Determination of a damaged connection in single-phase earth fault

全文:

Введение

Выбор режима работы нейтрали в отечественных распределительных сетях регламентируется п. 1.2.16 ПУЭ [1]. Режим работы нейтрали определяет величину тока в месте повреждения, возможный уровень перенапряжений на фазах, требования к фазной и линейной изоляции электрооборудования, устройство и принципы действия релейной защиты, вероятность возникновения феррорезонанса при неустойчивом (дуговом) замыкании в месте повреждения.

Наиболее широкое распространение в распределительных сетях получил режим изолированной нейтрали, поскольку в большинстве случаев токи при однофазном замыкании (ОЗЗ) не превышают установленных в ПУЭ пределов. Одно из ее преимуществ – возможность работы сети при ОЗЗ, при этом снижается количество перерывов в электроснабжении потребителей. При ОЗЗ релейная защита действует на сигнал и фиксирует наличие «земли» на секции шин. В дальнейшем поиск повреждения сводится к поочередному отключению каждого присоединения, что усложняет поиск. Реализация других видов защит – в большинстве случаев сложное и дорогостоящее мероприятие.

Однако недостатки изолированной нейтрали более весомы. При неустойчивых ОЗЗ, которые сопровождаются перемежающейся дугой, резко увеличивается вероятность возникновения феррорезонанса, появления перенапряжений высокой кратности, выхода из строя электрооборудования и дальнейшего развития повреждения и перехода его в двухфазное замыкание, или двойное замыкание на землю [2].

На сегодняшний день разработано множество способов определения поврежденного присоединения [3–6]. Наиболее перспективным направлением является применение токовых направленных защит и защит, основанных на наложении токов непромышленной частоты.

Результаты и обсуждение

Прежде чем приступить к исследованию переходных процессов в сетях с изолированной нейтралью в MATLAB Simulink, необходимо составить расчетную схему и определиться с параметрами блоков. Исследование и расчет выходных параметров производились с помощью решателя ode45, окно настройки и выбора которого показано на рисунке 1.

Рисунок 1 – Окно настройки и выбора решателя в MATLAB Simulink

Обычно линии напряжением 35 кВ являются отходящими с подстанций 110/35/6 кВ. Тогда рассмотрим трансформаторную подстанцию с отходящими фидерами, на которой установлен трёхобмоточный трансформатор напряжением 110/35/6 кВ. Имитационная модель данной сети представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Схема подстанции электрической сети с изолированной нейтралью в MATLAB Simulink

Для начала необходимо внести параметры элементов сети в блоки и рассмотреть их настройки.

Первый используемый блок – Three Phase Source. Это трехфазный источник питания, который имитирует внешнюю электрическую сеть с номинальным напряжением 110 кВ. Параметры блока представлены на рисунке 3.

Рисунок 3 – Параметры блока Three Phase Source

Следующий используемый блок – Three Phase Transformer (Three Windings). Данный блок представляет собой модель трехобмоточного трансформатора с номинальным напряжением 110/35/6 кВ подстанции, которые установлены в количестве двух штук и имеют одинаковые параметры. Конфигурация блока представлена на рисунке 4, а параметры на рисунке 5.

Рисунок 4 – Конфигурация трансформатора 110/35/6 кВ в MATLAB Simulink

Рисунок 5 – Параметры трансформатора 110/35/6 кВ в MATLAB Simulink

В качестве провода для ЛЭП напряжением 35 кВ выбран провод марки АС 120/19. Окно настроек параметров для одного из присоединений показано на рисунке 6. Для каждой фазы используется отдельный блок с одинаковыми параметрами. Протяженность отходящих линий определяет величину емкостного тока сети и тока ОЗЗ. В ходе моделирования возможно изменение параметров сети при отключении отдельных присоединений и изменении конфигурации.

Рисунок 6 – Параметры воздушной линии электропередач в MATLAB Simulink

Воздушную линию электропередачи с распределенными параметрами имитирует блок Pi Section Line. Данный блок представляет из себя RLC элемент.

Для имитации замыканий в сети используется блок Three – Phase Fault. Данный блок позволяет создавать замыкания любой конфигурации, например: ОЗЗ, двухфазное короткое замыкание, замыкания трех фаз на землю и т. д. Настройки блока представлены на рисунке 7.

Рисунок 7 – Параметры блока Three Phase Fault

Также данный блок позволяет имитировать замыкания с переходным сопротивлением. По сути данный блок представляет из себя трехфазный блок выключателей, использующий три отдельных фазных выключателя, которые могут быть индивидуально включены/выключены для моделирования различных замыканий.

Для моделирования режима ОЗЗ выставляется время моделировании 1,5 секунды, поскольку в блоке Three – Phase Fault указан промежуток времени замыкания от 1 до 2 секунд. Если необходимо смоделировать режим работы сети на более длительном промежутке времени, то нужно увеличивать промежуток времени замыкания и увеличивать время моделирования.

С использованием представленной модели выполнено имитационное моделирование «металлического» ОЗЗ фазы А в сети. Осциллограмма данного режима работы представлена на рисунке 8, а данные по токам и напряжениям фаз – в таблице 1.

Рисунок 8 – Осциллограмма «металлического» ОЗЗ в сети

Можно заметить, что напряжение на поврежденной фазе уменьшилось до нуля, а на неповрежденных фазах увеличилось в √3, т. е. до линейного. На неповрежденных фазах при ОЗЗ вследствие переходного процесса видны колебания напряжения, которые затем затухают.

Таблица 1 – Параметры «металлического» ОЗЗ

Для определения поврежденного присоединения предлагается осуществить наложение токов непромышленной частоты, при этом источник напряжения должен иметь возможность настройки в резонанс с сетью. Резонансная частота определяется параметрами отходящих присоединений. На рисунке 9 представлена осциллограмма тока в поврежденной фазе и напряжений.

Рисунок 9 – Осциллограмма ОЗЗ при наложении токов непромышленной частоты

Как можно заметить, при наложении токов непромышленной частоты ток в поврежденной фазе более чем в 2 раза выше тока в поврежденной фазе в сети с изолированной нейтралью без наложения и составляет 11,2 А. Это позволяет выделить поврежденное присоединение.

Заключение и выводы

В результате моделирования процесса ОЗЗ в сети с изолированной нейтралью установлено, что наложение высокочастотной составляющей приводит к увеличению действующего значения тока в поврежденной фазе линии, что позволяет выделить поврежденное присоединение.

Применение метода наложения токов непромышленной частоты имеет ряд преимуществ:

• возможна работа защиты на сигнал без отключения поврежденного присоединения;
• не оказывает влияния на работу других устройств релейной защиты и автоматики, основанных на определении величин токов и напряжений основной гармоники;
• предлагаемый метод позволяет селективно определить место повреждения, что подтверждается результатами имитационного моделирования.

作者简介

Leonid Vladimirov

编辑信件的主要联系方式.
Email: vladimirov_lv@surgu.ru

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Radio Electronics and Electric Power Engineering

参考

补充文件

附件文件

动作

1. JATS XML

下载

2. Figure 1 - Configuration and selection window of the solver in MATLAB Simulink

下载 (268KB)

索引源数据

3. Figure 2 - Schematic diagram of a substation of an electrical network with isolated neutral in MATLAB Simulink

下载 (119KB)

索引源数据

4. Figure 3 - Parameters of the Three Phase Source block

下载 (176KB)

索引源数据

5. Figure 4 - Configuration of a 110/35/6 kV transformer in MATLAB Simulink

下载 (172KB)

索引源数据

6. Figure 5 - Parameters of a 110/35/6 kV transformer in MATLAB Simulink

下载 (232KB)

索引源数据

7. Figure 6 - Parameters of the overhead power line in MATLAB Simulink

下载 (177KB)

索引源数据

8. Figure 7 - Parameters of the Three Phase Fault block

下载 (126KB)

索引源数据

9. Figure 8 - Oscillogram of "metallic" short-circuit in the network

下载 (216KB)

索引源数据

10. Figure 9 - Oscillogram of short-circuit currents at superposition of nonindustrial frequency

下载 (191KB)

索引源数据