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 места и расстояния до места однофазного замыкания на землю в электрических сетях 6-35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью (Патент РФ №2293342, G01R 31/08, 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.

Известен способ определения места и расстояния до места однофазного замыкания на землю в электрических сетях 6-35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью (Патент РФ №2685747, G01R 31/08, опубл.23.04.2019, бюл. №12), 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 способа 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.

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 №2685746, G01R 31/08, опубл.23.04.2019, бюл. №12), 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 двухфазного тока короткого замыкания, во время включения регистрируют значения тока через балластное сопротивление и в поврежденной фазе присоединения с однофазным замыканием на землю. Согласно способа устанавливают устройство релейной защиты с возможностью регистрации фазных токов каждого присоединения и резервной ячейки распределительного устройства, 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 двухфазного тока короткого замыкания, 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, определяют по фазным токам присоединения с однофазным замыканием на землю, зарегистрированным в течение протекания ограниченного по времени двухфазного тока короткого замыкания, 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 =} {x_б⋅I_б/I₁}/{x_л + x_m⋅(I₂ + I₃)/I₁},

где х_б - величина реактивной составляющей балластного сопротивления по переменному току промышленной частоты; I_б - зафиксированная величина ограниченного двухфазного тока короткого замыкания, протекающего через балластное сопротивление; I₁ - зафиксированная величина двухфазного тока короткого замыкания 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.

Задачей изобретения является повышение точности определения 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, заключающимся 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 двухфазного тока короткого замыкания, во время включения регистрируют значения тока через балластное сопротивление и в поврежденной фазе присоединения с однофазным замыканием на землю, устанавливают устройство релейной защиты с возможностью регистрации фазных токов каждого присоединения и резервной ячейки распределительного устройства, 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 двухфазного тока короткого замыкания, определяют с помощью устройства релейной защиты присоединение с однофазным замыканием на землю и поврежденную фазу, учитывают собственные и взаимные сопротивления поврежденного присоединения при расчетах расстояния до однофазного замыкания на землю. Согласно способа определяют комплексное сопротивление нагрузки поврежденной линии, устанавливают устройство релейной защиты с дополнительной возможностью регистрации фазных напряжений, на присоединении с однофазным замыканием на землю в течение протекания ограниченного по времени двухфазного тока короткого замыкания фиксируют ток неповрежденной фазы, соответствующей фазе, замкнутой через балластное сопротивление, а также фиксируют напряжения в поврежденной фазе и фазе, замкнутой через балластное сопротивление, определяют место и рассчитывают расстояние l до места однофазного замыкания на землю по реальной части комплексного выражения

l = Re [{(I_пф + I_б - I_фб)⋅(z_л⋅L - z_m⋅L + z_н) -U_пф + U_фб}/{I_б⋅(z_л - z_m)}],

где I_пф и U_пф - соответственно ток и напряжение поврежденной фазы, на которой произошло однофазное замыкание на землю; I_б - ток, протекающий через балластное сопротивление; I_фб и U_фб - соответственно ток и напряжение фазы, замкнутой на балластное сопротивление; z_л и z_m - собственное и взаимное удельные сопротивления поврежденной линии; z_н - эквивалентное сопротивление фазы нагрузки.

Основными отличиями предлагаемого способа являются:

- использование информации о напряжениях поврежденной и замкнутой через балластное сопротивление фазах, в сочетании с компенсацией влияния переходного сопротивления в месте однофазного замыкания на землю (ОЗЗ);

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

- компенсация влияния нагрузки на точность оценки расстояния до места ОЗЗ путем учета сопротивления нагрузки в соответствующих расчетных выражениях.

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); - эквивалентное трехфазное сопротивления системы (2); трехфазный выключатель поврежденного присоединения (3); - трехфазное сопротивление линии до точки повреждения (4); - эквивалентное трехфазное сопротивления нагрузки поврежденного присоединения (5); устройство релейной защиты (6); выключатель резервной ячейки распределительного устройства (7); - балластное сопротивление (8); трансформатор напряжения - (9); - переходное сопротивление в месте замыкания на землю; l - расстояние до места однофазного замыкания на землю; L - длина линии электропередачи с однофазным замыканием на землю.

На фиг. 2 представлена схема замещения участка электрической сети (фиг. 1) в режиме двухфазного короткого замыкания. В дополнение к обозначениям, использованным на фиг. 1, на фиг. 2 введены следующие обозначения: U_ф1, U_ф2, U_ф3 -фазные напряжения поврежденной линии; I_ф1, I_ф2, I_ф3 -фазные токи поврежденной линии; z_л и z_m - собственные и взаимные удельные сопротивления фаз поврежденной линии; z_н - эквивалентное сопротивление фазы нагрузки; R_п - переходное сопротивление в месте ОЗЗ; R_б - балластное сопротивление; I_б - зафиксированная величина ограниченного двухфазного тока короткого замыкания, протекающего через балластное сопротивление; I_ф4 - ток, протекающий во втором контуре.

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 двухфазного короткого замыкания. Выбор времени протекания и величины тока двухфазного короткого замыкания определяется параметрами термической стойкости провода ЛЭП и может быть реализован, как в способе-аналоге (прототипе) (по величине не более 100А и продолжительностью не более 1 сек.).

Во время протекания тока двухфазного 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.

Для удобства получения аналитических соотношений для расчета расстояния до места повреждения линии преобразуем схему (фиг. 1) в соответствующую эквивалентную схему замещения (фиг. 2).

Запишем второй закон Кирхгофа для первого и второго контуров (фиг. 2), предварительно задав направления обхода этих контуров.

Уравнение для первого контура выглядит следующим образом

Уравнение для второго контура имеет следующий вид

При вынесении за скобки общих множителей получаем аналитические соотношения:

- для первого контура

- для второго контура

Выразим из уравнения для первого контура

и подставим его в равенство (4)

Раскроем скобки в соотношении (5) и подставим вместо эквивалентное выражение, полученное по первому закону Кирхгофа . Тогда имеем,

Сократим полученное выражение, найдя общие члены

После вынесения за скобки общих множителей

можно прийти к равенству

Тогда для схемы (фиг.1) выражение для расчета расстояния до места повреждения записывается следующим образом

Следует отметить, что отношение числителя к знаменателю выражения (6) является комплексным числом. Однако, мнимая часть результата деления является малой величиной и составляет малые доли процента от реальной части. Поэтому мнимую часть можно отбросить и в выражении для вычисления расстояния до места ОЗЗ использовать только реальную его часть. Тогда в общем виде получаем расчетное соотношение для расстояния до места повреждения

l = Re [{(I_пф +I_б - I_фб)⋅(z_л⋅L - z_m⋅L + z_н) -U_пф + U_фб}/{I_б⋅(z_л - z_m)}], (7)

где I_пф и U_пф - соответственно ток и напряжение поврежденной фазы, на которой произошло однофазное замыкание на землю; I_фб и U_фб - соответственно ток и напряжение фазы, замкнутой на балластное сопротивление.

Для вычислений согласно выражению (7) необходимо знание параметров, которые требуются для расчета и могут быть получены эксплуатирующими организациями:

- из проектных или справочных данных (z_л, z_m, L) с учетом конструктивного исполнения линии электропередачи;

- путем анализа данных оперативно-измерительных комплексов, автоматизированных систем учета электрической энергии, SCADA-систем или запроса диспетчерских служб потребителей для получения информации о нагрузке линии электропередачи (z_н).

В заключении отметим, что 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 использования информации о напряжениях поврежденной и замкнутой через балластное сопротивление фазах, а также компенсации влияния нагрузки на точность оценки расстояния до места ОЗЗ путем учета сопротивления нагрузки в соответствующих расчетных выражениях.