СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УДАЛЕННОСТИ ОДНОФАЗНОГО ЗАМЫКАНИЯ В ТРЕХФАЗНОЙ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ Российский патент 2005 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 несимметрию 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 предложенного способа поясняется чертежом.

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 121-122].

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, I_о - 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 1 определения удаленности места однофазного замыкания в трехфазной линии электропередачи с изолированной или компенсированной нейтралью и односторонним питанием путем определения фазы с поврежденной изоляцией, заземления на землю нулевой точки или одной из неповрежденных фаз источника питания и измерения параметров аварийного режима, в котором осуществляется следующая последовательность операций [4]:

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;

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;

4) размыкают питающий конец провода третьей фазы с неповрежденной изоляцией с помощью, например, коммутационного аппарата;

5) соединяют с землей провод третьей фазы с неповрежденной изоляцией в начале и в конце линии электропередачи перемычками;

6) подключают к земле нулевую точку или вывод М второй фазы с неповрежденной изоляцией источника питания с помощью коммутационного аппарата, причем точка М может быть расположена как справа, так и слева от выключателя;

7) подключают первую фазу с поврежденной изоляцией и вторую фазу с неповрежденной изоляцией линии электропередачи к источнику питания с помощью выключателя;

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 и трансформатора напряжения;

9) 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.

Недостатками этого способа являются:

1) сложность реализации и сложность алгоритма. Сложность реализации заключается в необходимости устанавливать три перемычки и переоборудовать трехфазный разъединитель (10, 11, 12 фиг.1 патента [4]), поскольку известный способ 1 предполагает, что каждая фаза разъединителя имеет индивидуальный привод и может размыкаться и замыкаться независимо от положения разъединителя в других фазах (пофазное управление). В то же время высоковольтные разъединители линии электропередачи для электроснабжения автоблокировки оборудованы типовыми трехфазными разъединителями, все фазы которого управляются одним приводом и могут быть одновременно либо все включены, либо все выключены [1]. Промышленность не выпускает трехфазных разъединителей на напряжение 6-10 кВ (такое напряжение применяется в упомянутых линиях электропередачи) с пофазным управлением.

2) Сложность алгоритма заключается в том, что в числителе и знаменателе требуются операции с векторными величинами.

В предложенном изобретении применяется типовой трехфазный разъединитель, третья фаза линии электропередачи с неповрежденной изоляцией отдельно от двух других фаз не отключается, вместо трех используется только одна перемычка, приведенная формула (алгоритм) вычисления расстояния до места повреждения учитывает все особенности электрической цепи, является неочевидной и новой, обеспечивает высокую точность.

Техническим результатом является повышение точности и упрощение 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 путем определения фазы с поврежденной изоляцией, замыкания на землю нулевой точки или одной из неповрежденных фаз источника питания, перемыкания в конце линии накоротко проводов поврежденной фазы и второй из неповрежденных фаз и измерения параметров аварийного режима, при возникновении однофазного замыкания на землю определяют первую фазу с поврежденной 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, подключают к земле нулевую точку или вывод третьей фазы источника питания, подключают линию электропередачи к источнику питания, измеряют ток первой фазы с поврежденной изоляцией, ток второй фазы с неповрежденной изоляцией и фазовые углы этих токов относительно напряжения между упомянутыми первой и второй фазами линии электропередачи, и определяют расстояние до места однофазного замыкания на землю по формуле:

где l_k - расстояние от питающего конца до места однофазного короткого замыкания;

L - расстояние от источника питания до противоположного конца линии;

I₁ - модуль тока первой фазы с поврежденной изоляцией;

ϕ₁ - фазовый угол тока I₁ относительно напряжения между первой и второй фазами;

I₂ -модуль тока второй фазы с неповрежденной изоляцией;

ϕ₂ - фазовый угол тока I₂ относительно того же напряжения;

α - аргумент, зависящий от конструктивных параметров линии электропередачи.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где приняты следующие обозначения:

1 - провод первой фазы с поврежденной изоляцией линии электропередачи;

2, 3 - провода соответственно второй и третьей фазы с неповрежденной изоляцией той же линии электропередачи;

4 - источник питания;

5 - трехфазный высоковольтный выключатель;

6 - трехфазный разъединитель;

7 - коммутационный аппарат;

8, 9, 10 - трансформаторы тока;

11 - трансформатор напряжения;

12 - перемычка (закоротка).

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 4 известным образом с помощью трехфазных выключателей 5 и разъединителя 6;

3) перемыкают между собой накоротко провода первой фазы 1 с поврежденной изоляцией и второй фазы 2 с неповрежденной изоляцией в конце линии электропередачи на известном расстоянии L от источника питания 4 при помощи перемычки 12;

4) подключают к земле нулевую точку источника питания 4 или (показано пунктиром) вывод М третьей фазы с неповрежденной изоляцией этого источника с помощью коммутационного аппарата 7, причем точка М может быть расположена как слева, так и справа от разъединителя 6;

5) включают разъединитель 6 и выключатель 5;

6) измеряют ток первой фазы с поврежденной изоляцией, ток второй фазы с неповрежденной изоляцией и фазовые углы этих токов относительно напряжения между упомянутыми первой и второй фазами линии электропередачи с помощью измерительных трансформаторов тока 9,10 и напряжения 11;

7) определяют расстояние до места однофазного замыкания по приведенной формуле.

Операции 1, 2, 4, 5 известны, операции 3, 6 и 7 являются новыми.

Положительный эффект достигается за счет двух взаимосвязанных факторов: одновременного исключения операций а) - по размыканию питающего конца третьей фазы с неповрежденной изоляцией и установке двух заземляющих перемычек в этой фазе в начале и конце линии и б) - по использованию другой формулы (другого алгоритма вычисления удаленности повреждения). Удаление из прототипа такого существенного признака как “размыкают питающий конец провода третьей фазы с неповрежденной изоляцией и соединяют его с землей возле источника питания и на противоположном конце линии электропередачи” приводит к необходимости использовать новый существенный признак - упомянутую формулу для определения удаленности повреждения. При этом новый вид формулы (алгоритма) не является очевидным, а является новым.

Предложенный способ и формула (алгоритм) определения удаленности места однофазного замыкания на землю полностью отстроены (нечувствительны) от электромагнитного влияния контактной сети и переходного сопротивления в месте повреждения. Как известно, эти два фактора вызывают самую большую погрешность при определении удаленности места повреждения в линиях электропередачи для электроснабжения автоблокировки, достигающую 100 и более процентов. Предложенный способ на эти факторы не реагирует, чем и обеспечивается его высокая точность.

Возможность осуществления изобретения обеспечивается тем, что способ оперирует известными техническими средствами без их реконструкции по сравнению с типовыми конструкциями (выключатель, разъединитель, коммутационный аппарат, трансформаторы тока и напряжения, провода линии, источники питания в виде трансформатора). Предложенная формула (алгоритм) содержит лишь простейшие операции элементарной математики, легко реализуемые современными микропроцессорными средствами.

Теоретическое обоснование формулы (алгоритма) приведено в Приложении.

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. Патент RU 2186404. Способы и устройство для определения удаленности однофазного замыкания в трехфазной линии электропередачи (варианты). /Е.П.Фигурнов, А.С.Бочев, П.А.Бодров. Кл. 7 G 01 R 31/08. № 2001109805/09. Заявл. 11.04.2001, опубл. 27.07.2002, Бюл. № 24.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, используемой в трехфазных электрических сетях с изолированной или компенсированной нейтралью с односторонним питанием. Способ предусматривает определение при возникновении однофазного замыкания на землю первой фазы с поврежденной изоляцией, отключение линии электропередачи от источника питания, перемыкание между собой накоротко провода первой фазы с поврежденной изоляцией и провода второй фазы с неповрежденной изоляцией на известном расстоянии в конце линии электропередачи, подключение к земле нулевой точки источника питания или вывода одной из его фаз с неповрежденной изоляцией, подключение линии электропередачи к источнику питания и измерение параметров аварийного режима. В качестве неповрежденной фазы, подключаемой к земле, выбирают третью фазу с неповрежденной изоляцией. Из параметров аварийного режима измеряют ток первой фазы с поврежденной изоляцией, ток второй фазы с неповрежденной изоляцией и фазовые углы этих токов относительно напряжения между упомянутыми первой и второй фазами. Расстояние до места однофазного замыкания на землю определяют по аналитическому выражению, связывающему указанные параметры. Изобретение повышает точность и упрощает определение удаленности места однофазного замыкания на землю. 1 ил.

Способ определения удаленности места однофазного замыкания на землю в трехфазной линии электропередачи с изолированной или компенсированной нейтралью с односторонним питанием путем определения при возникновении однофазного замыкания на землю первой фазы с поврежденной изоляцией, отключения линии электропередачи от источника питания, перемыкания между собой накоротко провода первой фазы с поврежденной изоляцией и провода второй фазы с неповрежденной изоляцией на известном расстоянии в конце линии электропередачи, подключения к земле нулевой точки источника питания или вывода одной из его фаз с неповрежденной изоляцией, подключения линии электропередачи к источнику питания и измерения параметров аварийного режима, отличающийся тем, что в качестве неповрежденной фазы, подключаемой к земле, выбирают третью фазу с неповрежденной изоляцией, а из параметров аварийного режима измеряют ток первой фазы с поврежденной изоляцией, ток второй фазы с неповрежденной изоляцией и фазовые углы этих токов относительно напряжения между упомянутыми первой и второй фазами линии электропередачи, при этом расстояние до места однофазного замыкания на землю определяют по выражению

где l_к - расстояние от питающего конца до места однофазного замыкания,

L - расстояние от источника питания до противоположного конца линии,

I₁ - модуль тока первой фазы с поврежденной изоляцией,

ϕ₁ - фазовый угол тока I₁ относительно напряжения между первой и второй фазами,

I₂ - модуль тока второй фазы с неповрежденной изоляцией,

ϕ₂ - фазовый угол тока I₂ относительно того же напряжения,

α - аргумент, зависящий от конструктивных параметров линии электропередачи.