СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВРЕЖДЕННОГО ОТВЕТВЛЕНИЯ НА ФИДЕРЕ ДРЕВОВИДНОЙ СТРУКТУРЫ ПРИ ОДНОФАЗНОМ ЗАМЫКАНИИ НА ЗЕМЛЮ НА ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ Российский патент 2024 года по МПК G01R31/08 

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к релейной защите распределительных электрических сетей с изолированной нейтралью, которые характеризуются малыми токами установившегося однофазного замыкания на землю, где существует проблема определения поврежденного фидера.

Известен способ определения поврежденного фидера на основе выделения аварийных составляющих в токах и напряжениях промышленной частоты [1]. Таковыми служат значения напряжения нулевой последовательности на шинах подстанции и значения токов нулевой последовательности каждого фидера, питающегося от общих шин. Критерием идентификации поврежденного фидера служит направление передачи энергии аварийных составляющих, а именно токами и напряжением нулевой последовательности по каждому фидеру.

К недостаткам такого способа относится влияние погрешностей измерительных трансформаторов, необходимость повышения уровня сигнала до порога чувствительности и избирательности за счет длительности интегрирования, тогда как однофазные замыкания на землю на воздушных линиях электропередачи носят преимущественно кратковременный неустойчивый характер (патент RU 2050660, МПК Н02Н 3/38, Н02Н 3/26, Н02Н 7/26, опубл. 20.12.1995).

Известен способ определения поврежденного фидера на основе сравнения токов нулевой последовательности промышленной частоты [2]. Его суть заключается в том, что для определения поврежденной линии в сети с изолированной нейтралью запоминают ток нулевой последовательности предшествующего режима каждой линии при периодическом кратковременном замыкании фазы в нормальном режиме со стороны источника питания. Определяют изменение тока нулевой последовательности промышленной частоты каждой линии и сравнивают его с соответствующей уставкой для каждой линии. Если на одном из присоединений ток изменил направление, и он больше уставки, то делают вывод о повреждении линии и отключают ее (патент RU 2422841, МПК G01R 31/08, опубл. 27.06.2011).

Недостатком такого способа является необходимость установки дополнительного высоковольтного устройства с ограничивающим резистором, подключаемого к шинам питания отходящих фидеров, которое повышает уровень тока однофазного замыкания на землю до порога чувствительности релейной защиты. При этом от повышенного тока возникает потенциальная угроза лесного пожара, поскольку воздушные линии распределительной сети часто проходят через лесные массивы и причиной однофазных замыканий служат ветки деревьев вовремя не очищенной от них трассы.

Известен способ определения поврежденного фидера на основе сравнения измеренных токов нулевой последовательности, рассчитанными на модели каждого фидера [3]. Суть его состоит в том, что фиксируют с заданной частотой дискретизации отсчеты напряжения нулевой последовательности на общих шинах и отсчеты токов нулевой последовательности в каждом фидере распределительной сети. Осуществляют цифро-аналоговое преобразование отсчетов напряжения нулевой последовательности и подают преобразованное напряжение на вход модели каждого фидера по нулевой последовательности, причем модели составляют для нормального состояния фидеров. Выполняют аналого-цифровое преобразование тока нулевой последовательности модели каждого фидера с заданной частотой дискретизации. Определяют расхождение между отсчетами тока нулевой последовательности каждого реального фидера и отсчетами тока его модели. По величине расхождения выявляют поврежденный фидер (патент RU 2516371, МПК G01R 31/08, опубл. 20.05.2014).

Недостатком такого способа является необходимость предварительного формирования математических моделей каждого фидера, которые в распределительных электрических сетях имеют древовидную структуры и могут включать в себя до нескольких десятков потребительских подстанций. Изменение конфигурации электрической сети, оснащенной реклоузерами, или же проведение регламентных ремонтных работ требует внесения изменений в соответствующие математические модели.

Все три способа [1], [2], [3], как это принято в релейной защите распределительных электрических сетей с изолированной нейтралью, используют в качестве пускового органа фиксации события однофазного замыкания на землю появление напряжения нулевой последовательности порядка 100 В на обмотке «разомкнутый треугольник» шинного трансформатора напряжения. Натурные эксперименты показывают, что переходные сопротивления в месте однофазного замыкания на землю могут снизить напряжение нулевой последовательности ниже уровня его отстройки от напряжения небаланса и в то же время повысить уровень гармонических составляющих в составе напряжения нулевой последовательности и соответственно в токах нулевой последовательности фидеров [4].

