Способ определения места однофазного замыкания на землю воздушных линий электропередачи в электрических сетях с изолированной нейтралью Российский патент 2023 года по МПК G01R31/08 

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано для оперативного определения места однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) в электрических сетях с изолированной нейтралью.

В настоящее время для определения расстояния до места ОЗЗ воздушной линии электропередачи в цифровых устройствах релейной защиты применяются способы, основанные на применении индикаторов повреждений воздушных линий, устанавливаемых на линии электропередачи и параметрах аварийного режима (токов нулевой и обратной последовательностей напряжений).

Известен способ определения места повреждения кабельных и воздушных линий электропередачи [RU 2733825 C1, МПК G01R 31/08, опубл. 07.10.2020], технический результат которого заключается в повышении точности определения места повреждения линий электропередач за счет комбинированного применения волнового анализа процессов, протекающих в электросетях, и волнового метода двухсторонних измерений. Сущность: Измеряют мгновенные значения тока и напряжения на частоте 50 Гц и частоте 10 кГц тока и напряжения датчиками, расположенными на концах линии электропередачи. Сравнивают мгновенные значения тока и напряжения в высокочастотном диапазоне для определения по взаимной фазе этих параметров направления на однофазное замыкание на землю. Сравнивают мгновенные значения тока и напряжения в низкочастотном диапазоне для определения факта однофазного или междуфазного замыкания на линии электропередач. При возникновении волновых процессов в контролируемой линии производится осциллографирование контролируемых на обоих концах линии значений напряжения путем аналого-цифрового преобразования с частотой дискретизации 1 МГц с точной привязкой к единому астрономическому времени посредством использования глобальной системы спутникового позиционирования и с последующим вычислением расстояния до места повреждения электропередачи по разности времени прихода фронта волны на каждый из концов линии электропередачи.

Недостаток данного способа заключается в отсутствии учёта зависимости скорости распространения волнового процесса от электрических параметров воздушной линии электропередачи, и значительной зависимости достоверности результата определения места повреждения от точности синхронизации датчиков, расположенными на концах линии электропередачи.

Известен способ дистанционного определения места ОЗЗ [RU 2637378 C1, МПК G01R 31/08, опубл. 04.12.2017], сущность которого заключается в том, что в способе дистанционного определения места однофазного замыкания на землю путем одностороннего замера переходного напряжения на поврежденной фазе на шинах контролируемого объекта и переходного тока нулевой последовательности поврежденной линии, дополнительно регистрируют скорость изменения переходного тока , фиксируют все моменты переходов тока через нулевое значение, где - порядковый номер перехода тока через нулевое значение, при этом определяют и фиксируют соответствующие моментам времени мгновенные значения напряжения на поврежденной фазе , скорости изменения тока , а затем по зафиксированным значениям напряжения на поврежденной фазе , скорости изменения тока и справочному значению погонной индуктивности для поврежденной линии Lп определяют расстояние до места однофазного замыкания на землю в соответствии с выражением . 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 . Технический результат, наблюдаемый при реализации известного решения RU 2637378 С1, заключается в повышении точности способа определения расстояния до места однофазного замыкания на землю воздушной линии.

Недостатки данного способа связаны с тем, что не учитываются изменения геометрических параметров опор, габарита провода и природно-климатических факторов, приводящие к изменению электрических параметров воздушной линии (продольных активных сопротивлений проводов, собственных и взаимных индуктивностей, взаимной емкости и емкости на землю проводов) в процессе эксплуатации, что приводит к снижению точности определения места повреждения воздушной линии.

Известен способ определения места повреждения воздушных линий в распределительных сетях [RU 2647536 C1, МПК G01R 31/11, опубл. 16.03.2018], принятый за прототип, технический результат которого заключается в расширении функциональных возможностей на основе определения места однофазного замыкания на землю в линии электропередачи при любом переходном сопротивлении в месте повреждения, не требующего при своей реализации стационарно установленной сложной системы. Для этого обеспечивают поочередную генерацию высокочастотного синусоидального сигнала в поврежденную и неповрежденную фазы с последующим определением резонансной частоты каждой из них. На основании полученных данных производят расчет расстояния до места повреждения по выражению: , где - резонансная частота одной из неповрежденных фаз линии, Гц; - частота, определенная для поврежденной фазы линии, Гц; - длина неповрежденной фазы отходящей линии электропередачи, км.

