СПОСОБ РАСПОЗНАВАНИЯ ОДНОФАЗНОГО ДУГОВОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ И ПОВРЕЖДЕННОЙ ФАЗЫ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ С РЕЗОНАНСНО ЗАЗЕМЛЕННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ

Название	СПОСОБ РАСПОЗНАВАНИЯ ОДНОФАЗНОГО ДУГОВОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ И ПОВРЕЖДЕННОЙ ФАЗЫ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ С РЕЗОНАНСНО ЗАЗЕМЛЕННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ
Разработчик (Авторы)	Качесов В.Е.
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2232456
Дата регистрации	10.11.2002
Правообладатель	Новосибирский государственный технический университет
Медаль имени А.Нобеля

Описание изобретения

Предлагаемое изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для распознавания однофазного дугового замыкания (ОДЗ) на землю в распределительных сетях с резонансно заземленной нейтралью.

Известен способ распознавания (сигнализации) однофазного замыкания на землю (и выделения поврежденного фидера) в распределительных сетях с резонансно заземленной нейтралью [1, 2], основанный на раздельной фиксации полярностей первых полуволн высокочастотных компонент тока и напряжения нулевой последовательности, измеряемых с помощью трансформатора тока нулевой последовательности (ТТНП) и измерительного трансформатора напряжения (ТН). Распознавание осуществляется путем реагирования на соотношения фазовых сдвигов между высокочастотными компонентами и при появлении в течение времени 0,06... 1,5 сек напряжения нулевой последовательности промышленной частоты, которое превышает 25% фазного значения. В данном способе для распознавания повреждения требуется информация с двух измерительных приборов, что делает этот способ сложным, кроме того, используя параметры напряжений и токов нулевой последовательности, не может быть выделена поврежденная фаза.

Известен также способ распознавания однофазного дугового замыкания на землю и поврежденной фазы в распределительных сетях с резонансно заземленной нейтралью. являющийся прототипом, основанный на измерении параметров режима (фазных напряжений и токов) и последующей математической обработке измерительной информации в цифровом виде на ЭВМ с помощью математического аппарата искусственных нейронных сетей [3]. Для его реализации предварительно разрабатывается некоторая математическая модель - искусственная нейронная сеть и обучается на основе экспериментального или полученного в результате численного моделирования материала. После этого на входы системы распознавания подают цифровые сигналы, дискретизированные во времени, (измерительную информацию), а комбинация выходных сигналов (например, в бинарном виде) определяет тип повреждения в электрической сети.

Процесс разработки такой нейронной сети требует хорошей математической подготовки инженера разработчика сети, а технология обучения сети, как правило, длительна и сложна, поскольку для сети необходимо подобрать метод обучения (выбор которого не всегда прост и очевиден), минимизирующий ошибку распознавания.

Обучение сети необходимо проводить на значительном объеме экспериментального или полученного в результате численного моделирования материала, что не всегда возможно для первого способа получения материала и трудоемко для второго. В силу сложности математического аппарата этого метода к его недостаткам следует отнести также достаточно длительное распознавание повреждения, особенно такого, как ОДЗ, поскольку этот вид повреждения, содержащий высокочастотные компоненты, требует значительного количества точек измерений (отсчета) на один период промышленной частоты. Распознавание такого вида повреждения занимает единицы-десятки секунд, что сильно затрудняет обработку информации в реальном времени с помощью компьютерных систем мониторинга, дополнительно определяющих уровень перенапряжений при ОДЗ, напряжение пробоя изоляции, длительность перенапряжений, место повреждения и т.д. Аппаратная реализация рассмотренного способа практически невозможна на широко распространенной микроэлектронной базе.

Анализ приведенного уровня техники свидетельствует о том, что задачей изобретения является создание более простого и быстрого способа распознавания ОДЗ и поврежденной фазы, позволяющего осуществлять мониторинг сети в реальном времени.

