Способы определения участка повреждения в распределительных сетях 6-35 кв на основе автономных датчиков тока




Скачать 92.41 Kb.
PDF просмотр
НазваниеСпособы определения участка повреждения в распределительных сетях 6-35 кв на основе автономных датчиков тока
Дата конвертации19.08.2012
Размер92.41 Kb.
ТипАвтореферат
СпециальностьЭлектротехнические комплексы и системы”
Год2011

 
 
На правах рукописи 
 
 
 
 
 
КУЗЬМ ИН  Игорь  Ле онидович  
 
 
 
СПОСОБЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УЧАСТКА ПОВРЕЖДЕНИЯ  
В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ 6-35 КВ НА ОСНОВЕ  
АВТОНОМНЫХ ДАТЧИКОВ ТОКА 
 
 
 
Специальность 05.09.03 – “Электротехнические комплексы и системы” 
 
 
 
 
 
 
 
Автореферат 
диссертации на соискание учёной степени 
кандидата технических наук 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Казань 2011 


Работа выполнена в ФГБОУ ВПО  
«Казанский государственный энергетический университет» 
на кафедре «Электрические системы и сети» 
 
Научный руководитель:            кандидат физико-математических наук, доцент   
                                                     Хузяшев Рустэм Газизович 
 
Официальные оппоненты:        доктор физико-математических наук, профессор  
                                                     Наумов Анатолий Алексеевич 
 
                                                      кандидат физико-математических наук, доцент  
                                                      Курганов Александр Ростиславович 
 
Ведущая организация:               ОАО «Сетевая компания» (г.Казань) 
 
Защита состоится «15» декабря_2011 года в 13:30  часов в аудитории Д-223 
на  заседании  диссертационного  совета  Д-212.082.04  при  ФГБОУ  ВПО  «Казан-
ский государственный энергетический университет» по адресу:  
420066, г. Казань, ул. Красносельская, д. 51. 
 
Отзывы  на  автореферат  (в  двух  экземплярах,  заверенных  печатью  учре-
ждения)  направлять  по  адресу:  420066,  г.  Казань,  ул.  Красносельская,  51,  Уче-
ный Совет КГЭУ. Телефон: (843) 5194202; факс: (843) 5624325, 5184464. 
E-mail: kgeu@kgeu.ru. 
 
С  диссертацией  можно  ознакомиться  в  библиотеке  ФГБОУ  ВПО  «Казанский 
государственный  энергетический  университет»,  с  авторефератом  –  на  сайте 
http://www.kgeu.ru 
Автореферат разослан «14» ноября 2011 г. 
 
Ученый секретарь  
диссертационного совета, Д 212.082.04 
кандидат педагогических наук, доцент                                              Т.В. Лопухова 

 

Общая характеристика работы 
Актуальность  работы. Воздушные линии электропередач (ЛЭП) являют-
ся  наименее  надежными  элементами  энергосистемы,  повреждение  которых 
наносит  значительный  ущерб  народному  хозяйству  и  представляет  большую 
опасность для жизни оказавшихся поблизости людей. 
В  отличие  от  сетей  с  глухозаземленной  нейтралью,  сети  напряжением  6-
35кВ  с  изолированной  и  компенсированной  нейтралью  имеют  сильно  разветв-
ленную  древовидную  топологию,  а  наиболее  частый  вид  повреждения  –  одно-
фазное  замыкание  на  землю  (ОЗЗ)  –  характеризуется  малыми  токами,  которые 
не превышают 20-30 А, не искажают треугольник междуфазных напряжений и, 
следовательно, не отражаются на питании потребителей.  
Между  тем  длительное  существование  ОЗЗ  в  сети  нередко  служит  причи-
ной  развития  повреждения  с  последующим  переходом  в  аварийное,  которое 
требует немедленного отключения. К числу аварийных последствий ОЗЗ отно-
сятся: перенапряжения на оборудовании, переход ОЗЗ в междуфазное КЗ, появ-
ление двойных замыканий на землю в разных точках сети из-за пробоя или пе-
рекрытия  изоляции  на  неповрежденных  фазах,  а  самое  главное  велика  вероят-
ность попадания человека под напряжение прикосновения или шага. 
Для  исключения  последствий,  вызванных  ОЗЗ,  а  также  уменьшения  сред-
него  времени  восстановления  поврежденного  участка,  как  при  ОЗЗ,  так  и  при 
междуфазном КЗ, необходимо быстрое определение места повреждения. 
Для  воздушных  электролиний  напряжением  6    35 кВ  в  настоящее  время 
не  существует  эффективных  методов  дистанционного  определения  места 
(ОМП) или участка (ОУП) повреждений. 
Таким  образом,  исследовательская  работа,  посвященная  разработке  ди-
станционного  способа  определения  участка  повреждения  в  сети  напряжением 
6-35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью на основе автоном-
ных датчиков тока, является актуальной задачей. 
Цель работы заключается в совершенствовании существующих методов и 
разработке  новых  технических  средств  дистанционного  определения  участка 
повреждения воздушной линии (ВЛ) электропередачи 6–35 кВ. 
Для  достижения  поставленной  цели  в  диссертации  требуется  решить 
следующие задачи: 
разработать методику расчета переходного процесса при ОЗЗ для сетей с 
изолированной нейтралью и проанализировать полученные результаты на соот-
ветствие экспериментальным испытаниям. 
-  разработать  способы  определения  участка  повреждения  при  дуговых  и 
металлических ОЗЗ. 
-  разработать  способ  определения  переходного  сопротивления  при  ОЗЗ  и 
емкости шин подстанции относительно земли по параметрам аварийного режи-
ма. 
-  разработать  конструктивное  исполнение  блока  питания  на  основе  транс-
форматора тока. 

 

-  разработать  датчик  тока  с  электропитанием  от  фазного  тока,  способный 
регистрировать  параметры  нормального  и  аварийного  режимов  и  передавать 
информацию на верхний уровень автоматизации по беспроводному каналу свя-
зи. 
Методика исследования. 
Решение поставленных задач осуществлялось на  основе следующих мето-
дов  исследования:  математическое  моделирование  на  базе  теории  электриче-
ских  цепей;  лабораторные  экспериментальные  исследования;  проверка  резуль-
татов исследования при  проведении натурных испытаний в  условиях реальной 
эксплуатации. 
Достоверность и обоснованность результатов работы. 
Результаты диссертационной работы реализованы в технических решениях 
и  апробированы  на  ЛЭП  6 кВ.  Результаты  экспериментов  не  противоречат  и 
дополняют результаты, полученные в исследуемой области другими авторами. 
Научная новизна работы: 
- разработан новый способ ОУП на воздушных ЛЭП при дуговых ОЗЗ, за-
ключающийся  в  фиксации  контура  протекания  аварийной  составляющей  тока 
замыкания  на  землю  путем  одновременного  измерения  уровня  высших  гармо-
ник в начале линии и на ее отпайках. 
- разработан новый способ ОУП на воздушных ЛЭП при металлических и 
дуговых  ОЗЗ,  заключающийся  в  фиксации  контура  протекания  аварийной  со-
ставляющей  тока  замыкания  на  землю  путем  одновременного  измерения  пер-
вой производной тока в начале линии и на ее отпайках. 
-  разработан  новый  способ  определения  емкости  шин  подстанции  относи-
тельно земли и переходного сопротивления при ОЗЗ для определения характера 
места  повреждения,  заключающийся  в  аналитических  зависимостях  между 
названными параметрами и параметрами режима при металлическом ОЗЗ. 
-  разработан  датчик  тока  с  электропитанием  от  фазного  тока,  способный 
регистрировать  параметры  нормального  и  аварийного  режимов  и  передавать 
информацию на верхний уровень автоматизации по беспроводному каналу свя-
зи. 
-  разработан  новый  способ  определения  поврежденной  фазы  при  аварии 
типа ОЗЗ, основанный на временном сравнении положения всплеска тока отно-
сительно максимума нагрузочного тока. 
Практическая ценность работы. 
Разработанные  способы,  аппаратные  и  программные  средства  поиска 
участка  повреждения  позволяют  оценить  расстояние  от  питающей  подстанции 
до  участка,  где  произошло  междуфазное  КЗ  или  замыкание  на  землю  в  ВЛ  с 
древовидной  структурой,  ограничить  зону  обхода  линии  оперативно-
ремонтным  персоналом  и,  тем,  самым  уменьшить  время,  в  течение  которого 
существует большая вероятность попадания человека под шаговое напряжение, 
а  также  время  недоотпуска  электроэнергии  или  время  работы  сети  в  режиме 
ОЗЗ. 

 

Разработанные  датчики  тока,  реализующие  способ  ОУП  на  ЛЭП  6-35 кВ, 
совместно  с  программой  верхнего  уровня  автоматизации  введены  в  опытную 
эксплуатацию  в  Филиале  ОАО  «Сетевая  компания»  Казанские  электрические 
сети. 
Получен патент на изобретение. 
Основные положения, выносимые на защиту: 
-
 новый способ ОУП на воздушных ЛЭП при дуговых ОЗЗ, заключающий-
ся в фиксации контура протекания аварийной составляющей тока замыкания на 
землю путем одновременного измерения уровня высших гармоник в начале ли-
нии и на ее отпайках. 
-  новый  способ  ОУП  на  воздушных  ЛЭП  при  металлических  и  дуговых 
ОЗЗ, заключающийся в фиксации контура протекания аварийной составляющей 
тока  замыкания  на  землю  путем  одновременного  измерения  первой  производ-
ной тока в начале линии и на ее отпайках. 
новый способ определения емкости шин подстанции относительно земли 
и  переходного  сопротивления  при  ОЗЗ  для  определения  характера  места  по-
вреждения, заключающийся в аналитических зависимостях между названными 
параметрами и параметрами режима при металлическом ОЗЗ. 
-  датчик  тока  с  электропитанием  от  фазного  тока,  способный  регистриро-
вать параметры нормального и аварийного режимов и передавать информацию 
на верхний уровень автоматизации по беспроводному каналу связи. 
новый способ определения поврежденной фазы при аварии типа ОЗЗ, ос-
нованный  на  временном  сравнении  положения  всплеска  тока  относительно 
максимума нагрузочного тока. 
Апробация работы. 
Основные  положения  и  результаты  диссертационной  работы  докладыва-
лись  на:  международной  молодежной  научной  конференции  «XV Туполевские 
чтения» (г. Казань, 2007 г.), всероссийской научной конференции молодых уче-
ных «Наука. Технологии. Инновации» (г. Новосибирск, 2007 г), четырнадцатой 
международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Ра-
диоэлектроника,  электротехника  и  энергетика»  (г.  Москва,  2008  г.),  междуна-
родной научно-технической конференции «Энергетика 2008: инновации, реше-
ния,  перспективы»  (г.  Казань,  2008  г),  III-й  молодежной  международной  науч-
ной  конференции  «Тинчуринские  чтения»  посвященной  40-летию  КГЭУ 
(г. Казань,  2008  г),  пятнадцатой  международной  научно-технической  конфе-
ренции  студентов  и  аспирантов  «Радиоэлектроника,  электротехника  и  энерге-
тика» (г. Москва, 2009г.), II международной научно-практической конференции 
«Молодежь  и  наука:  реальность  и  будущее»  (г.  Невинномысск,  2009  г.),  IV-й 
молодежной международной научной конференции  «Тинчуринские чтения» (г. 
Казань, 2009 г.), V-й молодежной международной научной конференции «Тин-
чуринские  чтения»  (г.  Казань,  2010  г.),шестнадцатой  международной  научно-
технической  конференции  студентов  и  аспирантов  «Радиоэлектроника,  элек-
тротехника  и  энергетика»  (г.  Москва,  2010  г.),  семнадцатой  международной 
научно-технической  конференции  студентов  и  аспирантов  «Радиоэлектроника, 

 

электротехника и энергетика» (г. Москва, 2011 г.), VI-й молодежной междуна-
родной научной конференции «Тинчуринские чтения» (г. Казань, 2011 г.). 
Данная работа выиграла два гранта на конкурсах: «Участник молодежного 
научно-инновационного  конкурса»,  «Конкурс  молодежных  инновационных 
проектов 2010». 
Публикации. 
По результатам выполненных исследований опубликовано 8 печатных ра-
бот. 
Личный вклад 
Автор  принимал  непосредственное  участие  в  разработке  аппаратных  и 
программных  узлов  системы,  состоящей  из  датчиков  тока,  а  также  программы 
верхнего  уровня  автоматизации,  в  проведении  экспериментальных  исследова-
ний, в интерпретации полученных теоретических и экспериментальных резуль-
татов. 
Объем и структура работы. 
Основное  содержание  диссертации  изложено  на  180  страницах,  содержит 
117 рисунков и 5 таблиц. Работа состоит из введения, пяти глав и заключения. 
Список использованных источников содержит 60 наименований. 
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 
Во  введении  обоснована  и  подтверждена  актуальность  выбранной  темы 
диссертационной работы, определены цель и задачи исследования, приняты ме-
тоды  их  решения,  сформулированы  научная  новизна,  теоретическая  и  практи-
ческая  значимость  работы,  приведены  основные  положения,  выносимые  на  за-
щиту. 
В первой главе выполнен анализ существующих алгоритмов ОМП  и тео-
ретических исследований параметров режима при аварии типа ОЗЗ. На основа-
нии  чего  сделан  вывод  об  отсутствии  в  настоящее  время  работоспособных  ав-
томатизированных алгоритмов ОУП, в частности при ОЗЗ, на ЛЭП 6-35 кВ. Для 
обоснования  наиболее  оптимальных  алгоритмов  ОУП  необходимо  дополни-
тельно экспериментально исследовать временные осциллограммы тока нулевой 
последовательности. 
Показано,  что  для  ОУП  в  распределительных  сетях  с  древовидной  струк-
турой перспективным является использование автономных датчиков тока. 
Во  второй главе анализируется экспериментальный материал, собранный 
с помощью цифрового регистратора аварийных событий типа РЭС-3-16 фирмы 
«Прософт Системы». 
Представлена  методика  расчета  переходного  процесса  при  ОЗЗ  с  целью 
анализа  длительности  скачка  тока  в  начальный  момент  возникновения  ОЗЗ  в 
разных точках поврежденного фидера. 
Разработаны  новые  способы  ОУП  на  воздушных  ЛЭП  при  дуговых  и  ме-
таллических ОЗЗ. 
В  третьей  главе  предложен  новый  способ  определения  нормальных  (ве-
личина  фазной  емкости)  и  аварийных  (величина  переходного  сопротивления) 
параметров системы при аварии типа ОЗЗ. 

 

Приведены  результаты  сравнения  модельных  расчетов  и  эксперименталь-
ного материала. 
В  четвертой  главе  рассмотрено  аппаратное  устройство  впервые  разрабо-
танного датчика  тока, способного питаться от энергии фазного  тока, регистри-
ровать  нормальные  и  аварийные  параметры  режима  ЛЭП  и  передавать  их  по 
сотовым каналам связи на верхний уровень автоматизации. 
Впервые предложена схема блока питания с трансформатором тока (ТТ) на 
современной  элементной  базе,  позволяющая  снабжать  электроэнергией  элек-
тронные  компоненты  устройства  суммарной  мощностью  до  0,3  Вт  от  фазных 
токов  ЛЭП  порядка  10 A  и  более.  Впервые  рассмотрены  процессы  заряда,  раз-
ряда  аккумулирующего  элемента  ионистора  при  питании  его  электроэнергией 
от ТТ.  
Выполнен  анализ  схем  соединения  нескольких  ТТ  с  целью  уменьшения 
величины тока в фазном проводе, при котором датчик будет работоспособен. 
Анализ экономической эффективности от внедрения датчиков тока показал 
снижение издержек на ОУП. 
В  пятой  главе  представлены  результаты  опытной  эксплуатации  системы, 
состоящей из программы верхнего уровня автоматизации и шести датчиков то-
ка,  в  филиале  ОАО  «Сетевая  компания»  Казанские  электрические  сети.  Разра-
ботанные  датчики  тока  за  время  опытной  эксплуатации  показали  работоспо-
собность и подтвердили правильность выбора основных технических решений. 
В  результате  анализа  экспериментального  материала,  полученного  с  по-
мощью  датчиков  тока,  предложен  алгоритм  определения  поврежденной  фазы 
при аварии типа ОЗЗ, основанный на временном сравнении положения всплес-
ка  тока  относительно  максимума  нагрузочного  тока,  зарегистрированных  маг-
нитной антенной датчика тока. 
Сопоставлены  аварийные  осциллограммы  временной  формы  сигнала  из-
меренного на вторичной обмотке штатного ТТ и магнитной антенны. 
Заключение  содержит  основные  теоретические  положения  и  выводы  по 
исследуемым проблемам. 
ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 
1. Новый способ ОУП на воздушных ЛЭП при дуговых ОЗЗ, заключа-
ющийся  в  фиксации  контура  протекания  аварийной  составляющей  тока 
замыкания  на  землю  путем  одновременного  измерения  уровня  высших 
гармоник в начале линии и на ее отпайках. 

Авария типа ОЗЗ подразделяется на два типа: самоустраняющееся кратко-
временное  нарушение  изоляции  вследствие,  например,  прикосновения  ветки 
дерева  к  фазному  проводу,  и  устойчивое  замыкание  на  землю,  образующееся, 
например,  в  результате  сильного  загрязнения  изоляторов  или  обрыв  фазного 
провода воздушной ЛЭП с касанием провода заземленной траверсы. 
Место устойчивого дугового замыкания на землю определяется при пешем 
осмотре  ВЛ с  помощью  переносного прибора КВАНТ,  который фиксирует по-
врежденный  контур  путем  регистрации  суммарной  амплитуды  высших  гармо-

 



ник  тока  в  интервале  300-800Гц.  В  поврежденном  контуре  регистрируется 
большая амплитуда гармоник по сравнению с неповрежденными отпайками. 
Участок  повреждения  при  самоустраняющихся  кратковременных  наруше-
ниях  изоляции,  являющихся  предшественниками  устойчивых  ОЗЗ,  можно 
определить  лишь  при  одновременной  регистрации  суммарной  амплитуды  выс-
ших  гармоник  в  различных  точках  воздушной  линии  электропередач  и  тем  са-
мым предупредить устойчивое ОЗЗ. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рис.1. Фиксация контура протекания аварийной составляющей тока  
специализированными техническими средствами 
 
