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