Параметрический метод определения расстояния до места повреждения в распределительных сетях
Распределительные сети в цепи транспорта электрической энергии занимают значительное место и несмотря на то, что аварийные режимы в таких сетях в большей части являются локальными и не столь ущербными в финансовом и материальном планах по сравнению с системами передачи электроэнергии высших классов напряжений, их поток на несколько порядков превосходит поток аварийных событий последних, что заметно сказывается на общем показателе надежности электроснабжения.
Наиболее частым повреждением в этом потоке аварийных режимов является однофазное замыкание на землю (033): оно многократно превосходит по частоте своего возникновения другие аварийные режимы. Часто этот режим протекает незаметно для операторов (диспетчеров) распределительных сетей, поскольку замыкания могут быть дуговыми (0Д3) и самоустраняющимися благодаря самогашению дуги. Кроме того, нередко после отключения поврежденных при 0Д3 отходящих питающих линий и их повторного включения восстанавливается нормальный эксплуатационный режим сети благодаря самовосстановлению изоляционных свойств линий передачи. Такое поведение сети с изолированной и резонансно-заземленной нейтралью, несомненно, дает ей большое преимущество, так как обеспечивается повышенная надежность электроснабжения потребителей.
Однофазные дуговые замыкания связаны с существованием перенапряжений, сопровождающих этот вид замыканий и охватывающих всю сеть. Длительное горение дуги приводит к деградации изоляции и является отрицательным фактором этого режима. В случаях самовосстановления изоляции в месте горения дуги остаются последствия ее воздействия и в дальнейшей эксплуатации в ослабленном месте могут возникать повторные пробои. Поэтому информация о таких местах весьма полезна с точки зрения более целенаправленного подхода к профилактике изоляции.
Задача определения установившихся мест повреждения традиционно решается с помощью локационного метода (в англоязычной литературе - Time Domain Reflectometry) с различными его модификациями. Этот метод достаточно глубоко проработан как в России [1], так и за рубежом (обширный список зарубежных публикаций может быть найден в [2]). Однако при определении места повреждения в сильно разветвленной сети под рабочим напряжением его применение имеет определенные сложности. При зондировании сети импульсы напряжения (или тока) многократно отражаются от концов неповрежденных линий и, накладываясь на полезный сигнал, существенно его искажают и затрудняют интерпретацию результатов измерений; одновременно возрастает погрешность метода.
В кабельных сетях, где часто вдоль линий установлены муфты, нередко соединяющие кабели с различными сечениями и, следовательно, волновыми параметрами, возникают дополнительные искажения зондирующих импульсов.
Длительность дугового замыкания составляет доли миллисекунды, поэтому информационно значимой может быть только та часть измерений, которая получена при зондировании в момент низкого дугового сопротивления. Это дополнительно усложняет применение локационного метода.
В данной статье предлагается применять метод, основанный на анализе частот собственных колебаний сети, поскольку они зависят от параметров сети в аварийном режиме. Изменение места замыкания сопровождается изменением топологии схемы и частот свободных колебаний, что позволяет установить связь между расстоянием до места замыкания и частотой свободных колебаний.
Определение основных частот свободных колебаний в схеме замещения сети.
Простейшая радиальная распределительная сеть содержит пункт питания (понижающую подстанцию) и питающие линии, подключаемые к понижающим трансформаторам на трансформаторных подстанциях (рис. 1).
Рис. 1. Простейшая радиальная распределительная сеть
При замыкании на одной из отходящих линий в сети возникает переходный процесс, связанный с перезарядом емкостей неповрежденных фаз и разрядом емкости поврежденной фазы. Схема замещения сети, соответствующая режиму разряда емкости неповрежденных фаз (при суперпозиции с вынужденной составляющей напряжения этот режим можно трактовать как режим перезаряда емкостей неповрежденных фаз), представленная некоторым эквивалентным кабелем и эквивалентной нагрузкой, а также поврежденным кабелем и нагрузкой, показана на рис. 2, б.
При пренебрежении током, протекающим через место повреждения со стороны нагрузки поврежденной отходящей питающей линии i2, который в большинстве случаев много меньше, чем ток разряда, протекающий через источник и эквивалентную нагрузку, низшая частота свободных колебаний может быть определена по упрощенной схеме (рис. 2, б) как
(1)
где
(2)
Сф и Сфф - фазная и междуфазная суммарные емкости сети; Lи и LH - эквивалентные индуктивности источника и нагрузки; lз - относительное (отнесенное к длине поврежденного кабеля) расстояние от шин питающей подстанции до места замыкания; Lэ и Ln - эквивалентная индуктивность неповрежденных линий и фазная индуктивность поврежденной линии.
Из выражений (1) и (2) видно, что частота собственных колебаний зависит от расстояния до места замыкания. Однако эта зависимость слабо выражена вследствие того, что, как правило, индуктивность источника и нагрузки много больше, чем индуктивность поврежденной фазы (т.е. Lи> Ln, LH > Ln). Кроме того, частота колебаний в значительной степени определяется нагрузкой, что не очень желательно.
Рис. 2. Схема сети с выделенной поврежденной линией (а) и эквивалентная схема для определения низшей частоты свободных колебаний (б)
Вторая, более высокая, частота f2 собственных колебаний напряжения обусловлена разрядом собственной фазной емкости поврежденной фазы. На рис. 3, а изображена эквивалентная схема, соответствующая этому процессу, в которой симметричной эквивалентной П-образной схемой представлены неповрежденные линии (Lэ и Сэ - параметры этой линии) и Г-образной схемой - поврежденная линия. После упрощения - преобразования схемы рис. 3, а к одночастотному контуру (рис. 3, б), где
(3)
(4)
частоту f можно приближенно определить следующим образом,
где Сп - фазная емкость поврежденной линии.
Зависимость второй собственной частоты от расстояния до места замыкания проявляется в большей степени, чем первой, особенно при подключении к шинам источника малого числа линий небольшой протяженности и значительной протяженности поврежденной линии. На значение частоты f очень слабо влияют параметры источников и нагрузки; частотозадающими параметрами выступают как фазная индуктивность поврежденной части кабеля (от начала линии до места замыкания), так и емкость этой части (в меньшей степени) - соответствующие коэффициенты Lnl3 и Спlз в выражении (4).
Рис. 3. Схема замещения при разряде емкости поврежденной фазы
10 102 103 104 f, гц
Рис. 4. Частотная характеристика фазной индуктивности кабеля
Реальная радиальная распределительная сеть имеет более сложную топологию - древовидную структуру. Однако частотные свойства каждой ветви при увеличении расстояния от центра питания до места замыкания остаются, принципиально, такими же, как и для одиночной отходящей питающей линии, т.е. частота колебаний f2 понижается. Емкостно-индуктивные параметры каждой ветви определяются первичными параметрами линий, их протяженностью и параметрами примыкающих к этой ветви других линий, и, таким образом, для каждой ветви существует зависимость f2= f (1з) и свой частотный отклик 1з = φ(f2).