CC BY
46
УДК 621.31
ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ ПРИЗНАКИ ОБНАРУЖЕНИЯ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ В СЕТЯХ 6-10 кВ
А.И. ФЕДОТОВ *, Г.В. ВАГАПОВ *, А.Г. ЛАТИПОВ **
* Казанский государственный энергетический университет ** Азнакаевские районные распределительные сети
В статье рассматриваются диагностические признаки появления ОЗЗ в сетях 610 кВ. Показано, что появление ОЗЗ в сетях целесообразно диагностировать как по появлению высших гармонических составляющих напряжения, так и по амплитуде самих гармоник.
Ключевые слова: однофазные замыкания на землю, высшие гармоники.
Районные распределительные сети напряжением 6-10 кВ отличаются разветвленной структурой, достаточной протяженностью и большим числом присоединений, количество которых может доходить до нескольких десятков. Суммарная длина линий электропередачи, питающихся от одного фидера, может достигать 100 км. Возникновение однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) на одном из участков электропередачи приводит к ухудшению режима работы всех присоединений, а в перспективе грозит перерасти в многофазное замыкание, которое отключается устройствами релейной защиты [1]. В результате потребители будут обесточены, поскольку системы автоматического ввода резерва в районных сетях предусматриваются редко. Следовательно, проблема своевременного распознавания появления ОЗЗ, а также определения места его возникновения является актуальной.
Рассматриваемому вопросу посвящено множество публикаций, в ряде из которых в качестве определяющего признака наличия ОЗЗ предлагается использовать появление высших гармоник (ВГ) в распределительной сети [1]. Поскольку процесс горения дуги является нестационарным, то он инициирует появление ВГ в сети. Известно, что воздушная линия электропередач (ЛЭП) обладает как индуктивным сопротивлением, так и емкостной проводимостью. Данный факт позволяет сделать вывод о возможном наличии резонансных явлений на некоторых из ВГ и, как следствие, повышение чувствительности системы обнаружения ОЗЗ. А поскольку от расположения места ОЗЗ на линии меняются и ее резонансные характеристики, то следует ожидать определенной зависимости частоты резонанса ВГ от места ОЗЗ.
Ниже рассмотрены особенности обнаружения ОЗЗ исходя из условия, что все измерения проводятся на стороне 0,4 кВ потребительских подстанций, в отличие от известных [1, 2]. Данное условие является принципиальным, так как при этом не требуется дополнительная установка дорогостоящих высоковольтных трансформаторов тока и напряжения для подключения устройств фиксации ОЗЗ.
Для проведения теоретических исследований изменения гармонического состава напряжения при возникновении ОЗЗ была составлена модель воздушной ЛЭП, показанная на рис. 1. Моделирование производилось в среде пакета Simulink системы Matlab.
К трансформатору энергосистемы 110/10 кВ подключена трехфазная воздушная ЛЭП, от которой питается трансформатор 10/0,4 кВ (рис.1). Воздушная ЛЭП представлена двумя последовательно соединенными линиями с распределенными параметрами. Разделение ЛЭП на два участка было
© А.И. Федотов, Г.В. Вагапов, А.Г. Латипов Проблемы энергетики, 2011, № 7-8
произведено для возможности изменения места возникновения ОЗЗ вдоль длины линии. Необходимо отметить, что схема соединения обмоток понижающего трансформатора 10/0,4 кВ по высокой стороне - «треугольник», а по низкой -«звезда с нулем».
Трансформатор 110/10 к В
Линия 1 с распределенными параметрами
Линия 2 с распределенными параметрами
L
Vabc labe
Трансформатор 10/0,4 кВ
Трехфазный измеритель
Таймер 1
* g у гп >
Цхт^!»-
Идеальный ключ 1
Таймер 2
g у т
Идеальный ключ 2
П
Таймер 3
Идеальный ключ 3
Рис. 1. Модель ЛЭП
Моделирование неустановившегося ОЗЗ осуществляется при помощи нескольких ключей (ключ 1 - ключ 3). Ключи 1, 2 и 3 коммутируют одну из фаз на «землю». Для функционирования ключей в схему введены таймеры. Работа ключей 1, 2 и 3 построена таким образом, что каждый ключ срабатывает единожды в течение одного периода на время, равное 0,00286 с. Данный временной интервал выбран для возможности поочередного коммутирования трех ключей в течение одного периода. В качестве примера на рис. 2 представлена диаграмма работы ключа 1. Работа ключей имитирует изменение сопротивления дуги при ОЗЗ. Для снятия показаний в модель включен универсальный трехфазный измеритель и осциллограф.
Рис. 2. Диаграмма работы ключей
Условия работы модели следующие. Она начинает работать в нормальном режиме, т.е. без коммутаций ключей, в течение периода времени от 0 до 0,2 с. затем © Проблемы энергетики, 2011, № 7-8
ключи 1, 2 и 3 попеременно работают в течение периода времени от 0,2 до 1,3 с.