Это достигается тем, что в известном способе распознавания дугового замыкания на землю и поврежденной фазы, основанном на регистрации фазных напряжений и их последующем анализе, в указанном анализе определяют производные фазных напряжений и сопоставляют их знаки. При их совпадении и величинах производных, превышающих уставку - удвоенное значение максимума производной линейного напряжения сети, определяют действующие значения фазных напряжений за время 2 мс с момента достижения уставки последней производной фазного напряжения; находят отношение действующего напряжения со средним из фазных значений напряжением (U_cp) к минимальному (U_мин) и, если это отношение больше коэффициента , определяемого по выражению K=(3,17+0,067(K_L-30))K₃ - для коэффициента компенсации емкости сети К_L от 30 до 100% и К=(7,86-0,067(K_L-100))K₃ - для К_L от 100 до 130%, регистрируют это событие. При подсчете двух и более таких событий фиксируют ОДЗ и поврежденную фазу с наименьшим действующим напряжением (U_мин).

На фиг. 1 приведена упрощенная распределительная сеть, в которой реализуется предлагаемый способ; на фиг. 2 - осциллограммы фазных напряжений и их производных; на фиг. 3 - действующие значения, определяемые с момента превышения последней из производных напряжения уставки - удвоенного максимума производной линейного напряжения.

Устройство (фиг. 1) содержит схему сети, в которой к главному питающему пункту 1 (ГПП) через линии электропередачи 2, 3, 4, 5 подключены трансформаторные подстанции 6, 7, 8, 9 (ТП).

Способ осуществляется следующим образом.

При замыкании на землю на одной из отходящих линий 2, 3, 4, 5 (фиг. 1) на шинах питающего пункта 1 (фиг. 1) регистрируют фазные напряжения uγ , γ =A, B, C (например, в цифровой форме, выполняя непрерывный мониторинг напряжений [4, 5]) и определяют их производные . При ОДЗ в момент пробоя изоляции знаки всех производных совпадают, т.е. . При совпадении всех знаков производных и превышении ими некоторой уставки, например удвоенного максимума производной линейного напряжения сети, т.е. (где ω - частота сети, U_л.макс - амплитудное линейное напряжение сети) с момента достижения последней производной фазного напряжения уставки определяют действующие напряжения всех фаз в течение времени интегрирования t_и=2 мс (для сигнала, представленного в цифровой форме, по правилу прямоугольников - шаг дискретизации, n - количество отсчетов за время интегрирования). Выбор уставки по величине производной напряжения определяется как линейным напряжением, так и уровнем импульсных и гармонических помех в сети, а также топологией сети: при замыканиях в конце протяженных фидеров производные имеют меньшие значения.

Наименьшее (минимальное) действующее напряжение (определенное за 2 мс) при замыкании на землю имеет поврежденная фаза. Фаза с минимальным напряжением из двух других (неповрежденных) фаз имеет среднее значение. Представив, что все напряжения отсортированы по возрастанию, можно записать U_мин<U_ср<U_макс. Если отношение среднего значения к минимальному больше К, т.е. , где U_мин=min({Uγ }), U_ср=min({Uγ }-{U_мин}), то считают это событие однофазным замыканием на землю, которое при его единичном появлении может быть как металлическим, так и дуговым. Расчетный коэффициент К, определяющий при ОДЗ отношение наименьшего из действующих напряжений на одной из не поврежденных фаз к напряжению поврежденной, зависит от коэффициента компенсации емкости сети по нулевой последовательности дугогасящим реактором (L_p - индуктивность реактора, С_ф - фазная емкость сети), который для времени интегрирования t_и=2 мс на основе обработки экспериментальных данных приближенно определяется по выражению К=(3,17+0,067(K_L-30))К₃ - для коэффициента компенсации K_L от 30 до 100% и К=(7,86-0,067(K_L-100))К₃, - для К_L от 100 до 130%, К₃≅0,8... 0,9 - некоторый коэффициент запаса, принимаемый несколько меньшим 1. При изменении емкостных параметров сети принимают минимально возможное значение коэффициента компенсации. Поскольку дуговое замыкание сопровождается многократными пробоями фазной изоляции, то после подсчета двух и более таких замыканий (событий) за время (t_с) нескольких единиц-десятков периодов промышленной частоты фиксируют факт ОДЗ и поврежденную фазу по наименьшему из вычисленных действующих значений напряжения.

