Способ и устройство для определения места замыкания на землю

Способ и устройство для определения места замыкания на землю

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Настоящее изобретение относится к локализации замыкания на землю в электрической сети.

Предшествующий уровень техники

Локализация замыкания на землю всегда представляет собой трудную задачу. Имеются многочисленные факторы, которые ухудшают точность определения места замыкания, такие как сопротивление замыкания и нагрузка. Распределительные сети требуют особых усилий, поскольку они имеют специфические особенности, которые дополнительно усложняют задачу для алгоритма локализации замыкания. Эти специфические особенности включают в себя, например, неоднородность линии, отводы нагрузки и т.д.

В современных микропроцессорных реле защиты алгоритмы локализации замыкания на основе полного сопротивления становятся промышленным стандартом. Причина популярности их заключается в том, что их можно легко реализовать, поскольку для них используются те же самые сигналы, что и для выполнения других функций.

Однако в существующих алгоритмах локализации замыкания не принимается во внимание распределенная шунтирующая емкость питающей линии. Характеристики этих алгоритмов являются весьма перспективными для воздушной сети или комбинированной воздушной/подземной сети, когда процент подземных кабелей является низким (например, меньше чем 30% общей длины питающей линии, отходящей от интеллектуального электрического устройства (ИЭУ)). Однако когда процент подземных кабелей возрастает, распределенная шунтирующая емкость также возрастает, и поэтому точность вычислений по существующим алгоритмам локализации замыкания значительно ухудшается, когда процент подземного кабеля становится высоким.

Краткое изложение сущности изобретения

Согласно вариантам осуществления настоящего раскрытия предложены способ и устройство для определения места замыкания на землю, которыми может гарантироваться точность результата локализации независимо от процента подземных кабелей.

Согласно одному аспекту настоящего раскрытия предложен способ определения места замыкания на землю, содержащий вычисление составляющей нулевой последовательности и составляющей прямой последовательности в электрической сети на основании распределенной шунтирующей емкости; и определение расстояния до точки измерения от точки замыкания на землю с использованием составляющей обратной последовательности, вычисленной составляющей нулевой последовательности и вычисленной составляющей прямой последовательности.

Согласно другому аспекту настоящего раскрытия предложено устройство для определения места замыкания на землю, содержащее средство вычисления для вычисления составляющей нулевой последовательности и составляющей прямой последовательности в электрической сети на основании распределенной шунтирующей емкости; и средство определения для определения расстояния до точки измерения от точки замыкания на землю с использованием составляющей обратной последовательности, вычисленной составляющей нулевой последовательности и вычисленной составляющей прямой последовательности.

Следовательно, согласно вариантам осуществления настоящего раскрытия составляющая нулевой последовательности и составляющая прямой последовательности вычисляются с учетом распределенной шунтирующей емкости, так что точность определения места замыкания может гарантироваться даже в случае, когда процент подземного кабеля является высоким.

Краткое описание чертежей

Раскрытие станет без труда понятным с помощью нижеследующего подробного описания при обращении к сопровождающим чертежам, на которых одинаковые позиции относятся к блокам или элементам с одинаковой структурой и на которых:

фиг. 1 - блок-схема последовательности действий, на которой схематично показан способ определения места замыкания на землю, согласно варианту осуществления настоящего раскрытия;

фиг. 2 - эквивалентная схема симметричных компонентов при замыкании на землю одной фазы;

фиг. 3 - эквивалентная схема питающей сети;

фиг. 4 - эквивалентная схема двухполюсника, представляющего схему прямой последовательности, расположенного ниже относительно интеллектуального электрического устройства, при этом полное сопротивление питающей линии не учитывается;

фиг. 5 - упрощенная схема электрических соединений, предназначенная для оценивания общей длины l отходящей питающей линии; и

фиг. 6 - структурная схема устройства для определения места замыкания на землю согласно варианту осуществления настоящего раскрытия.

Описание предпочтительных вариантов воплощения

Для содействия полному пониманию специалистами в данной области техники примеров вариантов осуществления настоящего раскрытия, определенных в формуле изобретения и ее эквивалентах, последующие описания приводятся ниже с обращением к сопровождающим чертежам. Последующие описания могут включать в себя различные подробности для содействия пониманию, и эти подробности не должны толковаться как иллюстративные. Поэтому специалистам в данной области техники должно быть понятно, что различные модификации и варианты форм и деталей могут быть сделаны в примерах вариантов осуществления без отступления от сущности или объема изобретения. Кроме того, ради краткости и ясности описания хорошо известных функций и структур опущены.

