СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ОДНОФАЗНОГО ЗАМЫКАНИЯ ФИДЕРА НА ЗЕМЛЮ В КАБЕЛЬНЫХ СЕТЯХ СРЕДНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2019 года по МПК G01R31/08 

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к автоматике распределительных кабельных сетей среднего напряжения, работающих с изолированной нейтралью, заземлением нейтрали через дугогасящий реактор (ДГР), заземлением нейтрали через высокоомный резистор или комбинированным заземлением нейтрали через ДГР и высокоомный резистор, и может быть использовано для дистанционного определения в on-line режиме места повреждения при всех разновидностях однофазных замыканий на землю (далее ОЗЗ) - кратковременных самоустраняющихся, дуговых и устойчивых - на кабельных линиях (фидерах), находящихся под рабочим напряжением.

До 50% вырабатываемой в стране электроэнергии распределяется потребителям по электрическим кабельным сетям среднего напряжения. Более 99% суммарной протяженности указанных сетей составляют распределительные электрические сети систем промышленного и городского электроснабжения напряжением 6-10 кВ. ОЗЗ являются преобладающим видом повреждений в кабельных сетях 6-10 кВ. Наиболее опасной разновидностью ОЗЗ являются дуговые перемежающиеся замыкания на землю (далее ДПОЗЗ), сопровождающиеся опасными для всей электрически связанной сети перенапряжениями (Лихачев Ф.А. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов. - М.: Энергия. - 1971; Халилов Ф.Х., Евдокунин Г.А., Поляков B.C. и др. Защита сетей 6-35 кВ от перенапряжений / Под ред. Ф.Х. Халилова, Г.А. Евдокунина, А.И. Таджибаева. - СПб.: Энергоатомиздат, 2002). Перенапряжения, возникающие при ДПОЗЗ, часто обуславливают переходы последних в двойные и многоместные замыкания на землю и многофазные короткие замыкания (далее КЗ) в месте повреждения и являются одной из основных причин аварий в кабельных сетях 6-10 кВ, приводящих к значительному экономическому ущербу для потребителей. Большая часть ОЗЗ (до 70% и более) в кабельных сетях 6-10 кВ имеет кратковременный самоустраняющийся характер ("мгновенные земли", "клевки земли"). Фиксацию места кратковременных самоустраняющихся ОЗЗ (далее КрОЗЗ) на контролируемом фидере можно использовать в целях диагностирования состояния изоляции кабелей и предотвращения аварийного отключения присоединений релейной защитой от КЗ. По данным исследований, проведенных в Московских кабельных сетях (Шалыт Г.М. Повышение эффективности профилактики изоляции в кабельных сетях 6-10 кВ // Труды ВНИИЭ. Вып. 8. - М.: Госэнергоиздат.- 1959. - С. 77-97), фиксацией КрОЗЗ и использованием информации о них для проведения высоковольтных испытаний поврежденного фидера можно предотвратить до 50% внезапных отключений кабельных линий электропередачи (далее ЛЭП). Поэтому быстрое определение места повреждения (далее ОМП) не только при устойчивых ОЗЗ (далее УОЗЗ), но и при всех других разновидностях замыканий на фидерах 6-10 кВ, находящихся под рабочим напряжением, - актуальная задача, решение которой позволяет не только сократить затраты времени на ликвидацию повреждения и восстановление нормального режима работы сети и потребителей, но и значительно снизить вероятность перехода ОЗЗ в КЗ, повышая за счет этого эксплуатационную надежность сети и надежность электроснабжения потребителей.

Задача дистанционного ОМП на ЛЭП достаточно просто решается в электрических сетях высокого и сверхвысокого напряжения, где применяется глухое заземление нейтрали и при замыканиях на землю возникают большие токи. Методы дистанционного ОМП, получившие наиболее широкое применение в высоковольтных электрических сетях, как правило, основаны на контроле параметров токов и напряжений установившегося режима КЗ (Определение мест повреждений линий электропередачи по параметрам аварийного режима / Г.М. Шалыт, А.И. Айзенфельд, А.С. Малый. Под. ред. Г.М. Шалыта. - М.: Энергоатомиздат, 1983; Арцишевский Я.Л. ОМП линий электропередачи в сетях с заземленной нейтралью. - М.: Высш. шк., 1988 и др.). Более общие способы дистанционного ОМП основаны на применении моделей контролируемых объектов и на контроле параметров токов и напряжений установившегося процесса КЗ (Патент РФ №2033622, МПК G01R 31/11, Н02Н 3/28, опубл. 20.04.1995; Патент РФ №2033623, МПК G01R 31/11, Н02Н 3/28, опубл. 20.04.1995). Однако указанные методы ОМП не могут быть использованы в электрических сетях среднего напряжения, работающих с малыми токами замыкания на землю, в целях дистанционного определения места ОЗЗ (далее ДОМЗЗ) из-за малых значений тока установившегося режима замыкания и отсутствия зависимости величины этого тока от удаленности до места повреждения фидера.

