способ определения расстояния до места однофазного замыкания на землю в радиальных распределительных сетях

Формула изобретения

Способ определения расстояния до места однофазного замыкания на землю в радиальных распределительных сетях, заключающийся в регистрации в цифровой форме напряжения поврежденной фазы на шинах источника питания и последующем анализе этого напряжения, отличающийся тем, что в упомянутом анализе измеряемое напряжение с начального момента замыкания с максимальной по модулю производной нормируют относительно напряжения пробоя , (где - максимальное фазное напряжение сети) и находят среднеквадратичные отклонения (где n - количество измерительных и расчетных точек) измеренного нормированного напряжения по отношению к многочисленным расчетным кривым напряжений , k=1,…,m, m20…30, предварительно полученным в цифровой форме для поврежденного фидера данной сети в результате численного моделирования процесса однофазного замыкания при различных расстояниях от пункта питания до места замыкания, по минимальному среднеквадратическому отклонению, соответствующему определенной расчетной k-й кривой, определяют расстояние до места замыкания.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для определения расстояний до мест однофазных замыканий на землю в распределительных сетях радиальной структуры.

Известен способ определения расстояния до места однофазного замыкания на землю в радиальных распределительных сетях /1/, который основан на измерении времени между моментом посылки в линию зондирующего электрического импульса и моментом прихода в начало линии импульса, отраженного от места замыкания. Послав в линию импульс, измеряют интервал t_р - время двойного пробега этого импульса до места замыкания. Расстояние до места замыкания находят как l₃=vt_p/2, где v - скорость распространения импульса по линии.

Использование этого способа в автоматическом режиме (когда измерения проводятся на линиях, включенных под рабочее напряжение электрической сети) крайне затруднительно для радиальной сети, когда от питающих шин отходит много линий, поскольку в этом случае имеют место многократные отражения от неповрежденных линий, накладывающиеся на полезный сигнал и искажающие его. Сложность применения этого способа также заключается в том, что, измерение напряжения должно производиться в период горения дуги замыкания - только в этом случае информация является значимой. Горение же дуги длится доли миллисекунды, что затрудняет получение требуемой измерительной информации.

Кроме того, известен способ определения расстояния до места однофазного замыкания на землю в радиальных распределительных сетях /2/, взятый в качестве прототипа и применяемый на включенных в сеть линиях, согласно которому выполняют измерение времени между моментом (t_н) прихода к началу линии фронта волны высокого напряжения, возникающей в результате электрического пробоя в месте замыкания на расстоянии l_з от начала линии, и моментом вторичного прихода (t_к) фронта волны после двух отражений (в начале линии и месте замыкания). Интервал времени определяется как t=(t _к-t_н)=2l_з/v. Из последнего выражения определяется расстояние до места замыкания (аналогично первому рассмотренному способу) l_з=tv/2.

В данном способе так же, как и в вышеприведенном, существуют отраженные волны от концов неповрежденных линий. Применительно к кабельным сетям распространяемый по линиям сигнал сильно искажается в силу неоднородностей, связанных с соединением линий разного типа и сечения, и наличием по трассе соединительных муфт, что делает определение временного интервала t крайне затруднительным, а порой невозможным. Этот способ также сложно применять в радиальной сети для линий, находящихся под рабочим напряжением.

Анализ приведенного уровня техники свидетельствует о том, что задачей изобретения является создание более простого способа определения расстояния до места замыкания на землю при не отключенном (находящемся под рабочим напряжением) присоединении в радиальных распределительных сетях.

Это достигается тем, что в известном способе определения расстояния до места однофазного замыкания на землю в радиальных распределительных сетях, основанном на регистрации в цифровой форме напряжения поврежденной фазы на шинах источника питания и его последующем анализе, измеряемое напряжение (u_u,i, i - номер точки измерения) с начального момента замыкания с максимальной по модулю производной нормируют по отношению к напряжению пробоя (u* _u,i - нормированное напряжение) и находят суммы квадратичных отклонений (СКО) (где n - количество точек измерения) измеренного нормированного напряжения u*_u,i, по отношению к расчетным кривым напряжения u_p,i,k (k - номер расчетной кривой), предварительно полученным в цифровой форме, для поврежденного фидера данной сети в результате численного моделирования процесса однофазного замыкания при различных расстояниях от пункта питания l_з,k ; по минимальному среднеквадратическому отклонению, соответствующему определенной расчетной (k-ой) кривой, определяют расстояние до места замыкания.

На фиг.1 приведена одна из возможных схем сети, в которой реализуется предлагаемый способ; на фиг.2 - примеры расчетных кривых напряжения для различных расстояний l_з до места замыкания на землю в распределительной радиальной сети, состоящей из 10 кабельных линий различной протяженности; на фиг.3 - среднеквадратические отклонения расчетных кривых напряжения по отношению к кривой измеренного напряжения.

Устройство (фиг.1) содержит схему сети, в которой к главной понизительной подстанции (ГПП) - пункту питания 1 через линии электропередачи 2-7 подключены трансформаторные подстанции 8-12 (ТП) и распределительная подстанция 13 (РП).

Способ осуществляется следующим образом.

Для электрической сети на основе всех ее параметров (топологии, длин и параметров линий) предварительно рассчитываются переходные процессы однофазных замыканий на землю (лишь начальная часть - порядка сотен микросекунд) для всех цепочек и расстояний l _з,k от начала - пункта питания 1 (ГПП) до конечной точки ветви -ТП 8-12. Для каждой такой ветви получают в цифровой форме m расчетных осциллограмм (кривых) переходных процессов (u _p,i,k i[1, n] - номер расчетной точки, k[1, n] - номер расчетной осциллограммы) при различных расстояниях l_з,k от ГПП, количество которых (m) в зависимости от желаемой точности определения расстояния l_з,k может колебаться в широких пределах, например от 20 до 30. Расчетные осциллограммы получают с использованием средств компьютерного моделирования, например с помощью программных комплексов ЕМТР /3/, EMTDC/PSCAD /4/, PSPICE /5/ и т.п. Моделирование процессов в сети может быть также физическим или с помощью аналоговых, аналогово-цифровых систем, однако расчетные данные для последующего анализа переводят в цифровой вид.

Представляя физические процессы в сети в виде волн напряжения и тока, замыкание на землю может быть интерпретировано как распространение от точки повреждения волны напряжения (и тока) по форме, близкой к прямоугольной, которая вследствие ее многократных отражений, преломлений и наложений на вынужденную составляющую напряжения, формирует определенный образ переходного напряжения на шинах ГПП (1). Вид этого напряжения зависит от топологии сети, параметров и длин линий.

В процессе замыкания на землю в реальной сети на одной из отходящих линий 2-7 (фиг.1) на шинах питающего пункта 1 регистрируют напряжение поврежденной фазы (например, выполняя мониторинг перенапряжений /6, 7/) и выделяют присоединение с замыканием любым из известных способов, реализуя, например, принцип раздельной фиксации полярностей первых полуволн высокочастотных токов нулевой последовательности /8/ или сравнивая углы сдвига фаз между напряжением и током нулевой последовательности на всех отходящих линиях /9/. Для передачи информации о поврежденном фидере, отходящем от РП (13), используют системы телеметрии.

Расчетные кривые переходного процесса замыкания, ранее полученные для поврежденной ветви, и измерительные данные при необходимости приводят к единому шагу дискретизации по времени (h), выполняя интерполирование функций. В качестве первых измерительных и расчетных точек берут те, в которых происходит максимальная убыль (по абсолютному значению) напряжения из предаварийного установившегося режима, т.е. точки с максимальной производной напряжения (фактически для дискретных измерений с некоторым достаточно малым шагом дискретизации производная представляется в виде конечных разностей первого порядка). Поскольку пробой в общем случае может происходить не при максимальном фазном напряжении сети (U _фм), для которого получают расчетные кривые напряжений, то измеренное напряжение нормируют по отношению к напряжению пробоя (U_n) и вычисляют среднеквадратические отклонения (n - количество измерительных и расчетных точек). По значению минимального среднеквадратического отклонения определяют расстояние до места замыкания на поврежденной ветви.

На фиг.2 приведены примеры расчетных осциллограмм напряжения в начальный момент замыкания, полученных с помощью программного обеспечения /3/ для радиальной сети, представленной из десяти кабельных линий протяженностью 0,5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9, и 10 км (кривые на фиг.2, а-з соответствуют расстояниям до места замыкания 0,5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 км). Десятикилометровый кабель состоял из двух участков с варьируемьми длинами, в месте соединения которых моделировалось замыкание. На фиг.3 в виде диаграмм приведены среднеквадратические отклонения, полученные для различных расстояний до мест замыкания и показывающие снижение СКО по мере приближения к “истинному” месту замыкания с измерительными данными (в качестве “истинного” места замыкания с измерительными данными принимались соответствующие расчетные значения - на фиг.3 эти расстояния приняты равными 1, 3 и 7 км). Анализ диаграмм позволяет легко установить расстояние до места замыкания.

Шаг дискретизации по времени (h) как для расчетных точек, так и для измерительных, а также время вычисления СКО t=nh зависят от длин фидеров в сети: от их минимальных ( _min) и максимальных (суммарных по всей ветви - _mах) постоянных распространения электромагнитной волны =l/v, I - длина ветви. Ориентировочно можно принять и интервал времени вычисления СКО несколько большим, чем время двойного пробега электромагнитной волны по наибольшей ветви, т.е. t>2 _max.

Таким образом, определение расстояния до места замыкания без отключения присоединения осуществляется просто - путем нахождения минимума среднеквадратического отклонения измерительной кривой напряжения поврежденной фазы по отношению к набору расчетных кривых в начальной стадии переходного процесса, полученных для различных расстояний до места замыкания на землю.

Список использованных источников

1. Измерение расстояний до мест повреждений на воздушных и кабельных линиях электропередачи и связи/ В.Л.Бакиновский, А.П.Осадчий, Н.И.Сосфенов, В.К.Спиридонов. -ЦНИЭЛ, 1954, вып.2.

2. Шалыт Г.М. Определение мест повреждения в электрических сетях, 1982.

3. The Electromagnetic Transients Program (EMTP). Rule Book 1, 2. DCG/EPRI, 1996.

4. A.M.Gole, O.B.Nayak, T.S.Sidhu and M.S.Sachdev. A Graphical Electromagnetic Simulation Laboratory for Power System Engineering Programs // IEEE Transactions on Power Systems, vol. 11, no. 2, May 1996, pp. 599-606.

5. Разевиг В.Д. Система схемотехнического моделирования и проектирования печатных плат Design Center (PSpice), -М.: СК Пресс, 1996.

6. Качесов В.Е., Ларионов В.Н., Овсянников А.Г. О результатах мониторинга перенапряжении при однофазных дуговых замыканиях на землю в распределительных кабельных сетях // Электрические станции, №8, 2002.

7. Кадомская К.П., Качесов В.Е., Лавров Ю.А., Овсянников А.Г., Сахно В.А. Диагностика и мониторинг кабельных сетей средних классов напряжения // Электротехника, №11, 2000.

8. Л.Е.Дударев, В.В.Зубков, В.И.Стасенко. Комплексная защита от замыканий на землю // Электрические станции, 1981, №7.

9. Рейтер А.И., Батулько Д.В. Определитель поврежденной линии при однофазных замыканиях на землю в сетях 6-35 кВ с изолированной нейтралью // Энергетик, 2002, №4.