности на схеме не показаны все фазы. Функциональность настоящего изобретения может быть реализована посредством оборудования для цифровой обработки сигнала, такого как, например, цифровой сигнальный процессор (DSP) общего назначения с подходящим программным обеспечением. Также возможно использовать специальную интегральную схему или схемы, либо аналогичные устройства. Данное изобретение может быть осуществлено на существующих элементах системы, таких как различные блоки реле защиты, или путем использования отдельных компонентов или устройств. В приведенном в качестве примера на чертеже устройстве функциональность настоящего изобретения обеспечивается предпочтительно блоком реле защиты 40. Также возможно, чтобы только часть измерений проводилась в блоке реле защиты 40, а обработанный сигнал далее передавался для дальнейшей обработки на другой блок или блоки, расположенные в другом месте.
L1
L2
L3
L1
L2
L3
В нижеприведенном описании три фазы трехфазной электрической сети, в которой используется настоящее изобретение, обозначены как L1, L2 и L3. Соответствующие фазовые токи в фазах L1, L2 и L3 обозначены как I, I и I и фазовые напряжения обозначены как U, U и U. Отслеживаемые токи и напряжения предпочтительно получают с помощью подходящих измерительных приборов, например преобразователей тока и напряжения (на схеме не показаны), соединенных с фазами электрической сети. В большинстве имеющихся устройств защиты эти величины легко доступны и, таким образом, воплощение настоящего изобретения не обязательно зависит от конкретной наблюдаемой электрической сети. Точка F аварийного заземления трехфазной электрической линии 30 и соответствующая фаза трехфазной электрической линии наблюдаемой электрической системы может быть обнаружена, например, блоком реле защиты 40, установленным в электрической сети. Конкретный способ определения случая аварийного заземления и точки аварийного заземления в соответствующей аварийной фазе не зависит от основной идеи настоящего изобретения.
Как только аварийное заземление фазы обнаружено на электрической линии (фидере) 30 и соответствующая аварийная фаза определена, определение места аварийного заземления фазы предпочтительно происходит следующим образом: в соответствии с вариантом воплощения данного изобретения, нулевые и отрицательные последовательности скомпенсированных нагрузочных токов вначале вычисляются с использованием соотношения общей нулевой последовательности полной проводимости электрической сети и нулевой последовательности полной проводимости электрической сети без аварийной электрической линии 30 (т.е. нулевой последовательности полной проводимости фоновой электрической сети), и с использованием отрицательной последовательности тока аварийной фазы и нулевой последовательности тока. Далее скомпенсированное нагрузочное фазовое напряжение аварийной фазы может быть вычислено с использованием скомпенсированной последовательности тока. Наконец, скомпенсированная отрицательная последовательность тока и скомпенсированное фазовое напряжение можно использовать для расчета расстояния b между точкой измерения 40 и аварийной точкой F. В соответствии с другим вариантом воплощения данного изобретения определение места аварийного заземления фазы предпочтительно происходит следующим образом: сначала вычисляются отрицательные последовательности скомпенсированных нагрузочных токов с использованием соотношения общей нулевой последовательности полной проводимости электрической сети и нулевой последовательности полной проводимости электрической сети без аварийной электрической линии 30, используя отрицательную последовательность тока в аварийной фазе, а также нулевую последовательность тока. Затем скомпенсированное нагрузочное фазовое напряжение аварийной фазы может быть вычислено с использованием скомпенсированной последовательности тока. Наконец, скомпенсированная отрицательная последовательность тока и скомпенсированное фазовое напряжение можно использовать для расчета расстояния b между точкой измерения 40 и аварийной точкой F. Ниже будет дано более детальное описание возможных вариантов воплощения данного изобретения.
В соответствии с одним из вариантов воплощения данного изобретения сначала проводят удаление ошибок устойчивого состояния в компонентах последовательности (обозначение "рrе" относится к временной точке, предшествующей аварии) предпочтительно с использованием так называемых дельта величин. Однако, следует отметить, что аварийные величины, т.е. величины, полученные во время аварийного случая, могут использоваться вместо дельта величин. Использование дельта величин имеет преимущество потому, что оно уменьшает эффект возможной асимметрии в сети. Величины ,  и  измеряют предпочтительно в начале аварийной электрической линии 30, где может располагаться блок реле защиты 40, в то время как  может быть также измерено в другом месте:
фазор компоненты нулевой последовательности тока
фазор компоненты отрицательной последовательности тока аварийной фазы
фазор компоненты нулевой последовательности напряжения
фазор компоненты отрицательной последовательности напряжения аварийной фазы, где (когда аварийной фазой является L1):
и
где оператор  и
Затем определяют конкретные топологические параметры сети.
