Спосіб визначення відстані до місця однофазного замикання на землю або дефекту ізоляції в електричних мережах з ізольованою та компенсованою нейтраллю

Спосіб визначення відстані до місця однофазного замикання на землю або дефекту ізоляції в електричних мережах з ізольованою та компенсованою нейтраллю, що включає вимірювання миттєвих значень струмів та напруг аварійного режиму та використання відомих погонних параметрів лінії, який відрізняється тим, що за виміряними 3 розподільчої мережі у результаті розрахунків при послідовній зміні кроками відстані до припустимого місця локального дефекту ізоляції та послідовній зміні на кожному кроці опору у місці локального дефекту, який моделюється, від нуля до максимально допустимого значення, і при наступному кроці розрахунків, коли виміряне значення величини амплітуди струму нульової послідовності дорівнює розрахунковому значенню і виміряне значення кута між вектором струму нульової послідовності приєднання з локальним дефектом ізоляції та вектором напруги між двома фазами дорівнює розрахунковому значенню кута, визначають, що розрахункова відстань до місця локального дефекту ізоляції на цьому кроці розрахунків дорівнює дійсній відстані, при цьому в моделі розподільчої мережі автоматично враховують зміни конфігурації мережі. Недоліками цього способу є необхідність використання параметрів мережі, у тому числі загальної ємності мережі, яка залежить від конфігурації мережі, вологості та температури. Це призводить до значного зростання похибки визначення місця пошкодження. Також відомий спосіб визначення віддаленості до місця пошкодження з використанням доаварійних параметрів, патент РФ №2174690 МПК G01R 31/08. В цьому способі для визначення пошкодженої лінії та місця пошкодження фіксують струм нульової послідовності кожної лінії, визначають зміну струму промислової частоти і порівнюють її з відповідною уставкою. Якщо на одному з приєднань струм не змінив напрямок протягом періоду промислової частоти, то роблять висновок про пошкодження лінії, а місце пошкодження визначають з рівняння: Iзп  I нп 1*   Iзд I  ...  I3n   c 0 11.1U  I32  ...  I3n   , (1)  32 c 0 11.1U  c 0 11.2 U  ті; c 0 11.1U 11.1  c 0 11.1U  c 0 11.2 U 11.1  11.2 де Ізп - аварійний струм нульової послідовнос Iнп - сумарний струм нульової послідовності непошкоджених ліній; Ізд - доаварійний струм нульової послідовності пошкодженої лінії; І32, ..., І3n - ємнісні струми ліній; с0 - погонна ємність ліній; U - напруга мережі; І1,1 - довжина пошкодженої лінії від підстанції до місця пошкодження; І1,2 - довжина пошкодженої лінії від місця пошкодження до кінця. Недоліком цього методу є використання доаварійних параметрів мережі. Замикання часто виникають внаслідок перенапруг при комутаціях, які роблять для зміни конфігурації мережі, тому мережа до аварії не завжди еквівалентна мережі після аварії. Це обумовлює низьку надійність способу. 94145 4 Прототипом є спосіб визначення відстані до місця однофазного замикання на землю в електричних мережах з ізольованою нейтраллю, патент України №79454 МПК G01R 31/08. В цьому способі відстань до місця замикання визначають за формулою: UA з  , di di A di (2) iAR  L A  MAB B  MCA C dt dt dt де UA, іА - напруга і струм пошкодженої фази лінії; di A di diC , B , - похідні фазних струмів ліdt dt dt нії; R, LA - погонні значення активного опору та індуктивності лінії; МАВ, МСА - погонні значення взаємної індуктивності фаз лінії. Для того, щоб падіння напруги на перехідному опорі в місці замикання не впливало на визначення відстані до замикання, реєструють миттєві значень струмів, їх похідних та напруги при переході струму замикання нульової послідовності через нуль. Найліпша сфера використання методу прототипу - захист повітряних ліній зі значною взаємною індуктивністю фаз. Замикання в мережах цього типу пов'язані з обривом проводу та падінням його на землю, без горіння дуги. В кабельних лініях характер замикання дуговий. Недоліками цього методу прототипу є: - використання похідних струмів призводить до зростання похибки, оскільки збільшується вплив різноманітних високочастотних перешкод; - складний нелінійний характер горіння дуги в кабелі призводить до того, що в момент переходу струму через нуль на перехідному опорі дуги залишається ненульова напруга, яку метод не враховує, це призводить до значного зростання похибки; - під час переходу струму дуги через нуль характер дуги є найбільш нелінійним, що призводить до високочастотних короткотривалих перехідних процесів гасіння та запалення дуги. Вимірювальні прилади та трансформатори мають значну похибку на вищих гармоніках. В основу винаходу поставлена задача розробити спосіб визначення відстані до місця однофазного замикання на землю або дефекту ізоляції в електричних мережах з ізольованою та компенсованою нейтраллю, в