Максимальное время счета импульсов t_с определяется режимом полной компенсации емкости сети (емкостного тока замыкания): коэффициент компенсации фазной емкости сети К_L близок к 100%. В этом случае время счета не будет превышать времени полного восстановления напряжения на поврежденной фазе (когда повторный пробой крайне маловероятен), определяемого затуханием в сети. Приближенно максимальное время полного восстановления напряжения и время счета для реальных сетей можно принять 0,5 сек (25 периодов промышленной частоты). В подавляющем большинстве случаев резонансно заземленные распределительные сети эксплуатируются с дугогасящими катушками, не имеющими автоматической подстройки, т.е. с некоторой раскомпенсацией, кроме того, в сетях допускается перекомпенсация до 5-10% [4], что одновременно с малым напряжением повторного пробоя сокращает временной интервал между пробоями и реальное время распознавания ОДЗ.

На фиг. 2 приведены фазные напряжения распределительной сети 10 кВ (поврежденной фазе соответствует нижняя кривая), зарегистрированные при ОДЗ с помощью системы мониторинга [5, 6], и производные напряжений, которые совпадают в моменты пробоев по знаку и превышают уставку по производной, принимаемую для сети 10 кВ около 9000-10000 кВ/сек. На фиг. 3 показаны вычисленные в течение 2 мс действующие значения фазных напряжений, из которых напряжение поврежденной фазы (нижняя осциллограмма) многократно меньше напряжений на неповрежденных фазах в конце интервала интегрирования. Отношение , i=1,... 4, для приведенных четырех моментов пробоя изоляции составляет 15, 17, 10, 21 и больше расчетного параметра К, который для рассматриваемой сети с коэффициентом компенсации К_L=95% равен 6,02 (K₃≅0,8). Подсчет двух таких импульсов (событий) указывает на наличие ОДЗ в сети.

Таким образом, распознавание ОДЗ и поврежденной фазы в сети быстро осуществляется путем регистрации фазных напряжений и выполнения простых операций по их обработке: нахождения производных фазных напряжений и при их совпадении по знаку и превышении некоторой уставки определения действующих значений фазных напряжений в течение 2 мс. При выполнении отношения подсчет двух и более таких событий (замыканий) указывает на существование ОДЗ.

Изложенный способ распознавания ОДЗ и поврежденной фазы может быть реализован как с помощью микропроцессорного устройства, совместно работающего с АЦП, так и на базе электронных приборов и интегральных схем малой и средней степени интеграции.

Формула изобретения

Способ распознавания однофазного дугового замыкания на землю и поврежденной фазы в распределительных сетях с резонансно заземленной нейтралью, заключающийся в регистрации фазных напряжений сети и их последующем анализе, отличающийся тем, что в указанном анализе определяют производные фазных напряжений и сопоставляют их знаки, при их совпадении и величинах производных, превышающих уставку - удвоенное значение максимума производной линейного напряжения сети - определяют действующие фазные напряжения за время 2 мс с момента достижения уставки последней производной фазного напряжения, находят отношение действующего напряжения со средним значением (U_cp) к минимальному (U_мин) и, если это отношение больше коэффициента К (U_cp/U_мин >К), определяемого по выражению К=[3,17+0,067(К_L-30)]К_з - для коэффициента компенсации емкости сети К_L от 30 до 100% и К=[7,86-0,067(К_L-100)]К_з - для К_L от 100 до 130%, где К_з≅0,8 - 0,9 - некоторый коэффициент запаса, принимаемый несколько меньшим 1, регистрируют это замыкание, при подсчете двух и более таких замыканий фиксируют однофазное дуговое замыкание и по минимальному действующему напряжению U_мин -поврежденную фазу.

Изобретение "СПОСОБ РАСПОЗНАВАНИЯ ОДНОФАЗНОГО ДУГОВОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ И ПОВРЕЖДЕННОЙ ФАЗЫ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ С РЕЗОНАНСНО ЗАЗЕМЛЕННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ" (Качесов В.Е.) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога