Определение мест повреждения - Индукционные методы ОМП для линий, включенных в сеть

8.3. ИНДУКЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ОМП ДЛЯ ЛИНИЙ, ВКЛЮЧЕННЫХ В СЕТЬ
В сетях, работающих с изолированной нейтралью, индукционные методы используются как для выделения поврежденного элемента сети, так и для отыскания места однофазного замыкания на землю (033). В этих сетях в отличие от сетей с глухозаземленной нейтралью значение тока замыкания на землю не зависит от расположения МП. При глухом (металлическом) 033 ток замыкания на землю определяется рабочим напряжением и емкостью электрически связанной сети для любого МП.
В режиме с изолированной нейтралью в СССР работают высоковольтные сети 3, б, 10, 20 и 35 кВ. В некоторых странах в таком режиме работают и сети более высоких напряжений (например, в Японии до 275 кВ).
При изолированной нейтрали 033 не меняет режима электроснабжения токоприемников, поскольку треугольник линейных (междуфазных) напряжений не изменяется. Однако режим 033 нежелателен, так как возможны следующие явления:

1. переход в двухфазное замыкание на землю в той же точке (для КЛ это явление называют «пережог», имея в виду выгорание междужильной изоляции от теплового действия тока 033);
2. переход в двойное замыкание на землю (в разных точках сети) за счет так называемых дуговых перенапряжений;
3. возникновение опасных напряжений прикосновения и шага с возможностью поражения людей и животных.

Поэтому стремятся к максимальному сокращению длительности режима 033. В условиях достаточно высокой вероятности поражения людей (в шахтах, на торфяных предприятиях, при использовании высоковольтных передвижных строительных механизмов) устанавливают защиты от 033, действующие на отключения без выдержки времени. В сетях, питающихся непосредственно от генераторов, допускается работа в режиме 033 не более двух часов.
Для анализа методов индукционного поиска МП целесообразно сначала рассмотреть распределение токов в режиме установившегося 033. На рис. 8.21, а приведена принципиальная трехлинейная схема сети с изолированной нейтралью. Для упрощения показаны только одна из неповрежденных линий ί (индекс ί отражает возможность
произвольного числа неповрежденных линий) и поврежденная линия 1.

Рис. 8.21. Распределение токов (а) и напряженности магнитного поля (б) при однофазном замыкании на землю.

До возникновения повреждения по всем фазам всех линий протекали емкостные токи на землю. Причем суммы фазных токов, одинаковых по модулю и сдвинутых между собой на 120°, равнялись нулю. Токи нулевой последовательности отсутствовали.
При металлическом замыкании фазы В линии 1 на землю распределение емкостных токов показано на рис. 8.21, а. В поврежденной фазе В всех линий емкостного тока нет, так как напряжение этой фазы относительно земли равно нулю. В двух других фазах неповрежденных линий емкостные токи увеличатся в √3 раз, так как в √3 раз возрастут напряжения этих фаз относительно земли.          

На соотношении (8.11) и основана селективная сигнализация ОЗЗ в разветвленных сетях 6—10 кВ с изолированной нейтралью.
На ТП в местах разветвлений КЛ устанавливаются кольцевые трансформаторы тока нулевой последовательности, а на ВЛ — три однофазных трансформатора, соединенных по схеме фильтра токов нулевой последовательности [2]. Ток нулевой последовательности подается на максимальное токовое реле. Уставка реле с необходимым коэффициентом запаса превышает собственный ток F0t линии, так что срабатывание имеет место только при ОЗЗ на данной линии или на расположенных за ней (считая от центра питания) разветвлениях.
При отсутствии стационарной земляной сигнализации на КЛ используются специальные токоизмерительные клещи, состоящие из двух разжимающихся половинок кольцевого измерительного трансформатора тока нулевой последовательности. Охватывая клещами кабель ниже концевой разделки, фиксируют ток ί0. После замера на всех отходящих направлениях по условию (8.11) легко выявить направление в сторону места ОЗЗ.

Оперативная бригада, перемещаясь от узла сети к узлу, устанавливает участок линии, в начале которого протекает суммарный ток I0∑, приводящий к срабатыванию стационарного максимального токового реле, а в конце — только собственный ток I0i (стационарное реле не срабатывает). В кабельных сетях этот участок выделяется коммутационной аппаратурой, в воздушных продолжается поиск места 033 непосредственно на трассе линии. При этом индикация напряженности магнитного поля токов осуществляется индукционным датчиком, располагаемым на безопасном расстоянии от линии.
При расстоянии датчика от оси ВЛ, в несколько раз превышающем расстояние между фазными проводами, он фиксирует наводимую ЭДС, пропорциональную в первом приближении току нулевой последовательности линии (если сравнительно малы токи нагрузки). Однако даже при достаточно симметричных токах нагрузки магнитное поле этих токов оказывает мешающее влияние. Дело в том, что при геометрической сумме токов, равной нулю, магнитный поток от них содержит составляющую нулевой последовательности, так как провода разнесены в пространстве. Этот мешающий магнитный поток складывается с магнитным потоком от емкостных токов и затрудняет поиск МП. Чем больше токи нагрузки и чем ближе точка замера к продольной оси ВЛ, тем больше это мешающее воздействие.
Поэтому для поиска МП при 033 на ВЛ в переносных устройствах, использующих токи промышленной частоты, применяется специальная компенсация влияния нагрузочных токов [77]. Измеряют сумму сигналов от двух магнитных датчиков, расположенных вертикально и горизонтально. Непосредственно под линией регулируют токи датчиков, добиваясь компенсации влияния токов нагрузки, а затем, сохраняя настройку, производят измерения в других точках. Однако компенсация не дает существенного улучшения условий измерения на промышленной частоте. Расположение проводов, расстояние между ними, высота подвеса, изменяющиеся вдоль трассы даже одной и той же линии, ориентация датчика относительно проводов влияют на условия компенсации. Поэтому приборы, использующие токи промышленной частоты для трассового поиска МП на ВЛ в сетях с изолированной нейтралью, нашли весьма ограниченное применение (приборы ОМЗ-1).
Еще хуже обстоит дело с использованием измерения токов нулевой последовательности промышленной частоты при наличии устройств компенсации емкостных токов. 

Дугогасящая катушка включается в Нулевую точку сети, как это показано пунктиром на рис. 8.21, а. При 033 индуктивный ток дугогасящей катушки, сдвинутый по фазе на 180° относительно емкостного тока сети, компенсирует последний в МП.
При резонансной настройке , где LK — индуктивность катушки; C0i — емкость поврежденной линии; — емкость всей электрически связанной сети.
Результирующий ток нулевой последовательности в начале поврежденной линии
При настройке, близкой к резонансной, этот ток может стать меньше собственного емкостного тока отдельной линии: (8.12).
Определить направление в сторону повреждения по значению тока нулевой последовательности не представляется возможным Делать же повышенную расстройку дугогасящей катушки нецелесообразно, так как при этом повышается вероятность перехода однофазного замыкания в многофазное КЗ.
Более эффективным как для определения , поврежденного направления в кабельных и воздушных сетях, так и для поиска места 033 на трассе ВЛ является использование магнитных полей высших гармонических токов в линиях Как показано в [78], распределение высших гармонических токов 033 аналогично распределению токов промышленной частоты (рис. 8.21, а). При этом дугогасящая катушка, настроенная на основную гармонику, не только не компенсирует токов высших гармоник в поврежденной линии, но и повышает чувствительность, генерируя дополнительные токи высших гармоник.
Не создают практически существенного мешающего воздействия и составляющие высших гармоник в нагрузочных токах. Как показано в [79], независимо от наличия компенсации емкостных токов и значений нагрузок ток 3I0п в начале поврежденной линии примерно в  раз больше собственного тока 3i0i,n неповрежденной линии. Здесь п — номер гармоники, равный 3, 5, 7, 9, 11, 13 и т. д. На рис. 8.21, б показано распределение напряженности Н магнитного поля фазных токов высших гармонических для трех сечений, перпендикулярных к оси ВЛ. В сечении S1 для начального участка поврежденной линии ток i3 в поврежденном проводе В больше равных между собой по абсолютным значениям токовВ сечении S2 для участка этой же линии после МП ток в поврежденной фазе В равен нулю, а в двух других фазах модули токов равны между собой. В сечении S3 на неповрежденной линии картина аналогичная. Таким образом, по относительному уровню фазных токов высших гармоник (или пропорциональным им напряженностям поля) можно судить о направлении к месту ОЗЗ.
Для выделения поврежденного элемента и в кабельных и воздушных сетях нашли применение стационарные устройства, реагирующие на величины, пропорциональные токам высших гармонических (или сумме гармоник) нулевой последовательности и фазным токам высших гармонических. Для отыскания МП на трассе ВЛ пока используются практически только составляющие нулевой последовательности. Использование магнитного поля фазных токов высших гармоник требует определенной пространственной ориентации датчика относительно каждого провода. Приближение датчика к проводу не должно существенно превышать расстояния между фазными проводами. Это усложняет условия по соблюдению техники безопасности. Однако реагирование на фазные токи имеет ряд преимуществ, так как обеспечивает относительный, а не абсолютный замер (что упрощает процесс поиска) и более высокую чувствительность в сетях из двух-трех ВЛ, когда одна из них имеет существенно большую длину.
В последнем случае практически не удается удовлетворить условию (8.11), относительный же замер для фазных токов достаточно чувствителен.
Возникновение высших гармоник тока 033 обусловлено наличием нелинейных элементов в электрической сети и главным образом нелинейностью вольт-амперных характеристик силовых трансформаторов. Чем выше номер гармоники, тем больше относительный уровень этой гармоники в токе 033 по сравнению с уровнем в токе нагрузки. Как показано в [79], в кабельных и воздушных сетях б—35 кВ уровень высших гармоник вполне обеспечивает необходимые условия чувствительности и селективности поиска МП в подавляющем большинстве случаев. При 033 через значительные (сравнимые с емкостным сопротивлением сети) переходные сопротивления напряжение на поврежденном проводе линии уже не равно нулю, напряжение смещения нулевой точки сети становится меньше, чем фазное напряжение. Соответственно уменьшается токи, протекающие по линиям, хотя соотношения для токов поврежденной и неповрежденных линий сохраняются. С ростом частоты (номера η-гармоники) чувствительность к возрастанию переходных сопротивлений снижается, так как уменьшается емкостное сопротивление сети. 

Для использования направленных устройств в процессе ОМП приходится кроме токов подводить к приборам и напряжения. Иными словами, необходима также индикация электрической напряженности единого электромагнитного поля линии. В РУ для этой цели используются измерительные трансформаторы напряжения (для высших гармоник с соответствующими фильтрами). На трассе ВЛ используются штыревые антенны.