Способ определения места и расстояния до места однофазного замыкания на землю в электрических сетях 6-35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью Российский патент 2020 года по МПК G01R31/08 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к способам определения местоположения повреждений (ОМП) в электрических сетях 6-35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью.

Известен способ определения места и расстояния до места однофазного замыкания на землю в электрических сетях 6-35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью (Патент РФ №2293342, G01R31/08, опубл.10.02.2007, бюл. №4), заключающийся в том, что подключают балластное сопротивление к резервной ячейке секции шин распределительного устройства, в котором есть замыкание на землю. Подключают амперметр в ту же фазу токовых цепей вторичной коммутации резервной ячейки, подключают в токовые цепи вторичной коммутации фазы, в которой имеется замыкание на землю, вводной и находящихся под нагрузкой отходящих ячеек секции шин, приспособления визуальной фиксации бросков тока. Включают высоковольтный выключатель резервной ячейки, обеспечивая протекание через балластное сопротивление ограниченного по величине и времени двухфазного тока короткого замыкания. Во время включения отслеживают показания устройств визуальной фиксации бросков тока и по наличию или отсутствию бросков тока на приспособлениях визуальной фиксации судят о месте замыкания, а по показаниям амперметра определяют расстояние до места однофазного замыкания на землю.

Недостатком способа является необходимость визуальной фиксации бросков тока за короткий промежуток времени (не более 1 сек), что может оказаться затруднительным из-за инерции составных компонентов амперметра. С другой стороны, способ обладает низкой точность расчета расстояния до места ОЗЗ, поскольку использует информацию только о величинах визуально определенных и кратковременно протекающих токов.

Известен способ определения места и расстояния до места однофазного замыкания на землю в электрических сетях 6-35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью (Патент РФ №2685747, G01R31/08, опубл.23.04.2019, бюл. №12), заключающийся в том, что подключают балластное сопротивление к резервной ячейке секции шин распределительного устройства, в котором есть замыкание на землю, включают высоковольтный выключатель резервной ячейки, обеспечивая протекание через балластное сопротивление ограниченного по величине и времени тока короткого замыкания, во время включения регистрируют значения тока в поврежденной фазе присоединения с однофазным замыканием на землю. Согласно способа устанавливают устройство релейной защиты с возможностью регистрации фазных токов и фазных напряжений каждого присоединения, а также с возможностью фиксации однофазных замыканий на землю в каждом присоединении распределительного устройства, определения места и расчета расстояния до места однофазного замыкания на землю, создания с помощью подачи на выключатель резервной ячейки сигналов ограниченного по величине и времени тока короткого замыкания в неповрежденной фазе, определяют с помощью устройства релейной защиты присоединение с однофазным замыканием на землю и поврежденную фазу, фиксируют фазные токи неповрежденных фаз присоединения с однофазным замыканием на землю и фазное напряжение поврежденной фазы, определяют по фазным токам и напряжению поврежденной фазы присоединения с однофазным замыканием на землю, зарегистрированным в течение протекания ограниченного по времени тока короткого замыкания неповрежденной фазы, собственные и взаимные реактивные сопротивления линии электропередачи поврежденного присоединения, учитывают взаимные реактивные сопротивления поврежденного присоединения при расчетах расстояния до однофазного замыкания на землю, определяют место и рассчитывают расстояние l₁ до места однофазного замыкания на землю согласно выражению

l _{1 =} |Im(U₁)⋅Re(I₁) - Im(I₁)⋅Re(U₁)|/{[Re² (I₁) + Im²(I₁)]⋅|x_л + x_m⋅ (I₂ + I₃)/I₁|},

где Re(I₁) и Im(I₁) - реальная и мнимая величины зафиксированного тока I₁ замыкания на землю поврежденной фазы линии; Re(U₁) и Im(U₁) -реальная и мнимая величины зафиксированного напряжения поврежденной фазы линии; I₂ и I₃ - зафиксированные токи неповрежденных фаз присоединения с однофазным замыканием на землю; x_m - удельное сопротивление взаимной индукции фаз поврежденного присоединения; x_л - собственное удельное реактивное сопротивление поврежденной фазы.

Недостатком способа является низкая точность определения места повреждения при однофазных замыканиях на землю в электрических сетях 6-35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью. Низкая точность способа обусловлена тем, что в ходе его реализации не учитываются изменения сопротивлений повреждения и нагрузки.

