СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИДЕРА С ОДНОФАЗНЫМ ДУГОВЫМ ЗАМЫКАНИЕМ НА ЗЕМЛЮ В РАДИАЛЬНЫХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ КАБЕЛЬНЫХ СЕТЯХ

Название	СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИДЕРА С ОДНОФАЗНЫМ ДУГОВЫМ ЗАМЫКАНИЕМ НА ЗЕМЛЮ В РАДИАЛЬНЫХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ КАБЕЛЬНЫХ СЕТЯХ
Разработчик (Авторы)	Качесов В.Е.
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2254586
Дата регистрации	24.12.2003
Правообладатель	Новосибирский Государственный Технический Университет
Медаль имени А.Нобеля

Описание изобретения

Предлагаемое изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для определения фидера (питающей линии) с однофазным дуговым замыканием (ОДЗ) на землю в радиальных распределительных кабельных сетях 6-10 кВ с изолированной, резонансно компенсированной или заземленной через высокоомный резистор нейтралью.

Известен способ определения фидера с однофазным дуговым замыканием на землю в радиальных распределительных кабельных сетях, основанный на анализе установившихся значений высших гармонических составляющих тока нулевой последовательности (I_з0в.г.) [1]. В этом способе выделение поврежденного фидера осуществляется путем сопоставления (сравнения) значений высокочастотных токов в поврежденных и неповрежденных присоединениях: в поврежденном присоединении I_з0в.г. имеет максимальное значение.

В силу того, что в данном способе в качестве входной измеряемой величины используется установившееся значение тока, то он оказывается неприспособленным для выделения фидеров с кратковременными самоустраняющимися замыканиями, в то время как эта информация важна для оценки состояния изоляции и целенаправленного проведения профилактических испытаний линий с ослабленной изоляцией.

Кроме того, известен способ определения фидера с однофазным дуговым замыканием на землю в распределительных кабельных сетях [2], принятый в качестве прототипа и применимый при кратковременных самоустраняющихся замыканиях, согласно которому в момент повреждения регистрируют переходное напряжение нулевой последовательности и первые полуволны высокочастотных токов нулевой последовательности в отходящих фидерах. По напряжению и току определяют начальный знак направления мощности для всех фидеров. Фидер, имеющий знак направления мощности (определяемый полярностью тока), противоположный остальным, принимается поврежденным.

В данном способе в зависимости от начального знака направления мощности срабатывают пороговые устройства, приводящие к запуску устройства возврата, которое при отсутствии устойчивого повреждения через некоторое время t_зд возвращает пороговые устройства в исходное состояние. Это время t_зд выбирается, исходя из условия отстройки от различного рода помех (например, вызванных коммутациями в сети или появлением высших гармонических составляющих в напряжении) и составляет от 7 до 10 мс. Указанная задержка срабатывания устройства возврата определяется длительностью существования напряжения нулевой последовательности 3U₀ при помехах. Если помеха в течение указанного времени не устранится или возникнет повторно в конце интервала t_зд, приводя к появлению напряжения 3U₀, то возникает ложное срабатывание (сигнализация).

В данном способе возможно неселективное определение фидера из-за искажения фазовых соотношений между током и напряжением, возникающим в момент однофазного замыкания на землю в отраженной от конца поврежденной линии волне [3]. Искажения в волну напряжения также вносятся измерительным электромагнитным трансформатором напряжения из-за достаточно высокого частотного спектра волны, достигающего десятков - сотен килогерц. Частотные характеристики трансформаторов напряжения таковы, что они способны трансформировать периодические составляющие только до нескольких килогерц: при более высоких частотах сказывается межвитковая емкость первичной обмотки [1, стр.294]. При этом неправильно фиксируется знак мощности. Ограничивая полосу регистрируемых частот для повышения селективности выделения фидера с замыканием, существенно снижается область применения данного способа, особенно для кабельных сетей, в которых волновые процессы высокочастотны в силу незначительных длин линий.

Анализ приведенного уровня техники свидетельствует о том, что задачей изобретения является создание более достоверного способа определения фидера с однофазным дуговым замыканием в радиальных распределительных кабельных сетях.

Это достигается тем, что в известном способе выделения поврежденного фидера регистрируют переходные напряжения на шинах главного пункта питания и первые полуволны переходных токов в отходящих фидерах и сопоставляют полярности токов; фидер, имеющий полярность тока противоположную по отношению к остальным, считается поврежденным, при этом сначала выполняют распознавание режима замыкания, анализируя фазные напряжения на шинах главного пункта питания, после чего сопоставляют полярности первых полуволн переходных токов, регистрируемых в проводниках, соединяющих оболочки кабелей с контуром заземления подстанции.

На фиг.1 приведен фрагмент радиальной кабельной сети, в которой реализуется предлагаемый способ; на фиг.2 - осциллограмма фазных напряжений (кВ) [4] и их производных (кВ/с) при ОДЗ в реальной кабельной сети 10 кВ с изолированной нейтралью; на фиг.3 - расчетные осциллограммы фазных токов и тока в проводнике, соединяющем оболочку кабеля с контуром заземления подстанции; на фиг.4 - токи в оболочках неповрежденных и поврежденных фидеров и соответствующие логические напряжения.

В радиальной кабельной сети (фиг.1) энергия от главного пункта питания (ГПП) - понизительной подстанции 1 передается по кабельным линиям 2 к распределительным (РП), трансформаторным подстанциям (ТП) или нагрузке. В узлах сети (ГПП, РП) на проводниках, соединяющих оболочку с контуром заземления, имеющим некоторое сопротивление заземления R_З 3, установлены ненасыщаемые (слабонасыщаемые) трансформаторы тока 4, нагруженные на сопротивление нагрузки 5.

