Методы двухстороннего определения расстояния до места однофазного замыкания в сельских электрических сетях 6-35 кВ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Сорокин Александр Владимирович

• Сорокин Александр Владимирович
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Сорокин Александр Владимирович

Введение

Глава 1. Анализ современных методов определения места однофазного замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью

1.1 Анализ практической реализации поиска однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью

1.2 Анализ топографических методов

1.3 Анализ дистанционных методов

1.4 Общая оценка методов

1.5 Общий анализ современных тенденций в сельских электрических сетях с изолированной нейтралью

1.6 Выводы по первой главе

Глава 2. Анализ электрических величин при однофазном замыкании на землю

2.1 Симметричные составляющие разностей фазных напряжений, зафиксированных с двух сторон поврежденной линии в аварийном и доаварийном режимах

2.2 Анализ влияния величины переходного сопротивления на комплексы фазных напряжений

2.3 Выводы по второй главе

Глава 3. Разработка методов определения места однофазного замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью

3.1. Разработка алгоритма определения поврежденной фазы

3.2 Разработка метода двухстороннего определения места однофазного замыкания на землю с использованием параметров аварийного режима

3.3 Разработка алгоритма вычисления емкостных токов повреждённой линии

3.4 Разработка метода двухстороннего определения места однофазного замыкания на землю с использованием параметров аварийного и доаварийного режимов

3.5 Выводы по третьей главе

Глава 4. Исследование разработанных методов двухсторннего определения места однофазного замыкания на землю

4.1 Стендовые испытания разработанных методов определения расстояния до однофазного замыкания на землю

4.2 Исследование разработанных двухсторонних методов определения расстояния до однофазного замыкания на землю с применением компьютерного моделирования

4.3 Выводы по четвертой главе

Глава 5. Технико-экономическая эффективность разработанных методов определения расстояния до однофазных замыканий на землю

5.1 Определение годового экономического эффекта

5.2 Анализ срока окупаемости программного обеспечения

5.3 Выводы по пятой главе

Заключение

Список литературы

Приложение А. Материалы, относящиеся к внедрению результатов диссертационной работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы двухстороннего определения расстояния до места однофазного замыкания в сельских электрических сетях 6-35 кВ»

ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы исследования.

Однофазные замыкания на землю являются наиболее часто встречающимся видом повреждений в сельских электрических сетях с изолированной нейтралью. На долю однофазных замыканий на землю приходится до 70% от всех видов повреждений.

В настоящее время вводятся в эксплуатацию новые предприятия агропромышленного комплекса, использующие передовые технологии в области животноводства и растениеводства. Возникновение однофазных замыканий в сетях электроснабжения предприятий агропромышленного комплекса может привести к серьезному недоотпуску продукции и нарушению технологических процессов. От точности дистанционного определения расстояния до места однофазных замыканий на землю зависит общее время аварийно-восстановительных работ.

Для поиска однофазных замыканий на землю разработано множество методов дистанционного типа, но, в подавляющем большинстве, они разрабатывались исходя из возможности одностороннего замера параметров аварийного режима в начале поврежденной линии. Кроме того, существующие различные устройства определения места возникновения однофазных замыканий не являются универсальными и имеют ограничения, вызванные различными факторами: типом линии, наличием и величиной переходного сопротивления, величиной собственного емкостного тока нулевой последовательности линии и т.д.

Все это говорит о том, что разработка новых методов определения расстояния до места однофазного замыкания на землю является актуальной научно-технической задачей.

Степень разработанности темы исследования. Исследованиями в области однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью и их поиска занимались Арцишевский Я.Л., Гусенков А.В., Ермаков К.И., Качесов В.Е, Киржацких Е.Р., Козлов В.К., Квривишвили Л.В., Куликов А.Л.,

Лямец Ю.Я., Осокин В.Ю., Сидоров С.В., Сушков В.В., Филатова Г.А., Шабанов В.А., Шалин А.В., Шуин В.А. и другие.

Цель работы. Повышение эффективности электроснабжения сельских потребителей путем разработки методов двухстороннего определения расстояния до места однофазного замыкания в сельских электрических сетях с изолированной нейтралью.

Для достижения поставленной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

1 . Выполнить анализ влияния на электрические величины, фиксируемые по концам поврежденной линии, удаленности однофазного замыкания и переходного сопротивления посредством математического и имитационного моделирования.

2. Разработать методы поиска однофазного замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью, использующие параметры аварийного режима.

3. Выполнить исследования разработанных методов с помощью стендовых испытаний и имитационного моделирования.

4. Разработать программное обеспечение для определения расстояния до места однофазного замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью на основе разработанных методов и выполнить оценку технико-экономической эффективности его внедрения.

Объект исследования. Воздушные и кабельные линии, эксплуатируемые в сельских электрических сетях с изолированной нейтралью.

Предмет исследования. Методы определения расстояния до однофазного замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью.

Методы исследования. Для анализа электрических величин в аварийном и доаварийном режимах, регистрируемых по концам поврежденной линии, использовались положения теоретических основ электротехники, теории электрических цепей и метода симметричных составляющих. Для имитационного моделирования применялся программный комплекс Matlab Simulink.

Научная новизна.

1. Предложен раздельный учет симметричных составляющих при анализе электрических величин аварийного режима промышленной частоты, регистрируемых по концам поврежденной линии, при гипотетическом перемещении места однофазного замыкания вдоль контролируемой линии, а также при вводе и изменении переходного сопротивления.

2. Предложены методы определения расстояния до места однофазного замыкания на землю в электрических сетях с изолированной нейтралью, использующие параметры аварийного режима промышленной частоты, регистрируемые по концам поврежденной линии.

3. Предложен алгоритм определения поврежденной фазы при однофазном замыкании на землю на основе анализа модулей и аргументов фазных напряжений сети в режиме однофазного замыкания на землю.

4. Предложен алгоритм вычисления емкостных токов поврежденной линии, использующий параметры доаварийного и аварийного режимов и позволяющий повысить точность вычисления расстояния до места однофазного замыкания на землю.

Практическая значимость работы. Разработанные методы двухстороннего определения расстояния до места однофазного замыкания в сетях с изолированной нейтралью и алгоритм определения поврежденной фазы могут быть использованы при создании устройств определения места повреждения или для совершенствования существующих микропроцессорных устройств релейной защиты и автоматики линий 6-35кВ, реализующих двухсторонние алгоритмы. Кроме того, вычисление расстояния до места однофазного замыкания на землю может быть выполнено посредством программ, реализующих разработанные методы определения расстояния до места замыкания.

Создано программное обеспечение для вычисления расстояния до однофазного замыкания на землю по параметрам аварийного режима (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №

2024611645), вычисления расстояния до однофазного замыкания на землю по параметрам доаварийного и аварийного режимов (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2024614977) и вычисления емкостных токов поврежденной линии (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2024615700).

Результаты диссертационной работы используются при проведении работ поиску однофазных замыканий в сетях 6-35кВ предприятиями «Аскинские электрические сети», НЦ «Энергодиагностика» и «Просистел».

Материалы исследований используются в учебном процессе кафедры электротехники и электрооборудования предприятий Уфимского государственного нефтяного технического университета при обучении бакалавров и магистров электротехнических направлений подготовки.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

1. Алгоритм определения поврежденной фазы, обеспечивающий селективное определение поврежденной фазы вне зависимости от величины переходного сопротивления и расстояния до места однофазного замыкания.

2. Метод двухстороннего определения расстояния до места однофазного замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью по параметрам аварийного режима, позволяющий исключить влияние емкостных токов контролируемой линии на точность вычислений.

3. Алгоритм вычисления емкостных токов поврежденной линии, позволяющий вычислять емкостные токи поврежденной линии, протекающие в емкостях неповрежденных фаз относительно земли и в междуфазных емкостях.

4. Метод двухстороннего определения расстояния до места однофазного замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью, использующий параметры аварийного и доаварийного режимов, обеспечивающий увеличение точности вычислений до места повреждения за счет учета междуфазных емкостных токов поврежденной линии.

