СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ОДНОФАЗНОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ НА ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ НАПРЯЖЕНИЕМ 6-35кВ Российский патент 2020 года по МПК G01R31/08 

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики и может быть использовано для диагностирования однофазных замыканий на землю на воздушных линиях в распределительных электрических сетях напряжением 6-35 кВ с изолированным режимом работы нейтрали. [G01R 31/08]

Из уровня техники известен СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПОРЫ ВОЗДУШНОЙ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ С ОДНОФАЗНЫМ ЗАМЫКАНИЕМ И НЕИСПРАВНОСТЬЮ ЗАЗЕМЛЕНИЯ [RU 2394249 C1, опубл. 10.07.2010] основанный на контроле тока через опору на землю при исправном заземлении опоры и местной фиксации повреждений, отличающийся тем, что одновременно контролируют ток через опору на землю I_З и напряжение на опоре относительно земли U_З, используют величины тока и напряжения для анализа аварийной ситуации, который проводят по заданному алгоритму, по результатам анализа логическим путем выявляют признаки повреждений на опоре двух видов и формируют сигнал о повреждении соответственно: при I_З>0 и U_З≤U_Ф - сигнал об однофазном замыкании на землю; или при I_З=0 и U_З.норм<U_З≤U_Ф - сигнал об однофазном замыкании на арматуру опоры и неисправности цепи заземления, где U_З.норм - нормируемая величина напряжения на опоре относительно земли; U_Ф - фазное напряжение сети, используя сформированный сигнал о повреждении, производят одновременно местную фиксацию факта повреждения конкретного вида у опоры с повреждением и дистанционную в пункте диспетчерского контроля, для чего сигнал о виде повреждения преобразуют в кодированный сигнал, содержащий в коде признак вида повреждения и регистрационный номер опоры, передают его по линии связи или по радиоканалу на расстояние, где производят декодирование сигнала и фиксацию повреждения; и кроме того, измеренные ток и напряжение одновременно используют для вычисления величины фактического сопротивления заземления опоры, сравнивают полученный результат с нормируемой величиной сопротивления заземления, и по наличию превышения фактического сопротивления заземления над нормируемой величиной формируют еще и сигнал о превышении сопротивления заземления и производят местную и дистанционную фиксацию факта неисправности заземления опоры.

Недостатком данного аналога является необходимость установки приборов для определения места повреждения на каждой опоре, что обуславливает наличие большого количества датчиков однофазного заземления на землю вдоль воздушной линии электропередачи, при этом в случае замыкания между опорами, причиной которых могут быть ветки деревьев, строительная техника и т.п., а также аварии на подстанции или у потребителя, локализовать замыкание будет невозможно.

Также из уровня техники известно УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ НА ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЯХ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ С ИЗОЛИРОВАННЫМ РЕЖИМОМ РАБОТЫ НЕЙТРАЛИ НАПРЯЖЕНИЕМ 6-10-35 кВ [RU 160906 U1, опубл. 10.04.2016 г.], которое реализует способ диагностики однофазных замыканий на землю на воздушных линиях в распределительных электрических сетях с изолированным режимом работы нейтрали напряжением 6-10-35 кВ, характеризующийся тем, что приемной антенной принимают весь спектр электромагнитного излучения от фазного проводника воздушной линии электропередачи на потребительской подстанции, после чего сигнал с антенны оцифровывают аналого-цифровым преобразователем и через блок быстрого преобразования Фурье передают значения спектров сигнала в блок идентификации высших гармонических составляющих, который выделяет спектры частотой 1-2,5 кГц и передает их в контроллер, при этом контроллер производит накопление данных о высших гармониках и их обработку. В случае значительного повышения мощности высших гармоник контроллер выдает аварийный сигнал о возникновении однофазного замыкания на землю на пользовательский интерфейс для визуализации места однофазного замыкания на землю на схеме распределительной электрической сети, а также в передатчик для трансляции его через антенну аварийной команде. Для определения поврежденной фазы контроллер сопоставляет амплитуды частот диапазона 1-2,5 кГц с фазы A, фазы B и фазы C, при этом на поврежденной фазе с замыканием амплитуда напряжения на частотах, отличных от основной частоты 50 Гц, будет существенно больше, по сравнению с неповрежденными фазами.

