Способ определения места и расстояния до места однофазного замыкания на землю в электрических сетях 6-35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью

Изобретение относится к электротехнике, в частности к способам определения местоположения повреждений (ОМП) в электрических сетях 6-35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью.

Известен способ определения расстояния до места однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) в сетях 6-35 кВ электрических систем с изолированной или компенсированной нейтралью, реализуемый устройством по патенту РФ №2096795, G01R31/08, 1997 г. В этом способе отключают отходящую питающую ЛЭП, на которой произошло замыкание на землю. Подключают в резервной (стандартной) ячейке распределительного устройства, она же коммутирующая ячейка устройства по указанному патенту, высоковольтное балластное сопротивление (бэтеловый резистор) и амперметр, а в определенных точках отходящих ЛЭП подключают струбцины переносного кабеля измерительной ячейки. Производят переключение одного из двух разъединителей измерительной ячейки, а именно того, который необходим для производства измерений на заземленной фазе. Благодаря этому подготавливают цепь для протекания ограниченного тока короткого замыкания через землю, высоковольтное балластное сопротивление, амперметр и две, параллельно соединенные фазы питающей линии, из которых одна – та, на которой зафиксировано соединение с землей, и вторая – одна из двух других фаз. Затем у потребителя включают один из двух, специально смонтированных разъединителей между фазами А и С или В и С, активируют выключатель коммутирующей ячейки. В результате совершенного, через место замыкания на землю по двум фазам линии протекут ограниченные по времени токи однофазного короткого замыкания, которые фиксируются системой записи. После выдержки времени в 0,2-0,5 сек выключатель коммутирующей ячейки отключают. Расстояние до места замыкания на землю определяют в результате обработки информации о величинах токов, протекавших по фазам ЛЭП.

Основным недостатком известного способа является необходимость отключения питающей ЛЭП потребителя, а также большой объем организационно-технических мероприятий для осуществления этого. Кроме того, этот способ обладает низкой точностью ОМП, поскольку использует информацию только о величинах зарегистрированных токов.

Наиболее близким техническим решением к предполагаемому изобретению является способ определения места и расстояния до места однофазного замыкания на землю в электрических сетях 6-35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью (Патент РФ №2293342, G01R31/08, опубл.10.02.2007, бюл. №4), заключающийся в том, что подключают балластное сопротивление к резервной ячейке секции шин распределительного устройства, в котором есть замыкание на землю. Подключают амперметр в ту же фазу токовых цепей вторичной коммутации резервной ячейки, подключают в токовые цепи вторичной коммутации фазы, в которой имеется замыкание на землю, вводной и находящихся под нагрузкой отходящих ячеек секции шин, приспособления визуальной фиксации бросков тока. Включают высоковольтный выключатель резервной ячейки, обеспечивая протекание через балластное сопротивление ограниченного по величине и времени двухфазного тока короткого замыкания. Во время включения отслеживают показания устройств визуальной фиксации бросков тока и по наличию или отсутствию бросков тока на приспособлениях визуальной фиксации судят о месте замыкания, а по показаниям амперметра определяют расстояние до места однофазного замыкания на землю.

Недостатком способа является необходимость визуальной фиксации бросков тока за короткий промежуток времени (не более 1 сек), что может оказаться затруднительным из-за инерции составных компонентов амперметра. С другой стороны, способ обладает низкой точность расчета расстояния до места ОЗЗ, поскольку использует информацию только о величинах визуально определенных и кратковременно протекающих токов.

Задачей изобретения является быстрое и точное определение расстояния до места однофазного замыкания на землю в электрических сетях 6-35 кВ.

Поставленная задача достигается способом определения места и расстояния до места однофазного замыкания на землю в электрических сетях 6-35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью, заключающийся в том, что подключают балластное сопротивление к резервной ячейке секции шин распределительного устройства, в котором есть замыкание на землю, включают высоковольтный выключатель резервной ячейки, обеспечивая протекание через балластное сопротивление ограниченного по величине и времени тока короткого замыкания, во время включения регистрируют значения тока в поврежденной фазе присоединения с однофазным замыканием на землю. Согласно предложения устанавливают устройство релейной защиты с возможностью регистрации фазных токов и фазных напряжений каждого присоединения, а также с возможностью фиксации однофазных замыканий на землю в каждом присоединении распределительного устройства, определения места и расчета расстояния до места однофазного замыкания на землю, создания с помощью подачи на выключатель резервной ячейки сигналов ограниченного по величине и времени тока короткого замыкания в неповрежденной фазе, определяют с помощью устройства релейной защиты присоединение с однофазным замыканием на землю и поврежденную фазу, фиксируют фазные токи неповрежденных фаз присоединения с однофазным замыканием на землю и фазное напряжение поврежденной фазы, определяют по фазным токам и напряжению поврежденной фазы присоединения с однофазным замыканием на землю, зарегистрированным в течение протекания ограниченного по времени тока короткого замыкания неповрежденной фазы, собственные и взаимные реактивные сопротивления линии электропередачи поврежденного присоединения, учитывают взаимные реактивные сопротивления поврежденного присоединения при расчетах расстояния до однофазного замыкания на землю, определяют место и рассчитывают расстояние l₁ до места однофазного замыкания на землю согласно выражению

l_{1 =} |Im(U₁)∙Re(I₁) - Im(I₁)∙Re(U₁)|/{[Re² (I₁) + Im²(I₁)]∙|x_л + x_m∙(I₂ + I₃)/I₁|},

где Re(I₁) и Im(I₁) –реальная и мнимая величины зафиксированного тока I₁ замыкания на землю поврежденной фазы линии; Re(U₁) и Im(U₁) –реальная и мнимая величины зафиксированного напряжения поврежденной фазы линии; I₂ и I₃ – зафиксированные токи неповрежденных фаз присоединения с однофазным замыканием на землю; x_m – удельное сопротивление взаимной индукции фаз поврежденного присоединения; x_л – собственное удельное реактивное сопротивление поврежденной фазы.