Должно быть понятно, что, хотя термины «первый», «второй», «третий» и т.д. могут использоваться в этой заявке для описания различных элементов, составляющих, областей, слоев и/или секций, эти элементы, составляющие, области, слои и/или секции не следует ограничивать этими терминами. Эти термины используются только для отличия одного элемента, составляющей, области, слоя или секции от другого элемента, составляющей, области, слоя или секции. Поэтому «первые» элемент, составляющая, область, слой или секция, рассматриваемые ниже, могут именоваться «вторыми» элементом, составляющей, областью, слоем или секцией без отступления от идей настоящего изобретения.

Терминология, используемая в этой заявке, служит для описания конкретных вариантов осуществления и не предполагается ограничивающей настоящее раскрытие. Используемые в этой заявке сингулярные формы единственного числа предполагаются охватывающими также и множественные формы, если из контекста ясно не следует иное. Кроме того, должно быть понятно, что терминами «содержит» и/или «содержащий» или «включает в себя» и/или «включающий в себя», когда они используются в этом описании, точно определяется наличие сформулированных признаков, областей, единых целых, этапов, операций, элементов и/или составляющих, но не исключается наличие или добавление одного или нескольких признаков, областей, единых целых, этапов, операции, элементов, составляющих и/или групп из них.

Если не указано иное, все термины (включая технические и научные термины), используемые в настоящей заявке, имеют значения, аналогичные обычно понимаемым специалистом в данной области техники, к которому настоящее раскрытие имеет отношение. Кроме того, должно быть понятно, что термины, такие как термины, определяемые в обычно используемых словарях, необходимо интерпретировать как имеющие значения, которые согласуются с их значениями в контексте релевантной области техники и настоящего раскрытия, и не следует интерпретировать их в идеализированном или чрезмерно формальном смысле, если в этой заявке ясно не определено иное.

Применения вариантов осуществления настоящего раскрытия не ограничены какой-либо конкретной системой, а могут использоваться с любой трехфазной системой для определения места замыкания фазы на землю в трехфазных питающих линиях в электрической сети. Например, питающие линии могут быть воздушными линиями, подземными кабелями или комбинацией воздушных линий и подземных кабелей.

Ниже варианты осуществления настоящего раскрытия описываются в качестве примера применительно к распределительной сети, но специалистам в данной области техники должно быть понятно, что энергосистема, в которой варианты осуществления настоящего раскрытия могут применяться, может быть сетью электропередачи, распределительной сетью или элементами в сети электропередачи или распределительной сети и может включать в себя одну или несколько питающих линий. Кроме того, использование вариантов осуществления настоящего раскрытия не ограничено системами с принятой основной частотой 50 Гц или 60 Гц и не ограничено никаким конкретным уровнем напряжения.

Ниже варианты осуществления настоящего раскрытия будут подробно описаны с обращением к сопровождающим чертежам.

На фиг. 1 представлена блок-схема последовательности действий, схематично иллюстрирующая способ 100 определения места замыкания на землю, согласно варианту осуществления настоящего раскрытия.

Как показано на фиг. 1, на этапе 101 способа 100 составляющую нулевой последовательности и составляющую прямой последовательности в электрической сети вычисляют на основании распределенной шунтирующей емкости. На этапе 102 способа 100 расстояние до точки измерения от точки замыкания на землю определяют, используя составляющую обратной последовательности, вычисленную составляющую нулевой последовательности и вычисленную составляющую прямой последовательности.

Следовательно, согласно варианту осуществления настоящего раскрытия, составляющую нулевой последовательности и составляющую прямой последовательности в электрической сети вычисляют с учетом распределенной шунтирующей емкости, так что точность определяемого места замыкания может гарантироваться даже в случае, когда процент подземного кабеля является высоким.