Рассмотрим влияние удаленности ОЗЗ на спектральный состав ВГ. В расчетах принято, что общая длина электропередачи составляет 30 км. Первоначально ОЗЗ происходит на расстоянии 28 км от начала линии (2 км до трансформатора 10/0,4 кВ). В дальнейшем расстояние изменяется с шагом 1 км. Гармонический анализ проводится с момента времени ¿=0,8 с, продолжительность анализа составляет 10 периодов. На рис. 3 показаны результаты частотного анализа для расстояния до ОЗЗ 2 км от подстанции 10/0,4 кВ.
Рис. 3. Частотный анализ при ОЗЗ на расстоянии 2 км
s 1.000
Я 0,900 м
о ir,
=
£ := ч
ï
«
-
Г §
0.800 0,700 0.600 0,500
и
= 0.400 =
ü
| 0,300 о
§■ 0,200 и s
0,100
0,000
1
II
» Li jJ. aihè UMibLlMfc ifafc-lXi
: 4 6 8 10 121416 1820 222426 2830 323436 $840 424446 4850 $25456 5860 626466 6870
Номер гармоники
■ Ua, % ■ Щ, %
Рис. 4. Экспериментальный гармонический анализ напряжения однофазного металлического
замыкания на землю фазы «с»
Для сопоставления теоретических исследований с экспериментальными на рис. 4 показаны результаты гармонического анализа состава фазных напряжений при ОЗЗ фазы «с» на шинах 10 кВ подстанции. Анализ был представлен компанией «ПНП БОЛИД» г. Новосибирск. Характер спектра ВГ в середине интервала от 15 до 60 показывает близкие результаты, что подтверждает адекватное моделирование неустановившегося ОЗЗ работой трех ключей. Наличие гармоник в начальной части спектра до 12 (рис. 4), обусловлено влиянием нагрузки, что доказано «ПНП БОЛИД».
На рис. 5 представлены совокупности кривых изменений амплитуды ВГ при удалении места возникновения ОЗЗ от 2 до 28 км. Анализ полученных результатов позволяет установить следующую закономерность: чем дальше место ОЗЗ от места измерения за трансформатором 10/0,4 кВ, тем выше номер резонансной гармоники. Так, на рис. 5 показано, что при смещении ОЗЗ до расстояния 20 км высшие гармоники изменяются через каждые пять километров. Таким образом, существует возможность установить участок ЛЭП, где произошло ОЗЗ по номеру высшей гармоники.
1 —27 гармоника
2 —■— 29 гармоника
3 А 34 гармоника
4 )( 36 гармоника
5 Ж 41 гармоника
2 3 4 5 6 7 В 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Рис стояние до мести ОЗЗ, км
Рис. 5. Совокупности кривых изменения амплитуды высших гармоник при ОЗЗ
Данная особенность позволяет сделать вывод о возможности использования в качестве диагностического признака номера высшей гармоники, по которому возможно судить о месте возникновения ОЗЗ.
Таким образом, результаты моделирования режима ОЗЗ на воздушной ЛЭП показывают, что на стороне 0,4 кВ проявляются высшие гармоники напряжения, резонансная частота и амплитуда которых зависят от удаления ОЗЗ, что может служить диагностическим признаком места ОЗЗ. При этом получаемая информация о возникновении ОЗЗ может быть передана по каналам связи, используемым автоматизированными системами коммерческого и технического учета электроэнергии.
Выводы
1. О появлении ОЗЗ в сетях 6-10 кВ возможно судить по появлению высших гармоник на стороне 0,4 кВ понижающего трансформатора.
2. По номеру высшей гармоники можно выявить участок возникновения ОЗЗ, а по её амплитуде - уточнить место поиска. Summary
In article diagnostic signs of occurrence of single-phase short circuits in 6-10 kV networks are considered Is shown, that occurrence of single-phase short circuits in networks is expedient for diagnosing as on occurrence of the higher harmonious components ofpressure, and on amplitude of harmonics.
Key words: single-phase short circuits, the higher harmonics.
Литература
1. Токовые защиты от замыканий на землю. Исследование динамических режимов функционирования / В. Шуин, О. Сарбеева, Е. Чугрова // Новости электротехники. 2010. № 2.
2. Замыкание на землю в линиях электропередачи 6-35 кВ. Особенности возникновения и приборы защиты / А. Шалин // Новости электротехники. 2010. № 3.
Поступила в редакцию 14 февраля 2011 г.
Федотов Александр Иванович - доктор технических наук, профессор кафедры «Электроэнергетические системы и сети» (ЭСиС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 298-41-30; 8 (843) 519-42-72. E-mail: fed.ai@mail.ru.
Вагапов Георгий Валериянович - старший преподаватель кафедры «Электроэнергетические системы и сети» (ЭСиС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8-9172-735490.
Латипов Альмир Гамирович - инженер, начальник службы подстанций Азнакаевских районных распределительных сетей.
