СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ОДНОФАЗНОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ
METHOD OF REMOTE DETERMINATION OF SINGLE PHASE-TO-GROUND-FAULT LOCATION

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для дистанционного определения места однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) на ЛЭП, находящихся под рабочим напряжением, в распределительных электрических сетях 6-35 кВ, работающих с изолированной нейтралью, компенсацией емкостных токов или заземлением нейтрали через высокоомный резистор, имеющих радиальную структуру.
1
2
з
2
1
Из существующего уровня техники известен [Шалыт Г.М. Определение мест повреждения линий электропередачи импульсными методами. - М.: Энергия, 1968. Куликов А.Л. Дистанционное определение мест повреждений ЛЭП методами активного зондирования. - М.: Энергоатомиздат, 2006] локационный способ определения расстояния до места ОЗЗ в распределительных сетях, который основан на измерении времени между моментом посылки в линию зондирующего электрического импульса t и моментом прихода в начало линии импульса, отраженного от места замыкания t. Расстояние до места ОЗЗ находят как l=v⋅(t-t)/2, где v - скорость распространения зондирующего импульса по линии. Недостатком является практическая невозможность синхронизации момента посылки зондирующего импульса с моментом пробоя изоляции на интервале времени существования тока ОЗЗ, которое при дуговых прерывистых и кратковременных самоустраняющихся замыканиях на землю может составлять доли миллисекунды. В то же время доля указанных разновидностей ОЗЗ может составлять в электрических сетях среднего напряжения до 90%.
Известен [Мустафин Р.Г. Патент РФ 2446533, МПК H02H 3/16, G01R 31/08, 27.03.2012] способ определения расстояния до места ОЗЗ, основанный на подаче после возникновения ОЗЗ в контролируемой сети на шины распределительного устройства, питающего линии электропередачи, высокочастотного напряжения (с частотой более 50 Гц), измерении высокочастотного фазного напряжения и фазного тока и определении по их значениям и характеристикам линии электропередачи расстояния до места повреждения. Недостатком способа, использующего «наложенный» ток высокой частоты, является невозможность его использования при дуговых неустойчивых ОЗЗ, доля которых в электрических сетях среднего напряжения достигает 90% и более.
н
з
к
з
к
н
з
Известен [В.Л. Бакиновский, А.П. Осадчий, Н.И. Сосфенов, В.К. Измерение расстояний до места повреждений на воздушных и кабельных линиях электропередачи и связи. – М.: ЦНИЭЛ, 1954, вып. 2] волновой способ определения расстояния до места ОЗЗ в распределительных электрических сетях, который предполагает измерение времени между моментом t прихода к началу линии фронта волны высокого напряжения, возникающий при пробое изоляции в месте ОЗЗ на расстоянии l от начала линии и моментом вторичного прихода t фронта волны после двух отражений (в начале линии и в месте ОЗЗ). Расстояние до места ОЗЗ определяется как l = v⋅(t-t)/2 = v⋅Δt/2, где v - скорость распространения электромагнитной волны в ЛЭП. Использование этого метода затруднительно прежде всего на кабельных линиях, имеющих значительные неоднородности волнового сопротивления по длине линии, вызванные соединением кабелей различных типов и сечений, а также соединительными муфтами. Такие неоднородности вызывают дополнительные отражения электромагнитных волн, что приводит к ложным измерениям. Для радиальных сетей, когда от питающих шин отходит много линий, имеет место также многократное отражение от неповрежденных линий, накладывающиеся на полезный сигнал и искажающие его, что делает точное определение Δt и l практически невозможным.
1
2
1
2
Известен [Куликов А.Л. Патент РФ 2532760, МПК H02H 3/16, G01R 31/08, 05.04.2013. Панфилов Д.И., Арутюнов С.А., Горюшин Ю.А, Образцов С.А., Смирнов А.Н., Лачугин В.Ф., Сидорук С.В., Краснышов С.В., Манжелий М.И., Денисов Д.В. Патент РФ 2475768, МПК G01R 31/08, 24.10.2011] также волновой метод определения расстояния до места повреждения на линии, основанный на синхронизированном по времени с помощью спутниковой системы двустороннем измерении аварийных составляющих токов и напряжений, фиксации моментов времени t и t прихода волн к концам линии и определении по измеренной разности Δt=t-t и известных скорости распространения электромагнитной волны v и длине L линии электропередачи расстояния до места повреждения l=(L+Δt v)/2. Недостатком метода, основанного на синхронизированных двусторонних измерениях аварийных составляющих электрических величин, является практическая невозможность его реализации на линиях распределительных сетей среднего напряжения из-за технических и экономических ограничений.
к
з
к
з
Известен [Качесов В.Е. Патент РФ 2216749, МПК 2216749, G01R 31/08, 27.03.2001] способ определения места повреждения при ОЗЗ по параметрам переходного процесса, возникающего при пробое изоляции, основанный на регистрации напряжения на поврежденной фазе в начале линии, выделении в напряжении переходного режима частоты f, соответствующей частоте колебаний при разряде емкости поврежденной фазы (разрядных колебаний) и определении расстояния до места замыкания l по зависимости частоты разрядных колебаний от расстояния до места повреждения f=ϕ(l) для данной k-й линии контролируемой сети, предварительно рассчитанной для каждой линии с использованием численного, аналогового или другого моделирования. Недостатками метода являются зависимость частоты разрядных колебаний от текущего значения суммарной емкости поврежденной фазы сети, меняющейся в различных режимах ее работы, а также от переходного сопротивления в месте повреждения. В переходном напряжении, кроме разрядной, содержится еще и зарядная составляющая, связанная с подзарядом емкостей неповрежденных фаз, частота которой во многих случаях зависит только от индуктивности источника питания и практически не зависит от удаленности места ОЗЗ от шин. Так как частотное разделение разрядной и зарядной составляющих переходного напряжения возможно не всегда, достаточно точное определение частоты разрядных колебаний не всегда возможно.
пр
з
Известен [Качесов В.Е. Патент РФ 2222026, МПК G01R 31/08, 11.01.2002] способ определения места повреждения по параметрам переходного процесса при ОЗЗ, основанный на регистрации напряжения на поврежденной фазе на шинах u(t), аппроксимации зависимости u(t) полиномом второй степени, нормировании полученной зависимости по отношению к напряжению пробоя u*(t)=u(t)/u, определении модуля максимального значения производной  в начале участка аппроксимации нормированной зависимости  и определении расстояния до места ОЗЗ l по расчетной зависимости  предварительно рассчитанной для каждой линии контролируемой сети, например, с использованием методов моделирования.
Недостатком данного технического решения является зависимость производной не только от расстояния до места ОЗЗ, но и от текущего значения суммарной емкости сети, которая может изменяться в различных режимах ее работы, а также переходного сопротивления в месте повреждения.
Известен [Байбурин Э.Р. Метод оперативного определения места повреждения электрической сети напряжением 6(10) - 35 кВ. Нефтегазовое дело, 2006] способ определения места повреждения по параметрам переходного процесса при ОЗЗ, основанный на измерении и регистрации параметров переходного процесса и вычислении расстояния до места повреждения по выражению
,
0
m1
m2
где L - погонная индуктивность линии; u - мгновенное значение напряжения на поврежденной фазе; i - мгновенное значение тока в поврежденной фазе линии с ОЗЗ в момент повреждения; I, I - следующие друг за другом амплитудные значения переходного тока; U - напряжение на нейтрали.
m1
m2
m1
m2
Приведенное расчетное выражение для определения расстояния до места повреждения получено в предположении, что переходный процесс при ОЗЗ носит одночастотный и колебательный характер. В реальных сетях ток переходного процесса содержит, как правило, две частотные составляющие - разрядную и зарядную, частотное разделение которых возможно не всегда, что не позволяет в общем случае определить отношение амплитуд I/I. При дуговых неустойчивых ОЗЗ гашение заземляющей дуги возможно при первом же переходе через нулевое значение переходного тока (теория W. Petersen), что также не позволяет определить отношение I/I.
0
c
0
0
0
0
2
2
Известен принятый за прототип [Мустафин Р.Г. Патент РФ 2499998, МПК G01R 31/08, 28.05.2012] способ определения расстояния до места ОЗЗ по параметрам переходного процесса в трехфазных распределительных сетях среднего класса напряжений с изолированной, компенсированной или заземленной через высокоомный резистор нейтралью, основанный на измерении максимальной амплитуды тока нулевой последовательности Imax на поврежденной линии после возникновения однофазного замыкания на землю, определении расстояния до однофазного замыкания на землю по значению мгновенного напряжения U на поврежденной фазе в момент возникновения однофазного замыкания на землю, по суммарной емкости С нулевой последовательности всех линий, подключенных к шинам, по максимальной амплитуде тока нулевой последовательности I, max на поврежденной линии после возникновения однофазного замыкания на землю и по погонному индуктивному сопротивлению L погонное нулевой последовательности линии электропередачи, на которой возникло однофазное замыкание на землю, в соответствии с выражением Д=Uc*С/(I, max*Lпогонное).
Недостатком данного способа является то, что расчетная величина расстояния Д до места замыкания зависит от значения суммарной емкости сети, которая может меняться в зависимости от режима работы сети, а также от переходного сопротивления в месте повреждения. В расчетной схеме замещения и соответственно приведенном выше выражении для определения Д не учитывается различие погонной индуктивности линии для составляющих нулевой и прямой последовательности. Влияние указанных факторов приводит к уменьшению точности определения расстояния до места ОЗЗ.
Анализ уровня техники свидетельствует о том, что задачей изобретения является создание способа определения расстояния до места ОЗЗ на ЛЭП, находящихся под рабочим напряжением, при всех разновидностях замыкания на землю, включая дуговые прерывистые и кратковременные самоустраняющиеся пробои, точность которого не зависит от изменений суммарной емкости нулевой последовательности сети в различных режимах ее работы и переходного сопротивления в месте повреждения.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении точности способа определения расстояния до места ОЗЗ на ЛЭП.
0k
0k
0k
з
Это достигается тем, что в известном способе определения расстояния до места ОЗЗ по параметрам переходного процесса [10], основанном на одностороннем замере переходного напряжения на поврежденной фазе на шинах контролируемого объекта и переходного тока нулевой последовательности поврежденной линии, фиксируют все моменты t переходов тока нулевой последовательности через нулевое значение, где k≥1 - порядковый номер перехода тока через нулевое значение, при этом по кривой переходного напряжения определяют мгновенные значения напряжения на поврежденной фазе u(t), по кривой переходного тока определяют мгновенные значения скорости изменения тока , а затем по зафиксированным значениям напряжения на поврежденной фазе u(t) скорости изменения тока и справочному значению погонной индуктивности для поврежденной линии Lп определяют расстояние l до места ОЗЗ в соответствии с выражением
Зk
При наличии нескольких переходов тока нулевой последовательности поврежденной линии через нулевое значение (k>1) искомое расстояние до места ОЗЗ может быть определено как среднее из нескольких значений 1, определенных по выражению (1).
Таким образом, зарегистрировав значение переходного напряжения на поврежденной фазе (на шинах питания) в момент перехода тока нулевой последовательности через ноль, зарегистрировав значение производной в момент перехода тока нулевой последовательности через ноль, можно определить расстояние до места пробоя, с большой точностью за счет исключения зависимости от искажающих замер факторов (например, переходного сопротивления и суммарного емкостного тока сети), которые вносят значительную погрешность в измерения расстояния до места ОЗЗ.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
A,B,C
0∑-фф
M∑
и
л
З
л
п
0
На фиг. 1 приведена трехфазная схема радиальной сети среднего напряжения с изолированной нейтралью, где e - фазные ЭДС источника; C - суммарная емкость фазы сети на землю; C - суммарная междуфазная емкость фазы сети; L - индуктивность источника питания; L - индуктивность линии до места замыкания; L - индуктивность земли; R - активное сопротивление линии до места замыкания; М - взаимная индукция между фазами; R - переходное сопротивление в месте повреждения; R - активное сопротивление земли; 3i- переходный ток нулевой последовательности; u - переходное напряжение на поврежденной фазе.
1Л
Л
Используя метод симметричных составляющих, из схемы фиг. 1 можно получить комплексную схему замещения сети в режиме ОЗЗ (фиг. 2). На фиг. 2: ; L=L-М - индуктивность прямой последовательности поврежденного участка линии;
0Л
Л
з
∑
П1
0П
з
п
1Л
0Л
п
1Л
Л
0Л
Л
З
L=L+2М+3L - индуктивность нулевой последовательности поврежденного участка линии; R=(2R+R) l+3R=2R+R+3R - полное активное сопротивление поврежденного участка линии; R=R - активное сопротивление прямой последовательности поврежденного участка линии; R=R+3R - активное сопротивление контура нулевой последовательности
При ОЗЗ напряжение на поврежденной фазе равно сумме симметричных составляющих прямой, обратной и нулевой последовательностей:
Из схемы замещения фиг. 2 для напряжения на поврежденной фазе получим выражение
0
В моменты, соответствующие переходам тока 3i(t) через нулевое значение, откуда
з
На фиг. 3 изображена структурная схема способа. На фиг. 3: 1 - блок, формирующий на выходе кратковременный единичный сигнал в момент перехода сигнала входного тока через нулевое значение; 2 - блок, формирующий на выходе сигнал, пропорциональный скорости изменения входного переходного тока; 3 - избиратель напряжения поврежденной фазы; 4, 5 - элементы памяти, запоминающие мгновенные значения входного сигнала в заданные моменты времени, соответствующие появлению сигнала на выходе блока 1; 6 - вычислитель значения расстояния до места ОЗЗ (L) в соответствии с выражением (1).