На фиг. 2 схематично показана эквивалентная схема симметричных составляющих при замыкании одной фазы на землю, в которой точкой замыкания определяется место на расстоянии x до точки измерения, в которой расположено интеллектуальное электрическое устройство (ИЭУ). Способ 100 определения места замыкания на землю, согласно варианту осуществления настоящего раскрытия, показанный на фиг. 1, можно выполнять с помощью интеллектуального электрического устройства, а интеллектуальное электрическое устройство может быть реализовано в виде различных устройств, таких как реле защиты, индикаторы распространения замыкания (ИРЗ), выносные терминалы (ВТ) и т.д., но вариант осуществления настоящего раскрытия не ограничен ими. В дальнейшем термины «в точке измерения» и «на интеллектуальном электрическом устройстве» могут взаимно заменяться.

Обозначения, показанные на фиг. 2, поясняются в нижеследующей таблице 1.

Таблица 1
Обозначение	Определение
Es	- фазное напряжение на месте нахождения ИЭУ (то есть в точке измерения) до замыкания
Zt1, Zt2, Zt0	- полное сопротивление трансформатора тока прямой, обратной и нулевой последовательностей соответственно
Zn	- полное сопротивление заземления нейтрали трансформатора (бесконечность для незаземленной)
zl1, zl2, zl0	- полное сопротивление питающей линии прямой, обратной и нулевой последовательностей на единицу длины (комбинации воздушной линии и подземного кабеля) соответственно (вводится пользователем отдельно)
l	- полная длина отходящей питающей линии
x	- расстояние до ИЭУ (точки измерения) от точки замыкания
Zch1, Zch2	- положительное и отрицательное полное сопротивление эквивалентной нагрузки соответственно
Rdef	- полное сопротивление в точке замыкания фазы на землю
Im1, Im2, Im0	- ток прямой, обратной и нулевой последовательностей соответственно, вычисляемый по фазному току, измеряемому в месте нахождения ИЭУ
Vm1, Vm2, Vm0	- напряжение прямой, обратной и нулевой последовательностей соответственно, вычисляемое по фазному напряжению, измеряемому на месте нахождения ИЭУ
Vk1, Vk2, Vk0	- напряжение прямой, обратной и нулевой последовательностей соответственно в месте замыкания
If	- ток замыкания на землю, деленный на 3
Ich1, Ich2	- ток нагрузки прямой и обратной последовательностей соответственно во время замыкания
C1, C0	- распределенная шунтирующая емкость прямой и нулевой последовательностей на единицу длины соответственно, при этом шунтирующая емкость нулевой последовательности вводится пользователем

Что касается замыкания одной фазы на землю, то можно получить следующие уравнения (1) и (2):

Es=(Zt1+zl1·x)·Im1+(Zt2+zl2·x)·Im2+If·3Rdef+Zt0·Im0+zl0×Im0, (1)

Vm=Vm1+Vm2+Vm0. (2)

При этом Vm представляет фазное напряжение, измеряемое в точке измерения (то есть на месте нахождения интеллектуального электрического устройства), и, в частности, представляет собой фазное напряжение поврежденной фазы.

Что касается If, то, как показано в уравнении (3) ниже, его можно вычислить на основании схемы обратной последовательности, поскольку If изменяется по меньшей мере в схеме обратной последовательности:

If=Im2-Ich2,

Ich2=Vm2/Zch, (3)

Zch=Vm_prefault/Im_prefault.

При этом Vm_prefault представляет напряжение, измеряемое на месте нахождения интеллектуального электрического устройства до возникновения замыкания на землю, и Im_prefault представляет ток, измеряемый в месте нахождения интеллектуального электрического устройства до возникновения замыкания на землю.

В соответствии с теорией составной последовательной схемы можно получить следующие уравнения (4):

Vm1=Es-Im1·Zt1,

Vm2=-Zt2·Im2, (4)

Vm0=-Zt0·Im0.

