4. М е т о д и ч е с к и е указания по обеспечению электромагнитной совместимости на объектах электросетевого хозяйства: СТО 56947007-29.240.044–2010. 5. М е т о д и ч е с к и е указания по определению электромагнитных обстановки и совместимости на электрических станциях и подстанциях: СО 34.35.311–2004. 6. М а к с и м о в, Б. К. Статическое электричество в промышленности и защита от него / Б. К. Максимов, А. А. Обух. – М.: Энергоатомиздат, 2000. 7. Х а б и г е р, Э. Электромагнитная совместимость / Э. Хабигер. – М.: Энергоатом- издат, 1995. 8. Г о р л о в, М. И. Статическое электричество и полупроводниковая электроника / М. И. Горлов // Природа. – 2006. – № 12. 9. Э л е к т р о м а г н и т н а я совместимость. – Ч. 4-2: Методы испытаний и измере- ний. Испытания на устойчивость к электростатическим разрядам: СТБ МЭК 61000-4-2–2006. 10. С л а е в, В. А. Руководство по выражению неопределенности измерения / В. А. Слаев. – СПб.: ГП ВНИИМ имени Д. И. Менделеева, 1999. 11. С о в м е с т и м о с т ь технических средств электромагнитная. Устойчивость к электростатическим разрядам: ГОСТ Р 51317.4.2–99. Представлена кафедрой электрических систем Поступила 15.05.2012 УДК 621.311 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВИДА ОДНОФАЗНОГО ПОВРЕЖДЕНИЯ В ВОЗДУШНЫХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ Канд. тех. наук, доц. КАЛЕНТИОНОК Е. В., магистрант МАЗУРЕК Ю. А. Белорусский национальный технический университет Однофазные повреждения в воздушных распределительных электриче- ских сетях составляют до 80 % от общего количества повреждений [1, 2]. В распределительных электрических сетях с изолированной нейтралью однофазное повреждение не приводит к отключению потребителей, по- скольку данный аварийный режим работы не вызывает искажения величи- ны междуфазных напряжений. Однако такой режим обладает рядом недос- татков, таких как: • образование дуговых перенапряжений в сети; • возможность пробоя изоляции; • возможность возникновения двойных замыканий; • опасность электропоражения персонала, посторонних лиц и др. Специфика режимов работы нейтрали и конструктивного исполнения линий электропередачи 6–35 кВ не позволяет одновременно выявить по- вреждение и селективно определить его место с помощью средств релей- ной защиты и автоматики. Как правило, защита от однофазных поврежде- 28 ний выполняется с действием на сигнал [3]. Длительность аварийного режима определяется временем поиска и устранения повреждения в элек- трических сетях. При этом, как свидетельствует практика эксплуатации электрических сетей, две трети всего времени на устранение аварийного режима уходит именно на поиск места повреждения [1]. 29 Наиболее эффективным способом уменьшения времени поиска места повреждения является использование дистанционных методов и средств, которыми пользуются в электрических сетях напряжением 110 кВ и выше. Однако в распределительных электрических сетях такие методы не нашли широкого применения, поэтому место повреждения определяют в основ- ном методом пробных включений или обходом линий электропередачи с топографическими приборами [4]. Это связано с тем, что электрические сети 6–35 кВ имеют: 1) древовидную структуру; 2) значения токов при однофазном повреждении, незначительно отли- чающиеся от величин токов в доаварийном режиме; 3) весьма различные виды однофазных повреждений: • замыкание на землю без обрыва провода; • замыкание на землю с обоих концов оборванного провода; • замыкание на землю с обрывом провода и касанием проводом земли со стороны питания; • замыкание на землю с обрывом провода и касанием проводом земли со стороны нагрузки; • обрыв провода без замыкания на землю. Такое разнообразие видов и характера повреждений не позволяет полу- чить какой-либо один универсальный метод определения места поврежде- ния. Для этого существуют специальные методы поиска места поврежде- ния, и, чтобы их применить, необходимо вначале определить вид однофаз- ного повреждения. В настоящее время эффективного метода для решения данной задачи в электрических сетях 6–10 кВ не предложено. Для исследования отличительных особенностей различных видов од- нофазного повреждения использовали распределительную сеть напряже- нием 10 кВ с изолированным режимом работы нейтрали, принципиальная схема которой представлена на рис. 1. Аварийные режимы исследовали с помощью системы динамического моделирования Simulink, которая яв- ляется составной частью программного комплекса MatLab [5]. Расчетная математическая модель сети представлена на рис. 2. Замыкание на землю моделировали в различных точках