CC BY
10
УДК 621.316.925
10.20998/2074-272Х.2020.1.09
В.Ф. Сивокобиленко, В.А. Лисенко
МУЛЬТИЧАСТОТНИЙ МЕТОД ЗАХИСТУ В1Д ЗАМИКАНЬ ФАЗИ НА ЗЕМЛЮ В КОМПЕНСОВАНИХ ЕЛЕКТРИЧНИХ МЕРЕЖАХ
За допомогою математичноТ моделЬ компенсованоТ електричноТ мережi виконано анажз струмiв i напруг нульовоТ по-слгдовностг при замиканнях фази на землю i показано, що в них шд час перехiдного процесу виникають вищЬ гармонш-ш складовЬ, як1 обумовленЬ розрядом емностей ушкодженоТ фази, дозарядом емностей неушкоджених фаз, а також зростанням струму реактора в нейтрал мереж Показано, що незалежно в 'д ступеня компенсацп реактором емтс-ного струму промисловоТ частоты, реактивна потужнсть для гармонЬчних складових струмв i напруг з частотою в два рази i больше промисловоТ, е додатною для ушкодженого приеднання i вiд'eмною для неушкоджених. Це прийнято за основу в розробленому методi захисту направленоТ ди, в якому при замиканнях фази на землю спочатку визначають похЬднЬ струмiв i напруг нульовоТ послгдовностг, що зменшуе вплив аперюдичних складових i шдсилюе складовi вищих гармонЬк, а потш за допомогою перетворення Фур'е знаходять комплексн значения для ряду найбЬльш впливових гар-моншних складових, бЬльших за першу. За допомогою отриманих складових струмiв i напруг для кожноТ частоти знаходять реактивну потужнсть, i якщо Тх сума перевищуе задану, то спрацьовуе вихiдний орган захисту. ДостовЬр-нЬсть розробленого методу захисту пЬдтверджено результатами математичного моделювання i перевiркою роботи дослЬдного зразка на лабораторному стендЬ Бiбл. 10, табл. 1, рис. 6.
Ключовi слова: електрична мережа, захист ввд замикань на землю, струм i напруга нульово!" послвдовноси, перетворення Фур'е, частотний спектр.
С помощью математической модели компенсированной электрической сети выполнен анализ токов и напряжений нулевой последовательности при замыканиях фазы на землю и показано, что у них во время переходного процесса возникают высшие гармонические составляющие, которые обусловлены разрядом емкостей поврежденной фазы, дозарядом емкостей неповрежденных фаз, а также ростом тока реактора в нейтрали сети. Показано, что независимо от степени компенсации реактором емкостного тока для промышленной частоты, реактивная мощность, рассчитанная для выделенных гармонических составляющих токов и напряжений с частотой в два раза и более промышленной, положительная для поврежденного присоединения и отрицательная для неповрежденных Это принято за основу в разработанной защите направленного действия, в которой при замыканиях фазы на землю сначала определяют производные токов и напряжений нулевой последовательности, что уменьшает влияние апериодических составляющих и усиливает гармонические составляющие, а затем с помощью преобразования Фурье находят комплексные значения для ряда наиболее влиятельных гармонических составляющих, больших первой. С помощью полученных составляющих токов и напряжений для каждой частоты находят реактивную мощность, и если их сумма превышает заданную, то срабатывает выходной орган защиты. Достоверность разработанной защиты подтверждена результатами математического моделирования и проверкой работы опытного образца на лабораторном стенде. Библ. 10, табл. 1, рис. 6. Ключевые слова: электрическая сеть, защита от замыканий на землю, ток и напряжение нулевой последовательности, преобразования Фурье, частотный спектр.
Актуальшсть теми та и зв'язок з прикладними задачами. Електричш мереж напругою 6-10 кВ, що працюють в режимi незаземлено! нейтралi е основою систем електропостачання промислових тдприемств, електростанцш, мют. Зважаючи на велику протяж-шсть i широку розповсюджешсть таких мереж, актуальною е проблема захисту мереж вщ найбшьш поши-реного ушкодження iзоляцil - однофазного замикання на землю. Значна частка замикань на землю е нестащ-онарним i короткочасним процесом, який супрово-джуеться електричною дугою. У таких випадках при-стрш захисту ввд замикань на землю, що реагуе на усталений струм i напругу в мереж!, не здатен дiяти правильно. Також застосування котушки Петерсена для компенсацп емшсного струму замикання на землю ускладнюе роботу пристро!в захисту, оскшьки суттево зменшуе струм однофазного замикання на землю в усталеному режима
Огляд публшацш i недолжи ввдомих р1шемь. Проблема аналiзу перехщних процеав в мережах з незаземленою нейтраллю з метою створення ефекти-вного алгоритму захисту вш нестшких замикань на землю активно дослвджуеться в £врош i в усьому свь п [1-3]. Зокрема, в робот [3] дослщжуеться аперюди-чна складова перехвдного процесу однофазного замикання на землю i аналiзуеться И вплив на роботу
вщомих методiв захисту вш таких замикань. Багато уваги придшяеться особливостям математичного мо-делювання електрично! дуги у шсщ пошкодження i методам класифшацп рiзних видiв пошкоджень [4, 5]. В робот [6] дослiджуються способи фшьтраци сигна-лiв давачiв струму i напруги, а також придiляеться увага тестуванню !х за допомогою реальних сигналiв, записаних реестратором на дiючiй шдстанцп. В роботi [7] розробляються методи шентифжацп однофазних замикань на землю i аналiзуеться чутливiсть таких методiв в умовах великих опорiв у шсщ замикання. Дослiджуються математичнi моделi електричних мереж, якi включають також i моделi пристро!в релейного захисту [8, 9]. Ведеться пошук оптимальних па-раметрiв математичних методiв обробки сигналiв пе-рвинних давачiв i уставок спрацювання систем захисту вш однофазних замикань на землю [6, 10]. Також вшомо про спроби використання для захисту вш однофазних замикань на землю рiзних методiв «чорно! скриньки» типу нейронних мереж тощо, однак, на наш погляд, не вичерпаними е можливостi бiльш про-стих пiдходiв, серед яких найбшьш привабливим е аналiз i використання складових рiзноl частоти в струмах (3/0) i напрузi (3м0) нульово! послiдовностi.
© В.Ф. Сивокобиленко, В.А. Лисенко
Мета дослщжень. За допомогою математично! моделi вивчити гармонiйний склад струмiв i напруг нульово! послiдовностi в компенсованих електричних мережах при замиканнях фази на землю i розробити метод селективного захисту шляхом використання га-рмонiйних складових, яш виникають у струмах i на-прузi нульово! послщовносп в перехвдних процесах.
Основний матер1ал 1 отриман1 результати. У роботах [8, 9] для селективного захисту ввд замикань фази на землю запропоновано за допомогою частот-них фшьтр!в видiляти зi струму нульово! послщовно-стi 3/0 i напруги нульово! послвдовносп 3и0 складовi однie!' з частот, наприклад, 200 або 300 Гц i забезпе-чувати селектившсть роботи захисту за напрямком розрахунково! реактивно! потужностi, вплив на яку реактора при вказаних частотах значно послаблюеть-ся. В данiй робот для шдвищення чутливостi захисту розглядаеться можливють використання одночасно струмiв i напруг для дек1лькох частот, знайдених за допомогою перетворення Фур'е.