якому нові умови та удосконалення дії дозволяють забезпечити зниження похибки визначення необхідної величини. Для вирішення поставленої задачі в способі визначення відстані до місця однофазного замикання на землю або дефекту ізоляції в електричних мережах з ізольованою та компенсованою нейтраллю який містить вимірювання миттєвих значень струмів та напруг аварійного режиму з використанням відомих погонних параметрів лінії, у відповідності з винаходом прототипу, міститься визначення за миттєвими значеннями шляхом цифрової фільтрації діючих величини першої гармоніки струму та напруги пошкодженої фази лінії 5 відносно землі, реєстрації електричних кутів між відповідною величиною та першою гармонікою струму замикання нульової послідовності. Недоліків методу прототипу можна позбутися, якщо використовувати не похідні струмів, а комплексні величини діючих струмів та напруги першої гармоніки, оскільки перехідні процеси, пов'язані з нелінійністю дуги, мають значний вплив лише в області переходу струму замикання через нуль. Вимірювання фаз струмів та напруги пошкодженої фази необхідно визначати як кут між першими гармоніками відповідних величин, а модуль комплексу визначати за діючим значенням першої гармоніки. Суть способу пояснюється фігурами: фіг.1 суміщена векторна діаграма струмів та напруг пошкодженої лінії та фіг.2 - трикутник векторів напруг. Для кабельних ліній, на відміну від повітряних, величина взаємної індукції фаз лінії незначна, опір лінії переважно активний. Тому замість власних та взаємних індуктивностей зручніше використовувати еквівалентний індуктивний опір, більш поширений в довідниках. Розташування жил в кабелі, як правило симетричне, опір струмам прямої послідовності дорівнює опору струмам зворотної послідовності. Тому похибка при використанні еквівалентного опору лінії обумовлена лише струмом нульової послідовності. В мережах з ізольованою та компенсованою нейтраллю струм нульової послідовності незначний порівняно зі струмами прямої та зворотної послідовності, тому і похибка буде незначною. Якщо не використовувати перехід струму пошкодження нульової послідовності через нуль, потрібно позбавитись впливу перехідного опору в місці замикання. Спочатку вважатимемо, що падіння напруги на перехідному опорі в місці замикання дорівнює нулю і замикання є металічним. Однофазне замикання на землю представляється як джерело напруги нульової послідовності, підключене до місця замикання. Напруга пошкодженої фази відносно землі дорівнюватиме:     Uф  U1  U2  U0  0 , (3)    де U1 , U2 та U0 - напруги прямої, зворотної та нульової послідовності в місці замикання. У місці, де розташовані вимірювальні прилади, напруга відносно землі:     Uф '  U1'U2 'U0 '  0 , (4)    де U1' , U2 ' та U0 ' - напруги прямої, зворотної та нульової послідовності в місці вимірювання на початку лінії. Нерівність виникає за рахунок падіння напруги від протікання в лінії струмів прямої, зворотної та нульової послідовності. Якщо відняти від рівняння (4) рівняння (3), отримаємо:  '          U'   U1  U1    U'2  U2    U'  U0  , (5) ф  0           (6) U'ф  U1  U2  U0 , 94145 6 Оскільки певні падіння напруги є наслідком протікання струмів відповідної послідовності, то перепишемо (6):  (7) U'ф  1Z1  2 Z2  0 Z0 , I I I де 1 , 2 та 0 - струми прямої, зворотної та нуI I I льової послідовності, а Z1 , Z2 , та Z0 - відповідні опори прямої, зворотної та нульової послідовності ділянки лінії від місця встановлення вимірювальних приладів до місця пошкодження. Опір прямої послідовності для ліній дорівнює опору зворотної послідовності. Опір нульової послідовності дещо більше від опорів прямої та зворотної послідовності, та оскільки ця різниця невелика, та враховуючи малість струму замикання 0 : I    U'ф  1  2  0  Z1 , I I I (8)  (9) U'ф  ф  Z1 , I де ф  1  2  0 - повний струм пошкодженої I I I I фази. Таким чином, при металевому замиканні на землю напруга пошкодженої фази відносно землі дорівнює падінню напруги в пошкодженій фазі від струму фази. Опір до місця пошкодження може бути визначений за формулою:  U'ф (10) , Z1   Iф За величиною цього опору можливо розрахувати місце пошкодження за формулою: Z1  , (11) Zпог   де Zпог - погонна величина поздовжнього опору лінії. Все це справедливо для металічного замикання. Та, зазвичай, замикання на землю мають дуговий характер. Падіння напруги на перехідному опорі є значним і не дозволяє визначити вірну ве личину Uл . Визначити модуль цього вектора, можливо, врахувавши фази векторів. Суміщена векторна діаграма струмів та напруг пошкодженої фази, представлена на фіг.1. За початок відліку приймаємо вектор сумарної напруги прямої та зворотної послідовності пошко'  дженої фази, позначений як U1  U'2 . Сумарний струм навантаження прямої та зворотної послідовності, позначений ф носить активно-індуктивний