СПОСОБ РАСПОЗНАВАНИЯ ОДНОФАЗНОГО ДУГОВОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ И ПОВРЕЖДЕННОЙ ФАЗЫ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ
METHOD FOR DETECTION OF ONE-PHASE ARCING TO GROUND AND FAULTY PHASE IN DISTRIBUTING SYSTEMS WITH ISOLATED NEUTRAL

Предлагаемое изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для распознавания однофазного дугового замыкания (ОДЗ) на землю в распределительных сетях с изолированной нейтралью.
Известен способ распознавания (сигнализации) однофазного замыкания на землю (и выделения поврежденного фидера) в распределительных сетях с изолированной нейтралью (Шабад М.А. Обзор режимов заземления нейтрали и защиты замыканий на землю в сетях 6-35 кВ России. - Энергетик, №12, 2000, с.11-13; В.Н.Майборода, В.К.Обабков. Внедрение устройств полного подавления дуговых замыканий на землю в сети СН 6 кВ Тюменской ТЭЦ-1 на основе резонансного заземления нейтрали / Доклады научно-технической конференции «Режимы заземления нейтрали сетей 3-6-10-35 кВ».-Новосибирск: ГЦРО, 2000, с.65-72), основанный на раздельной фиксации полярностей первых полуволн высокочастотных компонент тока и напряжения нулевой последовательности (НП). Распознавание осуществляется путем реагирования на соотношения фазовых сдвигов между высокочастотными компонентами и появлении в течение времени 0,06…1,5 сек напряжения НП промышленной частоты, которое превышает 25% фазного значения.
В данном способе для распознавания повреждения требуется измерительная информация о токах и напряжениях, что делает этот способ сложным, кроме того, используя параметры напряжений и токов НП, не может быть выделена поврежденная фаза. В силу существования в сети коммутационных процессов и различных кратковременных несимметричных режимов возможно недостоверное распознавание ОДЗ.
Известен также способ распознавания однофазного дугового замыкания на землю и поврежденной фазы в распределительных сетях с изолированной нейтралью, являющийся прототипом, основанный на измерении параметров режима сети - фазных напряжений и последующей математической обработке измерительной информации в цифровом виде на ЭВМ с помощью математического аппарата искусственных нейронных сетей (ИНС) (Whei-Min Lin, Chin-Der Yang, Jia-Hong, Ming-Tong Tsaj. A Fault Classification Method by RBF Neural Network With OLS Learning Procedure - IEEE Trans, on Power Delivery, Vol.16, No.4, Oct., 2001, pp.473-477).
Для его реализации предварительно разрабатывают некоторую математическую модель - искусственную нейронную сеть и обучают ее на основе экспериментального или полученного в результате численного моделирования материала. После этого на входы системы распознавания подают сигналы - фазные напряжения в цифровой форме, а по комбинации выходных сигналов (например, в бинарном виде) определяют тип повреждения в электрической сети и поврежденную фазу.
Технология обучения ИНС сложна, поскольку для этого необходимо подобрать метод ее обучения (выбор которого не всегда прост и очевиден), минимизирующий ошибку распознавания. Обучение сети необходимо проводить на значительном объеме экспериментального или полученного в результате численного моделирования материала, что труднодоступно и трудоемко. При неоптимальном методе обучения ИНС или недостаточном объеме экспериментального материала метод может приводить к ложному (недостоверному) распознаванию ОДЗ.
Анализ приведенного уровня техники свидетельствует о том, что задачей изобретения является создание более простого, достоверного и менее трудоемкого способа распознавания ОДЗ и поврежденной фазы.
фм
Эта задача достигается тем, что в известном способе распознавания дугового замыкания на землю и поврежденной фазы, основанном на регистрации фазных напряжений, сравнивают указанные напряжения с пороговым уровнем, равным 2 U. В случае превышения уровня любым из фазных напряжений определяют производные фазных напряжений и сопоставляют их знаки. При их совпадении и значениях модулей производных, превышающих уставку, - удвоенное значение максимума производной линейного наибольшего рабочего напряжения сети
0
фм
где ω - промышленная угловая частота, U - максимальное фазное напряжение сети,
0
фиксируют момент времени t превышения последней производной напряжения уставки .
Отступая от значения % на время успокоения
и
1
1
2
1
0
y
2
1
п
п
где L, C - индуктивность эквивалентного источника и емкость сети по прямой последовательности, на отрезке времени t∈[t; t](t=t+t; t=t+t; t=3 мс) определяют напряжение нулевой последовательности
и выполняют его квадратичную аппроксимацию, которая представляется в форме
где а, b, с - коэффициенты квадратичного полинома.
фм
фм
В начале участка аппроксимации (τ=0) определяют напряжение нулевой последовательности, которое равно коэффициенту полинома с, и скорость его изменения , равную коэффициенту полинома b. Если модуль скорости изменения напряжения нулевой последовательности менее 0,1 U/мс и модуль напряжения нулевой последовательности превышает 0,1 U, то констатируют распознавание однофазного замыкания на землю. Поврежденную фазу определяют по максимальной производной фазного напряжения в момент пробоя изоляции.
0
На фиг.1 приведена упрощенная распределительная сеть, в которой реализуется предлагаемый способ; на фиг.2 - осциллограммы напряжения нулевой последовательности (u) и производной напряжения одной из неповрежденных фаз (du/dt); на фиг.3 - напряжение нулевой последовательности при нескольких повторных пробоях; на фиг.4 - значения модулей напряжения нулевой последовательности в начале участков аппроксимации и расчетных скоростей его изменения (производных напряжения нулевой последовательности).
