Определение расстояния до места повреждения линий

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И НАУЧНОТЕХНИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ В ЭНЕРГЕТИКЕ
УДК 621.315
Э.Ф. Хакимзянов1,
старший преподаватель кафедры РЗА КГЭУ
Р.Г. Мустафин1,
к.ф-м.н., доцент кафедры РЗА КГЭУ
А.И. Федотов1,
д.т.н., профессор кафедры ЭСиС
Р.Г. Исаков2,
ст. преподаватель кафедры «Электрооборудование» КНИТУ-КАИ им. А.Н. Туполева
Определение расстояния до
места повреждения линий
электропередачи при двойных
замыканиях на землю
В статье предлагается способ определения расстояний до мест
двойных замыканий на землю в распределительных сетях, путем
замера аварийных составляющих фазного напряжения и токов
нулевой последовательности. Результаты теоретических расчетов
совпали с результатами моделирования в программной среде
MatLab Simulink.
Ключевые слова:
линия электропередачи,
однофазное замыкание на
землю, двойное замыкание
на землю, фиксирующий
орган сопротивления (ФОС).
1
420066, Россия, РТ, г. Казань,
ул. Красносельская, д. 51
2 420111, Россия, РТ, г. Казань,
ул. К. Маркса, д. 10
84
Н
аиболее распространенными повреждениями в распределительных сетях напряжением 6-35 кВ
являются однофазные замыкания
на землю (ОЗЗ), которые составляют около 60–80% от общего числа всех
повреждений [1].
Продолжительная работа сети в режиме ОЗЗ
может привести к появлению замыкания на
землю в другой точке сети. Второе замыкание на землю обычно возникает на участке
сети с наиболее ослабленной изоляцией и
сопровождается увеличением тока и падением напряжения в поврежденных фазах.
Двойное замыкание на землю может возникнуть как на линии с ОЗЗ, так и на любой
другой линии. В данной статье рассмотрен
вопрос установки на линии электропередачи
ФОС, позволяющего с высокой точностью
определять двойные замыкания на землю на
разных линиях, отходящих от шин распределительного устройства среднего напряжения.
На вводной ячейке распределительного
устройства осциллограмма фазных токов и
напряжений может соответствовать режиму, аналогичному двухфазному короткому
замыканию. Однако величина тока двойного замыкания на землю обычно недостаточна для срабатывания токовых защит
от междуфазных повреждений, к тому же
максимальная токовая защита имеет повышенное время срабатывания, а защиты
нулевой последовательности, как правило,
действуют на сигнал.
В связи с этим является актуальной разработка алгоритма защиты от двойных замыканий на землю в распределительной сети
среднего напряжения 6-35 кВ, позволяющего с определенной чувствительностью и
селективностью определять поврежденные
линии, а также расстояния до каждого из
мест повреждений.
Для достижения поставленной цели предлагалось решить следующие задачи:
1. Определить зависимость тока двойного
ЭНЕРГЕТИКА ТАТАРСТАНА I №3-4 2014
замыкания на землю от расстояния до мест повреждений
на разных отходящих линиях.
2. Установить зависимость изменения напряжений
поврежденных фаз при возникновении двойного замыкания на землю на разных линиях электропередачи.
3. Рассчитать расстояния до мест повреждений с учетом
известных зависимостей изменения тока и напряжения
поврежденных фаз при возникновении двойного замыкания на землю на линиях, отходящих от шин распределительного устройства подстанции.
Рис. 1. Схема сети напряжением 10 кВ при двойном
замыкании на землю
Расчет значений тока и напряжения при двойных замыканиях на землю на разных линиях выполняется по
схемам, изображенным на рис. 1, 2, где представлены
однолинейная электрическая схема сети (рис. 1) и ее упрощенная трехфазная схема замещения при двойном
замыкании на землю (рис. 2), где
– ЭДС питающей системы;
– эквивалентные сопротивления
прямой последовательности системы;
– сопротивления прямой, обратной и нулевой после– сопротивления прямой,
довательности до места повреждения первой отходящей линии;
обратной и нулевой последовательности до места повреждения второй отходящей линии;
– сопротивления соответствующих фаз отходящих линий;
– фазные сопротивления нагрузки линий электропередачи;
Rп1, Rп2 – переходные сопротивления в месте замыканий; Rз – сопротивление земли; ТА – измерительные
трансформаторы тока; TV – измерительные трансформаторы напряжения; ФОС1, ФОС2 – фиксирующие органы
сопротивления отходящих линий электропередачи.