Недостатком аналога является использование приемной антенны для снятия фазного напряжения с высоковольтной линии электропередачи. В данном случае в процессе снятия антенной фазного напряжения возникают дополнительные помехи в сигнале напряжения, обусловленные сложной электромагнитной обстановкой у высоковольтной линии электропередачи, что снижает точность локализации однофазного заземления на землю.

Наиболее близким по технической сущности является СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ОДНОФАЗНОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МОДЕЛИ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ В АВАРИЙНОМ РЕЖИМЕ [RU 2308731 C1, опубл. 20.10.2007] характеризующийся использованием ее модели, отличающийся тем, что в качестве модели составляют для сети с изолированной нейтралью схему замещения, по которой производят для всех линий расчет параметров переходных процессов, задавая расстояние до места повреждения по всей длине линии с шагом 10 м и для различных переходных сопротивлений в месте повреждения с шагом 10 Ом, запоминают в базу данных на ЭВМ рассчитанные таким образом собственные частоты переходного процесса, а при возникновении повреждения на подстанции фиксируют поврежденную линию и фактическую собственную частоту переходного процесса, сравнивают с расчетными параметрами, записанными в базе данных, и определяют расстояние до места повреждения с точностью, определяемой шагом задания расстояния до места повреждения.

Основной проблемой прототипа является использование очень узкого спектра частот или одного значения собственной частоты переходного процесса. При однофазных заземлениях на землю формируется очень широкий частотный спектр, ширина которого связана с режимом работы нейтрали, при этом из-за большого количества колебательных контуров, образованных схемами замещения ЛЭП с распределенными параметрами, возникают переходные процессы с очень сложной пространственно-временной структурой сигнала. Точно локализовать место повреждения по собственным частотам переходного процесса, с высокой точностью, в данном случае не представляется возможным.

Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.

Техническим результатом изобретения является повышение точности локализации места однофазного замыкания на землю воздушной линии электропередачи.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе определения места однофазного замыкания на землю на воздушных линиях электропередачи с изолированной нейтралью напряжением 6-35 кВ, характеризующийся тем, что для каждой линии электропередачи фазное напряжение оцифровывают аналого-цифровым преобразователем и после обработки в случае однофазного замыкания на землю выдают аварийный сигнал с информацией об аварийной линии электропередачи и точке в которой произошло однофазное замыкание на землю, отличающийся тем, что для каждой линии электропередачи в блоке хранения эталонов напряжений переходных процессов при замыканиях сохраняют эталоны мгновенных значений напряжений, соответствующие по продолжительности времени однофазных замыканий на линии электропередачи на землю в разных точках, после чего контролируют фазные напряжения при однофазных замыканиях отдельных линий на землю, для чего делители напряжения производят понижение фазных напряжений линии электропередачи и последовательно передают аналоговые значения напряжений на фильтры верхних частот и аналого-цифровые преобразователи, которые производят оцифровку мгновенных значений фазных напряжений и передают цифровой код в блоки корреляционного анализа, одновременно блоки хранения мгновенных значений напряжений переходных процессов при коротких замыканиях поочередно передают в блоки корреляционного анализа эталоны напряжений для вычисления взаимно-корреляционных функций, при наибольшем значении максимумов взаимно-корреляционных функций при однофазном замыкании на землю над другими, соответствующий блок корреляционного анализа выдает аварийный сигнал с информацией об аварийной линии и точке на линии, в которой произошло однофазное замыкание на землю.

В частности, блок корреляционного анализа выдает аварийный сигнал на пользовательский интерфейс для визуализации места однофазного замыкания на землю на схеме распределительной электрической сети.

В частности, блок корреляционного анализа выдает аварийный сигнал в передатчик, который через антенну транслирует аварийной сигнал бригаде для устранения данной неисправности.

В частности, на разных участках для каждой линии электропередачи проводят физическое моделирование замыканий на землю, при этом делителем напряжения понижают фазные напряжения линии электропередачи и передают мгновенные аналоговые значения напряжения на фильтр верхних частот, которые оцифровывают, производят выделение эталонов мгновенных значений напряжения переходных процессов при замыкании, и передают в блок хранения эталонов мгновенных значений напряжений при замыканиях.

