Способ определения фидера с однофазным замыканием на землю в трехфазных электрических сетях с неэффективно заземленной нейтралью Российский патент 2020 года по МПК H02H3/16 

Предлагаемое изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для определения фидера (питающей линии) с однофазным дуговым замыканием (ОДЗ) на землю в трехфазных электрических сетях (ЭС) с неэффективно заземленной нейтралью: с изолированной нейтралью, заземленной через дугогасящую катушку или высокоомный резистор.

Известен способ определения фидера с однофазным дуговым замыканием на землю в ЭС с неэффективно заземленной нейтралью, основанный на анализе установившихся значений высших гармонических составляющих тока нулевой последовательности (I_0в.г.) в фидерах, отходящих от узла электропитания [Гельфанд Я.С. Релейная защита распределительных сетей. М., 1982]. В этом способе выделение поврежденного фидера с однофазным замыканием на землю осуществляется путем сопоставления (сравнения) значений высокочастотных составляющих в токах нулевой последовательности (НП): в поврежденном присоединении относительное содержание высших гармонических составляющих I_0в.г. имеет максимальное значение.

В силу того, что в данном способе в качестве входной измеряемой величины используется установившееся значение тока, то способ оказывается неприспособленным для выделения фидеров с кратковременными самоустраняющимися замыканиями, в то время как эта информация важна для оценки состояния изоляции и проведения профилактических испытаний линий с ослабленной изоляцией, а также для локации мест однофазных замыканий.

Кроме того, известен способ определения фидера с однофазным дуговым замыканием на землю в трехфазных ЭС [Л.Е. Дударев, В.В. Зубков, В.И. Стасенко. Комплексная защита от замыканий на землю. - Электрические станции, №7, 1981], принятый в качестве прототипа и применимый при кратковременных самоустраняющихся замыканиях на землю, согласно которому в момент пробоя фазной изоляции регистрируют переходное напряжение нулевой последовательности на шинах центра электропитания (главного пункта питания (ГПП) или распределительной подстанции (РП)) и первые полуволны высокочастотных токов нулевой последовательности в отходящих фидерах. По полуволнам переходных напряжений и токов определяют начальный знак направления мощности для всех фидеров. Фидер, имеющий знак направления мощности противоположный остальным, принимается поврежденным.

В данном способе в зависимости от начального знака направления мощности срабатывают пороговые устройства, приводящие к запуску устройства возврата, которое при отсутствии устойчивого повреждения через некоторое время t_зд возвращает пороговые устройства в исходное состояние. Это время t_зд выбирается исходя из условия отстройки от различного рода помех (например, вызванных коммутациями в сети или появлением высших гармонических составляющих в напряжении) и составляет от 7 до 10 мс, т.е. t_зд близко к полупериоду промышленной частоты Τ₀/2. Указанная задержка срабатывания устройства возврата определяется длительностью существования напряжения нулевой последовательности 3U₀ при помехах. Если помеха в течение указанного времени не устранится или возникнет повторно в конце интервала t_зд, приводя к появлению напряжения 3U₀, то возникает ложное срабатывание (сигнализация).

В данном способе возможно неселективное определение фидера из-за искажения фазовых соотношений между током и напряжением, возникающего в момент однофазного замыкания на землю в отраженной от конца поврежденной линии волне [Борухман В.А. Об эксплуатации селективных защит от замыканий на землю в сетях 6-10 кВ и мероприятиях по их совершенствованию. - Энергетик, №1, 2000]. Искажения в волну напряжения также вносятся измерительным электромагнитным трансформатором напряжения из-за достаточно высокого частотного спектра волны, достигающего десятков - сотен килогерц. Частотные характеристики электромагнитных измерительных трансформаторов напряжения таковы, что они способны трансформировать периодические составляющие только до нескольких килогерц: при более высоких частотах сказывается межвитковая емкость первичной обмотки [Гельфанд Я.С. Релейная защита распределительных сетей. - М., 1982, стр. 294]. При этом отличается знак мощности. Ограничивая полосу регистрируемых частот для повышения селективности выделения фидера с замыканием на землю, существенно снижается область применения данного способа, особенно для кабельных электрических сетей, в которых волновые процессы высокочастотны в силу незначительных длин линий.

Анализ приведенного уровня техники свидетельствует о том, что задачей (техническим результатом) изобретения является увеличение надежности и достоверности способа определения фидера с однофазным неустойчивым дуговым замыканием на землю в ЭС с неэффективно заземленной нейтралью.

Это достигается тем, что в известном способе выделения поврежденного фидера регистрируют переходные токи НП в отходящих фидерах. Трансформаторы тока нулевой последовательности (ТТНП) фазируют единообразно - таким образом, чтобы при положительном предпробойном фазном напряжении в момент замыкания фазы на землю на выводах ТТНП с подключенными к ним нагрузочными резисторами формировался положительный высокочастотный всплеск напряжения. Посредством анализа переходных фазных напряжений устанавливают факт замыкания на землю и поврежденную фазу [Патент РФ №2232456 (от 11.10.2002). Способ распознавания однофазного дугового замыкания на землю и поврежденной фазы в распределительных сетях с резонансно-заземленной нейтралью // Качесов В.Е./ БИ №19, 2004]. Поврежденную фазу выделяют по максимальной по модулю производной фазного напряжения. Для поврежденной фазы на зарегистрированной в цифровой форме осциллограмме переходного напряжения u_п(t) посредством вычисления конечных разностей определяют производную измеренного напряжения du_п/dt и фиксируют момент времени t_m1 максимальной по модулю производной напряжения. Измеряют временной интервал до предыдущего момента пробоя фазной изоляции, т.е. до предыдущего максимума производной по модулю Δt_пред=t_m1-tm0. Если рассматривается первичный пробой изоляции, то заведомо принимают Δt_пред>1 мс; если Δt_пред<1 мс, то текущий максимум производной (текущий пробой фазной изоляции) исключается из обработки. Если временной интервал Δt_пред превышает 1 мс, т.е. Δt_пред>1 мс, то с момента времени t_m1 смещаются к началу осциллограммы u_п(t) на время усреднения (интегрирования), равное Δt_U≅(0.025…0.1)T₀, т.е. к моменту времени t₀=t_m1-t_U. Далее с этого момента времени до времени t_m1 находят среднее значение предпробивного фазного напряжения

где U_п,k - мгновенные фазные напряжения на поврежденной фазе;

- количество отсчетов фазного напряжения на поврежденной фазе;

h - шаг дискретизации по времени на осциллограмме.

Далее определяют его знак - sign(U_п.ср.). С момента времени t_m1 для всех осциллограмм зарегистрированных токов НП i₀ в отходящих фидерах определяют их

средние значения на ограниченном временном отрезке Δt_I:

где - количество отсчетов тока НП;

- треть периода свободных перезарядных колебаний в ЭС;

L_S - индуктивность рассеяния (короткого замыкания) понизительного трансформатора в центре электропитания;

С_ф и С_фф - фазная и междуфазная емкости электрической сети.

Из всех средних токов НИ оставляют два наибольших по модулю и определяют их знаки. Фидер, в котором знак среднего значения тока НИ sign(I_0.ср) совпадает со знаком среднего предпробивного напряжения на поврежденной фазе, т.е. sign(I_0.ср)=sign(U_п.cp), считается поврежденным.

На фиг.1 показан фрагмент трехфазной ЭС, в которой реализуется предлагаемый способ; на фиг.2 приведены расчетные кривые при однофазных замыканиях на землю: токи НП в неповрежденном i_0нп и поврежденном i_0п фидерах, фазное напряжение на поврежденной фазе u_п и его производная du_п/dt.

В ЭС, приведенной на фиг.1, энергия от ГПП - понизительной подстанции 1 передается по линиям 2 к РП, трансформаторным подстанциям (ТП) или нагрузке. На ГПП на отходящих фидерах установлены ТТНП (3), подключенные к нагрузочным резисторам 4 и устройству определения фидера с замыканием на землю.

Способ осуществляется следующим образом.

В процессе однофазного замыкания на землю на любой из отходящих линий 2 (фиг.1) на шинах центра электропитания 1 записывают в цифровом виде фазные напряжения, для чего, например, может быть использована система мониторинга переходных электромагнитных процессов [Качесов В.Е., Ларионов В.Н., Овсянников А.Г. О результатах мониторинга перенапряжений при однофазных дуговых замыканиях на землю в распределительных кабельных сетях. - Электрические станции, №8, 2002], и распознают вид повреждения - однофазное замыкание на землю и поврежденную фазу. Измерение напряжений выполняют на шинах ГПП с помощью электромагнитных измерительных трансформаторов. Для распознавания однофазного дугового замыкания на землю используют различные способы, например для электрической сети, нейтраль которой заземлена через дугогасящую катушку, используют способ, основанный на свойстве значительно меньшего действующего напряжения на поврежденной фазе по отношению к напряжениям на неповрежденных фазах, измеренных в течение ограниченного временного промежутка (~3 мс) после пробоя фазной изоляции и самогашения заземляющей дуги [Патент РФ №2232456 (от 11.10.2002). Способ распознавания однофазного дугового замыкания на землю и поврежденной фазы в распределительных сетях с резонансно-заземленной нейтралью // Качесов В.Е. / БИ №19, 2004]. Для электрических сетей с изолированной нейтралью применяют способ, в основе которого лежит свойство постоянства напряжения на нейтрали ЭС после самогашения заземляющий дуги [Патент РФ №2356062. Способ распознавания однофазного дугового замыкания на землю и поврежденной фазы в распределительных сетях с изолированной нейтралью/ Л.В. Богдашева, В.Е. Качесов; БИ №14, 2009].

