Способ отключения поврежденного присоединения с однофазным замыканием на землю в сетях с изолированной нейтралью
METHOD FOR DISCONNECTING A DAMAGED CONNECTION WITH A SINGLE-PHASE EARTH FAULT IN NETWORKS WITH AN ISOLATED NEUTRAL

Изобретение относится к электротехнике, в частности к способам определения присоединения с однофазным замыканием на землю (ОЗЗ) в электрических сетях 6-35 кВ с изолированной нейтралью.
Задача определения присоединения с ОЗЗ в сетях 6-10-35 кВ в настоящее время не имеет эффективного решения несмотря на динамичное развитие техники релейной защиты и увеличение установленного парка микропроцессорных устройств на объектах энергетики.
В реальных условиях на энергообъектах до сих пор при возникновении ОЗЗ на секциях шин срабатывает неселективная сигнализация по повышению напряжения нулевой последовательности. При этом нет четкого определения фидера с ОЗЗ. Если секция шин питается от вышестоящей подстанции, то такая же неселективная сигнализация срабатывает на нескольких распределительных устройствах 6-10-35 кВ. Поиск ОЗЗ осуществляется методом последовательного отключения/включения всех фидеров 6-10-35 кВ на всех распределительных устройствах. Эти переключения влияют на работу технологического оборудования потребителей, загружают оперативный персонал непродуктивной работой и увеличивают время на устранение замыкания.
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.
Известен способ определения поврежденного присоединения при однофазном замыкании на землю в электрических систем с изолированной или компенсированной нейтралью,  реализуемый устройством по патенту РФ №2096795, G01R31/08, 1997 г. В этом способе отключают отходящую питающую ЛЭП, на которой произошло замыкание на землю. Для чего подключают в резервной (стандартной) ячейке распределительного устройства, она же коммутирующая ячейка устройства по указанному патенту, высоковольтное балластное сопротивление (бэтеловый резистор) и амперметр, а в определенных точках отходящих ЛЭП подключают струбцины переносного кабеля измерительной ячейки. Производят переключение одного из двух разъединителей измерительной ячейки, а именно того, который необходим для производства измерений на заземленной фазе. Благодаря этому подготавливают цепь для протекания ограниченного тока короткого замыкания через землю, высоковольтное балластное сопротивление, амперметр и две, параллельно соединенные фазы питающей линии, из которых одна – та, на которой зафиксировано соединение с землей, и вторая – одна из двух других фаз. Затем у потребителя включают один из двух, специально смонтированных разъединителей между фазами А и С или В и С, активируют выключатель коммутирующей ячейки. В результате совершенного, через место замыкания на землю по двум фазам линии протекут ограниченные по времени токи однофазного короткого замыкания, которые фиксируются системой записи. После выдержки времени в 0,2-0,5 секунды выключатель коммутирующей ячейки отключают.
Основным недостатком известного способа является необходимость отключения питающей ЛЭП потребителя, а также большой объем организационно-технических мероприятий для осуществления этого.
Известен способ определения поврежденного присоединения при однофазном замыкании на землю в электрических систем с изолированной или компенсированной нейтралью, реализуемый в способе определения места и расстояния до места однофазного замыкания на землю в электрических сетях 6-35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью  (Патент РФ №2293342, G01R31/08, опубл.10.02.2007, бюл. №4), заключающийся в том, что подключают балластное сопротивление к резервной ячейке секции шин распределительного устройства, в котором есть замыкание на землю. Включают высоковольтный выключатель резервной ячейки, обеспечивая протекание через балластное сопротивление ограниченного по величине и времени двухфазного тока короткого замыкания. Во время включения отслеживают показания устройств визуальной фиксации бросков тока и по наличию или отсутствию бросков тока на приспособлениях визуальной фиксации судят о месте однофазного замыкания на землю.