Степень достоверности результатов. Достоверность полученных результатов обеспечена корректным применением законов и методов теоретических основ электротехники, метода симметричных составляющих, общепринятых математических методов, методами имитационного моделирования, а также лабораторными исследованиями.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на V международной научно-технической конференции (Уфа, 2020 год); VI Международной научно-технической конференции (Уфа, 2021 год); «Россия молодая»: XIII Всероссийской научно-практической конференции с международным участием (Кемерово, 2021 год); XVI Международная конференция по электромеханике и робототехнике (Санкт-Петербург, 2021 год); VII Международной научно-технической конференции (Уфа, 2022 год); «Энергостарт»: V Международной молодежной научно-практической конференции в рамках Десятилетия науки и технологий в Российской Федерации (Кемерово, 2022 год); VI Международной молодежной научно-практической конференции «Энергостарт» (Кемерово, 2023 год); Russian Workshop on Power Engineering and Automation of Metallurgy Industry: Research & Practice (PEAMI 2024).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 23 работы, из них 9 работ - в изданиях, рекомендованных ВАК, 6 статей опубликованы автором единолично без соавторов. Одна статья в издании, входящего в международные базы цитирования Web of science и Scopus. Получены 3 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Личный вклад соискателя. В работах, выполненных в соавторстве, соискателем лично получены следующие результаты: в работе [108] представлен и исследован разработанный алгоритм определения поврежденной фазы при однофазных замыканиях на землю в сетях с изолированной нейтралью; в работах [106; 107] исследованы признаки поврежденной фазы при однофазных замыканиях на землю в сетях с

изолированной нейтралью; в работах [117; 118; 119] представлен и исследован разработанный двухсторонний метод определения места однофазного замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью по параметрам аварийного режима; в работах [124; 125] представлен разработанный алгоритм вычисления емкостных токов при однофазном замыкании на землю; в работах [126; 127; 128] представлен и исследован разработанный двухсторонний метод определения места однофазного замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью по параметрам аварийного и доаварийного режимов.

Структура и объем диссертационной работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, приложений, изложенных на 179 страницах машинописного текста, содержит 57 рисунков, 19 таблиц, список используемой литературы из 140 наименований.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ОДНОФАЗНОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ В СЕТЯХ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ

Современное развитие предприятий агропромышленного комплекса предполагает активное внедрение автоматизации производственных процессов, позволяющее выпускать большие объемы продукции при сравнительно малом количестве сотрудников [1]. Нарушения электроснабжения подобных предприятий может привести к нарушению технологических процессов производства продукции, выходу из строя дорогостоящего оборудования, порче сырья и недоотпуску продукции.

Последствия нарушения электроснабжения зависят от вида предприятия и длительности нарушения электроснабжения. Современные фермы КРС и птицефермы включают в себя множество различных систем. Остановка системы вентиляции и микроклимата приведет к скоплению вредных газов за 1,5 часа [2, 3]. Прекращение первичного охлаждения молока приводит к его скисанию [2]. Нарушение электроснабжения особенно опасно для работы инкубаторов птицефабрик [3]. В [4] отмечается, что перерыв электроснабжения в рыбном хозяйстве, использующем современные технологии, не должен превышать 0,5 часа.

Электроснабжение предприятий АПК в подавляющем большинстве случаев осуществляется по линиям электропередачи 6-35кВ. Электрические сети этих напряжений работают с изолированной нейтралью [5]. Однофазные замыкания на землю являются преобладающем видом повреждения в сетях с изолированной нейтралью и могут стать причиной нарушения электроснабжения. По оценкам различных исследователей на долю этого вида повреждений приходиться до 70%. Важно отметить, что возникновение однофазных замыканий возможно как на недавно сооруженных линиях электропередачи, так и линиях, находящихся в эксплуатации длительное время.

В [6] представлено исследование причин нарушения электроснабжения, обусловленное повреждением воздушных линий. Основными причинами являются недостаточное качество эксплуатации, вина потребителей и погодные условия. При этом интенсивность отключений зависит от времени года - наибольшее количество отключений приходиться на весенние и летние месяцы. В [7] приводится исследование причин повреждаемости кабельных линий: основная доля повреждений (около 75%) обусловлена воздействием посторонних лиц и дефектами монтажа.

В работе [8] представлена статистика по отключениям воздушных линий 6-10кВ в Ливенском районе Орловской области, общей протяженностью около 1060 км. Согласно представленным данным в 2019 году произошло 183 отключения.

В работе [9] представлен анализ количества повреждений воздушных линий 6-10кВ части электрических сетей Орловской области. Согласно представленным данным, в 2015 году произошло 315 отключений воздушных линий.

В [10] представлено исследование электроснабжения «Армавирской биофабрики». Согласно представленным данным, перерывы электроснабжения в 2017 году привели к браку производимых препаратов ветеринарного и медицинского назначения. Ущерб составил около 3 млн. рублей.

Согласно данным предприятия «Аскинские электрические сети», эксплуатирующего сельские электрические сети с изолированной нейтралью, в 2024 году произошло 12 однофазных замыканий на землю, из них 7 замыканий были устойчивыми. В сетях данного предприятия релейная защита от однофазных замыканий действует на отключение и возникновение устойчивых однофазных замыканий приводило к перерывам электроснабжения сельских потребителей.

Согласно данным ООО Башкирэнерго, в электрических распределительных сетях, расположенных в Иглинском районе Республики

Башкортостан, в 2022 году произошло 15 однофазных замыканий из них 12 устойчивых замыканий, в 2023 году произошло 18 однофазных замыканий на землю из них 10 устойчивых, в 2024 году произошло 22 замыкания из них 15 устойчивых. Поиск однофазных замыканий на землю в этих сетях производится посредством обхода с визуальным контролем воздушных линий.

Поиск места повреждения в сельских сетях осложняется условиями пресеченной местности, сложностью конфигурации сельских электрических сетей, наличием устаревшего оборудования, большой протяженностью линий электропередачи и небольшой численностью персонала электротехнических служб. Особенно проблематичен поиск повреждений на кабельных линиях.

Время от момента возникновения повреждения до момента ввода линии в работу после ремонта включает время поиска места повреждения. Внедрение дистанционных методов определения расстояния до места однофазных замыканий на землю позволяет уменьшить время его поиска и соответственно, время нарушения электроснабжения предприятий АПК.

Проблема определения места однофазного замыкания в сетях с изолированной нейтралью известна давно. Попытки решения этой проблемы длятся уже ни одно десятилетие [11, 12, 13]. Каждый широко известный метод определения места повреждения (ОМП) опирается на технические возможности своего времени разработки и обладает своими особенностями и ограничениями [14].

К настоящему времени разработано множество различных методов определения места повреждения, на базе которых были сконструированы и эксплуатируются устройства ОМП. Учитывая высокое разнообразие методов определения места однофазных замыканий на землю, существуют различные варианты их классификации.

Методы определения места замыкания разделяют на дистанционные и топографические [15, 16]. Также эти методы известны как относительные и абсолютные, соответственно. Дистанционные методы ОМП производят вычисление расстояния до замыкания по параметрам, замеренным удаленно

от места повреждения. Топографические методы ОМП предполагают определение места повреждения посредством движения персонала вдоль поврежденной линии и параллельной регистрации параметров поврежденной линии, по которым определяется приближение к месту замыкания.

Дистанционные методы ОМП классифицируются по типу регистрируемых параметров [15]. Согласно этой классификации, выделяют следующие группы методов:

- методы ОМП по параметрам аварийного режима (ПАР);

- импульсные методы ОМП;

- петлевые методы ОМП.

Топографические методы поиска однофазных замыканий, с точки зрения регистрируемых параметров, подразделяются на:

- индукционные методы;

- акустические методы.

Кроме того, дистанционные методы определения места повреждения подразделяются на методы, требующие отключения поврежденной линии и не требующие снятия рабочего напряжения. По месту регистрации электрических параметров дистанционные методы поиска однофазных замыканий подразделяются на односторонние и двухсторонние.

1.1 Анализ практической реализации поиска однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью

В настоящее время, для определения места повреждения на предприятиях используются устройства ОМП дистанционного и топографического типов совместно. Смысл подобного подхода заключается в следующем: после возникновения повреждения, определяется приблизительное расстояние до повреждения - устройством дистанционного ОМП, а затем, используя полученное значение, специалисты отправляются к

предполагаемому месту повреждения и определяют точное место повреждения на местности, переносным устройством, реализующим топографический метод. Проблемой такого подхода является дороговизна его реализации. Связано это с тем, что для его реализации требуется закупка и обслуживание устройств ОМП двух типов одновременно. Кроме того, для эксплуатации некоторых устройств ОМП требуется персонал с соответствующим уровнем квалификации.