Основными отличиями предлагаемого способа являются:

- автоматическое проведение операций с оборудованием, необходимых для определения места повреждения и расчета расстояния до ОЗЗ, что обеспечивает быстрое направление ремонтной бригады к месту проведения восстановительных работ;

- учет соотношения реактивных сопротивлений в расчетных выражениях для расстояния до ОЗЗ, что повышает точность ОМП при ОЗЗ и способствует сокращению времени на ликвидацию повреждения.

Предполагаемое изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображена схема, характеризующая протекание ограниченного тока двухфазного короткого замыкания и соотношение сопротивлений цепи расчета расстояния до однофазного замыкания на землю. На фиг. 1 введены следующие обозначения: – эквивалентная трехфазная ЭДС системы – (1); трехфазный выключатель поврежденного присоединения – (2); –трехфазное сопротивление первой линии до точки повреждения – (3); – эквивалентное трехфазное сопротивления нагрузки поврежденного присоединения (4); устройство релейной защиты – (5); балластное сопротивление – (6); выключатель резервной ячейки распределительного устройства – (7); трансформатор напряжения - (8); – переходное сопротивление в месте замыкания на землю; – расстояние до места однофазного замыкания на землю; L₁- длина линии электропередачи с однофазным замыканием на землю.

Следует отметить, что устройство релейной защиты может содержать один или несколько терминалов релейной защиты. Необходимый состав устройства релейной защиты, а также функции отдельных его терминалов выбираются, исходя из возможностей и функций отдельных его терминалов в линейке конкретного производителя релейной защиты. Например, в качестве определяющих конструктивных параметров могут выступать: число аналоговых и дискретных входов-выходов, быстродействие и производительность микропроцессоров, возможности и объем памяти регистрации аварийных событий и др.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Возникновение ОЗЗ на поврежденном присоединении распределительного устройства определяется с помощью устройства релейной защиты (РЗ) 5, выполненного с возможностью реализации известных технических решений (способов) выявления ОЗЗ, изложенных, например, в [Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. – М.: НТФ Энергопрогресс, 2001.].

Автоматически по факту фиксации ОЗЗ устройством РЗ 5 выдается сигнал на включение выключателя резервной ячейки распределительного устройства для обеспечения протекания через балластное сопротивление ограниченного по времени и величине тока короткого замыкания в неповрежденной фазе (например, фазе (2) фиг.1). Выбор времени протекания и величины тока короткого замыкания в неповрежденной фазе определяется параметрами термической стойкости провода ЛЭП.

Во время протекания тока короткого замыкания производится регистрация токов и напряжений, необходимых для расчета расстояния до места повреждения. В последующем в устройстве РЗ 5 автоматически производится расчет расстояния до ОЗЗ. Расчет производится в соответствии со следующими соображениями.

Запишем второй закон Кирхгофа для контура фаза-земля, при допущении, что подпитка точек КЗ током нагрузки отсутствует:

Тогда, при коротком замыкании фазы «Ф1», напряжения на шинах подстанции определяется следующим образом:

U ₁ = l₁∙z_л∙I₁ + l₁∙z_m1∙I₁ + l₁∙z_m2∙I₁ + R_п∙I₁,

где z_m1 = z_m∙I₂/I₁; z_m2 = z_m∙I₃/I₁; - сопротивления взаимной индукции соответствующих фаз; z_m – удельное сопротивление взаимной индукции; z_л – удельное сопротивление линии; I₁ и U₁– ток и напряжение поврежденной фазы; I₂ и I₃ – токи неповрежденных фаз поврежденного присоединения; R_п – сопротивление повреждения.

Следует отметить, что значение балластного сопротивления определяет величину тока, протекающего в замкнутой фазе.

Расчетное фазное сопротивление пропорционально расстоянию до места повреждения и определяется выражением

Z _ф = U_ф/I_ф.

Тогда, с учетом ранее полученных соотношений расстояние до места повреждения определяется выражением

l₁ = (U₁ - R_п∙I₁)/[ I₁ (z_л +z_m1+z_m2)],

или

l₁ = (Z₁ - R_п)/[z_л +z_m∙(I₂ + I₃)/ I₁],

где Z₁ – сопротивление поврежденной фазы до места ОЗЗ.

Влияние активных переходных сопротивлений исключим путем выделения реактивной составляющей сопротивления, тогда расстояние до точки повреждения определяется по следующей формуле

l₁ = Х₁/|х_л + х_m∙(I₂ + I₃)/ I₁|.

Учитывая, что реактивная составляющая сопротивления Х₁ равна

Х₁ =|Im(U₁)∙Re(I₁) - Im(I₁)∙Re(U₁)|/[Re² (I₁) + Im²(I₁)],

получаем итоговое выражение для расчета расстояния до места ОЗЗ

l_{1 =} |Im(U₁)∙Re(I₁) - Im(I₁)∙Re(U₁)|/{[Re² (I₁) + Im²(I₁)]∙|x_л + x_m∙(I₂ + I₃)/I₁|}.

Следует отметить, что требуемые для расчета расстояния l₁ значения сопротивлений x_m и x_л могут быть получены эксплуатирующими организациями из проектных или справочных данных с учетом конструктивного исполнения линий электропередачи.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет с высокой точностью определить расстояние до места однофазного замыкания на землю в электрических сетях 6-35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью за счет дополнительного учета взаимных индуктивных сопротивлений фаз поврежденного присоединения распределительного устройства.