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

Изобретение относится к к электроэнергетике и может быть использовано для определения расстояний до мест однофазных замыканий на землю в распределительных сетях радиальной структуры. Способ заключается в регистрации в цифровой форме напряжения поврежденной фазы на шинах источника питания и последующем анализе этого напряжения. В упомянутом анализе измеряемое напряжение с начала момента замыкания нормируют по отношению к напряжению пробоя и находят суммы квадратичных отклонений измеренного нормированного напряжения u_u,i по отношению к многочисленным расчетным кривым напряжений u_p,i,k, предварительно полученным в цифровой форме для поврежденного фидера (цепочке линий) данной сети, осуществляя численное моделирование процесса однофазного замыкания при различных расстояниях от пункта питания. По минимальному среднеквадратическому отклонению, соответствующему определенной расчетной кривой, определяют расстояние до места замыкания. Техническим результатом изобретения является возможность определения расстояния до места однофазного замыкания в распределительных сетях радиальной структуры без отключения от источника питания поврежденной линии. 3 ил.

 

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 Δt=(t_к-t_н)=2l_з/v. Из последнего выражения определяется расстояние до места замыкания (аналогично первому рассмотренному способу) l_з=Δtv/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 Δt 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 Δt=nh зависят от длин фидеров в сети: от их минимальных (τ_min) и максимальных (суммарных по всей ветви - τ_mах) постоянных распространения электромагнитной волны τ=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. Δt>2τ_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.

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, m≅20…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.