Способ определения расстояния до мест замыканий на землю на двух линиях электропередачи в сетях с малыми токами замыкания на землю

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для определения мест повреждений при замыканиях на землю на двух разных линиях электропередачи распределительной сети 6-35 кВ с малыми токами замыкания на землю. Технический результат – повышение точности способа определения расстояния до мест замыканий на землю. В заявленном способе производят измерение фазного тока и фазного напряжения, по росту фазных токов поврежденных фаз на одной и другой линии определяют аварийный режим, связанный с возникновение однофазных замыканий на землю на двух линиях, на разных фазах. Согласно способу наряду с токами и напряжениями аварийного режима фиксируют токи и напряжения доаварийного (нормального) режима, по разности токов и напряжений аварийного и доаварийного режимов получают составляющие чистоаварийного режима, вычисляют расстояния до мест повреждения на одной и другой линиях, обеспечивая снижение влияния токораспределения ответвлений и нагрузочного режима на точность вычислений за счет использования токов и напряжений чистоаварийного режима. 5 ил.

 

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для определения мест повреждений при замыканиях на землю на двух разных линиях электропередачи распределительной сети 6-35 кВ с малыми токами замыкания на землю.

Известен «Способ определения расстояния до мест замыканий на землю на двух линиях электропередачи в сетях с малыми токами замыкания на землю» (Патент РФ №2557375 от 29.04.2014 г., МПК G01R 31/08, опубл. 20.07.2015г., Бюл. № 20), согласно которому производят измерение фазного тока и фазного напряжения при помощи измерительного органа сопротивления. Измерительный орган сопротивления включают на фазные токи и фазные напряжения поврежденных линий, отходящих от одних шин подстанции, по росту фазных токов I_ф1 и I_ф2 поврежденных фаз ф1 на одной линии и ф2 на другой линии, определяют возникновение однофазных замыканий на землю на двух линиях, на разных фазах, вычисляют абсолютные значения индуктивного сопротивления X_ф1 и X_ф2 контуров поврежденных фаз ф1, ф2 по следующим выражениям:

и вычисляют расстояние до места повреждения l_1к на одной линии и расстояние до места повреждения l_2к на другой линии по формулам

где Re(U_ф1(2)), Im(U_ф1(2)), Re(I_ф1(2)), Im(I_ф1(2)) - реальные и мнимые составляющие фазного тока и напряжения поврежденных фаз, X_0луд, X_1луд - удельные индуктивные сопротивления прямой и нулевой последовательности линии электропередачи.

Недостатком способа является низкая точность, связанная с неполным учетом взаимных индуктивностей фаз, величины нагрузки и ответвлений при определении расстояния до мест повреждений линий электропередачи.

Наиболее близким техническим решением является «Способ определения расстояния до мест замыканий на землю на двух линиях электропередачи в сетях с малыми токами замыкания на землю» (Патент РФ №2674528 от 20.12.2017 г., МПК G01R 31/08, опубл. 11.12.2018, Бюл. № 35), согласно которому производят измерение фазного тока и фазного напряжения при помощи измерительного органа сопротивления, измерительный орган сопротивления включают на фазные токи и фазные напряжения поврежденных линий, отходящих от одних шин подстанции, по росту фазных токов I_ф1 и I_ф2 поврежденных фаз ф1 на одной линии и ф2 на другой линии, определяют возникновение однофазных замыканий на землю на двух линиях, на разных фазах, вычисляют абсолютные значения индуктивного сопротивления X_ф1 и X_ф2 контуров поврежденных фаз ф1, ф2 по следующим выражениям:

где Re(U_ф1(2)), Im(U_ф1(2)), Re(I_ф1(2)), Im(I_ф1(2)) - реальные и мнимые составляющие фазного тока и напряжения поврежденных фаз, вычисляют расстояние до места повреждения l_1к на одной линии и расстояние до места повреждения l_2к на другой линии. При определении расстояния до мест двойных замыканий на землю дополнительно учитывают взаимные индуктивные сопротивления фаз поврежденных линий электропередачи, а расчет расстояния до ближнего места повреждения l_1к и дальнего места повреждения l_2к осуществляют по следующим выражениям:

где ; – сопротивления взаимной индукции неповрежденных фаз первой линии относительно поврежденной фазы; ; – сопротивления взаимной индукции неповрежденных фаз второй линии относительно поврежденной фазы; I_ф11 – ток поврежденной фазы первой линии; I_ф22 - ток поврежденной фазы второй линии; I_ф12, I_ф13 – токи неповрежденных фаз первой линии; I_ф21, I_ф23 – токи неповрежденных фаз второй линии; х_л1, х_л2 – удельные индуктивные сопротивления соответственно первой и второй линии электропередачи; z_m1, z_m2 – удельные сопротивления взаимной индукции соответственно первой и второй линии электропередачи.

