RU2232456C1 - Method for detecting single-phase arcing-ground fault and phase failure in resonance-grounded-neutral distribution mains - Google Patents

Abstract

FIELD: power engineering; detecting single-phase arcing-ground fault in resonance-grounded-neutral distribution mains.

SUBSTANCE: method involving facilitated procedures for detecting single-phase arcing-ground fault and phase failure enabling real-time monitoring of supply mains includes recording of phase-to-ground voltages across distribution mains followed by their analysis to determine derivatives of phase-to-ground voltages and comparison of their polarities; if they coincide and derivatives exceed setting value (double maximum of line voltage derivative), RMS value of phase-to-ground voltage is evaluated within 2 ms since last derivative of phase-to-ground voltage has reached setting value, RMS-to-average (Uav) and RMS-to-mean (Um) voltage ratio is found; if this ratio exceeds factor K (Uav/Um > K) as found from expression K = [3.17 + 0.067 (K_L - 30)Ks] for mains capacitance compensating factor K_l between 30 and 100% and K = [7.86 - 0.067(K_l - 100)Ks] for K_l between 100 and 130%, where Ks ≅ 0.8 - 0.9 is certain safety factor assumed to be slightly lower than 1, then this fault is recorded and if two or more such faults are detected, then single-phase arcing-ground fault and faulty phase are recorded.

EFFECT: facilitated procedure, enhanced speed of fault detection.

1 cl, 10 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для распознавания однофазного дугового замыкания (ОДЗ) на землю в распределительных сетях с резонансно заземленной нейтралью.The present invention relates to the electric power industry and can be used to recognize a single-phase arc fault (ODZ) to ground in distribution networks with resonantly grounded neutral.

Известен способ распознавания (сигнализации) однофазного замыкания на землю (и выделения поврежденного фидера) в распределительных сетях с резонансно заземленной нейтралью [1, 2], основанный на раздельной фиксации полярностей первых полуволн высокочастотных компонент тока и напряжения нулевой последовательности, измеряемых с помощью трансформатора тока нулевой последовательности (ТТНП) и измерительного трансформатора напряжения (ТН). Распознавание осуществляется путем реагирования на соотношения фазовых сдвигов между высокочастотными компонентами и при появлении в течение времени 0,06... 1,5 сек напряжения нулевой последовательности промышленной частоты, которое превышает 25% фазного значения. В данном способе для распознавания повреждения требуется информация с двух измерительных приборов, что делает этот способ сложным, кроме того, используя параметры напряжений и токов нулевой последовательности, не может быть выделена поврежденная фаза.A known method for recognizing (signaling) a single-phase earth fault (and isolating a damaged feeder) in distribution networks with a resonantly grounded neutral [1, 2], based on the separate fixing of the polarities of the first half-waves of high-frequency current components and zero-sequence voltage, measured using a zero current transformer sequence (TTNP) and measuring voltage transformer (VT). Recognition is carried out by responding to the ratio of phase shifts between high-frequency components and when a voltage of zero sequence of industrial frequency appears during a time of 0.06 ... 1.5 s, which exceeds 25% of the phase value. In this method, information from two measuring devices is required to recognize damage, which makes this method difficult, in addition, using the parameters of the voltages and currents of the zero sequence, the damaged phase cannot be isolated.

Известен также способ распознавания однофазного дугового замыкания на землю и поврежденной фазы в распределительных сетях с резонансно заземленной нейтралью. являющийся прототипом, основанный на измерении параметров режима (фазных напряжений и токов) и последующей математической обработке измерительной информации в цифровом виде на ЭВМ с помощью математического аппарата искусственных нейронных сетей [3]. Для его реализации предварительно разрабатывается некоторая математическая модель - искусственная нейронная сеть и обучается на основе экспериментального или полученного в результате численного моделирования материала. После этого на входы системы распознавания подают цифровые сигналы, дискретизированные во времени, (измерительную информацию), а комбинация выходных сигналов (например, в бинарном виде) определяет тип повреждения в электрической сети.There is also a method of recognizing a single-phase arc fault to earth and a damaged phase in distribution networks with resonantly grounded neutral. which is a prototype based on measuring the parameters of the mode (phase voltages and currents) and the subsequent mathematical processing of the measurement information in digital form on a computer using the mathematical apparatus of artificial neural networks [3]. For its implementation, a mathematical model, an artificial neural network, is preliminarily developed and is trained on the basis of experimental or obtained as a result of numerical simulation of the material. After that, digital signals discretized in time (measurement information) are supplied to the recognition system inputs, and a combination of output signals (for example, in binary form) determines the type of damage in the electric network.