Следующее уравнение (5) можно получить подстановкой уравнений (4) в уравнение (2):

Vm=Es-Im1·Zt1-Zt2·Im2-Zt0·Im0. (5)

Следующее уравнение (6) можно получить подстановкой уравнения (1) в уравнение (5) и заменой Im0 на If:

Vm=zl1×Im1+zl2×Im2+If·3·Rdef+zl0×If. (6)

В общем случае на основании того, что полное сопротивление Rdef в точке замыкания имеет только действительную часть, можно вычислить расстояние x, то есть вычислить расстояние x в соответствии со следующим уравнением (7):

i m a g ( V m   −   z l 1 · x · I m 1   −   z l 2 · x · I m 2 I f )   =   i m a g ( z l 0 · x ) . (7)

Как описывалось выше, приведенное выше уравнение (7) получено в предположении, что влиянием на электрическую сеть, обусловленным распределенной шунтирующей емкостью питающей линии, можно пренебречь. Однако когда процент подземного кабеля в электрической сети становится, например, больше 30% общей длины отходящей питающей линии к интеллектуальному электрическому устройству, распределенная шунтирующая емкость подземного кабеля может быть в 35 раз больше, чем распределенная шунтирующая емкость воздушной сети, так что погрешность, вносимая уравнением (7), будет превышать 5%. Такой результат является весьма нежелательным и будет приводить к некоторым излишним затруднениям при последующем процессе устранения замыкания и т.п. В дополнение к этому точность алгоритма в уравнении (7) будет также сильно ухудшаться и может приводить к большей погрешности при дополнительном повышении процента подземного кабеля.

В частности, следует учитывать распределенные шунтирующие емкости в схеме прямой последовательности и схеме нулевой последовательности, показанные на фиг. 2, поскольку полное сопротивление источника (Es) питания в схеме прямой последовательности и полное сопротивление Zn заземления нейтрали трансформатора в схеме нулевой последовательности являются высокими, когда процент подземного кабеля в электрической сети является высоким. Только распределенная шунтирующая емкость прямой последовательности и распределенная шунтирующая емкость нулевой последовательности учитываются в последующих подробных описаниях, поскольку распределенная шунтирующая емкость в схеме обратной последовательности оказывает небольшое влияние. Однако специалистам в данной области техники должно быть понятно, что место замыкания можно определять при одновременном учете распределенной шунтирующей емкости прямой последовательности, распределенной шунтирующей емкости обратной последовательности и распределенной шунтирующей емкости нулевой последовательности, что дополнительно повысит точность локализации замыкания на землю.

Согласно варианту осуществления настоящего раскрытия составляющую прямой последовательности и составляющую нулевой последовательности в уравнении (6) заменяют на падение напряжения прямой последовательности и падение напряжения нулевой последовательности соответственно, и тем самым может быть получено уравнение (8):

Vm=ΔV1+zl2×Im2+If·3·Rdef+ΔV0. (8)

При этом ΔV1 представляет падение напряжения прямой последовательности и ΔV0 представляет падение напряжения нулевой последовательности.

Чтобы получить ΔV1 и ΔV0 с использованием распределенной шунтирующей емкости прямой последовательности и распределенной шунтирующей емкости нулевой последовательности, питающую линию можно представить последовательным соединением элементов на бесконечно малой длине dx.

На фиг. 3 показана эквивалентная схема питающей линии, в которой питающая линия представлена последовательным соединением элементов на бесконечно малой длине dx, при этом каждый элемент имеет полное сопротивление R₀dx и реактивное сопротивление L₀dx, а между линиями имеются проводимость G₀dx утечки и емкость C₀dx соответственно.

Как показано на фиг. 3, если напряжение и ток на левой стороне dx представляют собой u и i соответственно, напряжение и ток на правой стороне dx должны быть u   +   ∂ u ∂ x d x и i   +   ∂ i ∂ x d x соответственно.

Применяя закон Кирхгофа для токов (ЗКТ) к узлу b, можно получить следующее уравнение (9):

i   −   ( i   +   ∂ i ∂ x d x )   =   G 0 ( u   +   ∂ u ∂ x d x ) d x   +   C 0 ∂ ∂ x ( u   +   ∂ u ∂ x d x ) d x . (9)

Применяя закон Кирхгофа для напряжений (ЗКН) к контуру «a-b-c-d-a», получаем следующее уравнение (10):

u   −   ( u   +   ∂ u ∂ x d x ) =   R 0 i d x   +   L 0 ∂ i ∂ t d x . (10)

Приведенное выше уравнение (10) можно перезаписать в виде следующего уравнения (11) при пренебрежении бесконечно малой составляющей второго порядка и исключении dx:

−   ∂ u ∂ x   =   R 0 i   +   L 0 ∂ i ∂ t , −   ∂ i ∂ x   =   G 0 u   +   C 0 ∂ u ∂ t . (11)

