Способ выделения воздушной линии электропередачи с однофазным замыканием на землю в трехфазных электрических сетях
A METHOD FOR ISOLATING AN OVERHEAD POWER TRANSMISSION LINE WITH A SINGLE-PHASE EARTH FAULT IN THREE-PHASE ELECTRICAL NETWORKS

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для определения воздушной линии электропередачи (ВЛЭП) с однофазным замыканием на землю в трехфазной электрической сети (ЭС) с неэффективно заземленной нейтралью, а также для грубой локации зоны однофазного замыкания на протяженных ВЛЭП.
I
I
0в.г.
0в.г.
Известен способ определения фидера с однофазным дуговым замыканием на землю в радиальных ЭС с неэффективно заземленной нейтралью, основанный на анализе значений высших гармонических составляющих тока нулевой последовательности () в фидерах, отходящих от центра электропитания [Гельфанд Я.С. Релейная защита распределительных сетей. М., 1982] - например, от главной понизительной подстанции (ГПП) или распределительной подстанции (РП). В этом способе выделение поврежденного фидера с однофазным замыканием на землю осуществляется путем сопоставления (сравнения) значений высокочастотных составляющих в токах нулевой последовательности (НП): в поврежденном присоединении относительное содержание высших гармонических составляющих  имеет максимальное значение. В силу того, что в данном способе в качестве входной измеряемой величины используется установившееся значение тока, способ оказывается неприспособленным для выделения фидеров с кратковременными самоустраняющимися замыканиями, в то время как эта информация важна для оценки состояния изоляции и целенаправленного проведения профилактических испытаний линий с ослабленной изоляцией, а также для локации мест однофазных замыканий.
Кроме того, известен способ определения фидера с однофазным дуговым замыканием на землю в трехфазных ЭС [Л.Е. Дударев, В.В. Зубков, В.И. Стасенко. Комплексная защита от замыканий на землю. - Электрические станции, №7, 1981], принятый в качестве прототипа и применимый при кратковременных самоустраняющихся замыканиях на землю, согласно которому в момент пробоя фазной изоляции регистрируют переходное напряжение нулевой последовательности на шинах центра электропитания и первые полуволны высокочастотных токов нулевой последовательности в отходящих фидерах. По полуволнам переходных напряжений и токов определяют начальный знак направления мощности для всех фидеров. Фидер, имеющий знак направления мощности противоположный остальным, принимается поврежденным.
t
t
U
t
U
зад
зад
0
зад
0
В данном способе в зависимости от начального знака направления мощности срабатывает пороговое устройство, приводящее к запуску устройства возврата, которое при отсутствии устойчивого повреждения через некоторое время задержки Δ возвращает пороговое устройство в исходное состояние. Это время Δ выбирается исходя из условия отстройки от различного рода помех (например, вызванных коммутациями в сети или появлением высших гармонических составляющих в напряжении) и составляет от 7 до 10 мс. Указанная задержка срабатывания устройства возврата определяется длительностью существования напряжения нулевой последовательности 3при помехах. Если помеха в течение указанного времени не устранится или возникнет повторно в конце интервала Δ, приводя к появлению напряжения 3, то возникает ложное срабатывание (сигнализация).
неселективное (ошибочное)
снижается область применения данного способа
В данном способе возможно  определение фидера из-за искажения фазовых соотношений между током и напряжением, возникающего в момент однофазного замыкания на землю в отраженной от конца поврежденной линии волне [Борухман В.А. Об эксплуатации селективных защит от замыканий на землю в сетях 6-10 кВ и мероприятиях по их совершенствованию. - Энергетик, №1, 2000]. Искажения в волну напряжения также вносятся измерительным электромагнитным трансформатором напряжения из-за достаточно высокого частотного спектра волны, достигающего десятков - сотен килогерц. Частотные характеристики электромагнитных измерительных трансформаторов напряжения таковы, что они способны трансформировать периодические составляющие только до нескольких килогерц: при более высоких частотах сказывается межвитковая емкость первичной обмотки [Гельфанд Я.С. Релейная защита распределительных сетей. - М., 1982, стр. 294]. При этом неправильно фиксируется знак мощности. Ограничивая полосу регистрируемых частот для повышения селективности выделения фидера с замыканием на землю, существенно , особенно для кабельных электрических сетей, в которых волновые процессы высокочастотны в силу незначительных длин линий. Для реализации как первого способа, так и способа-прототипа необходима установка на каждый фидер трансформаторов тока нулевой последовательности (ТТНП). В ряде случаев, когда присоединение ВЛЭП к шинам центра электропитания происходит без кабельной вставки, ТТНП требуется создавать из трех однофазных трансформаторов тока, что является технически сложной задачей.
более достоверного (надежного) способа определения
.