Под переходным сопротивлением Rп принимается суммарное сопротивление элементов пути тока повреждения
от поврежденной фазы к месту замыкания. Составными частями Rп являются: сопротивление дуги, сопротивление
посторонних предметов между проводом и землей или опорой, сопротивление заземления опоры [1].
Под сопротивлением земли Rз понимается сопротивление грунта между двумя точками замыкания на землю, за
исключением составляющих частей Rп. Сопротивление земли зависит от вида почвы, значения и длительности
протекания тока [1].
При расчете тока режима двойного замыкания на землю принимаются следующие допущения:
1) нагрузка имеет высокое сопротивление, поэтому ее влияние на аварийный ток исключается;
2) сопротивления прямой и обратной последовательности линии электропередачи принимаются одинаковые
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.
Сопротивления схемы замещения линии 1 и ф. А, по которой протекает ток двойного замыкания
были получены исходя из следующих соображений:
1) фазный ток
(рис. 2),
можно представить в виде суммы токов симметричных составляющих
.
(1)
2) Токи симметричных составляющих равны друг другу и, соответственно, равны 1/3 фазного тока
.
3) Для подсчета сопротивления контура
(2)
используем формулы (1, 2)
. (3)
Расчет для линии 2 проводится аналогично.
85
НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И НАУЧНОТЕХНИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ В ЭНЕРГЕТИКЕ
Рис. 2. Схема замещения сети аварийного режима двойного замыкания на землю ф. А на расстоянии L1к и
ф. В на расстоянии L2к
Ток двойного замыкания на землю
определяется как
(4)
где
.
Общая формула расчета тока двойного замыкания на землю выглядит следующим образом
,
где
86
– соотношение удельных сопротивлений нулевой и прямой последовательности.
(5)
ЭНЕРГЕТИКА ТАТАРСТАНА I №3-4 2014
Ток нулевой
последовательности линии формируется на выходе фильтров тока нулевой последовательности.
Использование токов нулевой последовательности
уменьшает влияние токов нагрузки на точность определения расстояния до мест повреждений L1к и L2к, поскольку в сетях с малыми токами замыкания на землю в
не возникает (имеет
нормальном режиме и при несимметрии нагрузки сети ток нулевой последовательности
малое значение).
Напряжения поврежденных фаз в месте установки ФОС (на шинах подстанции) определяются выражениями
,
(6)
.
(7)
При известных значениях тока и напряжения в аварийном режиме ФОС, включенный на фазное напряжение
и ток нулевой последовательности
поврежденной линии, определяет сопротивления
,
(8)
.
(9)
Как видно, сопротивление на выходе ФОС, подключенного к фазному напряжению
и току нулевой последоваповрежденной линии, зависит также и от активного переходного сопротивления в местах поврежтельности
дений и активного сопротивления земли. Влияние дополнительных активных сопротивлений можно исключить
путем выделения индуктивной составляющей сопротивления Хф1 и Хф2
,
(10)
где:
– реальные и мнимые составляющие фазного напряжения и тока нулевой последовательности поврежденных фаз.
По вычисленным индуктивным сопротивлениям поврежденных фаз Хф1(2) определяются расстояния до двух мест
повреждений L1к и L2к по следующим формулам
L1к = 3 Хф1 / (Х0луд + 2Х1луд),
(11)
L2к = 3 Хф2 / (Х0луд + 2Х1луд),
(12)
где: Х0луд, Х1луд – удельные индуктивные сопротивления прямой и нулевой последовательности поврежденных
линий электропередачи.