Кроме того, использование для решения задачи ДОМЗЗ токов и напряжений установившегося режима замыкания не позволяет определить место повреждения при наиболее опасных для сети ДПОЗЗ, а также при КрОЗЗ. Дистанционное определение места повреждения при всех разновидностях ОЗЗ, включая ДПОЗЗ и КрОЗЗ, возможно только при применении для решения рассматриваемой задачи методов, основанных на использовании электрических величин переходного процесса, возникающего в момент пробоя изоляции фазы сети на землю (Качесов В.Е. Метод определения зоны однофазного замыкания в распределительных сетях под рабочим напряжением / В.Е. Качесов // Электричество. - 2005. - №6. - С. 9-18; Воробьева Е.А. Информационные параметры электрических величин переходного процесса для определения места замыкания на землю в распределительных кабельных сетях напряжением 6-10 кВ / Е.А. Воробьева, Д.И. Ганджаев, Г.А. Филатова, В.А. Шуин // Вестник ИГЭУ. - 2017. - №. 2. - С. 34-42). К ним относятся также методы ДОМЗЗ, основанные на использовании параметров электрических величин переходного процесса и моделей контролируемой ЛЭП (Белянин А.А. Исследование и разработка средств локации замыканий на землю фидера распределительной сети: дис.… канд. техн. наук: 05.14.02 / Белянин Андрей Александрович. - Чебоксары, ЧТУ, 2015).

Известен способ определения расстояния до места однофазного замыкания в распределительных сетях (Патент РФ №2216749, МПК G01R 31/08, опубл. 20.11.2003), заключающийся в том, что на основе регистрации напряжения на поврежденной фазе в начале линии и его анализа определяют расстояние до места замыкания, в указанном анализе регистрируемого напряжения поврежденной фазы в переходном режиме замыкания на землю выделяют частоту, соответствующую частоте собственных колебаний при разряде фазной емкости поврежденной фазы, проверяют ее принадлежность расчетному диапазону частот для поврежденной линии и по зависимости расстояния до места замыкания от частоты собственных колебаний для данной линии и данной сети определяют расстояние до места замыкания.

Недостатками указанного способа являются зависимость частоты разрядных колебаний от текущего значения суммарной емкости на землю поврежденной фазы C_0Σ, и, следовательно, от режима работы сети, а также от переходного сопротивления в месте повреждения, что может обусловить значительные погрешности определения расстояния до места повреждения. В переходном напряжении, кроме разрядной, содержится также и зарядная составляющая, связанная с дополнительным зарядом емкостей неповрежденных фаз через индуктивность источника питания. При удаленных от шин ОЗЗ частотное разделение разрядной и зарядной составляющих переходного напряжения возможно не всегда, что также может быть причиной значительных погрешностей в оценке частоты разрядных колебаний и, соответственно, расстояния до места повреждения.

Известен способ определения расстояния до места однофазного замыкания в распределительных сетях (Патент РФ №2222026, МПК G01R 31/08, опубл. 20.01.2004), основанный на регистрации и анализе напряжения на поврежденной фазе на шинах пункта питания, указанный анализ проводят таким образом, что регистрируемое напряжение в начальный момент однофазного замыкания аппроксимируют полиномом второй степени, определяют модуль максимального значения производной в начале участка аппроксимации, нормируют по отношению к напряжению пробоя и по расчетной зависимости расстояния до места однофазного замыкания от максимума модуля нормированной производной напряжения для конкретной линии в данной сети определяют расстояние до места однофазного замыкания.

Недостатком указанного способа является зависимость максимума модуля нормированной производной напряжения поврежденной фазы не только от расстояния до места ОЗЗ, но и от суммарной емкости поврежденной фазы сети С_0Σ, величина которой может изменяться в значительных пределах при возможных в реальных условиях эксплуатации изменениях режимов работы сети. Максимальное значение производной напряжения поврежденной фазы зависит также от ряда других влияющих факторов, например, тока нагрузки фидера в режиме, предшествующем ОЗЗ, переходного сопротивления в месте повреждения, уменьшающих точность ДОМЗЗ. К недостаткам способа следует отнести также необходимость предварительного расчета для каждой ЛЭП контролируемой сети зависимости нормированного максимального значения производной напряжения поврежденной фазы от расстояния до места ОЗЗ, что практически возможно только в кабельных сетях с простой конфигурации и неизменным режимом работы. В реальных сложных по конфигурации и режимам работы кабельных сетях 6-10 кВ городского и промышленного электроснабжения для подобных расчетов необходимо иметь полную имитационную модель контролируемой сети, что ограничивает возможности определения места повреждения в on-line режиме, необходимого прежде всего при наиболее опасных для сети и поврежденного присоединения ДПОЗЗ.