электрической сети при разных величинах переходного сопротивления Rд в месте повре- ждения, которое принимали от 0 (металлическое замыкание) до 1000 Ом. В ходе вычислительного эксперимента фиксировали токи и напряжения в предаварийном и аварийном режимах и их симметричные составляющие, а также значения углов сдвига фаз напряжений прямой и нулевой последо- вательностей φ и углов сдвига фаз токов прямой и обратной последова- тельностей δ. На основе данной информации осуществляли поиск отличи- тельных особенностей различных видов однофазных повреждений. К со- жалению, следует констатировать, что исходя из данных параметров отличить замыкание на землю без обрыва провода от замыкания на землю с обоих концов оборванного провода не удалось. Поэтому такие виды по- вреждения в дальнейшем рассматриваются под общим названием – замы- кание на землю. Утешительным фактором в данном случае является то, что методы определения места повреждения при таких видах замыкания на землю практически одинаковы. 29 Рис. 1. Принципиальная схема исследуемой распределительной сети напряжением 10 кВ 50 + j30 50 + j30 160 + j120 160 + j120 160 + j120 50 + j30 50 + j30 Система Рис. 2. Расчетная математическая модель сети, представленная с помощью блоков библиотеки Simulink Display 11 seqV abc Mag Phase seqI abc Mag Phase powergui Discrete, Ts = 5e-005 s. ^V1, ^V2, ^V0 ^I1, ^I2, ^I3 V2 abc Mag PhaseV1, V2, V0 V1 abc Mag Phase V0 abc Mag Phase V Three-Phase V-I Measurement Vabc Iabc A B C a b c Three-Phase Programmable Voltage Source N A B C TM-400/10 A B C a b c TM-400/10 A B C a b c TM-400/10 A B C a b c TDN 10000/110 A B C a b c S7=50+j30 A B C S6=160+j120 A B C S5=160+j120 A B C S4=50+j30 A B C S3=50+j30 A B C S2=160+j120 A B C S1=50+j30 A B C I2 abc Mag Phase I1, I2, I0 I1 abc Mag Phase I0 abc Mag Phase I Display 9 Display 8 Display 7 Display 6 Display 5 Display 4 Display 3 Display 2 Display 12Display 10 Display 1 AC-95/16 0,5 km A B C A B C AC-70/11 2 km A B C A B C AC-50/8 3 km A B C A B C AC-50/8 3 km A B C A B C AC-50/8 2 km A B C A B C AC-50/8 1,1 km A B C A B C AC-35/6.2 1,2 km A B C A B C AC-35/6.2 0,5 km A B C A B C TM-400/10 A B C a b c TM-400/10 A B C a b c TM-400/10 A B C a b c AC -95/16 1,5 km A B C A B C AC -70/11 4 km A B C A B C AC -70/11 0,6 km A B C A B C AC -70/11 0,4 km A B C A B C TM-400/10 A B C a b c На рис. 3 представлены зависимости угла сдвига фаз напряжений пря- мой и нулевой последовательностей φ от значения переходного сопротив- ления Rд в месте повреждения (точка К3, рис. 2). Следует отметить, что при моделировании повреждения в точках К1, К2 и К3 величины угла φ при одинаковых переходных сопротивлениях практически не отличаются, поэтому точку К3 принимали в качестве расчетной. 0 200 400 600 Rд, Ом 1000 Рис. 3. Зависимость угла φ от переходного сопротивления Rд: 1 – замыкание на землю; 2 – замыкание на землю с обрывом провода и касанием земли со стороны питания При металлическом замыкании на землю угол φ ≈ 180º [6]. При увели- чении переходного сопротивления Rд в месте повреждения вектор напря- жения нулевой последовательности поворачивается на меньший угол, сле- довательно, угол φ уменьшается. По величине уменьшения угла φ можно судить о значении переходного сопротивления в месте замыкания. Данное изменение угла φ характерно для замыкания на землю и замыкания на зем- лю с обрывом провода и касанием проводом земли со стороны питания. Для отличия указанных видов повреждения необходимо дополнительно использовать информацию об изменении угла сдвига фаз токов δ прямой и обратной последовательностей (рис. 4, 5). При замыкании на землю с обры- вом провода и касанием проводом земли со стороны питания угол сдвига фаз токов прямой и обратной последовательностей δ ≈ 180º (при близком повре- ждении δ незначительно больше 180º, при дальнем – меньше, рис. 4); при за- мыкании на землю угол δ находится в интервале от 105º до 125º (рис. 5). 0 200 400 600 Rд, Ом 1000 0 200 400 600 Rд, Ом 1000 Рис. 4. Зависимость угла δ от переходного сопротивления Rд при замыкании на землю с обрывом провода и касанием проводом земли со стороны питания: 1 – близкое повреждение (точка К1, рис. 2); 2 – дальнее повреждение (точка К2, рис. 2) Рис. 5. Зависимость угла δ от переходного сопротивления Rд при замыкании на землю: 1 – близкое повреждение (точка К1); 2 – дальнее повреждение (точка К2) 185 ϕ, град. 180 175 170 165 160 155 185 δ, град. 183 181 179 177 175 1 2 125 δ, град. 120 115 110 105 100 1 2 1 2 32 При металлическом замыкании на землю с обрывом провода и касанием проводом земли со стороны нагрузки или при обрыве провода без замыка- ния на землю угол сдвига фаз напряжений прямой и нулевой последователь- ностей φ ≈ 0º [6]. Для случая замыкания на землю с обрывом провода и каса- нием проводом земли со стороны нагрузки при увеличении переходного со- противления Rд в месте повреждения угол φ незначительно растет (рис. 6). При обрыве провода без замыкания на землю угол сдвига фаз напряжений прямой и нулевой последовательностей φ незначительно увеличивается в зависимости от расстояния до места повреждения L (рис. 7). 