CC BY
115
УДК 621.3.018.782.3 ББК 31.19
В.К. КОЗЛОВ, Е.Р. КИРЖАЦКИХ, Р.А. ГИНИАТУЛЛИН
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПЕРЕХОДНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ НА ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕСТА ОДНОФАЗНОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ
Ключевые слова: однофазное замыкание на землю, определение места повреждения, переходное сопротивление.
На распределительные сети 6-35 кВ приходится половина от длины всех линий электропередачи. Однофазные замыкания на землю в сетях среднего напряжения -это наиболее распространенный вид повреждения, на его долю приходится более 70% от всех видов повреждений. Несвоевременное устранение повреждения приводит к перенапряжению двух здоровых фаз, следствием чего являются двойные замыкания, двухфазные, трехфазные короткие замыкания, что способствует отключению потребителей. На сегодняшний день существует два метода по поиску замыкания: топографический (обход оперативно-выездной бригадой вдоль трассы линии со специальными устройствами) и дистанционный (когда на подстанции устанавливаются специальные устройства). Дистанционное определение места замыкания в сетях с древовидной формой является наиболее актуальным, так как эти сети распространены на большой территории, пересекают реки, овраги, озера, леса и т.п. Способы определения расстояния до места повреждения по параметрам аварийных режимов на линии под напряжением не отработаны. Все используемые приборы имеют низкую точность и чувствительность не более 20% от тока замыкания, значение которого в сетях с изолированной нейтралью составляет от 0,5 до 5 А. В данной работе представлен метод определения места повреждения по установившемуся значению фазного напряжения поврежденной фазы, получена зависимость данного напряжения от расстояния до места замыкания. Устройства для измерения напряжения на линии с дистанционной передачей информации устанавливаются в начале и по концам линии электропередачи. Рассмотрено также влияние переходного сопротивления в месте аварии на определение расстояния до места однофазного замыкания. В расчетах, в основном, принимают металлическое замыкание, равное 0,1 Ом, но это только частный случай. При моделировании однофазного замыкания на землю нужно учитывать реальные значения сопротивлений. В статье показано, что определение места однофазного замыкания не зависит от переходного сопротивления в месте аварии.
Опыт эксплуатации распределительных сетей 6-35 кВ показывает, что замыкание одной фазы на землю является одним из самых распространенных повреждений на линиях электропередачи. Если в сетях более высокого класса напряжения эти повреждения приводят к тяжелым последствиям вследствие протекания больших токов короткого замыкания и, в основном, сопровождаются отключением поврежденного участка линии, в сетях среднего напряжения питание потребителей не нарушается, и сеть может работать относительно длительное время. Однако несвоевременное определение места замыкания приводит к переходу в двойные, двух-, трехфазные короткие замыкания с последующим отключением потребителей. Замыкание на землю представляет большую опасность для находящихся вблизи места повреждения людей и
домашнего скота, а также для оперативно-выездного персонала по поиску замыкания.
Дистанционное определение расстояния до места однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) является на сегодняшний день актуальной задачей, особенно во время внедрения «умных» интеллектуальных сетей. Данный вопрос исследуется в [1, 2, 4, 5, 7, 9, 10, 12]. Однако все они используют зависимость места замыкания от параметров аварийного режима в переходном процессе. Мы же исследуем установившийся режим, что позволяет нам не синхронизировать данные и использовать малогабаритные устройства для измерения напряжения.
Целью и задачами исследования является моделирование ОЗЗ и изучение влияния переходного сопротивления на определение места повреждения (ОМП).
Определение места повреждения линий электропередачи является неотъемлемой функцией современных систем автоматизации подстанции. Как показывает практика, большая часть времени восстановления поврежденного элемента линии идёт на ОМП, поэтому для ускорения времени отыскания повреждения необходимо совершенствование методов ОМП. Дистанционные методы дают значительный экономический эффект, обусловленный предотвращением перехода однофазного замыкания в более сложные, сокращением перерывов электроснабжения, уменьшением объема ремонтных работ, снижением транспортных расходов по объезду трасс линий. В данной работе рассмотрен метод дистанционного ОМП по параметрам фазного напряжения в установившемся режиме. Для этого, согласно работе [8], достаточно установить автономные устройства для измерения напряжения с дистанционной передачей информации в начале и по концам линии электропередачи, которые работают в режиме реального времени. Все данные с устройств обрабатываются в диспетчерском пункте и по заданному алгоритму определяют место повреждения.
Рассмотрим линию электропередачи 10 кВ с изолированной нейтралью в программном пакете Ма1;ЬаЬ 8тиПпк (рис. 1). Исходные данные: трансформатор типа ТДН 16000/110; входное сопротивление - 0,4 Ом; входная индуктивность - 0,276 Гн; базовое напряжение - 10 кВ.
Three-Phase Source
Three-Pftase Three-Phase Distributed Parameters Lire
Transformer V-l Xteasuemern
(Two Wirtdhgs)
stribued Parameers Lirvel Three-Phase V-l Measurements
■-M-:
С A Y П2
Three-Phase Transformer (Two Windings}1
\
Three-Phase Fault
Рис. 1. Общая схема модели
Линия принята длиной 10 км, выполнена проводами марки АС 95/16 [6]. ОЗЗ происходит на расстоянии 0,5 / 5 / 9,5 км от начала линии. Нагрузка Р = 2,5 МВА, сопротивление земли Лз = 50 Омм, сопротивление повреждения - 0,1 Ом (металлическое) [3].
Моделируем однофазное замыкание фазы А на землю. На рис. 2 представлены осциллограммы напряжений поврежденной фазы А в установившемся режиме.
в
Рис. 2. Осциллограммы напряжений на фазе А в начале и в конце линии электропередачи 10 кВ при однофазном замыкании на землю на расстоянии 0,5 км (а), 5 км (б), 9,5 км (в) от начала линии
Из осциллограмм, представленных на рис. 2, а, видно, что при ОЗЗ в начале линии значение фазного напряжения поврежденной фазы А не равно
нулю, как это считается в методе симметричных составляющих, более того, значение напряжения в начале отличается от значения в конце линии электропередачи.
Промоделируем ОЗЗ на расстоянии 5 км от начала линии. Из рис. 2, б видно, что при возникновении ОЗЗ в середине линии напряжение в начале и в конце имеет примерно одинаковое значение, в нашем случае 380 В.
Промоделируем ОЗЗ на расстоянии 9,5 км от начала линии (рис. 2, в).
По осциллограммам, представленным на рис. 2, в, легко заметить, что при ОЗЗ в конце линии установившееся значение напряжения поврежденной фазы в конце линии равно 29,9 В, а в начале линии - 735,8 В, что обратно ситуации при ОЗЗ в начале линии.
Рис. 3. Зависимость напряжения поврежденной фазы от места возникновения ОЗЗ:
1, 2 - зависимость измеренного напряжения в конце и начале линии электропередачи от расстояния до места повреждения
Из рис. 3 можно сделать вывод, что по установившемуся значению фазного напряжения поврежденной фазы А в начале и в конце линии электропередачи можно определить место замыкания. Данный рисунок представлен для переходного сопротивления, равного 0,1 Ом, что соответствует металлическому замыканию, но в действительности оно может быть существенно выше.
Наиболее важным фактором можно считать переходное сопротивление в месте повреждения. В задаче определения места замыкания переходное сопротивление снижает точность оценки места повреждения, поэтому внимание к этому параметру является приоритетным в разработке алгоритмов ОМП. Авторами работы [11] выполнена оценка переходного сопротивления в реальных условиях эксплуатации на основе данных о зарегистрированных повреждениях линий электропередачи с известным местом повреждения. Оценка производилась по соотношениям расчетных токов и напряжений в истинном месте повреждения с использованием алгоритмических моделей.
Ниже приведена статистика переходных сопротивлений при однофазном замыкании на землю:
80% - до 5 Ом;
10% - от 5 до 10 Ом;
4% - от 10 до 15 Ом;
6% - более 15 Ом.
Таким образом, для проведения нашего исследования можно принять переходное сопротивление, равное 0,1 Ом, 5 и 10 Ом.
Промоделируем ОЗЗ при различных значениях переходного сопротивления, полученные данные приведены в таблице.
Результаты моделирования при различных значениях переходного сопротивления
Напряжение, В Расстояние от начала линии до ОЗЗ, км
в начале линии в конце линии
0,1 Ом 5 Ом 10 Ом 0,1 Ом 5 Ом 10 Ом
50,1 51,5 52,9 715,8 714,7 713,6 0,5
239,8 240,8 242,1 524,7 523,6 522,5 3
392,4 393,5 394,7 372 370,8 369,7 5
545 546,2 547,3 219,1 218,1 217 7
735,8 737 738,1 29,9 29,3 28,7 9,5
Построим по таблице зависимость значений напряжения поврежденной фазы, измеренных в конце линии (1) и в начале линии (2) от расстояния до места замыкания при различных значениях переходного сопротивления. Для получения наглядного сравнительного графика предварительно сделаем нормировку полученных значений напряжения, разделив каждое значение напряжения на максимальное, что позволит нам все графики свести к единой шкале (рис. 4).