Предлагается  новый  способ  ОУП  на  воздушной  ЛЭП,  заключающийся  в 
фиксации  контура  протекания  аварийной  составляющей  тока  замыкания  на 
землю путем одновременного измерения уровня высших гармоник в начале ли-
нии  и  на  ее  отпайках  специализированными  техническими  средствами  (рис.1). 
При аварии типа ОЗЗ технические средства (ТС), установленные в разных точ-
ках  ВЛ, регистрируют  в поврежденном  контуре  увеличение более чем  в 7 раза 
суммарной  амплитуды  гармоник  тока  в  интервале  от  300  до  800  Гц  (рис.2,3). 
Данный  диапазон  частот  гармоник  определяется  длительностью  всплесков  то-
ка,  вызванных  перемежающейся  дугой  при  ОЗЗ,  которая  изменяется  в  диапа-
зоне от 1 до 3 мс (рис.4), что согласуется с экспериментальными исследования-
ми (С. Дмитриев и др. Городские электрические сети. Опыт эксплуатации цен-
трализованных  микроконтроллерных  защит.  –  Новости  электротехники,  2011, 
№2(68), 52-60 с.). 
ТС,  расположенные  на  неповрежденных  отпайках  или  на  поврежденном 
присоединении за местом ОЗЗ, увеличение амплитуды гармоник в данном диа-
пазоне  частот  не  зафиксируют.  Это  связано  с  тем,  что  длительность  всплеска 
тока  после  места  ОЗЗ  гораздо  меньше,  чем  до  него,  и  составляет  0,2-1,4 мкс 

 




(рис.5),  что  соответствует  спектральным  составляющим  в  диапазоне  0,7-
10 МГц. Участок  повреждения есть область  ЛЭП между наиболее  удаленными 
от  источника  питания  ТС,  зарегистрировавшим  увеличение  суммарной  ампли-
туды  гармоник  в  интервале  300-800 Гц,  и  не  зарегистрировавшим  увеличение 
амплитуд гармоник. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рис.2. Спектр тока в нормальном режиме. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рис.3. Спектр тока в аварийном режиме. 

 



 
 
   Rп , 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рис.4. Длительность (мс) всплеска тока в поврежденном контуре. 
С1-емкость шин подстанции относительно земли, С2 – емкость ЛЭП относительно земли по-
сле места повреждения, Rп – переходное сопротивление в месте ОЗЗ. 
 
 
   Rп , 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рис.5. Длительность (мс) всплеска тока после места повреждения.  
С1-емкость шин подстанции относительно земли, С2 – емкость ЛЭП относительно земли по-
сле места повреждения, Rп – переходное сопротивление в месте ОЗЗ. 
 
Временные параметры всплесков тока оценивались на основе схемы заме-
щения  ЛЭП  для  исследования  переходного  процесса  при  ОЗЗ.  Всплески  тока 
10 
 

обусловлены процессами разряда емкости поврежденной фазы и дозарядом ем-
костей неповрежденных фаз. Большая длительность всплеска тока до места за-
мыкания,  чем  после  него  связана  с  большей  величиной  емкости  в  начале  ЛЭП 
относительно величины емкости в конце ЛЭП. 
2. Новый способ ОУП  на  воздушных  ЛЭП при металлических  и  дуго-
вых  ОЗЗ, заключающийся  в фиксации контура протекания аварийной со-
ставляющей  тока  замыкания  на  землю  путем  одновременного  измерения 
первой производной тока в начале линии и на ее отпайках. 

С целью исследования параметров режима для фиксации контура протека-
ния аварийного  тока при металлическом ОЗЗ  в филиале ОАО  «Сетевая  компа-
ния»  Казанские  электрические  сети  на  воздушной  ЛЭП  6 кВ  был  установлен 
цифровой осциллограф РЭС-3-16 (частота дискретизации 7 кГц).  
На  основе  анализа  экспериментально  полученных  осциллограмм  было 
установлено, что форма производной напряжения нулевой последовательности 
при  ОЗЗ  совпадает  с  формой  тока  нулевой  последовательности,  это  соотноше-
ние доказывается и аналитически исходя из схемы замещения сети нулевой по-
следовательности. При перемежающемся ОЗЗ происходит ряд переходных про-
цессов,  вызванных  разрядом  и  дозарядом  емкостей  фаз  ЛЭП  через  место  по-
вреждения. Однако, первое замыкание  поврежденной фазы на землю вызывает 
наибольший скачок величины тока и величины производной от напряжения ну-
левой  последовательности.  Это  объясняется  наибольшей  величиной  напряже-
ния  пробоя  в  отличие  от  последующих  пробоев,  происходящих  при  меньшем 
напряжении. 
Выявленная  связь  между  временной  формой  тока  и  напряжения  нулевой 
последовательности  позволяет  утверждать  об  информационной  эквивалентно-
сти тока и напряжения для целей обнаружения факта ОЗЗ. 
 
 
0,25
 
Ток, о.е.
Ia'
0,2
 
0,15
Iс'
 
0,1
 
0,05
 
0
Время, мс
 
-80
-60
-40
-20 -0,05 0
20
40
60
80
 
-0,1
 
 
-0,15
 
-0,2
 
-0,25
 
-0,3
 
Рис.6. График первой производной тока при ОЗЗ на фазе С
 
Это позволяет сформулировать оптимальное по чувствительности условие 
обнаружения  факта  ОЗЗ  по  превышению  порога  либо  первой  производной  от 
11 
 

тока,  либо  второй  производной  от  любого  фазного  напряжения.  Увеличение 
амплитуды информативной части сигнала при взятии производной объясняется 
высокочастотными  свойствами  операции  дифференцирования,  которая  режек-
тирует  низкочастотную  нагрузочную  составляющую  сигнала  тока  или  напря-
жения.  Вычисление  более  высоких  порядков  производных,  означающих  повы-
шение  частоты  среза  ВЧ  фильтра,  режектирует  и  информационный  аварийный 
сигнал,  что  приводит  к  уменьшению  величины  всплеска  тока  или  напряжения 
над нагрузочным режимом. 
На основе сформулированного  условия  обнаружения факта металлическо-
го и дугового ОЗЗ предлагается новый способ ОУП на воздушной ЛЭП при ме-
таллических  и  дуговых  ОЗЗ,  заключающийся  в  фиксации  контура  протекания 
аварийной  составляющей  тока  замыкания  на  землю  специализированными  ТС 
путем одновременного измерения первой производной тока в начале линии и на 
ее отпайках (рис.6). 
ТС  постоянно  измеряют  величину  амплитуды  основной  гармоники  тока  и 
величину его первой производной. При обнаружения факта ОЗЗ регистрируется 
длительность всплеска тока и через 2 сек снова замеряется амплитуда основной 
гармоники тока. В поврежденном контуре до места ОЗЗ длительность всплеска 
тока  будет  больше  по  сравнению  с  длительностью  всплеска  тока  на  неповре-
жденных  отпайках  и  за  местом  ОЗЗ.  Последующее  измерение  амплитуды  ос-
новной гармоники  тока необходимо для выделения всплесков тока, вызванных 
именно ОЗЗ. При междуфазном КЗ и включении ЛЭП также возникает всплеск 
тока,  однако  в  первом  случае  через  2  сек  тока  в  ЛЭП  не  будет,  т.к.  штатные 
устройства релейной защиты отключат выключатель ЛЭП. При включении вы-
ключателя ЛЭП величина амплитуды тока основной гармоники до всплеска то-
ка будет равна нулю.  При ОЗЗ данный  параметр будет отличен от нуля как до 
всплеска тока, так и после него. С целью исключения ложных срабатываний си-
стемы, состоящей из ТС и  программы верхнего  уровня, необходимо  контроли-
ровать  напряжение  нулевой  последовательности,  которое  замеряется  на  под-
станции. 
При проведении  экспериментальных исследований аварийных параметров 
режима  с  помощью  цифрового  осциллографа  значительных  помех  в  осцилло-
граммах тока в ЛЭП, искажающих работу алгоритма, не наблюдалось. 
3.  Новый  способ  определения  емкости  шин  подстанции  относительно 
земли  и  переходного  сопротивления  при  ОЗЗ,  для  определения  характера 
места повреждения, заключающийся в аналитических зависимостях между 
названными  параметрами  и  параметрами  режима  при  металлическом 
ОЗЗ. 

На основе зависимостей симметричных составляющих параметров режи-
ма от параметров контура протекания аварийного тока при ОЗЗ, при известно-
сти  значений  симметричных  составляющих  токов  и  напряжений,  можно  опре-
делить параметры контура протекания аварийного тока, такие как величина пе-
реходного сопротивления места замыкания на землю  п и значение суммарной 
емкости  шин  подстанции  относительно  земли 
  согласно  формул  системы 
12 
 

уравнений (1). 
 
̇
̇

̇
а
 д
.
=


̇ а − ̇

̇
̇  д ∙ ̇

̇
̇
̇

а +
̇ а + ̇ а − ̇ а . − ̇ а . − ̇ ̇
⎪ п =
4 ∙ ̇
(1) 

=

3 ∙

а

̇ а = ̇ − ̇ а − ̇

̇

− ̇ ∙ ̇ − ̇ ∙ (1 − ̇ )
̇

а =
( ̇ − ̇ )
 
где  ̇ =

̇ . −  сопротивление ЛЭП прямой последовательности до места ОЗЗ, 
̇ а, ̇ а, ̇ а − напряжение прямой последовательностив начале ЛЭП ,  
̇  д, ̇  д − напряжение и ток прямой последовательности в начале ЛЭП  
в доаварийном режиме, 
̇ а, ̇ а, ̇ − ток прямой, обратной и нулевой последовательностей в начале ЛЭП, 
̇ − сопротивление ЛЭП нулевой последовательности, 
̇ , ̇ −  ток фазы А и С. 
 
4.  Датчик  тока  с  электропитанием  от  фазного  тока,  способный  реги-
стрировать  параметры  нормального  и  аварийного  режимов  и  передавать 
информацию на верхний уровень автоматизации по беспроводному каналу 
связи. 

Для реализации нового способа ОУП на воздушных ЛЭП при ОЗЗ, заклю-
чающегося  в  одновременной  фиксации  контура  протекания  аварийной  состав-
ляющей  тока  замыкания  на  землю  путем  регистрации  величины  амплитуды 
высших  гармоник  был  разработан  датчик  тока.  Данный  способ  ОУП  был  вы-
бран в связи с простотой его технической реализации. 
Датчик  тока  разработан  с  использованием  достижений  современной  мик-
роэлектроники,  изолирован  воздухом  от  окружающих  его  конструкций  и  мон-
тируется  на  фазном  проводе  ЛЭП  с  помощью  трансформатора  тока  с  разъем-
ным магнитопроводом. 
Датчик  конструктивно  состоит  из  блока  питания,  аналоговой  измеритель-
ной части, цифровой части и блока связи. 
Впервые  предложена  схема  (рис.7)  блока  питания  с  использованием  ТТ, 
позволяющая  запитывать  электроэнергией  активные  электронные  элементы 
датчика  суммарной  непрерывно  потребляемой  мощностью  до  0,3 Вт  и  кратко-
временно  потребляемой  мощностью  до  0,72 Вт  от  фазных  токов  ЛЭП  порядка 
10 A  и  более.  Исполнение  блока  питания  датчика  основано  на  принципе  акку-
мулирования электроэнергии, получаемой от ТТ, на ионисторе и последующем 
13 
 


ее  преобразовании  по  величине  напряжения  с  помощью  импульсного  стабили-
затора.  Выбор  ионистора  обусловлен  его  лучшими  характеристиками  по  срав-
нению  с  аналогичными  параметрами  химических  аккумуляторов  электроэнер-
гии. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рис.7. Структурная схема блока питания датчика тока. 
 
Аналоговая  измерительная  часть  датчика  предназначена  для  регистрации 
магнитного поля, генерируемого фазными токами ЛЭП, и электрического поля, 
генерируемого  линейными  напряжениями.  Она  состоит  из  магнитной  и  элек-
трической  антенн,  усилителей  каналов  «КЗ»  и  «ОЗЗ»,  фильтров  и  выпрямите-
лей. Регистрация электрического поля (канал «Обрыв») позволяет фиксировать 
время включения и отключения ЛЭП. 
Два  частотных  фильтра  выделяют  основную  гармонику  промышленной 
частоты, большая амплитуда которой характеризует аварию типа междуфазное 
КЗ, и высшие гармоники промышленной частоты, большая амплитуда которых 
характеризует аварию типа ОЗЗ. С целью анализа аварийной ситуации замеря-
ются осциллограммы с помощью аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) 
микроконтроллера.  Частота  дискретизации  АЦП  равна  4,4 кГц.  Длина  каждой 
осциллограммы составляет примерно 23 мсек.  
Цифровая часть датчика состоит из микроконтроллера типа Atmega644и 
внешних периферийных устройств. 
Датчики  передают  собранную  информацию  о  параметрах  нормального  и 
аварийного  режима  на  компьютер  диспетчера  энергосети  с  помощью  GSM-
модема, где она визуально отображается в программе ПОИК. 
С 01.06.2009 по 13.10.2010 в Филиале ОАО «Сетевая компания» Казанские 
электрические сети проходили опытную эксплуатацию датчики тока в составе 6 
штук. За это время произошло одно межфазное короткое замыкание и несколь-
ко случаев самоустранившихся однофазных замыканий. 
Опытная  эксплуатация  датчиков  тока  показала  их  работоспособность  и 
помехозащищенность,  а  также  подтвердила  правильность  выбора  основных 
технических  решений.  Датчики  надежно  регистрируют  факты  включения,  от-
ключения ЛЭП, межфазные КЗ и ОЗЗ. 
14 
 


5.  Новый  способ  определения  поврежденной  фазы  при  аварии  типа 
ОЗЗ, основанный на временном сравнении положения всплеска тока отно-
сительно максимума нагрузочного тока. 

Временное запаздывание или опережение всплесков тока при аварии типа 
ОЗЗ  относительно  максимума  нагрузочного  тока  позволяет  сделать  вывод  о 
том,  какая  фаза  является  поврежденной.  Например,  при  аварии  типа  ОЗЗ  на 
рис.8  скачок  тока,  отстает  от  максимума  нагрузочного  тока  на  угол  от  95,4°. 
Зная,  что  датчики  размещаются  на  фазе  В,  т.е.  магнитная  антенна  наиболее 
близко  расположена  к  этой  фазе,  можно  сказать,  что  измеряется  лишь  нагру-
зочный ток фазы В. Поэтому при отставании скачков тока от максимума нагру-
зочного тока на вышеуказанный угол поврежденной фазой является фаза С, ко-
торая отстает от фазы В на 120 градусов.  
 
 
,I, 
 
 
 
 
 
 
 
 
t, 
 
 
 

Рис.8. Форма тока, зарегистрированная датчиком тока. 
 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 
Разработан  новый  способ  ОУП  при  дуговых  ОЗЗ,  заключающийся  в  фик-
сации  контура  протекания  аварийной  составляющей  тока  замыкания  на  землю 
путем  одновременного  измерения  уровня  высших  гармоник  в  начале  линии  и 
на ее отпайках. 
Разработан  новый  способ  ОУП  на  воздушных  ЛЭП  при  металлических  и 
дуговых  ОЗЗ,  заключающийся  в  фиксации  контура  протекания  аварийной  со-
ставляющей  тока  замыкания  на  землю  путем  одновременного  измерения  пер-
вой производной тока в начале линии и на ее отпайках. 
В  результате  моделирования  ОЗЗ  разработан  способ  определения  нор-
мальных  (величина  фазной  емкости)  и  аварийных  (величина  переходного  со-
противления) параметров системы при аварии типа ОЗЗ, проведена оценка дли-
тельности  всплесков  тока,  обусловленных  процессами  разряда  емкости  повре-
жденной фазы и дозарядом емкостей неповрежденных фаз. 
Впервые  разработан  автономный  микропроцессорный  датчик  тока,  реги-
стрирующий аварийные параметры режима, питающийся электроэнергией фаз-
ного провода по впервые предложенной схеме блока питания с ТТ, использую-
щий  беспроводные  каналы  связи  для  передачи  информации  на  компьютер  де-
15 
 

журного диспетчера, что позволяет сократить время поиска места повреждения. 
Конструкция датчика защищена патентом на изобретение. 
Опытная эксплуатация системы сбора нормальной и аварийной информа-
ции на основе разработанных датчиков  в составе шести штук  в ОАО  «Сетевая 
компания»  показала  работоспособность  датчиков  и  подтвердила  правильность 
выбора основных технических решений. 
 
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: 
1) Патент RU 2 372 624 C1 (Российская Федерация). Способ определения места 
однофазного  замыкания  в  разветвленной  воздушной  линии  электропередач, 
способ определения места междуфазного короткого замыкания в разветвлен-
ной  воздушной  линии  электропередач  и  устройство  контроля  тока  и  напря-
жения  для  их  осуществления  /  Авторы  Хузяшев  Р.Г.,  Кузьмин  И.Л.  МПК 
G01R 31/08 (2006.01) – Опубл. в Бюллетене №31, часть 4, 2009 г., с. 931 - 932 
2)  Хузяшев  Р.Г.,  Кузьмин  И.Л.  Топографический  датчик,  регистрирующий  па-
раметры нормального и аварийного режима в ЛЭП. Электрика-5-2008,с.36-37 
3) Хузяшев Р.Г., Кузьмин И.Л. Разработка программно-аппаратного комплекса, 
реализующего  алгоритм  определения  места  повреждения  в  ЛЭП  с  изолиро-
ванной нейтралью. – Энергетика Татарстана, 2008, №1(9),с.97-99. 
4) Хузяшев Р.Г., Кузьмин И.Л. Анализ экспериментальных результатов измере-
ния  тока  при  однофазном  замыкании  на  землю.  //  Материалы  докладов  VI 
Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения», 
1 том, Казань, 2011 г. с.37-38. 
5) Хузяшев Р.Г., Кузьмин И.Л. Разработка алгоритма функционирования канала 
GSM-связи топографического датчика // Молодежь и наука: реальность и бу-
дущее:  Материалы  II  Международной  научно-практической  конференции, 
том VIII, Невинномысск, 2009. с.386. 
6)  Хузяшев  Р.Г.,  Кузьмин  И.Л.  Удаленное  программирование  микроконтрол-
лерного  датчика  тока.  //  Материалы  докладов  IV  Международной  молодеж-
ной  научной  конференции  «Тинчуринские  чтения»,  1  том,  Казань,  2009  г. 
с.30-31. 
В журналах по списку ВАК: 
7) Хузяшев Р.Г., Кузьмин  И.Л.  Блок питания на основе  трансформатора тока с 
микропроцессорным управлением// Электротехника. – 2009.-№4. - с.28-34. 
8)  Кузьмин  И.  Л.,  Хузяшев  Р.  Г.,  Хакимов  Ш.  З.  и  др.  Информационно-
измерительное  устройство  для  определения  участка  повреждения  линий 
электропередач// Датчики и системы. – 2011.-№7. - с.43-47. 
 
 Подписано к печати                      11.11.2011 г.                    Формат 60x84/16 
 Гарнитура «Times»                        Вид печати РОМ             Бумага офсетная 
 Физ.печ.л. 1.0                                 Усл.печ.л. 0.94                Уч.-изд.л. 1.0 
 Тираж 100                                      Заказ № 4213 
 
Типография КГЭУ 
420066, Казань, Красносельская, 51 
16 
 


Добавить документ в свой блог или на сайт
Разместите кнопку на своём сайте:
поделись


База данных защищена авторским правом ©dis.podelise.ru 2012
обратиться к администрации
АвтоРефераты
Главная страница