Практическая реализация предлагаемого фиксирующего органа сопротивления (ФОС) возможна на основе современных микропроцессорных комплексов дистанционной защиты. ФОС, включенный на фазное напряжение,
и ток нулевой последовательности, соответствует требованию пропорциональности сопротивления на выходе
органа сопротивления расстоянию до места повреждения в режиме двойного замыкания на землю в распределительной сети с малыми токами замыкания на землю.
Проверка предложенного алгоритма работы ФОС проводилась с помощью моделирования рассматриваемого
аварийного режима в программном пакете MatLab Simulink, в котором анализировалась схема, представленная
на рис. 1. Параметры схемы следующие: система S имеет отношение X/R = 0,6/0,1, длина линии W1 10 км,
W2 – 12 км.
87
НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И НАУЧНОТЕХНИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ В ЭНЕРГЕТИКЕ
Удельные активные и индуктивные сопротивления прямой и нулевой последовательности линии:
Х1луд = 0,37 Ом/км, Х0луд = 1,57 Ом/км, R1луд = 0,57 Ом/км, R0луд = 0,72 Ом/км, влияние «земли» учитывается сопротивлением Rз = 10 Ом, переходное сопротивление в месте повреждения
принято равным 0 Ом. В момент времени t1 = 0,1 с происходит замыкание на землю ф. А линии
W1, ф. В линии W2 на расстоянии 1 км и 9 км, соответственно. В модели фиксируются значения
фазных токов на поврежденных линиях ТА1, ТА2, фазные и линейные напряжения на шинах распределительного устройства от трансформатора напряжения TV.
Так, амплитуда тока двойного замыкания на землю при заданных расстояниях до мест повреждений, согласно формуле (5), составляет 756 А, что подтверждается осциллограммой токов в пакете
моделирования.
Амплитуды напряжений поврежденных фаз UA, UB, согласно формулам (6-7), равны 8 кВ и 6,7 кВ,
соответственно, что подтверждается результатами моделирования.
Тогда индуктивные сопротивления, определенные по формуле (10), ХфА = 0,77 Ом, ХфВ = 6,93 Ом.
С учетом полученных результатов расчета и моделирования расстояния L1к и L2к (по формулам
(11)-(12)) получились равными 1 и 9 км, соответственно.
Предлагаемый способ одинаково может функционировать как в сетях с изолированной, так и
с компенсированной нейтралью, поскольку сопротивление контура повреждения не зависит от
режима заземления нейтрали [2-5].
Таким образом, предлагаемый способ позволяет с высокой точностью определить расстояние до мест двойных замыканий на землю на разных линиях электропередачи при помощи
установки ФОС, включенных на фазное напряжение и ток нулевой последовательности
поврежденных линий, а следовательно, сократит затраты на поиск места повреждения и
ускорит процесс восстановления электроснабжения потребителей.
ЛИТЕРАТУРА
1.
2.
Шнеерсон Э.М. Цифровая релейная защита. – М.: Энергоатомиздат, 2007. – 549 с.
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. –
3.
Хакимзянов Э.Ф., Мустафин Р.Г., Исаков Р.Г. Измерительный орган сопротивления, выявляющий
двойное замыкание на землю в распределительных сетях 6-35 кВ // Релейная защита и автоматизация. –
№1(14). – С. 18-21.
2014. – №3(16). – С. 29-35.
4.
Хакимзянов Э.Ф., Исаков Р.Г., Абдрахманов А.Х. Поведение измерительных органов дистанционной
защиты в распределительной сети 10 кВ при металлических замыканиях на землю. – Научные труды IV
международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи», 2013. – Т2. – С. 203207.
5.
Хакимзянов Э.Ф., Исаков Р.Г. Поведение измерительных органов сопротивления в распределительных сетях с малыми токами замыкания на землю. – Сборник докладов XXII конференции «Релейная защита и
автоматика энергосистем», 2014. – С. 90-94.
88