Распознавание поврежденной фазы выполняют путем вычисления производных всех фазных напряжений и сравнения их в моменты пробоя фазной изоляции - на поврежденной фазе производная напряжения du_п/dt максимальна. Из всего массива производной du_п/dt выбирают максимум производной - например t_m1, и вычисляют предпробивное время по отношению к предыдущему пробою Δt_пред=t_m1-t_m0, которое должно превышать 1 мс [фиг.2]. Если это условие не выполняется, то обработку такого замыкания (пробоя фазной изоляции) не выполняют. При выполнении условия Δt_пред>1 мс определяют полярности предпробивного среднего напряжения на поврежденной фазе и средних токов нулевой последовательности во всех фидерах, отходящих от шин центра электропитания. От времени максимума производной t_m1 отступают к началу осциллограммы напряжения на поврежденной фазе на время Δt_U≅(0.025…0.1)T₀, в течение которого вычисляют среднее значение напряжения U_п.ср.. С момента времени максимума производной напряжения на поврежденной фазе t_m1 в течение трети периода свободных перезарядных колебаний Δt_I определяют среднее значение тока нулевой последовательности. Из всех средних токов НП оставляют два с максимальными по модулю значениями. Полярности средних значений этих двух токов нулевой последовательности sign(I_0cp.) сопоставляют с полярностью напряжения на поврежденной фазе sign(U_п.ср.): фидер, у которого полярность среднего тока нулевой последовательности совпадает с полярностью среднего предпробивного напряжения на поврежденной фазе, т.е. выполняется условие sign(U_п.ср.)=sign(I_0ср.), является фидером с однофазным замыканием на землю.

Выбранный диапазон времени усреднения (интегрирования) обусловлен тем, что при частых пробоях фазной изоляции, когда между ними малые временные промежутки, и сам переходный процесс пробоев носит стохастический характер, определение среднего значения предпробивного напряжения вне указанного диапазона ΔtU≅(0.025…0.1)T₀ может привести к неточному результату, поскольку вычисление выполняется во время переходного знакопеременного процесса. Неточность вычисления напряжения может даже привести к неправильному определению его полярности. Поскольку выделение поврежденного фидера выполняется по полярностям среднего тока и напряжения, то поврежденный фидер может быть определен ошибочно, т.е. достоверность определения будет низкой.

Для компьютерных кривых токов НП и напряжения на поврежденной фазе, полученных с помощью программы расчета переходных электромагнитных процессов ЕМТР [Н.W. Dommel, "Digital computer solution of electromagnetic transients in single and multiphase networks," IEEE Trans., vol. PAS-88, pp. 382-399, April 1969] и представленных на фиг.2, выполнены расчеты средних предпробивных напряжений и средних токов НП для двух пробоев фазной изоляции, которые происходят при напряжениях, отличающихся приблизительно в 2 раза: ~8000 и 4000 В. Расчетное значение Δt_I для рассматриваемой ЭС составило 570 мкс. В таблице приведены средние значения предпробивных напряжений при каждом пробое фазной изоляции и средние токи НП в неповрежденном и поврежденном фидерах. Знаки средних токов НП в поврежденном фидере совпадают со знаками средних предпробивных напряжений на поврежденной фазе при обоих пробоях, что позволяет выделить поврежденный фидер из всех, присоединенных к шинам.

