способ определения фидера с однофазным дуговым замыканием на землю в радиальных распределительных кабельных сетях

Формула изобретения

Способ определения фидера с однофазным дуговым замыканием на землю в радиальных распределительных кабельных сетях, основанный на том, что в режиме однофазного замыкания на землю регистрируют переходные напряжения на шинах главного пункта питания и первые полуволны переходных токов в отходящих фидерах, сопоставляют полярности токов, фидер, имеющий полярность тока, противоположную по отношению к остальным, считают поврежденным, отличающийся тем, что сначала выполняют распознавание режима замыкания, анализируя фазные напряжения на шинах главного пункта питания, после чего сопоставляют полярности первых полуволн переходных токов, регистрируемых в проводниках, соединяющих оболочки кабелей с контуром заземления подстанции.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для определения фидера (питающей линии) с однофазным дуговым замыканием (ОДЗ) на землю в радиальных распределительных кабельных сетях 6-10 кВ с изолированной, резонансно компенсированной или заземленной через высокоомный резистор нейтралью.

Известен способ определения фидера с однофазным дуговым замыканием на землю в радиальных распределительных кабельных сетях, основанный на анализе установившихся значений высших гармонических составляющих тока нулевой последовательности (I_з0в.г.) [1]. В этом способе выделение поврежденного фидера осуществляется путем сопоставления (сравнения) значений высокочастотных токов в поврежденных и неповрежденных присоединениях: в поврежденном присоединении I_з0в.г. имеет максимальное значение.

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

Кроме того, известен способ определения фидера с однофазным дуговым замыканием на землю в распределительных кабельных сетях [2], принятый в качестве прототипа и применимый при кратковременных самоустраняющихся замыканиях, согласно которому в момент повреждения регистрируют переходное напряжение нулевой последовательности и первые полуволны высокочастотных токов нулевой последовательности в отходящих фидерах. По напряжению и току определяют начальный знак направления мощности для всех фидеров. Фидер, имеющий знак направления мощности (определяемый полярностью тока), 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. 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, возникающим в момент однофазного замыкания на землю в отраженной от конца поврежденной линии волне [3]. Искажения в волну напряжения также вносятся измерительным электромагнитным трансформатором напряжения из-за достаточно высокого частотного спектра волны, достигающего десятков - сотен килогерц. Частотные характеристики трансформаторов напряжения таковы, что они способны трансформировать периодические составляющие только до нескольких килогерц: при более высоких частотах сказывается межвитковая емкость первичной обмотки [1, стр.294]. При этом неправильно фиксируется знак мощности. Ограничивая полосу регистрируемых частот для повышения селективности выделения фидера с замыканием, существенно снижается область применения данного способа, особенно для кабельных сетей, в которых волновые процессы высокочастотны в силу незначительных длин линий.

Анализ приведенного уровня техники свидетельствует о том, что задачей изобретения является создание более достоверного способа определения фидера с однофазным дуговым замыканием в радиальных распределительных кабельных сетях.

Это достигается тем, что в известном способе выделения поврежденного фидера регистрируют переходные напряжения на шинах главного пункта питания и первые полуволны переходных токов в отходящих фидерах и сопоставляют полярности токов; фидер, имеющий полярность тока противоположную по отношению к остальным, считается поврежденным, при этом сначала выполняют распознавание режима замыкания, анализируя фазные напряжения на шинах главного пункта питания, после чего сопоставляют полярности первых полуволн переходных токов, регистрируемых в проводниках, соединяющих оболочки кабелей с контуром заземления подстанции.

На фиг.1 приведен фрагмент радиальной кабельной сети, в которой реализуется предлагаемый способ; на фиг.2 - осциллограмма фазных напряжений (кВ) [4] и их производных (кВ/с) при ОДЗ в реальной кабельной сети 10 кВ с изолированной нейтралью; на фиг.3 - расчетные осциллограммы фазных токов и тока в проводнике, соединяющем оболочку кабеля с контуром заземления подстанции; на фиг.4 - токи в оболочках неповрежденных и поврежденных фидеров и соответствующие логические напряжения.

В радиальной кабельной сети (фиг.1) энергия от главного пункта питания (ГПП) - понизительной подстанции 1 передается по кабельным линиям 2 к распределительным (РП), трансформаторным подстанциям (ТП) или нагрузке. В узлах сети (ГПП, РП) на проводниках, соединяющих оболочку с контуром заземления, имеющим некоторое сопротивление заземления R_З 3, установлены ненасыщаемые (слабонасыщаемые) трансформаторы тока 4, нагруженные на сопротивление нагрузки 5.

Способ осуществляется следующим образом.

