Определение вида однофазного повреждения в воздушных распределительных электрических сетях с изолированной нейтралью Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

7. Х а б и г е р, Э. Электромагнитная совместимость / Э. Хабигер. - М.: Энергоатом-издат, 1995.

8. Г о р л о в, М. И. Статическое электричество и полупроводниковая электроника / М. И. Горлов // Природа. - 2006. - № 12.

9. Э л е к т р о м а г н и т н а я совместимость. - Ч. 4-2: Методы испытаний и измерений. Испытания на устойчивость к электростатическим разрядам: СТБ МЭК 61000-4-2-2006.

10. С л а е в, В. А. Руководство по выражению неопределенности измерения / В. А. Слаев. - СПб.: ГП ВНИИМ имени Д. И. Менделеева, 1999.

11. С о в м е с т и м о с т ь технических средств электромагнитная. Устойчивость к электростатическим разрядам: ГОСТ Р 51317.4.2-99.

Представлена кафедрой

электрических систем Поступила 15.05.2012

УДК 621.311

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВИДА ОДНОФАЗНОГО ПОВРЕЖДЕНИЯ В ВОЗДУШНЫХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ

Канд. тех. наук, доц. КАЛЕНТИОНОК Е. В., магистрант МАЗУРЕК Ю. А.

Белорусский национальный технический университет

Однофазные повреждения в воздушных распределительных электрических сетях составляют до 80 % от общего количества повреждений [1, 2].

В распределительных электрических сетях с изолированной нейтралью однофазное повреждение не приводит к отключению потребителей, поскольку данный аварийный режим работы не вызывает искажения величины междуфазных напряжений. Однако такой режим обладает рядом недостатков, таких как:

• образование дуговых перенапряжений в сети;

• возможность пробоя изоляции;

• возможность возникновения двойных замыканий;

• опасность электропоражения персонала, посторонних лиц и др.

Специфика режимов работы нейтрали и конструктивного исполнения

линий электропередачи 6-35 кВ не позволяет одновременно выявить повреждение и селективно определить его место с помощью средств релейной защиты и автоматики. Как правило, защита от однофазных повреждений выполняется с действием на сигнал [3]. Длительность аварийного режима определяется временем поиска и устранения повреждения в электрических сетях. При этом, как свидетельствует практика эксплуатации электрических сетей, две трети всего времени на устранение аварийного режима уходит именно на поиск места повреждения [1].

Наиболее эффективным способом уменьшения времени поиска места повреждения является использование дистанционных методов и средств, которыми пользуются в электрических сетях напряжением 110 кВ и выше. Однако в распределительных электрических сетях такие методы не нашли широкого применения, поэтому место повреждения определяют в основном методом пробных включений или обходом линий электропередачи с топографическими приборами [4]. Это связано с тем, что электрические сети 6-35 кВ имеют:

1) древовидную структуру;

2) значения токов при однофазном повреждении, незначительно отличающиеся от величин токов в доаварийном режиме;

3) весьма различные виды однофазных повреждений:

• замыкание на землю без обрыва провода;

• замыкание на землю с обоих концов оборванного провода;

• замыкание на землю с обрывом провода и касанием проводом земли

со стороны питания;

• замыкание на землю с обрывом провода и касанием проводом земли

со стороны нагрузки;

• обрыв провода без замыкания на землю.

Такое разнообразие видов и характера повреждений не позволяет получить какой-либо один универсальный метод определения места повреждения. Для этого существуют специальные методы поиска места повреждения, и, чтобы их применить, необходимо вначале определить вид однофазного повреждения. В настоящее время эффективного метода для решения данной задачи в электрических сетях 6-10 кВ не предложено.

Для исследования отличительных особенностей различных видов однофазного повреждения использовали распределительную сеть напряжением 10 кВ с изолированным режимом работы нейтрали, принципиальная схема которой представлена на рис. 1. Аварийные режимы исследовали с помощью системы динамического моделирования Simulink, которая является составной частью программного комплекса МаЛаЬ [5]. Расчетная математическая модель сети представлена на рис. 2.

Замыкание на землю моделировали в различных точках электрической сети при разных величинах переходного сопротивления Яд в месте повреждения, которое принимали от 0 (металлическое замыкание) до 1000 Ом.

В ходе вычислительного эксперимента фиксировали токи и напряжения в предаварийном и аварийном режимах и их симметричные составляющие, а также значения углов сдвига фаз напряжений прямой и нулевой последовательностей ф и углов сдвига фаз токов прямой и обратной последовательностей 5. На основе данной информации осуществляли поиск отличительных особенностей различных видов однофазных повреждений. К сожалению, следует констатировать, что исходя из данных параметров отличить замыкание на землю без обрыва провода от замыкания на землю с обоих концов оборванного провода не удалось. Поэтому такие виды повреждения в дальнейшем рассматриваются под общим названием - замыкание на землю. Утешительным фактором в данном случае является то, что методы определения места повреждения при таких видах замыкания на землю практически одинаковы.