После использования фазорного метода приведенное выше уравнение (11) также можно перезаписать в виде следующего уравнения (12):

−   d U d x   =   ( R 0   +   j ω L 0 ) I   =   Z 0 I , −   d I ∂ x   =   ( G 0   +   j ω C 0 ) U   =   Y 0 U . (12)

При этом Z₀ является полным сопротивлением на единицу длины и оно может быть представлено в виде следующего уравнения (13), а Y₀ является полной проводимостью на единицу длины и она может быть представлена в виде следующего уравнения (14):

Z₀=(R₀+jωL₀). (13)

Y₀=(G₀+jωC₀). (14)

Как показано в следующем уравнении (15), после решения дифференциального уравнения (12) можно получить напряжение и ток в точке замыкания на расстоянии x от точки измерения.

U   =   A 1 e − γ x   +   A 2 e γ x , I   =   ( A 1 e − γ x   −   A 2 e γ x ) / Z C , A 1   =   1 2 ( U 1   +   Z C · I 1 ) , A 2   =   1 2 ( U 1   −   Z C · I 1 ) . (15)

При этом U₁ представляет напряжение на интеллектуальном электрическом устройстве, I₁ представляет ток в цепи интеллектуального электрического устройства, U представляет напряжение на месте, находящемся на расстоянии x от точки измерения, I представляет ток в месте, находящемся на расстоянии x от точки измерения, γ является коэффициентом распространения и γ   =   Z 0 Y 0 , Z_C является характеристическим полным сопротивлением и Z C   =   Z 0 Y 0 .

Следовательно, напряжение Vk1 прямой последовательности и напряжение Vk0 нулевой последовательности в точке замыкания можно получить на основании уравнения (15) и, в свою очередь, падение ΔV1 напряжения прямой последовательности и падение ΔV0 напряжения нулевой последовательности в точке замыкания можно получить при использовании ΔV1=Vm1-Vk1 и ΔV0=Vm0-Vk0.

Ниже будут подробно описаны вычисления падения ΔV0 напряжения нулевой последовательности относительно точки измерения в схеме нулевой последовательности и падения ΔV1 напряжения прямой последовательности относительно точки измерения в схеме прямой последовательности.

Падение ΔV0 напряжения нулевой последовательности относительно точки измерения

Для схемы нулевой последовательности имеем Z₀=zl0.

При пренебрежении емкостью утечки питающей линии можно пренебречь G₀. В предположении, что нагрузка обычно соединена с распределительной сетью треугольником или звездой с незаземленной нейтралью, нагрузка в схеме нулевой последовательности отсутствует. Поэтому распределенная шунтирующая емкость С0 будет определять только полную проводимость в схеме нулевой последовательности, которая имеет вид Y₀=jωC0.

В таком случае, в соответствии с уравнением (15), можно получить падение ΔV0 напряжения нулевой последовательности, показанное в нижеследующем уравнении (16):

Δ V 0   =   V m 0   −   V k 0   =   V m 0   −   ( A 1 0 e − γ 0 x   +   A 2 0 e γ 0 x ) , A 1 0   =   1 2 ( V m 0   +   Z C 0 · I m 0 ) , A 2 0   =   1 2 ( V m 0   −   Z C 0 · I m 0 ) , Z C 0   =   z l 0 j ω C 0 , γ 0   =   z l 0 · j ω C 0 . (16)

При этом Vm0 и Im0 можно получить путем измерений и/или вычислений, а С0 может вводиться пользователем. В данном случае С0 представляет собой распределенную шунтирующую емкость нулевой последовательности на единицу длины, но вариант осуществления настоящего раскрытия не ограничен этим, и могут также существовать другие формы. В дальнейшем для упрощения описания С0 будет относиться к распределенной шунтирующей емкости нулевой последовательности.

Можно видеть, что согласно варианту осуществления настоящего раскрытия, падение ΔV0 напряжения нулевой последовательности относительно точки измерения можно вычислить на основании распределенной шунтирующей емкости С0 нулевой последовательности.

В частности, полное сопротивление zl0 питающей линии нулевой последовательности на единицу длины и распределенная шунтирующая емкость С0 питающей линии сначала вводятся пользователем, а затем можно получить напряжение Vm0 нулевой последовательности и ток Im0 нулевой последовательности, то есть можно получить падение напряжения нулевой последовательности.

