Способ определения расстояния до места однофазного замыкания на землю в электрической сети

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для дистанционного определения расстояния до места повреждения - однофазного замыкания на землю линии электропередачи, например, при плавке на ней гололеда постоянным или переменным током.

Известен способ дистанционного двухстороннего измерения для определения расстояния до места замыкания на землю [Аржанников Е.А., Чухин А.М. Методы и приборы определения мест повреждения на линиях электропередачи. - М.: НТФ «Энергопрогресс», 1998, - 64 с., с.10-17]. Согласно этому способу при замыкании на землю измеряют и запоминают (фиксируют) значение тока замыкания на землю на двух сторонах поврежденной линии электропередачи и по двум зафиксированным значениям тока и известным параметрам электрической сети рассчитывают расстояние до места повреждения. Теоретически способ двухстороннего измерения полностью исключает влияние переходного сопротивления в месте замыкания, которое может быть различным в широком диапазоне.

Недостатком вышеописанного способа является необходимость телепередачи зафиксированных значений тока с одного конца линии электропередачи на другой для выполнения расчета расстояния до места повреждения.

Известен способ дистанционного одностороннего определения расстояния до места замыкания на землю линии электропередачи [Патент РФ на изобретение №2153179. Способ определения расстояния до места замыкания на землю линии электропередачи (Дьяков А.Ф., Левченко И.И., Аллилуев А.А., Сацук Е.И.), МПК 7 G 01 R 31/08, 2000]. Согласно этому способу при замыкании на землю линии электропередачи, на которой плавится гололед, подключают источник питания - выпрямитель и фиксируют на одной стороне линии параметры режима: значения постоянной составляющей тока и напряжения и значения составляющей повышенной частоты тока и напряжения, а по этим значениям и известным параметрам линии электропередачи рассчитывают расстояние до места повреждения. Этот способ исключает влияние переходного сопротивления и не требует телепередачи зафиксированных значений тока и напряжения.

Недостатком вышеописанного способа является необходимость использования специального оборудования для выделения составляющей повышенной частоты из тока и напряжения, а также погрешность определения расстояния до места замыкания на землю из-за погрешности учета приращения погонного активного сопротивления линии провод - земля на повышенной частоте по отношению к его значению на постоянном токе.

Известен выбранный в качестве прототипа способ определения расстояния до места однофазного замыкания на землю в электрической сети [Лукьяненок М.Ю. Определение расстояния до места однофазного замыкания на землю в воздушных электрических сетях напряжением 10 кВ. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Минск: Белорусский национальный технический университет, 2003, - 22 с.], заключающийся в том, что при замыкании на землю линии электропередачи подключают источник питания повышенной частоты между линией и заземлителем, фиксируют на одной стороне линии поочередно, минимум два раза, значения параметров режима - напряжения, активной и реактивной составляющих тока, проходящего через заземлитель, при двух различных повышенных частотах, а по этим значениям и известным параметрам линии электропередачи рассчитывают расстояние до места замыкания.

Недостатком этого способа является необходимость подключения к поврежденной линии электропередачи источника питания повышенной частоты и существенная погрешность определения расстояния до места замыкания на землю при большом переходном сопротивлении, что зачастую имеет место в зимний период при плавке гололеда на линии электропередачи. В значительной мере погрешность определения расстояния до места замыкания по данному способу зависит от изменения расчетных параметров линии электропередачи на одной повышенной частоте по отношению к их значениям на другой повышенной частоте.

Задачей изобретения является создание способа определения расстояния до места однофазного замыкания на землю в электрической сети, основанного на методе односторонней фиксации параметров режима, не требующего подключения к поврежденной линии электропередачи источника питания повышенной частоты и обеспечивающего снижение погрешности определения расстояния до места замыкания на землю при большом переходном сопротивлении благодаря отказу от использования параметров режима повышенной частоты.

Поставленная задача решается с помощью способа определения расстояния до места однофазного замыкания на землю в электрической сети, заключающегося в том, что при замыкании на землю линии электропередачи измеряют и запоминают (фиксируют) на одной стороне линии электропередачи поочередно, минимум два раза, значение тока, проходящего через заземлитель, а по этим значениям и известным параметрам электрической сети рассчитывают расстояние до места однофазного замыкания на землю, отличающегося, согласно изобретению, тем, что заземлитель, в котором фиксируют значение тока, поочередно, минимум два раза, подключают к разным точкам сети - к разным полюсам с одной стороны линии с постоянным током или к разным фазам с одной стороны линии с переменным током.

Изобретение имеет развитие, которое состоит в том, что для фиксации значения постоянного тока, проходящего через заземлитель, подключенный к электрической сети с постоянным током, используют трансформатор тока с линейной характеристикой, например трансформатор тока с разрезным магнитопроводом, по импульсному вторичному току которого восстанавливают первичный постоянный ток i(t) в соответствии с формулой:

где n_TT, Т_ВТ - коэффициент трансформации и постоянная времени вторичного контура трансформатора тока с линейной характеристикой.