Анализ приведенного уровня техники свидетельствует о том, что задачей изобретения является создание  фидера с однофазным неустойчивым дуговым замыканием на землю в ЭС, а также более простого способа, не требующего установки на воздушных линиях электропередачи ТТНП
R
-C
R
-C
C
R
C
д
д
и
и
и
р
и
и
Это достигается посредством установки в средней части фидеров на одноименных фазах датчиков переходных электромагнитных процессов - линейных устройств измерений (ЛУИ) (фиг. 1), сбора и обработки измерительной информации. К фазному проводу фидера присоединяют последовательную - цепочку, а ее второй вывод подключают к первичной обмотке понижающего высокочастотного (ВЧ) трансформатора; второй вывод первичной обмотки трансформатора заземляют. Вывод средней точки вторичной обмотки ВЧ трансформатора присоединяют к общему проводу линейного устройства измерения (ЛУИ). Напряжение, снимаемое с выводов вторичных полуобмоток ВЧ трансформатора, выпрямляют посредством диодов (Д) и подают на интегрирующую -цепь, а напряжение на интегрирующем конденсаторе - на вход аналого-цифрового преобразователя, имеющегося в составе микроконтроллера (МК). С помощью разрядного резистора обеспечивают разряд интегрирующего конденсатора  с требуемой постоянной времени τ. Напряжение, измеренное АЦП в цифровой форме и дополненное кодом-номером ЛУИ, передают в радиомодем. Запуск всех АЦП в линейных устройствах измерения осуществляют синхронно с помощью сигналов PPS, поступающих от приемников временной синхронизации (ПВС).
RCL
R
C
R
C
C
U
k
U
U
t
уникальной для каждого
n
U
д
д
и
и
и
C,
k
C,
k
пор.
зд
C,
k
При однофазных замыканиях на землю волна напряжения с крутым фронтом от места пробоя фазной изоляции распространяется по всей ЭС. Она имеет наибольшую амплитуду и крутизну на фидере с однофазным замыканием на землю. Набегая на -цепь, состоящую из элементов ,  и первичной обмотки ВЧ трансформатора, на вторичной обмотке формируется сигнал, пропорциональный крутизне и амплитуде импульса на поврежденной или на соседней с ней фазе. Напряжение на вторичной обмотке ВЧ трансформатора выпрямляют, интегрируют -- цепью, одновременно измеряют с помощью АЦП и помещают в ячейку памяти микроконтроллера. Если это мгновенное напряжение на конденсаторе  (- номер ЛУИ и соответствующего фидера) превышает пороговое напряжение, т.е. >, то с временной задержкой ЛУИ информацию о величине измеренного напряжения из ячейки памяти МК подают в блок кодировки (БК), добавляя к цифровому измерительному коду код-номер ЛУИ и синхро-код. Всю цифровую комбинацию кодов радиомодемом выдают в эфир. На шинах центра электропитания фазные напряжения, измеренные электромагнитным трансформатором напряжения, подают в блок обработки информации (БОИ) и распознают однофазное замыкание на землю. В центре электропитания устанавливают радиоприемник-модем. Из него измерительные данные со всех ЛУИ, принимавших участие в измерениях, передают в БОИ, где их декодируют. После установления факта замыкания на землю из всего количества измерительных сигналов , поступивших из радиомодема, выбирают сигнал с максимальным напряжением на интегрирующем конденсаторе (), в соответствии с которым определяют номер ЛУИ и тем самым устанавливают фидер с однофазным замыканием на землю (поврежденный фидер).
На фиг. 1 приведена упрощенная электрическая схема устройства, позволяющего реализовать предлагаемый способ нахождения фидера с однофазным замыканием на землю. На фиг. 2 показан пример трехфазной (радиальной) ЭС с установленными ЛУИ, в которой реализуется предлагаемый способ. На фиг. 3 представлены компьютерные осциллограммы напряжений на интегрирующих конденсаторах ЛУИ и условные коды, генерируемые ЛУИ, в случае единичного замыкания фазы на землю.
RCL
R
С
T
R
C
R
д
д
д
и
и
р
Линейное устройство измерение, показанное на фиг. 1, состоит: из -датчика (элементы: (1), (2), (3)), диодов Д (4), интегрирующей цепи, состоящей из резистора (5) иконденсатора  (6), разрядного резистора  (7), микроконтроллера (МК - 8) с встроенным аналого-цифровым преобразователем (9), радиомодемом (РМ-10) и приемника временной синхронизации (ПВС-11).
В радиальной ЭС, приведенной на фиг. 2, электрическая энергия от центра электропитания-1 (например, от ГПП) передается по фидерам (2) к распределительным подстанциям (РП - 3) или трансформаторным подстанциям (ТП - 4). В средней части каждого фидера установлены ЛУИ (5). Центр электропитания (ГПП) оснащен радиомодемом-приемником 6 и блоком обработки информации (БОИ-7), на который поступает информация как с радиомодема, так и напряжение на шинах ГПП, измеренное измерительным трансформатором напряжения (ТН-8).
Способ осуществляется следующим образом.
В процессе однофазного замыкания на землю на любой из отходящих линий 2 (фиг. 2) на шинах ГПП (1) посредством ТН (8) записывают в БОИ (7) в цифровом виде фазные напряжения и распознают вид повреждения - однофазное замыкание на землю и поврежденную фазу. В качестве БОИ, например, может быть использована система мониторинга переходных электромагнитных процессов [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]. Для распознавания однофазного дугового замыкания на землю используют различные способы, например, для электрической сети, нейтраль которой заземлена через дугогасящую катушку, используют способ, основанный на свойстве значительно меньшего действующего напряжения на поврежденной фазе по отношению к напряжениям на неповрежденных фазах, измеренных в течение ограниченного временного промежутка (~3мс) после пробоя фазной изоляции и самогашения заземляющей дуги [Патент РФ № 2232456 (от 11.10.2002). Способ распознавания однофазного дугового замыкания на землю и поврежденной фазы в распределительных сетях с резонансно-заземленной нейтралью // Качесов В.Е./ БИ № 19, 2004]. Для электрических сетей с изолированной нейтралью применяют способ, в основе которого лежит свойство постоянства напряжения на нейтрали ЭС после самогашения заземляющий дуги [Патент РФ №2356062. Способ распознавания однофазного дугового замыкания на землю и поврежденной фазы в распределительных сетях с изолированной нейтралью/ Л. В. Богдашева, В. Е. Качесов; БИ № 14, 2009].
и
и
C,
k
и
пор
С,
k
C,
k
и
зд
инф
зд
С,
k
и
С
u
t
k
t
U
U
u
t
t
t
t
U
С
После установления факта замыкания на землю обрабатывают информацию об измеренных напряжениях на интегрирующих конденсаторах С(6) в линейных устройствах измерений (фиг. 1). При каждом пробое фазной изоляции в силу переходных электромагнитных колебаний в каждом RCL-датчике на интегрирующих конденсаторах  (6 - на фиг. 1) появляется напряжение () (где  - номер фидера или соответствующего ЛУИ), которое долго (до нескольких секунд) сохраняется на их обкладках. Это напряжение, показанное на фиг. 3, измеряют в момент прихода синхроимпульса от ПВС (по сигналу PPS - время ) и сопоставляют в МК (9 - фиг. 1) с пороговым значением () и, если оно превышает его, то измеренное значение =() с номером ЛУИ передают посредством РМ (10 - фиг. 1) и РПр (6- фиг. 2) в БОИ (7 - фиг. 2). Информацию о величине измеренного напряжения и номере конкретного ЛУИ МК передает в РМ с фиксированной временной задержкой  относительно синхроимпульса PPS уникальной для каждого ЛУИ и длительностью  меньшей, чем . Лишь на одном из ЛУИ временная задержка принимается близкой к нулю. По максимальному напряжению () на интегрирующем конденсаторе  в БОИ определяют фидер с однофазным замыканием на землю.
C
t
u
u
u
U
t
U
U
U
U
U
U
U
U
и
з
С6
С1
С5
С6
и
С6
С5
С6
С1
С1
пор
1
С5
С6
6
На фиг. 3 показаны компьютерные кривые напряжений на интегрирующих конденсаторах () после единичного однофазного замыкания на землю (в момент времени ) на поврежденном () и неповрежденных (, ) фидерах, полученные с помощью программы расчета переходных электромагнитных процессов EMTP [H. W. Dommel, "Digital computer solution of electromagnetic transients in single and multiphase networks," -IEEE Trans., vol. PAS-88, pp. 382-399, April 1969]. Напряжение на интегрирующем конденсаторе в линейном устройстве измерения на поврежденном фидере () в момент измерения  превышает соответствующие напряжения на неповрежденных фидерах (т.е. > и >). Напряжение на интегрирующем конденсаторе на фидере №1 меньше порогового значения (<), поэтому измерительная информация от этого фидера (от ЛИУ) не передается. После обработки поступивших измерительных данных (, ) в БОИ устанавливают факт замыкания на фидере с ЛУИ.
RCL
Таким образом, фидер с однофазным замыканием на землю в сложной разветвленной воздушной ЭС определяют по уровню высокочастотных колебаний в -датчиках, устанавливаемых в средней части каждого фидера. Положительным эффектом способа является надежность выделения фидеров с замыканием на землю, а также простота, поскольку в узлах ветвления воздушных ЛЭП не требуется установка ТТНП.