Наиболее близким техническим решением к предполагаемому изобретению является способ определения места и расстояния до места однофазного замыкания на землю в электрических сетях 6-35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью (Патент РФ №2685746, G01R31/08, опубл.23.04.2019, бюл. №12), заключающийся в том, что подключают балластное сопротивление к резервной ячейке секции шин распределительного устройства, в котором есть замыкание на землю, включают высоковольтный выключатель резервной ячейки, обеспечивая протекание через балластное сопротивление ограниченного по величине и времени двухфазного тока короткого замыкания, во время включения регистрируют значения тока через балластное сопротивление и в поврежденной фазе присоединения с однофазным замыканием на землю. Согласно способа устанавливают устройство релейной защиты с возможностью регистрации фазных токов каждого присоединения и резервной ячейки распределительного устройства, а также с возможностью фиксации однофазных замыканий на землю в каждом присоединении распределительного устройства, определения места и расчета расстояния до места однофазного замыкания на землю, создания с помощью подачи на выключатель резервной ячейки сигналов ограниченного по величине и времени двухфазного тока короткого замыкания, определяют с помощью устройства релейной защиты присоединение с однофазным замыканием на землю и поврежденную фазу, фиксируют фазные токи неповрежденных фаз присоединения с однофазным замыканием на землю, определяют по фазным токам присоединения с однофазным замыканием на землю, зарегистрированным в течение протекания ограниченного по времени двухфазного тока короткого замыкания, собственные и взаимные реактивные сопротивления линии электропередачи поврежденного присоединения, учитывают взаимные реактивные сопротивления поврежденного присоединения при расчетах расстояния до однофазного замыкания на землю, определяют место и рассчитывают расстояние l₁ до места однофазного замыкания на землю согласно выражению

l ₁ = {x_б⋅I_б/I₁}/{x_л + x_m⋅ (I₂ + I₃)/I₁},

где х_б - величина реактивной составляющей балластного сопротивления по переменному току промышленной частоты; I_б - зафиксированная величина ограниченного двухфазного тока короткого замыкания, протекающего через балластное сопротивление; I₁ - зафиксированная величина двухфазного тока короткого замыкания поврежденной фазы линии; I₂ и I₃ - зафиксированные токи неповрежденных фаз присоединения с однофазным замыканием на землю; x_m - удельное сопротивление взаимной индукции фаз поврежденного присоединения; x_л - собственное удельное реактивное сопротивление поврежденной фазы.

Недостатком способа-прототипа является низкая точность определения места повреждения при однофазных замыканиях на землю в электрических сетях 6-35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью. Низкая точность способа обусловлена тем, что в ходе его реализации не учитываются изменения сопротивлений повреждения и нагрузки.

Задачей изобретения является повышение точности определения расстояния до места однофазного замыкания на землю в электрических сетях 6-35 кВ.

Поставленная задача достигается способом определения места и расстояния до места однофазного замыкания на землю в электрических сетях 6-35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью, заключающийся в том, что подключают балластное сопротивление к резервной ячейке секции шин распределительного устройства, в котором есть замыкание на землю, включают высоковольтный выключатель резервной ячейки, обеспечивая протекание через балластное сопротивление ограниченного по величине и времени двухфазного тока короткого замыкания, во время включения регистрируют значения тока через балластное сопротивление и в поврежденной фазе присоединения с однофазным замыканием на землю, устанавливают устройство релейной защиты с возможностью регистрации фазных токов каждого присоединения и резервной ячейки распределительного устройства, а также с возможностью фиксации однофазных замыканий на землю в каждом присоединении распределительного устройства, определения места и расчета расстояния до места однофазного замыкания на землю, создания с помощью подачи на выключатель резервной ячейки сигналов ограниченного по величине и времени двухфазного тока короткого замыкания, определяют с помощью устройства релейной защиты присоединение с однофазным замыканием на землю и поврежденную фазу, учитывают собственные и взаимные сопротивления поврежденного присоединения при расчетах расстояния до однофазного замыкания на землю, отличающийся тем, что определяют комплексное сопротивление нагрузки поврежденной линии, устанавливают устройство релейной защиты с дополнительной возможностью регистрации фазных напряжений, на присоединении с однофазным замыканием на землю в течение протекания ограниченного по времени двухфазного тока короткого замыкания фиксируют токи и напряжения всех трех фаз, определяют место и рассчитывают расстояние l до места однофазного замыкания на землю по реальной части комплексного выражения

,

где I_пф и U_пф - соответственно ток и напряжение поврежденной фазы, на которой произошло однофазное замыкание на землю; I_нф и U_нф - соответственно ток и напряжение неповрежденной фазы; I_б - ток, протекающий через балластное сопротивление; I_фб и U_фб - соответственно ток и напряжение фазы, замкнутой на балластное сопротивление; z_л и z_m - собственное и взаимное удельные сопротивления поврежденной линии.