0 200 400 600 Rд, Ом 1000 Рис. 6. Зависимость угла ϕ от переходного сопротивления Rд при замыкании на землю с обрывом провода и касанием земли со стороны нагрузки Рис. 7. Зависимость угла ϕ от расстояния до места повреждения L при обрыве провода без замыкания на землю Отличительной особенностью обрыва провода без замыкания на зем- лю является незначительная величина тока нулевой последовательности (I0 < I0зад). При замыкании на землю с обрывом провода и касанием прово- дом земли со стороны нагрузки значение I0 превышает заданное I0зад, учи- тывающее несимметричную величину нагрузки. На основании проведенных исследований разработан алгоритм опреде- ления вида однофазного повреждения в распределительной электрической сети с изолированной нейтралью, структурная схема которого представле- на на рис. 8. Рис. 8. Структурная схема определения вида однофазного повреждения 10 ϕ, град. 8 6 4 2 0 1,0 ϕ, град. 0,6 0,4 0,2 –0,2 –0,4 0 0,2 0,4 0,6 L, о. е. 1,0 Исходные данные: ϕ, δ, I0 Замыкание на землю Замыкание на землю с обрывом провода и касанием проводом земли со стороны питания Замыкание на землю с обрывом провода и касанием проводом земли со стороны нагрузки Обрыв провода без замыкания на землю ϕ ≈ 180°, δ = (180° ± α) 90° < ϕ ≤ 180°, δ ≠ (180° ± α) –90° < ϕ < 90°, I0 < I0зад –90° < ϕ < 90°, I0 > I0зад 33 Исходными данными алгоритма являются: ток нулевой последователь- ности I0, угол сдвига фаз составляющих напряжений прямой и нулевой по- следовательностей φ, угол сдвига фаз составляющих токов прямой и об- ратной последовательностей δ. Если величина угла φ принадлежит второй четверти координатной плоскости (90º < φ ≤ 180º), то можно утверждать, что при выполнении ус- ловия δ ≠ (180º ± α) имеет место замыкание на землю, а при его невыпол- нении, т. е. δ = (180º ± α) и φ ≈ 180º, имеет место замыкание на землю с об- рывом провода и касанием земли со стороны питания (где α – погрешность в определении величины угла δ, обусловленная переходным сопротивлени- ем; по результатам исследования α = 3º). Если величина угла φ принадлежит первой либо четвертой четверти ко- ординатной плоскости (–90º < φ < 90º), то можно утверждать, что при вы- полнении условия I0 < I0зад имеет место обрыв провода в сети без замыка- ния на землю, а при его невыполнении, т. е. I0 > I0зад, имеет место замыка- ние на землю с обрывом провода и касанием проводом земли со стороны нагрузки. В Ы В О Д Ы 1. Исследованы различные виды однофазного повреждения в воздуш- ной распределительной сети с изолированной нейтралью на основе систе- мы динамического моделирования Simulink. 2. Разработан алгоритм определения вида однофазного повреждения в распределительной электрической сети с изолированной нейтралью по па- раметрам аварийного режима с возможностью его реализации в функции определения места повреждения в устройствах микропроцессорной релей- ной защиты и автоматики. Л И Т Е Р А Т У Р А 1. Ш а л ы т, Г. М. Определение мест повреждения в электрических сетях / Г. М. Ша- лыт. – М: Энергоатомиздат, 1982. – 312 с. 2. К а л е н т и о н о к, Е. В. Статистический анализ повреждаемости воздушных рас- пределительных электрических сетей / Е. В. Калентионок // Энергия и менеджмент. – 2011. – № 4. – С. 15–17. 3. Ф е д о с е е в, А. М. Релейная защита электроэнергетических систем. Релейная за- щита сетей / А. М. Федосеев. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 520 с. 4. А р ц и ш е в с к и й, Я. Л. Определение мест повреждения линий электропередачи в сетях с изолированной нейтралью / Я. Л. Арцишевский. – М.: Высш. шк., 1989. – 87 с. 5. Д ь я к о н о в, В. П. MatLab и Simulink в электроэнергетике: справ. / В. П. Дьяконов, А. А. Пеньков. – М.: Телеком, 2009. – 816 с. 6. С п о с о б определения поврежденной фазы при однофазном повреждении ли- нии электропередачи в сети с изолированной нейтралью: пат. 13318 Респ. Беларусь, МПК С1 Н 02Н 3/26 / Е. В. Калентионок, А. Н. Ермаков; заявитель Бел. нац. техн. ун-т // Афіцыйны бюл. – 2009. – № 6. Представлена кафедрой электрических систем Поступила 26.06.2012 34