Modeling modes of single-phase ground faults in technological power lines of railway transport

Full Text

Введение. В электрических сетях 6-10 кВ с изолированной нейтралью часто возникают однофазные замыкания на землю (ОЗЗ) [1]. Относительно малые токи ОЗЗ затрудняют идентификацию и локализацию этих повреждений. При большой длительности они могут переходить в двойные замыкания с протеканием значительных токов. Для решения проблемы ОЗЗ предлагаются другие способы заземления нейтралей трансформаторов: резистивные или через дугогасящий реактор [2].

Изучению процессов ОЗЗ посвящено большое число работ, часть из которых представлена в списке использованной литературы. Так, например, в [3, 4] описаны методы защиты от ОЗЗ. Анализ работы автоматических регуляторов катушек Петерсона, установленных в сетях 6-35 кВ с нестабильной проводимостью изоляции относительно земли, выполнен в [5]. Особенности установившихся режимов кабелей при различных заземлениях нейтрали и однофазных замыканиях на землю описаны в [6]. Подходы к ограничению перенапряжений при ОЗЗ проанализированы в [7]. Интеллектуальная система компенсации тока однофазного замыкания на землю представлена в [8]. Результаты экспериментальных исследований и расчетов ОЗЗ при различных режимах нейтралей описаны в [9]. Возможность использования комбинированной компенсационной катушки – резистора – рассмотрена в [10]. Методы заземления нейтрали силового трансформатора описаны в [11]. Анализ переходных процессов при ОЗЗ в сети 20 кВ проведен в [12]. Защиты от ОЗЗ рассмотрены в [13]. Способ обнаружения ОЗЗ в линии, обеспечивающей выдачу мощности ветровой электростанции и основанный на использовании критерия переходного фазного тока, предложен в [14]. Модель прерывистого дугового ОЗЗ представлена в [15]. Результаты исследования метода определения места ОЗЗ в резонансно-заземленной сети приведены в [16]. Способы обнаружения ОЗЗ методом локации предложены в [17, 18]. Новый вейвлет-пакетный метод идентификации линии с ОЗЗ описан в [19]. Вопросы математического моделирования режимов ОЗЗ на основе системы MatLab рассмотрены в [20-22]. В [23] представлен обзор способов локализации повреждений в сетях среднего напряжения с помощью глубокого обучения. Задача идентификации ОЗЗ на основе искусственных нейронных сетей решена в [24-26]. В [27] при поиске ОЗЗ в сетях с резонансным заземлением предлагается применять кластеризацию признаков и разложения по сингулярным значениям. Для выявления аварийного фидера в [28, 29] используются анализ установившихся и переходных параметров и преобразование Фурье. В [30-32] показано, что диагностирование неисправностей распределительных сетей можно эффективно осуществлять на основе вейвлет-коэффициентов.

Анализ перечисленных публикаций показывает, что в них рассмотрены важные аспекты ОЗЗ, однако вопросы моделирования таких режимов в технологических ЛЭП железнодорожного транспорта, находящихся в зонах значительного электромагнитного влияния тяговых сетей, изучены недостаточно [33], поэтому возникает необходимость дополнительных исследований, которые на современном этапе должны проводиться на основе цифровых технологий. Для их реализации можно эффективно использовать методы, обеспечивающие адекватное моделирование режимов систем электроснабжения железных дорог (СЭЖД) на основе фазных координат, реализованные в программном комплексе (ПК) Fazonord AC-DC [34, 35], характеристики которого приведены на рис. 1.

 

Рис. 1. Характеристики промышленного программного комплекса Fazonord AC-DC

 

Рассматриваемая работа продолжает исследования, описанные в [33], и направлена на решение задач моделирования режимов ОЗЗ с учетом способов заземления нейтрали трансформаторов.

1. Изолированная нейтраль. Определение параметров ОЗЗ осуществлялось в программном комплексе Fazonord AC-DC – версия 5.3.4.11-2024 для системы электроснабжения (рис. 2) участка железной дороги на основной частоте и на частотах высших гармоник.

 

Рис. 2. Схема системы электроснабжения

 

В модели представлены следующие элементы сети: питающие ЛЭП 110 кВ; трансформаторы ТДТНЖ-40000-110/27,5; участок тяговой сети (ТС) протяженностью 50 км с двумя контактными подвесками, четыре рельсовые нити и линия продольного электроснабжения (ВЛ ПЭ) 10 кВ, смонтированная на опорах ТС с полевой стороны. Поперечное сечение системы токоведущих частей показано на рис. 3. Тяговые нагрузки создавались движением двух поездов массой 3192 т в нечетном направлении и составов такого же числа весом 4192 т – в четном.