Для дослвдження гармоншного складу струмш 3/0 i напруги 3и0 нульово! послвдовносп скористаемось ма-тематичною моделлю, яку описано в [8]. Застосуемо и, наприклад, для компенсовано! електрично! мереж1, що складаеться з лiнi!' електропередачi 110 кВ, понижуваль-ного трансформатора, який подключено до секцi!' 6 кВ з трьома кабельними лшями, фазнi емносп в кожнiй з яких становлять вщповщно 3,8 i 12 мкФ. Нейтраль мереж! заземлена через реактор з резонансною !ндукти-вшстю 0,142 Гн. Результати моделювання глухого i дугового однофазного замикання на землю (ОЗЗ) за р!зних режимiв налаштування реактора показали, що струми 3/0 i напруга 3и0 на початку перехiдного про-цесу мютять у соб! з р!зними сталими затухання апе-рюдичш i перiодичнi складовi, як1 обумовлеш розря-дом емностей ушкоджено! фази, дозарядом емностей неушкоджених фаз, а також зростанням струму реактора в нейтралi мереж! Тривалiсть цього перехiдного процесу становить близько перюду промислово! час-тоти (20 мс). Пор!вняння спектрiв Фур'е для струм!в 3/ 0 i напруг 3и0, а також для !х похщних р(3/0) i р(3и0), показало, що амплiтуди гармонiк i розрахунковi зна-чення реактивно! потужносп за допомогою похвдних е майже на порядок бшьшими i !х доцшьно викорис-тати для захисту. Характер змши в часi похвдних струму i напруги нульово! послвдовносп при ОЗЗ показано на рис. 1. Операщя диференцшвання значно зменшуе аперiодичнi складовi i тдсилюе складовi бшьш високо! частоти. Чисельний розрахунок орто-гональних складових сигнал!в за допомогою похвдних р(3/0) i р(3и0) виконуеться за (1) за трьома дискретни-ми миттевими значеннями струму (напруги) хп-2, хп-ь хп для кроку розрахунку, наприклад, к = 0,625 мс i для частоти т = 314 с-1.
600
ё 1
— (х) = рх = -— (3хп_2 - 4хп-1 + хп ) .
ш 2ак
(1)
■бос
/, А 1,
/0
/г
\
р'0/5 /
1, в
ол
и ю4 ыо"
5000 0
-5000 -1 !04 ■и-ик*
0104
0.705 0.712
а
0116
012
и, V
р(и0)
-
\ и0 ч
1
(, я
0.7
0108
0.716
б
0Л24
011
0.74
Рис. 1. Характер змши в чаи струму нульово! послщовносл та похвдно! цього струму (а), напруги нульово! послщовносп та похдао! ще! напруги (б) при ОЗЗ
и, V; I, А /
/ 1с!
/
1 и>|
/ __£
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Рис. 2. Спектр Фур'е для похщних струму i напруги нульово! послщовносл при ОЗЗ
З числових даних, як! отримано за допомогою функцп $Цу) пакету МаШСАБ ! наведено на рис. 2, випкае, що найбшьш впливов! гармошки знаходяться в д!апазош частот 150-500 Гц. Розрахунок для кожно! к-то! гармошки реактивних потужностей за допомогою комплексних значень струм!в ! напруг, що отри-маш за допомогою перетворення Фур'е, виконуються за виразами (2):
Чк - 'ак ' ирк _ 'рк ' иак;
р(/0)к - 'ак _ }'рк;
(2)
Спектр Фур'е (рис. 2) був розрахований для даних, як! приведен! на рис. 1 ! з яких було сформовано масив з N = 32 дискретними елементами упродовж часу 0,02 с.
р(и0)к - иак + ]ирк.
Результати розрахунку за допомогою перетво-рення Фур'е амплпуд струм!в ! напруг, реактивних ! активних потужностей для гармошк кратних першш (/0 = 50 Гц) в д!апазош в!д 1 до 9 наведен! в табл. 1.
Дан! (табл. 1) приведен! для режиму резонансного налаштування реактора. Зпдно з цими даними, для захисту доцшьно використати гармошки з кратшстю 3, 4, 5, 6, для яких значення реактивно! потужносп е максимальними. Розрахунки для режим!в перекомпе-нсацп реактора показали, що реактивна потужшсть для гармошк 1, 2 може бути ввд'емною ! тому для захисту щ гармошки використовувати небажано.