В процессе однофазного замыкания на землю на любой из отходящих линий 2 (фиг.1) на шинах главного пункта питания (узла питания) 1 фиксируют фазные напряжения (для чего может быть использована система мониторинга перенапряжений [4, 5]), и распознают вид повреждения - однофазное замыкание на землю. Измерение напряжений выполняют на шинах главного пункта питания с помощью емкостных делителей напряжения [4], не вносящих искажения в измеряемые величины вплоть до сотен килогерц. Для распознавания однофазного дугового замыкания на землю могут быть использованы разнообразные методы, например, с использованием систем искусственного интеллекта [6], когда на основе экспериментальных (или полученных численным моделированием) осциллограмм разнообразных повреждений в электрической сети формируется и обучается искусственная нейронная сеть (ИНС), выделяющая конкретный вид повреждения по реальным осциллограммам фазных напряжений переходного процесса, представленным в цифровой форме. Для распознавания ОДЗ также могут быть использованы приемы, заключающиеся в анализе характерных признаков вида повреждения, что реализуется, например, для резонансно компенсированных сетей в методе [7, 8], использующем совпадение полярностей (знаков) производных фазных напряжений (u ) в момент замыкания на землю при превышении производными (в абсолютных значениях) некоторой уставки (U_уст), например, удвоенного значения максимума производной линейного напряжения сети u_л и ={A, B, C}) с последующим определением действующего значения интегрированием в течение ограниченного времени или для напряжения, представленного в виде числового массива, интегрируя по правилу прямоугольников - шаг дискретизации по времени, n - количество отсчетов за время интегрирования t_и2 мс): при замыкании на землю действующее напряжение на поврежденной фазе в несколько раз (в зависимости от степени компенсации фазной емкости сети) меньше, чем на неповрежденных.

Для сетей с изолированной или заземленной через высокоомный резистор нейтралью помимо ИНС для распознавания может использоваться ранее указанный признак совпадения знаков производных фазных напряжений в сочетании с подсчетом не менее двух триад однополярных импульсов фазных производных за время порядка 12-15 мс (фиг.2).

После распознавания замыкания на землю любым из вышеприведенных методов выделяют поврежденный фидер, используя свойство противоположности полярностей первых полуволн высокочастотных токов, измеренных в проводниках, заземляющих оболочки кабелей на подстанциях. Это свойство аналогично принципу противоположности полярностей токов нулевой последовательности [2].

В первый момент замыкания на землю переходный ток нулевой последовательности , подтекающий со стороны главного пункта питания, и ток в оболочке (i_об), соединенной с контуром заземления подстанции, состоят, главным образом, из тока разряда фазной емкости. На фиг.3 приведены расчетные осциллограммы, полученные с помощью [9], при замыкании на фазе «С» в радиальной сети, состоящей из пяти кабелей разной протяженности (0,5; 1; 2; 3 и 4 км), из которых видно, что высокочастотные переходные токи неповрежденных фаз (i_A, i_B) несопоставимы по значениям с током поврежденной фазы (т.е. i_C>>i_A и г i_C>>i_B), а ток в оболочке противоположен по полярности и близок по амплитуде и форме к току поврежденной фазы (и току 3i₀).

Ток, протекающий через оболочку поврежденного кабеля, имеет противоположное направление по отношению к токам неповрежденных кабелей (фиг.4). Высокочастотные токи замыкания (первые колебания) измеряют в проводниках, соединяющих оболочки кабелей с контуром заземления подстанции с помощью высокочастотных ненасыщаемых трансформаторов тока, например, трансформаторов с ферритовым магнитопроводом и немагнитным зазором. В качестве такового, например, можно использовать одновитковый трансформатор (с одним витком измеряемого тока в окне магнитопровода), выполненный на П-образном ферритовом магнитопроводе (марки М2000Н) сечением ˜4 см² с немагнитным зазором порядка 5 мм и вторичной обмоткой, содержащей несколько сотен витков и нагруженной на резистор сопротивлением порядка десятых долей Ома. По первым полуволнам токов, создающим на нагрузке трансформаторов тока падения напряжения, с помощью несложных электронных устройств без труда формируются логические напряжения, по полярности которых легко выделяется поврежденный фидер (фиг.4).

Таким образом, определение фидера с однофазным дуговым замыканием в радиальных распределительных кабельных сетях выполняется на основе достоверного факта замыкания на землю, устанавливаемого на основе анализа регистрируемых фазных напряжений сети, и определения поврежденного фидера по полярности первой полуволны тока в проводнике, соединяющем оболочку кабеля, с контуром заземления подстанции.

Список использованных источников

1. Гельфанд Я.С. Релейная защита распределительных сетей. М., 1982.

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

3. Борухман В.А. Об эксплуатации селективных защит от замыканий на землю в сетях 6-10 кВ и мероприятиях по их совершенствованию. - Энергетик, №1, 2000.

4. 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.

5. Диагностика и мониторинг кабельных сетей средних классов напряжения / Кадомская К.П., Качесов В.Е., Лавров Ю.А. и др. - Электротехника, №11, 2000.

6. A Fault Classification Method by RBF Neural Network With OLS Learning Procedure / Whei-Min Lin, Chin-Der Yang, Jia-Hong, Ming-Tong Tsaj. - IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 16, №4, Oct., 2001, pp.473-477.

7. Качесов В.Е., Лавров Ю.А., Овсянников А.Г. Ларионов В.Н., Павликов Д.Е. О мониторинге распределительных сетей / Труды Второй всероссийской научно-техн. конф. «Ограничение перенапряжений и режимы заземления нейтрали сетей 6-35 кВ», - Новосибирск, НГТУ, 15-17 октября, 2002.

8. Monitoring overvoltages in underground HV cable distribution networks / V.Dikoy, V.Kachesov, A.Ovsyannikov, V.Larionov. - CIGRE, 39^th Session 2002, 21-103.

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