Недостатком способа является низкая точность, связанная с неполным учетом величины нагрузки и влияния ответвлений при определении расстояния до мест повреждений линий электропередачи.

Задача изобретения – повышение точности способа определения расстояния до мест замыканий на землю на двух линиях электропередачи в сетях с малыми токами замыкания на землю за счет уменьшения влияния нагрузки и ответвлений линий электропередачи.

Поставленная задача достигается способом определения расстояния до мест замыканий на землю на двух линиях электропередачи в сетях с малыми токами замыкания на землю, согласно которому производят измерение фазного тока и фазного напряжения при помощи измерительного органа сопротивления, измерительный орган сопротивления включают на фазные токи и фазные напряжения поврежденных линий, отходящих от одних шин подстанции, по росту фазных токов поврежденных фаз на одной и другой линии определяют аварийный режим, связанный с возникновение однофазных замыканий на землю на двух линиях, на разных фазах, вычисляют расстояние до места повреждения на одной линии и расстояние до места повреждения на другой линии. Согласно предложения наряду с токами и напряжениями аварийного режима фиксируют токи и напряжения доаварийного (нормального) режима, по разности токов и напряжений аварийного и доаварийного режимов получают составляющие чистоаварийного режима, вычисляют расстояния до мест повреждения на одной и другой линиях, обеспечивая снижение влияния токораспределения ответвлений и нагрузочного режима на точность вычислений за счет использования токов и напряжений чистоаварийного режима, по следующему выражению:

,

где - расстояние до места повреждения; – удельное сопротивление взаимной индукции; – удельное сопротивление линии; – фазное напряжение соответствующего режима на шинах; – ток, протекающий в месте установки защиты; – ток, протекающий в месте повреждения; индекс «x» обозначает анализируемую линию (L1 – соответствует линии 1, L2 – линии 2); индекс «y» указывает фазу (пов.1 – поврежденная фаза анализируемой линии, пов.2 – поврежденная фаза соседней линии, неп – неповрежденная фаза); индекс «z» соответствует расчетному режиму (н – нормальный режим, кз – аварийный режим, ав – чистоаварийный режим).

На фиг. 1 представлена схема, поясняющая применение метода наложения.

На фиг. 2 приведена схема замещения чистоаварийного режима в трехфазном исполнении, поясняющая расчетные соотношения для предлагаемого способа. На фиг. 2 введены следующие обозначения:

z _с – эквивалентное трехфазное сопротивление системы – (1);

z _л – трехфазное сопротивление линии – (2);

R _п1, R_п2 – переходные сопротивления в местах замыканий (3₁) и (3₂) на первой и второй линиях;

z _н1 – эквивалентное трехфазное сопротивление нагрузки первой линии (4₁);

z _н2 – эквивалентное трехфазное сопротивление нагрузки второй линии (4₂);

ИО – измерительный орган сопротивления первой (5₁) и второй (5₂) линий электропередачи.

l ₁, l₂ – расстояния до мест замыканий на землю на первой и второй линиях электропередачи;

L ₁ и L₂ - длина первой и второй линии электропередачи.

На фиг. 3 представлена схема участка электрической сети для проведения имитационных экспериментов.

Фиг. 4 иллюстрирует зависимость расчетных расстояний до точек повреждения от фактических при двойных замыканиях на землю на ЛЭП без ответвлений (фиг. 4.а - для точки k1 (фиг. 3); фиг. 4.б - для точки k2 (фиг. 3)).

Фиг. 5 иллюстрирует зависимость расчетных расстояний до точек повреждения от фактических при двойных замыканиях на землю на ЛЭП с ответвлениями (фиг. 5.а - для точки k3 (фиг. 3); фиг. 5.б - для точки k4 (фиг. 3)).

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Как и в способе-прототипе, в предлагаемом способе определения расстояния до мест замыканий на землю на двух линиях электропередачи в сетях с малыми токами замыкания на землю по росту фазных токов поврежденных фаз на одной линии и на другой линии определяют возникновение однофазных замыканий на землю на двух линиях, на разных фазах.

Известные способы определения расстояния до мест замыканий на землю на двух линиях электропередачи в сетях с малыми токами замыкания на землю (например, способ-прототип) основаны на замере и дальнейшей обработке параметров аварийного режима. Аварийные составляющие токов и напряжений содержат в себе компоненты чистоаварийного и доаварийного (нормального) режимов. Целесообразно разделение аварийного режима на нагрузочную (доаварийную) и чистоаварийную составляющие с применением метода наложения. Отметим, что чистоаварийные составляющие токов и напряжений формируются путем вычитания из составляющих аварийного режима, составляющих предшествующего нормального (доаварийного) режима.

Основная идея метода наложения заключается в уравнивании количества ветвей в электрической сети до и после повреждения. Подразумевается составление двух схем замещения участка электрической сети для нормального и аварийного режимов. Схема замещения при двойных замыканиях на землю на двух линиях, не содержащих ответвлений, приведена на фиг. 1.

При составлении схемы замещения для нормального режима в место предполагаемого замыкания включается фиктивная ветвь ЭДС, значение которой равно доаварийному напряжению в месте повреждения (фиг. 1.а). Схема замещения аварийного режима напротив не содержит ЭДС в месте предполагаемого замыкания (фиг. 1.б). Вычитая по законам Кирхгофа из уравнений аварийной схемы, уравнения доаварийного режима, получаем чистоаварийную схему (фиг 1.в), которая содержит в неискаженном виде всю необходимую информацию для определения места повреждения.

Расчетные выражения для определения расстояния до мест повреждения получим из схемы замещения для чистоаварийного режима в трехфазном исполнении (фиг 2).

Доаварийные напряжения в месте повреждения (фиг. 2) определяются по выражению:

В выражении (1) и далее введены следующие обозначения: - расстояние до места повреждения; – удельное сопротивление взаимной индукции; – удельное сопротивление линии; – фазное напряжение соответствующего режима в месте установки защиты; – ток, протекающий в месте установки защиты; – ток, протекающий в месте повреждения; индекс «x» обозначает анализируемую линию (L1 – соответствует линии 1, L2 – линии 2); индекс «y» указывает фазу (пов.1 – поврежденная фаза анализируемой линии, пов.2 – поврежденная фаза соседней линии, неп – неповрежденная фаза); индекс «z» соответствует расчетному режиму (н – нормальный режим, кз – аварийный режим, ав – чистоаварийный режим), – доаварийное напряжение в месте повреждения.

В случае применения чистоаварийной схемы (фиг. 2), влияние нагрузочной составляющей снижается. При коротких замыканиях в точках k1 и k2 (фиг. 2) ЭДС в месте повреждения определяется по следующему выражению:

В соответствии с методом наложения, ЭДС в месте повреждения равна доаварийному значению , тогда, подставив выражение (1) в уравнение (2), получаем следующее соотношение:

После вынесения за скобки общих множителей имеем следующее равенство:

Выразив l_x из выражения (4), получим формулу для расчета расстояния до места повреждения:

или

Применение чистоаварийного режима позволяет снизить влияние нагрузки на точность расчета расстояний до повреждения с учетом того, что ток, протекающий через нагрузку, одинаков как в нагрузочном, так и аварийном режимах, поэтому значение . Аналогичным образом снижается влияние на точность расчета расстояний до повреждений ответвлений ЛЭП.

Поскольку переходное сопротивление, как правило, принимается активным, то его влияние можно исключить за счет рассмотрения только реактивных составляющих.

Тогда расстояние до точки повреждения определяется по следующему выражению:

Выражение (7) является универсальным и позволяет определять расстояние как для ближней, так и для дальней точки повреждения ЛЭП при двойных замыканиях на землю.

Замер токов и напряжений нормального (доаварийного) и аварийного процесса производится в месте установки ИО 5₁ и 5₂, (фиг. 2) подключенных на фазный ток и фазное напряжение относительно земли.

Практическая реализация предлагаемого способа определения расстояния до мест замыканий на землю на двух линиях электропередачи в сетях с малыми токами замыкания на землю может быть выполнена с использование измерительных органов сопротивления (5₁ и 5₂), входящих в состав современных комплексов дистанционной защиты. Измерительный орган сопротивления, включенный на фазный ток и фазное напряжение, соответствует требованию пропорциональности сопротивления на зажимах реле расстоянию до места повреждения в режиме двойного замыкания на землю в распределительной сети с малыми токами замыкания на землю. Отметим, что получение чистоаварийных составляющих токов и напряжений, необходимых для расчета расстояний до мест повреждения согласно выражению (7), реализуется путем вычитания из составляющих аварийного режима, составляющих предшествующего нормального (доаварийного) режима. Информация о доаварийных составляющих токов и напряжений обновляется для каждого текущего цикла измерений в памяти устройства, реализующего предлагаемый способ.

Оценка точности предлагаемого способа определения расстояния до мест замыканий на землю на двух линиях электропередачи в сетях с малыми токами замыкания на землю реализовалось в программном комплексе Matlab и среде моделирования Simulink. Имитация повреждений проводилась на модели участка электрической сети, содержащей ЛЭП с распределенными параметрами и предполагающей заданный набор конфигураций (фиг. 3).

Параметры имитационной модели включали: напряжение сети 35 кВ; длины линий: L₁ = 20 км; L₂ = 20 км; L₃ = 25 км; L_4.1 = 10 км; L_4.1 = 5 км; L_4.2 = 10 км; L₅ = 30 км; L_6.1 = 20 км; L_6.2 = 10 км; удельное сопротивление каждой из фаз Ом/км; удельное сопротивление взаимной индукции Ом/км; переходные сопротивления в местах замыканий определялись случайной величиной, распределенной по равномерному закону в диапазоне от 0 до 20 Ом; потребляемая мощность нагрузки принята одинаковой для всех присоединений: , что соответствует сопротивлению

В процессе моделирования были заданы следующие допущения:

1) трехфазные элементы системы принимались симметричными;

2) переходное сопротивление выбрано чисто активным;

3) вид повреждения и поврежденные фазы известны.

Обработка результатов моделирования позволила получить зависимости расчетных расстояний, от фактических значений, задаваемых при проведении имитационных экспериментов (фиг. 4, фиг. 5). Для анализа преимуществ предложенного способа определения расстояния до мест замыканий на землю на двух линиях электропередачи в сетях с малыми токами замыкания на землю проводилось сравнение результатов расчета расстояний до мест повреждения со значениями, рассчитанными по способу-прототипу, использующих параметры аварийного режима.

На фиг. 4 представлены расчетные зависимости при двойных замыканиях на землю на линиях без ответвлений, полученные с применением чистоаварийной схемы (кружок на графике), и по параметрам аварийного режима, соответствующих способу-прототипу (крестик на графике) для точек k1 и k2 (фиг.3). Анализ полученных результатов показывает, что применение чистоаварийного режима позволяет существенно снизить отклонения расчётных расстояний от фактических. По сравнению со способом-прототипом, предлагаемый способ определения места повреждения позволяет снизить максимальное значение относительной погрешности с 45% до 16%.

Для обоснования преимуществ применения разработанного способа определения расстояния до мест замыканий на землю для линий с ответвлениями, имитировалось двойное замыкание на землю в точке k3 (КЗ до ответвления) и в точке k4 (КЗ после ответвления) (фиг. 3).

Расчетные значения способа-прототипа при наличии ответвлений ЛЭП имеют относительную погрешность, достигающую 50%, и обозначены кружками на фиг. 5. Применение чистоаварийного режима в предлагаемом способе, позволяет снизить максимальное значение относительной погрешности расчета расстояния до места повреждения до 15% (фиг. 5). Уменьшение размера ошибок достигается за счет, снижения влияния токораспределения на линиях с ответвлениями, а также нагрузочной составляющей при введении чистоаварийного режима.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет с высокой точностью определить расстояние до мест замыканий на землю на двух линиях электропередачи в сетях с малыми токами замыкания на землю за счет снижения влияния токораспределения ЛЭП с ответвлениями и нагрузочного режима. Результаты имитационного моделирования участка электрической сети 35 кВ показали существенное (более трех раз) сокращение ошибки расчета расстояния до места повреждения и соответствующее сокращение зоны обхода ЛЭП при двойных замыканиях на землю.

Способ определения расстояния до мест замыканий на землю на двух линиях электропередачи в сетях с малыми токами замыкания на землю, согласно которому производят измерение фазного тока и фазного напряжения при помощи измерительного органа сопротивления, измерительный орган сопротивления включают на фазные токи и фазные напряжения поврежденных линий, отходящих от одних шин подстанции, по росту фазных токов поврежденных фаз на одной и другой линии определяют аварийный режим, связанный с возникновением однофазных замыканий на землю на двух линиях, на разных фазах, вычисляют расстояние до места повреждения на одной линии и расстояние до места повреждения на другой линии, отличающийся тем, что наряду с токами и напряжениями аварийного режима фиксируют токи и напряжения доаварийного (нормального) режима, по разности токов и напряжений аварийного и доаварийного режимов получают составляющие чистоаварийного режима, вычисляют расстояния до мест повреждения на одной и другой линиях, обеспечивая снижение влияния токораспределения ответвлений и нагрузочного режима на точность вычислений за счет использования токов и напряжений чистоаварийного режима, по следующему выражению

где - расстояние до места повреждения; - удельное сопротивление взаимной индукции; - удельное сопротивление линии; - фазное напряжение соответствующего режима на шинах; - ток, протекающий в месте установки защиты; - индекс «x» обозначает анализируемую линию (L1 - соответствует линии 1, L2 - линии 2); индекс «y» указывает фазу (пов.1 - поврежденная фаза анализируемой линии, пов.2 - поврежденная фаза соседней линии, неп - неповрежденная фаза); индекс «z» соответствует расчетному режиму (н - нормальный режим, кз - аварийный режим, ав - чистоаварийный режим).