ПРИМЕНЕНИЕ ВЕЙВЛЕТ-ПРЕОБРАЗОВАНИЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВРЕЖДЕННОГО ПРИСОЕДИНЕНИЯ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ 35 КВ

В распределительных сетях напряжением 6–35 кВ с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор (ДГР), после установления факта однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) осуществляется «поиск земли» – поиск поврежденного фидера, который занимает продолжительное время. Этот поиск часто сопровождается кратковременными отключениями потребителей и перенапряжениями, что приводит к риску повреждения других фидеров. На поиск отводится 2 часа – за это время дуговое замыкание с высокой вероятностью переходит в двух- или трехфазное.

Эта проблема охватывает практически все распределительные сети, так как принципы действия защит от ОЗЗ в большинстве случаев не удовлетворяют требованиям чувствительности и селективности. Выполнение простых токовых защит от ОЗЗ, реагирующих на установившиеся токи, вызывает затруднения – при полной компенсации емкостного тока отличить поврежденное присоединение от неповрежденных невозможно ни по модулям токов, ни по фазовым сдвигам.

Особую опасность дуговые перемежающиеся ОЗЗ, сопровождающиеся значительными перенапряжениями по всей электрически связанной сети, представляют в кабельных сетях собственных нужд электростанций и систем электроснабжения промпредприятий из-за возможности переходов в двойные и многоместные замыкания, сопровождающихся повреждением и отключением от релейной защиты двух и более электродвигателей. Поэтому повышение эффективности защит от этого вида повреждений – актуальная задача.

К настоящему времени предложено множество способов селективного определения поврежденного присоединения, однако, на практике большинство из них демонстрируют ограниченную применимость. Настоящий доклад посвящен задаче повышения чувствительности метода переходных токов. Сравнение переходных токов отмечается как  перспективное в целом ряде публикаций  [1, 2, 3] и  открывает широкие перспективы за счет микропроцессорной реализации [4] сложных алгоритмов анализа цифровых сигналов, позволяя выявлять развивающиеся замыкания [5] и замыкания через большие переходные сопротивления [6, 7, 8]. В частности, открывается возможность применения вейвлет-анализа [9] как наиболее совершенного из спектральных методов цифрового анализа сигналов. Наиболее перспективным представляется объединение методов анализа переходных токов с методом оценки проводимости сети при однофазном замыкании [10, 11, 12]. Для анализа характеристик метода была выбрана схема сети 35 кВ из восьми фидеров (присоединений П1– П8) с отличающимися параметрами (Рисунок 1). Первые два фидера – кабельные, с изоляцией из сшитого полиэтилена длиной 3 и 5 км. Следующие шесть фидеров – воздушные линии длиной от 5 до 30 км. Предусмотрена возможность расчета как транспонированных, так и нетранспонированных ВЛ, что позволит проанализировать влияние несимметрии параметров сети. Суммарный емкостный ток сети составляет 60 А, что требует мощности компенсации 1210 кВА.

Замыкание на землю моделируется активным сопротивлением, отражающим сопротивление дуги и переходное сопротивление в месте ОЗЗ. Варьирование этого сопротивления позволяет определить границы чувствительности алгоритма к замыканиям через большие переходные сопротивления. Места замыканий выбираются в конце присоединений в фазе А. Различные длины (и способ выполнения) присоединений позволяют проанализировать работу алгоритма при различных собственных частотах первой стадии переходного процесса – волнового разряда поврежденной линии.

Расчеты выполнялись для случаев ОЗЗ на всех фидерах. В докладе приведены расчетные осциллограммы для повреждения в конце фидера П3. На Рисунке 2 представлены расчетные осциллограммы напряжений на шинах при перемежающемся дуговом замыкании в фазе А. Моделировалось 8 последовательных дуговых замыканий с различным поведением. Семь из восьми замыканий происходили в максимум напряжения на поврежденной фазе, но при различных значениях этого максимума. Пятое по счету замыкание осуществлялось при напряжении, примерно равном половине максимального напряжения, что создавало апериодическую составляющую в токе ОЗЗ. Гашение дуги для этой составляющей затягивалось на 0,3 с, до тех пор, пока ток в месте ОЗЗ не переходил через ноль. На Рисунке 2 видно медленное восстановление напряжения на поврежденной фазе после гашения дуги, что свидетельствует об идеальной настройке реактора (с расстройкой компенсации в пределах 1%).

На Рисунке 3 показаны в двух масштабах ток реактора iр и остаточный ток в месте замыкания iз. Хорошо видна апериодическая составляющая при пятом  замыкании. Шестое и седьмое замыкание следуют одно за другим с интервалом 20 мс, после седьмого замыкания ток долго не гаснет. Броски токов, хорошо заметные на Рисунке 3а, вызваны волновым процессом, сопровождающим замыкание фазы линии.

На Рисунках 4–6 показаны токи в фазах присоединений после первого замыкания. Рисунок 6 наглядно иллюстрирует принцип определения поврежденного фидера по максимуму переходного тока. Ток в фазе А поврежденного фидера П3 более чем в 3 раза превышает наибольший пик тока в других присоединениях. Однако, этот метод работоспособен только в случае большого числа примерно одинаковых фидеров и не работает в схемах с малым количеством фидеров разной длины.

а – в полном масштабе; б – с детализацией токов на частоте собственных колебаний схемы

 

 

Из рисунков также следует вывод о различном частотном составе переходных процессов в присоединениях. Для каждого фидера имеется помимо составляющей 50 Гц еще две частоты – общая частота собственных колебаний сети (416 Гц) и более высокие частоты, вызванные колебаниями в отдельных линиях.

Анализ токов нулевой последовательности в поврежденном и неповрежденном фидере показал, что они в значительной степени противофазны, однако, эта противофазность не идеальна и не сохраняется длительное время. Поэтому необходима дополнительная обработка сигналов для однозначного выявления поврежденного фидера.

Результаты применения вейвлет-преобразований представлены выборочно для двух присоединений. На Рисунке 7 показаны коэффициенты трех доминирующих частот для присоединений П1 и П3. Видно, что частота

50 Гц является малоинформативной, частота 1377 Гц зашумлена, а частота 416 Гц идеально выделяет поврежденный фидер. Вейвлет-коэффициенты строго противоположны друг другу по знаку, что можно использовать как критерий. Сам же вейвлет-коэффициент на частоте 416 Гц максимален по значению, что позволяет легко выявлять его по сигналу поврежденной фазы.

Сделанные выводы подтверждаются и на других присоединениях. Если коэффициенты оказываются разного порядка по значению, то в этом случае прекрасно работает метод максимальных амплитуд переходных токов, поэтому оба метода следует использовать в дополнение друг к другу.

Было отмечено сильное затухание в токах нулевой последовательности при росте переходного сопротивления в месте замыкания. Однако, даже в случае почти апериодического характера переходного тока в течение первого периода колебаний вейвлет-коэффициенты поврежденного и неповрежденного фидеров строго противоположны друг другу по знаку. Именно это обстоятельство и классифицировано как основа алгоритма, уточняющего метод максимальных амплитуд переходного тока.

Выводы

1.   Проведенный анализ на имитационной модели сети показал, что метод амплитуд переходных токов является простым способом определения поврежденного фидера. Однако, этот метод недостаточно надежен в случае, если сеть содержит незначительное число фидеров различной длины. Для расширения возможностей алгоритмической селекции поврежденных присоединений предложено использовать алгоритмы вейвлет-анализа сигналов токов нулевой последовательности на основании вейвлета Mhat.

2.   Результаты применения вейвлет-преобразований показали, что в сети доминируют коэффициенты на трех частотах, при этом информативной является только частота собственных колебаний сети. Именно для этой частоты во всех случаях вейвлет-коэффициент разложения временного сигнала имеет максимальное значение. Вейвлет-коэффициенты строго противоположны друг другу по знаку, что можно использовать как критерий. Сделанные выводы справедливы для всех рассмотренных присоединений. В ряде случаев сильной разницы между емкостями присоединений (КЛ или ВЛ) коэффициенты оказываются разного порядка по значению. Но при этом прекрасно работает метод максимальных амплитуд переходных токов, поэтому оба метода следует использовать в дополнение друг к другу.

3.   Предложенный критерий позволяет локализовать поврежденный фидер в течение первого периода собственной частоты колебаний схемы, т.е. быстрее, чем за период промышленной частоты. Вместо амплитуды переходного тока также можно использовать вейвлет-коэффициент; фидер, в котором он максимален, – есть поврежденный фидер.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (уникальный идентификатор Соглашения – RFMEFI57714X0096).

 

Список литературы

1.     Abdel-Fattah M.F., Lehtonen M. A New Transient Current Based Centralized Selectivity Algorithm for Earth Faults in Isolated and Compensated Neutral MV Networks // Proceedings of the 44th International Universities Power Engineering Conference (UPEC), 2009

2.     Abdel-Fattah M.F., Lehtonen M. Transient-Based Protection as a Solution for Earth-Fault Detection in Unearthed and Compensated Neutral Medium Voltage Distribution Networks // Electric Power Quality and Supply Reliability Conference (PQ), 2010

3.     Abdel-Fattah M.F., Lehtonen M. A Novel Transient Current-Based Differential Algorithm for Earth Fault Detection in Medium Voltage Distribution Networks // Journal of Energy and Power Engineering, No. 6, 2012.

4.     Sortomme E. Microgrid Protection Using Communication-Assisted Digital Relays // IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 25, No. 4, 2010, PP. 2789 – 2796.

5.     Kulkarni S. Time-Domain Algorithm for Locating Evolving Faults // IEEE Transactions on Smart Grid, Vol. 3, No. 4, 2012, PP. 1584 – 1593.

6.     Elkalashy N.I. Modeling and Experimental Verification of a High Impedance Arcing Fault in Medium Voltage Networks // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol. 14, No. 2, 2007, PP. 375 – 383.

7.     Gautam, S. Detection of High Impedance Fault in Power Distribution Systems Using Mathematical Morphology // IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 28, No. 2, 2013, PP. 1226 – 1234.

8.     Abdel-Fattah M.F., Lehtonen M. The Effect of Fault Resistance on the Earth Fault Characteristics in Unearthed and Compensated Neutral Medium Voltage Networks // Electric Power Quality and Supply Reliability Conference (PQ), 2012

9.     Lehtonen M. Bayesian Selectivity Technique for Earth Fault Protection in Medium-Voltage Networks // IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 25, No. 4, 2010, PP. 2234 – 2245.

10. Wahlroos A., Altonen J. Compensared Networks and Admittance Based Earth Fault Protection // Seminar "Methods and techniques for earth fault detection, indication and location", Kaunas University of Technology and Aalto University, 15th February, 2011.

11. Siirto O., Loukkalahti M., Hyvarinen M., Heine P., Lehtonen M. Neutral Point Treatment and Earth Fault Suppression // Electric Power Quality and Supply Reliability Conference (PQ), 2012

12. Easy Admittance. The Ultimate Earth-Fault Protection Function for Compensated Networks // ABB Review, No. 2, 2013