γ
фм
0
y
у
0
Способ осуществляется следующим образом. На шинах главного питающего пункта (ГПП) 1, к которому через линии электропередачи 2, 3, 4, 5 подключены трансформаторные подстанции (ТП - 6, 7, 8, 9), постоянно регистрируют фазные напряжения u(t), γ={А, В, С} в цифровой форме (например, выполняя непрерывный мониторинг напряжений / Качесов В.Е., Ларионов В.Н., Овсянников А.Г. О результатах мониторинга перенапряжений при однофазных дуговых замыканиях на землю в распределительных кабельных сетях. - Электрические станции, №8, 2002, с.38-45; Кадомская К.П., Качесов В.Е., Лавров Ю.А., Овсянников А.Г., Сахно В.А. Диагностика и мониторинг кабельных сетей средних классов напряжения. - Электротехника, №11, 2000, с.48-51/). В случае возникновения замыкания на землю на одной из отходящих линий 2, 3, 4, 5 (фиг.1) и при превышении любым из фазных напряжений порогового уровня, который принимается равным удвоенному фазному максимальному значению 2 U, определяют производные фазных напряжений  Производные фазных напряжений представляются конечными разностями первого порядка, т.е.  - количество измерительных точек. В момент пробоя фазной изоляции знаки всех производных совпадают, т.е.  При совпадении всех знаков производных напряжений и превышении их модулями уставки  (т.е.  отступают от момента времени t превышения последней производной уставки  по оси времени на величину t (фиг.2). За время успокоения t колебания в контуре прямой последовательности затухают, и устанавливается напряжение на нейтрали, которое в дальнейшем слабо изменяется: стекание заряда и уменьшение напряжения нулевой последовательности u(t) (см. (1)) происходит только за счет постепенного насыщения трансформаторов напряжения контроля изоляции и незначительных утечек в изоляции.
Уставка  принимается равной удвоенному значению производной наибольшего рабочего линейного напряжения сети (
0
где ω - промышленная угловая частота.
y
Время успокоения t зависит от добротности колебательного контура прямой последовательности фаз, образованного нагрузкой, эквивалентным источником и емкостно-индуктивными параметрами сети, а также от номера полупериода высокочастотной составляющей тока замыкания, на котором происходит гашение заземляющей дуги. Оно определяется по выражению
1
где Т - период собственных колебаний сети в контуре прямой последовательности фаз,
и
1
L, С - соответственно индуктивность эквивалентного источника и емкость сети.
Индуктивность определяется по выражению
к
(U, U - напряжение короткого замыкания и номинальное напряжение трансформатора, установленного на ГПП, S - его мощность).
Критерием однофазного замыкания (при гашении заземляющей дуги при переходе высокочастотной составляющей тока через нулевое значение) выступает малая (по модулю) скорость изменения напряжения на нейтрали между повторными пробоями, которая измеряется в соответствии с ниже описываемым алгоритмом.
п
1
2
1
0
y
2
1
п
п
На пологом участке напряжения нулевой последовательности длительностью f (которому соответствует отрезок времени t∈[t; t],t=t+t; t=t+t - фиг.2) выполняют его квадратичную аппроксимацию. Для этого применяют любой известный способ, например, метод Лагранжа / Хемминг Р.В. Численные методы для научных работников и инженеров. - М: «Наука», 1972/. Аппроксимирующая функция (аппроксимирующий полином) записывается в соответствии с выражением (2). Длительность t на основе обработки экспериментальных данных, полученных посредством мониторинга переходных процессов в действующих электрических сетях, принимают равной 3 мс.
1
фм
фм
фм
фм
В начале участка аппроксимации (момент времени t=t, в аппроксимирующей функции τ=0) определяют напряжение НП, которое равно коэффициенту квадратичного полинома с, и скорость изменения напряжения НП  равную коэффициенту полинома b. Если модуль производной напряжения НП меньше 0,1 U/мс (т.е. |b|<0,1U//мс) и модуль напряжения НП превышает 0,1 U (т.е. |с|>0,1U), то устанавливается факт однофазного замыкания на землю.
фм
фм
На фиг.3 показано напряжение нулевой последовательности в действующей кабельной сети / Качесов В.Е., Ларионов В.Н., Овсянников А.Г. О результатах мониторинга перенапряжений при однофазных дуговых замыканиях на землю в распределительных кабельных сетях. - Электрические станции, №8, 2002, с.38-45/. Анализ (обработка) этого напряжения изложенным способом показывает, что при всех замыканиях выполняются условия распознавания ОДЗ, т.е. модуль напряжения на нейтрали после погасания заземляющей дуги больше 0,1 U и его производная по модулю меньше 0,1 U/мс (фиг.4).
Надежно распознается также поврежденная фаза - при всех пробоях изоляции максимальная производная напряжения на поврежденной фазе превысила производные на неповрежденных фазах: например, при пробое в момент времени t=8 мс (фиг.2), значение производной фазного напряжения на поврежденной фазе равно 59 кВ/мс, на неповрежденных фазах - около 46 кВ/мс.
Таким образом, распознавание ОДЗ в сети выполняется путем регистрации (измерения) фазных напряжений и выполнения простых операций по их обработке: сопоставления напряжений с пороговым уровнем, нахождения производных фазных напряжений, проверки совпадения их знаков, вычисления полинома второго порядка, определения напряжения и скорости его изменения в начале участка аппроксимации, при сопоставлении которых с соответствующими уставками устанавливается факт существования ОДЗ. Распознавание поврежденной фазы выполняется по максимуму производной фазных напряжений. Способ не требует никакой дополнительной информации, кроме измерительной, значительных объемов вычислений или создания сложных алгоритмов обработки измерительных сигналов, поэтому прост и нетрудоемок.
Проверка пригодности метода для распознавания ОДЗ путем обработки зарегистрированных переходных процессов в действующей кабельной сети 10 кВ показала высокую достоверность метода.