К1 0,6 км

ТП2олкв

©

ПС ©

Система 110 кВ

<5>

5°+ УЗО КЗ 12км

©

0,4 км 3 км

0,5 км @

ш

ТП2 О

<2>

4 кВ

2 км

ТП2 О

0,5 км

->50 + у'30

ТП2 О

К2

Л кВ -> 160 + у120

15 км

4 км

10 кВ

©

ТП2 0,4 кВ

2 км

^ХН-^ 50 + у30

->50 + У30

1,1 км

©

® ТП2 0,4 кВ —К^) > 160 + у120

3 км

ТП2 0,4 кВ

кпн

■>160 + у120

Рис. 1. Принципиальная схема исследуемой распределительной сети напряжением 10 кВ

Discrete Ts = 5e-005 s.

Three-Phase Programmable Voltage Source

I A

-в N 4 B С

TDN 10000/110 A a

Д С О-*"

Three-Phase V-I Measurement

3"~L

о

Mag Phase

О

Mag-

V1.V2.V0

AV1, ^V2, ^V0

4

О

I

->аЬс

Иад-

О

Mag-

Phase 11,12,10

—

ЛТ1 ЛТ "У лт'

Mag

аЬс

Phase

V0

Mag

аЬс

Phase

AC-95/16 0,5 km

□ А

.'■HI

aç_

AC -70/11 0,4 km

□ А

.'■HI

1С_

LBA А в-вА

I—B ^ -ПТ he в-в'В

-ВС с в-Je

S4=50+j30 s A a В и С

AC -50/8 2 km □ A A П

В ^ -TV hp о в С

TM-400/10

Cl'

AC-50/8 3 km -A A

-a ^ тт he

3 С

AC -35/6.2 0.5 km —в A с B4Z

а С

A 1

=Ьв ■

_

AC-35/6.2 1.2 km

—hp B-c С

AC-95/16 1,5 km

-|A Ä1-

-а ^ тт hp B-п с

С I'

AC -7C/11 2 km ■A A

в ^ тт hp

• с С

AC-70/11 4 km

T A

-в ^ -тс hp п с

C

TM-400/10

s С

j'C * Ъ c

AC-50/8 1,1 km -■ A A n

-a e e B-

п с

Cl'

AC -50/8 3 km «A A

B ^ TT he ВС с

_CJ"-'

TM-400/10

Л a

■Н^ь

□ Ci г, с

TM-400/10 n'A ali

if-

TM-400/10

Л a

B-ii-ь

и С A tu c

S2 = 160+j120 ■ A '

в В в С

S3=50+j30

S5 = 1604-jl20

□¡вн ____HI

TM-400/10 ■ A a

B-ii-ь

aC * с

S6=160+j120 и A '

I

в В

I

в С

V

► аЬс

аЬс

аЬс

Display 1

Display 3

Display 5

A

seqV

Display 2

Display 6

аЬс

аЬс

Display

Display 7

Display 9

e a

Display 10

Display 8

C

c

TM-400/10

C

Рис. 2. Расчетная математическая модель сети, представленная с помощью блоков библиотеки Simulink

На рис. 3 представлены зависимости угла сдвига фаз напряжений прямой и нулевой последовательностей ф от значения переходного сопротивления Яд в месте повреждения (точка К3, рис. 2). Следует отметить, что при моделировании повреждения в точках К1, К2 и КЗ величины угла ф при одинаковых переходных сопротивлениях практически не отличаются, поэтому точку КЗ принимали в качестве расчетной.

185

Ф, град. 180

175

170

165

160

155

1

Л > 2

0

200 400 600 Яд, Ом 1000

Рис. 3. Зависимость угла ф от переходного сопротивления Яд.

1 - замыкание на землю; 2 - замыкание на землю с обрывом провода и касанием земли со стороны питания

При металлическом замыкании на землю угол ф « 180° [6]. При увеличении переходного сопротивления Яд в месте повреждения вектор напряжения нулевой последовательности поворачивается на меньший угол, следовательно, угол ф уменьшается. По величине уменьшения угла ф можно судить о значении переходного сопротивления в месте замыкания. Данное изменение угла ф характерно для замыкания на землю и замыкания на землю с обрывом провода и касанием проводом земли со стороны питания.

Для отличия указанных видов повреждения необходимо дополнительно использовать информацию об изменении угла сдвига фаз токов 5 прямой и обратной последовательностей (рис. 4, 5). При замыкании на землю с обрывом провода и касанием проводом земли со стороны питания угол сдвига фаз токов прямой и обратной последовательностей 5 « 180° (при близком повреждении 5 незначительно больше 180°, при дальнем - меньше, рис. 4); при замыкании на землю угол 5 находится в интервале от 105° до 125° (рис. 5).

125

185 б, град. 183

181 179

177

175

1

2

б, град. 120

115

110

105

0

200 400 600 Яд, Ом 1000

100

\\ V 2

Ov

ч

200 400 600 Яд, Ом 1000

Рис. 4. Зависимость угла 5 от переходного сопротивления Я д при замыкании на землю с обрывом провода и касанием проводом земли со стороны питания:

1 - близкое повреждение (точка К1, рис. 2);

2 - дальнее повреждение (точка К2, рис. 2)

Рис. 5. Зависимость угла 5 от переходного сопротивления Я д при замыкании на землю:

1 - близкое повреждение (точка К1);

2 - дальнее повреждение (точка К2)

0

При металлическом замыкании на землю с обрывом провода и касанием проводом земли со стороны нагрузки или при обрыве провода без замыкания на землю угол сдвига фаз напряжений прямой и нулевой последовательностей ф « 0° [6]. Для случая замыкания на землю с обрывом провода и касанием проводом земли со стороны нагрузки при увеличении переходного сопротивления Яд в месте повреждения угол ф незначительно растет (рис. 6). При обрыве провода без замыкания на землю угол сдвига фаз напряжений прямой и нулевой последовательностей ф незначительно увеличивается в зависимости от расстояния до места повреждения Ь (рис. 7).

10

Ф, град. 8

6

4

0

1000

1,0 Ф, град. 0,6 0,4 0,2

-0,2 -0.4

0 / 0,2 0,4 0,6 Ь, о. е. 1,0

Рис. 6. Зависимость угла ф от переходного сопротивления Яд при замыкании на землю с обрывом провода и касанием земли со стороны нагрузки

Рис. 7. Зависимость угла ф от расстояния до места повреждения Ь при обрыве провода без замыкания на землю

Отличительной особенностью обрыва провода без замыкания на землю является незначительная величина тока нулевой последовательности (10 < Тозад). При замыкании на землю с обрывом провода и касанием проводом земли со стороны нагрузки значение /0 превышает заданное /озад, учитывающее несимметричную величину нагрузки.

На основании проведенных исследований разработан алгоритм определения вида однофазного повреждения в распределительной электрической сети с изолированной нейтралью, структурная схема которого представлена на рис. 8.

Рис. 8. Структурная схема определения вида однофазного повреждения

2

Исходными данными алгоритма являются: ток нулевой последовательности 10, угол сдвига фаз составляющих напряжений прямой и нулевой последовательностей ф, угол сдвига фаз составляющих токов прямой и обратной последовательностей 5.

Если величина угла ф принадлежит второй четверти координатной плоскости (90° < ф < 180°), то можно утверждать, что при выполнении условия 5 Ф (180° ± а) имеет место замыкание на землю, а при его невыполнении, т. е. 5 = (180° ± а) и ф « 180°, имеет место замыкание на землю с обрывом провода и касанием земли со стороны питания (где а - погрешность в определении величины угла 5, обусловленная переходным сопротивлением; по результатам исследования а = 3°).

Если величина угла ф принадлежит первой либо четвертой четверти координатной плоскости (-90° < ф < 90°), то можно утверждать, что при выполнении условия 10 < /0зад имеет место обрыв провода в сети без замыкания на землю, а при его невыполнении, т. е. 10 > !эзад, имеет место замыкание на землю с обрывом провода и касанием проводом земли со стороны нагрузки.

В Ы В О Д Ы

1. Исследованы различные виды однофазного повреждения в воздушной распределительной сети с изолированной нейтралью на основе системы динамического моделирования Simulink.

2. Разработан алгоритм определения вида однофазного повреждения в распределительной электрической сети с изолированной нейтралью по параметрам аварийного режима с возможностью его реализации в функции определения места повреждения в устройствах микропроцессорной релейной защиты и автоматики.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Ш а л ы т, Г. М. Определение мест повреждения в электрических сетях / Г. М. Ша-лыт. - М: Энергоатомиздат, 1982. - 312 с.

2. К а л е н т и о н о к, Е. В. Статистический анализ повреждаемости воздушных распределительных электрических сетей / Е. В. Калентионок // Энергия и менеджмент. - 2011. -№ 4. - С. 15-17.

3. Ф е д о с е е в, А. М. Релейная защита электроэнергетических систем. Релейная защита сетей / А. М. Федосеев. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 520 с.

4. А р ц и ш е в с к и й, Я. Л. Определение мест повреждения линий электропередачи в сетях с изолированной нейтралью / Я. Л. Арцишевский. - М.: Высш. шк., 1989. - 87 с.

5. Д ь я к о н о в, В. П. Ма^аЬ и Simulink в электроэнергетике: справ. / В. П. Дьяконов, А. А. Пеньков. - М.: Телеком, 2009. - 816 с.

6. С п о с о б определения поврежденной фазы при однофазном повреждении линии электропередачи в сети с изолированной нейтралью: пат. 13318 Респ. Беларусь, МПК С1 Н 02Н 3/26 / Е. В. Калентионок, А. Н. Ермаков; заявитель Бел. нац. техн. ун-т // Афщыйны бюл. - 2009. - № 6.

Представлена кафедрой электрических систем Поступила 26.06.2012