80
Таблиця 1
Результати розрахунку реактивних i активних потужностей та амплггуд гармоншних складових для похщних струмiв i
З урахуванням отриманих розрахункових даних розроблено метод селективного захисту, блок-схему алгоритму якого наведено на рис. 3 i в якш присутш: аналого-цифров1 перетворювачi - ADC, блоки пере-творення Фур'е - FFT, блоки визначення похщних-d/dt, блоки перемноження - X, блок тдсумовування -Z, компаратори для порiвняння з уставкою амплiтуд напруги 3u0 для частоти 50 Гц i сумарно'! реактивно!' потужностi QT для вибраних гармошк з уставкою UT, логiчнi елементи OR, AND i вихщний орган Relay.
напруг
f/fo I, A U, V Q, kVA P, kW
1 66,15 5196 226 -259
2 106,6 1715 182,8 3,058
3 181,3 1957 354,5 11,22
4 277,0 2234 618,8 6,941
5 360,0 2287 822,7 -37,46
6 367,4 1900 692 -95,31
7 324,0 1406 441 -11,32
8 280,0 1044 273 -104
9 246,0 796 177 -85,48
Рис. 3. Блок-схема мультичастотного методу селективного захисту вщ замикань фази на землю в компенсованих мережах
Пусковий орган захисту спрацьовуе у випадку перевищення амплггудою напруги 3u0 уставки UT, яка становить 10-15 % вщ номiнальноí. Амплiтуда цieí напруги розраховуеться за ортогональними складови-ми, як отримують з блокiв ADC i d/dt, а потiм розра-
I 2
ховують як д[ un + (pun ) .
Вхiднi сигнали реле - струм 3i0 i напруга 3u0 тс-ля блокiв ADC i диференцшвання d/dt надходять до блоюв перетворення Фур'е, в яких для заданих частот f2 - fn розраховують комплекснi значення гармоншних складових для струмiв (синуснi ip2, ip3,... i косинуснi ia2, ia3,---) i для напруг (синуснi up2, up3,... i косинуснi ua2, ua3,...). На основi цих значень для кожно'1 iз частот у вщповщних блоках перемноження X розраховують додатш (q+) i вiд'емнi (q-) значення реактивно'1 поту-
жностi. Для кожно'1 частоти 1'х знаходять як:
+ - + -
q = up-a; q = ua-q = q -q .
У загальнiй математичнiй моделi компенсовано'1 електрично'1 системи i реле захисту програмний модуль для реалiзацií перетворення Фур'е i визначення сумарно'1 реактивно'1 потужностi вищих гармошк f (з третьо'1 по шосту) наведено на рис. 4.
Fur (FI, FU) :=
I ^ FI U ^ FU N ^ rows (U) for f e 3.. 6
N
f ^
Ico I • cos
^ n
n = 1
N
Isi > I • sin fn
n = 1
2- Л- f
N
(N - n)
2- *f
N
(N - n)
s
n=1
N
Usir^ S U • si,
fn
Uco ^ > U •cos fn
n=1
N
2- T*f
N
(N - n)
n = 1
Л
2- я-f
N
(N - n)
Qf (ImfUsif - IsifUc°f
N
Q ^ S Qf
f = 3
Рис. 4. Програмний модуль у пакет MathCAD для реал1заци перетворення Фур'е в реле захисту вщ ОЗЗ
Результати математичного моделювання методу захисту при ОЗЗ показали, що сумарна реактивна по-тужнiсть гармонiк залежить ввд миттевого значения фазно! напруги в момент виникнення замикання. Найбiльше значения реактивно! потужносл мае мiсце при досягненш фазною напругою (и) амплпудного значення (рис. 5,а,в), а найменше - при досягненнi нульового значення (рис. 5,б,г). Цi значення потужно-стi (рис. 5,в,г) вiдрiзняються бшьш н1ж на порядок, що необхщно враховувати, вибираючи значення уставки для компаратора От.
1
--
и, кУ л Г Uf А и0 /л
Л / л N \
V / у \
V / \ / л X, Й
8042 0426 0 431 0437 0 443 0449 0 454 0 46
а
и, кУ \ / мf Л / щ \ (
/ А / \ /
\ / \ А У \ У
\ У J > J У г, Й
31.23 1.29 1.3 1.31 132 1.33 :.34 1.35
б
5000 225 а 1500 750
е, к УЛ 1
/
/
X, %
0.435 0.44 0.445 0,45 0,455 0.46 0.4(55 0.47
200 150 100 50
е, к УЛ
1 У
1
/ X, %
друге при нульовому, показаш на рис. 6. Характер змши напруги 3м0 - на рис. 6,а, струму 3/0 i його похь дних р(3/0) - на рис.6,б, а контакпв вихвдного органу реле - на рис. 6,в. В обох випадках отримано чику роботу реле захисту.
/, Л р(3 /й) к 3;0
|[ Ш[[[[[[[[[[[[ Я щцциц
т г
31с р(3 ¿0) г, я
0.4 0.7
Relay, (on/ off)
г, я
°1 31 1.314 1.319 1.323 1.327 1.331 1 336 1.34
г
Рис. 5. Результати розрахункш реактивно! потужносл (в, г) при виникненш ОЗЗ при максимальному (а) ! при мшмаль-ному (б) значеннях фазно! напруги
Результати математичного моделювання роботи реле при дугових замиканнях на землю, перше з яких виникло при амплитудному значенш фазно! напруги, а
Рис. 6. Результати моделювання поведшки реле захисту при ОЗЗ з р!зними аперюдичними складовими в 3/0
Моделювання роботи реле захисту за умови п'ятикратно! недокомпенсаци О перекомпенсаци емшс-ного струму, а також при ОЗЗ в зош 0 поза зоною захисту, подтвердило правильну О надшну роботу реле.
Дослщний зразок захисту за алгоритмом, наве-деним на рис. 3, було реал!зовано на баз! мшроконт-ролера 8ТМ32Р4Б1%соуегу. Задовшьна його робота при ОЗЗ отримана на ф!зичнш модел компенсовано! електрично! мереж! напругою 0,4 кВ, а також при по-дачО сигналОв струму О напруги нульово! послОдовнос-тО, якО були записанО цифровими регОстраторами в реальнОй мережО при ОЗЗ.
Результати моделювання О експериментОв пОдтве-рджують можливОсть впровадження розробленого захисту в дОючих електричних мережах.
Висновки.
1. Результатами математичного моделювання показано, що в компенсованих електричних мережах при замиканнО фази на землю реактивна потужнОсть ушко-дженого приеднання, яку знайдено за допомогою гар-мотчних складових видшених з! струму О напруги ну-льово! послiдовностi для частот, бшьших за 100-150 Гц, е додатною незалежно вОд ступеня компенсацО! емнОс-ного струму реактором, що може бути покладено в основу роботи селективного захисту.
2. Розроблено метод селективного захисту електрич-но! мереж1 ввд замикань фази на землю, при використан-т якого для зменшення впливу аперюдичних складових знаходять спочатку похвдш струму ! напруги нульово! послОдовностО, а потОм за допомогою перетворення Фур'е видшяють з них ряд гармоншних ортогональних складових, для кожно! з яких розраховують реактивну
а
б
в
в
потужнють i знаходять 1х загальну суму, i якщо вона перевищуе задану, то спрацъовуе вихвдний орган.
3. Достоворнють розробленого методу селективного захисту шдтверджено наведеними результатами ма-тематичного моделювання i переворкою роботи досль дного зразка на лабораторному стендО та за допомо-гою натурних сигналов, яш були записано цифровими реестраторами при ОЗЗ на дшчих тдстанцоях.
СПИСОК Л1ТЕРАТУРИ
1. Shafiq M., Kiitam I., Taklaja P., Kutt L., Kauhaniemi K., Palu I. Identification and location of PD defects in medium voltage underground power cables using high frequency current transformer // IEEE Access. - 2019. - vol.7. - pp. 103608103618. doi: 10.1109/ACCESS.2019.2930704.
2. Marciniak L. General earth fault protection for MV networks using wavelet decomposition and Bayesian criterion // E3S Web of Conferences. - 2019. - vol.84. - p. 02007. doi: 10.1051/e3sconf/20198402007.
3. Habrych M. Comparative performance study of the Hall sensor based directional ground fault protection in MV mining network with ineffective earthing // Przeglqd Elektrotechniczny. - 2016. -no.8. - pp. 251-254. doi: 10.15199/48.2016.08.65.
4. Kavaskar S., Mohanty N.K. Detection of high impedance fault in distribution networks // Ain Shams Engineering Journal. - 2019. - vol.10. - no.1. - pp. 5-13. doi: 10.1016/j.asej.2018.04.006.
5. Torres V., Guardado J.L., Ruiz H.F., Maximov S. Modeling and detection of high impedance faults // International Journal of Electrical Power & Energy Systems. - 2014. - vol.61. - pp. 163-172. doi: 10.1016/j.ijepes.2014.03.046.
6. Daqing Hou. Detection of high-impedance faults in power distribution systems // 2007 Power Systems Conference: Advanced Metering, Protection, Control, Communication, and Distributed Resources. - Clemson, SC. - 2007. - pp. 85-95. doi: 10.1109/PSAMP.2007.4740902.
ZMarciniak L. Identyfikacja zwarc doziemnych wysokorezystancyjnych w sieciach srednich napi^c // Przeglqd Elektrotechniczny. - 2015. - no.8. - pp. 185-189. doi: 10.15199/48.2015.08.45.
8. Syvokobylenko V.F., Lysenko V.A. Mathematical modeling of new algorithms for single-phase earth faults protection in a compensated electrical network // Problemele Energeticii Regionale. -2019. - no.1-2(41). - pp. 1-11. doi: 10.5281/zenodo.3239135.
9. Сивокобыленко В.Ф., Лысенко В.А. Микропроцессорная селективная защита от замыканий фазы на землю в электрических сетях с катушкой Петерсена в нейтрали // Техшчна електродинамжа. - 2019. - №2. - С. 54-62. doi: 10.15407/techned2019.02.054.
10. Marciniak L. Okreslenie nastaw zabezpieczenia ziemnozwarciowego z falkowymi kryteriami dzialania // Przeglqd Elektrotechniczny. - 2014. - no.6. - pp. 261-264. doi: 10.12915/pe.2014.06.52.
REFERENCES
1. Shafiq M., Kiitam I., Taklaja P., Kutt L., Kauhaniemi K., Palu I. Identification and location of PD defects in medium voltage underground power cables using high frequency current transformer. IEEE Access, 2019, vol.7, pp. 103608-103618. doi: 10.1109/ACCESS.2019.2930704.
2. Marciniak L. General earth fault protection for MV networks using wavelet decomposition and Bayesian criterion. E3S Web of Conferences, 2019, vol.84, p. 02007. doi: 10.1051/e3sconf/20198402007.
3. Habrych M. Comparative performance study of the Hall sensor based directional ground fault protection in MV mining network with ineffective earthing. Przeglqd Elektrotechniczny, 2016, no.8, pp. 251-254. doi: 10.15199/48.2016.08.65.
4. Kavaskar S., Mohanty N.K. Detection of high impedance fault in distribution networks. Ain Shams Engineering Journal, 2019, vol.10, no.1, pp. 5-13. doi: 10.1016/j.asej.2018.04.006.
5. Torres V., Guardado J.L., Ruiz H.F., Maximov S. Modeling and detection of high impedance faults. International Journal of
Electrical Power & Energy Systems, 2014, vol.61, pp. 163-172. doi: 10.1016/j.ijepes.2014.03.046.
6. Daqing Hou. Detection of high-impedance faults in power distribution systems. 2007 Power Systems Conference: Advanced Metering, Protection, Control, Communication, and Distributed Resources, Clemson, SC, 2007, pp. 85-95. doi: 10.1109/PSAMP.2007.4740902.
ZMarciniak L. Identyfikacja zwarc doziemnych wysokorezystancyjnych w sieciach srednich napi^c. Przeglqd Elektrotechniczny, 2015, no.8, pp. 185-189. (Pol). doi: 10.15199/48.2015.08.45.
8. Syvokobylenko V.F., Lysenko V.A. Mathematical modeling of new algorithms for single-phase earth faults protection in a compensated electrical network. Problemele Energeticii Regionale, 2019, no.1-2(41), pp. 1-11. doi: 10.5281/zenodo.3239135.
9. Syvokobylenko V.F., Lysenko V.A. Microprocessor selective protection from the phase to the earth fault in electric networks with Petersen coil in neutral. Technical Electrodynamics, 2019, no.2, pp. 54-62. (Rus). doi: 10.15407/techned2019.02.054.
10. Marciniak L. Okreslenie nastaw zabezpieczenia ziemnozwarciowego z falkowymi kryteriami dzialania. Przeglqd Elektrotechniczny, 2014, no.6, pp. 261-264. (Pol). doi: 10.12915/pe.2014.06.52.
Надтшла (received) 11.10.2019
Сивокобиленко Вталт Федорович1, д.т.н., проф., ЛисенкоВiкторАнатолтович1, к.т.н., 1 Донецький нацюнальний техшчний утверситет, 85300, Донецька обл., Покровськ, пл. Шибанкова, 2, e-mail: svf1934@gmail.com, viktor.lysenko@donntu.edu.ua
V.F. Syvokobylenko1, V.A. Lysenko1 1 Donetsk National Technical University, 2, Shybankova Square, Pokrovsk, Donetsk region, 85300, Ukraine.
Multifrequency protecting method against earth-faults of phase in the compensated electric networks. Introduction. A significant proportion of earth faults in 6 - 35 kV networks is a transient and short-lived process, which is followed by an electric arc. Problem. In such cases, earth-fault protection that responds to steady-state current and voltage is not able to operate properly. Also, the use of the Petersen coil to compensate for the capacitive earth fault current complicates the protection function because it significantly reduces the single phase earth fault current in steady state. Purpose. To develop selective single-phase earth faults protection algorithm using harmonic components that occur in zero-sequence currents and voltage in the transient process. Method. A mathematical model of the power supply system is applied to study the frequency components of currents and voltage of zero sequence in compensated electrical networks with phase-to-earth faults, and a mathematical model is used to test the operation of the developed protection algorithm. The results showed that, the reactive power for harmonic components of the frequency greater than 100 Hz, which are separated from the current and voltage of zero sequence in compensated electrical networks on the damaged feeder, is positive regardless of the degree of compensation of the capacitive current. That may be the basis of the principle of directional protection. Originality. Phase-to-earth fault selective protection algorithm has been developed. In that algorithm, first derivatives of currents and voltages of zero sequence are found, to reduce the influence of aperiodic components. And then, by using of the Fourier transform, a number of harmonic orthogonal components are extracted from them. Reactive power is calculated for each of frequency component and their total sum is found. If that sum excess of threshold, the relay will make a decision. The reliability of the developed protection algorithm is confirmed by the results of mathematical modeling and verification of the test sample at the laboratory stand and by means of field signals that were recorded by digital loggers at the substations. References 10, table 1, figures 6. Key words: electrical network, earth fault protection, zero sequence current and voltage, Fourier transform, frequency spectrum.