Целью предлагаемого технического решения является ограничение продолжительности топографического поиска места однофазного замыкания на землю посредством распознавания аварийного ответвления на фидере древовидной структуры.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения поврежденного ответвления от магистрали на фидере при замыкании на землю в распределительной электрической сети, оснащенной системой распознавания фидера с однофазным замыканием на землю, при котором фиксируют с заданной частотой дискретизации напряжения нулевой последовательности на общих шинах и токи нулевой последовательности в поврежденном фидере, отходящем от общих шин, согласно предлагаемому изобретению на одной из периферийных подстанций со стороны высшего напряжения устанавливается измерительный трансформатор, формирующий напряжение нулевой последовательности, в котором выделяется максимальная гармоника предписанной системой распознавания частоты и пересылается в векторном обратно в ее добавочный модуль с функционалом определения ответвления с однофазным замыканием на землю посредством расчета на магистрали «центр питания - периферийная подстанция аварийного фидера» результирующих сопротивлений каждого ответвления на предписанной частоте, принятой по критерию максимального значения гармоники напряжения нулевой последовательности на шинах центра питания в заданном частотном диапазоне, встречно направленными и взаимно независимыми расчетами узловых напряжений от начала магистрали к ее концу и от конца магистрали к ее началу с последующим определением либо одного аварийного ответвления по условию равенства в узле напряжений обоих расчетов в пределах заданной точности, либо аварийного участка магистрали с двумя ответвлениями по условию разных знаков разности напряжений обоих расчетов по его концам.

Анализ известных технических решений по научно-технической и патентной документации показал, что совокупность существенных признаков заявленного технического решения не известна из уровня техники, следовательно, оно соответствует условиям патентоспособности (новизна, изобретательский уровень).

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема подключения измерительного трансформатора напряжения 1 к общим шинам 2 распределительного устройства центра питания и линейных измерительных трансформаторов тока 3 на j-ом фидере из общего количества фидеров, большего одного. Вторичная сторона измерительного трансформатора напряжения 1 по схеме выделения нулевой подключена к блоку аналогово-цифрового преобразования 4, на выходе которого формируется дискретная последовательность отсчетов . Линейные измерительные трансформаторы тока 3 подключены к блоку аналогово-цифрового преобразования 5, на выходе которого формируется дискретная последовательность отсчетов .

На фиг. 2 изображена принципиальная схема подключения к вводам высшего напряжения 6 периферийной подстанции М измерительного трансформатора напряжения 7. Вторичная сторона измерительного трансформатора напряжения 7 по схеме выделения нулевой подключена к блоку аналогово-цифрового преобразования 8, также на вход которого из системы мониторинга и диагноста однофазного замыкания на землю фидера по каналу связи поступает значение предписанной частоты n выделения спектральной составляющей сигнала. Блоком 8 на предписанной частоте на выходе формируется вектор и пересылается по каналу связи в систему мониторинга и диагноста фидера.

На фиг. 3 изображена структурная схема модуля распознавания аварийного ответвления от магистрали 9, интегрированного с системой 10 мониторинга и диагностики однофазного замыкания на землю на фидерах воздушных распределительных электрических сетей. Отсчеты напряжения напряжения нулевой последовательности на шинах центра питания и отсчеты тока нулевой последовательности на входе аварийного фидера поступают в систему 10, куда также поступает задаваемый диапазон частот Δn, внутри которого системой 10 выбирается максимальная гармоника тока и фиксируется ее номер n. Он пересылается по каналу связи на периферийную подстанцию в блок 8, фиг. 2. Из системы 10 в модуль 9 на вход блока выбора параметров аварийного фидера 11 поступает номер j аварийного фидера. Также выходными сигналами системы 10 являются вектора гармоники n напряжения нулевой последовательности на шинах центра питания и тока нулевой последовательности j-го аварийного фидера . Предварительно в блок 11 вводятся принципиальные схемы всех фидеров и параметры их схем замещения в виде массива [S], фиг. 3. В блоке 11 производится выбор схемы и параметров фидера j, после чего они в виде массива поступают на вход блока расчета результирующих сопротивлений каждого ответвления 12 на предписанной частоте n, которая поступает на вход блока 12 из системы 10. Результаты расчета в виде массива поступают на вход блока расчета узловых напряжений 13. Также на вход блока 13 из системы 10 поступают значения векторов , и с периферийной подстанции М поступает значение вектора . В блоке 13 реализуется двунаправленный расчет узловых напряжений от начала магистрали к ее концу и от конца магистрали к ее началу. Результаты расчета прямого хода [U] и обратного хода [U_r] поступают в логический блок 14, также на его вход поступает задание δ_U для сравнения пар узловых напряжений напряжений. По результатам сравнения на выходе блока 14 формируется номер ответвления с однофазным замыканием на землю m или два сигнала m и m-1, соответствующие номерам двух узлов.