Импеданс источника может быть оценен с использованием отрицательной последовательности величин (когда происходит однофазное аварийное заземление внутри защищенного фидера):
Активная нулевая последовательность полной проводимости на входе фоновой сети может быть определена путем измерений величин нулевой последовательности или параметров сети (когда происходит однофазное аварийное заземление внутри защищенного фидера):
Активная нулевая последовательность полной проводимости защищенного фидера может быть определена с использованием данных проводника:
где
и
Также активная нулевая последовательность полной проводимости защищенного фидера может быть определена посредством измерений, когда происходит однофазное аварийное заземление вне защищенного фидера:
Суммарная полная проводимость сети равна
Коэффициент распределения тока равен
2S
где Z= отрицательная последовательность импеданса источника питания (принимается равной положительной последовательности импеданса),
0BG
G= проводимость, определяемая потерями из-за утечек в фоновой сети,
0BG
B= реактивная проводимость фоновой сети,
0F
G= проводимость, определяемая потерями из-за утечек в защищенном фидере,
0F
B= реактивная проводимость защищенного фидера,
L0F =
Rсопротивление, определяемое потерями из-за утечек в фоновой сети, и
C0F
X=емкостное сопротивление фаза-земля защищенного фидера.
Скомпенсированные нагрузочные нулевая и отрицательная последовательности токов вычисляют с использованием соотношения суммарной нулевой последовательности полной проводимости электрической сети и полной проводимости электрической сети без аварийной электрической линии 30 (т.е. нулевой последовательности полной проводимости фоновой сети), например, как обозначено коэффициентом  и благодаря использованию нулевой и отрицательной последовательностей токов. Это основано на той идее, что нулевая последовательность тока в аварийной точке отличается от тока в начале линии 30 благодаря емкостям линии относительно земли. Ток в аварийной точке может быть оценен на основе распределения токов, полученных с помощью соотношения суммарной нулевой последовательности полной проводимости электрической сети и полной проводимости электрической сети без аварийной электрической линии 30 (т.е. нулевой последовательности полной проводимости фоновой сети). Необходимо понимать, что аналогичным образом вместо величин проводимости могут быть использованы величины импеданса без отступления от основной идеи настоящего изобретения. Более того, компенсация нагрузки может быть осуществлена, учитывая тот факт, что нагрузка воздействует различно на нулевую и отрицательную последовательности токов. Соответственно, в соответствии с этим вариантом воплощения данного изобретения, скомпенсированные компоненты последовательности токов вычисляются следующим образом:
где коэффициенты компенсации для компонент последовательности токов равны
где
предпочтительно равно 2,0 и
Необходимо отметить, что и другие значения могут быть выбраны для параметра .
В соответствии с другим вариантом воплощения настоящего изобретения, скомпенсированные компоненты последовательности токов вычисляются следующим образом:
После того как скомпенсированная нулевая последовательность тока получена, скомпенсированное фазовое напряжение нагрузки может быть вычислено на основе скомпенсированной нулевой последовательности тока. Другими словами, скомпенсированную нулевую последовательность тока можно использовать как эталонную величину, которая используется для вычисления таким же образом скомпенсированного фазового напряжения. Соответственно, скомпенсированное фазовое напряжение  может быть вычислено следующим образом:
где скомпенсированные фазоры нулевой, положительной и отрицательной последовательности напряжения предпочтительно равны:
где при , определенном, как описано выше, коэффициенты компенсации для компонентов последовательности напряжения предпочтительно равны:
где фазор положительной последовательности тока аварийной фазы равен  и предпочтительно измеряется от начала аварийной электрической линии 30,
Также, когда  определена вышеуказанным образом, то коэффициенты компенсации для компонентов последовательности напряжения предпочтительно равны:
Нижеприведенные формулы применимы для всех случаев аварийного заземления в однофазных сетях. Следует отметить, что симметричные компоненты  должны быть согласованы по фазе с коэффициентом  в случае аварийного заземления типа L2 (замыкание фазы L2 на землю) и L3E (замыкание фазы L3 на землю) в соответствии с хорошо известной теорией симметричных компонентов:
Когда величины напряжения и тока известны, место аварийного заземления, т.е. расстояние d между точкой измерения и аварийной точкой F может быть вычислено с использованием, например, широко известного уравнения импеданса (eq1):
где d = расстояние до аварийной точки в единицах длины
=фазор фазового напряжения фазы Х
=фазор тока через аварийное сопротивление в аварийной точке
1
0
=импеданс положительной последовательности (Ω/km)=R+j·Xлинии
=сопротивление положительной последовательности линии
=индуктивное сопротивление положительной последовательности линии
=фазор фазового тока в фазе Х
0
1
=импеданс возвратного контура на землю (Ω/km)=(Z-Z)/3
0
0
=импеданс нулевой последовательности (Ω/км)=R+j·X
=сопротивление линии нулевой последовательности
=индуктивное сопротивление нулевой последовательности линии
=фазор тока в возвратном контуре на землю
Предпочтительно используются величины тока нагрузки, скомпенсированных тока и напряжения применяя к ним уравнение eq1:
или  (выбор  либо  зависит от того, какой из этих вариантов был определен выше).
В зависимости от аварийной фазы, определенной логикой выбора фазы, для  должно использоваться соответствующее скомпенсированное фазовое напряжение. Кроме того,  может представлять собой компоненту тока, отличающуюся от  или  например отрицательную последовательность тока или его дельта величину или фазовый ток или его дельта величину. Это, однако, не имеет противоречит основной идее настоящего изобретения.
Для специалиста в данной области очевидно, что по мере развития техники концепция данного изобретения может воплощаться различным образом. Настоящее изобретение и его варианты воплощения не ограничиваются вышеприведенными примерами и могут изменяться в объеме заявленной формулы изобретения.