СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВРЕЖДЕННОГО ФИДЕРА ПРИ ОДНОФАЗНОМ ЗАМЫКАНИИ НА ЗЕМЛЮ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ
METHOD FOR DETERMINING A DAMAGED FEEDER IN CASE OF SINGLE PHASE TO GROUND FAULT IN A DISTRIBUTION ELECTRICAL NETWORK

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к релейной защите распределительных электрических сетей с изолированной нейтралью, которые характеризуются малыми токами установившегося однофазного замыкания на землю, где существует проблема определения поврежденного фидера.
Известен способ определения поврежденного фидера на основе выделения аварийных составляющих в токах и напряжениях промышленной частоты. Таковыми служат значения напряжения нулевой последовательности на шинах подстанции и значения токов нулевой последовательности каждого фидера, питающегося от общих шин. Критерием идентификации поврежденного фидера служит направление передачи энергии аварийных составляющих, а именно токами и напряжением нулевой последовательности по каждому фидеру [1].
К недостаткам такого способа относится влияние погрешностей измерительных трансформаторов, необходимость повышения уровня сигнала до порога чувствительности и избирательности за счет длительности интегрирования, тогда как однофазные замыкания на землю на воздушных линиях электропередачи носят преимущественно кратковременный неустойчивый характер.
Известен способ определения поврежденного фидера на основе сравнения токов нулевой последовательности промышленной частоты. Его суть заключается в том, что для определения поврежденной линии в сети с изолированной нейтралью запоминают ток нулевой последовательности предшествующего режима каждой линии при периодическом кратковременном замыкании фазы в нормальном режиме со стороны источника питания. Определяют изменение тока нулевой последовательности промышленной частоты каждой линии и сравнивают его с соответствующей уставкой для каждой линии. Если на одном из присоединений ток изменил направление, и он больше уставки, то делают вывод о повреждении линии и отключают ее [2].
Недостатком такого способа является необходимость установки дополнительного высоковольтного устройства с ограничивающим резистором, подключаемого к шинам питания отходящих фидеров, которое повышает уровень тока однофазного замыкания на землю до порога чувствительности релейной защиты. При этом от повышенного тока возникает потенциальная угроза лесного пожара, поскольку воздушные линии распределительной сети часто проходят через лесные массивы и причиной однофазных замыканий служат ветки деревьев вовремя не очищенной от них трассы.
Известен способ определения поврежденного фидера па основе сравнения измеренных токов нулевой последовательности, рассчитанными на модели каждого фидера. Суть его состоит в том, что фиксируют с заданной частотой дискретизации отсчеты напряжения нулевой последовательности на общих шинах и отсчеты токов нулевой последовательности в каждом фидере распределительной сети. Осуществляют цифро-аналоговое преобразование отсчетов напряжения нулевой последовательности и подают преобразованное напряжение на вход модели каждого фидера по нулевой последовательности, причем модели составляют для нормального состояния фидеров. Выполняют аналого-цифровое преобразование тока нулевой последовательности модели каждого фидера с заданной частотой дискретизации. Определяют расхождение между отсчетами тока нулевой последовательности каждого реального фидера и отсчетами тока его модели. По величине расхождения выявляют поврежденный фидер [3].
Недостатком такого способа является необходимость предварительного формирования математических моделей каждого фидера, которые в распределительных электрических сетях имеют древовидную структуры и могут включать в себя до нескольких десятков потребительских подстанций. Изменение конфигурации электрической сети, оснащенной реклоузерами, или же проведение регламентных ремонтных работ требует внесения изменений в соответствующие математические модели.
Все три способа, как это принято в релейной защите распределительных электрических сетей с изолированной нейтралью, используют в качестве пускового органа фиксации события однофазного замыкания на землю появление напряжения нулевой последовательности порядка 100 В на обмотке «разомкнутый треугольник» шинного трансформатора напряжения. Натурные эксперименты показывают, что переходные сопротивления в месте однофазного замыкания на землю могут снизить напряжение нулевой последовательности ниже уровня его отстройки от напряжения небаланса и в то же время повысить уровень гармонических составляющих в составе напряжения нулевой последовательности и соответственно в токах нулевой последовательности фидеров [4].
Целью предлагаемого технического решения является повышение чувствительности пускового органа релейной защиты и повышение селективности определения поврежденного фидера при замыкании на землю в распределительной электрической сети.
Поставленная цель достигается тем, что в способе определения поврежденного фидера при замыкании на землю в распределительной электрической сети при котором напряжения нулевой последовательности на общих шинах и токи нулевой последовательности в каждом фидере, отходящем от общих шин фиксируют с заданной частотой дискретизации, согласно предлагаемому изобретению, токи и напряжений подвергают дискретному преобразованию Фурье, фиксацию события однофазного замыкания на землю осуществляют по величине напряжения нулевой последовательности промышленной частоты на общих шинах, в напряжения нулевой последовательности фиксируют порядковый номер М наибольшей гармонической составляющей напряжения не промышленной частоты, превышающей уровень значений гармонических составляющих напряжения не промышленной частоты в номинальном режиме. Для зафиксированной М гармонической составляющей напряжения по каждому фидеру фиксируют значения ее фазовых сдвигов по отношению к М гармонической составляющей тока нулевой последовательности, значения фазовых сдвигов поступают на логический блок, который выделяет тот фидер, для которого значение знака при фазовом сдвиге изменяется на противоположное значение по отношению к фазовым сдвигам других фидеров [5].
На фиг. 1 изображена принципиальная схема подключения к общим шинам 1 распределительного устройства подстанции двух фидеров электрической сети 2 и 3 из общего количества фидеров, большего двух, подключение трансформатора напряжения 4. На каждом фидере установлены фазные трансформаторы напряжения 5 и 6, которые по схеме выделения нулевой составляющей в фазных токах подключены к блокам аналогово-цифрового преобразования 7 и 8. Обмотка «разомкнутый треугольник» трансформатора напряжения 4 подключена к блоку аналогово-цифрового преобразования 9.
0
g0
g
0
m
0n
0n+1
На фиг. 2 изображена структурная схема системы распознавания поврежденного фидера. Отсчеты напряжения нулевой последовательности U(k) поступают на вход блока дискретного преобразования Фурье 10, с выхода блока 10 синусные и косинусные составляющие состава напряжения нулевой последовательности  поступает на вход блока выделения максимальной гармонической составляющей напряжения не промышленной частоты и формирования сигналов срабатывания 11. На выходе блока 11 формируется сигнал значения номера максимальной гармонической составляющей напряжения нулевой последовательности М и формируется сигнал синусной и косинусной гармонических составляющих напряжения нулевой последовательности  С выхода блока 11 поступают сигналы значения коэффициента гармонических искажений напряжения нулевой последовательности K и значения напряжения М-й гармоники напряжения нулевой последовательности  на блок распознавания события однофазного замыкания на землю 12. На вход блока 12 подаются уставка срабатывания по коэффициенту искажения синусоидальности кривой K, равная 1,5 (полуторному) его значению, и уставки гармонических составляющих напряжения U(m), равные 1,5 (полуторным) их значениям, (в нормальном режиме в соответствии с [5], стр. 8). На выходе блока 12 формируются логический сигнал наличия/отсутствия события однофазного замыкания на землю L и логический сигнал продолжения поиска максимальной гармонической составляющей не промышленной частоты L, который поступает на вход блока 11. На вход блока дискретного преобразования Фурье 13 поступают сигналы отсчетов токов нулевой последовательности фидеров i(k), i(k), сигнал значения номера наибольшей гармонической составляющей тока М, сигнал наличия/отсутствия события однофазного замыкания на землю L. На выходе блока 4 формируются значения М-й синусных и косинусных гармонических составляющих токов нулевой последовательности  всех фидеров, которые поступают на вход блока распознавания фазового сдвига гармонических составляющих токов 14. Также на вход блока 14 поступают синусная и косинусная гармонические составляющие напряжения нулевой последовательности  С выхода блока 14 на вход блока идентификации поврежденного фидера 6 поступают значения фазовых сдвигов М-ой гармонической составляющей тока нулевой последовательности фидеров  в том числе значение фазы тока нулевой последовательности поврежденного фидера  На выходе блока 15 формируется номер поврежденного фидера N.
На фиг. 3 изображена векторная диаграмма М-ой гармонической составляющей тока нулевой последовательности фидеров  включая ток поврежденного фидера  Фазовые сдвиги токов нулевой последовательности фидеров  в том числе фаза тока нулевой последовательности поврежденного фидера  соотносятся с вектором М-ой гармонической составляющей напряжения нулевой последовательности
g0
g
0
m
m
m
0
0
g0
g
0
Способ определения поврежденного фидера при однофазном замыкании на землю в распределительной электрической сети состоит в следующем. При возникновении однофазного замыкания на землю на фидере N на выходе обмотки «разомкнутый треугольник» трансформатора напряжения 4, фиг. 1, создается значение напряжения промышленной частоты близкое к 100 В. При значительной величине переходного сопротивления в месте замыкания на землю напряжение нулевой последовательности промышленной частоты может иметь значение ниже уровня чувствительности в связи с необходимостью отстройки порога фиксации повреждения от имеющей место фактической несимметрии параметров нормального режима. Однофазные замыкания на землю сопровождаются увеличением амплитуд гармонических составляющих токов и напряжений. Амплитуды гармонических составляющих напряжения нулевой последовательности превышают значения амплитуд в нормальном режиме. В качестве признака ОЗЗ используется повышение коэффициента искажения синусоидальности напряжении нулевой последовательности и наличие резонансной гармоники. Аналоговый сигнал с трансформатора напряжения 4 поступает в аналогово-цифровой преобразователь 9, фиг. 1. Отсчеты напряжений и токов поступают в блок дискретного преобразования Фурье 1, откуда состав гармонических составляющих напряжения нулевой последовательности поступает в блок выделения гармонической составляющей напряжения нулевой последовательности с максимальной амплитудой и формирования сигналов срабатывания 11, фиг. 2. В блоке 11 вычисляется коэффициент искажения синусоидальности напряжения нулевой последовательности, синусные и косинусные гармонические составляющие и распознается М-я гармоническая составляющая с максимальной амплитудой. В блоке распознавания события однофазного замыкания на землю 12 сравниваются измеренное значение коэффициента гармонических искажений K с уставкой K и измеренное напряжение наибольшей М-й гармоники сигнала  с уставкой U(m=M), фиг. 2. На выходе блока 3 исходные значения логических переменных L=0 и L=0. Если для гармоники m=1 условие  не выполняется, то в блоке 11 продолжается поиск следующей по номеру гармонической составляющей напряжения нулевой последовательности (с) наибольшей (амплитудой) до тех пор, пока не будет выполнено условие  После чего логической переменной L присваивается значение L=1 и блок 11 перестает поиск гармонической составляющей с наибольшей амплитудой. Логической переменной L присваивается значение L=1 при выполнении условия и/или:  K>K. Блок 13 вступает в работу только после поступления на его вход сигнала L=1, фиг. 2. В блоке 14 по синусным и косинусным составляющим токов фидеров и напряжения нулевой последовательности М-й гармоники  вычисляются фазовые сдвиги гармонических составляющих токов по отношению к гармоническим составляющим напряжения. На фиг. 3 изображена векторная диаграмма, поясняющая принцип распознавания поврежденного фидера: фазовые сдвиги гармонических составляющих токов неповрежденных фидеров  имеют знаки, противоположные фазовому сдвигу искомого фидера
1. Патент RU №2050660, МПК Н02Н 3/38, Н02Н 3/26, Н02Н 7/26, опубл. 20.12.1995.
2. Патент RU №2422841, МПК G01R 31/08, опубл. 10.10.2010.
3. Патент RU №2516371, МПК G01R 31/08, опубл. 20.05.2014.
4. Федотов А.И., Макаров В.Г., Абдуллазянов Р.Э., Вагапов Г.В., Чернова Н.В. Спектральный состав токов и напряжений воздушной распределительной электрической сети с изолированной нейтралью при однофазных замыканиях на землю и его использование для определения мест повреждения / Известия вузов. Электромеханика. 2019. Т. 62. №2. - С. 72-82.
5. ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.