I '  характер та відстає від U1  U'2 . Від струму навантаження напруга в лінії зменшується на вектор    Uл та в місці пошкодження дорівнює U1  U2 . У місці пошкодження знаходиться джерело напруги зворотної послідовності з ЕРС    U0   U1  U2 . Напруга нульової послідовності не   дорівнює вимірюваній напрузі, оскільки існує падіння напруги на перехідному опорі в місці пошко 7 94145  дження Uз (фіг.1). Цей опір являє собою опір усталеної електричної дуги за першою гармонікою, опір броні кабелю та опір ґрунту. Опір електричної дуги можна вважати активним, перехідні процеси гасіння та запалення мають незначний вплив на загальний характер опору, оскільки мають місце тільки в невеликому часовому інтервалі поблизу переходу струму замикання через нуль. Таким чином, всі складові перехідного опору мають активний характер. Тому загальний перехідний опір також має активний характер і падіння  напруги Uз паралельно струму нульової посліI довності 0 . Падіння напруги в лінії випереджає струм навантаження ф на кут лінії , який дорівнює: I X   arctg пог R  пог  ,   (12) де Хпог та Rпог - погонні параметри кабелю за першою гармонікою. '  З кінця вектора U1  U'2 проведемо лінію під кутом (φ-), тобто під кутом  до вектора ф . З I кінця вектора вимірюваної напруги нульової посліI довності проведемо лінію паралельно 0 . Перетин  ліній є геометричним місцем кінця вектора Uл . Розглянемо трикутник напруг падіння напруги  в лінії від струму навантаження Uл , падіння напруги на перехідному опорі від струму замикання  Uз та вимірюваної напруги пошкодженої фази  U'ф (фіг.2). За початок відліку приймаємо струм замиканI ня 0 . Нехай струм пошкодженої фази ф випеI реджає його на кут φ', а вектор вимірюваної напру I ги U'ф становить кут  з 0 . Тоді довжину вектора  можна визначити як довжину сторони трикуUл тника за теоремою синусів: sin  Uл  U'ф , (13) sin'  Таким чином, можливо визначити місце замикання за величинами струму пошкодженої фази, струму замикання нульової послідовності та напругою пошкодженої фази відносно землі. Всі ці величини, а також відносний опір лінії можуть обчислюватись пристроєм мікропроцесорного релейного захисту, який визначатиме місце замикання на землю. Формула, за якою визначається відстань: Uф ' sin    , Iф  zпог sin'  (14) де Uф ' – вимірювана діюча величина напруги пошкодженої фази відносно землі, Iф - діюча величина струму пошкодженої фази, zпог - модуль ком 8  плексного опору лінії,  - кут між U'ф та струмом  , φ' - кут між струмом  та струмом  ,  - кут I0 I0 Iф лінії. Модуль відносного комплексного опору лінії: (15) zпог  Rпог  j  Xпог  Rпог 2  Xпог 2 , де Rпог - активний погонний опір лінії, Хпог - реактивний погонний опір лінії за першою гармонікою. Всі наведені співвідношення справедливі також для компенсованої нейтралі, відрізнятись моI же лише фаза струму 0 . Спосіб дозволяє визначити відстань від вимірювальних приладів до місця пошкодження в трифазних електричних мережах з ізольованою та компенсованою нейтраллю. При досягненні певної чутливості вимірювальних приладів можливе визначення відстані до дефекту ізоляції, який може бути представлений як замикання на землю через значний перехідний опір. Спосіб реалізується наступним чином: 1. Відстань до замикання визначається в лінії напругою 6 кВ та кабелем АСБ-95. Погонні параметри лінії: Rпог=0,326 Ом/км, Xпог=0,078 Ом/км Визначаємо повний опір та кут лінії: zпог  Rпог 2  Xпог 2   0,326 2  0,078 2  0,335 Ом км, X   0,078    arctg пог   arctg   13,5 . R  0,326    пог  При замиканні визначені наступні значення величин: U'ф  70 В , Iф=130 А, =50°, '=30°. Визначаємо відстань до місця пошкодження за формулою: U'ф sin  70 В     Iф  zпог sin'  130 A  0,335 Ом км sin 50       1,8 км.  30  13,5  sin    2. Відстань до дефекту ізоляції визначається в лінії напругою 6 кВ та кабелем АСБ-70. Погонні параметри лінії: Rпог=0,443 Ом/км, Хпог=0,080 Ом/км. Визначаємо повний опір та кут лінії:  z пог  Rпог 2  Xпог 2   0,443 2  0,080 2  0,450 Ом км , x   0,080    arctg пог   arctg    10,2 . R  0,443     пог  При зниженні опору ізоляції визначені наступні значення величин: U'ф  820 В , Iф=90 А, =2,3°, φ'=25°. 9 Визначаємо відстань до місця дефекту ізоляції за формулою: U'ф 820 В sin      Iф  z пог sin'  90 A  0,450 Ом км sin 2,3         1,4 км.  25   10,2   sin    94145 10 Таким чином, запропонований спосіб дозволить підвищити точність визначення відстані до місця пошкодження в кабельних лініях та дозволить визначати відстань до дефекту ізоляції. Технічний результат полягає в значному зниженні похибки визначення відстані до місця пошкодження при використанні методу для захисту кабельних ліній при дуговому характері замикання. 11 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 94145 Підписне 12 Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601