Процесс разработки такой нейронной сети требует хорошей математической подготовки инженера разработчика сети, а технология обучения сети, как правило, длительна и сложна, поскольку для сети необходимо подобрать метод обучения (выбор которого не всегда прост и очевиден), минимизирующий ошибку распознавания.The process of developing such a neural network requires good mathematical training by the engineer of the network designer, and the technology for training the network is usually long and complicated, because for the network it is necessary to choose a training method (the choice of which is not always simple and obvious) that minimizes the recognition error.

Обучение сети необходимо проводить на значительном объеме экспериментального или полученного в результате численного моделирования материала, что не всегда возможно для первого способа получения материала и трудоемко для второго. В силу сложности математического аппарата этого метода к его недостаткам следует отнести также достаточно длительное распознавание повреждения, особенно такого, как ОДЗ, поскольку этот вид повреждения, содержащий высокочастотные компоненты, требует значительного количества точек измерений (отсчета) на один период промышленной частоты. Распознавание такого вида повреждения занимает единицы-десятки секунд, что сильно затрудняет обработку информации в реальном времени с помощью компьютерных систем мониторинга, дополнительно определяющих уровень перенапряжений при ОДЗ, напряжение пробоя изоляции, длительность перенапряжений, место повреждения и т.д. Аппаратная реализация рассмотренного способа практически невозможна на широко распространенной микроэлектронной базе.Network training must be carried out on a significant amount of experimental or numerical simulation material, which is not always possible for the first method of obtaining material and laborious for the second. Due to the complexity of the mathematical apparatus of this method, a rather long recognition of damage, especially such as ODZ, should also be attributed to its shortcomings, since this type of damage containing high-frequency components requires a significant number of measurement points (reference points) for one period of industrial frequency. Recognition of this type of damage takes several tens of seconds, which greatly complicates the processing of information in real time using computer monitoring systems that additionally determine the level of overvoltage during discharging, insulation breakdown voltage, duration of overvoltage, location of damage, etc. The hardware implementation of the considered method is practically impossible on a widespread microelectronic base.

Анализ приведенного уровня техники свидетельствует о том, что задачей изобретения является создание более простого и быстрого способа распознавания ОДЗ и поврежденной фазы, позволяющего осуществлять мониторинг сети в реальном времени.The analysis of the prior art indicates that the objective of the invention is to provide a simpler and faster method for recognizing DLD and the damaged phase, which allows real-time monitoring of the network.

Это достигается тем, что в известном способе распознавания дугового замыкания на землю и поврежденной фазы, основанном на регистрации фазных напряжений и их последующем анализе, в указанном анализе определяют производные фазных напряжений и сопоставляют их знаки. При их совпадении и величинах производных, превышающих уставку - удвоенное значение максимума производной линейного напряжения сети, определяют действующие значения фазных напряжений за время 2 мс с момента достижения уставки последней производной фазного напряжения; находят отношение действующего напряжения со средним из фазных значений напряжением (U_cp) к минимальному (U_мин) и, если это отношение больше коэффициента

, определяемого по выражению K=(3,17+0,067(K_L-30))K₃ - для коэффициента компенсации емкости сети К_L от 30 до 100% и К=(7,86-0,067(K_L-100))K₃ - для К_L от 100 до 130%, регистрируют это событие. При подсчете двух и более таких событий фиксируют ОДЗ и поврежденную фазу с наименьшим действующим напряжением (U_мин).This is achieved by the fact that in the known method for recognizing an arc fault on the earth and the damaged phase, based on the registration of phase voltages and their subsequent analysis, the derivatives of phase voltages are determined in this analysis and their signs are compared. When they coincide and the values of the derivatives exceeding the setting — the doubled value of the maximum of the derivative of the line voltage of the network, determine the effective values of the phase voltages during 2 ms from the moment the set point of the last derivative of the phase voltage is reached; find the ratio of the effective voltage with the average of the phase voltage values (U _cp ) to the minimum (U _min ) and, if this ratio is greater than the coefficient