^ер(1)=0,1 Ом ^ер(2)=0,1 Ом ^ер(1)=5 Ом ^ер(2)=5 Ом — -к— - ^ер(1)=10 Ом • ••<>•• ^ер(2)=10 Ом
4 6
Длина линии, км
Рис. 4. Зависимость нормированного напряжения поврежденной фазы от места возникновения ОЗЗ при различных значениях переходного сопротивления
Из рис. 4 можно сделать вывод, что при приведении всех графиков к единой шкале зависимости значений напряжения в начале и в конце линии от расстояния до однофазного замыкания накладываются друг на друга при любом значении переходного сопротивления. Это важный вывод, так как это позволяет утверждать, что определение места замыкания не зависит от переходного сопротивления в месте аварии.
Практическая значимость данного исследования - это использование предложенного метода для дистанционного определения места замыкания по значениям фазного напряжения поврежденной фазы в установившемся режиме.
Выводы. 1. По установившемуся значению фазного напряжения поврежденной фазы А в начале и в конце линии можно определить место однофазного замыкания на землю в распределительной сети 10 кВ с изолированной нейтралью.
2. Определение места замыкания не зависит от переходного сопротивления в месте аварии. Значит, при любом переходном сопротивлении можно использовать данный метод по определению расстояния до однофазного замыкания на землю в распределительных сетях с изолированной нейтралью.
Литература
1. Абатуров А.В., Кривошеин И.Л. Способ определения места однофазного замыкания в распределительной сети напряжением 6-35 кв, выполненной воздушными линиями // Общество. Наука. Инновации: сб. ст. Всерос. ежегодн. науч.-практ. конф. / Вятский гос. ун-т. Киров, 2017. С. 592-598.
2. Абдуллазянов Р.Э. Методика обнаружения места повреждения при однофазных замыканиях на землю в распределительных электрических сетях напряжением 6-35 кВ по их частотных характеристикам: автореф. дис. канд. техн. наук. Казань, 2013. 24 с.
3. Веселовский А.Н., Климов Н.А., Климов С.А. Влияние переходного сопротивления в месте замыкания на аварийные режимы фидера 35 кВ с трехобмоточным трансформатором // Труды КГСХА. 2015. Вып. 82. С. 175-179.
4. Дунаев А.И. О новой технологии определении определения места повреждения на ВЛ // Энергетик. 2001. № 2. С. 17-20.
5. Закамский Е.В. Локационный метод обнаружения повреждений в электрических распределительных сетях напряжением 6-35 кВ: дис. канд. тех. наук. Казань, 2004.
6. Карапетян И.Г., Файбисович Д.Л., Шапиро И.М. Справочник по проектированию электрических сетей / под ред. Д. Л. Файбисовича. М.: ЭНАС, 2012. 376 с.
7. Киржацких Е.Р., Козлов В.К. Обзор методов определения места повреждения в сетях 6-35 кВ // Диспетчеризация и управление в электроэнергетике: материалы докл. XIII Открытой молодежной науч.-практ. конф / Казанский гос. энергет. ун-т. Казань, 2018. С. 66-70.
8. Киржацких Е.Р., Козлов В.К., Гиниатуллин Р.А. Моделирование однофазного замыкания в распределительных сетях 10 кВ с изолированной нейтралью в программе MATLAB // Вестник Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева. 2018. № 4(94). С. 18-23.
9. Куликов А.Л., Петрухин А.А., Кудрявцев Д.М. Диагностический комплекс по исследованию линий электропередач // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2007. № 7-8. С. 17-22.
10. Куликов А.Л., Мисриханов М.Ш., Петрухин А.А., Кудрявцев Д.М. Определение мест повреждений ЛЭП 6-35 кВ методами активного зондирования / под ред. В.А. Шуина. М.: Энергоатомиздат, 2009. 162 с.
11. Подшивалин А.Н., Исмуков Г.Н. Адаптация методов определения места повреждения к современным требованиям эксплуатации линий электропередачи [Электронный ресурс] // Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем: материалы IV Междунар. науч.-техн. конф. (Екатеринбург, 3-7 июня 2013). URL: https://b-ok.org/book/3208751/87a52e.
12. Хузяшев Р.Г., Кузьмин И.Л., Новиков С.И. Определение расстояния до места однофазного замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью 6-35 кВ по частоте свободных колебаний // Состояние и перспективы развития электро- и теплотехнологии: 18-е Бенардосов-ские чтения: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Иваново: ИГЭУ, 2015. С. 452-456.
КОЗЛОВ ВЛАДИМИР КОНСТАНТИНОВИЧ - доктор физико-математических наук, профессор кафедры электроэнергетические системы и сети, Казанский государственный энергетический университет, Россия, Казань ([email protected]).
КИРЖАЦКИХ ЕЛЕНА РИНАТОВНА - аспирантка кафедры электроэнергетические системы и сети, Казанский государственный энергетический университет, Россия, Казань ([email protected]).
ГИНИАТУЛЛИН РУСЛАН АНАТОЛЬЕВИЧ - кандидат технических наук, доцент кафедры электропривода и электротехники, Казанский национальный исследовательский технологический университет, Россия, Казань ([email protected]).
V. KOZLOV, E. KIRZHATSKIKH, R. GINIATULLIN
TRANSIENT RESSISTANCE INFLUENCE ON ONE-PHASE GROUND FAULT LOCATION IN DISTRIBUTION GRIDS WITH ISOLATED NEUTRAL WIRE
Key words: one-phase ground fault, fault location, transient resistance.
Half of the whole power transmission lines come to distribution grids of 6-35 kV. One-phase ground faults in grids with the average stress is the common type of damage; it accounts for 70% of all types of damages. Tardy damage elimination causes overvoltage of two undamaged phases, resulting in double shorts, two-phase, three-phase shorts, causequently, in consumer disconnection. At present, there are two ways to determine the short: the topographical method (passing-around by operational team with special instruments along the cable run) and the distance one (when special installations are set at the substation). Distance fault location in the tree-like networks is more relevant, as these networks are widely spread on a huge territory, cross rivers, ravines, ponds, forests, etc. The ways to determine the distance to the damaged place according to the parameters of emergency mode on the voltage line are not developed. All applied instruments have low accuracy and sensitivity not more than 20% of the short current, the value of which is from 0,5 to 5A in the networks with isolated neutral wire. This paper introduced the method to define the fault location according to the set value ofphase voltage of the damaged phase, there is a this voltage-distance dependence to the short. Installations to calculate the voltage on the line with distance information transmission are established at the beginning and at the ends of power transmission lines. Transient resistance at the damaged place affects defining the distance to the point of one-phase short. In calculations metal circuit is assumed to be 0,1 Om, but it is only a single case. When simulating one-phase ground fault, it is necessary to take into account real values of resistance. The article showed that one-phase ground fault location doesn't depend on transient resistance at the damaged point.
References
1. Abaturov A.V., Krivoshein I.L. Sposob opredeleniya mesta odnofaznogo zamykaniya v raspredelitel'noi seti napryazheniem 6-35 kv, vypolnennoi vozdushnymi liniyami [The method of determining the location of single-phase short circuit to earth in the distribution network voltage of 6-35 kV performed by aerial lines]. Obshchestvo. Nauka. Innovatsii: sb. st. Vseros. ezhegodn. nauch.-prakt. konf [Proc. of Rus. Sci. Conf. «Society. Science. Innovation»]. Kirov, Vyatka Unoversity Publ., 2017, pp. 592-598.
2. Abdullazyanov R.E. Metodika obnaruzheniya mestapovrezhdeniyapri odnofaznykh zamyka-niyakh na zemlyu v raspredelitel'nykh elektricheskikh setyakh napryazheniem 6-35 kV po ikh chastot-nykh kharakteristikam: avtoref. ... dis. kand. tekhn. nauk [Methods of detecting damage sites in single-phase earth faults in distribution electric networks with voltage of 6-35 kV according to their frequency characteristics. Diss. Abstract]. Kazan, 2013.
3. Veselovskii A.N., Klimov N.A., Klimov S.A. Vliyanieperekhodnogo soprotivleniya v meste zamykaniya na avariinye rezhimy fidera 35 kV s trekhobmotochnym transformatorom [Influence of transitional resistance in the place of short circuit on emergency modes of a feeder of 35 kV with a three-winding transformer.]. Trudy KGSKhA, 2015, iss. 82, pp. 175-179.
4. Dunaev A.I. O novoi tekhnologii opredelenii opredeleniya mestapovrezhdeniya na VL [On a new technology for determining the location of damage on the overhead line.]. Enregetik, 2001, no. 2, pp. 17-20.
5. Zakamskii E.V. Lokatsionnyi metod obnaruzheniya povrezhdenii v elektricheskikh rasprede-litel'nykh setyakh napryazheniem 6-35 kV: dis. ... kand. tekh. nauk [Locational method of detecting damage in electrical distribution networks with voltage of 6-35 kV. Doct. Diss.]. Kazan, 2004.
6. Faibisovich D.L., ed., Karapetyan I.G., Faibisovich D.L., Shapiro I.M. Spravochnik po pro-ektirovaniyu elektricheskikh setei [Handbook of electrical network design.] Moscow, ENAS Publ., 2012, 376 p.
7. Kirzhatskikh E.R., Kozlov V.K. Obzor metodov opredeleniya mesta povrezhdeniya v setyakh 6-35 kV [Overview of methods for determining the location of damage in the networks of 6-35 kV.]. Dispetcherizatsiya i upravlenie v elektroenergetike: materialy dokl. XIII Otkrytoi molodezhnoi nauch.-prakt. konf. [Proc. of 13th Open Youth Sci. Conf. «Dispatching and management in electric power industry»]. Kazan, 2018, pp. 66-70.
8. Kirzhatskikh E.R., Kozlov V.K., Giniatullin R.A. Modelirovanie odnofaznogo zamykaniya v raspredelitel'nykh setyakh 10 kV s izolirovannoi neitral'yu v programme MATLAB [Simulation of single-phase short circuit in distribution networks of 10 kV with isolated neutral in the MATLAB program]. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta im. A.N.Tupoleva, 2018, no. 4(94), pp. 18-23.
9. Kulikov A.L., Petrukhin A.A., Kudryavtsev D.M. Diagnosticheskii kompleks po issledovaniyu linii elektroperedach [Diagnostic complex for the study of power lines]. Izvestiya vuzov. Problemy energetiki, 2007, no. 7-8, pp. 17-22.
10. Shuin V.A., ed., Kulikov A.L., Misrikhanov M.Sh., Petrukhin A.A., Kudryavtsev D.M. Opredelenie mest povrezhdenii LEP 6-35 kV metodami aktivnogo zondirovaniya [Locating damage to power lines 6-35 kV by active sensing methods]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 2009, 162 p.
11. Podshivalin A.N., Ismukov G.N. Adaptatsiya metodov opredeleniya mesta povrezhdeniya k sovremennym trebovaniyam ekspluatatsii linii elektroperedachi [Adaptation of methods for determining the location of damage to modern requirements of operation of power lines]. Sovremennye napravleniya razvitiya sistem releinoi zashchity i avtomatiki energosistem: materialy IVMezhdunar. nauch.-tekhn. konf. (Ekaterinburg, 3-7 iyunya 2013) [Proc. of 4 Int. Sci. Conf. «Modern trends of development of relay protection and automation of power systems» (Ekaterinburg, 3-7 July 2013)]. Available at: https://b-ok.org/book/3208751/87a52e.
12. Khuzyashev R.G., Kuz'min I.L., Novikov S.I. Opredelenie rasstoyaniya do mesta odnofaznogo zamykaniya na zemlyu v setyakh s izolirovannoi neitral'yu 6-35 kV po chastote svobodnykh kolebanii [Determination of the distance to the site of single-phase earth fault in networks with insulated neutral 6-35 kV by the frequency of free oscillations]. Sostoyanie iperspektivy razvitiya elektro- i teplotekhnologii: 18-e Benardosovskie chteniya: materialy Mezhdunar. nauch.-tekhn. konf. [Proc. of Int. Sci. Conf. «Status and development prospects of electric and thermal technology»]. Ivanovo, 2015. pp. 452-456.
KOZLOV VLADIMIR - Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor, Department of Electric Power Systems and Networks, Kazan State Power Engineering University, Russia, Kazan ([email protected]).
KIRZHATSKIKH ELENA - Post-Graduate Student, Department of Electric Power Systems and Networks, Kazan State Power Engineering University, Russia, Kazan ([email protected]).
GINIATULLIN RUSLAN - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Electrical and Electrical Engineering, Kazan National Research Technological University, Russia, Kazan ([email protected]).
Формат цитирования: Козлов В.К., Киржацких Е.Р., Гиниатуллин Р.А. Исследование влияния переходного сопротивления на определение места однофазного замыкания на землю в распределительных сетях с изолированной нейтралью // Вестник Чувашского университета. -2019. - № 1. - С. 39-46.