Таким образом, определение фидера с однофазным замыканием на землю в трехфазных электрических сетях с любым способом неэффективного заземления нейтрали выполняется посредством достоверно устанавливаемого факта замыкания на землю на основе анализа регистрируемых фазных напряжений ЭС, определения поврежденной фазы по максимуму модуля производной фазного напряжения, и совпадения знаков среднего значения предпробивного напряжения на поврежденной фазе и среднего значения тока нулевой последовательности в отходящем поврежденном фидере, измеренного в течение трети периода свободных перезарядных колебаний в ЭС. Положительным эффектом является надежность выделения фидеров с замыканием на землю даже в ЭС с короткими фидерами, когда высокочастотные колебания в электрической сети трансформируются на сторону низкого напряжения измерительных трансформаторов напряжения со значительными амплитудными и фазовыми искажениями.

Использование: в области электроэнергетики. Технический результат - увеличение надежности и достоверности определения фидера с однофазным неустойчивым дуговым замыканием на землю в электрических сетях с неэффективно заземленной нейтралью. Согласно способу регистрируют переходные фазные напряжения на шинах центра электропитания и посредством их обработки устанавливают факт дугового замыкания на землю, а также поврежденную фазу по наибольшей производной фазного напряжения в момент пробоя фазной изоляции; в производной напряжения на поврежденной фазе du_п/dt находят ее максимум в момент пробоя изоляции и вычисляют предпробивное время по отношению к предыдущему пробою Δt_пред=t_m1-t_m0, которое должно превышать 1 мс, если это условие не выполняется, то обработку такого замыкания (пробоя фазной изоляции) не выполняют; при выполнении условия Δt_пред>1мс определяют полярности среднего предпробивного напряжения на поврежденной фазе и средних токов нулевой последовательности во всех фидерах, отходящих от шин; для этого от времени максимума производной t_m1 отступают к началу осциллограммы напряжения на поврежденной фазе на время Δt_U≅(0.025…0.1)T₀ (T₀ - период промышленной частоты), в течение которого вычисляют среднее предпробивное напряжение U_п.ср.; с момента времени максимума производной напряжения на поврежденной фазе t_m1 за время, равное трети периода свободных перезарядных колебаний электрической сети Δt_I, определяют средние токи нулевой последовательности во всех отходящих фидерах, из них оставляют два с максимальными по модулю значениями; полярности этих двух токов нулевой последовательности sign(I_0ср.) сопоставляют с полярностью среднего предпробивного напряжения на поврежденной фазе sign(U_п.ср.), один из двух выделенных фидеров, у которого полярность среднего тока нулевой последовательности совпадает с полярностью среднего предпробивного напряжения на поврежденной фазе, т.е. выполняется условие sign(U_п.ср.)=sign(I_0ср.), является фидером с однофазным замыканием на землю. 2 ил., 1 табл.

Способ определения фидера с однофазным дуговым замыканием на землю в трехфазных электрических сетях с неэффективно заземленной нейтралью, основанный на регистрации переходного напряжения нулевой последовательности на шинах центра электропитания, отличающийся тем, что регистрируют переходные фазные напряжения на шинах центра электропитания и посредством их обработки устанавливают факт дугового замыкания на землю, а также поврежденную фазу по наибольшей производной фазного напряжения в момент пробоя фазной изоляции; в производной напряжения на поврежденной фазе du_п/dt находят ее максимум в момент пробоя изоляции и вычисляют предпробивное время по отношению к предыдущему пробою Δt_пред=t_m1-t_m0, которое должно превышать 1 мс, если это условие не выполняется, то обработку такого замыкания (пробоя фазной изоляции) не выполняют; при выполнении условия Δt_пред>1мс определяют полярности среднего предпробивного напряжения на поврежденной фазе и средних токов нулевой последовательности во всех фидерах, отходящих от шин; для этого от времени максимума производной t_m1 отступают к началу осциллограммы напряжения на поврежденной фазе на время Δt_U≅(0.025…0.1)T₀ (T₀ - период промышленной частоты), в течение которого вычисляют среднее предпробивное напряжение U_п.ср.; с момента времени максимума производной напряжения на поврежденной фазе t_m1 за время, равное трети периода свободных перезарядных колебаний электрической сети Δt_I, определяют средние токи нулевой последовательности во всех отходящих фидерах, из них оставляют два с максимальными по модулю значениями; полярности этих двух токов нулевой последовательности sign(I_0ср.) сопоставляют с полярностью среднего предпробивного напряжения на поврежденной фазе sign(U_п.ср.), один из двух выделенных фидеров, у которого полярность среднего тока нулевой последовательности совпадает с полярностью среднего предпробивного напряжения на поврежденной фазе, т.е. выполняется условие sign(U_п.ср.)=sign(I_0ср.), является фидером с однофазным замыканием на землю.