На фиг. 4 изображена диаграмма распределения узловых напряжений вдоль магистрали длиной l от узла 0, совмещенного с шинами центра питания, до конечной периферийной подстанции М. Расчеты прямого хода показаны стрелками, направленными слева направо, полученные значения узловых напряжений показаны залитыми окружностями. Расчеты обратного хода показаны стрелками, направленными справа налево, полученные значения узловых напряжений показаны светлыми окружностями. Диаграмма 1 соответствуют случаю, когда напряжения прямого и обратного хода равны в пределах заданной точности их совпадения в узле m. Диаграмма 2 соответствует случаю, когда узловые напряжения в любом узле отличаются более, чем задает точность их совпадения.

Способ определения поврежденного ответвления от магистрали при однофазном замыкании на землю в распределительной электрической сети состоит в следующем. Система мониторинга и диагностики состояния фидеров 10, фиг. 3, при появлении на одном из фидеров однофазного замыкания на землю распознает аварийный фидер j, передает его номер в блок 11 модуля 9 и тем самым и запускает процедуру определения поврежденного ответвления. Система 10, в которой уже имеется необходимая опция разложения входных сигналов на гармонические составляющие для распознавания аварийного фидера и выделение максимальной гармоники тока, в заданном частотном диапазоне Δn выбирает максимальную гармонику напряжения и на этой же частоте фиксирует гармонику тока . Номер выбранной гармоники n по каналу связи пересылается на периферийную подстанцию j-го фидера в узле М и поступает на вход блока аналогово-цифрового преобразования 8, фиг. 2, где на основе дискретного преобразования Фурье вычислятся ортогональные составляющие вектора n-ой гармоники напряжения . Эти значения по каналу связи передаются в модуль 9, фиг. 3. В блок 11 модуля 9 заранее вводятся топология каждого фидера, длина ветвей, отображающих воздушные линии между узлами, номер узла периферийной подстанции, где подключен измерительный трансформатор напряжения, фиг. 2, волновые характеристики линий по нулевой последовательности, а именно коэффициент изменения фазы и волновое сопротивление линии, чему на фиг. 3 соответствует матрица исходных параметров [S]. В блоке 11 производится формирование расчетных магистралей «центр питания - периферийная подстанция аварийного фидера» и ответвлений от магистрали. По получении на вход блока 11 сигнала с номером j аварийного фидера им осуществляется выбор соответствующего фидера и оправляются на вход блока 12 массив данных , содержащий топологическую схему фидера и параметры схемы замещения. Также на вход блока 6 поступает номер гармоники n. В блоке 12 на предписанной гармонике n выполняется расчет результирующих сопротивлений каждого ответвления от магистрали, для чего используются типовые методы. Результаты расчетов в виде массива сопротивлений поступают на вход блока расчета узловых напряжений 13. Также на вход блока 13 поступают вектора нулевой последовательности напряжения на шинах центра питания и на вводе периферийной подстанции М напряжения , вектор тока нулевой последовательности на входе j-го аварийного фидера. Расчеты выполняются встречно направленными. Их суть заключается в том, что рассчитываются ток и напряжение на конце ветви магистрали по известным значениям тока и напряжения в ее начале, при переходе через узел дополнительно рассчитывается ток ответвления по известному напряжению узла и результирующему сопротивлению ответвления. Используется математическая модель линии с распределенными параметрами. В блоке 13 организуются встречно направленные вычисления. Прямым ходом рассчитываются напряжений в узлах от начала магистрали к ее концу, исходной информацией служат значения напряжения и тока на входе первой ветви. Обратным ходом рассчитываются напряжения в узлах, стартуя от узла М конца магистрали к ее началу, стартовой информацией служат значение напряжения в узле М и нулевое значение тока нулевой последовательности выходе последней ветви. Результаты расчета прямым ходом узловых напряжений в виде массива [U_d] и обратного хода в виде массива [U_r] поступают на вход логического блока 14, где выполняется сравнение их сравнение по условию m=1, 2, …, М. В случае его выполнения на выходе блока 14 формируется сигнал номера узла m с ответвлением, где имеет место с однофазное замыкание на землю, чему соответствует график на фиг. 4. Если условие не выполняется, то в логическом блоке выделяется ветвь, по концам которой разность узловых напряжений имеет разные знаки, график 2, фиг. 4, и на выходе блока 14 формируются два сигнала с номерами узлов m-1, m. Этот сигнал означает, что однофазное замыкание на землю может иметь место на ответвлениях от узлов m-1 и m, а также на линии, связывающих эти узлы.

Список использованных источников:

1. Патент РФ №2050660, Н02Н 3/38, Н02Н 3/26, Н02Н 7/26, 1992.

2. Патент РФ №2422841, G01R 31/08, 2010.

3. Патент РФ №2516371, G01R 31/08, 2013.

4. Федотов А.И., Макаров В.Г., Абдуллазянов Р.Э., Вагапов Г.В., Чернова Н.В. Спектральный состав токов и напряжений воздушной распределительной электрической сети с изолированной нейтралью при однофазных замыканиях на землю и его использование для определения мест повреждения / Известия вузов. Электромеханика. 2019. Т. 62. №2. - С. 72-82.

5. ГОСТ 13109-97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.

Изобретение относится к области релейной защиты и автоматики. Сущность: фиксируются с заданной частотой дискретизации напряжения нулевой последовательности подключенных фидеров, отходящих от общих шин, и фазные токи в каждом фидере, преобразуемые к токам нулевой последовательности. Выполняется гармонический анализ напряжения нулевой последовательности и рассчитывается коэффициент искажения синусоидальности напряжения нулевой последовательности. При условии его превышения над величиной в нормальном режиме осуществляется гармонический анализ токов нулевой последовательности фидеров. Для гармонической составляющей напряжения нулевой последовательности не промышленной частоты с максимальной амплитудой фиксируются ее фазовые сдвиги относительно гармонических составляющих токов нулевой последовательности каждого фидера. Фидер с однофазным замыканием на землю идентифицируется по условию: все остальные фидеры имеют значения фазовых углов другого знака. Проверочным критерием служит максимальная величина коэффициента искажений синусоидальности тока нулевой последовательности искомого фидера. Технический результат: ограничение продолжительности топографического поиска места однофазного замыкания на землю. 4 ил.

Способ определения установленной в центре питания системой мониторинга и диагностики воздушной распределительной электрической сети поврежденного ответвления на фидере древовидной структуры с однофазным замыканием на землю, при котором фиксируют с заданной частотой дискретизации напряжения нулевой последовательности на общих шинах и токи нулевой последовательности в аварийном фидере, отходящем от общих шин, токи и напряжения подвергают дискретному преобразованию Фурье и выделяют максимальную по величине гармонику тока, отличающийся тем, что для выделенной гармоники вычисляют фазы тока и напряжения нулевой последовательности, на высокой стороне одной и более конечных подстанций измеряют периферийные напряжения нулевой последовательности, причем система мониторинга и диагностики дополнена схемным блоком, формирующим схему магистрали с ответвлениями, началом которой являются шины центра питания, а концом служит подстанция, где измеряется напряжение нулевой последовательности, блоком вычисления узловых напряжений, блоком контроля измерений периферийных напряжений, по получаемому из центра питания номеру максимальной гармоники аварийного режима в периферийных напряжениях нулевой последовательности с использованием дискретного преобразования Фурье выделяется пронумерованная высшая гармоника напряжения нулевой последовательности и пересылается в систему диагностики и мониторинга, по заданному блоком контроля номеру периферийного наблюдаемого узла измерений напряжения нулевой последовательности схемным блоком рассчитываются на частоте выделенной гармоники результирующие сопротивления нулевой последовательности каждого ответвления и поступают в блок вычисления, где по токам и напряжениям крайних участков магистрали выполняются последовательные встречные расчеты напряжений в узлах магистрали от ее начала и от ее конца, результаты поступают в логический блок, который сравнивает в каждом узле полученные пары значений напряжений нулевой последовательности и выдает заключение, что однофазное замыкание на землю имеет место на отпайке от узла или вблизи него на магистрали, если значения напряжений для рассматриваемого узла отличаются в пределах заданной точности расчета, если таковые пары напряжений отсутствуют, то используют критерий оценки разности значений напряжения каждой пары, поврежденный участок идентифицируется с магистралью по условию изменения знака разности напряжений нулевой последовательности при переходе от рассматриваемого узла к соседнему, что означает наличие однофазного замыкания на землю между данными узлами, блок контроля измерений задает схемному блоку номер другого узла измерения напряжения нулевой последовательности, по отношению к данному узлу формируется новая магистраль и все расчеты выполняются до исчерпания периферийных наблюдаемых узлов, расчетные зоны однофазного замыкания на землю накладываются в логическом блоке друг на друга и их пересечение определяет место аварии.