Кроме того, полное сопротивление Z₀ на единицу длины в схеме нулевой последовательности можно вычислить при использовании полного сопротивления zl0 питающей линии нулевой последовательности, полную проводимость Y₀ на единицу длины в схеме нулевой последовательности можно вычислить при использовании распределенной шунтирующей емкости С0 нулевой последовательности, а первый параметр А 1 0 нулевой последовательности, второй параметр А 2 0 нулевой последовательности, коэффициент Z C 0 распространения нулевой последовательности и характеристическое полное сопротивление γ⁰ нулевой последовательности можно вычислить по напряжению Vm0 нулевой последовательности, току Im0 нулевой последовательности, полному сопротивлению Z₀ на единицу длины в схеме нулевой последовательности, полной проводимости Y₀ на единицу длины в схеме нулевой последовательности, и, наконец, падение ΔV0 напряжения нулевой последовательности можно получить по А 1 0 , А 2 0 , Z C 0 и γ⁰.

Падение напряжения прямой последовательности относительно точки измерения

Влияние нагрузки должно учитываться в схеме прямой последовательности. То есть в схеме прямой последовательности помимо распределенной шунтирующей емкости прямой последовательности также имеется полное сопротивление прямой последовательности, относящееся к нагрузке с отводами, распределенными по питающей линии.

На фиг. 4 показана эквивалентная схема двухполюсника, представляющего схему прямой последовательности, расположенную ниже относительно интеллектуального электрического устройства, в которой полное сопротивление питающей линии не принято во внимание.

На фиг. 4 соединение между полным сопротивлением нагрузки и емкостью прямой последовательности интерпретируется как параллельное соединение двух сосредоточенных элементов, то есть эквивалентного полного сопротивления Zch1_Σ нагрузки и эквивалентной емкости С1_Σ, при этом C1_Σ=С1·l и l является полной длиной питающей линии, отходящей от интеллектуального электрического устройства.

В соответствии с фиг. 4 можно вычислить полную проводимость на единицу длины для уравнения (14):

Y 0   =   ( 1 Z c h 1 − 1   +   j ω C 1 · l ) · 1 l .

В дополнение к этому для схемы прямой последовательности Z₀=zl1.

На практике нагрузку можно рассматривать как равномерно распределенную, хотя конкретное распределение нагрузки неизвестно. Поэтому, если Im1/Vm1 известно, то Y 0   =   ( Im 1 V m 1 ) · 1 l .

Кроме того, l можно оценивать при использовании схемы нулевой последовательности.

На фиг. 5 показана упрощенная схема электрических соединений, предназначенная для оценивания l.

Как видно из фиг. 5, можно обосновать следующие соотношения:

If=I_N+I_C1B+I_C1C+I_C2B+I_C2C,

Im0=I_N+I_C1B+I_C1C+I_C2B+I_C2C-(I_C2B+I_C2C)=If-I_C,

I_C=I_C2B+I_C2C=If-Im0.

В дополнение к этому I_C представляет собой емкостный ток, обусловленный емкостью фаза-земля поврежденной питающей линией, отходящей от интеллектуального электрического устройства, и поэтому он может быть оценен при использовании произведения напряжения Vm0 нулевой последовательности и реактивной проводимости jωC0 емкости нулевой последовательности, что показано в нижеследующем уравнении (17):

I_C≈-Vm0·jωC0·l. (17)

Таким образом, общая длина l питающей линии, отходящей от интеллектуального электрического устройства, может быть выражена в виде следующего уравнения (18):

l   ≈   r e a l ( I f   −   I m 0 −   V m 0 · j ω C 0 ) . (18)

В таком случае можно получить в упрощенной форме падение ΔV1 напряжения прямой последовательности, показанное в нижеследующем уравнении (19):

Δ V 1   =   V m 1   −   V k 1   =   V m 1   −   ( A 1 1 e − γ 1 x   +   A 2 1 e γ 1 x ) , A 1 1   =   1 2 ( V m 1   +   Z C 1 · I m 1 ) , A 2 1   =   1 2 ( V m 1   −   Z C 1 · I m 1 ) , Z C 1   =   z l 1 · V m 1 · l I m 1 , γ 1   =   z l 1 · I m 1 V m 1 · l .