Это позволяет упростить измерительное оборудование, необходимое для определения расстояния до места замыкания на землю в сети постоянного тока.

Изобретение имеет другое развитие, которое состоит в том, что для определения расстояния до места замыкания на землю в сети с переменным током фиксируют значение модуля переменного тока, проходящего через заземлитель, подключенный к этой сети, а влияние угла сдвига фаз между зафиксированными токами при подключении заземлителя к разным точкам сети учитывают путем последовательного расчета k+1 раз относительного расстояния n до места замыкания, переходного сопротивления в месте замыкания, а по ним угла сдвига фаз между токами до тех пор, пока разность между n_(k+1) и n_k не станет меньше допустимой погрешности расчета.

Это позволяет уменьшить объем измерительного оборудования для фиксации значений переменного тока.

На фиг.1 приведена схема поочередного измерения и запоминания (фиксации) значений тока, проходящего через заземлитель при его поочередном подключении к разным точкам сети с одной стороны линии электропередачи.

На фиг.1 обозначено: 1 - незаземленная сеть, 2 - поврежденная линия или фаза линии электропередачи, 3 - связи в сети (штриховые линии), 4 - место замыкания 2 на землю, 5 - коммутирующее высоковольтное устройство, 6 - заземляющее устройство, к которому поочередно подключаются устройством 5 разные точки А и В сети 1 с одной стороны линии 2, 7 - первичный измерительный преобразователь тока, проходящего через заземлитель 6, 8 - фиксирующий амперметр.

Кроме того, на фиг.1 обозначено: L - длина поврежденной линии 2; n - относительное расстояние до места замыкания К на линии электропередачи.

На фиг.2 и фиг.3 приведены схемы замещения сети 1 для двух положений коммутирующего устройства 5: на фиг.2 - заземлитель 6 и измерительное оборудование 7, 8 подключены к точке А; на фиг.3 - заземлитель 6 и измерительное оборудование 7, 8 подключены к точке В электрической сети 1.

Кроме того, на фиг.2 и фиг.3 обозначены:

U₀₁, U₀₂ - напряжения на соответствующих контактах устройства 5 в режиме, предшествующем их включению;

R_П - переходное сопротивление в месте замыкания 4 совместно с сопротивлением заземлителя 6 и с сопротивлением земли между 4 и 6;

Z_АК, Z_ВК - эквивалентные сопротивления электрической сети 1 между точками А и К, В и К соответственно в собственно аварийном режиме, когда все ЭДС в сети 1 принимаются равными нулю;

I₁, I₂ - зафиксированные значения тока.

Предлагаемый способ реализуется с учетом его развития следующим образом.

После возникновения замыкания на землю одной из фаз линии 2 и включения устройства 5 через заземляющее устройство 6 и измерительное оборудование 7, 8 проходит и фиксируется значение тока, например, I₁. После переключение 5 в другое положение фиксируется I₂. Эти токи входят в уравнения:

где U₀₁, U₀₂, Z_АК, Z_ВК зависят от известных параметров электрической сети 1 и неизвестного значения n. Значение R_П также неизвестно.

Из одного уравнения определяется - в функции от неизвестного значения n, а по другому уравнению рассчитывают значение n - искомое относительное расстояние до места замыкания на землю.

Таким образом, в предлагаемом способе исключается влияние переходного сопротивления в месте замыкания так же, как в способе дистанционного двухстороннего измерения, хотя измерения проводятся с одной стороны линии электропередачи, т.е. не требуется телепередача зафиксированных значений тока, а также снижается погрешность определения расстояния до места замыкания на землю по сравнению с вышеописанными способами дистанционного одностороннего измерения благодаря отказу от использования параметров режима повышения частоты.

Согласно развитию способа для определения расстояния до места замыкания на землю в электрической сети с постоянным током фиксируют интегрирующим фиксирующим амперметром 8 значение постоянного тока I₁ и I₂ как установившуюся постоянную составляющую тока i(t):

где i_ВТ(t) - вторичный импульсный ток с линейной характеристикой трансформатора тока 7, например, с разрезным магнитопроводом,

n_TT, Т_ВТ - известные коэффициент трансформации и постоянная времени вторичного контура этого трансформатора тока.

Согласно другому развитию способа для определения расстояния до места замыкания на землю в электрической сети переменного тока фиксируют с помощью фиксирующего амперметра 8 значение модуля переменного тока, проходящего через заземлитель 6, подключенный к этой сети, а влияние угла сдвига фаз между токами I₁ и I₂ учитывают путем последовательного расчета k+1 раз относительного расстояния n до места замыкания, переходного сопротивления R_п, а по ним угла сдвига фаз между токами I₁ и I₂ до тех пор, пока разность между n_(k+1) и n_k не станет меньше допустимой погрешности расчета.