0
Способ осуществляется следующим образом. При пробое изоляции поврежденной фазы сети на землю возникает переходный процесс, связанный с разрядом емкостей поврежденной фазы и дополнительным зарядом емкостей неповрежденных фаз. Разрядная и зарядная составляющие переходного напряжения на поврежденной фазе u(t) и переходного тока 3i(t) имеют, как правило, колебательный характер (фиг. 4- 6).
0
ном
c∑
п
з
ном
c∑
п
з
ном
с∑
п
з
На фиг. 4-6: кривая 1 - переходное напряжение на поврежденной фазе u(t); 2 - переходный ток нулевой последовательности поврежденной линии 3i(t); 3 - выходной сигнал блока 1; 4 - скорость изменения переходного тока нулевой последовательности ; 5 - значения расстояния до места ОЗЗ, рассчитанные по (1). Осциллограммы соответствуют условиям переходного процесса: фиг. 4 - номинальное напряжение сети U=6 кВ, суммарный емкостный ток сети I=10 А, переходное сопротивление в месте повреждения R=0, расстояние до места ОЗЗ l=1 км; фиг. 5 - U=6 кВ, I=10 А, R=10 Ом, l=1 км; фиг. 6 - U=6 кВ, I=50 A, R=0 и l=1 км.
0
0k
з
Блок 1 генерирует кратковременные единичные импульсы в моменты перехода через ноль тока 3i(t) поврежденного присоединения. Блок 2 формирует выходной сигнал, пропорциональный скорости изменения тока . Блок 3 выделяет любым из известных способов напряжение на поврежденной фазе u(t). Блоки 4 и 5 запоминают значения входных величин u(t) и  в моменты времени, соответствующие появлению выходных единичных сигналов на выходе блока 1. Блок 6 по зафиксированным значениям u(t) и  и известному значению погонной индуктивности для поврежденной линии п L по формуле (1) определяет расстояние l до места ОЗЗ.
з
Из осциллограмм фиг. 4-6 можно видеть, что расчетное значение l, определенное по предлагаемому способу, не зависит от суммарного емкостного тока сети и переходного сопротивления в месте повреждения, что является преимуществами данного способа по сравнению с рассмотренными выше аналогами.
Список литературы
1. Шалыт Г.М. Определение мест повреждения линий электропередачи импульсными методами. - М.: Энергия. - 1968.
2. Куликов А.Л. Дистанционное определение мест повреждений ЛЭП методами активного зондирования. - М.: Энергоатомиздат. - 2006.
3. Патент РФ №2446533 H02H 3/16 G01R 31/08. Способ определения места однофазного замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью // Мустафин Р.Г., 2012. - Опубл. 27.03.2012.
4. Измерение расстояний до места повреждений на воздушных и кабельных линиях электропередачи и связи / В.Л. Бакиновский, А.П. Осадчий, Н.И. Сосфенов, В.К. Спиридонов. - М.: ЦНИЭЛ, 1954, вып. 2.
5. Патент РФ на изобретение №2532760 H02H 3/16 G01R 31/08. Способ определения места повреждения линии электропередачи // Куликов А.Л. - Опубл. 05.04.2013.
6. Патент РФ на изобретение №2475768 G01R 31/08. Способ определения расстояния до места повреждения на линии электропередачи // Панфилов Д.И., Арутюнов С.А., Горюшин Ю.А, Образцов С.А., Смирнов А.Н., Лачугин В.Ф., Сидорук С.В., Краснышов С.В., Манжелий М.И., Денисов Д.В. - Опубл. 24.10.2011.
7. Патент РФ №2216749 G01R 31/08. Способ определения расстояния до места однофазного замыкания в распределительных сетях // Качесов В.Е. - Опубл. 27.03.2001.
8. Патент РФ №2222026 G01R 31/08. Способ определения расстояния до места однофазного замыкания в распределительных сетях // Качесов В.Е. - Опубл. 11.01.2002.
9. Байбурин Э.Р. Метод оперативного определения места повреждения электрической сети напряжением 6(10) - 35 кВ // Нефтегазовое дело, 2006. Электронный научный журнал. http://www.ogbus.ru/authors/Bayburin/Bayburinl.pdf
10. Патент РФ №2499998 G01R 31/08. Способ определения дальности до однофазного замыкания на землю в линиях электропередачи // Мустафин Р.Г. - Опубл. 28.05.2012.