В частности, в блок ввода параметров электросети вводят параметры электрической сети: значение напряжения, конфигурацию схемы распределительной сети, количество контролируемых участков, после чего данные значения передают в блок расчета эталонов мгновенных значений напряжений переходных процессов при замыканиях и вычисленные значения для каждой линии электропередачи сохраняют в блоках хранения эталонов мгновенных значений напряжений переходных процессов при замыканиях.

Краткое описание чертежей.

На фиг. 1 показана имитационная модель линии электропередачи напряжением 6-35 кВ, поделенная на равные участки а также блок-схема устройства для определения места однофазного замыкания на землю на воздушных линиях электропередачи в распределительных электрических сетях напряжением 6-35 кВ.

На фиг. 2 показана осциллограмма напряжения с выхода делителя напряжения заявленного устройства для поврежденной фазы.

На фиг. 3 показана осциллограмма напряжения с выхода фильтра верхних частот заявленного устройства для поврежденной фазы.

На фиг. 4 показана гистограмма максимумов взаимных корреляционных функции напряжения с эталонами при замыкании в точке 14 для поврежденной фазы.

На фигурах обозначено: FU1÷FU3 - высоковольтные предохранители, R1÷R6 - высоковольтные резисторы, 1 - высоковольтные делители напряжения, 2 - фильтры верхних частот, 3 - аналого-цифровые преобразователи, 4 - блоки корреляционного анализа, 5 - блоки хранения эталонов мгновенных значений напряжений переходных процессов при замыканиях, 6 - блок расчета эталонов мгновенных значений напряжений переходных процессов при замыканиях, 7 - блок ввода параметров электросети, 8 - пользовательский интерфейс, 9 - передатчик, 10 - антенна, GS - эквивалентная энергосистема, Т1,Т2 - понижающий трехфазный трансформатор, №1÷№20 - участки линии электропередачи равной длины, К1÷К20 - короткозамыкатели фаз.

Осуществление изобретения

В одном из вариантов реализации заявленного способа устройство, для определения места однофазного замыкания на землю на воздушных линиях электропередачи в распределительных электрических сетях напряжением 6-35 кВ, содержит идентичные каналы по числу фазных линий в высоковольтной воздушной линии электропередачи, при этом каждый из каналов включает последовательно соединенные высоковольтный делитель напряжения 1 (см. Фиг 1), фильтр верхних частот 2, аналого-цифровой преобразователь 3 и блок корреляционного анализа 4, при этом выход аналого-цифрового преобразователя также через блок хранения эталонов мгновенных значений напряжений переходных процессов при замыканиях 5 подключен к блоку корреляционного анализа 4.

К каждому из блоков хранения эталонов мгновенных значений напряжений переходных процессов при замыканиях 5 подключен блок расчета эталонов мгновенных значений напряжений переходных процессов при замыканиях 6, к которому подключен блок ввода параметров электросети 7. Выходы блоков корреляционного анализа 4 подключены к пользовательскому интерфейсу 8 и к передатчику 9, выход которого подключен к антенне 10.

В качестве пользовательского интерфейса 8 может выступать экран контроллера или ЭВМ.

Перед реализацией заявленного способа в блоки хранения эталонов мгновенных значений напряжений переходных процессов при замыканиях 5 сохраняют эталоны мгновенных значений напряжений переходных процессов при замыканиях, соответствующие однофазным замыканиям вдоль линии электропередачи на землю в разных точках. Точность определения места повреждения увеличивается при увеличении количества участков, на которые разбивается линия при моделировании.

Для этого может проводиться физическое моделирование замыканий на землю на разных участках линии электропередачи, при этом для каждой линии делителем напряжения 1 понижают фазное напряжение и передают аналоговое значение напряжения на фильтр верхних частот 2, который производит выделение эталона мгновенных значений напряжений переходных процессов при замыканиях и передает его в аналого-цифровой преобразователь 3, который оцифровывает и передает эталон в блок хранения эталонов мгновенных значений напряжений переходных процессов при замыканиях 5.

Также физическое моделирование реальной линии электропередачи возможно проводить по двум характерным физическим замерам - в начале и конце линии.

