Определение расстояний до мест двойных замыканий на землю на линии электропередачи распределительной сети среднего напряжения Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.315

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАССТОЯНИЙ ДО МЕСТ ДВОЙНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ НА ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ

СРЕДНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ

Э.Ф. ХАКИМЗЯНОВ, Р.Г. МУСТАФИН, А.И. ФЕДОТОВ

Казанский государственный энергетический университет

В статье предлагается способ определения расстояний до мест двойных замыканий на землю на одной линии электропередачи путем замера аварийных составляющих фазного тока и фазного напряжения. Результаты теоретических расчетов совпали с результатами моделирования в программной среде MatLab Б'тиНик.

Ключевые слова: линия электропередачи, однофазное замыкание на землю, двойное замыкание на землю разных фаз одной линии, фиксирующий орган сопротивления, ближнее и дальнее место повреждения.

Длительная работа сети в режиме однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) нежелательна, а во многих случаях и недопустима. При ОЗЗ возможно появление значительных дуговых перенапряжений, возникающих при изменении тока через канал дуги в процессе ее горения и перезаряда емкости сети. Теоретические исследования и опыт эксплуатации распределительных сетей среднего напряжения показывают, что уменьшение величины дуговых перенапряжений и ограничение тока ОЗЗ возможно включением в нейтраль трансформатора заземления нейтрали (ТЗН) высокоомного резистора или дугогасящего реактора (ДГР) [1].

Продолжительная работа сети в режиме ОЗЗ может привести к замыканию на землю во второй точке сети. Второе замыкание на землю обычно возникает на участке сети с наиболее ослабленной изоляцией и сопровождается увеличением тока в поврежденных фазах, появлением в контуре повреждения токов нулевой последовательности. Однако, как показывает практика, величина тока двойного замыкания на землю недостаточна для срабатывания токовых защит от междуфазных повреждений, а защиты нулевой последовательности, как правило, действуют на сигнал.

Определение места повреждения в распределительных сетях среднего напряжения является сложной технической задачей. Известен способ измерения сопротивления петли короткого замыкания для выявления места двухфазного повреждения, на основе которого рижским опытным заводом «Энергоавтоматика» выпускался фиксатор ФМК-10. Авторами фиксатора также был предложен способ определения расстояния до мест двойных замыканий на землю разных линий, отходящих от распределительного устройства подстанции [2-4]. Централизованный измеритель подключался к питающей распределительное устройство линии и определял индуктивное сопротивление контура замыкания, пропорциональное расстоянию до места повреждения.

Целью работы является разработка способа определения расстояния до мест повреждения в случае двойного замыкания на землю фаз на одной линии, отходящей от распределительного устройства подстанции.

© Э.Ф. Хакимзянов, Р.Г. Мустафин, А.И. Федотов Проблемы энергетики, 2015, № 3-4

Для достижения поставленной цели предлагается решить следующие задачи:

1) определить зависимость тока двойного замыкания на землю от расстояния до мест повреждений на одной отходящей линии;

2) определить зависимость изменения напряжений поврежденных фаз при возникновении двойного замыкания на землю;

3) определить расстояния до мест повреждений с учетом известных зависимостей изменения тока и напряжения поврежденных фаз при возникновении двойного замыкания на землю.

Расчет значений тока и напряжения при двойных замыканиях на землю на одной линии выполняется по схемам, изображенным на рис. 1, 2, на которых представлены однолинейная схема сети (рис. 1) и ее схема замещения при двойном замыкании на землю (рис. 2).

TAI W1 |

S TA

Гок**-

TV)

ф. А

TA2

ф. В

W2

Рис. 1. Схема сети напряжением 10 кВ при двойном замыкании на землю

'Л 2.1с

M

"0"■

Рис. 2. Схема замещения сети в режиме двойного замыкания на землю ф. А на расстоянии /1к и ф. В на расстоянии /2к: ЕЕ а , Ев, Ёс - ЭДС питающей системы; ¿цс - эквивалентное сопротивление

прямой последовательности системы; ¿1л - сопротивление прямой последовательности до первого места повреждения; ¿| л - сопротивление прямой последовательности неповрежденного участка линии; ¿0л, ¿1 л, ¿2л - сопротивления нулевой, прямой и обратной последовательности участка линии между повреждениями; ¿н1А , ¿н1£, ¿н1С , ¿н2А , ¿н2В, ¿н2С - фазные сопротивления

нагрузки линий электропередачи; Яп1, Яп2 - переходные сопротивления в месте замыканий; Яз - сопротивление земли; /1к, 12к - расстояния до мест ближнего и дальнего замыканий на землю; ТА - измерительные трансформаторы тока; ТУ - измерительные трансформаторы напряжения; ФОС - фиксирующий орган сопротивления линии электропередачи

S

R

Е

При расчете тока режима двойного замыкания на землю принимаются следующие допущения:

1) нагрузка имеет высокое сопротивление, поэтому ее влияние на аварийный ток исключается;

2) значения сопротивлений прямой и обратной последовательности линии электропередачи принимаются одинаковыми = 72л);

3) влияние емкостного сопротивления линии не учитывается.

Следует отметить, что представленная на рис. 2 схема замещения аварийного режима условна, поскольку указывает лишь сопротивления, учитываемые при расчете, и используется для того, чтобы не загромождать статью отдельными схемами замещения прямой, обратной и нулевой последовательности.

Общая формула расчета тока двойного замыкания на землю выглядит следующим образом:

I =_ЕА - ЕВ__(1)

дв . . 1 . '

271с + 271 ^уд7 2к '(11к -1 )•(« + 2)1+ Я п2+ Я з + Я

где п = ¿0луд /¿1луд - соотношение удельных сопротивлений нулевой и прямой

последовательности.

Напряжения поврежденных фаз в месте установки измерительного органа сопротивления (на шинах подстанции) определяются выражениями:

и а = 1дв ' (% 1лА + Яп1). (2)

иВВ= 1 дв • ^71л + 3(70луд + 271луд ) • (12к - 11к) + Кп2 + Кз ^ . (3)

Определение расстояния до мест повреждений предлагается осуществлять фиксирующим органом сопротивления (ФОС), включенным на фазный ток и фазное напряжение. В этом случае расчетное сопротивление 2ф на ФОС должно принять значение, пропорциональное расстоянию до места повреждения:

7 иф 4в ■ (71л + Кп1) 7 + р (4)

7ф = -¡— =-¡-= 71л + Яп1, (4)

7дв 1дв

Однако полное сопротивление 2ф на зажимах ФОС, подключенного к фазному напряжению Цф и фазному току 1ф поврежденной линии, зависит также и от

активного переходного сопротивления в месте повреждений. Влияние активных переходных сопротивлений в контуре замыкания можно исключить путем выделения индуктивной составляющейХф1(2) по следующему выражению:

1т (иф1(2)) • Ке (1ф1(2)) - 1т (1ф1(2)) • Ке (иф1(2)) (5)

х ф1(2) =1-27-\-2-\-1

Ке2 (1ф1(2))+ 1т2(1ф1(2))

где Яе(Цф1(2)), 1т(Цф1(2)), Яе(1ф1(2)), 1т(1ф1(2)) - реальные и мнимые составляющие фазного тока и напряжения поврежденных фаз.

Расстояние до ближнего места повреждения /1к производится определением меньшего абсолютного значения индуктивного сопротивления поврежденных фаз Хф, например: если расчетное сопротивление Хф1 < Хф2, то повреждение /1к ближнее, и ¿1к < ¿2к.

Тогда, с учетом изложенного, расстояние до ближнего места повреждения /1к можно найти в виде

/1к - Хф1 /Х1луд. (6)

где Х]луд - удельное индуктивное сопротивление прямой последовательности линии электропередачи.

Расстояние между точками замыканий Д/=( ¡2к — ¡1к) можно определить, используя разность сопротивлений Х\ и Х2:

А/ - 3 (Хф2 — Xф1) /(Х0луд+2Х1луд), (7)

где Х0луд - удельные индуктивные сопротивления нулевой последовательности линии электропередачи.

Расстояние /2к = /1к + Д/ и есть дистанция до дальней точки замыкания:

/2к = 11к + 3(Xф2 — Xф1 ) /(Холуд+2Х[луд). (8)

Практическая реализация алгоритма предлагаемого ФОС возможна на основе современных микропроцессорных комплексов дистанционной защиты. ФОС, включенный на фазный ток и фазное напряжение, соответствует требованию пропорциональности сопротивления на выходе измерительного органа расстоянию до места повреждения в режиме двойного замыкания на землю.

Проверка алгоритма работы ФОС проводилась с помощью моделирования рассматриваемого аварийного режима в программном пакете ЫсйЬаЪ Бгты/гпк, в котором анализировалась схема, представленная на рис. 1. Параметры схемы следующие: система 5 имеет отношение Х/Я = 0,6/0,1, длина линии W1 = 10 км, W2 = 12 км. Удельные активные и индуктивные сопротивления прямой и нулевой последовательности линии: Х1луд = 0,37 Ом/км, Х0луд = 1,57 Ом/км, Я1луд = 0,57 Ом/км, Я0луд = 0,72 Ом/км, влияние «земли» учитывается сопротивлением Яз = 10 Ом, переходные сопротивления в местах замыканий на землю приняты равными 0 Ом. Моделируется замыкание на землю ф. А и ф. В линии W1 на расстоянии 1 км и 10 км соответственно. В модели фиксируются значения фазных токов на поврежденной линии измерительными трансформаторами тока ТА1-ТА3, фазные напряжения на шинах распределительного устройства измерительным трансформатором ТУ.

Параметры линии электропередачи определены с помощью встроенного в Ыа^аЪ модуля, который по габаритам опоры определяет сопротивления прямой, обратной и нулевой последовательности линии.

Так, амплитуда тока двойного замыкания на землю при заданных расстояниях до мест повреждений, согласно формуле (1), составляет 738 А.

Амплитуды напряжений поврежденных фаз иА, ив, согласно формулам (2-3), равны 507 В и 13 кВ соответственно.

Тогда индуктивные сопротивления, определенные по формуле (5), равны ХфА = 0,37 Ом, Хфв = 7,3 Ом.

Для расчета расстояния до ближнего места повреждения /1к принимается минимальное значение рассчитанного индуктивного сопротивления. Используя формулу (6), расстояние до ближнего замыкания на землю /1к составит 1 км.

Расстояние до дальнего места повреждения /2к, с учетом вычисленных значений сопротивления Хф, равно 10 км.

На точность определения расстояния до места повреждения могут оказать влияние погрешности органов сопротивления, обусловленных погрешностями измерительных трансформаторов тока и напряжения.

Предлагаемый способ может работать как в сетях с изолированной, так и с компенсированной нейтралью, поскольку сопротивление контура повреждения не зависит от режима заземления нейтрали [5-7].

Таким образом, предлагаемый способ позволит с высокой точностью определить расстояние до мест двойных замыканий на землю на одной линии электропередачи при помощи установки ФОС, включенного на фазное напряжение и фазный ток поврежденных линий, а следовательно, сократит затраты на поиск места повреждения и ускорит процесс восстановления электроснабжения потребителей.

Статья подготовлена в процессе выполнения НИР «Методы повышения надежности электроснабжения и качества электроэнергии в распределительных электрических сетях», задание №2014/448 на выполнение государственных работ в сфере научной деятельности в рамках базовой части государственного задания Минобрнауки России.

Summary

In article the way of determination of distances to places of double short circuits on the earth on one power line by measurement of emergency components of phase current and phase tension is offered. Results of theoretical calculations coincided with results of modeling in the program MatLab Simulink environment.

Keywords: a power line, single-phase short circuit on the earth, double short circuit on the earth of different phases of one line, the fixing body of resistance, a near and far place of damage.

Литература

1. Манилов А.М., Барна А. «ОЗЗ в сетях 6-35 кВ в сетях с комбинированным заземлением нейтрали» / «Новости ЭлектроТехники». 2012. №6(78). Электронный доступ: http://www.news.elteh.ru/arh/2012/78/06.php.

2. Авторское свидетельство СССР №1569752. Способ определения расстояния до места двухфазного короткого замыкания / Э.П. Ванзович, А. С.С. Саухатас, В.Г. Гловацкий, А.П. Кузнецов / заяв. 26.04.1988, опубл. 07.06.1990, Бюл. №21. С. 4.

3. Авторское свидетельство СССР №1569753. Способ определения расстояния до мест двойных замыканий на землю / Э.П. Ванзович, А. С.С. Саухатас, В.Г. Гловацкий / заяв. 16.05.1988, опубл. 07.06.1990, Бюл. №21. С. 5.

4. Гловацкий В.Г., Халидов А.Г. Определение расстояния до мест двойных замыканий на землю в электрических сетях 35 кВ // Энергетик. 1985. №9. С. 31.

5. Хакимзянов Э.Ф., Исаков Р.Г. Поведение измерительных органов сопротивления при двойных замыканиях на землю в распределительных сетях 6-35 кВ // Релейная защита и автоматизация. 2014. №1 (14). С. 18-21.

6. Хакимзянов Э.Ф., Исаков Р.Г., Мустафин Р.Г. Измерительный орган сопротивления, выявляющий двойное замыкание на землю в распределительных сетях 6-35 кВ // Релейная защита и автоматизация, 2014. №3 (16). С. 29-35.

7. Хакимзянов Э.Ф., Мустафин Р.Г., Федотов А.И., Исаков Р.Г. Определение расстояния до места повреждения линий электропередачи при двойных замыканиях на землю // Энергетика Татарстана. 2014. № 3-4 (35-36). С. 84-88.

Поступила в редакцию 18 марта 2015 г

Хакимзянов Эльмир Фердинатович - старший преподаватель кафедры «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем» (РЗА) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел: 8(843)519-42-42; 8(927)4113395. E-mail: eig86@mail.ru.

Мустафин Рамиль Гамилович - канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем» (РЗА) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел: 8(843)519-42-42. E-mail: ramil.mustafin@gmail.com.

Федотов Александр Иванович - д-р техн. наук, профессор кафедры «Электроэнергетические системы и сети» (ЭСиС) Казанского государственного энергетического университет (КГЭУ). Тел: 8(843)519-42-42. E-mail: fed.ai@mail.ru.