Указанные развития способа позволяют уменьшить объем измерительного оборудования для фиксации значений постоянного и переменного тока.

Конкретный пример №1 реализации заявленного изобретения для определения расстояния до места замыкания на землю в электрической сети постоянного тока при плавке гололеда по схеме «фаза - две фазы» показан на схемах фиг.4 и фиг.5. На схеме подключения фиг.4 использованы те же обозначения, что на фиг.1. Схемы замещения для двух положений подключающего устройства 5 совмещены на фиг.5. На фиг.5 обозначены:

E_Э, R_Э - известные эквивалентные ЭДС и внутреннее сопротивление источника питания сети с постоянным током;

R - известное сопротивление одной фазы линии электропередачи 2;

R_П - неизвестное переходное сопротивление в месте замыкания.

Неизвестное значение n рассчитывается по формуле

где I₁ иI₂ - зафиксированные значения постоянного тока для двух положений коммутирующего устройства 5, подключающего заземлитель 6 сооответственно к точке В и А;

К_сх - коэффициент, зависящий от схемы соединения фазных проводов линии электропередачи. Для схемы «фаза - две фазы» К_сх=1,5, если замкнулась на землю одиночная фаза, как показано на фиг.4; если замкнулась на землю одна или обе параллельно включенные фазы, то К_сх=3,0. Для схемы «фаза - фаза» К_сх=2,0.

Согласно развитию способа для измерения I₁ и I₂ используется трансформатор тока 7 с разрезным магнитопроводом и интегрирующий фиксирующий амперметр 8.

Конкретный пример №2 реализации заявленного изобретения для определения расстояния до места замыкания на землю в электрической сети переменного тока при плавке гололеда на линии электропередачи методом «двухфазного короткого замыкания» показан на схемах фиг.6 и фиг.7. На схеме подключения фиг.6 использованы те же обозначения, что на фиг.1. Схемы замещения для двух положений переключающего устройства 5 совмещены на фиг.7. На фиг.7 обозначены:

E_Э, Z_Э - известные эквивалентные ЭДС и внутреннее сопротивление источника питания сети с переменным током;

Z_L, Z_M - известные собственное и взаимное сопротивления линии электропредачи. Неизвестное значение n рассчитывается по формуле

где и - комплексные значения переменного тока для двух положений коммутирующего устройства 5, подключающего заземлитель 6 соответственно к точке А и В;

- известный переменный ток плавки гололеда.

В формулу входят комплексные значения и , а фиксируются модули этих токов и поэтому для определения n используют предложенное развитие способа для электрической сети с переменным током.

Согласно этому развитию способа рассчитывают на первом шаге значение n₍₁₎, по приведенной выше формуле. Подставляя в нее вместо комплексных значений токов их модули

По значению n₍₁₎ рассчитывают сопротивления:

Поскольку

то на втором шаге рассчитывают углы сдвига фаз ϕ₁₍₂₎, ϕ₂₍₂₎ из формул:

а затем подставляют эти значения в формулу для n и рассчитывают n₍₂₎. Расчет повторяют k+1 раз до тех пор, пока разность между n_(k+1) и n_(k) не станет меньше допустимой погрешности расчета.

Способ возможно реализовать в установке плавки гололеда постоянным током подстанции 220 кВ «Дагомыс» Северокавказского региона.

1. Способ определения расстояния до места однофазного замыкания на землю в электрической сети, заключающийся в том, что при замыкании на землю линии электропередачи измеряют и запоминают на одной стороне линии электропередачи поочередно, минимум два раза, значение тока, проходящего через заземлитель, а по этим значениям и известным параметрам электрической сети рассчитывают расстояние до места однофазного замыкания на землю, отличающийся тем, что заземлитель, в котором измеряют и запоминают значение тока, поочередно, минимум два раза, подключают к разным точкам сети - к разным полюсам с одной стороны линии с постоянным током или к разным фазам с одной стороны линии с переменным током.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для фиксации значения постоянного тока, проходящего через заземлитель, подключенный к электрической сети с постоянным током, используют трансформатор тока с линейной характеристикой, по импульсному вторичному току которого i_ВТ(t) восстанавливают первичный постоянный ток i(t) в соответствии с формулой

где n_TT, Т_BT - коэффициент трансформации и постоянная времени вторичного контура трансформатора тока с линейной характеристикой.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для определения расстояния до места замыкания на землю в сети с переменным током фиксируют значение модуля переменного тока, проходящего через заземлитель, подключенный к этой сети, а влияние угла сдвига фаз между зафиксированными токами при подключении заземлителя к разным точкам сети учитывают путем последовательного расчета k+1 раз относительного расстояния n до места замыкания, переходного сопротивления в месте замыкания, а по ним угла сдвига фаз между токами до тех пор, пока разность между n_(k+1) и n_k не станет меньше допустимой погрешности расчета.