 

Рис. 3. Расположение токоведущих частей

 

Результаты моделирования проиллюстрированы на рис. 4–8. Исходный, доаварийный режим представлен на рис. 4, на котором приведены графики зависимостей от времени t следующих параметров: напряжений основной частоты U₁ = U₁ (t), суммарных коэффициентов высших гармоник (ВГ) k_U = k_U (t), эффективных величин с учетом ВГ U_Σ = U_Σ (t). На рис. 4г показаны графики, иллюстрирующие сравнение U₁ = U₁ (t) и U_Σ = U_Σ (t).

 

Рис. 4. Исходный, доаварийный режим: напряжения основной частоты (а), коэффициенты гармоник (б), эффективные напряжения с учетом ВГ (в) и сравнение U₁ и U_Σ (г): ${\mathit{U}}_{\mathbf{\sum }}\mathbf{=}{\mathit{U}}_{\mathbf{1}}\sqrt{\mathbf{1}\mathbf{+}{\left(\frac{k_U}{100}\right)}^{\mathbf{2}}}$

 

Рис. 5. Режим ОЗЗ. Напряжения основной частоты (а), коэффициенты гармоник (б), эффективные напряжения с учетом ВГ (в) и сравнение U₁ и U_Σ (г)

 

Рис. 6. Токи ОЗЗ: ${\mathit{I}}_{\mathbf{\Sigma }}\mathbf{=}{\mathit{I}}_{\mathbf{1}}\sqrt{\mathbf{1}\mathbf{+}{\left(\frac{k_I}{100}\right)}^{\mathbf{2}}}$

 

Рис. 7. Формы кривых напряжений неповрежденных фаз А (а) и С (б) в месте замыкания, а также токов ОЗЗ (в) на 54-й минуте моделирования

 

Рис. 8. Спектральный состав тока ОЗЗ в месте повреждения

 

Напряжения фиксировались в точке, отвечающей расстоянию в 10 км от подстанции ТП 1. Полученные результаты показали, что из-за влияния тяговой сети (ТС) наблюдаются колебания фазных напряжений основной частоты; при этом по фазе А коэффициент вариации достигал семи процентов, а размах равнялся 1670 В.

Возникала существенная несимметрия напряжений U_Σ фаз линии относительно земли (рис. 4а), которая приводила к различию токов I_Σ при ОЗЗ разных фаз. Электровозы вызывали значительную несинусоидальность в ТС. За счет этого имели место заметные гармонические искажения U_Σ ВЛ СЦБ: максимум коэффициента k_U по фазе А достигал 92 %, а по фазам В и С – 45 и 77 % соответственно. На рис. 5 представлены результаты моделирования режимов ОЗЗ фазы А в точке, находящейся на расстоянии 10 км от подстанции ТП1. Напряжения неповрежденных фаз увеличивались до линейных значений. Потенциал фазы В в точке ОЗЗ снижался до нуля. Максимальные величины коэффициентов k_U фаз А и C уменьшались до 41 % и 49 % соответственно. На рис. 6 показан характер изменения токов ОЗЗ. На рис. 7 представлены формы кривых U_Σ и I_Σ при ОЗЗ.

Коэффициент гармоник тока ОЗЗ в некоторые моменты времени достигал сотен процентов, что приводило к заметным отличиям формы его кривой от синусоиды (рис. 7). В спектральном составе тока ОЗЗ (рис. 8) наблюдался значительный вклад таких ВГ, как 3, 5, 7, 13 и 15. Их величины лежали в диапазоне 28…30 % от основной. Для остальных гармоник он составлял 5 …12 %.

2. Заземление нейтрали через низкоомное сопротивление. Такой способ используется в случаях, когда ОЗЗ необходимо селективно отключить в течение минимального интервала времени [9]. Для этого ток должен иметь достаточную величину для срабатывания релейной защиты (РЗ). Достоинства низкоомного заземления нейтрали состоят в следующем:

• повышается надежность работы РЗ;
• обеспечивается быстрое отключение поврежденного участка;
• в 1,5…2 раза снижаются уровни перенапряжений и уменьшается время их воздействия до нескольких секунд;
• за счет исключения возможности феррорезонансов возрастает надежность работы измерительных трансформаторов;
• снижается вероятность поражения персонала шаговыми напряжениями.

При наличии на районной обмотке схемы соединений «треугольник» для заземления нейтрали используется силовой фильтр нулевой последовательности (нейтраллер) типа ФМЗО (рис. 9), включающий следующие элементы:

 

Рис. 9. Измененная часть схемы системы электроснабжения

 

• трансформатор вывода нейтрали с сухой изоляцией и соединением обмоток в зигзаг с выведенным нулем;
• высоковольтный резистор, рассчитанный на 6 или 10 кВ;
• трансформатор тока.

ФЗМО компактно по габаритам и может монтироваться в ячейку комплектного распределительного устройства.

Величина низкоомного сопротивления R_N была принята равной 10 Ом. Результаты моделирования представлены на рис. 10–13.

 

Рис. 10. Режим ОЗЗ. Напряжения основной частоты (а), коэффициенты гармоник (б), эффективные напряжения с учетом ВГ (в) и сравнение U₁ и U_Σ (г)

 

Рис. 11. Токи ОЗЗ: ${\mathit{I}}_{\mathbf{\Sigma }}\mathbf{=}{\mathit{I}}_{\mathbf{1}}\sqrt{\mathbf{1}\mathbf{+}{\left(\frac{k_I}{100}\right)}^{\mathbf{2}}}$

 

Рис. 12. Формы токов ОЗЗ (в) на 54-й минуте моделирования

 

Рис. 13. Спектральный состав тока ОЗЗ в месте повреждения

 

Анализ рис. 10 позволяет заключить, что напряжение основной частоты увеличилось до значений, достигающих 7,9 кВ. По сравнению с изолированной нейтралью коэффициенты гармоник для фаз А и С возросли на 20 и 15 % соответственно. Максимальное значение эффективного напряжения уменьшилось с 12 кВ до 9 кВ.

Из анализа рис. 12 можно заключить, что степень искажения формы тока ОЗЗ существенно снизилась по сравнению с режимом, когда нейтраль ВЛ ПЭ была изолирована.

Величины k_{U (n)} по сравнению с режимом, когда нейтраль изолирована, существенно уменьшились (рис. 13). Для гармоник под номерами 3, 7 и 15 коэффициенты k_{I (n)} лежали в диапазоне 2,5…5,6 % от основной.

3. Заземление нейтрали через высокоомное сопротивление. Такой способ применяется в тех случаях, когда необходима длительная работа сети в режиме ОЗЗ с целью ограничения времени перерывов в электроснабжении. Данный подход характеризуется снижением уровня перенапряжений до допустимых значений и возможностью организации защиты от ОЗЗ с действием на сигнал.

К недостаткам этого режима нейтрали можно отнести следующие факторы:

• при металлическом ОЗЗ напряжение на неповрежденных фазах повышается до линейного, что требует усиления фазной изоляции со значительными затратами в кабельных сетях;
• при длительных ОЗЗ увеличивается вероятность их перехода в двухфазные и трехфазные замыкания;
• повышается опасность поражения людей и животных шаговым напряжением;
• определение поврежденного присоединения производится по активной составляющей тока ОЗЗ, которая имеет достаточно малую величину, что ведет к усложнению и удорожанию релейной защиты.

Моделирование проведено при =1100 Ом. Результаты приведены на рис. 14–17.

 

Рис. 14. Режим ОЗЗ. Напряжения основной частоты (а), коэффициенты гармоник (б), эффективные напряжения с учетом ВГ (в) и сравнение U₁ и U_Σ (г)

 

Рис. 15. Токи ОЗЗ

 

Рис. 16. Формы токов ОЗЗ на 54-й минуте моделирования

 

Рис. 17. Спектральный состав тока ОЗЗ в месте повреждения

 

Напряжение основной частоты достигало 11,4 кВ, что близко к результатам, полученным при изолированной нейтрали. По сравнению с низкоомным заземлением этот параметр увеличивался. Коэффициенты k_{U (n)} остаются такими же, как при R_N = ∞.

По сравнению с изолированной нейтралью спектральный состав тока ОЗЗ (рис. 16) не изменился.

Заключение. Представленные в статье компьютерные модели, реализованные в программном комплексе Fazonord AC-DC, дают возможность адекватно определять режимы однофазных замыканий на землю в ВЛ ПЭ 10 кВ при разных способах заземления нейтрали. Они позволяют корректно оценить электромагнитное влияние контактной сети на ВЛ ПЭ с учетом высших гармоник. Методика является универсальной и применима для ЛЭП и ТС любой конструкции.

Кроме расчетов режимов ОЗЗ, представленные в статье разработки могут использоваться на практике для настройки устройств защиты от этих видов повреждений, а также при создании методов и средств идентификации ОЗЗ, определении мест их дислокации и выборе наиболее эффективного способа заземления нейтрали.

Работа выполнена рамках государственного задания «Проведение прикладных научных исследований» по теме «Разработка методов, алгоритмов и программного обеспечения для моделирования режимов систем тягового электроснабжения железных дорог постоянного тока».

About the authors

Andrey V. Kryukov

Irkutsk State Transport University; Irkutsk National Research Technical University

Author for correspondence.
Email: and_kryukov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-6543-1790
SPIN-code: 7500-5781

Doctor of Technical Sciences, Professor; Professor

Russian Federation, 15, Chernyshevsky St., Irkutsk, 664074; 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074

Ilya S. Ovechkin

Irkutsk State Transport University

Email: iliaov2015@mail.ru
ORCID iD: 0009-0006-4639-1504
SPIN-code: 8011-0164

Postgraduate Student

Russian Federation, 15, Chernyshevsky St., Irkutsk, 664074

References

Supplementary files