Известен способ определения дальности до однофазного замыкания на землю в линиях электропередачи (Патент РФ №2499998, МПК G01R 31/08, опубл. 27.11.2013, Бюл. №33), основанный на одностороннем измерении напряжений и токов доаварийного и аварийного режимов, в котором осуществляют измерение максимальной амплитуды тока нулевой последовательности I_{0 max} на поврежденной линии после возникновения однофазного замыкания на землю и определение расстояния по значению мгновенного напряжения U_c на поврежденной фазе в момент возникновения однофазного замыкания не землю, по суммарной емкости С₀ нулевой последовательности всех линий, подключенных к шинам, по максимальной амплитуде тока нулевой последовательности I_{0 max} на поврежденной линии после возникновения однофазного замыкания на землю и по погонному индуктивному сопротивлению L_{погонное} нулевой последовательности линии электропередачи, на которой возникло однофазное замыкание на землю, в соответствии с выражением Д=U_c²*C₀/(I₀² _max*L_{погонное}).

Основным недостатком данного способа, как и рассмотренных выше, является то, что расчетная величина расстояния до места замыкания Д зависит от величины суммарной емкости С₀, которая может меняться в зависимости от режима работы сети, а также от переходного сопротивления в месте повреждения. В приведенном выше выражении для определения дальности Д до места ОЗЗ также не учитывается различие погонной индуктивности линии для составляющих нулевой и прямой последовательности, что может привести к значительным погрешностям в определении места ОЗЗ.

Известен способ дистанционного определения места однофазного замыкания на землю (Патент РФ №2637378, МПК G01R 31/08, опубл. 04.12.2017) путем одностороннего замера переходного напряжения u(t) на поврежденной фазе на шинах контролируемого объекта и переходного тока нулевой последовательности 3i₀(t) поврежденной линии, в котором дополнительно регистрируют скорость изменения переходного тока d3i₀(t)/dt, фиксируют все моменты t_0k переходов тока 3i₀(t) через нулевое значение, где k - порядковый номер перехода тока через нулевое значение, при этом определяют и фиксируют соответствующие моментам времени t_0k мгновенные значения напряжения на поврежденной фазе u(t_0k), скорости изменения тока d3i₀(t_0k)/dt, а затем по зафиксированным значениям напряжения на поврежденной фазе u(t_0k), скорости изменения тока и справочному значению погонной индуктивности для поврежденной линии L_n определяют расстояние l_з до места однофазного замыкания на землю в соответствии с выражением l_зk=u(t_0k)/(L_П⋅di₀(t_0k)/dt), при этом при наличии нескольких переходов тока нулевой последовательности поврежденной линии через нулевое значение расстояние до места однофазного замыкания на землю определяют как среднее из нескольких значений l_зk. В отличие от рассмотренных выше аналогов применение данного способа в целях ДОМЗЗ обеспечивает независимость замера расстояния до места повреждения от суммарной емкости поврежденной фазы C_0Σ сети и переходного сопротивления в месте повреждения.

Основным недостатком способа является существенное влияние на точность определения расстояния до места повреждения таких факторов, как собственный емкостный ток контролируемого фидера, величина тока нагрузки фидера в режиме, предшествующем ОЗЗ, погрешности первичных преобразователей напряжения и тока нулевой последовательности и др. Суммарная погрешность определения расстояния до места ОЗЗ за счет влияния указанных факторов в кабельных сетях 6-10 кВ может достигать 15-20% и более от длины ЛЭП, что не приемлемо прежде всего в городских распределительных сетях, содержащих магистральные линии с короткими кабельными участками между трансформаторными пунктами (ТП).

Наиболее близким аналогом к предполагаемому изобретению (прототипом) является способ определения места однофазного замыкания фидера на землю, основанный на применении модели контролируемой ЛЭП и принципа резистивности замыкания, предполагающего, что в месте замыкания энергия либо только потребляется, либо равна нулю (Патент РФ №2542745, МПК Н02Н 3/40, G01R 31/08, опубл. 27.02.2015). Согласно способу составляют модели двух частей фидера, первой - от места наблюдения до места предполагаемого замыкания и второй - от места предполагаемого замыкания до конца фидера, первую часть фидера моделируют по прямой и по нулевой последовательности, а вторую - только по нулевой последовательности, преобразуют в модели прямой последовательности безнулевые составляющие зафиксированных тока и напряжения поврежденной фазы в безнулевую составляющую напряжения поврежденной фазы в месте предполагаемого замыкания, преобразуют в модели нулевой последовательности первой части фидера нулевые составляющие зафиксированных токов и напряжений в напряжение нулевой последовательности в месте предполагаемого замыкания и в ток нулевой последовательности до этого места, суммируют два упомянутых напряжения, формируя напряжение поврежденной фазы в месте предполагаемого замыкания, подают напряжение нулевой последовательности в месте предполагаемого замыкания на вход модели нулевой последовательности второй части фидера и фиксируют ток на ее входе, который вычитают из тока нулевой последовательности до этого места, формируя ток предполагаемого замыкания, перемножают напряжение и ток в месте предполагаемого замыкания, формируя сигнал мгновенной мощности предполагаемого места замыкания, определяют знак этого сигнала и фиксируют реальное замыкание в том месте, где упомянутый сигнал в процессе своего изменения остается неотрицательным.

Преимуществами данного способа по сравнению с рассмотренным выше аналогами является независимость замера расстояния до места повреждения от суммарной емкости фазы сети на землю С_0Σ, уменьшение влияния на точность ДОМЗЗ переходного сопротивления в месте повреждения, обусловленное применением принципа резистивности замыкания, возможность учесть в модели контролируемого фидера погрешности, вносимые первичными преобразователями тока и напряжения. Однако способ имеет и существенные недостатки, ограничивающие область его возможного применения.

Недостатком способа является то, что для его реализации требуется иметь вектор наблюдений не только фазных напряжений, но и всех фазных токов, что, как правило, технически невозможно, так как в электрических сетях напряжением 6-10 кВ релейная защита от междуфазных КЗ, как правило, выполняется в двухфазном исполнении и поэтому установка фазных трансфораторов тока (далее ТТ) в средней фазе (фазе В) на кабельных ЛЭП не предусматривается. Кроме того, недостатком способа является то, что измеряемые фазными ТТ токи не содержат собственных емкостных токов поврежденного фидера с ОЗЗ, поэтому при достаточно больших значениях последних применяемый в данном способе алгоритм формирования тока предполагаемого замыкания может привести к значительной методической погрешности определения места ОЗЗ. Алгоритм рассмотренного способа предусматривает выполнение многократных расчетов с использованием зафиксированных отсчетов фазных токов и напряжений и модели контролируемого фидера при разных значениях аварийного параметра - расстояния до места ОЗЗ, что не позволяет использовать его для определения места повреждения в on-line режиме.

Из изложенного выше можно сделать вывод, что известные способы ДОМЗЗ, основанные на использовании электрических величин переходного процесса, в распределительных кабельных сетях 6-10 кВ не обеспечивают достаточную точность определения места повреждения вследствие влияния различных факторов, а область их возможного применения ограничена либо нестабильностью суммарной емкости фаз сети на землю, либо отсутствием технических возможностей для точных измерений фазных токов контролируемого фидера.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении точности определения места повреждения в on-line режиме при всех разновидностях ОЗЗ, включая ДПОЗЗ и КрОЗЗ, в распределительных кабельных сетях напряжением 6-10 кВ, работающих с малыми токами замыкания на землю.

Технический результат достигается тем, что в способе определения места однофазного замыкания фидера на землю в кабельных сетях среднего напряжения с использованием модели фидера от места наблюдения до места предполагаемого замыкания, включающий фиксацию на входе фидера фазных напряжений u_А, u_В, u_С и тока нулевой последовательности 3i₀, выявление поврежденной фазы, используют n моделей фидера в фазных координатах с заданными различными значениями расстояния до места однофазного замыкания на землю l_з1, l_з2, … l_зn, при этом выбирают n≥3, имитируют в каждой модели фидера на выявленной поврежденной фазе однофазное замыкание на землю, подают на входы в месте наблюдения каждой модели фидера зафиксированные фазные напряжения u_А, u_В, u_С, преобразуют входные фазные токи каждой модели во входные токи нулевой последовательности , , выделяют из зафиксированного тока нулевой последовательности на входе фидера 3i₀ и входных токов нулевой последовательности каждой модели фидера высокочастотные составляющие, определяют на заданном интервале времени наблюдения от момента возникновения замыкания на землю значения невязок ε₁, ε₂, … ε_n высокочастотных составляющих тока нулевой последовательности на входе фидера 3i₀ и высокочастотных составляющих входных токов нулевой последовательности каждой модели , по полученным значениям невязок находят аппроксимацию зависимости ε=ƒ(l_з) и вычисляют расстояние до предполагаемого места повреждения l_з.расч, при котором значение невязки ε минимальное.

В предлагаемом способе, как и в прототипе, используют модель фидера, фиксируют наблюдаемые на входах фидера фазные напряжения и ток нулевой последовательности и, при возникновении ОЗЗ, выявляют поврежденную фазу. В отличие от прототипа применяют не одну, а n моделей фидера в фазных координатах. Каждая из моделей в отличие от прототипа состоит не из двух, а из одной части - от места наблюдения до места предполагаемого замыкания и отличается от других моделей заданным значением аварийного параметра - заданным расстоянием до места однофазного замыкания на землю l_з1 l_з2, … l_зn. Для решения задачи ДОМЗЗ в предлагаемом способе в отличие от прототипа не используются фазные токи, для измерения которых необходимы ТТ во всех трех фазах, так как такие технические возможности в кабельных сетях 6-10 кВ, как правило, отсутствуют. В предлагаемом способе используют только ток нулевой последовательности 3i₀, измеряемый с помощью первичного преобразователя тока - кабельного трансформатора тока нулевой последовательности (далее ТТНП), устанавливаемого на каждом фидере. При возникновении ОЗЗ выявляют поврежденную фазу, имитируют в каждой из n моделей фидера на выявленной поврежденной фазе замыкание на землю в заданных точках, характеризуемых различными значениями расстояния до места повреждения l_з1, l_з2, … l_зn, подают на входы каждой из n моделей фидера зафиксированные фазные напряжения u_A, u_В, u_С, а возникающие при этом в каждой из n моделей фазные токи преобразуют в токи нулевой последовательности . В отличие от прототипа в предлагаемом способе в целях повышения точности ДОМЗЗ и уменьшения влияния на замер расстояния до места повреждения переходного сопротивления в месте замыкания используется не весь частотный спектр наблюдаемого тока 3i₀ и входных токов моделей , а только высокочастотные разрядные составляющие переходного тока, имеющие в кабельных сетях 6-10 кВ с частоту от 3 кГц и выше, параметры которых существенно зависят от удаленности места ОЗЗ от шин источника питания. Параметры среднечастотной составляющей переходного тока 3i₀, связанной с зарядной стадией переходного процесса при ОЗЗ, в кабельных сетях 6-10 кВ практически не зависят от расстояния до места повреждения и не могут быть использованы в качестве информационных величин для решения задачи ДОМЗЗ. Располагая значениями токов нулевой последовательности на входе фидера и на входах моделей, определяют значения невязок ε₁, ε₂, … ε высокочастотных составляющих тока 3i₀ и входных токов каждой из n моделей на заданном интервале времени наблюдения, включающем разрядную стадию переходного процесса при ОЗЗ. Полученные значения невязок и заданные для каждой из n моделей фидера значения l_з1, l_з2, … l_зn образуют зависимость величины невязки ε=ƒ(l_з). Аппроксимируя зависимость ε=ƒ(l_з) и используя полученную аппроксимацию, вычисляют расстояние до предполагаемого места повреждения l_з.расч, при котором значение ε минимальное.

Сущность изобретения поясняется графическими иллюстрациями.

На фиг. 1 представлена схема контролируемого объекта - трехфазного фидера в сети, работающей с изолированной нейтралью, с заземлением нейтрали через высокоомный резистор или ДГР, в одной из фаз которого возникло ОЗЗ.

На фиг. 2 представлена в общем виде одна из моделей фидера (k-я модель, k=1, 2, … n) с предполагаемым значением аварийного параметра l_з=l_{з k}.

На фиг. 3 представлена схема, в общем виде иллюстрирующая операцию вычисления значения невязки ε_k тока 3i₀ на входе фидера и тока на входе k-й модели.

На фиг. 4 приведена схема, иллюстрирующая в общем виде операции получения аппроксимации зависимости ε=ƒ(l_з).

На фиг. 5 приведены осциллограммы, полученные на модели кабельной сети с U_ном=6 кВ, суммарным емкостным током I_cΣ=30 А при ОЗЗ в кабельной линии длиной l_л=2 км на расстоянии от шин источника питания l_з=0,25l_л.

На фиг. 6 показана исходная зависимость ε=ƒ(l_з) и ее аппроксимация полиномом второго порядка (по трем точкам, которым соответствуют наименьшие по модулю значения невязок).

На графических иллюстрациях приняты следующие обозначения:

L_N - индуктивность ДГР (при работе сети с компенсацией емкостных токов);

R_N - сопротивление заземляющего резистора (при работе сети с заземлением нейтрали через высокоомный резистор);

- место ОЗЗ на фидере;

l_з - расстояние до места повреждения от начала фидера;

1 - первичный преобразователь тока нулевой последовательности (например, кабельный ТТНП);

2 - k-я модель фидера от места наблюдения до места предполагаемого замыкания;

l_зk - заданное расстояние до места замыкания в k-й модели фидера;

3 - фильтр, выделяющий высокочастотные составляющие тока 3i₀ на входе фидера;

4 - фильтр, выделяющий высокочастотные составляющие тока на входе k-й модели;

5 - блок вычисления невязки ε_k(Т_н) высокочастотных составляющих тока 3i₀ на входе фидера и тока на входе k-й модели на заданном интервале времени наблюдения Т_н переходного процесса при ОЗЗ.

6 - блок аппроксимации зависимости;

7 - блок вычисления расстояния до предполагаемого места повреждения l_з.расч с использованием аппроксимации функции ε=ƒ(l_з), определяемого из условия ε=0.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. Пусть рассматривается ОЗЗ на одной из фаз, например, фазе А, фидера длиной l_л на расстоянии l_з от шин источника питания (фиг. 1). На входе фидера наблюдают и фиксируют фазные напряжения u_A, u_В, u_C и ток нулевой последовательности 3i₀. Так как для определения расстояния до места повреждения по предлагаемому способу используют высокочастотные разрядные составляющие переходного тока, фиксацию фазных напряжений u_А, u_В, u_С и тока 3i₀ на входе фидера достаточно осуществить на интервале времени наблюдения Т_н, включающем разрядную стадию переходного процесса при ОЗЗ. В кабельных сетях 6-10 кВ длительность указанной стадии, как правило, составляет сотни микросекунд, поэтому с запасом время наблюдения Т_н за переходными напряжениями и токами при ОЗЗ может быть принято равным ~1 мс.

В момент возникновения ОЗЗ определяют поврежденную фазу, например, по практически скачкообразному снижению напряжения на ней и одновременному возрастанию напряжений на неповрежденных фазах.

Для определения расстояния до места повреждения в on-line режиме в предлагаемом способе используют n моделей фидера в фазных координатах от места наблюдения до места предполагаемого замыкания. Число моделей фидера, используемых в предлагаемом способе, выбирают n≥3 из условия обеспечения достаточной точности определения расстояния до места повреждения l_з.расч при ОЗЗ в любой точке контролируемого фидера. Для обеспечения погрешности определения l_з.расч, не превышающей 3-5% от действительного значения l_з, число используемых по данному способу моделей фидера n, как показал анализ результатов расчетов, выполненных на имитационных моделях кабельных сетей 6-10 кВ, должно быть не меньше 5-6.

Для моделирования фидера, представленного в общем виде на фиг. 2, в фазных координатах можно применить метод непрерывно-дискретного моделирования трехфазных элементов электроэнергетической системы, позволяющий представить фидер с ОЗЗ в форме общей системы дифференциальных уравнений состояния, учитывающих текущее состояние коммутационных элементов в цепи моделируемого элемента, в частности, замыкания на землю в одной из фаз (Шуин В.А., Фролова О.В. Имитационное моделирование электромагнитных переходных процессов в электрических системах с использованием непрерывно-дискретных моделей // Повышение эффективности работы ТЭС и энергосистем: Тр. ИГЭУ. Вып. 1. - Иваново, 1997. - С. 155-158; Фролова О.В. Разработка комплекса программных средств моделирования электромагнитных процессов в электроэнергетических системах для релейной защиты: дис. … канд. техн. наук: 05.14.02 / Фролова Ольга Васильевна. - Иваново, ИГЭУ, 1998). После возникновения ОЗЗ в каждой из n моделей фидера имитируют замыкание на выявленной поврежденной фазе и на заданном расстоянии l_з1, l_з2 … l_зn от входов моделей, а на входы каждой из моделей подают зафиксированные напряжения u_A, u_В, u_C. При подаче на входы напряжений u_A, u_В, u_С в каждой из моделей появляются фазные токи, которые преобразуют в токи нулевой последовательности

Из зафиксированного тока 3i₀ на входе фидера и полученных указанным выше способом входных токов моделей с помощью частотных фильтров 3 и 4 (фиг. 3) выделяют высокочастотные составляющие, соответствующие разрядной стадии переходного процесса при ОЗЗ в кабельных сетях 6-10 кВ. В указанных сетях разрядные составляющие переходных токов, как правило, имеют частоты от ~3 кГц и выше (Лихачев Ф.А. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов / Ф.А. Лихачев. - М.: Энергия. - 1971), поэтому должны применяться фильтры высокой частоты с полосой пропускания выше 3 кГц.

Отметим, что переходное сопротивление R_n в месте ОЗЗ в кабельных сетях 6-10 кВ в отличие от воздушных сетей среднего напряжения не оказывает существенного влияния на точность определения расстояния до места повреждения l_з.расч, так как в момент пробоя изоляции в кабелях величина R_n определяется только падением напряжения на электрической дуге, не превышающем 50-100 << (6000-10000)/√3 В (Беляков Н.Н. Исследование перенапряжений при дуговых замыканиях на землю в сетях 6 и 10 кВ с изолированной нейтралью / Н.Н. Беляков // Электричество. - 1957. - №5. - С. 31-36), и ее динамическим сопротивлением r_д, величина которого составляет тысячные доли Ома (Ширковец А.И. Исследование и моделирование электромагнитных процессов при замыканиях на землю в кабельных сетях с неэффективным заземлением нейтрали: дис. … канд. техн. наук: 05.14.12 / Ширковец Андрей Игоревич. - Новосибирск, Новосиб. гос. техн. ун-т, 2013. - 255 с). При указанном незначительном динамическом сопротивлении электрической дуги r_д в месте пробоя изоляции кабеля на землю высокочастотные разрядные токи части фидера, расположенной за местом замыкания, не влияют на высокочастотные разрядные токи в начале фидера, а влияние среднечастотных зарядных токов указанной части фидера на замер высокочастотных разрядных составляющих тока 3i₀ на входе фидера и входных токов моделей устраняется с помощью фильтров 3 и 4 (фиг. 3). Возможность применения моделей фидера, состоящих только из одной части - от места наблюдения до места предполагаемого замыкания, существенно упрощает реализацию предлагаемого способа.

Для уменьшения влияния на результаты определения расстояния до места повреждения l_з.расч угловых и амплитудных погрешностей первичных преобразователей тока и напряжения, возрастающих в переходных режимах, невязки высокочастотных составляющих тока 3i₀ на входе фидера и входных токов моделей определяются в блоке 5 (фиг. 3) как разность среднеквадратичных значений сравниваемых величин на интервале времени наблюдения Т_н по выражению

где k=1, 2, … n - номер модели фидера, ε_k - значение невязки тока 3i₀ на входе фидера и тока на входе k-й модели на интервале времени наблюдения.

В блоке 6 (фиг. 4) на основе заданных значений l_з1, l_з2 … l_зn и соответствующих им рассчитанных значений ε₁, ε₂, … ε_n вычисляют невязки тока 3i₀ на входе фидера и тока на входе k-й модели. Осциллограммы, приведенные на фиг. 5, иллюстрируют соотношения мгновенных значений высокочастотных составляющих тока 3i₀ на входе фидера и токов на входах 1-й, 2-й … n-й моделей (в рассматриваемом примере принято n=6) и максимальные среднеквадратичные значения невязок ε₁(Т_н),ε₂(Т_н)… ε_n(Т_н) на интервале времени наблюдения Т_н, включающем разрядную стадию переходного процесса при ОЗЗ.

Так как амплитуды высокочастотных разрядных составляющих переходного тока уменьшаются при увеличении удаленности места ОЗЗ от шин, то уменьшается и их среднеквадратичное значение на интервале времени наблюдения Т_н. Это означает, что для точек ОЗЗ в моделях фидера с l_зk<l_з значение невязки ε_k по (1) всегда отрицательно, а для точек ОЗЗ в моделях фидера с l_зk>l_з, наоборот, всегда положительно, при этом минимальное (по модулю) значение невязки ε_мин=0 (фиг. 6). Таким образом, искомому значению расстояния до места повреждения l_з.расч соответствует условие ε_мин=0, что существенно упрощает решение задачи.

В блоке 7 (фиг. 4) с использованием аппроксимирующей функции ε=ƒ(l_з) определяют расстояния до предполагаемого места повреждения l_з.расч, при котором значение ε_макс минимальное.

Задачу определения аппроксимирующей функции ε=ƒ(l_з) и последующего определения расстояния до места повреждения l_з.расч также можно существенно упростить, если ограничиться аппроксимацией только участка, включающего искомую точку с ε=0. Для этого из n расчетных точек ε₁(l_з1),ε₂(l_з2),…ε_n(l_зn) в блоке 8 (фиг. 4) выбираются 3 точки, которым соответствуют минимальные по модулю значения ε, что позволяет аппроксимировать на выбранном участке зависимость ε=ƒ(l_з) полиномом 2-го порядка (фиг. 6)

где а, b, с - коэффициенты аппроксимации.

Искомое расстояние до места повреждения l_з.расч определяют из решения уравнения (2) при ε=0 (фиг. 6). С использованием указанной аппроксимации зависимости ε=ƒ(l_з) для рассматриваемого примера (по трем точкам, которым соответствуют наименьшие по модулю значения невязок) определено расчетное расстояние до места повреждения l_з.расч ≈ 0,25l_л.

Преимуществом предложенного способа по сравнению с прототипом является возможность определения места повреждения в on-line режиме, что особенно важно при опасных для сети ДПОЗЗ. В предложенном способе отсутствует методическая ошибка, обусловленная в способе-прототипе влиянием собственного емкостного тока контролируемого фидера, не измеряемого как фазными ТТ, так и ТТНП на входе фидера. Область применения предложенного способа в отличие от прототипа не ограничена возможным отсутствием ТТ во всех трех фазах фидера, что, как правило, имеет место в кабельных сетях 6-10 кВ.

Таким образом, предложенный способ обеспечивает возможность повышения точности определения в on-line режиме расстояния до места замыкания фидера на землю в распределительных кабельных сетях среднего напряжения, работающих с малыми токами замыкания на землю, при всех разновидностях ОЗЗ, включая ДПОЗЗ и КрОЗЗ.

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для дистанционного определения в on-line режиме места повреждения при всех разновидностях однофазных замыканий на землю в кабельных сетях напряжением 6-10 кВ. Сущность: фиксируют на входе фидера фазные напряжения u_A, u_В, u_С и ток нулевой последовательности 3i_0. Выявляют поврежденную фазу. Используют n моделей фидера в фазных координатах с заданными различными значениями расстояния до места однофазного замыкания на землю l_з1, l_з2, … l_зn, где n≥3. Имитируют в каждой модели фидера на выявленной поврежденной фазе однофазное замыкание на землю. Подают на входы в месте наблюдения каждой модели фидера зафиксированные фазные напряжения u_A, u_В, u_С. Преобразуют входные фазные токи каждой модели во входные токи нулевой последовательности . Выделяют из зафиксированного тока нулевой последовательности на входе фидера 3i₀ и входных токов нулевой последовательности каждой модели фидера высокочастотные составляющие. Определяют на заданном интервале времени наблюдения от момента возникновения замыкания на землю значения невязок ε₁, ε₂, … ε_n высокочастотных составляющих тока нулевой последовательности на входе фидера 3i₀ и высокочастотных составляющих входных токов нулевой последовательности каждой модели . По полученным значениям невязок находят аппроксимацию зависимости ε=ƒ(l_з) и вычисляют расстояние до предполагаемого места повреждения l_з.расч, при котором значение невязки ε минимальное. Технический результат: повышение точности определения места повреждения. 6 ил.

Способ определения места однофазного замыкания фидера на землю в кабельных сетях среднего напряжения с использованием модели фидера от места наблюдения до места предполагаемого замыкания, включающий фиксацию на входе фидера фазных напряжений u_A, u_B, u_C и тока нулевой последовательности 3i₀, выявление поврежденной фазы, отличающийся тем, что используют n моделей фидера в фазных координатах с заданными различными значениями расстояния до места однофазного замыкания на землю при этом выбирают n≥3, имитируют в каждой модели фидера на выявленной поврежденной фазе однофазное замыкание на землю, подают на входы в месте наблюдения каждой модели фидера зафиксированные фазные напряжения u_A, u_B, u_C, преобразуют входные фазные токи каждой модели во входные токи нулевой последовательности выделяют из зафиксированного тока нулевой последовательности на входе фидера 3i₀ и входных токов нулевой последовательности каждой модели фидера высокочастотные составляющие, определяют на заданном интервале времени наблюдения от момента возникновения замыкания на землю значения невязок ε₁, ε₂, … ε_n высокочастотных составляющих тока нулевой последовательности на входе фидера 3i₀ и высокочастотных составляющих входных токов нулевой последовательности каждой модели по полученным значениям невязок находят аппроксимацию зависимости и вычисляют расстояние до предполагаемого места повреждения при котором значение невязки ε минимальное.