Кроме того, возможно имитационное моделирование замыканий на землю на разных участках линии электропередачи. Для этого в блок ввода параметров электросети 7 вводят значения параметров электрической сети: значение напряжения, конфигурацию схемы распределительной сети, количество контролируемых участков и значения потребляемых мощностей нагрузки электрической сети, после чего данные значения передают в блок расчета эталонов мгновенных значений напряжений переходных процессов при замыканиях 6 и вычисленные мгновенные значения фазных напряжений переходных процессов при замыканиях для каждой линии электропередачи сохраняют в блоках хранения эталонов мгновенных значений напряжений переходных процессов при замыканиях 5.

Блок расчета эталонов мгновенных значений напряжений переходных процессов при замыканиях 6 может быть выполнен в виде микрокомпьютера и реализовывать имитационную модель линии электропередачи напряжением 6-35 кВ, которая содержит блоки, имитирующие работу реальных электрических установок.

Так, например, (см. Фиг. 1) имитационная модель с устройством для определения места замыкания содержит эквивалентную энергосистему GS, к выходам которой подключен понижающий трехфазный трансформатор Т1, каждая из фаз которого последовательно подключена к участкам линии электропередачи равной длины №1÷№20 (количество участков определяет точность определения места замыкания на землю), конец линии подключен к понижающему трехфазному трансформатору Т2, выводы которого подключены к электрической трехфазной нагрузке. К низшей обмотке трансформатора Т1 подключен многоканальный высоковольтный делитель напряжения, выход которого относительно земли подключен к входу фильтра верхних частот, выход фильтра подключен к аналого-цифровому преобразователю. Для моделирования замыканий на фазах используют короткозамыкатели фаз К1÷К20.

Заявленный способ реализуется следующим образом.

Перед реализацией заявленного способа высоковольтный делитель напряжения 1 подключают к линии электропередачи, после чего для каждой линии электропередачи в блоке хранения эталонов мгновенных значений напряжений переходных процессов при замыканиях 5 сохраняют эталоны напряжений, соответствующие мгновенным значениям фазных напряжений переходных процессов при замыканиях на землю в разных точках, после чего контролируют однофазные замыкания отдельных линий на землю, для чего высоковольтные делители напряжения 1 производят понижение фазных напряжений линии электропередачи (см. Фиг. 2) и последовательно передают аналоговые значения напряжений на фильтры верхних частот 2 (см. Фиг. 3) и аналого-цифровые преобразователи 3, которые производят оцифровку сигналов мгновенных значений напряжений и передают цифровой код в блоки корреляционного анализа 4, одновременно блоки хранения эталонов мгновенных значений напряжений переходных процессов при замыканиях 5 поочередно передают в блоки корреляционного анализа 4 эталоны напряжений для вычисления взаимно-корреляционных функций, при превышении какого-либо значения максимума взаимно-корреляционных функций над другими (см. Фиг. 4) соответствующий блок корреляционного анализа 4 выдает аварийный сигнал с информацией об аварийной линии и точке, в которой произошло однофазное замыкание на землю.

Блок корреляционного анализа 4 может выдавать аварийный сигнал на пользовательский интерфейс 8 для визуализации места однофазного замыкания на землю на схеме распределительной электрической сети и(или) в передатчик 9, который через антенну 10 транслирует аварийной сигнал бригаде для устранения данной неисправности.

Особенностью заявленного технического решения является вычисление взаимно-корреляционных функций мгновенных значений напряжений переходных процессов при замыканиях с эталонами для разных точек линии электропередачи, при этом степень идентичности структур коррелированных сигналов в случае замыкания на землю, максимальна для эталонного сигнала в том же месте линии электропередачи, который был определен на этапе задания эталонов напряжений при замыканиях.

Амплитуда полезного сигнала в данном случае значительно превышает уровень соседних составляющих гистограммы, что повышает точность локализации однофазных замыканий на землю, кроме того корреляционный анализ дает однозначный результат при локализации места однофазного заземления на землю и не зависит от уровня нагрузки распределительной сети, сопротивления дуги и параметров грунта.

Применение набора эталонов напряжений, соответствующих переходным процессам при однофазных замыканиях линии электропередачи на землю в разных точках в совокупности с вычислением взаимно-корреляционных функций в блоках 5 дает однозначный результат при локализации места однофазного замыкании линии электропередачи на землю и позволяет достигнуть заявленный технический результат изобретения. Кроме того, заявленный технический результат достигается за счет использования в каналах, последовательно соединенных высоковольтного делителя напряжения 1, фильтра верхних частот 2 и аналого-цифрового преобразователя 3, которые обеспечивают выделение информационного сигнала для его корреляционной обработки и позволяют уменьшить долю помех в зарегистрированном сигнале фазного напряжения линии электропередачи.