Способ осуществляется следующим образом.

В процессе однофазного замыкания на землю на любой из отходящих линий 2 (фиг.1) на шинах главного пункта питания (узла питания) 1 фиксируют фазные напряжения (для чего может быть использована система мониторинга перенапряжений [4, 5]), и распознают вид повреждения - однофазное замыкание на землю. Измерение напряжений выполняют на шинах главного пункта питания с помощью емкостных делителей напряжения [4], не вносящих искажения в измеряемые величины вплоть до сотен килогерц. Для распознавания однофазного дугового замыкания на землю могут быть использованы разнообразные методы, например, с использованием систем искусственного интеллекта [6], когда на основе экспериментальных (или полученных численным моделированием) осциллограмм разнообразных повреждений в электрической сети формируется и обучается искусственная нейронная сеть (ИНС), выделяющая конкретный вид повреждения по реальным осциллограммам фазных напряжений переходного процесса, представленным в цифровой форме. Для распознавания ОДЗ также могут быть использованы приемы, заключающиеся в анализе характерных признаков вида повреждения, что реализуется, например, для резонансно компенсированных сетей в методе [7, 8], использующем совпадение полярностей (знаков) производных фазных напряжений (u_γ) в момент замыкания на землю при превышении производными (в абсолютных значениях) некоторой уставки (U_уст), например, удвоенного значения максимума производной линейного напряжения сети u_л и  γ={A, B, C}) с последующим определением действующего значения интегрированием в течение ограниченного времени  или для напряжения, представленного в виде числового массива, интегрируя по правилу прямоугольников  - шаг дискретизации по времени, n - количество отсчетов за время интегрирования t_и≅2 мс): при замыкании на землю действующее напряжение на поврежденной фазе в несколько раз (в зависимости от степени компенсации фазной емкости сети) меньше, чем на неповрежденных.

Для сетей с изолированной или заземленной через высокоомный резистор нейтралью помимо ИНС для распознавания может использоваться ранее указанный признак совпадения знаков производных фазных напряжений в сочетании с подсчетом не менее двух триад однополярных импульсов фазных производных за время порядка 12-15 мс (фиг.2).

После распознавания замыкания на землю любым из вышеприведенных методов выделяют поврежденный фидер, используя свойство противоположности полярностей первых полуволн высокочастотных токов, измеренных в проводниках, заземляющих оболочки кабелей на подстанциях. Это свойство аналогично принципу противоположности полярностей токов нулевой последовательности [2].

В первый момент замыкания на землю переходный ток нулевой последовательности , подтекающий со стороны главного пункта питания, и ток в оболочке (i_об), соединенной с контуром заземления подстанции, состоят, главным образом, из тока разряда фазной емкости. На фиг.3 приведены расчетные осциллограммы, полученные с помощью [9], при замыкании на фазе «С» в радиальной сети, состоящей из пяти кабелей разной протяженности (0,5; 1; 2; 3 и 4 км), из которых видно, что высокочастотные переходные токи неповрежденных фаз (i_A, i_B) несопоставимы по значениям с током поврежденной фазы (т.е. i_C>>i_A и г i_C>>i_B), а ток в оболочке противоположен по полярности и близок по амплитуде и форме к току поврежденной фазы (и току 3i₀).

Ток, протекающий через оболочку поврежденного кабеля, имеет противоположное направление по отношению к токам неповрежденных кабелей (фиг.4). Высокочастотные токи замыкания (первые колебания) измеряют в проводниках, соединяющих оболочки кабелей с контуром заземления подстанции с помощью высокочастотных ненасыщаемых трансформаторов тока, например, трансформаторов с ферритовым магнитопроводом и немагнитным зазором. В качестве такового, например, можно использовать одновитковый трансформатор (с одним витком измеряемого тока в окне магнитопровода), выполненный на П-образном ферритовом магнитопроводе (марки М2000Н) сечением ˜4 см² с немагнитным зазором порядка 5 мм и вторичной обмоткой, содержащей несколько сотен витков и нагруженной на резистор сопротивлением порядка десятых долей Ома. По первым полуволнам токов, создающим на нагрузке трансформаторов тока падения напряжения, с помощью несложных электронных устройств без труда формируются логические напряжения, по полярности которых легко выделяется поврежденный фидер (фиг.4).

Таким образом, определение фидера с однофазным дуговым замыканием в радиальных распределительных кабельных сетях выполняется на основе достоверного факта замыкания на землю, устанавливаемого на основе анализа регистрируемых фазных напряжений сети, и определения поврежденного фидера по полярности первой полуволны тока в проводнике, соединяющем оболочку кабеля, с контуром заземления подстанции.

Формула изобретения

Способ определения фидера с однофазным дуговым замыканием на землю в радиальных распределительных кабельных сетях, основанный на том, что в режиме однофазного замыкания на землю регистрируют переходные напряжения на шинах главного пункта питания и первые полуволны переходных токов в отходящих фидерах, сопоставляют полярности токов, фидер, имеющий полярность тока, противоположную по отношению к остальным, считают поврежденным, отличающийся тем, что сначала выполняют распознавание режима замыкания, анализируя фазные напряжения на шинах главного пункта питания, после чего сопоставляют полярности первых полуволн переходных токов, регистрируемых в проводниках, соединяющих оболочки кабелей с контуром заземления подстанции.

Изобретение "СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИДЕРА С ОДНОФАЗНЫМ ДУГОВЫМ ЗАМЫКАНИЕМ НА ЗЕМЛЮ В РАДИАЛЬНЫХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ КАБЕЛЬНЫХ СЕТЯХ" (Качесов В.Е. ) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога