RU2809231C1 - Способ компенсации влияния токов однофазных замыканий на землю в трехфазных трехпроводных линиях электропередачи - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области электротехники и может применяться для повышения надежности работы и защиты трехфазных электрических сетей от однофазных коротких замыканий на землю. Техническим результатом предлагаемого способа является упрощение и увеличение быстродействия компенсации токов ОЗЗ в трехфазных трехпроводных ЛЭП и повышение надежности работы ЛЭП. Технический результат достигается тем, что в способе компенсации влияния токов однофазных замыканий на землю в трехфазных линиях электропередачи, основанном на подключении к фазам линии электропередачи устройства компенсации с системой управления, измерении напряжений линии электропередачи, детектировании возникновения однофазного замыкания на землю, формировании и введении устройством компенсации дополнительного напряжения между нейтралью и землей линии электропередачи, управляющим устройством формируют искусственную нейтраль линии электропередачи, при этом дополнительное напряжение формируют из нулевой последовательности напряжений линии электропередачи, определяют окончание однофазного замыкания на землю и замыкают искусственную нейтраль на землю с помощью управляемого ключа на несколько периодов сетевого напряжения. 4 ил.

Description

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может применяться для повышения надежности работы и защиты трехфазных трехпроводных линий электропередачи (ЛЭП), в том числе и кабельных, от однофазных замыканий на землю (ОЗЗ).

Существует способ гашения дуги ОЗЗ в паузе ОАПВ линии электропередачи с шунтирующим трехфазным реактором, в котором ток дуги ограничивается за счет управления индуктивностью реактора с помощью тока его подмагничивания (патент RU 234858). Недостатком способа является необходимость применения токоограничивающего реактора и дополнительной системы его подмагничивания, что усложняет устройство и его реализацию.

Наиболее близким прототипом к заявляемому способу является патент (US 11,081,883 В2 от 02.08.2021), описывающий устройство компенсации токов ОЗЗ в линиях электропередачи, имеющее изолированную нейтраль и подключающее дополнительный регулируемый источник напряжения последовательно в ветвь, соединяющую нейтраль с землей. Ограничение тока однофазного короткого замыкания на землю, при описанном в указанном патенте способе его реализации, осуществляется за счет вычисления, формирования и подключения регулируемого источника напряжения с помощью управляемых реактивных элементов с использованием напряжений фаз линий электропередачи. Недостатком способа и устройства прототипа является техническая сложность реализации регулируемого источника напряжения и алгоритмов вычисления системой управления требуемого значения его напряжения, а также перенапряжения в линейных напряжениях ЛЭП, связанных с наличием переходного процесса после окончания ОЗЗ. Опасными являются также перемежающие ОЗЗ, приводящие к повторному появлению ОЗЗ и существенному увеличению напряжений фаз линий электропередачи. Повторные ОЗЗ отрицательно влияют на состояние изоляции фаз. Данные недостатки приводят к усложнению устройства, снижению его надежности, быстродействия, а также снижению надежности работы ЛЭП из-за длительных перенапряжений.

Технической задачей предлагаемого способа является автоматическое формирование из напряжений линии электропередачи регулируемого напряжения, вводимого между искусственно сформированной нейтралью ЛЭП и землей (потенциалом земли) и управлением им, что позволяет поддерживать на малых величинах ток ОЗЗ, как и в изолированных трехфазных трехпроводных ЛЭП, и устранять переходные процессы в линейных напряжениях ЛЭП при завершении ОЗЗ.

Техническим результатом предлагаемого способа является упрощение и увеличение быстродействия компенсации токов ОЗЗ в трехфазных трехпроводных ЛЭП и повышение надежности работы ЛЭП.

Предметом изобретения является способ компенсации влияния токов однофазных замыканий на землю в трехфазных линиях электропередачи, основанный на подключении к фазам линии электропередачи устройства компенсации с системой управления, измерении напряжений линии электропередачи, детектировании возникновения однофазного замыкания на землю, формировании и введении устройством компенсации дополнительного напряжения между нейтралью линии электропередачи и землей, при котором управляющим устройством формируют искусственную нейтраль линии электропередачи, при этом дополнительное напряжение формируют из нулевой последовательности напряжений линии электропередачи, определяют окончание однофазного замыкания на землю и замыкают искусственную нейтраль на землю с помощью управляемого ключа на несколько периодов сетевого напряжения.

На фиг. 1 приведен пример управляющего устройства, подключенного к трехпроводной линии электропередачи. На фиг. 2, 3, 4, приведены диаграммы процессов в линии электропередачи, смоделированные и рассчитанные в среде Matlab, иллюстрирующие процессы в ЛЭП при различных сценариях реализации управляющего устройства до, в процессе, и после окончания ОЗЗ. На фиг. 2 представлены линейные напряжения в линии электропередачи. На фиг. З показаны токи в фазах линии электропередачи. На фиг. 4 приведен ток ОЗЗ в схеме фиг. 1.

На фиг. 1 управляющее устройство 1 подключено к трехпроводной трехфазной сети, сформированной системой линейных напряжений А, В и С. Источник дополнительного напряжения 2 представляет из себя трехфазный трансформатор 3, начала первичных обмоток 4, 5, 6 которого подключены соответственно к фазам А, В и С трехфазной трехпроводной сети. Концы первичных обмоток 4, 5, 6 трансформатора 3 соединены в звезду и подключены к земле. Вторичные фазные обмотки 7, 8, 9 трансформатора 3 соединены в открытый треугольник, так что конец обмотки 7 соединен с началом обмотки 8, а конец обмотки 8 соединен с началом обмотки 9. При этом начало отмотки 7 подключено к первому выходу Вых. 1 источника дополнительного напряжения 2, а конец обмотки 9 подключен ко второму выходу Вых. 2 источника дополнительного напряжения 2. Блок формирования искусственной нейтрали 10 представляет собой трехфазный трансформатор 11 с соединением обмоток в зигзаг.Трансформатор 11 содержит первичные обмотки 12, 13, 14 и вторичные обмотки 15, 16, 17. При этом, на одинаковых фазах трансформатора 11 соответственно расположены обмотки 12 и 17, 13 и 15, 14 и 16. Начала первичных обмоток 12, 13, 14 трехфазного трансформатора 11 подключены к фазам А, В, С сети соответственно. Концы первичных обмоток 12, 13, 14 трансформатора 11 соединены соответственно с концами вторичных обмоток 15, 16, 17. Начала вторичных обмоток 15, 16, 17 трансформатора 11 объединены вместе, образуют искусственную нейтраль N и выведены на выход блока формирования искусственной нейтрали 10. Выход Вых. 1 источника дополнительного напряжения 2 подключен к выводу искусственной нейтрали N блока формирования искусственной нейтрали 10. Выход Вых. 2 источника дополнительного напряжения 2 подключен к земле. Между выходами Вых. 1 и Вых. 2 источника дополнительного напряжения 2 включен управляемый ключ 18, управление которого осуществляется системой управления 19. На вход системы управления поступает информация с датчика напряжения 20, подключенного между выходами Вых. 1 и Вых. 2 источника дополнительного напряжения 2.

Способ компенсации влияния токов однофазных замыканий на землю работает следующим образом. В нормальном режиме работы сети, сформированной системой линейных напряжений А, В, С, в линии электропередачи отсутствуют токи и напряжения нулевой последовательности, так как линия электропередачи является трехпроводной. Ток в искусственной нейтрали N блока формирования искусственной нейтрали 10 равен нулю, поскольку в искусственной нейтрали блока 10 может протекать только ток нулевой последовательности ЛЭП. Напряжение между выходами Вых.1 и Вых.2 источника дополнительного напряжения 2 будет равно нулю, так как оно определяется суммой напряжений нулевой последовательности линейных напряжений трехпроводной ЛЭП. По существу, такое построение устройства управления формирует искусственную нейтраль в ЛЭП, по которой не будет протекать ток при отсутствии ОЗЗ. При появлении ОЗЗ в любой из фаз ЛЭП, наведенное из-за распределенных параметров ЛЭП напряжение нулевой последовательности линейных напряжений между выходами Вых.1 и Вых.2 источника дополнительного напряжения 2, будет формировать ток между землей и искусственной нейтралью N блока формирования искусственной нейтрали 10, уменьшающий ток короткого замыкания, вызванный ОЗЗ и протекающий между фазой и искусственной нейтралью. При этом величина тока ОЗЗ при таком построении управляющего устройства будет практически равна току ОЗЗ в трехфазной ЛЭП с изолированной нейтралью. После исчезновения ОЗЗ система управления 19 детектирует факт исчезновения ОЗЗ по кривой напряжения на выходных зажимах Вых. 1 и Вых.2 источника дополнительного напряжения 2, либо по кривой его тока (при наличии датчика тока в цепи источника дополнительного напряжения 2) и замыкает выходные зажимы Вых.1 и Вых.2 накоротко на протяжении нескольких периодов напряжения сети посредством управляемого ключа 18. В этом случае ЛЭП начинает работать в режиме четырехпроводной линии и линейные напряжения сразу переходят в установившийся режим. После нескольких периодов изменения напряжения сети система управления 19 вновь устраняет короткое замыкание между выходами Вых. 1 и Вых. 2 источника дополнительного напряжения 2 посредством размыкания управляемого ключа 18. Таким образом, выходы Вых. 1 и Вых. 2 источника дополнительного напряжения 2 являются разомкнутыми при отсутствии и наличии ОЗЗ и переводятся в замкнутое состояние на короткое время сразу после окончания ОЗЗ.

Моделирование процессов в линии электропередачи проводилось в трехфазной трехпроводной кабельной линии электропередачи напряжением 10 кВ с изолированной нейтралью, имеющей на своих концах два трансформатора с обмотками, соединенными по схемам звезда/треугольник с одной стороны, и треугольник/звезда с другой стороны. Линия с односторонним питанием нагружена на активно-индуктивную нагрузку с односторонним питанием. Длина линии 10 км. ОЗЗ осуществляется посередине кабельной линии электропередачи. В модели заданы параметры трансформаторов, кабельной линии электропередачи, нагрузки и параметры управляющего устройства.

На фиг. 2, 3, 4, приведены временные диаграммы токов и напряжений в ЛЭП, иллюстрирующие эффекты от реализации предлагаемого способа компенсации влияния токов ОЗЗ на процессы в ЛЭП, рассчитанные для 4 сценариев реализации управляющего устройства (сценарии 1, 2, 3 ,4). При первом сценарии (сценарий 1) ОЗЗ происходит в отсутствии управляющего устройства 1 на фиг. 1. Во втором сценарии (сценарий 2) выходы Вых.1 и Вых.2 источника дополнительного напряжения 2 управляющего устройства 1 (фиг. 1) не подключены между выводом нейтрали N блока формирования искусственной нейтрали 10 и землей. При этом вывод искусственной нейтрали N непосредственно соединен с землей. Третий сценарий (сценарий 3) соответствует режиму, когда выходы Вых. 1 и Вых.2 источника дополнительного напряжения 2 постоянно подключены между искусственной нейтралью N блока формирования искусственной нейтрали 10 и землей. Четвертый сценарий (сценарий 4) соответствует заявляемому способу, при котором после детектирования окончания ОЗЗ подключенные между искусственной нейтралью N блока формирования искусственной нейтрали 10 и землей выходы Вых.1 и Вых.2 источника дополнительного напряжения 2 управляющего устройства 1 на короткое время замыкаются накоротко управляемым ключом 18 и после нескольких периодов изменения напряжения сети размыкаются вновь.

Временные диаграммы фиг. 2 демонстрируют тот факт, что при обычном ОЗЗ (без управляющего устройства 1) после его завершения линейные напряжения линии электропередачи имеют длительный переходной процесс, связанный с медленным затуханием напряжения нулевой последовательности в линейных напряжениях. Соединение искусственной нейтрали с землей (сценарий 2) приводит к отсутствию переходного процесса в линейных напряжениях линии электропередачи после прекращения ОЗЗ. Введение дополнительного напряжения между искусственной нейтралью и землей (сценарий 3) сокращает переходной процесс в линейных напряжениях линии электропередачи после прекращения ОЗЗ, но не устраняет его полностью. Реализация короткого замыкания выводов Вых.1 и Вых.2 источника дополнительного напряжения 2 на короткое время после прекращения ОЗЗ позволяет устранить переходной процесс в линейных напряжениях, так же, как и в случае сценария 2.

Временные диаграммы фиг. З иллюстрирует значительное увеличение токов в фазах линии электропередачи в сценарии 2, что недопустимо. При этом во всех остальных сценариях токи в линии электропередачи практически не возрастают.

Временные диаграммы токов ОЗЗ, представленные на фиг. 4, иллюстрируют тот факт, что при сценарии 1 ток ОЗЗ мал, а после прекращения ОЗЗ имеется длительный переходной процесс восстановления линейных напряжений линии электропередачи. При сценарии 2 ток ОЗЗ недопустимо велик. Сценарий 3 демонстрирует влияние дополнительного напряжения на ограничение тока ОЗЗ. Сценарий 4 подтверждает то, что после окончания ОЗЗ замыкание накоротко выводов Вых.1 и Вых.2 источника дополнительного напряжения 2 на короткое время позволяет устранить переходной процесс в линейных напряжениях после окончания ОЗЗ. Предлагаемый способ основан на автоматической генерации дополнительного напряжения из появляющейся нулевой последовательности в линейных напряжениях при ОЗЗ и прост в его реализации. Управление управляющим устройством также просто реализуется на основе детектирования процесса окончания ОЗЗ и связано лишь с замыканием накоротко выводов Вых.1 и Вых.2 источника дополнительного напряжения 2, соединенных с искусственной нейтралью N и землей соответственно, управляемым ключом 18 на интервале нескольких периодов сетевого напряжения.

Таким образом, реализация предлагаемого способа позволяет достичь заявляемый технический результат, связанный с упрощением реализации способа, увеличением быстродействия компенсации токов ОЗЗ в трехфазных трехпроводных ЛЭП и повышения надежности работы ЛЭП за счет устранения переходного процесса в линейных напряжениях ЛЭП после завершения ОЗЗ.

Claims (1)

1. Способ компенсации влияния токов однофазных замыканий на землю в трехфазных линиях электропередачи, основанный на подключении к фазам линии электропередачи устройства компенсации с системой управления, измерении напряжений линии электропередачи, детектировании возникновения однофазного замыкания на землю, формировании и введении устройством компенсации дополнительного напряжения между нейтралью линии электропередачи и землей, отличающийся тем, что управляющим устройством формируют искусственную нейтраль линии электропередачи, при этом дополнительное напряжение формируют из нулевой последовательности напряжений линии электропередачи, определяют окончание однофазного замыкания на землю и замыкают искусственную нейтраль на землю с помощью управляемого ключа на несколько периодов сетевого напряжения.