Недостаток данного способа заключается в невозможности определения расстояния до места ОЗЗ воздушной линии электропередачи без ее отключения; необходимости дополнительного оборудования - генератора высокочастотного синусоидального сигнала; наличии методической погрешности определения расстояния до места ОЗЗ воздушной линии электропередачи, обусловленной отсутствием учёта изменения ее электрических параметров, связанных с расходом ресурса и влиянием природно-климатических факторов.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является разработка способа, устраняющего недостатки аналогов.

При осуществлении изобретения достигается технический результат, заключающийся в повышении точности определения места повреждения воздушной линии электропередачи при однофазном замыкании на землю.

Указанный технический результат достигается тем, что сначала идентифицируют поврежденное ответвление (фидер) воздушной линии электропередачи, и затем вдоль него определяют расстояние до места возникновения однофазного замыкания на землю на основе резонансных частот линии, при этом в нормальном режиме работы линии резонансную частоту определяют на основе первичных параметров: продольное активное сопротивление проводов, собственные и взаимные индуктивности, взаимная емкость и емкость на землю проводов воздушной линии электропередачи для конкретного района ее размещения с учётом природно-климатических факторов, а при возникновении однофазного замыкания на землю резонансную частоту определяют по условию резонанса из спектров фазных напряжений и токов, получаемых на основе данных регистрации параметров напряжений и токов цифровыми приборами контроля качества и учёта электроэнергии в составе трансформаторных подстанций.

Предлагаемый способ определения места однофазного замыкания на землю воздушных линий электропередачи в электрических сетях с изолированной нейтралью обеспечивает достижение заявленного технического результата за счет того, что используют высшие гармонические составляющие напряжения и токов, которые возникают вследствие переходного процесса, вызванного повреждением воздушной линии электропередачи. Согласно теории электрических цепей, возникновение однофазного замыкания на землю трактуется как коммутация, следовательно, является причиной переходного процесса, который, в общем случае, содержит как свободную, так и принужденную составляющие. Свободная составляющая переходного процесса является непериодической несинусоидальной функцией времени и может быть разложена в ряд Фурье на высшие гармонические составляющие. В подавляющем большинстве случаев первичные обмотки силовых трансформаторов 6(10)/0,4 кВ соединены треугольником, поэтому гармоники нулевой последовательности не передаются на низкую сторону и не могут быть получены разложением в ряд Фурье регистрируемых сигналов, что не вызывает затруднений в процессе определения места повреждения воздушной линии электропередачи.

Способ поясняется иллюстративным материалом, где на фиг. 1 представлена принципиальная схема электрической сети с однофазным замыканием на землю (ОЗЗ), на фиг. 2 показан фазовый спектр отношения фазного напряжения к фазному току при однофазном замыкании на землю.

Способ определения места однофазного замыкания на землю воздушных линий электропередачи в электрических сетях с изолированной нейтралью включает следующие этапы:

1. Определение ответвления (фидера) воздушной линии электропередачи, на котором произошло однофазное замыкание на землю.

2. Определение расстояния до места возникновения однофазного замыкания на землю для выделенного ответвления воздушной линии электропередачи.

Способ определения места однофазного замыкания на землю воздушных линий электропередачи в электрических сетях с изолированной нейтралью осуществляют следующим образом:

С помощью цифровых приборов контроля качества и учёта электроэнергии (например, таких приборов как ЭКРА, МИР, Satec и др.) в составе современных трансформаторных подстанций измеряют мгновенные значения фазных напряжений и токов с привязкой ко времени и величины напряжений обратной последовательности фазных напряжений.

На основании того, что напряжения обратной последовательности определяются индуктивностями на фазу линии, зависящими только от геометрических размеров петель, образованных линейными проводами, устанавливают соответствие между величинами напряжений обратной последовательности фазных напряжений на вводе трансформаторных подстанций и ответвлением воздушной линии электропередачи, на котором произошло однофазное замыкание на землю из условий, что:

при однофазном замыкании на землю магистрали электрической сети на всех трансформаторных подстанциях, подключенных до места повреждения напряжения обратной последовательности значительно ниже, чем на подстанциях за местом повреждения;

при однофазном замыкании на землю ответвления воздушной линии электропередачи наибольшее напряжение обратной последовательности соответствует трансформаторной подстанции, подключенной к поврежденному ответвлению.

