СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ОДНОФАЗНОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ В СЕТИ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ
METHOD TO DETECT AREA OF SINGLE-PHASE GROUND FAULT IN NETWORK WITH ISOLATED NEUTRAL

Изобретение относится к релейной защите электрических систем и позволяет ввести новый класс защит - высокочастотные дистанционные защиты по токам нулевой последовательности. Область действия данной защиты - воздушные линии электропередачи.
о
o
Самыми распространенными видами повреждений, до 70% от всех повреждений, в распределительных сетях являются однофазные замыкания на землю (ОЗЗ). Основные виды релейной защиты от ОЗЗ реагируют на токи нулевой последовательности I и напряжения нулевой последовательности U. При этом их можно подразделить на два вида:
о
o
- защиты, реагирующие на возникающий при ОЗЗ естественный ток нулевой последовательности I, напряжение нулевой последовательности U;
- защиты, реагирующие на возникающий при ОЗЗ ток нулевой последовательности, создаваемый искусственным путем, на частоте, отличной от 50 Гц.
Защиты первого типа могут работать с токами и напряжениями нулевой последовательности первой гармоники F1, частотой 50 Гц. Кроме этого, широкое применение получили защиты, работающие на высших гармониках, кратных частоте первой гармоники F1, которые измеряют амплитуды высших гармоник, например амплитуду третьей гармоники, частотой 3F1. Все защиты данного типа, работающие по току и напряжению нулевой последовательности, позволяют обнаружить возникновение ОЗЗ, определить поврежденный фидер, линию электропередачи с ОЗЗ. При этом данные защиты не позволяют определить дальность до места повреждения.
Дистанционные защиты, описанные в книге Чернобровов Н.В., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем. Москва: Энергоатомиздат, 1988, с.361, приняты за прототип. Основным элементом дистанционной защиты является реле сопротивления, реагирующее на полное (активное и реактивное) сопротивление участка линии до мeста повреждения Хл, которое вычисляется на основе измерения аварийных токов I и напряжений U в начале линии, по формуле:
.
Сопротивление Хл зависит от дальности до места повреждения L. Определив Хл и зная погонное сопротивление линии Хп (сопротивление линии на единицу длины линии), можно определить дальность до места повреждения L:
Дистанционные защиты позволяют определить дальность до мecта повреждения, но не могут определить, на какой отпайке произошло повреждение. Например, когда имеется две отпайки, расходящиеся от одной точки, при этом сопротивление Хл будет одинаковым, при повреждении на одной или на другой отпайке.
Задачей, на решение которой направлено данное техническое решение, является определение места однофазного замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью по высокочастотным токам нулевой последовательности.
Сети с изолированной нейтралью, это сети среднего напряжения 6/10/35 кВ. Предлагаемый способ предназначен для сетей с воздушными линиями электропередачи. Такие сети характеризуются большой разветвленностью. Во-первых, от шин одной подстанции могут исходить большое число линий электропередачи, до нескольких десятков линий на одну секцию шин. Во-вторых, каждая отдельная линия электропередачи может иметь несколько отпаек, боковых отходящих от основной линии ответвлений. Все это создает большие трудности при обнаружении места повреждения. При ОЗЗ в сетях с изолированной нейтралью токи аварийного режима малы, поскольку это емкостные токи, которые создают емкостные нагрузки линий электропередачи (Чернобровов Н.В., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем. - Москва: Энергоатомиздат, 1988, с.288).
Технический результат достигается подачей на шины распределительного устройства, питающего защищаемые линии электропередачи, высокочастотного напряжения, с частотой Fв, отличающейся от промышленной частоты 50 Гц, параметры аварийного режима в начале линии определяются путем измерения высокочастотного, с частотой Fв, фазного напряжения и высокочастотного, с частотой Fв, фазного тока в начале линии, а при определении дальности до места однофазного замыкания на землю в качестве характеристики линии электропередачи используется высокочастотное, для частоты Fв, погонное сопротивление нулевой последовательности линии электропередачи, для разветвленной линии электропередачи поврежденное ответвление (с однофазным замыканием на землю) определяется по максимальному относительному (по сравнению с нормальным режимом, и с учетом высокочастотного, с частотой Fв, фазного напряжения в начале линии) уменьшению высокочастотного, с частотой Fв, фазного напряжения в конце поврежденного ответвления.
Первым шагом для решения проблемы определения дальности до места повреждения является создание дополнительных токов, создаваемых искусственным путем - так называемых наложенных токов, применение которых описано в книге М.А.Шабад, Защита от однофазных замыканий на землю в сетях 6-35 кВ, Москва: Энергопрогресс, 2007 (стр.33). При этом дополнительное напряжение, которое создает наложенные токи, подается по схеме фаза-земля. Поэтому, по отношению к дополнительным, наложенным токам, сеть электропередачи становится сетью с заземленной нейтралью, и это существенно влияет на поведение наложенных токов и напряжений.
Для того чтобы имелась возможность измерять токи Iв и напряжения Uв дополнительного тока, отдельно от токов промышленной частоты 50 Гц, дополнительный ток создается на частоте Fв, значительно отличающейся от 50 Гц. Для осуществления предлагаемого способа определения места однофазного замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью важно, чтобы использовалась максимально большая частота Fв, что увеличивает величину погонного сопротивления линии электропередачи на рабочей частоте.
Верхняя граница частоты Fв ограничена волновыми эффектами при распространении токов высокой частоты по линии электропередачи. Линии электропередачи среднего напряжения имеют длину порядка 10 километров. Соответственно длина волны λ, частоты Fв должна быть намного больше длины линии, и это создает верхнюю границу Fв частотами порядка десяти килогерц.
Применение дополнительного тока высокой частоты Fв:
- не мешает работе силового оборудования распределительной сети;
- не изменяет режимы работы сети (сеть с изолированной нейтралью);
- не мешает работе защит, основанных на измерении токов и напряжений промышленной частоты 50 Гц;
- источник дополнительного высокочастотного напряжения легко подсоединяется к сети (через высокочастотные конденсаторы, или используя измерительный трансформатор напряжения).
На фиг.1 изображена схема сети с высокочастотными конденсаторами;
на фиг.2 - однолинейная схема сети, имеющая отпайку, на фиг.3 - с измерительным трансформатором напряжения.
Рассмотрим распределительное устройство 1 (фиг.1), с шин 2 которого питаются защищаемые линии электропередачи 3. На шины 2 распределительного устройства через три высокочастотных конденсатора 4 с генератора 5 подается высокочастотное напряжение. Высокочастотное напряжение Uв измеряется трансформатором напряжения 6, высокочастотные токи Iв измеряются трансформаторами тока 7. Таким образом, измерив параметры аварийного режима, высокочастотное напряжение Uв и высокочастотные токи Iв, определяется высокочастотное сопротивление Хв отрезка линии 3 до места повреждения, до ОЗЗ:
При определении дальности L до места однофазного замыкания на землю в качестве характеристики линии электропередачи используется высокочастотное погонное сопротивление линии электропередачи Хвп:
При этом при расчете дальности L до места ОЗЗ необходимо учитывать схему подачи высокочастотного напряжения на шины 2 распределительного устройства 1, схему измерения высокочастотного напряжения Uв. Для схемы, изображенной на фиг.1, необходимо учитывать высокочастотное (на частоте Fв) сопротивление конденсаторов 4.
Каждая фаза трехфазной линии электропередачи может рассматриваться отдельно. Это связано с достаточно малой взаимной индуктивностью фаз, малой частотой Fв, малыми длинами линий электропередачи в сетях среднего напряжения.
Затухание α высокочастотных сигналов (уменьшение амплитуды за счет потерь в линии) при распространении вдоль линии электропередачи зависит от частоты Fв и длины линии L:
где α - дБ,
1
К ~ 0,005,
2
К ~ 0,0002,
Fв - кГц,
L - км.
(формула (5) приведена в книге: Ю.П.Шкарин, Высокочастотные тракты каналов связи по линиям электропередачи, Москва: Энергопрогресс, 2001 (стр.83)).
Из (5) видно, что на частотах Fb порядка 10 кГц и на длинах линии L порядка 10 км - затуханием α высокочастотного сигнала можно пренебречь.
Продольное сопротивление линии электропередачи имеет, в основном, индуктивный характер, поэтому сопротивление линии зависит от рабочей частоты. При частоте 50 Гц погонное сопротивление нулевой последовательности линии имеет величину порядка 0,2 Ом/км. Тогда на частоте Fв, равной 10 кГц, погонное сопротивление линии будет в 200 раз больше (за счет зависимости индуктивного сопротивления от частоты), и будет иметь величину порядка 40 Ом/км. Для линии длиной L=10 км общее сопротивление линии будет равно 400 Ом.
Такие большие величины сопротивлений линии на высокой частоте Fв, равной 10кГц, имеют два следствия.
Во-первых, потребуется генератор высокой частоты 5 сравнительно малой мощности. Пусть высокочастотное напряжение Uв равно 100 В, соответственно высокочастотный ток Iв будет иметь величину порядка (100 В/400 Ом) 0,25 А. Иными словами, линия 3 будет потреблять порядка (100 В*0,25А) 25 Вт высокочастотной мощности (при появлении ОЗЗ в конце линии).
Во-вторых, большая величина погонного сопротивления линии приведет к тому, что при повреждении, при ОЗЗ, вдоль линии возникнет градиент высокочастотного напряжения Uв: если в точке ОЗЗ напряжение (относительно земли) станет равным нулю, то при движении в сторону источника питания линии, напряжение будет достаточно быстро расти.
Рассмотрим однолинейную схему (фиг.2) распределительного устройства 1, с шин 2 которого питается линия электропередачи 3, имеющая отпайку в точке 8 (линия разветвляется на две одинаковые линии). На верхней отпайке имеется повреждение - ОЗЗ 9, что приводит к уменьшению на конце линии 10 высокочастотного напряжения Uв. При этом вдоль линии, между отпайкой 8 и ОЗЗ 9 возникнет градиент, и высокочастотное напряжение Uв в точке отпайки 8 будет выше, чем в точке ОЗЗ 9. Таким образом, относительное уменьшение высокочастотного напряжения Uв на конце линии 10 будет больше, чем относительное уменьшение высокочастотного напряжения Uв на конце линии 11. По этому признаку можно различить отпайку с повреждением 10 (имеющую ОЗЗ 9), от отпайки без повреждения 11. При этом необходимо учитывать возможное уменьшение высокочастотного напряжения Uв в начале линии (на шинах 2), при возникновении повреждения - ОЗЗ.
Линия среднего напряжения 6/10кВ бывает нагружена на силовой понижающий трансформатор (0,4кВ низкое напряжение). При этом понижающий трансформатор имеет конфигурацию треугольник - звезда. В результате, в нормальном режиме, когда по линии распространяется высокочастотное напряжение нулевой последовательности, высокочастотное напряжение Uв не проходит на сторону низкого напряжения. Однако при появлении ОЗЗ, высокочастотное напряжение Uв одной фазы меньше напряжения двух других фаз, и на низкой стороне появляется высокочастотное напряжение. Это позволяет измерять высокочастотное напряжение на низкой стороне.
Если в составе распределительного устройства 1 (фиг.3) присутствует измерительный трансформатор 12, то имеется вторая возможность подачи высокочастотного напряжения на шины 2. На выводы разомкнутого треугольника измерительного трансформатора 12 с генератора 5 подается высокочастотное напряжение. При этом на шины 2 с измерительного трансформатора 12 будет подаваться высокочастотное напряжение нулевой последовательности, и отпадает потребность в установке дополнительных высокочастотных конденсаторов.
Таким образом, изобретение относится к релейной защите электрических систем и позволяет ввести новый класс защит - высокочастотные дистанционные защиты по высокочастотным токам нулевой последовательности.