Заявитель в 2019 году изготовил экспериментальный макет заявленного технического решения, испытания которого подтвердили достижение заявленного технического результата данного изобретения.

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики и может быть использовано для диагностирования однофазных замыканий на землю на воздушных линиях в распределительных электрических сетях напряжением 6-35 кВ с изолированным режимом работы нейтрали. Технический результат: повышение точности локализации места однофазного замыкания на землю. Сущность: для каждой линии электропередачи в блоке хранения эталонов напряжений переходных процессов при замыканиях сохраняют эталоны мгновенных значений напряжений, соответствующих по продолжительности времени однофазных замыканий на линии электропередачи на землю в разных точках. Контролируют фазные напряжения при однофазных замыканиях отдельных линий на землю. Для этого производят понижение фазных напряжений делителями напряжения и последовательно передают аналоговые значения напряжений на фильтры верхних частот и аналого-цифровые преобразователи, которые производят оцифровку мгновенных значений фазных напряжений и передают цифровой код в блоки корреляционного анализа. Одновременно блоки хранения мгновенных значений напряжений переходных процессов при замыканиях поочередно передают в блоки корреляционного анализа эталоны напряжений для вычисления взаимно-корреляционных функций. При наибольшем значении максимумов взаимно-корреляционных функций при однофазном замыкании на землю над другими соответствующий блок корреляционного анализа выдает аварийный сигнал с информацией об аварийной линии и точке на линии, в которой произошло однофазное замыкание на землю. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ определения места однофазного замыкания на землю на воздушных линиях электропередачи с изолированной нейтралью напряжением 6-35 кВ, характеризующийся тем, что для каждой линии электропередачи фазное напряжение оцифровывают аналого-цифровым преобразователем и после обработки в случае однофазного замыкания на землю выдают аварийный сигнал с информацией об аварийной линии электропередачи и точке, в которой произошло однофазное замыкание на землю, отличающийся тем, что для каждой линии электропередачи в блоке хранения эталонов напряжений переходных процессов при замыканиях сохраняют эталоны мгновенных значений напряжений, соответствующих по продолжительности времени однофазных замыканий на линии электропередачи на землю в разных точках, после чего контролируют фазные напряжения при однофазных замыканиях отдельных линий на землю, для чего делители напряжения производят понижение фазных напряжений линии электропередачи и последовательно передают аналоговые значения напряжений на фильтры верхних частот и аналого-цифровые преобразователи, которые производят оцифровку мгновенных значений фазных напряжений и передают цифровой код в блоки корреляционного анализа, одновременно блоки хранения мгновенных значений напряжений переходных процессов при замыканиях поочередно передают в блоки корреляционного анализа эталоны напряжений для вычисления взаимно-корреляционных функций, при наибольшем значении максимумов взаимно-корреляционных функций при однофазном замыкании на землю над другими соответствующий блок корреляционного анализа выдает аварийный сигнал с информацией об аварийной линии и точке на линии, в которой произошло однофазное замыкание на землю.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что блок корреляционного анализа выдает аварийный сигнал на пользовательский интерфейс для визуализации места однофазного замыкания на землю на схеме распределительной электрической сети.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что блок корреляционного анализа выдает аварийный сигнал в передатчик, который через антенну транслирует аварийный сигнал бригаде для устранения данной неисправности.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что на разных участках для каждой линии электропередачи проводят физическое моделирование замыканий на землю, при этом делителем напряжения понижают фазные напряжения линии электропередачи и передают мгновенные аналоговые значения напряжения на фильтр верхних частот, которые оцифровывают, производят выделение эталонов мгновенных значений напряжения переходных процессов при замыкании и передают в блок хранения эталонов мгновенных значений напряжений при замыканиях.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в блок ввода параметров электросети вводят параметры электрической сети: значение напряжения, конфигурацию схемы распределительной сети, количество контролируемых участков, после чего данные значения передают в блок расчета эталонов мгновенных значений напряжений переходных процессов при замыканиях и вычисленные значения для каждой линии электропередачи сохраняют в блоках хранения эталонов напряжений замыканий.