Вычисляют спектр измеренных фазных напряжений и токов прямым преобразованием Фурье и определяют резонансную частоту поврежденной воздушной линии электропередачи. Сначала через интервал времени берут выборку измеренных мгновенных значений напряжений и токов. Верхний предел частоты в спектре должен быть равен (частота Найквиста или Шеннона), так как все частоты, превышающие половинную частоту дискретизации, отражаются относительно нее и переносятся на более низкие частоты, что приводит к возникновению эффекта наложения, искажающего исходный спектр. Затем элементы выборки преобразуют в цифровую форму и при помощи быстрых цифровых преобразований вычисляют Фурье-образ. На заключительном шаге к элементам выборки применяют прямое преобразование Фурье и формируют спектр сигнала:

где - количество значений сигнала, измеренных за период, а также количество компонент разложения;

- измеренные значения сигнала в дискретных временных точках с номерами от 0 до;

- комплексные амплитуды высших гармонических составляющих, формирующих исходный сигнал;

- номер высшей гармонической составляющей сигнала.

На основании полученного спектра определяют наименьшую резонансную частоту поврежденной воздушной линии электропередачи, превышающую рабочее (номинальное) значение частоты электрической сети, из условия равенства 2πn разности фаз сигналов напряжения и тока, где n={0; 1; 2; 3…}.

Определяют наименьшую резонансную частоту линии в нормальном режиме работы из перечня корней, полученных в результате численного решения системы уравнений по условию возникновения резонанса (например, в разработанном авторами программном обеспечении):

В системе (2) первичные параметры (продольные активное сопротивление проводов, собственные и взаимные индуктивности, взаимная емкость и емкость на землю проводов) воздушной линии электропередачи для конкретного района ее размещения содержатся в базе данных, заполненной в соответствии с алгоритмом, например, изложенном в [Сидоров С.В., Сушков В.В, Сухачев И.С. Разработка методики определения места однофазного замыкания на землю воздушной линии электропередачи напряжением 6(10) кВ с учётом климатических факторов // известия Томского политехнического ун-та, Инжиниринг георесурсов.- 2020. - Т. 331. - № 2. - С. 115_123]. Алгоритм включает вычисление на основе геометрических параметров опор и габарита провода первичных параметров воздушной линии электропередачи с их последующим уточнением в зависимости от природно-климатических факторов (температуры окружающей среды, удельного сопротивления грунта, относительной влажности воздуха) конкретного района ее размещения. Следует отметить, что в процессе математического описания воздушную линию электропередачи разбивают на участки с одинаковыми конструктивно-техническими параметрами (по типу опор, марке проводов и тому подобному).

Вычисляют расстояние x до места возникновения однофазного замыкания на землю вдоль установленного ответвления воздушной линии электропередачи от точки измерения напряжений и токов на трансформаторной подстанции, используя величины и :

где - длина неповрежденной фазы ответвления (участка) воздушной линии электропередачи.

Рассмотрим пример определения места однофазного замыкания на землю воздушных линий электропередачи в электрических сетях с изолированной нейтралью в соответствии с приведенной последовательностью действий.

Определим расстояние до места однофазного замыкания на землю в электрической сети, принципиальная схема которой приведена на фиг. 1, где: Т1-Т4 - трансформаторные подстанции классом напряжения 10/0,4 кВ, АС-70 - провод неизолированный сталеалюминевый с алюминиевой жилой сечением 70 мм², ОЗЗ - место возникновения однофазного замыкания на землю, точки 1, 5-8 - вводы трансформаторных подстанций, точки 2-4 - точки подключения ответвления воздушной линии электропередачи к магистрали электрической сети. Разбивают линию на участки, чтобы в пределах каждого участка параметры (тип опор, марка проводов и тому подобное) были одинаковы.

Цифровыми приборами контроля качества и учёта электроэнергии, установленными на трансформаторных подстанциях Т1-Т4, измеряют мгновенные значения фазных напряжений и токов с привязкой ко времени и величины напряжений обратной последовательности фазных напряжений, приведенные в табл. 1-2. сначала по известным соответствиям между величинами напряжений обратной последовательности фазных напряжений на вводе трансформаторных подстанций

Таблица 1 - Напряжения обратной последовательности трансформаторных подстанций Напряжения обратной последовательности трансформаторных подстанций, В Т1 Т2 Т3 Т4 4025 75 75 75

На основании условия, что при «однофазном замыкании на землю ответвления воздушной линии электропередачи наибольшее напряжение обратной последовательности соответствует трансформаторной подстанции, подключенной к поврежденному ответвлению», место однофазного замыкание на землю расположено на участке 2-6 электрической сети.