Недостатком способа является необходимость ручного включения балластного сопротивления и визуальной фиксации бросков тока за короткий промежуток времени (не более 1 сек), что может оказаться затруднительным из-за инерции составных компонентов амперметра.
Известен способ определения поврежденного присоединения при однофазном замыкании на землю в электрических систем с изолированной или компенсированной нейтралью, реализуемый в способе определения места и расстояния до места однофазного замыкания на землю в электрических сетях 6-35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью  (Патент РФ №2685746 G01R31/08, опубл.10.02.2007, бюл. №4), заключающийся в том, что устанавливают устройство релейной защиты с возможностью регистрации фазных токов каждого присоединения и резервной ячейки распределительного устройства, а также с возможностью фиксации однофазных замыканий на землю в каждом присоединении распределительного устройства, создания с помощью подачи на выключатель резервной ячейки сигналов ограниченного по величине и времени двухфазного тока короткого замыкания, определяют с помощью устройства релейной защиты присоединение с однофазным замыканием на землю и поврежденную фазу, подключают балластное сопротивление к резервной ячейке секции шин распределительного устройства, в котором есть замыкание на землю, включают высоковольтный выключатель резервной ячейки, обеспечивая протекание через балластное сопротивление ограниченного по величине и времени двухфазного тока короткого замыкания, во время включения регистрируют значения тока через балластное сопротивление и в поврежденной фазе присоединения с однофазным замыканием на землю.
Недостатками способа являются сложность организационно-технических мероприятий и необходимость формирования двухфазного короткого замыкания, что может вызвать развитие аварии в других присоединениях.
За прототип принят способ определения места и расстояния до места однофазного замыкания на землю в электрических сетях 6-35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью (Патент РФ №2685747, G01R 31/08, опубл.23.04.2019, бюл. №12), заключающийся в том, что подключают балластное сопротивление к резервной ячейке секции шин распределительного устройства, в котором есть замыкание на землю, включают высоковольтный выключатель резервной ячейки, обеспечивая протекание через балластное сопротивление ограниченного по величине и времени тока короткого замыкания, во время включения регистрируют значения тока в поврежденной фазе присоединения с однофазным замыканием на землю. Согласно способа устанавливают устройство релейной защиты с возможностью регистрации фазных токов и фазных  напряжений каждого присоединения, а также с возможностью фиксации однофазных замыканий на землю в каждом присоединении распределительного устройства, создания с помощью подачи на выключатель резервной ячейки сигналов ограниченного по величине и времени тока короткого замыкания в неповрежденной фазе, определяют с помощью устройства релейной защиты присоединение с однофазным замыканием на землю и поврежденную фазу, фиксируют фазные токи неповрежденных фаз присоединения с однофазным замыканием на землю и фазное напряжение поврежденной фазы, определяют по фазным токам и напряжению поврежденной фазы присоединения с однофазным замыканием на землю, зарегистрированным в течение протекания ограниченного по времени тока короткого замыкания неповрежденной фазы, формируют сигнал на отключение поврежденного присоединения.
Способ реализуется следующим образом. Возникновение ОЗЗ на поврежденном присоединении распределительного устройства определяется с помощью устройства релейной защиты, выполненного с возможностью реализации известных технических решений (способов) выявления ОЗЗ, изложенных, например, в [Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. – М.: НТФ Энергопрогресс, 2001.]. Автоматически по факту фиксации ОЗЗ устройством релейной защиты выдается сигнал на включение выключателя резервной ячейки распределительного устройства для обеспечения протекания через балластное сопротивление ограниченного по времени и величине тока короткого замыкания в неповрежденной фазе. Выбор времени протекания и величины тока короткого замыкания в неповрежденной фазе определяется параметрами термической стойкости провода ЛЭП. При этом устройство релейной защиты может содержать один или несколько терминалов релейной защиты. Необходимый состав устройства релейной защиты, а также функции отдельных его терминалов выбираются, исходя из возможностей и функций отдельных его терминалов в линейке конкретного производителя релейной защиты. Например, в качестве определяющих конструктивных параметров могут выступать: число аналоговых и дискретных входов-выходов, быстродействие и производительность микропроцессоров, возможности и объем памяти регистрации аварийных событий и др.
Недостатками способа являются сложность организационно-технических мероприятий по выявлению присоединений с ОЗЗ и необходимость формирования короткого замыкания, что может вызвать развитие аварии в других присоединениях.
Способ позволяет определить присоединения с ОЗЗ.
Недостатком является то, что для определения присоединения с ОЗЗ требуется с помощью устройства релейной защиты определить поврежденную фазу, затем включить в резервной ячейке с балластным сопротивлением выключатель в неповрежденной фазе, затем по величинам фазных токов присоединений определяют поврежденное присоединение.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками предлагаемого изобретения следующие:
• автоматически по факту фиксации ОЗЗ устройством релейной защиты выдается сигнал на включение выключателя резервной ячейки распределительного устройства;
• по величине тока определяют присоединение с ОЗЗ;
• отключают присоединение с ОЗЗ.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является упрощение эксплуатации и повышение надежности в способе определения присоединения с ОЗЗ в сетях с изолированной нейтралью.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в предварительном определении величины активных сопротивлений четырех балластных сопротивлений, три из которых подключают к трехфазному выключателю резервной ячейки, соединяют их в звезду, нейтраль которой соединяют через четвертое сопротивление с контуром заземления распределительного устройства, формируют уставки токовых релейных защит нулевой последовательности присоединений, которые формируют сигнал на отключение присоединений с однофазным замыканием на землю при появлении сигнала напряжения нулевой последовательности на секции шин после включения выключателя резервной ячейки.
Основные отличия предлагаемого способа следующие:
•  предварительно определяют величины активных сопротивлений четырех балластных сопротивлений, которые подключают к трехфазному выключателю резервной ячейки;
•  соединяют три балластные сопротивления в звезду, нейтраль которой соединяют через четвертое балластное сопротивление с контуром заземления распределительного устройства;
•  формируют уставки токовых релейных защит нулевой последовательности присоединений, которые формируют сигнал на отключение присоединения с однофазным замыканием на землю после включения выключателя резервной ячейки при появлении сигнала напряжения нулевой последовательности на секции шин.
Наличие отличительных признаков, позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности «новизна».
Из уровня техники не было выявлено источников, содержащих совокупность отличительных признаков заявляемого изобретения, а также не была установлена известность влияния отличительных признаков на достигаемый технический результат, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Сущность предлагаемого способа поясняется чертежами, где:
на фиг.1 изображена трехфазная схема замещения сети с питающим присоединением, с тремя присоединениями потребителей и с отключенными балластными сопротивлениями в резервной ячейке,
на фиг.2 изображена трехфазная схема замещения сети с питающим присоединением, с тремя присоединениями потребителей, с ОЗЗ на одном из присоединений и с отключенными балластными сопротивлениями в резервной ячейке,
на фиг.3 изображена трехфазная схема замещения сети с питающим присоединением, с тремя присоединениями потребителей, с ОЗЗ на одном из присоединений и с подключенными балластными сопротивлениями в резервной ячейке.
На схеме фиг.1 показаны трехфазный источник электрических мощностей 1 с нейтралью 2, соединенной с контуром заземления подстанции 3, который подключен к трехфазному силовому трансформатору 4 со схемой соединения обмоток «звезда-треугольник». Нейтраль «звезды» 5 трансформатора 4 соединена с контуром заземления подстанции 3. Выходы «треугольника» трансформатора 4 соединены с трехфазной системой шин 6, к которой подключены три трехфазных линии электропередачи 7, 8 и 9,  с нагрузками потребителей 10, 11 и 12. К системе шин 6 подключена резервная ячейка содержащая трехфазный в отключенном положении выключатель 13 с тремя фазными балластными сопротивлениями 14, 15 и 16, соединенными в звезду, нейтраль которой через сопротивление 17 соединена с контуром заземления подстанции 3. На каждом присоединении 7, 8, 9 и 4 установлена токовая защита нулевой последовательности 18, 19, 20, 21. К системе шин 6 подключен трансформатор напряжений 22 с реле 23.
На схеме фиг. 2 показано все то же, что на схеме фиг.1 и дополнительно показано однофазное замыкание на землю в фазе «В» первого присоединения 7.
На схеме фиг. 3 показано все то же, что на схеме фиг.2 и дополнительно показано включенное положение выключателя 13, чем обеспечивается подключение выключателем 13 балластных элементов 14, 15, 16 и 17 к системе шин 6.
Способ реализуют следующим образом:
Предварительно определяют величины активных сопротивлений трех балластных сопротивлений 14, 15, 16, 17,  например, как отношение фазного напряжения к номинальному фазному току наиболее нагруженного присоединения. Расчетным путем установлено, что  в сети 10 кВ достаточно установить сопротивления величиной 300 Ом. Сопротивления 14, 15, 16 подключают к трехфазному выключателю 13 резервной ячейки, соединяют их в звезду,  нейтраль которой через сопротивление 17 соединяют с контуром заземления 3 распределительного устройства. Формируют уставки токовых релейных защит нулевой последовательности 18, 19, 20, 21 всех присоединений в соответствие, например, со [Стандартом организации Механотроника СТО ДИВГ-059-2017, Релейная защита распределительных сетей 6-10 кВ, Расчёт уставок, Методические указания, Санкт-Петербург, 2017]. Указанные защиты формируют сигнал на отключение своего присоединения при возникновении в нем однофазного замыкания на землю. Однако, если нейтраль в сети изолирована, то ток нулевой последовательности в присоединении с замыканием на землю очень мал, и не  всегда обеспечивает величину уставки, соответственно защита работает не стабильно. Для обеспечения надежного и стабильного срабатывания защиты в создаем временную нейтраль в сети с изолированной нейтралью. При возникновении однофазного замыкания на землю в любом присоединении 4, 7, 8, 9  появляется сигнал напряжения нулевой последовательности на секции шин 6 от трансформатора напряжений 22. Через реле 23 сигнал от трансформатора напряжения 22 включает кратковременно выключатель 13 резервной ячейки. Балластные сопротивления 14, 15, 16 и 17 подключаются к сети, создавая резистивно компенсированную нейтраль. В присоединении создается режим короткого замыкания, управляемого по величине тока и по времени. Ток нулевой последовательности в присоединении с однофазным замыканием на землю становится больше величины уставки защиты, соответственно защита формирует сигнал на отключение присоединения. При этом в остальных присоединениях ток нулевой последовательности не увеличивается.  Реле 23 имеет задержку времени, что позволяет отключать поврежденное присоединение через заданное время после возникновения ОЗЗ.
Для проверки работоспособности предлагаемого способа выполнены расчетные эксперименты на схеме замещения электрической сети с изолированной нейтралью, представленной на фиг. 1, 2, 3. Расчеты проводились в программно-вычислительном комплексе «Расчет режимов в фазных координатах», разработанном на кафедре «Электрические станции, сети и системы» ИРНИТУ.  Схема замещения сети задается в трехфазном виде с учетом взаимоиндукции и емкости между проводами линии, емкости между проводами и землей, с учетом взаимоиндукции между обмотками силовых трансформаторов.
0
0
В таблице 1 показаны величины токов в фазах А, В, и С и тока нулевой последовательности (3I) присоединений 4, 7, 8, 9 (модуль, угол) в нормальном режиме работы сети с изолированной нейтралью (фиг.1). В присоединениях 7 и 8 нагрузки в фазах несимметричны. Показаны величины напряжений в фазах А, В, С  и напряжение нулевой последовательности (3U) на секции шин 6.