Основными отличиями предлагаемого способа являются:

- использование информации о токах и напряжениях всех трех фаз поврежденного присоединения, в сочетании с компенсацией влияния переходного сопротивления в месте однофазного замыкания на землю (ОЗЗ);

- более полный учет соотношений комплексных токов и сопротивлений в расчетных выражениях для расстояния до ОЗЗ, что повышает точность ОМП при ОЗЗ и способствует сокращению времени на ликвидацию повреждения;

- компенсация влияния нагрузки на точность оценки расстояния до места ОЗЗ путем учета сопротивления нагрузки в соответствующих расчетных выражениях.

Предполагаемое изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображена схема, характеризующая протекание ограниченного тока двухфазного короткого замыкания и соотношение сопротивлений цепи расчета расстояния до однофазного замыкания на землю. На фиг. 1 введены следующие обозначения:
- эквивалентная трехфазная ЭДС системы (1); - эквивалентное трехфазное сопротивления системы (2); трехфазный выключатель поврежденного присоединения (3); - трехфазное сопротивление линии до точки повреждения (4); - эквивалентное трехфазное сопротивления нагрузки поврежденного присоединения (5); устройство релейной защиты (6); выключатель резервной ячейки распределительного устройства (7); - балластное сопротивление (8); трансформатор напряжения - (9); - переходное сопротивление в месте замыкания на землю; l - расстояние до места однофазного замыкания на землю; L - длина линии электропередачи с однофазным замыканием на землю.

На фиг. 2 представлена схема замещения участка электрической сети (фиг. 1) в режиме двухфазного короткого замыкания. В дополнение к обозначениям, использованным на фиг. 1, на фиг. 2 введены следующие обозначения: , ток поврежденной фазы, на которой произошло ОЗЗ; ток фазы, замкнутой на балластное сопротивление; ток неповрежденной фазы; напряжение поврежденной фазы, на которой произошло ОЗЗ; напряжение фазы, замкнутой на балластное сопротивление; напряжение неповрежденной фазы; z_л и z_m - собственные и взаимные удельные сопротивления фаз поврежденной линии; z_н - эквивалентное сопротивление фазы нагрузки; R_п - переходное сопротивление в месте ОЗЗ; R_б - балластное сопротивление; I_б - зафиксированная величина ограниченного двухфазного тока короткого замыкания, протекающего через балластное сопротивление; I_ф1 - ток, протекающий во втором контуре.

Следует отметить, что устройство релейной защиты может содержать один или несколько терминалов релейной защиты. Необходимый состав устройства релейной защиты, а также функции отдельных его терминалов выбираются, исходя из возможностей и функций отдельных его терминалов в линейке конкретного производителя релейной защиты. Например, в качестве определяющих конструктивных параметров могут выступать: число аналоговых и дискретных входов-выходов, быстродействие и производительность микропроцессоров, возможности и объем памяти регистрации аварийных событий и др.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Возникновение ОЗЗ на поврежденном присоединении распределительного устройства определяется с помощью устройства релейной защиты (РЗ) 6, выполненного с возможностью реализации известных технических решений (способов) выявления ОЗЗ, изложенных, например, в [Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. - М.: НТФ Энергопрогресс, 2001.].

Автоматически по факту фиксации ОЗЗ устройством РЗ 6 выдается сигнал на включение выключателя резервной ячейки распределительного устройства для обеспечения протекания через балластное сопротивление, ограниченного по времени и величине тока двухфазного короткого замыкания. Выбор времени протекания и величины тока двухфазного короткого замыкания определяется параметрами термической стойкости провода ЛЭП и может быть реализован, как в способе-аналоге (прототипе) (по величине не более 100А и продолжительностью не более 1 сек.).

Во время протекания тока двухфазного короткого замыкания производится регистрация токов и напряжений, необходимых для расчета расстояния до места повреждения. В последующем в устройстве РЗ 6 автоматически производится расчет расстояния до ОЗЗ. Расчет производится в соответствии со следующими соображениями.

Для удобства получения аналитических соотношений для расчета расстояния до места повреждения линии преобразуем схему (фиг. 1) в соответствующую эквивалентную схему замещения (фиг. 2).

Запишем второй закон Кирхгофа для первого, второго и третьего контуров (фиг. 2), предварительно задав направления обхода этих контуров.

Уравнение для первого контура выглядит следующим образом:

Уравнение для второго контура имеет следующий вид:

Уравнение для третьего контура представлено равенством:

Вынеся за скобки общие множители и сократив общие члены, получаем следующие выражения:

-для первого контура

-для второго контура:

-для третьего контура:

Выразим из уравнения для первого контура

Выразим сопротивление нагрузки из уравнения для третьего контура:

Подставим полученное выражение (7) в уравнение (5):

Подставим полученное выражение (8) в уравнение (9):

Раскрыв скобки и перемножив между собой многочлены получим следующее выражение:

Сократим полученное выражение, найдя общие члены

Подставив вместо выражение, полученное по первому закону Кирхгофа , имеем

Раскроем скобки и перемножим между собой многочлены:

Сократим общие множители в выражении (14):

После вынесения за скобки общих множителей имеем следующее выражение:

Выразив из выражения (16) получим формулу для расчета расстояния до места повреждения:

Следует отметить, что отношение числителя к знаменателю выражения (17) является комплексным числом. Однако, мнимая часть результата деления является малой величиной и составляет малые доли процента от реальной части. Поэтому мнимую часть можно отбросить и в выражении для вычисления расстояния до места ОЗЗ использовать только реальную его часть. Тогда в общем виде получаем расчетное соотношение для расстояния до места повреждения

Для вычислений согласно выражению (18) необходимо знание параметров, которые требуются для расчета и могут быть получены эксплуатирующими организациями из проектных или справочных данных (z_л, z_m, L) с учетом конструктивного исполнения линии электропередачи.

В заключении отметим, что предлагаемый способ позволяет с высокой точностью определить расстояние до места однофазного замыкания на землю в электрических сетях 6-35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью за счет использования полной информации о токах и напряжениях поврежденной, а также компенсации влияния не только сопротивления повреждения, но и нагрузки на точность оценки расстояния до места ОЗЗ путем учета сопротивления нагрузки в соответствующих расчетных выражениях.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к способам определения местоположения повреждений (ОМП) в электрических сетях 6-35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью. Технический результат: повышение точности определения расстояния до места однофазного замыкания на землю. Сущность: подключают балластное сопротивление к резервной ячейке секции шин распределительного устройства, в котором есть замыкание на землю, включают высоковольтный выключатель резервной ячейки, обеспечивая протекание через балластное сопротивление ограниченного по величине и времени двухфазного тока короткого замыкании;. устанавливают устройство релейной защиты с возможностью регистрации фазных токов и напряжений каждого присоединения и резервной ячейки распределительного устройства, а также с возможностью фиксации однофазных замыканий на землю в каждом присоединении распределительного устройства, определения места и расчета расстояния до места однофазного замыкания на землю; подключают балластное сопротивление к резервной ячейке секции шин распределительного устройства, в котором есть замыкание на землю; включают высоковольтный выключатель резервной ячейки, обеспечивая протекание через балластное сопротивление ограниченного по величине и времени двухфазного тока короткого замыкания; фиксируют токи и напряжения всех фаз; определяют место и рассчитывают расстояние l до места однофазного замыкания на землю по реальной части комплексного выражения

,

где I_пф и U_пф - соответственно ток и напряжение поврежденной фазы, на которой произошло однофазное замыкание на землю; I_нф и U_нф - соответственно ток и напряжение неповрежденной фазы; I_б - ток, протекающий через балластное сопротивление; I_фб и U_фб - соответственно ток и напряжение фазы, замкнутой на балластное сопротивление; z_л и z_m – собственное и взаимное удельные сопротивления поврежденной линии. 2 ил.

Способ определения места и расстояния до места однофазного замыкания на землю в электрических сетях 6-35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью, заключающийся в том, что устанавливают устройство релейной защиты с возможностью регистрации фазных токов каждого присоединения и резервной ячейки распределительного устройства, а также с возможностью фиксации однофазных замыканий на землю в каждом присоединении распределительного устройства, создания с помощью подачи на выключатель резервной ячейки сигналов ограниченного по величине и времени двухфазного тока короткого замыкания для определения места и расчета расстояния до места однофазного замыкания на землю, определяют с помощью устройства релейной защиты присоединение с однофазным замыканием на землю и поврежденную фазу, включают высоковольтный выключатель резервной ячейки, обеспечивая протекание через подключенное к резервной ячейке секции шин распределительного устройства, в котором есть замыкание на землю, балластное сопротивление ограниченного по величине и времени двухфазного тока короткого замыкания, во время включения регистрируют значения тока через балластное сопротивление и в поврежденной фазе присоединения с однофазным замыканием на землю, учитывают собственные и взаимные сопротивления поврежденного присоединения при расчетах расстояния до однофазного замыкания на землю, отличающийся тем, что устанавливают устройство релейной защиты с дополнительной возможностью регистрации фазных напряжений, на присоединении с однофазным замыканием на землю в течение протекания ограниченного по времени двухфазного тока короткого замыкания фиксируют токи и напряжения всех трех фаз, определяют место и рассчитывают расстояние l до места однофазного замыкания на землю по реальной части комплексного выражения

,

где I_пф и U_пф - соответственно ток и напряжение поврежденной фазы, на которой произошло однофазное замыкание на землю; I_нф и U_нф - соответственно ток и напряжение неповрежденной фазы; I_б - ток, протекающий через балластное сопротивление; I_фб и U_фб - соответственно ток и напряжение фазы, замкнутой на балластное сопротивление; z_л и z_m – собственное и взаимное удельные сопротивления поврежденной линии.