Таблица 2 - Мгновенные значения фазных напряжений и токов с привязкой ко времени (на примере трансформаторной подстанции Т1) t, мкс u_a / u_b / u_c, B i_a / i_b / i_c, А 0 1023 / -7527 / 6504 6.05 / -44.53 / 38.48 40 1125 / -7566 / 6441 6.66 / -44.76 / 38.11 80 1227 / -7604 / 6378 7.26 / -44.99 / 37.73 120 1328 / -7641 / 6313 7.86 / -45.20 / 37.35 160 1429 / -7676 / 6247 8.45 / -45.41 / 36.96 … … … 5000 8101 / -3164 / -4937 47.92 / -18.72 / -29.20 5040 8087 / -3069 / -5018 47.84 / -18.16 / -29.69 5080 8072 / -2974 / -5098 47.76 / -17.59 / -30.16

На основании измерений мгновенных значений фазных напряжений и токов с привязкой ко времени получены фазовые спектры фазных напряжений и токов, фазовый спектр отношения фазного напряжения к фазному току приведены на фиг. 2. Из условия равенства 2πn разности фаз сигналов напряжения и тока наименьшая резонансная частота поврежденной воздушной линии электропередачи, превышающая рабочее (номинальное) значение частоты электрической сети 50 Гц, равна 79.6 Гц (n=1).

Первичные параметры: продольные активное сопротивление проводов, собственные и взаимные индуктивности, взаимная емкость и емкость на землю проводов рассматриваемой воздушной линии электропередачи для конкретного района ее размещения содержатся в информационной системе, выдержка из которой приведена ниже:

Численным решением системы уравнений (2) с параметрами, приведенными в табл. 3 (например, в разработанном авторами программном обеспечении), из условия возникновения резонанса получена резонансная частота линии в нормальном режиме работы Гц.

Согласно формуле (3), расстояние x до места возникновения однофазного замыкания на землю вдоль установленного ответвления (участка 2-6) воздушной линии электропередачи от точки измерения напряжений и токов на трансформаторной подстанции Т1 равно км.

Таким образом, заявляемый способ обеспечивает возможность определения расстояния до места однофазного замыкания на землю воздушной линии электропередачи без ее отключения; применения дополнительного оборудования - генератора высокочастотного синусоидального сигнала. Повышение точности определения места повреждения воздушной линии электропередачи обеспечивается за счет сокращения методической погрешности определения расстояния до места однофазного замыкания на землю воздушной линии электропередачи, путем учёта изменения ее электрических параметров, связанных с расходом ресурса и влиянием природно-климатических факторов, что также позволяет расширить географию применения предложенного способа.

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано для оперативного определения места однофазного замыкания на землю в электрических сетях с изолированной нейтралью. Технический результат: повышение точности определения места повреждения воздушной линии электропередачи при однофазном замыкании на землю. Сущность: сначала идентифицируется поврежденное ответвление (фидер) воздушной линии электропередачи. Затем вдоль него определяется расстояние до места возникновения однофазного замыкания на землю на основе резонансных частот линии в нормальном режиме работы линии и при возникновении однофазного замыкания. В нормальном режиме работы линии резонансная частота определяется на основе данных информационной системы, содержащей первичные параметры (продольные активное сопротивление проводов, собственные и взаимные индуктивности, взаимная емкость и емкость на землю проводов) воздушной линии электропередачи для конкретного района ее размещения с учётом природно-климатических факторов. При возникновении однофазного замыкания на землю резонансная частота определяется по условию резонанса из спектров фазных напряжений и токов, получаемых на основе данных регистрации параметров напряжений и токов цифровыми приборами контроля качества и учёта электроэнергии в составе трансформаторных подстанций. 2 ил.

Способ определения места однофазного замыкания на землю воздушных линий электропередачи в электрических сетях с изолированной нейтралью, характеризующийся тем, что сначала по соответствиям между величинами напряжений обратной последовательности фазных напряжений на вводе трансформаторных подстанций идентифицируют поврежденное ответвление воздушной линии электропередачи и затем вдоль него определяют расстояние до места возникновения однофазного замыкания на землю на основе резонансных частот линии в нормальном режиме работы линии и при возникновении однофазного замыкания на землю, при этом в нормальном режиме работы линии резонансную частоту определяют на основе таких первичных параметров как продольное активное сопротивление проводов, собственные и взаимные индуктивности, взаимная емкость и емкость на землю проводов воздушной линии электропередачи для конкретного района её размещения с учётом природно-климатических факторов, а при возникновении однофазного замыкания на землю резонансную частоту определяют по условию резонанса из спектров фазных напряжений и токов, получаемых на основе данных регистрации параметров напряжений и токов цифровыми приборами контроля качества и учёта электроэнергии в составе трансформаторных подстанций.