Таблица 1
Фаза А
Фаза В
Фаза С
Нулевая последовательность
Модуль
Угол
Модуль
Угол
Модуль
Угол
Модуль
Угол
Ток пр. 7 (А)
50.92
218.7
50.41
77.5
33.68
328.9
0.017
126.43
Ток пр. 8 (А)
62.14
197.3
63.15
97.9
81.06
327.1
0.015
-44.42
Ток пр. 9 (А)
55.19
208.1
55.18
88.1
55.19
328.0
0.0032
-100.16
Ток пр. 4 (А)
-166.3
207.3
-167.07
88.6
-169.97
327.7
-6.74E-09
142.74
Напряжение  на секции (В)
5879.1
209.6
5717.1
90.9
5683.8
328.8
363.9
-159.1
0
0
В таблице 2 показаны величины токов в фазах А, В, и С и тока нулевой последовательности (3I) присоединений 4, 7, 8, 9 (модуль, угол) в режиме однофазного замыкания на землю через сопротивление 5 Ом в фазе «В» первого присоединения в сети с изолированной нейтралью (фиг. 2). Показаны величины напряжений в фазах А, В, С  и напряжение нулевой последовательности (3U) на секции шин 6.
Таблица 2
Фаза А
Фаза В
Фаза С
Нулевая последовательность
Модуль
Угол
Модуль
Угол
Модуль
Угол
Модуль
Угол
Ток пр. 7 (А)
50.88
218.8
50.46
78.3
33.75
329.0
0.503
165.26
Ток пр. 8 (А)
62.07
197.4
63.15
97.8
81.15
327.1
0.258
-14.91
Ток пр. 9 (А)
55.13
208.1
55.16
87.9
55.26
328.1
0.245
-13.92
Ток пр. 4 (А)
-166.18
207.3
-167.18
88.7
-170.21
327.7
-8.04E-09
125.77
Напряжение  на секции (В)
9864.1
238.6
222.5
119.1
9753.4
299.8
16700.4
-91.3
0
0
Из таблицы 2 видно, что появилось напряжение нулевой последовательности (3U), а ток нулевой последовательности (3I) в первой линии (присоединение 7)  больше чем, токи во второй (присоединение 8) и третьей (присоединение 9) линиях и сдвинут на 180 градусов. Однако, величина тока нулевой последовательности в первой линии не достаточна для надежного срабатывания защиты.
0
В таблице 3 показаны величины токов в фазах А, В, и С и тока нулевой последовательности присоединений  7, 8, 9, 4 (модуль, угол) в режиме однофазного замыкания на землю через сопротивление 5 Ом в фазе «В» первого присоединения в сети с резистивно заземленной нейтралью, созданной трехфазным выключателем и балластными сопротивлениями 14, 15, 16 и 17 (фиг. 3). Показаны величины напряжений в фазах А, В, С  и напряжение нулевой последовательности (3U) на секции шин 6.
Таблица 3
Фаза А
Фаза В
Фаза С
Нулевая последовательность
Модуль
Угол
Модуль
Угол
Модуль
Угол
Модуль
Угол
Ток пр. 7 (А)
50.87
218.5
63.69
80.1
33.63
329.1
13.736
89.82
Ток пр. 8 (А)
62.07
197.3
63.14
97.8
81.13
327.1
0.253
-15.76
Ток пр. 9 (А)
55.13
208.1
55.16
87.9
55.25
328.1
0.239
-14.80
Ток пр. 4 (А)
-187.69
208.7
-195.16
88.7
-191.55
326.7
-1.52E-09
-177.78
Напряжение  на секции (В)
9800.6
237.9
366.9
120.3
9607.1
299.7
16339.3
-92.2
Из таблицы 3 видно, что значение тока нулевой последовательности в присоединении 7 существенно увеличилось до величины, достаточной для срабатывания защиты.