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 этом 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 электропередач 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 принудительно переводят в режим однофазного короткого замыкания путем соединения нулевой точки питающего трансформатора с землей [1, с. 120].

Сущность способа поясняется на фиг.1. Для обоснования способа служат фиг.2 и фиг.3.

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, измерения 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 вычисления 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 однофазного замыкания в трехфазной линии электропередачи [4], в котором осуществляется следующая последовательность операций: определяют первую фазу линии электропередачи с поврежденной изоляцией, замкнувшуюся на землю; отключают линию электропередачи от источника питания; перемыкают между собой накоротко провода первой фазы с поврежденной изоляцией и второй фазы с неповрежденной изоляцией в конце линии электропередачи на известном расстоянии L от источника питания при помощи перемычки; размыкают питающий конец провода третьей фазы с неповрежденной изоляцией с помощью, например, коммутационного аппарата; соединяют с землей провод третьей фазы с неповрежденной изоляцией в начале и конце линии электропередачи перемычками; подключают к земле нулевую точку или вывод второй фазы с неповрежденной изоляцией источника питания с помощью коммутационного аппарата; подключают первую фазу с поврежденной изоляцией и вторую фазу с неповрежденной изоляцией к источнику питания; измеряют напряжение U₁₂ на выводах источника питания между первой фазой с поврежденной изоляцией и второй фазой с неповрежденной изоляцией, а также значения токов I₁ и I₂ этих фаз; определяют расстояние l_k до места однофазного замыкания по формуле

где L - расстояние от источника питания до противоположного конца линии;

z - удельное сопротивление прямой последовательности 1 км трехфазной линии электропередачи.

Этот способ принят в качестве прототипа, он обеспечивает более высокую точность, чем предыдущие, однако при его использовании имеются погрешности из-за того, что в токах I₁ и I₂ сохраняются составляющие, обусловленные однофазными нагрузками, подключенными между первой фазой с поврежденной изоляцией и второй фазой с неповрежденной изоляцией, а также из-за наличия поперечной емкостной проводимости между первой и второй фазами, а также между второй фазой и землей.

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, отключения линии электропередачи, подключения к первой фазе с поврежденной изоляцией одного из полюсов источника питания и измерения параметров аварийного режима при возникновении однофазного замыкания на землю определяют первую фазу с поврежденной изоляцией, отключают линию электропередачи от источника трехфазного напряжения, замыкают на землю вторую и третью фазы с неповрежденной изоляцией при помощи перемычек в начале и конце линии электропередачи на известном расстоянии от ее начала, включают в начале линии электропередачи между первой фазой с поврежденной изоляцией и землей источник однофазного переменного напряжения, измеряют напряжение между первой фазой с поврежденной изоляцией и землей в начале линии электропередачи, ток в первой фазе и фазовый угол между этими напряжением и током, устанавливают значения постоянных коэффициентов А и В, зависящих от удельных параметров и длины линии электропередачи, по формулам

и определяют расстояние до места однофазного замыкания на землю по формуле

где x₁ - известное значение индуктивной составляющей удельного сопротивления контура “провод одной фазы-земля”, Ом/км;

z₂₃ - известное значение модуля удельного сопротивления контура “эквивалентный провод двух фаз-земля”, Ом/км;

α₂₃ - известное значение аргумента удельного сопротивления контура “эквивалентный провод двух фаз-земля”, ⁰эл.;

z_м - известное значение модуля удельного сопротивления взаимоиндукции между двумя контурами “провод-земля”, Ом/км;

α_м - известное значение аргумента удельного сопротивления взаимоиндукции между двумя контурами “провод-земля”, ⁰ эл.;

L - известное расстояние от начала до конца линии электропередачи, км;

l_к - определяемое расстояние от начала линии электропередачи до места однофазного замыкания, км;

U - измеренное значение напряжения между первой фазой с поврежденной изоляцией и землей в начале линии электропередачи, В;

I₁ - измеренное значение тока первой фазы с поврежденной изоляцией, А;

ϕ - измеренное значение фазового угла между напряжением U и током I₁, ⁰ эл.

Параметры x₁, z₂₃, α₂₃, z_м, α_м зависят от конструкции линии электропередачи и марки используемых проводов. Для каждой конкретной линии электропередачи значения этих параметров являются известными.

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_k от трехфазного источника питания;

2, 3 - соответственно вторая и третья фазы линии электропередачи с неповрежденной изоляцией;

4 - трехфазный источник питания;

5 - выключатель трехфазный;

6, 7, 8, 9 - соответственно первая, вторая, третья и четвертая заземляющие перемычки;

10 - разъединитель трехфазный;

11, 12 - дополнительные перемычки;

13 - источник однофазного переменного напряжения.

При замыкании на землю в точке К провода первой фазы 1 с поврежденной изоляцией осуществляют следующие операции:

1) определяют первую фазу линии электропередачи с поврежденной изоляцией, замкнувшуюся на землю, известным образом, например, при помощи трех вольтметров [1, с.105];

2) отключают линию электропередачи от источника питания 4 известным образом с помощью трехфазного выключателя 5 и разъединителя 10;

3) замыкают на землю фазы 2 и 3 с неповрежденной изоляцией в начале и конце линии электропередачи с помощью перемычек 6, 7, 8, 9;

4) включают в начале линии электропередачи между первой фазой с поврежденной изоляцией и землей источник однофазного переменного напряжения, например, 13;

5) измеряют напряжение между первой фазой с поврежденной изоляцией и землей в начале линии электропередачи, ток в первой фазе и фазовый угол между этими напряжением и током;

6) устанавливают значения постоянных коэффициентов А и В, зависящих от удельных параметров и длины линии электропередачи, по формулам

7) определяют расстояние до места однофазного замыкания на землю по формуле

где x₁ - известное значение индуктивной составляющей удельного сопротивления контура “провод одной фазы-земля”, Ом/км;

z₂₃ - известное значение модуля удельного сопротивления контура “эквивалентный провод двух фаз-земля”, Ом/км;

α₂₃ - известное значение аргумента удельного сопротивления контура “эквивалентный провод двух фаз-земля”, ⁰ эл.;

z_м - известное значение модуля удельного сопротивления взаимоиндукции между двумя контурами “провод-земля”, Ом/км;

α_м - известное значение аргумента удельного сопротивления взаимоиндукции между двумя контурами “провод-земля”,⁰ эл.;

L - известное расстояние от начала до конца линии электропередачи, км;

l_k - определяемое расстояние от начала линии электропередачи до места однофазного замыкания, км;

U - измеренное значение напряжения между первой фазой с поврежденной изоляцией и землей в начале линии электропередачи, В;

I₁ - измеренное значение тока первой фазы с поврежденной изоляцией, А;

ϕ - измеренное значение фазового угла между напряжением U и током I₀, ⁰ эл.

Операции 1, 2, 4 известны, остальные операции являются новыми. Положительный эффект (повышение точности) достигается за счет одновременного отключения от источника питания проводов 2 и 3 с неповрежденной изоляцией и соединения их с землей в начале и конце линии, при этом:

- отключаются все без исключения однофазные и трехфазные потребители, что исключает наличие составляющей нагрузки в токе I₁;

- полностью исключается влияние поперечной емкостной проводимости, поэтому составляющая тока утечки в токе I₁ отсутствует;

- повышается экранирующее действие заземленных проводов 2 и 3, поскольку их два, что снижает сопротивление экрана и уменьшает индуктивное влияние контактной сети [5, с.434-436];

- исключается влияние сопротивления дуги или переходного сопротивления в месте повреждения на точность определения расстояния до места замыкания на землю. Предложенный способ останется работоспособным, если на землю замкнуть не две, а только одну фазу с неповрежденной изоляцией (вторую или третью). Однако точность определения l_k при этом снижается. При замыкании на землю только одной фазы с неповрежденной изоляцией в формуле для определения А надо заменить z₂₃ на z₁ и α₂₃ на α₁.

Обоснование способа

Обоснование предложенного способа осуществляется на основании схем, приведенных на фиг.2 и фиг.3, где обозначены:

1 - первая фаза (провод) линии электропередачи с поврежденной изоляцией в точке К на удалении l_k от источника питания (начала линии электропередачи);

2, 3 - соответственно вторая и третья фазы (провода) линии электропередачи длиной L с неповрежденной изоляцией;

4 - источник однофазного переменного напряжения;

23 - эквивалентный провод двух фаз (второй и третьей) с неповрежденной изоляцией.

Удельное сопротивление 1 км контура “провод одной фазы-земля” обозначено z₁. Поскольку для проводов любой трехфазной линии выполняется транспозиция, то коэффициенты взаимоиндукции М и сопротивление взаимоиндукции z_м для каждой пары контуров принимаются одинаковыми. Формулы для вычисления значений z₁ и z_м приведены в [5, 6].

Расчетная схема линии электропередачи с замыканием на землю фазы 1 в точке К и с отключенными от трехфазного источника питания фазами 2 и 3, замкнутыми на землю в начале и конце линии электропередачи, приведены на фиг.2,а. При этом фазы 2 и 3 оказываются соединенными параллельно. Известно, что два контура “провод-земля” могут быть заменены одним контуром “ эквивалентный провод двух фаз-земля” [5]. Из-за транспозиции проводов линии электропередачи индуктивное влияние тока I₁ фазы 1 с поврежденной изоляцией на провода фаз 2 и 3 одинаково, поэтому сопротивление z₂₃ контура “эквивалентный провод двух фаз-земля” равно .

Расчетная схема, в которой провода 2 и 3 заменены эквивалентным 23, приведена на фиг.2,б. Рассмотрим два контура, первый из которых включает источник 4, провод 1, место замыкания К, землю и снова источник 4, а второй - это контур “эквивалентный провод двух фаз - земля”. Для них справедливы следующие уравнения в соответствии со вторым законом Кирхгофа

где I₁, I₂₃ - токи проводов соответственно 1 и 23;

R_д - переходное сопротивление в месте замыкания.

Значение тока в земле на участке l_k. обозначим I_N. Очевидно

С помощью выражения (2) в первом уравнении системы (1) исключаем I₂₃, а во втором - I₁. Получим

Этой системе уравнений соответствует схема замещения, приведенная на фиг.3а, которая преобразуется в схему, показанную на фиг.3б, где

Для схемы замещения, приведенной на фиг.3б, в соответствии со вторым законом Кирхгофа и с учетом выражения (4) имеем

Обозначим

С учетом обозначения (6) имеем вместо (5) , откуда

Поскольку , где I₁, ϕ - модуль и аргумент комплексной величины ; z_э, α - модуль и аргумент комплексной величины z_э, то, используя формулу Эйлера, вместо (7) получим

Т.к. l_к вещественно по определению, то член с сомножителем j равен нулю, т.е. Usin(ϕ-α)+I₁R_дsinα=0. Отсюда следует

Т.к. l_к вещественно, то с учетом выражения (8) получим

где x_э - индуктивная составляющая сопротивления z_э.

Значение x_э определяется из выражения (6):

где

Подставив выражение (10) в (9), получаем квадратное уравнение, решение которого имеет вид

Учитывая выражение (11), обозначим

что совпадает с выражениями для А и В, приведенными в формуле изобретения. Подставив выражения (13) в (12), получаем

что совпадает с выражением для l_к, приведенным в формуле изобретения.

Этим доказывается принцип действия и работоспособность предложенного способа.

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. //Релейная защита и автоматика устройств электроснабжения железных дорог./ Межвузовский сборник научных трудов. 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 РФ №2186404. Способы и устройство для определения удаленности однофазного замыкания в трехфазной линии электропередачи (варианты).//Фигурнов Е.П., Бочев А.С., Бодров П.А./ кл. 7 G 01 R 31/08, Заявка 11.04.2001 №2001109809/09 (0102263). Опубл.27.07.2002, Бюл.№21.

5. Марквардт К.Г. Энергоснабжение электрических железных дорог. М.: Транспорт, 1965. 464 с.

6. Лосев С.Б., Чернин А.Б. Вычисление электрических величин в несимметричных режимах электрических систем. М.: Энергоатомиздат, 1983. 528 с.

Изобретение относится к определению удаленности места однофазного замыкания в трехфазной линии электропередачи на электрифицированных железных дорогах. Определяют первую фазу с поврежденной изоляцией, отключают линию электропередачи от источника трехфазного напряжения. Замыкают на землю вторую и третью фазы с неповрежденной изоляцией при помощи перемычек в начале и конце линии электропередачи на известном расстоянии от ее начала. Иключают в начале линии электропередачи между первой фазой с поврежденной изоляцией и землей источник однофазного переменного напряжения. Измеряют напряжение между первой фазой с поврежденной изоляцией и землей в начале линии электропередачи, ток в первой фазе и фазовый угол между этими напряжением и током и определяют расстояние до места однофазного замыкания на землю. Технический результат - повышение точности определения удаленности места однофазного замыкания на землю. 3 ил.

Способ определения удаленности места однофазного замыкания в трехфазной линии электропередачи с изолированной или компенсированной нейтралью и односторонним питанием путем определения фазы с поврежденной изоляцией, отключения линии электропередачи, подключения к первой фазе с поврежденной изоляцией одного из полюсов источника питания и измерения параметров аварийного режима, отличающийся тем, что при возникновении однофазного замыкания на землю определяют первую фазу с поврежденной изоляцией, отключают линию электропередачи от источника трехфазного напряжения, замыкают на землю вторую и третью фазы с неповрежденной изоляцией при помощи перемычек в начале и конце линии электропередачи на известном расстоянии от ее начала, включают в начале линии электропередачи между первой фазой с поврежденной изоляцией и землей источник однофазного переменного напряжения, измеряют напряжение между первой фазой с поврежденной изоляцией и землей в начале линии электропередачи, ток в первой фазе и фазовый угол между этими напряжением и током, устанавливают значения постоянных коэффициентов А и В, зависящих от удельных параметров и длины линии электропередачи по формулам

и определяют расстояние до места однофазного замыкания на землю по формуле

где x₁ - известное значение индуктивной составляющей удельного сопротивления контура "провод одной фазы-земля", Ом/км;

z₂₃ - известное значение модуля удельного сопротивления контура "эквивалентный провод двух фаз-земля", Ом/км;

α₂₃ - известное значение аргумента удельного сопротивления контура "эквивалентный провод двух фаз-земля", эл.град.;

z_м - известное значение модуля удельного сопротивления взаимоиндукции между двумя контурами "провод-земля", Ом/км;

α_м - известное значение аргумента удельного сопротивления взаимоиндукции между двумя контурами "провод-земля", эл.град.;

L - известное расстояние от начала до конца линии электропередачи, км;

l_к - определяемое расстояние от начала линии электропередачи до места однофазного замыкания, км;

U - измеренное значение напряжения между первой фазой с поврежденной изоляцией и землей в начале линии электропередачи, В;

I₁ - измеренное значение тока первой фазы с поврежденной изоляцией, А;

ϕ - измеренное значение фазового угла между напряжением U и током I₁, эл.град.