defined by the expression K = (3.17 + 0.067 (K _L -30)) K ₃ - for the compensation coefficient of the network capacity K _L from 30 to 100% and K = (7.86-0.067 (K _L -100)) K ₃ - for K _L from 100 to 130%, this event is recorded. When counting two or more such events, the ODD and the damaged phase with the lowest effective voltage (U _min ) are recorded.

На фиг. 1 приведена упрощенная распределительная сеть, в которой реализуется предлагаемый способ; на фиг. 2 - осциллограммы фазных напряжений и их производных; на фиг. 3 - действующие значения, определяемые с момента превышения последней из производных напряжения уставки - удвоенного максимума производной линейного напряжения.In FIG. 1 shows a simplified distribution network in which the proposed method is implemented; in FIG. 2 - waveforms of phase voltages and their derivatives; in FIG. 3 - effective values determined from the moment the last of the derivatives of the voltage exceeds the setpoint - the doubled maximum of the derivative of the linear voltage.

Устройство (фиг. 1) содержит схему сети, в которой к главному питающему пункту 1 (ГПП) через линии электропередачи 2, 3, 4, 5 подключены трансформаторные подстанции 6, 7, 8, 9 (ТП).The device (Fig. 1) contains a network diagram in which transformer substations 6, 7, 8, 9 (TP) are connected to the main supply point 1 (GPP) through power lines 2, 3, 4, 5.

Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.

При замыкании на землю на одной из отходящих линий 2, 3, 4, 5 (фиг. 1) на шинах питающего пункта 1 (фиг. 1) регистрируют фазные напряжения uγ , γ =A, B, C (например, в цифровой форме, выполняя непрерывный мониторинг напряжений [4, 5]) и определяют их производные

. При ОДЗ в момент пробоя изоляции знаки всех производных совпадают, т.е.

. При совпадении всех знаков производных и превышении ими некоторой уставки, например удвоенного максимума производной линейного напряжения сети, т.е.

(где ω - частота сети, U_л.макс - амплитудное линейное напряжение сети) с момента достижения последней производной фазного напряжения уставки определяют действующие напряжения

всех фаз в течение времени интегрирования t_и=2 мс (для сигнала, представленного в цифровой форме, по правилу прямоугольников

- шаг дискретизации, n - количество отсчетов за время интегрирования). Выбор уставки по величине производной напряжения определяется как линейным напряжением, так и уровнем импульсных и гармонических помех в сети, а также топологией сети: при замыканиях в конце протяженных фидеров производные имеют меньшие значения.When a ground fault occurs on one of the outgoing lines 2, 3, 4, 5 (Fig. 1) on the buses of the supply point 1 (Fig. 1), the phase voltages uγ, γ = A, B, C (for example, in digital form, performing continuous monitoring of stresses [4, 5]) and their derivatives are determined

. In the case of an ODD, at the moment of insulation breakdown, the signs of all derivatives coincide, i.e.

. If all the signs of the derivatives coincide and they exceed a certain setting, for example, the doubled maximum of the derivative of the line voltage of the network, i.e.

(where ω is the frequency of the network, U _l.max is the amplitude linear voltage of the network) from the moment the last derivative of the phase voltage is reached, the settings determine the effective voltages

all phases during the integration time t _and = 2 ms (for a signal presented in digital form, according to the rule of rectangles

is the sampling step, n is the number of samples during the integration time). The choice of the setpoint in terms of the derivative of the voltage is determined by both the linear voltage and the level of pulsed and harmonic interference in the network, as well as the network topology: with short circuits at the end of extended feeders, the derivatives have lower values.

Наименьшее (минимальное) действующее напряжение (определенное за 2 мс) при замыкании на землю имеет поврежденная фаза. Фаза с минимальным напряжением из двух других (неповрежденных) фаз имеет среднее значение. Представив, что все напряжения отсортированы по возрастанию, можно записать U_мин<U_ср<U_макс. Если отношение среднего значения к минимальному больше К, т.е.

, где U_мин=min({Uγ }), U_ср=min({Uγ }-{U_мин}), то считают это событие однофазным замыканием на землю, которое при его единичном появлении может быть как металлическим, так и дуговым. Расчетный коэффициент К, определяющий при ОДЗ отношение наименьшего из действующих напряжений на одной из не поврежденных фаз к напряжению поврежденной, зависит от коэффициента компенсации

емкости сети по нулевой последовательности дугогасящим реактором (L_p - индуктивность реактора, С_ф - фазная емкость сети), который для времени интегрирования t_и=2 мс на основе обработки экспериментальных данных приближенно определяется по выражению К=(3,17+0,067(K_L-30))К₃ - для коэффициента компенсации K_L от 30 до 100% и К=(7,86-0,067(K_L-100))К₃, - для К_L от 100 до 130%, К₃≅ 0,8... 0,9 - некоторый коэффициент запаса, принимаемый несколько меньшим 1. При изменении емкостных параметров сети принимают минимально возможное значение коэффициента компенсации. Поскольку дуговое замыкание сопровождается многократными пробоями фазной изоляции, то после подсчета двух и более таких замыканий (событий) за время (t_с) нескольких единиц-десятков периодов промышленной частоты фиксируют факт ОДЗ и поврежденную фазу по наименьшему из вычисленных действующих значений напряжения.The smallest (minimum) effective voltage (determined in 2 ms) with a ground fault has a damaged phase. The phase with the minimum voltage from the other two (intact) phases has an average value. Imagining that all voltages are sorted in ascending order, we can write U _min <U _cp <U _max . If the ratio of average to minimum is greater than K, i.e.

, where U _min = min ({Uγ}), U _cf = min ({Uγ} - {U _min }), then this event is considered to be a single-phase earth fault, which, when it occurs once, can be either metal or arc. The calculated coefficient K, which determines the ratio of the smallest of the active voltages in one of the undamaged phases to the voltage of the damaged one during the differential displacement, depends on the compensation coefficient

capacity of the network in the zero sequence by the suppression reactor (L _p is the reactor inductance, C _f is the phase capacity of the network), which for the integration time t _and = 2 ms based on the processing of experimental data is approximately determined by the expression K = (3.17 + 0.067 (K _L -30)) K ₃ - for the compensation coefficient K _L from 30 to 100% and K = (7.86-0.067 (K _L -100)) K ₃ , - for K _L from 100 to 130%, K ₃ ≅ 0,8 ... 0,9 - a certain safety factor, taken slightly less than 1. When changing the capacitive parameters of the network take the lowest possible value of the compensation coefficient. Since the arc fault is accompanied by repeated breakdowns of phase isolation, after counting two or more of these faults (events) during the time (t _s ) of several dozens of periods of industrial frequency, the fact of the ODZ and the damaged phase are recorded at the lowest of the calculated effective voltage values.

Максимальное время счета импульсов t_с определяется режимом полной компенсации емкости сети (емкостного тока замыкания): коэффициент компенсации фазной емкости сети К_L близок к 100%. В этом случае время счета не будет превышать времени полного восстановления напряжения на поврежденной фазе (когда повторный пробой крайне маловероятен), определяемого затуханием в сети. Приближенно максимальное время полного восстановления напряжения и время счета для реальных сетей можно принять 0,5 сек (25 периодов промышленной частоты). В подавляющем большинстве случаев резонансно заземленные распределительные сети эксплуатируются с дугогасящими катушками, не имеющими автоматической подстройки, т.е. с некоторой раскомпенсацией, кроме того, в сетях допускается перекомпенсация до 5-10% [4], что одновременно с малым напряжением повторного пробоя сокращает временной интервал между пробоями и реальное время распознавания ОДЗ.The maximum pulse counting time t _s is determined by the mode of complete compensation of the network capacitance (capacitive fault current): the compensation coefficient of the phase capacitance of the network K _L is close to 100%. In this case, the counting time will not exceed the time of the full restoration of the voltage in the damaged phase (when a repeated breakdown is extremely unlikely), determined by the attenuation in the network. Approximately the maximum time for a complete voltage recovery and the counting time for real networks can be taken 0.5 sec (25 periods of industrial frequency). In the vast majority of cases, resonantly grounded distribution networks are operated with arcing coils that do not have automatic tuning, i.e. with some decompensation, in addition, overcompensation is allowed in networks up to 5-10% [4], which simultaneously with a low voltage of the repeated breakdown reduces the time interval between breakdowns and the real time of recognition of ODZ.

На фиг. 2 приведены фазные напряжения распределительной сети 10 кВ (поврежденной фазе соответствует нижняя кривая), зарегистрированные при ОДЗ с помощью системы мониторинга [5, 6], и производные напряжений, которые совпадают в моменты пробоев по знаку и превышают уставку по производной, принимаемую для сети 10 кВ около 9000-10000 кВ/сек. На фиг. 3 показаны вычисленные в течение 2 мс действующие значения фазных напряжений, из которых напряжение поврежденной фазы (нижняя осциллограмма) многократно меньше напряжений на неповрежденных фазах в конце интервала интегрирования. Отношение

, i=1,... 4, для приведенных четырех моментов пробоя изоляции составляет 15, 17, 10, 21 и больше расчетного параметра К, который для рассматриваемой сети с коэффициентом компенсации К_L=95% равен 6,02 (K₃≅ 0,8). Подсчет двух таких импульсов (событий) указывает на наличие ОДЗ в сети.In FIG. Figure 2 shows the phase voltages of a distribution network of 10 kV (the lower curve corresponds to the damaged phase), recorded with a monitoring system using a monitoring system [5, 6], and the derivatives of voltages that coincide at the moments of breakdowns in sign and exceed the setpoint for the derivative adopted for network 10 kV about 9000-10000 kV / s. In FIG. Figure 3 shows the effective values of the phase voltages calculated during 2 ms, of which the voltage of the damaged phase (lower waveform) is many times lower than the voltages of the undamaged phases at the end of the integration interval. Attitude

, i = 1, ... 4, for the above four moments of breakdown of insulation is 15, 17, 10, 21 and more than the calculated parameter K, which for the network under consideration with a compensation coefficient K _L = 95% is 6.02 (K ₃ ≅ 0.8). Counting two such impulses (events) indicates the presence of an ODZ in the network.

Таким образом, распознавание ОДЗ и поврежденной фазы в сети быстро осуществляется путем регистрации фазных напряжений и выполнения простых операций по их обработке: нахождения производных фазных напряжений и при их совпадении по знаку и превышении некоторой уставки определения действующих значений фазных напряжений в течение 2 мс. При выполнении отношения

подсчет двух и более таких событий (замыканий) указывает на существование ОДЗ.Thus, the recognition of ODD and the damaged phase in the network is quickly carried out by recording phase voltages and performing simple operations to process them: finding the derivatives of phase voltages and if they coincide in sign and exceed a certain setting for determining the effective values of phase voltages for 2 ms. When fulfilling a relationship

counting two or more of these events (faults) indicates the existence of an ODZ.

Изложенный способ распознавания ОДЗ и поврежденной фазы может быть реализован как с помощью микропроцессорного устройства, совместно работающего с АЦП, так и на базе электронных приборов и интегральных схем малой и средней степени интеграции.The described method for the recognition of DLD and the damaged phase can be implemented using a microprocessor device that works together with the ADC, and on the basis of electronic devices and integrated circuits of small and medium degree of integration.

Источники информацииSources of information

1. Дударев Л.Е., Зубков В.В., Стасенко В.И. Комплексная защита от замыканий на землю.// Электрические станции, №7, 1981, с.59-61.1. Dudarev L.E., Zubkov V.V., Stasenko V.I. Comprehensive protection against earth faults.// Power stations, No. 7, 1981, pp. 59-61.

2. Шабад М.А. Обзор режимов заземления нейтрали и защиты замыканий на землю в сетях 6-35 кВ России.// Энергетик, №12, 2000, c.11-13.2. Shabad M.A. Overview of neutral grounding and earth fault protection modes in 6-35 kV networks of Russia. // Energetik, No. 12, 2000, pp. 11-13.

3. Whei-Min Lin, Chin-Der Yang, Jia-Hong, Ming-Tong Tsaj. A Fault Classification Method by RBF Neural Network With OLS Learning Procedure.// IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 16. No. 4, Oct., 2001, pp. 473-477.3. Whei-Min Lin, Chin-Der Yang, Jia-Hong, Ming-Tong Tsaj. A Fault Classification Method by RBF Neural Network With OLS Learning Procedure.// IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 16.No. 4, Oct., 2001, pp. 473-477.

4. РД 34.020.179 (ТИ-34-70-070-87). Типовая инструкция по компенсации емкостного тока замыкания на землю в электрических сетях 6-35 кВ. Союзтехэнерго, Москва. 1988 г.4. RD 34.020.179 (TI-34-70-070-87). Typical instruction for compensation of capacitive earth fault current in electric networks 6-35 kV. Soyuztekhenergo, Moscow. 1988 year

5. Кадомская К.П., Качесов В.Е., Лавров Ю.А., Овсянников А.Г., Сахно В.А. Диагностика и мониторинг кабельных сетей средних классов напряжения.// Электротехника №11, 2000, с.48-51.5. Kadomskaya K.P., Kachesov V.E., Lavrov Yu.A., Ovsyannikov A.G., Sakhno V.A. Diagnostics and monitoring of cable networks of medium voltage classes. // Electrical Engineering No. 11, 2000, p. 48-51.

6. Качесов В.Е., Ларионов В.Н., Овсянников А.Г. О результатах мониторинга перенапряжений при однофазных дуговых замыканиях на землю в распределительных кабельных сетях.// Электрические станции, №8, 2002, с.38-45.6. Kachesov V.E., Larionov V.N., Ovsyannikov A.G. On the results of monitoring overvoltages during single-phase arc faults to earth in distribution cable networks. // Electrical stations, No. 8, 2002, p. 38-45.

Claims (1)

Способ распознавания однофазного дугового замыкания на землю и поврежденной фазы в распределительных сетях с резонансно заземленной нейтралью, заключающийся в регистрации фазных напряжений сети и их последующем анализе, отличающийся тем, что в указанном анализе определяют производные фазных напряжений и сопоставляют их знаки, при их совпадении и величинах производных, превышающих уставку - удвоенное значение максимума производной линейного напряжения сети - определяют действующие фазные напряжения за время 2 мс с момента достижения уставки последней производной фазного напряжения, находят отношение действующего напряжения со средним значением (U_cp) к минимальному (U_мин) и, если это отношение больше коэффициента К (U_cp/U_мин >К), определяемого по выражению К=[3,17+0,067(К_L-30)]К_з - для коэффициента компенсации емкости сети К_L от 30 до 100% и К=[7,86-0,067(К_L-100)]К_з - для К_L от 100 до 130%, где К_з≅ 0,8 - 0,9 - некоторый коэффициент запаса, принимаемый несколько меньшим 1, регистрируют это замыкание, при подсчете двух и более таких замыканий фиксируют однофазное дуговое замыкание и по минимальному действующему напряжению U_мин -поврежденную фазу.A method for recognizing a single-phase arc earth fault and a damaged phase in distribution networks with a resonantly grounded neutral, which consists in registering the phase voltage of the network and their subsequent analysis, characterized in that the derivatives of the phase voltages are determined in this analysis and their signs are compared, if they coincide and values derivatives exceeding the set point - twice the maximum value of the derivative of the line voltage of the network - determine the effective phase voltage for a time of 2 ms from the moment of reaching rate derivative last phase voltage are RMS voltage ratio with the average value (U _cp) to the minimum (U _min) and, if this ratio is larger than the coefficient K (U _cp / U _min> K) defined by the expression K = [3,17 +0.067 (K _L -30)] K _s - for the compensation coefficient of the network capacity K _L from 30 to 100% and K = [7.86-0.067 (K _L -100)] K _s - for K _L from 100 to 130 %, where K _s ≅ 0.8 - 0.9 - a certain safety factor, taken somewhat less than 1, register this fault, when calculating two or more such faults, fix a single-phase arc fault and at the minimum acting voltage U _{min -} damaged phase.

Images