Другим подходом по определению мест повреждения является применение устройств ОМП только одного типа. Повреждения на воздушных линиях электропередачи возможно выявить с помощью визуального осмотра, без применения устройств ОМП топографического типа [17]. В таком случае, возможно только дистанционное определение места замыкания с последующим визуальным осмотром на местности с применением простейших оптических приборов. Однако, такой подход осложняется тем, что далеко не все повреждения могут быть определены визуально. В ряде случаев, визуальный осмотр может быть совмещен с тепловизионным обследованием, что позволяет выявить повреждения, которые невозможно выявить визуально.

Возможно применение подхода, при котором не используются устройства ОМП дистанционного типа [17, 18]. Однако, все это приводит к значительному увеличению времени, затраченного на поиск места однофазного замыкания. В [18] описана реализация подобного подхода с помощью нескольких бригад. Линию делят на несколько участков и бригады начинают обход с границ участков, двигаясь на встречу друг другу. Подобный подход определения места повреждения требует необходимости задействовать большое число квалифицированных сотрудников и наличия нескольких комплектов переносных устройств ОМП.

Кроме того, использование только топографических методов ОМП осложняет опасность поражения электрическим током [18, 19]. Незнание

приблизительного места замыкания может привести к потери бдительности и увеличению вероятности поражения специалистов электрическим током.

1.2 Анализ топографических методов

1.2.1 Индукционные методы Переносные приборы индукционного принципа действия основаны на фиксации уровня магнитного поля при движении вдоль поврежденной линии электропередачи, в непосредственной близости от нее. На сегодняшний день разработано множество переносных приборов определения места однофазного замыкания, основанных на индукционном принципе. Существенной проблемой приборов, использующих подобный принцип является отсутствие универсального прибора, позволяющего определять однофазные замыкания как на воздушных, так и на кабельных линиях.

В зависимости от фиксируемой величины, переносные приборы, предназначенные для поиска однофазных замыканий на воздушных линиях, подразделяются на приборы, регистрирующие высшие гармонические составляющие и приборы, регистрирующие параметры основной частоты. Каждый из представленных типов приборов подразделяется еще на направленные и токовые.

Направленные приборы позволяют определить направление протекания токов нулевой последовательности, ориентируясь на которое можно выявить место замыкания. Индукционные приборы токового типа позволяют найти место однофазного замыкания на землю посредством анализа зафиксированных прибором токов нулевой последовательности. При достижении места замыкания, переносные приборы индукционного принципа действия фиксируют резкое снижение регистрируемых параметров. Описанные в [20] современные, переносные приборы: «Квант», «Квант-К» и «Вектор» основаны на контроле высших гармоник.

Достоинством приборов, регистрирующих высшие гармоники, является меньшее влияние токов нагрузки на показания. Однако, известно влияние величины переходного сопротивления на уровень гармонических составляющих: чем выше номер гармоники, тем сильнее влияние переходного сопротивления [19]. В свою очередь, переносные приборы, регистрирующие параметры основной частоты, имеют ограничение использования по величине тока замыкания. В [19] указывается, что применение подобных приборов невозможно, если ток однофазного замыкания меньше 20% от тока нагрузки.

Вышеуказанные приборы имеют ограничение использования, присущее токовым защитам нулевой последовательности, а именно невозможность применения в тех сетях, у которых емкость поврежденной линии сопоставима или больше емкости неповрежденных присоединений сети. В этих случаях необходимо применение генераторов высокой частоты.

Переносные приборы, реализующие индукционный метод поиска однофазных замыканий на землю на воздушных линиях, не требуют отключения поврежденной линии. В отличие от них, приборы, реализующие индукционный принцип поиска однофазных замыканий на кабельных линиях, предполагают отключение поврежденной линии и подключение к поврежденной жиле генератора звуковой частоты, с последующим улавливанием электромагнитных колебаний. От генератора звуковой частоты подается сигнал с частотой 800-1200 Гц [21]. Сигнал регистрируется с помощью специальных кабелеискателей [21, 22]. При достижении места замыкания звук в наушниках кабелеискатля будет возрастать и исчезнет при удалении от места замыкания в сторону противоположную стороне с подключенным генератором звуковой частоты. Известна проблема неоднородности уровня сигнала, связанная с особенностями условий прокладки кабеля и наличием соединительных муфт. Кроме того, использование приборов данного метода невозможно, если переходное сопротивление более 10 Ом [23]. Если переходное сопротивление больше указанного значения, то дополнительно требуется проведение прожига, с

применением специальных прожигающих установок, что дополнительно увеличивает общее время аварийно-восстановительных работ. Кроме того, приборы индукционного метода не применяются для поиска однофазных замыканий на оболочку кабеля [21, 22].

Для поиска замыканий на оболочку применяются другие, более трудоемкие методы, например, метод накладной рамки [24]. Суть метода заключается в подключении генератора звуковой частоты и дальнейшем анализе изменения магнитного поля при вращении накладной рамки вокруг оси кабеля. Для реализации этого метода поиска замыканий на кабелях, проложенных в земле, необходимо вырыть несколько шурфов, позволяющих получить доступ к поврежденному кабелю. При вращении накладной рамки в шурфе между местом замыкания и концом линии с присоединённым генератором регистрируется два максимума и два минимума сигналов. При вращении рамки в шурфе, находящегося между местом повреждения и концом кабеля без генератора регистрируется монотонный сигнал. Очевидно, что с помощью данного способа возможно определить только повреждённый участок кабельной линии, а для уменьшения зоны поиска необходимо раскопать еще несколько дополнительных шурфов. Соответственно, увеличивается время, затраченное на поиск однофазного замыкания.

1.2.2 Акустические методы

Другим распространенным топографическим методом поиска места однофазного замыкания является акустический метод. Смысл метода заключается в создании разрядов определенной интенсивности в месте однофазного замыкания и в последующем поиске замыкания посредством регистрации звуковых колебаний. Регистрация осуществляется с применением кабелеискателей или в более ранней практике поисков однофазных замыканий - стетоскопов. Преимущественно акустический метод применяется для поиска замыканий на кабельных линиях. Для реализации

метода требуется применение схемы, состоящей из испытательной установки, конденсатора и разрядника, описанной в [22]. Также в [23] упоминается возможность использование вместо конденсатора емкости поврежденного кабеля. Разрядник применяется для настройки интенсивности разрядов. В [24] указано, что применяется интервал между разрядами в пределах от 2 до 6 секунд. Данный метод имеет ограничение в применении - его невозможно использовать при металлических замыканиях. В [22, 23, 25] указано, что применение данного метода возможно, если переходное сопротивление в месте замыкания менее 50 Ом. На поиск однофазных замыканий с помощью акустического метода оказывает существенное влияние плотность и однородность грунта над кабелем.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Сорокин Александр Владимирович, 2025 год

источника

1.3 Акустический + КЛ + + место замыкания - + +

метод

2. Д ,истанционные методы

2.1 Мостовой + КЛ + + расстояние до - + +

метод замыкания

2.2 Локационный + КЛ + + расстояние до - + +

метод замыкания

2.3 Двухсторонний - ВЛ/КЛ - - расстояние до + - -

волновой метод замыкания

2.4 Метод + ВЛ/КЛ - + расстояние до - - -

кратковременного замыкания

перевода в двойное

замыкание

2.5 Метод - ВЛ - - опора с - - -

применения замыканием

поопорных

датчиков

2.6 Метод сбора информации от индикаторов короткого замыкания ВЛ участок линии с замыканием

2.7 Метод с использованием параметров переходного процесса ВЛ/КЛ расстояние до замыкания +

2.8 Метод с использованием параметров переходного процесса и предварительного моделирования ВЛ/КЛ + расстояние до замыкания +

2.9 Дифференциальный метод ВЛ/КЛ + расстояние до замыкания +

Локационный метод имеет ограничение по величине переходного сопротивления и если переходное сопротивление будет значительным, то необходим прожиг, что требует дополнительных затрат по времени.

Двухсторонний волновой метод позволяет определять однофазные замыкания с наилучшими характеристиками. Однако, имеется необходимость развития методов регистрации фронта волны, вызванного однофазным замыканием на землю. Непреодолимой проблемой метода является отсутствие повтора процесса. Многократно отраженная электромагнитная волна имеет значительные искажения. Если в случае активного зондирования зондирующий импульс можно посылать необходимое количество раз от испытательной установки, то в случае пассивного зондирования сделать это невозможно. Кроме того, предъявляются высокие требования к аппаратной части, устройств и системам связи, обеспечивающим обмен данными.

Метод кратковременного перевода однофазного замыкания в двойное замыкание позволяет определять расстояние до места повреждения как на воздушных, так и на кабельных линиях, но требует дополнительных затрат на сооружение специальной ячейки и приводит к нарушениям электроснабжения потребителей.

Метод применения поопорных датчиков требует больших затрат, так как требуется установка на каждую опору датчика и организация обмена информацией между каждым датчиком и диспетчерским пунктом. Трудоемким выглядит этот метод с точки зрения эксплуатации и обслуживания. При этом обнаружить все возможные однофазные замыкания метод не позволяет. Так, например, однофазное замыкание, вызванное касанием ветки дерева провода одной из фаз не будет обнаружено. Кроме того, будут возникать отказы при повреждениях заземления опоры.

Метод сбора информации от индикаторов короткого замыкания позволяет определять участок линии с однофазным замыканием. Длина участка зависит от количества, установленных индикаторов. Так, например, при установке на одиночную линию без ответвлений, длиной 10 км 4

комплектов датчиков в равном удалении друг от друга, определяемый участок - 2 км и требуется дальнейший поиск в пределах этого участка. Увеличение количества комплектов в 2,5 раза приводит к сокращению участка до 1км, что требует дополнительных затрат и не приводит к значительному сокращению зоны поиска. Поиск однофазного замыкания на участке длиной 1 км с помощью переносного прибора требует значительных затрат времени.

Метод с использованием параметров переходного процесса позволяет определять замыкания на воздушных и кабельных линиях. Однако, существенной проблемой является отсутствие повтора процесса. Как известно, длительность переходного процесса в зависимости от соотношений активных и реактивных сопротивлений и длится от нескольких микросекунд до десятых долей миллисекунды, соответственно этим временем определяется окно измерения. Если устройству не удалось корректно зафиксировать параметры переходного процесса до перехода в режим устойчивого замыкания, то вычисление расстояния невозможно.

Метод с использованием параметров переходного процесса и предварительного моделирования требует выполнения подготовительных работ в виде моделирования и анализе параметров. При этом требуется скрупулёзный учет всех факторов, а также возможных изменений конфигурации сети.

Методы определения места однофазного замыкания, основанные на анализе установившихся параметров аварийного режима, не имеют ограничения окна измерения, а поскольку не требуется анализ электрических величин в переходном режиме, то не требуется применения сложного оборудования и соответственно повышается надежность определения места замыкания [46]. В сетях с глухим заземлением нейтрали широко распространены двухсторонние методы по установившимся параметрам аварийного режима. В сетях с изолированной нейтралью эти методы определения однофазного замыкания не применяются. Связано это с тем, что ток однофазного замыкания на землю в этих сетях значительно меньше по

сравнению током однофазного короткого замыкания в сетях с глухим заземлением нейтрали. Кроме тока однофазного замыкания по неповрежденным фазам поврежденной линии протекают емкостные токи, обусловленные емкостной проводимостью фаз относительно земли. Величина этих токов зависит от типа поврежденной линии и ее длины. Для многих линий ток однофазного замыкания на землю сопоставим по величине с емкостными токами в неповрежденных фазах. Кроме того, имеются технические ограничения на существующих линиях в сетях с изолированной нейтралью -применение двухтрансформаторных схем соединения трансформаторов тока, отсутствие каналов связи, отсутствие измерительных трансформаторов в конце линии и т.д. Все это ограничивает применение двухсторонних методов определения места повреждения, которые широко применяются в сетях с глухим заземлением нейтрали для поиска однофазных коротких замыканий.

1.5 Общий анализ современных тенденций в сельских электрических

сетях с изолированной нейтралью

В настоящее время имеется значительный моральный и физический износ электрооборудования распределительных сетей, включая кабельные и воздушные линии, измерительные трансформаторы, устройства релейной защиты, автоматики и вторичные цепи. Несмотря на ввод новых подстанций и модернизацию существующих, процент оборудования, имеющий физический износ, остается на высоком уровне [62]. Согласно [63], физический износ электрического оборудования распределительных сетей достиг 80%, а 60% электрических сетей нуждаются в перекладке.

Особенностью современных систем электроснабжения предприятий АПК является тенденции внедрения источников распределенной генерации [1, 10, 64, 65, 66, 67]. В [68] утверждается, что в большинстве случаев параллельная работа собственных генераторов предприятий с внешней сетью

невозможна без реконструкции систем электроснабжения. Для защиты линий, по которым осуществляется электроснабжение предприятий, не имеющих источников распределенной генерации, применяются простые токовые алгоритмы релейной защиты. Наличие источников распределённой генерации у предприятий АПК, требует применения сложных алгоритмов релейной защиты и автоматики, а также установки измерительных трансформаторов на линиях со стороны предприятия.

В настоящее время активно разрабатываются и совершенствуются измерительные трансформаторы. Особый интерес представляют оптоэлектронные трансформаторы тока и напряжения, позволяющие производить высокоточные измерения [63, 69, 70]. Согласно описанию оптических датчиков тока и напряжения [70], представленных компанией-производителем «Марсэнерго»: «...модульная погрешность в пределах 0,20,5%, а угловая - не превышает 2 минут». Кроме того, существенным достоинством является отсутствие влияния электромагнитных помех на точность вычисления.

Компания ПАО Россети приняла концепцию развития электрических сетей «цифровая трансформация—2030». Составляющими этой концепции являются стандарты организации: «Цифровой питающий центр. Требования к технологическому проектированию цифровых подстанций напряжением 110220кВ и узловых цифровых подстанций напряжением 35кВ» и «Цифровая электрическая сеть. Требования к проектированию цифровых распределительных электрических сетей 0,4-220кВ» [63]. Согласно этим документам, предполагается внедрение каналов связи, обеспечивающих передачу данных между объектами. Предполагается внедрение каналов связи, использующих различные технологии. При этом вид применяемого канала связи должен определяться экономической целесообразностью [63].

Совершенствуются технологии синхронных векторных измерений СВИ (PMU — Phasor Measurement Unit) [71, 72, 73, 74, 76], которые благодаря высокой точности синхронизированных измерений обеспечивают вычисление

различных параметров присоединения и параметров энергосистемы. При использовании технологий СВИ появляется возможность измерять и передавать на расстояние, как модули, так и векторы ПАР в режиме реального времени [77]. В последние годы активно обсуждается применение технологии СВИ в распределительных сетях не только высокого, но и среднего напряжения [78, 79].

Учитывая развитие аппаратной части микропроцессорных устройств, меняются и подходы в реализации методов ОМП. Известны проблемы методов ОМП, использующих токи нулевой последовательностей для вычисления расстояния, заключающиеся в том, что токи нулевой последовательности, выделенные с любой из сторон контролируемой линии не равны токам нулевой последовательности в месте замыкания. В [80, 81, 82, 83] предлагается использование вместо тока нулевой последовательности в формулах ОМП разностей фазного тока поврежденной фазы в аварийном и доаварийном режиме. Известны идеи применения подобного подхода в формулах ОМП, использующих ток обратной последовательности [80, 84], а также в формулах определения места однофазного замыкания в сетях с изолированной нейтралью [85, 86].

Подводя итог произведенного анализа, можно сделать следующие выводы:

1. Для защиты линий электропередач, питающих современные предприятия АПК, требуется применение сложных алгоритмов релейной защиты и автоматики, в том числе двухсторонних алгоритмов.

2. Нехватка персонала в электротехнических службах сельских электрических сетей [10, 17, 63] и ввод новых предприятий диктуют необходимость дистанционного контроля электрических параметров в сельских электрических сетях, посредством внедрения программного обеспечения, обеспечивающего сбор данных от различных устройств (в том числе, устройств РЗиА), обработку, хранение и отображение информации на мнемосхеме сети.

3. Для реализации сложных алгоритмов релейной защиты, автоматики и систем дистанционного измерения электрических параметров требуется применение современных измерительных трансформаторов и внедрение каналов связи.

4. Двухсторонние устройства релейной защиты и автоматики или системы дистанционного измерения электрических параметров сети позволяют фиксировать фазные токи и напряжения в векторной форме по концам линии как в режиме однофазного замыкания на землю, так и в доаварийном режиме, что в свою очередь, позволяет разрабатывать методы дистанционного определения расстояния до места однофазного замыкания на землю на основе двухсторонних измерений.

1.6 Выводы по первой главе

1. Произведен анализ существующих методов определения места однофазного замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью. По проведенному анализу были выявлены основные недостатки и ограничения существующих методов определения места однофазного замыкания. Описаны основные проблемы реализации существующих методов.

2. Вопросам, касающихся разработки и совершенствования дистанционных методов определения расстояния до однофазного замыкания на землю, посвящено множество научных работ. Это косвенно подтверждает актуальность данного вопроса.

3. В настоящее время изменяются принципы построения сельских электрических сетей. Разрабатываются и совершенствуются измерительные устройства и технологии передачи данных. Совершенствуется аппаратная часть микропроцессорных устройств релейной защиты и автоматики.

4. Несмотря на внедрение оборудования, использующего современные технологии, вопрос поиска места однофазного замыкания в сетях с изолированной нейтралью не теряет своей актуальности. Работа каждого из представленных методов сопровождается собственными недостатками. Кроме того, ряд методов имеет ограничения, не позволяющие выполнять поиск однофазных замыканий при наличии соответствующего ограничивающего фактора.

5. Учитывая актуальность вопроса и внедрение передовых технологий измерения и передачи данных, было принято решение посвятить данную работу - разработке двухсторонних методов определения места однофазного замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью.

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ПРИ ОДНОФАЗНОМ ЗАМЫКАНИИ НА ЗЕМЛЮ

2.1 Симметричные составляющие разностей фазных напряжений, зафиксированных с двух сторон поврежденной линии в аварийном и

доаварийном режимах

2.1.1 Схемы замещения электрической сети и их анализ

Для разработки методов определения места однофазного замыкания на землю требуется исследование электрических величин в доаварийном и аварийном режимах. Для этого, была разработана схема замещения сети с изолированной нейтралью, представленная на рис. 2.1. За основу была взята схема сети радиального типа с тремя отходящими линиями.

Схемы замещения линий содержат продольные активно-индуктивные сопротивления, междуфазные емкости и емкости фаз относительно земли. Рассматривается однофазное замыкание на землю на линии №1 в точке «К». Эта точка делит линию на два участка - участок между шинами питающей подстанции и местом однофазного замыкания и участок между местом однофазного замыкания и концом линии. Каждый участок обладает продольным активно-индуктивным сопротивлением, междуфазными емкостями и емкостями фаз относительно земли — и

К/у1;Х/у1;С/^;С/МФ1, соответственно. При нахождении точки «К» в самом конце

защищаемой линии, значения ; Х№1; С/ц; СМФ1 будут равны нулю, а значения

К№1;Х№1;СШ;СМФ1 будут равны соответствующим параметрам всей линии -

К-Ш; Х-1; С01; СМФ1.

Ключ <^-1» предназначен для реализации металлического однофазного замыкания, ключ <^-2» - замыкания с переходным сопротивлением, ключи

3», «8-4» и «8-5» для включения и отключения нагрузки поврежденной и неповрежденных линий.

С

мф3

\з х\з

Э\зз х\з

Э\зз х\з

С

мфз

С

оз

С

оз

С

мфз

Линия з

С

оз

С

мф2

Э\л/2 ХМ2

Я\22 Х\2

Я\22 Х\2

С

мф2

С

о2

С

02

С

мф2

Линия 2

С

02

^ Х/

// V/

Э\11 х\11

С

01

Г/ Г/

ЧМФ1 СМФ1

С

01

С

01

// // СМФ1 СМФ1

К Э\/1 х\11

х\11

Э\11 х\11

Л?

Эп

Линия 1

Рисунок 2.1. - Схема замещения сети с изолированной нейтралью.

Для анализа принимаются следующие допущения:

1. не учитываются емкостные проводимости источника и нагрузки;

2. нагрузка представлена обобщенной активно-индуктивной симметричной нагрузкой, неизменной во времени;

Е

А

Е

в

Е

/

3. система ЭДС источника симметрична и неизменна с течением времени;

4. не учитывается активная проводимость изоляции линии;

5. сопротивление нагрузки прямой последовательности равно сопротивлению обратной последовательности;

6. не учитываются емкостные токи, протекающие в между фазных емкостях линии;

7. емкостные проводимости фаз относительно земли равны.

Все принятые допущения упрощают анализ рассматриваемых процессов.

Для анализа протекания однофазного замыкания на землю необходимо составить три схемы замещения: прямой, обратной и нулевой последовательностей [87, 88]. В [89, 90, 91], вводится понятие «зарядный ток» и представлено преобразование междуфазных емкостей и емкостей фаз относительно земли в рабочую емкость. Опираясь на указанную литературу, были составлены схемы замещения.

Схема замещения прямой последовательности представлена на рис. 2.2.

Рисунок 2.2 - Схема замещения прямой последовательности.

В схеме замещения прямой последовательности в место замыкания включается источник напряжения прямой последовательности - и1К. Распределенные емкости участков поврежденной линии между шинами питающей подстанции и местом замыкания, а также между местом замыкания и шинами потребителя, представлены емкостями этих участков С'п и С//,

соответственно. Из-за наличия распределенной емкости поврежденной линии, токи прямой последовательности в различных точках каждого участка не будут равны.

На рис. 2.3 представлена схема замещения обратной последовательности. Схема замещения обратной последовательности сети отличается отсутствием ЭДС источника питания, но при этом сохраняются сопротивления источника питания [77].

Рисунок 2.3 - Схема замещения сети обратной последовательности.

Сопротивления линий обратной последовательности равны сопротивлениям линий прямой последовательности. Спецификой металлического однофазного замыкания является небольшая величина напряжения и2К, увеличивающаяся от нуля, по мере перемещения точки однофазного замыкания на землю к шинам потребителя. Величина этого напряжения зависит от расстояния до места однофазного замыкания на землю, сопротивления линии и величины тока замыкания. Емкостное сопротивление

поврежденной линии существенно больше внутреннего сопротивления источника и сопротивления нагрузки. Поэтому, можно принять, что при металлическом замыкании ток обратной последовательности через емкость линии не протекает, а замыкается через сопротивления источника и нагрузки [87]. Соответственно, токи обратной последовательности, возникшие в результате появления металлического, однофазного замыкания на землю, не имеют распределенной природы. В режиме холостого хода (ключ «БЪ» -отключен), ток обратной последовательности будет протекать только на участке линии между питающей подстанцией и местом замыкания. Схема замещения нулевой последовательности представлена на рис. 2.4.

Яоз х

Соз 2

С02 2

03

Соз 2

$02 Х

02

С02 2

С01 2

Рисунок 2.4 - Схема замещения нулевой последовательности.

Схема замещения нулевой последовательности сети, с учетом принятого допущения 1, не имеет сопротивлений источника питания и нагрузки. Объясняется это тем, что емкость обмоток трансформаторов по отношению к заземленным магнитопроводу и баку очень мала [92] и ей можно пренебречь. Распределенная емкость линии оказывает влияние на распределение токов нулевой последовательности. Поэтому токи нулевой последовательности не равны в разных точках участка линии.

В [92, 93, 94, 95] подробно описаны процессы протекания однофазных замыканий на землю. Симметричные составляющие электрических величин в трехфазной системе определяются по выражениям [96, 97]:

- составляющая прямой последовательности:

рг _ (^а + а • Ёв + а2 • Ёс) _ (2.1)

где: Ё; - электрическая величина;

а = -1 + - оператор (фазный множитель).

- составляющая обратной последовательности:

= + + (2.2)

- составляющая нулевой последовательности:

При возникновении однофазного замыкания на землю, ток, протекающий в месте замыкания, протекает только в одной фазе. Например, при замыкании фазы «А» на землю, ток в месте замыкания будет протекать только в фазе «А». Если исходить из предположения, что токи в неповрежденных фазах равны нулю, то симметричные составляющие могут быть определены:

= = ^ОА = ^ ^А- (2-4)

В уравнении (2.4) - чисто аварийные симметричные составляющие.

Ток, протекающий в месте замыкания и его симметричные составляющие невозможно измерить. При одностороннем замере фиксируются только фазные токи и ток нулевой последовательности в начале линии. Кроме тока, протекающего в месте замыкания, по поврежденной линии протекают токи нагрузки и токи, обусловленные емкостной проводимостью. Поэтому симметричные составляющие, определенные по фазным токам,

замеренным в начале линии, будут отличаться от значений, полученных по выражению (2.4).

При двухстороннем замере определяется разность фазных токов по концам контролируемой линии и можно исключить токи нагрузки из анализа. Это позволяет произвести анализ только для тока, протекающего в месте замыкания и емкостных токов, протекающих в емкостях неповрежденных фаз относительно земли.

Емкостные токи, протекающие по линии при однофазном замыкании на землю, имеют следующие различия:

Ъ. ток, протекающий в месте замыкания по поврежденной фазе, протекает от начала линии к месту повреждения, а токи, обусловленные емкостью неповрежденных фаз относительно земли - от конца поврежденной линии к ее началу;

2. ток, протекающий в месте замыкания, протекает на участке от начала линии до места замыкания, а токи, обусловленные емкостью неповрежденных фаз относительно земли - по всей длине линии.

3. ток, протекающий в месте замыкания, неизменен на всем участке линии, где он протекает, а токи, обусловленные емкостью неповрежденных фаз относительно земли, имеют максимальные значения в начале линии, т.к. они протекают в емкостях, распределенных вдоль линии.

Пренебрежение любым из этих свойств или неучет их влияния, будет приводить к возникновению методических погрешностей разрабатываемого метода определения расстояния до места однофазного замыкания.

Поскольку в дальнейшем предполагается использование электрических величин, замеренных в начале и в конце контролируемой линии, то вводятся следующие обозначения: верхний индекс «/» (штрих) - для электрических величин, замеренных в начале линии и верхний индекс «//» (два штриха) - для электрических величин, замеренных в конце линии.

В соответствии с описанным принципом, симметричные составляющие, обусловленные током, протекающим в месте повреждения, в предположении, что аварийные токи в неповрежденных фазах равны нулю:

I = т = т =-(\' -Г'^

а1А а2А а0А 2 ^ А

(2.5)

В соответствии с формулами (2.1 - 2.3), симметричные составляющие, обусловленные протеканием емкостного тока в емкостях каждой из неповрежденных фаз относительно земли, в предположении, что ток в поврежденной фазе и в другой неповрежденной равны нулю:

11В =

^ОВ

3 ' 3 ' 3 '

(2.6)

11С =

а2-(1с-1с).

3 ' а-(1с~1с).

3 '

л г- «

(2.7)

С учетом выражений (2.6, 2.7) симметричные составляющие, обусловленные протеканием токов в неповрежденных фазах, в предположении, что ток в поврежденной фазе равен нулю:

^ШФ 1ШФ1 "^ШФг + 11с>

(2.8)

^2НФ ^2НФ1 ^2НФ2 ^гв+^гс?

^онф ^онф! "^онФг 1()в +1ос-

(2.9) (2.10)

з

Суммируя симметричные составляющие токов, определенные по выражениям (2.5), (2.8), (2.9) и (2.10), в соответствии с методом наложения,

вычисляются симметричные составляющие системы фазных токов, найденные по трем разностям фазных токов:

- ^1ПФ ^1НФ1 1НФ2 - ^1ПФ ^1НФ _ 1А 1В 1С' (2-11)

2 = 2ПФ + 2НФ1 + 2НФ2 = 2ПФ + ^2НФ = ^2А + ^2В + ^2С' 12)

10 — ^ОПФ + -^0НФ1 + 0НФ2 — ^ОПФ + ^ОНФ — ОА + ^ОВ + ^ОС' (2-13)

Симметричные составляющие системы разностей фазных токов можно разложить на симметричные составляющие, обусловленные током, протекающим в месте замыкания и симметричными составляющими емкостных токов, протекающих в емкостях неповрежденных фаз.

В дальнейшем предполагается анализ электрических величин в разных режимах, поэтому вводятся обозначения, позволяющие различать эти электрические величины. Электрические величины, зафиксированные в доаварийном режиме, будут обозначены нижним индексом «Ь», величины, зафиксированные в аварийном режиме - нижним индексом «Б».

2.1.2 Анализ электрических величин в режиме металлического однофазного

замыкания на землю

Как отмечалось ранее, достоинством двухстороннего метода определения однофазного замыкания является исключение влияния токов нагрузки. Поэтому достаточно рассмотреть распределение симметричных составляющих емкостных токов поврежденной линии при однофазном замыкании на землю в режиме холостого хода.

В соответствии выражением (2.5), описывающим определение симметричных составляющих, обусловленным током, протекающим в месте замыкания 1(3)8, можно записать:

1-1(3)8 — 1-2(3)8 — 1-0(3)8 — 1(3)8 1^)

Нижний индекс «З» обозначает ток, протекающий в месте замыкания и симметричные составляющие, обусловленные этим током. Векторная диаграмма представлена на рис. 2.5.

а

+1 +1 А

'1А /35 Г ' 1В33)5

- ++ \ 1с № -

-1 \ -1 б

+1 +1

2А(3)5 2с335 0А /35 '0В/35

2Вт

I

ост

в

-1 г

Рисунок 2.5. - Векторная диаграмма тока в месте повреждения (а) и симметричных составляющих (б, в, г).

В неповрежденных фазах протекают емкостные токи, обусловленные емкостями неповрежденных фаз относительно земли. Если повреждена фаза «А», то симметричные составляющие, обусловленные протеканием емкостных токов в неповрежденных фазах:

1(С0)8 (а^В(С0)8 +а ^(СО^)^,

^2(С0)8 О,

^0(С0)8 — (1в(С0)8 + ^С(С0)8

(2.15)

(2.16) (2.17)

Ток нулевой последовательности по выражению (2.17) представляет собой собственный емкостной ток нулевой последовательности поврежденной линии. Нижний индекс «С0» обозначает ток, протекающий в емкостях неповрежденных фаз относительно земли и симметричные составляющие, обусловленные этими токами. Векторная диаграмма представлена на рис. 2.6.

а

б

I

0А(С0В

I

0В(С0)Б

I

0С(С0}Б

в

Рисунок 2.6. - Векторная диаграмма емкостных токов, протекающих в неповреждённых фазах (а) и их симметричных составляющих, определенных в предположении что ток в повреждённой фазе равен нулю (б, в).

Представленные векторные диаграммы на рис. 2.5-2.6 построены в соответствии с принципом совместного использования метода симметричных составляющих и метода наложения. Для описания изменения симметричных составляющих электрических величин по концам контролируемой линии при изменении положения точки замыкания вдоль линии необходим учет всех особенностей распределения рассматриваемых токов. Для этого, в соответствии принципом совмещения метода наложения и метода симметричных составляющих, были построены эпюры распределения симметричных составляющих емкостных токов.

На рис. 2.7 представлена эпюра распределения емкостных токов прямой последовательности вдоль контролируемой линии. Ток прямой последовательности, определенный в предположении, что токи в

неповрежденных фазах равны нулю, 11(3)8, не имеет распределенной природы,

направлен от источника «С» к месту замыкания (точка «К») и протекает только на участке линии от источника до места замыкания. Ток прямой последовательности, определенный в предположении, что ток в поврежденной фазе равен нулю, 11(С0)8, увеличиваются по мере приближения к источнику,

направлен от конца линии к источнику и по всей линии. Ток прямой последовательности ^ в любой точке линии может быть определен как сумма

I и I

1(3)8 Г1 1(С0'

Л

(

К

I

Рисунок 2.7 - Эпюра распределения токов прямой последовательности вдоль

поврежденной линии.

Для вычисления разности напряжений прямой последовательности, зафиксированной по концам контролируемой линии, удобно использовать усредненное значение тока С учетом расстояния до места замыкания,

tH"3 = t + 0 5 • t

IS 1l(3)STU'J ^(COjS

усредненное значение тока прямой последовательности I на участке линии от источника до места замыкания, 11S :

' X; (2.18)

где: Х - расстояние до однофазного замыкания на землю, о.е.

Коэффициент 0,5 вводится для симметричных составляющих емкостных токов неповрежденных фаз, т.к. емкостные токи, протекающие в емкостях неповрежденных фаз относительно земли, имеют распределенную природу.

На участке от места замыкания до шин потребителя протекают только емкостные токи, обусловленные емкостью неповреждённых фаз относительно земли, следовательно, усредненное значение тока прямой последовательности на участке от места замыкания до конца линии:

I1S - 0,5 ■ I1(C0)S(1 -X);

(2.19)

На рис. 2.8 представлена эпюра распределения емкостных токов обратной последовательности вдоль контролируемой линии.

С

2 (3)S

Л

К

I

Рисунок 2.8 - Эпюра распределения токов обратной последовательности

вдоль поврежденной линии.

Как отмечалось ранее, при металлическом замыкании на землю, ток обратной последовательности, определенный в предположении, что ток в поврежденной фазе равен нулю, 12(С0)8 равен нулю. При этом по линии, на

участке от источника до места замыкания, протекает ток обратной

I

последовательности, определенный в предположении, что токи в неповрежденных фазах равны нулю, 12(3)8:

Р3=1 (2.20)

2Б 2(3)3' ^ '

Значение тока обратной последовательности на участке от места замыкания до конца линии при металлическом однофазном замыкании

равно нулю:

(2.21)

На рис. 2.9 представлена эпюра распределения емкостных токов нулевой последовательности вдоль контролируемой линии.

Рисунок 2.9 - Эпюра распределения токов нулевой последовательности

вдоль поврежденной линии. Ток нулевой последовательности, определенный в предположении, что токи в неповрежденных фазах равны нулю, 10(3)8, не имеет распределенной

природы, направлен от источника к месту замыкания и протекает только на участке линии от источника до места замыкания. Ток нулевой последовательности, определенный в предположении, что ток в поврежденной

фазе равен нулю, I0(C0)S, увеличивается по мере приближения к источнику,

направлен от конца линии к источнику и по всей линии. Эпюра распределения емкостных токов нулевой последовательности схожа с эпюрой распределения токов прямой последовательности.

Усредненное значение тока нулевой последовательности на участке линии от источника до места замыкания, :

jH-3=j +0 5-i -х- (2.22)

^js io(3)s^u'J io(co)s v • /

Усредненное значение тока нулевой последовательности на участке от места замыкания до конца линии :

iosK = 0,5 • i0(C0)s • (1 - X). (2.23)

Согласно методу симметричных составляющих, в место несимметрии вводятся фиктивные источники напряжения соответствующих последовательностей [98].

Для схемы замещения прямой последовательности (рис. 2.2) напряжение источника прямой последовательности ü1K:

Ü1K=Ei-Zf-3-(i1(3)S + 0,5-i1(CO)S-X); (2.24)

где: Ё| - ЭДС прямой последовательности в начале линии;

Zf-3 - полное сопротивление прямой последовательности участка

линии между шинами питающей подстанции и местом однофазного замыкания на землю.

Для схемы замещения обратной последовательности (рис. 2.3) напряжение источника обратной последовательности U2K:

т'т — о — 7Н~3. т -_7н~3.т • (2 25)

2К i±\ 2(3)S id 1 2(3)S' V • /

Для схемы замещения нулевой последовательности (рис. 2.4) напряжение источника нулевой последовательности иок:

иок = 0 - 3 • (10(3)3 + 0,5 • 10(С0)3 • X) = 3 • (10(3)3 + 0,5 • 10(С0)3 • X); (2.26)

где: ^Н-3; - полное сопротивление нулевой последовательности участка

линии между шинами питающей подстанции и местом однофазного замыкания на землю.

В соответствии с методом симметричных составляющих, фазное напряжение в начале линии может быть определено:

и® =й( + й2 +и'0; (2.27)

где: йрй^йо; ~~ напряжения прямой, обратной и нулевой последовательности на питающей подстанции, соответственно.

Тогда, фазное напряжение в конце линии:

йф = (и; - АЦ) + (и; - ди2) + (и; - Дй0); (2.28)

где: Аи15Аи2,Аи0 - соответствующие симметричные составляющие разностей напряжений, зафиксированных по концам поврежденной линии.

Анализируя схему замещения прямой последовательности, представленную на рис. 2.2, можно определить разность напряжений прямой последовательности, зафиксированных по концам линии:

ди18 = 14 - Щ = г?-3 • а1(3)3 + 0,5 ■ ¡1(С0)3 • X) + • 0' 5 • 11(С0)3(1 - X)); (2.29)

где: ^3-К; - полное сопротивление прямой последовательности участка

линии между местом однофазного замыкания на землю и шинами потребителя.

Разность напряжений обратной последовательности, зафиксированных по концам поврежденной линии:

Аи28 = и;8-и?8=г1м-12(з)8; (2.30)

Разность напряжений нулевой последовательности, зафиксированных по концам поврежденной линии:

ди08 = й^ -и?3 = 3 • а0(3)8 + о,5• 10(С0)3 • X) + г03-к • 0,5• 10(С0)3(1-Х)); (2.31)

где: ; - полное сопротивление нулевой последовательности участка

линии между местом однофазного замыкания на землю и шинами потребителя.

Преобразовав выражения (2.29), (2.30), (2.31), получаются выражения, описывающие разность напряжений соответствующих последовательностей, зафиксированных по концам поврежденной линии:

Лй13 = Ъх ■ (11(3)3 • X + 0,5 • 11(С0)з); (2.32)

Ай28=г1-12(3)8; (2.33)

Ай0д=г0-(10(3)-Х + 0,5-10(С0)д). (2.34)

2.1.3 Доаварийный режим работы сети с изолированной нейтралью

Работа сети с изолированной нейтралью в нормальном (доаварийном) режиме подробно отражена в [92, 99]. При работе линии на холостом ходу, в доаварийном режиме протекают только емкостные токи, протекающие в емкостях фаз. На рис. 2.10 представлена эпюра распределения токов прямой последовательности доаварийного режима.

С учетом допущения 7, присутствует только составляющая прямой последовательности:

(2.35)

Тогда разность напряжений прямой последовательности, зафиксированных по концам поврежденной линии:

Ли^Т^-й^- 0,5-1

1(С0)Ь-

(2.36)

С

Рисунок 2.10 - Эпюра распределения токов прямой последовательности

доаварийного режима, вдоль линии.

На рис. 2.11 приставлена векторная диаграмма фазных токов и напряжений доаварийного режима.

Рисунок 2.11 - Векторные диаграмма токов и напряжений доаварийного

режима.

2.1.4 Особенности протекания однофазных замыканий с переходным

сопротивлением

Как известно, с течением времени переходное сопротивление в месте замыкания может изменяться [100, 101, 102, 103], как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения. Уменьшение сопротивления возможно при прогорании изоляции кабеля или протекания дуги по более короткому пути. Увеличение переходного сопротивления может быть связано с удлинением дуги, вызванное выдуванием ее ветром [104]. Изменение сопротивления в месте однофазного замыкания будет приводить к изменениям напряжения в поврежденной и неповрежденных фазах. Переходное сопротивление в месте однофазного замыкания на землю представляется в виде чисто активного сопротивления [92, 104].

В [105] представлена векторная диаграмма фазных и линейных напряжений, изображенная на рис. 2.12. При изменении переходного сопротивления в месте замыкания, изменяются напряжения в поврежденной и неповреждённых фазах и напряжение смещения нейтрали. При этом концы векторов фазных напряжений и напряжения смещения нейтрали перемещаются по полуокружностям. Треугольник линейных напряжений остается неизменным вне зависимости от величины переходного сопротивления.

Емкостные токи, протекающие в емкостях неповрежденных фаз, протекают под действием фазных напряжений соответствующих фаз. Поэтому при увеличении переходного сопротивления изменяются их модули и аргументы, что показано на рис. 2.13.

В разделе 2.1.2 были описан ток обратной последовательности 12(С0)8,

определенный в предположении, что ток в поврежденной фазе равен нулю, который при металлическом однофазном замыкании равен нулю. При замыкании с переходным сопротивлением, составляющая обратной последовательности, обусловленная емкостными токами неповрежденных фаз

не равна нулю и будет увеличиваться при увеличении переходного сопротивления. Это изменяет эпюру, представленную на рис. 2.8 и приводит ее к виду, представленному на рис. 2.14. При замыкании с переходным сопротивлением, напряжение источника обратной последовательности и2К, включенного в место замыкания можно определить:

и2К = 0 - • а2(3)3 + 0,5 • 1Ж0) ■ X) = • (12(3)3 + 0,5 • 1Ж0) ■ X). (2.37)

То есть, по сравнению с выражением (2.25) появляется слагаемое, обусловленное током обратной последовательности 12(С0)8.

Рисунок 2.12 - Векторная диаграмма фазных напряжений (верхний индекс «мет» - обозначает вектора в режиме металлического замыкания, верхний индекс «пер» - обозначает вектора при замыкании с некоторой величиной переходного сопротивления).

Рисунок 2.13 - Векторные диаграммы фазных напряжений и емкостных токов, протекающих в емкостях неповрежденных фаз по отношению к земле, при разных переходных сопротивлениях: а - режим металлического однофазного замыкания; б, в, г - при увеличении переходного

сопротивления.

При наличии переходного сопротивления в месте замыкания, разность фазных напряжений обратной последовательности, зафиксированных по концам поврежденной линии:

ди28 = 14 -14 = г?-3 • а2(3)3 + о, 5 ■ 4С0)8 • х)+г3-к • о, 5 • ¿2(С0)3(1 - х»; (2.38)

ли28 - Ъх -(12(3)8 'Х + 0'5-12(СО)8).

(2.39)

Л

К

С

I

Рисунок 2.14 - Эпюра распределения токов обратной последовательности

вдоль поврежденной линии.

2.2 Анализ влияния величины переходного сопротивления на комплексы фазных напряжений

В разделе 2.1.4 было рассмотрено влияние переходного сопротивления на напряжения в поврежденной и неповрежденных фазах. При исследовании векторных диаграмм на рис. 2.13, можно заметить, что невозможно определить поврежденную фазу, как фазу с минимальным уровнем напряжения. В зависимости от величины переходного сопротивления, напряжение в поврежденной фазе может быть больше, равно или меньше величины фазного напряжения в отстающей фазе. Соответственно, существует вероятность неправильного определения поврежденной фазы. Поэтому требуется исследование признаков поврежденной фазы при однофазных замыканиях на землю и разработка алгоритма определения поврежденной фазы.

Ранее было приведено выражение (2.27), позволяющее определить напряжение на шинах питающей подстанции. С учетом выражения (2.27), напряжение на шинах питающей подстанции при металлическом однофазном замыкании, может быть определено:

и = • (I,+12+10) • 10 Й - Й)=ЙЙф+к • и (2.40)

где: ; 12; 10 — токи прямой, обратной и нулевой последовательности,

протекающие по участку линии между шинами питающей подстанции и местом замыкания;

- сопротивления участка поврежденной линии между шинами

питающей подстанции и местом замыкания прямой и нулевой последовательности (Ом);

к _ - £; - коэффициент компенсации [92].

Напряжение в поврежденной фазе на шинах питающей подстанции при наличии переходного сопротивления в месте замыкания можно получить, преобразовав выражение (2.40):

Ù = Zlw-Lx-(^+k-i0) + 3i0Rn; (2.41)

где: z - удельное, полное сопротивление поврежденной линии (Ом/км);

Lx - длина участка поврежденной линии между шинами питающей подстанции и местом замыкания прямой;

Rn - величина переходного сопротивления в месте однофазного замыкания (Ом).

Величина фазного напряжения в поврежденной фазе зависит от параметров сети и линии (суммарная емкость сети, сопротивление повреждённой линии), параметров однофазного замыкания (расстояние до однофазного замыкания, наличие и величина переходного сопротивления в месте замыкания) и параметров потребителя (мощность потребителя).

Очевидно, что учесть эти параметры одновременно невозможно. Для того, чтобы уйти от необходимости одновременного учета всех этих параметров вводится новая переменная - угол а (рис.2.15) [106, 107].

Угол а - угол между вектором напряжения смещения нейтрали в аварийном режиме Uns и вектором напряжения поврежденной фазы в доаварийном режиме, взятый с обратным знаком - UAL.

Как известно, при металлическом однофазном замыкании на нейтрали возникает напряжение, вектор, которого находится в противофазе вектору напряжения поврежденной фазе в доаварийном режиме. Отсюда исходит вторая интерпретация этого угла - угол между вектором напряжения смещения нейтрали, возникшем при однофазном замыкании и вектором напряжения смещения нейтрали, возникающим при металлическом замыкании. Анализируя векторную диаграмму, представленную на рис. 2.15, можно определить, что угол а изменяется в переделах от 0о до 90о. При этом значению угла а=0о соответствует металлическое замыкание, а значению а=90о соответствует доаварийный режим.

Учитывая допущение №2, определенное в разделе 2.1, можно вывести тригонометрические функции, позволяющие определить величину фазных напряжений по отношению к земле и величину напряжения на нейтрали, используя только величину фазного напряжения в доаварийном режиме и угол а:

Uar = U0L • Sin а; (2.42)

UBR = U0L (Cos а)2 +1 - 2 Cos а • Cos(1200 - а) ; (2.43)

= U0i • 7(Cos а)2 +1 - 2 Cos а • Cos(1200 + а) ; (2.44)

UNS = U№ • Cos«; (2.45)

где: ^l - модуль фазного напряжения в доаварийном режиме.

Рисунок 2.15 - Векторные диаграммы напряжений в нормальном режиме и при замыкании через переходное сопротивление.

Достоинством применения такого подхода при анализе влияния переходного сопротивления на модули фазных напряжений и напряжения смещения нейтрали, заключается в том, что в формулах используется только угол а и это позволяет не учитывать множество факторов, описанных ранее. Это значительно упрощает анализ влияния переходного сопротивления на модули фазных напряжений.

Рисунок 2.16 - Диаграммы изменения фазных напряжений и напряжения смещения нейтрали в зависимости от угла а.

Выражения (2.42), (2.43), (2.44), (2.45), позволяют построить диаграммы изменения фазных напряжений и напряжения смещения нейтрали в аварийном режиме в зависимости от величины угла а. Подобные диаграммы представлены на рис. 2.16. Каждому значению угла а, соответствует некоторое значение переходного сопротивления, зависящее от факторов, описанных ранее. Напряжение на диаграмме представлено в относительных единицах.

Значению углу а равному нулю соответствует металлическое однофазное замыкание, векторная диаграмма которого, представлена на рис. 2.13, а. Напряжение поврежденной фазы равно нулю, напряжение смещения

нейтрали равно доаварийному фазному значению (1 о.е.), напряжения неповрежденных фаз, как отстающей, так и опережающей равны между собой и соответствуют значению 1,73 о.е. При увеличении угла а, напряжение в поврежденной фазе увеличивается, а напряжение в отстающей фазе и напряжение смещения нейтрали уменьшаются. На рис. 2.13, б. представлена векторная диаграмма, соответствующая некоторому значению угла а находящегося в пределах: 0о < а <60о. При увеличении угла а до 60о, кривые напряжений в поврежденной и отстающей фазах пресекаются и соответствуют значению 0,87 о.е, что соответствует векторной диаграмме, представленной на рис. 2.13, в. При значении угла а больше 60о, напряжение в отстающей фазе больше, чем напряжение в поврежденной, что соответствует векторной диаграмме, представленной на рис. 2.13, г. При значении угла а=90о (доаварийный режим), фазные напряжения равны между собой (1 о.е.), напряжение смещения нейтрали равно нулю. Напряжение фазы, опережающей поврежденную, является самым наибольшим при значениях угла а в диапазоне: 0о < а <90о. При значении угла а=60о, напряжение в опережающей фазе равно 1,5 о.е, а значение напряжения смещения нейтрали снижается до значения 0,5 о.е.

2.3 Выводы по второй главе

1. Выполнен анализ электрических величин по концам контролируемой линии в доаварийном и аварийном режимах. Исследовано влияние емкостных токов контролируемой линии на симметричные составляющие разностей фазных напряжений, зафиксированных по концам контролируемой линии в аварийном и доаварийном режимах.

2. По результатам исследования были выведены выражения, позволяющие вычислить симметричные составляющие разностей фазных напряжений по концам контролируемой линии. Полученные выражения могут быть использованы для целей двухстороннего определения места однофазного замыкания на землю.

3. Предложено применение метода наложения в сочетании с методом симметричных составляющих для целей двухстороннего определения места однофазного замыкания на землю, что требует селективного определения поврежденной фазы.

4. Исследовано влияние переходного сопротивления в месте однофазного замыкания на землю на уровень фазных напряжений. Выведены тригонометрические формулы, позволяющие анализировать значения модулей фазных напряжений в зависимости от угла между вектором напряжения смещения нейтрали и вектором напряжения поврежденной фазы доаварийного режима, взятого с противоположным знаком. Этот угол зависит от величины переходного сопротивления, что позволяет выполнять упрощенный анализ, абстрагируясь от прочих влияющих факторов.

5. По результатам проведенного исследования были определено то, что невозможно определить поврежденную фазу по признаку минимального уровня напряжения. Поэтому требуется разработка алгоритма определения поврежденной фазы, способного селективно определять поврежденную фазу при любых значениях переходного сопротивления, а также его изменениях.

6. Описаны основные признаки поврежденной фазы, позволяющие использовать комплексы фазных напряжений аварийного режима для целей селективного определения поврежденной фазы.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА