СПОСОБЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УДАЛЕННОСТИ ОДНОФАЗНОГО ЗАМЫКАНИЯ В ТРЕХФАЗНОЙ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2002 года по МПК G01R31/08 

Изобретение относится к электрическим сетям, а именно трехфазным линиям электропередачи с изолированной или компенсированной нейтралью и односторонним питанием, и может использоваться, например, для определения удаленности однофазного замыкания на землю в трехфазных линиях электропередачи для электроснабжения автоблокировки на электрифицированных железных дорогах.

Особенности выполнения и эксплуатации высоковольтных линий электропередачи для электроснабжения автоблокировки на железных дорогах описаны в [1] . Эти трехфазные линии электропередачи работают с изолированной нейтралью при одностороннем питании.

Первой особенностью трехфазных линий электропередачи для электроснабжения автоблокировки железных дорог по сравнению с трехфазными линиями электропередачи другого назначения является то обстоятельство, что на протяжении в 20-40 км к ее проводам с интервалом 1-3 км подключаются однофазные нагрузки. В каждой точке подключения присоединяется только одна нагрузка. Для симметрирования линии электропередачи нагрузка в разных местах подключается к разным фазам. Однако, в том числе из-за разной мощности нагрузок и их изменения во времени, полной симметрии не достигается. Загрузка разных фаз такой линии электропередачи может отличаться на 10-30 процентов, что во много раз превышает несиметрию трехфазных линий электропередачи другого назначения.

Второй особенностью являются малые различия значений токов удаленных коротких замыканий от тока нагрузки. Так, при нормальной нагрузке фаз 4-6 А и проводах типа ПСО-5 величина тока глухого короткого замыкания при повреждении в конце линии электропередачи составляет 6-10 А, а если замыкание происходит через переходное сопротивление, то и еще меньше [1].

Третьей особенностью является то, что при удаленных замыканиях (большой длине линии электропередачи и малых величинах токов) токи поперечной емкостной проводимости между фазой с поврежденной изоляцией и фазой с неповрежденной изоляцией оказываются соизмеримы с током короткого замыкания.

Четвертой особенностью является то, что на электрифицированных железных дорогах однофазного переменного тока линия электропередачи для электроснабжения автоблокировки проходит близко от контактной сети. Однофазная контактная сеть наводит во всех проводах этой линии примерно одинаковое напряжение вследствие электромагнитного влияния. Это влияние значительно больше, чем от любой другой трехфазной линии электропередачи.

Перечисленные особенности существенно влияют на точность определения удаленности однофазного замыкания на землю по параметрам аварийного режима. При этом известно, что в сети с изолированной нейтралью параметры аварийного режима при замыкании одной фазы на землю (фазные или линейные напряжения и токи в начале линии) не несут никакой информации об удаленности места повреждения. Поэтому на время осуществления измерений параметров аварийного режима трехфазную линию электропередачи с однофазным замыканием на землю переводят в режим однофазного короткого замыкания путем соединения нулевой точки питающего трансформатора с землей либо в режим двухфазного короткого замыкания на землю путем соединения с землей другой фазы с неповрежденной изоляцией.

Сущность способа 1 и устройства поясняются на фиг.1, способа 2 - на фиг. 2, для обоснования способов 1 и 2 и устройства служит фиг.3.

Способ 1
Известен способ определения удаленности места повреждения изоляции одной фазы линии электропередачи путем замыкания на землю нулевой точки трансформатора, питающего трехфазную линию электропередачи для электроснабжения автоблокировки, измерения фазного напряжения U₁ и тока I₁ провода с поврежденной изоляцией и вычисления параметра Z₁ по формуле

на основании которого судят об удаленности места повреждения изоляции [1, с. 121 и 122].

Известна также разновидность этого способа определения удаленности места повреждения изоляции путем замыкания на землю не нулевой точки, а другой фазы с неповрежденной изоляцией, измерении линейного напряжения U₁₂ между этими фазами и тока I₁ провода с поврежденной изоляцией и вычисления параметра Z₁₂ по формуле

на основании которого судят об удаленности места повреждения изоляции [2].

Обоим разновидностям этого способа присущ один существенный недостаток, заключающийся в том, что при замыкании на землю через большое переходное сопротивление пропорциональность между параметром Z₁ или Z₁₂ и расстоянием до места повреждения пропадает, погрешность определения удаленности повреждения становится очень большой и "не обеспечивает требуемой точности и надежности измерений" [1, с. 123].

Известен способ определения удаленности места повреждения изоляции одной фазы линии электропередачи с заземленной нейтралью путем измерения напряжения U, тока I и фазового угла ϕ между ними и вычислении параметра N по формуле

на основании которого судят об удаленности места повреждения изоляции, причем в качестве напряжения U используется фазное напряжение, а в качестве тока I величина I = I_ф + к₀3I₀, где I_ф - фазный ток провода с поврежденной изоляцией, I₀ - ток нулевой последовательности, к₀ - коэффициент компенсации тока нулевой последовательности [3, с. 6-8].

Погрешность определения удаленности места повреждения при наличии переходного сопротивления в этом способе по сравнению с предыдущими снижена. Однако погрешность из-за наличия несимметричных, неравномерно подключенных нагрузок, токов поперечной емкостной проводимости и индуктивного влияния контактной сети остается достаточно большой.

Известен способ определения удаленности места повреждения изоляции одной фазы линии электропередачи с заземленной нейтралью путем измерения модуля напряжения U_A фазы с поврежденной изоляцией, токов I_A, I_B, I_C всех трех фаз линии электропередачи, фазового угла ϕ между напряжением и током поврежденной фазы, вычисления функции

и определения удаленности места повреждения изоляции по формуле

где l - расстояние от питающего конца до места однофазного короткого замыкания, ν - угол между векторами U_Z и U_A; Z_A, Z_AB, Z_АС - собственное и взаимное удельное сопротивление 1 км трехфазной линии электропередачи [4, с. 162 и 163].

Этот способ мало реагирует на величину переходного сопротивления в месте повреждения. Он не реагирует на несимметрию загрузки фаз только в том случае, если такая несимметрия сохраняется по всей длине линии электропередачи от питающего конца до места повреждения. Однако в линии электропередачи для электроснабжения автоблокировки такое условие не соблюдается из-за неравномерного распределения нагрузки по фазам и по длине линии. Поэтому погрешность от этого явления сохраняется, так же как погрешность от наведенного напряжения контактной сети.

Техническим результатом является повышение точности определения удаленности места однофазного замыкания на землю.

Сущность изобретения заключается в том, что для определения удаленности места однофазного замыкания на землю трехфазной линии электропередачи с изолированной или компенсированной нейтралью с односторонним питанием по параметрам аварийного режима путем определения фазы с поврежденной изоляцией, замыкания на землю нулевой точки или одной из неповрежденных фаз источника питания и измерения параметров аварийного режима при возникновении однофазного замыкания на землю определяют первую фазу с поврежденной изоляцией, отключают линию электропередачи от источника питания, перемыкают на известном расстоянии в конце линии электропередачи перемычкой между собой накоротко провод первой фазы с поврежденной изоляцией и провод второй фазы с неповрежденной изоляцией, размыкают питающий конец провода третьей фазы с неповрежденной изоляцией и соединяют его с землей возле источника питания и на противоположном конце линии электропередачи, подключают к земле нулевую точку или вывод второй фазы источника питания, подключают первую фазу с поврежденной изоляцией и вторую фазу с неповрежденной изоляцией линии электропередач к источнику питания, измеряют напряжение на выводах источника питания между первой фазой с поврежденной изоляцией и второй фазой с неповрежденной изоляцией, а также значения токов проводов указанных фаз линии электропередачи и определяют расстояние до места однофазного замыкания на землю по формуле

где U₁₂ - напряжение на выводах источника питания между первой фазой с поврежденной изоляцией и второй фазой с неповрежденной изоляцией;
I₁ - ток первой фазы с поврежденной изоляцией;
I₂ - ток второй фазы с неповрежденной изоляцией;
Z - удельное сопротивление прямой последовательности 1 км трехфазной линии электропередачи;
L - расстояние от источника питания до противоположного конца линии;
Сущность изобретения поясняется схемой, приведенной на фиг.1. На схеме приняты следующие обозначения:
1 - первая фаза линии электропередачи с поврежденной изоляцией в точке К на удалении l_к от источника питания;
2, 3 - соответственно вторая и третья фазы линии электропередачи с неповрежденной изоляцией;
4 - источник питания;
5 - выключатель трехфазный;
6, 7, 8 - соответственно первая, вторая и третья перемычки-закоротки;
9, 10, 11, 12 - коммутационные аппараты;
13, 14, 15 - трансформаторы тока;
16 - трансформатор напряжения.

При замыкании на землю в точке К провода первой фазы с поврежденной изоляцией осуществляют следующие операции:
1) определяют первую фазу линии электропередачи с поврежденной изоляцией, замкнувшуюся на землю, известным образом при помощи трех вольтметров, подключенных к трансформатору напряжения [1, с. 105];
2) отключают линию электропередачи от источника питания известным образом с помощью трехфазного выключателя 5;
3) перемыкают между собой накоротко провода первой фазы с поврежденной изоляцией и второй фазы с неповрежденной изоляцией в конце линии электропередачи на известном расстоянии от источника питания при помощи перемычки 6;
4) размыкают питающий конец провода третьей фазы с неповрежденной изоляцией с помощью, например, коммутационного аппарата 10;
5) соединяют с землей провод третьей фазы с неповрежденной изоляцией в начале и в конце линии электропередачи перемычками 7 и 8;
6) подключают к земле нулевую точку или вывод М второй фазы с неповрежденной изоляцией (точка М) источника питания с помощью коммутационного аппарата 9, причем точка М может быть расположена как справа, так и слева от выключателя 5;
7) подключают первую фазу с поврежденной изоляцией и вторую фазу с неповрежденной изоляцией линии электропередачи к источнику питания с помощью выключателя 5;
8) измеряют напряжение на выводах источника питания между первой фазой с поврежденной изоляцией и второй фазой с неповрежденной изоляцией, а также значение токов проводов этих фаз, с использованием трансформаторов тока 13, 14 и трансформатора напряжения 16;
9) определяют расстояние до места однофазного замыкания по приведенной формуле.

Операции 1, 2, 6, 8 известны, остальные операции являются новыми.

Положительный эффект (повышение точности) достигается за счет следующих факторов:
- отключение провода 3 с неповрежденной изоляцией от источника питания приводит к отключению всех однофазных нагрузок, подключенных между проводами 3 и 1, 3 и 2, что снижает составляющую нагрузок в токах I₁ и I₂;
- отключение провода 3 с неповрежденной изоляцией от источника питания и соединение его с землей по концам линии существенно снижает составляющую поперечной емкостной проводимости в токах I₁ и I₂;
- отключенный от источника питания и соединенный с землей в начале и конце линии провод 3 с неповрежденной изоляцией выполняет роль экранирующего провода [5, с. 434 - 436] и поэтому существенно снижает индуктивное влияние контактной сети;
- перемыкание проводов 1 и 2 в конце линии и использование указанной последовательности операций полностью исключает влияние электрической дуги или переходного сопротивления в месте повреждения.

Устройство
Известно устройство для определения удаленности места однофазного замыкания на землю в линиях электропередачи для электроснабжения автоблокировки [2]. Оно содержит трансформатор напряжения, трансформаторы тока в трех фазах линии, два коммутационных аппарата, подключенных между землей и проводом в двух фазах, схему заряда и схему разряда двух конденсаторов. Время разряда конденсаторов пропорционально параметру Z₁₂= |U₁₂|/|I₁|, где U₁₂ - напряжение между фазой с поврежденной изоляцией и фазой с неповрежденной изоляцией, искусственно замыкаемой на землю, I₁ - ток фазы с поврежденной изоляцией. По величине Z₁₂ судят об удаленности места замыкания фазы с поврежденной изоляцией на землю.

Недостатком устройства является то, что при замыкании на землю через дугу или переходное сопротивление пропорциональность между расстоянием до места повреждения и параметром Z нарушается, поэтому показания прибора весьма неточны.

Известно устройство АОП-1 для определения удаленности места однофазного замыкания на землю в линиях электропередачи для электроснабжения автоблокировки [1, с. 120-122]. Оно содержит трансформатор напряжения, трансформатор тока в трех фазах линии, коммутационный аппарат, соединяющий землю с нулевой точкой источника питания и измерительное устройство, подключенное к трансформатору напряжения и трансформаторам тока, включающее два выпрямителя Вх.1 и Вх.2 и схему деления.

Определение удаленности осуществляется путем замыкания нулевой точки источника на землю с помощью коммутационного аппарата, после чего на выходе выпрямителей, подключенных к трансформатору тока и трансформатору напряжения появляются сигналы соответственно |U₁₂| и |I₁|, где U₁₂ - напряжение между фазой с поврежденной изоляцией и одной из фаз с неповрежденной изоляцией, I₁ - ток фазы с поврежденной изоляцией.

Схема деления осуществляет операцию

По параметру Z судят об удаленности повреждения.

Подключение входов двух выпрямителей соответственно к трансформаторам тока и напряжения, а их выходов к блоку деления для получения параметра Z известно также по [4].

Недостаток устройства заключается в его малой точности, поскольку при замыкании фазы линии электропередачи через дугу или переходное сопротивление нарушается пропорциональность между параметром Z и удаленностью места повреждения. Кроме того, на снижение точности влияют токи поперечной проводимости, неравномерная загрузка фаз линии электропередачи и индуктивное влияние контактной сети электрифицированных железных дорог.

Техническим результатом является повышение точности определения удаленности места однофазного замыкания на землю.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройство, содержащее трехфазный или три однофазных трансформатора напряжения, подключенных к выводам источника питания, трансформаторы тока в трех фазах, первый коммутационный аппарат, соединяющий нулевую точку или одну из неповрежденных фаз источника питания с землей и измерительный модуль, включающий два выпрямителя, выходы которых подключены к блоку деления, дополнительно включены второй, третий и четвертый коммутационные аппараты с индивидуальными приводами и три перемычки, а в измерительном модуле - первый согласующий трансформатор с двумя вторичными обмотками и второй согласующий трансформатор, а также первое и второе активно-индуктивные сопротивления, при этом второй, третий и четвертый коммутационные аппараты с индивидуальными приводами включены каждый между выводом источника питания и проводом линии электропередачи соответствующей фазы, первая перемычка включается на противоположном от источника питания конце линии электропередачи между проводом первой фазы с поврежденной изоляцией и проводом второй фазы с неповрежденной изоляцией, вторая перемычка включена между проводом третьей фазы с неповрежденной изоляцией и землей возле источника питания, а третья перемычка - между этим же проводом и землей на противоположном конце линии электропередачи, в измерительном модуле первичная обмотка согласующего трансформатора подключена к трансформатору тока первой фазы с поврежденной изоляцией, к первому выводу его вторичной обмотки подключен первый вывод первого активно-индуктивного сопротивления и первый ввод первого выпрямителя, вывод которого подключен к первому входу делителя, а второй ввод присоединен ко второму выводу первого активно-индуктивного сопротивления и второму выводу первой вторичной обмотки второго согласующего трансформатора, первый вывод которой соединен со вторым выводом вторичной обмотки первого согласующего трансформатора, первичная обмотка второго согласующего трансформатора подключена к трансформатору тока второй фазы, а первый вывод второй вторичной обмотки присоединен к первому выводу второго активно-индуктивного сопротивления и первому вводу второго выпрямителя, выход которого подключен ко второму входу делителя, а второй ввод присоединен к первой фазе вторичной обмотки трансформатора напряжения, вторая фаза которого присоединена к вторым выводам второго активно-индуктивного сопротивления и второй вторичной обмотки второго согласующего трансформатора, причем активно-индуктивные сопротивления выполнены в виде последовательно соединенных резистора и катушки индуктивности, при этом в первом активно-индуктивном сопротивлении сумма активных сопротивлений резистора и катушки индуктивности пропорциональна величине 2rL, во втором активно-индуктивном сопротивлении сумма активных сопротивлений резистора и катушки индуктивности пропорциональна величине r, а реактивное сопротивление катушки индуктивности пропорционально х, где r - активная составляющая удельного сопротивления прямой последовательности 1 км трехфазной линии электропередачи, х - реактивная составляющая этого сопротивления, L - длина линии.

Сущность изобретения поясняется схемой, приведенной на фиг.1, на которой приняты следующие обозначения:
1 - первая фаза с поврежденной изоляцией в точке К на удалении l_k от источника питания;
2, 3 - соответственно вторая и третья фазы с неповрежденной изоляцией;
4 - источник питания;
5 - высоковольтный выключатель;
6, 7, 8 - соответственно первая, вторая и третья перемычки;
9, 10, 11, 12 - коммутационные аппараты с индивидуальными приводами;
13, 14, 15 - трансформаторы тока;
16 - трехфазный или три однофазных трансформатора напряжения;
17 - первый согласующий трансформатор;
18 - второй согласующий трансформатор с двумя вторичными обмотками;
19, 20 - соответственно первое и второе активно-индуктивное сопротивления;
21, 22 - соответственно первый и второй выпрямители;
23 - делитель;
24 - измерительный модуль.

Фазы 1, 2, 3 трехфазной линии электропередачи получают питание от источника 4 через высоковольтный выключатель 5. Линия электропередачи содержит три трансформатора тока 13, 14, 15 и трехфазный (или три однофазных) трансформатора напряжения 16. Эти элементы известны и относятся не к самому предмету изобретения, а являются обычными атрибутами того объекта, для которого предназначено устройство для определения удаленности однофазного замыкания [1, с. 29, рис.14].

Остальные элементы схемы, приведенные на фиг.1, относятся к предмету изобретения. Элементы 9, 21, 22, 23 известны из прототипа и аналогов. Элементы 6, 7, 8, 10, 11, 12, 17, 18, 19, 20 и связи между ними являются новыми.

Перемычка 6 установлена между проводом 1 первой фазы с поврежденной изоляцией и проводом 2 второй фазы с неповрежденной изоляцией в конце линии на расстоянии L от источника питания 4. Перемычка 7 установлена между проводом 3 третьей фазы с неповрежденной изоляцией и землей вблизи источника питания 4. Перемычка 8 установлена между проводом 3 третьей фазы с неповрежденной изоляцией и землей в конце линии электропередачи.

Известный коммутационный аппарат 9 соединяет нулевую точку источника питания 4 с землей [1, с. 120 и 121, рис.61]. Если источник питания не имеет нулевой точки, то этот аппарат 9 соединяет с землей фазу 2 с неповрежденной изоляцией (на фиг.1 показано пунктиром, причем точка М может располагаться как справа, так и слева от выключателя 5 [2]). Дополнительные коммутационные аппараты 10, 11, 12 включены каждый в соответствующих фазах между выключателем 5 и проводами 1, 2, 3 линии электропередачи в ее начале.

Измерительный блок 24 подсоединяется к трансформаторам тока и напряжения так, чтобы фиксировать напряжение между первой фазой с поврежденной изоляцией и второй фазой с неповрежденной изоляцией, а также токи указанных фаз. Первичная обмотка согласующего трансформатора 17 подключена к трансформатору тока 13 первой фазы с неповрежденной изоляцией. Вывод один вторичной обмотки согласующего трансформатора 17 подключен к выводу 1 первого активно-индуктивного сопротивления 19 и вводу 1 первого выпрямителя 21. Ввод 2 этого выпрямителя присоединен к выводу 2 сопротивления 19 и выводу 2 первой вторичной обмотки второго согласующего трансформатора 18, вывод 1 которой подключен к выводу 1 вторичной обмотки первого согласующего трансформатора 17.

Первичная обмотка второго согласующего трансформатора 18 присоединена к трансформатору тока 14 второй фазы с неповрежденной изоляцией. Первый вывод второй вторичной обмотки согласующего трансформатора 18 присоединен к выводу 1 второго активно-индуктивного сопротивления 20 и к вводу 1 второго выпрямителя 22. Ввод 2 этого выпрямителя подключен к первой фазе вторичной обмотки трансформатора напряжения 16, вторая фаза которого подключена к выводу 2 сопротивления 20 и выводу 2 второй вторичной обмотки согласующего трансформатора 18.

Выходы выпрямителей 21 и 22 подключены к входам 1 и 2 делителя 23.

Активно-индуктивные сопротивления выполнены каждое в виде последовательно соединенных резистора и катушки индуктивности. Первое активно-индуктивное сопротивление 19 выполнено так, что сумма активного сопротивления резистора и катушки индуктивности пропорциональна величине 2rL, a реактивное сопротивление катушки индуктивности пропорционально величине 2xL. Второе активно-индуктивное сопротивление выполнено так, что сумма активного сопротивления резистора и катушки индуктивности пропорциональна величине r, а реактивное сопротивление катушки индуктивности пропорционально х. При этом: r - активная составляющая удельного сопротивления прямой последовательности 1 км трехфазной линии электропередачи; х - реактивная составляющая этого сопротивления; L - длина линии.

Элементы 21, 22, 23 являются типовыми модулями аналоговой техники, остальные элементы схемы выполняются известным образом.

Благодаря показанному на фиг.1 подключению сопротивлений 19 и 20, падение напряжения на резисторе 19 пропорционально (I₁+I₂)z, а падение напряжения на резисторе 20 пропорционально I₂2zL, где I₁, I₂ токи соответственно первой фазы с поврежденной изоляцией и второй фазы с неповрежденной изоляцией, z - удельное сопротивление прямой последовательности 1 км трехфазной линии электропередачи, L - длина линии.

На вход выпрямителя 21 подается напряжение, пропорциональное (I₁+I₂)z, а на вход выпрямителя 22 подается напряжение, пропорциональное U₁₂+I₂2zL, где и U₁₂ - напряжение между первой фазой с поврежденной изоляцией и второй фазой с неповрежденной изоляцией. Эти напряжения выпрямляются выпрямителями 21 и 22 и делятся одно на другое в делителе 23, при этом частное от деления l_k имеет вид

Устройство работает следующим образом. Замыкание на землю может происходить в любой из трех фаз "a", "b" и "c" линии электропередачи. Фазе с поврежденной изоляцией, замкнувшейся на землю, присваивается индекс 1, а двум другим фазам с неповрежденной изоляцией индексы 2 и 3. Фаза с поврежденной изоляцией определяется известным образом по показаниям вольтметров в трех фазах вторичной цепи трансформатора напряжения [1]. При замыкании на землю фазы 1 с поврежденной изоляцией линию электропередачи отключают с помощью выключателя 5. После этого устанавливают в указанных местах перемычки 6, 7 и 8, отключают коммутационный аппарат 10. Измерительный модуль 24 подключают к трансформаторам тока 13 и 14 первой и второй фазы и к первой и второй фазе трансформатора напряжения 16. Затем включают коммутационный аппарат 9, затем выключатель 5, и фиксируют показание l_k делителя 23. Это показание пропорционально расстоянию от источника питания до места замыкания на землю фазы 1.

Технический результат в виде повышения точности определяется следующими факторами:
- отсутствует зависимость показаний устройства от величины сопротивления дуги или переходного сопротивления в месте короткого замыкания (по принципу действия);
- снижено влияние распределенных однофазных нагрузок линии электропередачи, поскольку при отключении третьей фазы с неповрежденной изоляцией отключаются все нагрузки, присоединенные между третьей фазой с неповрежденной изоляцией и первой фазой с поврежденной изоляцией, между третьей и второй фазами с неповрежденной изоляцией;
- снижено влияние токов поперечной проводимости вследствие отключения третьей фазы с неповрежденной изоляцией и замыкании ее на землю на противоположных концах;
- снижено индуктивное влияние контактной сети электрических железных дорог однофазного тока, поскольку при отключении третьей фазы с неповрежденной изоляцией и замыкании ее на землю на противоположных концах линии электропередачи, провод этой фазы выполняет роль экранирующего провода.

Способ 2
Известен способ определения удаленности места повреждения изоляции одной фазы линии электропередачи путем замыкания на землю нулевой точки трансформатора, питающего трехфазную линию электропередачи для электроснабжения автоблокировки, измерения фазного напряжения U₁ и тока I₁ провода с поврежденной изоляцией и вычисления параметра Z₁ по формуле

на основании которого судят об удаленности места повреждения изоляции [1, с. 121 и 122].

Известна также разновидность этого способа определения удаленности места повреждения изоляции путем замыкания на землю не нулевой точки, а другой фазы с неповрежденной изоляцией, измерении линейного напряжения U₁₂ между этими фазами и тока I₁ провода с поврежденной изоляцией и вычисления параметра Z₁₂ по формуле

на основании которого судят об удаленности места повреждения изоляции [2].

Обоим разновидностям этого способа присущ существенный недостаток, заключающийся в том, что при замыкании на землю через большое переходное сопротивление или электрическую дугу пропорциональность между параметрами Z₁ или Z₁₂ и расстоянием до места повреждения пропадает, погрешность определения места удаленности повреждения становится очень большой и "не обеспечивает требуемой точности и надежности измерений" [1, с. 123].

Известен способ определения удаленности места повреждения изоляции одной фазы линии электропередачи с заземленной нейтралью путем измерения напряжения U тока I и фазового угла ϕ между ними и вычислении параметра N по формуле

на основании которого судят об удаленности места повреждения изоляции, причем в качестве напряжения U используется фазное напряжение, а в качестве тока I величина I=I_ф+к₀3I₀, где I_ф - фазный ток провода с поврежденной изоляцией, I₀ - ток нулевой последовательности, к₀ - коэффициент компенсации тока нулевой последовательности [3, с. 6-8].

Погрешность определения удаленности места повреждения при наличии переходного сопротивления в этом способе по сравнению с предыдущим снижена. Однако погрешность из-за наличия несимметричных, неравномерно подключенных нагрузок, токов поперечной емкостной проводимости и индуктивного влияния контактной сети остается достаточно большой.

Известен способ определения удаленности места повреждения изоляции одной фазы линии электропередачи с заземленной нейтралью путем измерения модуля напряжения U_A фазы с поврежденной изоляцией, токов I_A, I_B, I_C всех трех фаз линии электропередачи, фазового угла ϕ между напряжением и током фазы с поврежденной изоляцией, вычисления функции
|U_z| = |I_AZ_A+I_BZ_AB+I_CZ_AC|
и определении удаленности места повреждения изоляции по формуле

где l_к - расстояние от питающего конца до места однофазного короткого замыкания; ν - угол между векторами U_Z и U_А; Z_А, Z_АВ, Z_АС - собственное и взаимное удельное сопротивления 1 км трехфазной линии электропередачи [4, с. 162 и 163].

Этот способ мало реагирует на величину переходного сопротивления в месте повреждения. Он не реагирует на несимметрию нагрузки только в том случае, если такая несимметрия сохраняется по всей длине линии электропередачи от питающего конца до места повреждения. Однако в линии электропередачи для электроснабжения автоблокировки такое условие не соблюдается из-за неравномерности распределения нагрузки по фазам и по длине. Поэтому погрешность от этого явления сохраняется, так же как погрешность от наведенного напряжения контактной сети и токов поперечной емкостной проводимости.

Техническим результатом является повышение точности определения места однофазного замыкания на землю.

Сущность изобретения заключается в том, что для определения удаленности однофазного замыкания на землю трехфазной линии электропередачи с изолированной или компенсированной нейтралью с односторонним питанием путем определения замкнувшейся фазы, замыкания на землю нулевой точки или одной из неповрежденных фаз источника питания и измерения параметров аварийного режима определяют первую фазу с поврежденной изоляцией, отключают линию от источника питания, размыкают питающий конец провода второй фазы с неповрежденной изоляцией, перемыкают между собой накоротко провода первой фазы с поврежденной изоляцией и второй фазы с неповрежденной изоляцией возле источника питания и на известном расстоянии на противоположном конце линии электропередачи, размыкают питающий конец провода третьей фазы с неповрежденной изоляцией и соединяют его с землей возле источника питания и на противоположном конце линии электропередачи, подключают к земле нулевую точку или вывод второй фазы с неповрежденной изоляцией или третьей фазы с неповрежденной изоляцией источника питания, подключают первую фазу с поврежденной изоляцией линии электропередачи к источнику питания, измеряют значения токов проводов первой фазы с поврежденной изоляцией и второй фазы с неповрежденной изоляцией линии электропередачи и определяют расстояние до места однофазного замыкания на землю по формуле

где l_k - расстояние от источника питания до места однофазного замыкания на землю первой фазы с поврежденной изоляцией;
L - расстояние от источника питания до противоположного конца линии электропередачи;
I₁ - ток провода первой фазы с поврежденной изоляцией;
I₂ - ток провода второй фазы с неповрежденной изоляцией.

Сущность изобретения поясняется схемой, приведенной на фиг.2, на которой приняты следующие обозначения:
1 - первая фаза (провод) линии с поврежденной изоляцией в точке К на удалении l_k источника питания;
2, 3 - соответственно вторая и третья фазы линии электропередачи с неповрежденной изоляцией;
4 - источник питания;
5 - выключатель трехфазный;
6, 7, 8, 9 - первая, вторая, третья и четвертая перемычки-закоротки;
10, 11, 12, 13 - коммутационные аппараты с индивидуальными проводами;
14, 15, 16 - трансформаторы тока.

При замыкании на землю в точке К провода первой фазы 1 с поврежденной изоляцией последовательно осуществляют следующие операции:
1. Определяют первую фазу линии электропередачи с поврежденной изоляцией, замкнувшуюся на землю, известным образом (при помощи трех вольтметров, подключенных к трансформатору напряжения [1, с. 105]).

2. Отключают линию электропередачи от источника питания известным образом с помощью трехфазного выключателя 5.

3. Размыкают питающий конец провода второй фазы с неповрежденной изоляцией с помощью, например, коммутационного аппарата 11.

4. Перемыкают между собой накоротко провода первой фазы с поврежденной изоляцией и второй фазы с неповрежденной изоляцией возле источника питания и на известном расстоянии на противоположном конце линии электропередачи с помощью, например, перемычек 6 и 9.

5. Размыкают питающий конец провода третьей фазы с неповрежденной изоляцией с помощью, например, коммутационного аппарата 10.

6. Соединяют провод третьей фазы с неповрежденной изоляцией с землей возле источника питания и на противоположном конце линии электропередачи с помощью, например, перемычек 7 и 8.

7. Подключают к земле нулевую точку или вывод М второй или третьей фаз с неповрежденной изоляцией источника питания с помощью, например, коммутационного аппарата 13, причем точка М может располагаться как справа, так и слева от выключателя 5.

8. Подключают первую фазу с поврежденной изоляцией линии электропередачи к источнику питания с помощью, например, выключателя 5;
9. Измеряют значения токов проводов первой 1 фазы с поврежденной изоляцией и второй 2 фазы с неповрежденной изоляцией линии электропередачи (с использованием трансформаторов тока 15 и 16).

10. Определяют расстояние до места однофазного замыкания на землю по приведенной формуле.

Операции 1, 2, 7, 9 известны, остальные операции являются новыми.

Положительный эффект (повышение точности) достигается за счет следующих факторов:
- отключение провода 3 от источника питания приводит к отключению всех однофазных нагрузок, подключенных между проводами 3 и 1, 3 и 2, что снижает составляющую нагрузок в токах I₁ и I₂;
- отключение провода 3 от источника питания и соединение его с землей по концам линии существенно снижает составляющую поперечной емкостной проводимости в токах I₁ и I₂;
- отключенный от источника питания и соединенный с землей в начале и в конце линии электропередачи провод 3 с неповрежденной изоляцией выполняет роль экранирующего провода [5, с. 434-436] и поэтому существенно снижает индуктивное влияние контактной сети;
- отключение провода 2 с неповрежденной изоляцией от источника питания и перемыкание его с проводом 1 с поврежденной изоляцией в начале и конце линии электропередачи приводит к отключению всех однофазных нагрузок, подключенных между этими проводами, что снижает составляющую нагрузок в токах I₁ и I₂;
- перемыкание проводов 1 и 2 в начале и конце линии и использование указанной последовательности операций полностью исключает влияние электрической дуги или переходного сопротивления в месте повреждения.

Обоснование способов 1 и 2 и устройства
Обоснование предложенных способов и устройства осуществляется на основании схемы, приведенной на фиг.3, где обозначены:
1 - первая фаза (провод) линии c поврежденной изоляцией в точке К на удалении l_k от источника питания;
2, 3 - соответственно вторая и третья фазы (провода) линии с неповрежденной изоляцией;
4 - источник питания.

Для контура "abcKd" на основании второго закона Кирхгофа имеем
U₁₂= ΔU_ab+ΔU_bc+ΔU_cK+ΔU_Kd, (3)
где ΔU_ab, ΔU_bc, ΔU_cK, ΔU_Kd - падения напряжения в проводах фаз 1 и 2 соответственно на участках "ab", "bc", "cK", "Kd".

При вычислении этих падений напряжения необходимо учитывать не только собственные сопротивления проводов, но и сопротивления, обусловленные их взаимным индуктивным влиянием [5]. Для схемы, приведенной на фиг.3, с учетом направлений токов I₁ и I₂ и направления обхода контура "аabcКd" имеем

где z_L - сопротивление одного километра контура "провод - земля"; z_м - сопротивление взаимоиндукции 1 км двух контуров "провод - земля" [5, 6].

Подставив выражения (4) в формулу (3), получим

Согласно [6, с. 25] имеет место соотношение
z=z_L-z_м, (6)
где z - удельное сопротивление прямой последовательности 1 км трехфазной линии электропередачи.

Подставив выражение (6) в (5), получим формулу (1) для способа 1 и устройства.

В способе 2 точка "d" отсоединена от источника питания и присоединена к точке "а". При этом имеем U₁₂=0. Подставив это значение U₁₂ в выражение (5) и имея в виду соотношение (6), получим для способа 2 формулу (2). Поскольку провода линии во всех трех фазах выполнены одинаковыми проводами, то фазовые углы токов I₁ и I₂ в способе 2 также являются одинаковыми. Поэтому в формуле (2) используются не комплексные значения токов, а их модули.

Этим доказывается принцип действия и работоспособность предложенных способов и устройства.

Источники информации
1. Герман Л. А., Векслер М.И., Шелом И.А. Устройства и линии электроснабжения автоблокировки. - М.: Транспорт, 1987, 192 с.

2. Фигурнов Е. П. , Тептиков Н.Р. Определение удаленности замыканий в высоковольтных линиях автоблокировки. В кн.: Релейная защита и автоматика устройств электроснабжения железных дорог Межвузовский сборник трудов. Ростовский институт инженеров ж-д. транспорта, вып.144. Ростов-на-Дону, РИИЖТ, 1978, с. 81-86.

3. Айзенфельд А.И., Аронсон В.Н., Гловацкий В.Г. Фиксирующий индикатор сопротивления ФИС. - М.: Энергоатомиздат, 1987, 64 с.

4. Авт.св. СССР N 161410. Устройство для определения места короткого замыкания в контактной сети железных дорог переменного тока. / Е.П. Фигурнов, Ю. Я. Самсонов. К_п. G 01 r; 21 e, 29/10; В 61 т; 20 К, 20. 787278/24-7. Заявка 16.07.62. опубл. 19.03.64, Бюл. 7.

5. Марквардт К. Г. Энергоснабжение электрических железных дорог. - М.: Транспорт, 1965.

6. Лосев С.Б., Чернин А.Б. Вычисление электрических величин в несимметричных режимах электрических систем. - М.: Электроатомиздат, 1983.

Использование: на электрифицированных железных дорогах для определения удаленности однофазного замыкания на землю в трехфазных линиях электроснабжения автоблокировки. Технический результат заключается в повышении точности определения удаленности места однофазного замыкания на землю. Способ 1 заключается в том, что определяют первую замкнувшуюся фазу, отключают линию, перемыкают между собой накоротко провода первой и второй фаз на известном расстоянии в конце линии, соединяют провод третьей фазы с землей в начале и в конце линии, подключают к земле нулевую точку или вывод второй фазы источника питания, подключают провода первой и второй фаз к источнику питания, измеряют напряжения на выводах источника питания между первой и второй фазами, а также значения токов проводов этих фаз и определяют удаленность места однофазного замыкания на землю по приведенной в описании формуле. В способе 2 определяют первую фазу замкнувшейся линии, отключают линию, перемыкают между собой провода первой и второй фаз в начале и конце линии, размыкают питающий конец провода третьей фазы и соединяют его с землей в начале и конце линии, подключают к земле нулевую точку или вывод второй или третьей фазы источника питания, подключают первую фазу к источнику питания, измеряют токи проводов первой и второй фаз линии и определяют расстояние до места однофазного замыкания на землю по приведенной в описании формуле. Устройство содержит трансформатор напряжения, три трансформатора тока, четыре однофазных коммутационных аппарата, три перемычки и измерительный модуль, содержащий два согласующих трансформатора, два активно-индуктивных сопротивления, два выпрямителя и делитель. Измерительный модуль подключается к трансформаторам тока первой и второй фаз и выводам этих фаз на вторичной стороне трансформатора напряжения. 3 с.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения удаленности места однофазного замыкания в трехфазной линии электропередачи с изолированной или компенсированной нейтралью и односторонним питанием путем определения фазы с поврежденной изоляцией, замыкания на землю нулевой точки или одной из неповрежденных фаз источника питания и измерения параметров аварийного режима, отличающийся тем, что при возникновении однофазного замыкания на землю определяют первую фазу с неповрежденной изоляцией, отключают линию электропередачи от источника питания, на известном расстоянии в конце линии электропередачи перемыкают между собой накоротко провод первой фазы с поврежденной изоляцией и провод второй фазы с неповрежденной изоляцией, размыкают питающий конец провода третьей фазы с неповрежденной изоляцией и соединяют его с землей возле источника питания и на противоположном конце линии электропередачи, подключают к земле нулевую точку или вывод второй фазы источника питания, подключают первую фазу с поврежденной изоляцией и вторую фазу с неповрежденной изоляцией линии электропередачи к источнику питания, измеряют напряжение на выводах источника питания между первой фазой с поврежденной изоляцией и второй фазой с неповрежденной изоляцией, а также значения токов проводов указанных фаз линии и определяют расстояние до места однофазного замыкания на землю по формуле

где 1_к - расстояние от источника питания до места однофазного замыкания на землю первой фазы с поврежденной изоляции;
U₁₂ - напряжение на выводах источника питания между первой фазой с поврежденной изоляцией и второй фазой с неповрежденной изоляцией;
1₁ - ток первой фазы с поврежденной изоляцией;
1₂ - ток второй фазы с неповрежденной изоляцией;
z - удельное сопротивление прямой последовательности 1 км трехфазной линии электропередачи;
L - расстояние от источника питания до противоположного конца линии электропередачи. 2. Устройство для определения удаленности места однофазного замыкания в трехфазной линии электропередачи с изолированной или компенсированной нейтралью и односторонним питанием, содержащее трехфазный или три однофазных трансформатора напряжения, подключенных к выводам источника питания, трансформаторы тока в трех фазах, первый коммутационный аппарат, соединяющий нулевую точку или одну из неповрежденных фаз источника питания с землей и измерительный модуль, включающий два выпрямителя, выводы которых подключены к блоку деления, отличающееся тем, что в него дополнительно включены второй, третий и четвертый коммутационный аппараты с индивидуальными приводами и три перемычки, а в измерительном модуле - первый согласующий трансформатор и второй согласующий трансформатор с двумя вторичными обмотками, а также первое и второе активно-индуктивное сопротивление, при этом второй, третий и четвертый коммутационные аппараты с индивидуальными приводами включены каждый между выводами источника питания и проводом линии электропередачи соответствующей фазы, первая перемычка включена на противоположном от источника питания конце линии электропередачи между проводом первой фазы с поврежденной изоляцией и проводом второй фазы с неповрежденной изоляцией, вторая перемычка включена между проводом третьей фазы с неповрежденной изоляцией и землей возле источника питания, а третья перемычка - между этим же проводом и землей на противоположном конце линии, в измерительном модуле первичная обмотка первого согласующего трансформатора подключена к трансформатору тока первой фазы с поврежденной изоляцией, к первому выводу его вторичной обмотки подключен первый вывод первого активно-индуктивного сопротивления и первый ввод первого выпрямителя, вывод которого подключен к первому входу делителя, а второй ввод присоединен ко второму выводу первого активно-индуктивного сопротивления и второму выводу первой вторичной обмотки второго согласующего трансформатора, первый вывод которой соединен со вторым выводом вторичной обмотки первого согласующего трансформатора, первичная обмотка второго согласующего трансформатора к трансформатору тока второй фазы с неповрежденной изоляцией, а первый вывод второй вторичной обмотки присоединен к первому выводу второго активно-индуктивного сопротивления и к первому вводу второго выпрямителя, выход которого подключен ко второму входу делителя, а второй ввод присоединен к первой фазе вторичной обмотки трансформатора напряжения, вторая фаза которого присоединена к вторым выводам второго активно-индуктивного сопротивления и второй вторичной обмотки второго согласующего трансформатора, причем активно-индуктивные сопротивления выполнены в виде последовательно соединенных резистора и катушки индуктивности, при этом в первом активно-индуктивном сопротивлении сумма активных сопротивлений резистора и катушки индуктивности пропорциональна величине 2rL, а реактивное сопротивление катушки индуктивности пропорционально величине 2xL, во втором активно-индуктивном сопротивлении сумма активных сопротивлений резистора и катушки индуктивности пропорциональна величине г, а реактивное сопротивление катушки индуктивности пропорционально х, где r - активная составляющая удельного сопротивления прямой последовательности 1 км трехфазной линии электропередачи, х - реактивная составляющая этого сопротивления, L - длина линии. 3. Способ определения удаленности места однофазного замыкания в трехфазной линии электропередачи с изолированной или компенсированной нейтралью и односторонним питанием путем определения фазы с поврежденной изоляцией, замыкания на землю нулевой точки или одной из неповрежденных фаз источника питания и измерения параметров аварийного режима, отличающийся тем, что при возникновения однофазного замыкания на землю определяют первую фазу с поврежденной изоляцией, отключают линию электропередачи от источника питания, размыкают питающий конец провода второй фазы с неповрежденной изоляцией, перемыкают между собой накоротко провода первой фазы с поврежденной изоляцией и второй фазы с неповрежденной изоляцией возле источника питания и на известном расстоянии на противоположном конце линии электропередачи, размыкают питающий конец провода третьей фазы с неповрежденной изоляцией и соединяют его с землей возле источника питания и на противоположном конце линии электропередачи, подключают к земле нулевую точку или вывод второй фазы с неповрежденной изоляцией или третьей фазы с неповрежденной изоляцией источника питания, подключают первую фазу с поврежденной изоляцией линии электропередачи к источнику питания и измеряют значения токов проводов первой фазы с поврежденной изоляцией и второй фазы с неповрежденной изоляции линии электропередачи и определяют расстояние до места однофазного замыкания на землю по формуле

где 1_к - расстояние от источника питания до места однофазного замыкания на землю первой фазы с поврежденной изоляцией;
L - расстояние от источника питания до противоположного конца линии электропередачи;
I₁ - ток провода первой фазы с поврежденной изоляцией;
I₂ - ток провода второй фазы с неповрежденной изоляцией.