Приведены результаты спектрального анализа высших гармоник при однофазных замыканиях на землю в распределительных сетях напряжением 10 кВ на примере понижающей подстанции 35/10 кВ. Исследования выполнены на основе приближенного аналитического решения уравнений переходного процесса при замыканиях на землю и математического моделирования на ЭВМ с применением системы Matlab — Simulink. Сформулированы достоинства и недостатки данного дистанционного метода определения однофазного замыкания на землю.
Ключевые слова: электрические сети среднего напряжения 10 кВ, однофазное замыкание на землю, Matlab — Simulink
Эксперименты, проведенные на различных электросетевых объектах 6–35 кВ, показали наличие ряда гармоник в емкостном токе ОЗЗ. Как правило, наиболее выражены нечетные гармоники ряда 3, 5, 7, 11…37 на частотах от 50 Гц до 3,5 кГц, этот ряд гармоник вносит вклад в создание результирующего сигнала, доля которых может составить свыше 50 %. Для выделения составляющих выраженных частот в токе и напряжениях при ОЗЗ применяют спектральный анализ [1, 3].
Реализация данного метода стала возможна с развитием микропроцессорных защит. Суть метода состоит в регистрации высших гармоник (ВГ), путем определения большого значения остаточного тока в месте замыкания на землю. При ОЗЗ сопротивление «здоровых» фаз включаются на линейное, из-за этого гарантируется появление гармоник в земле, так как потенциал для них ниже, чем для тока основной частоты [2].
Необходимо учитывать фазу искаженной нулевой последовательности в точке ОЗЗ, так как она является естественным источником тока ОЗЗ. ВГ напряжения или тока имеют результирующие значение, которое равно квадратному корню из суммы квадратов составляющих разной частоты [4].
Так же есть вероятность проявления резонансных явлений (как по току, так и по напряжению) на отдельных элементах системы электроснабжения.
Опираясь на вышеизложенное, можно сказать, что значения гармонических напряжений, даже относительно малые, могут привести к существенному значению составляющей тока при ОЗЗ [3].
Учитывая тот факт, что в компенсированных сетях с ДГР компенсируется только основная гармоника емкостного тока замыкания 
в поврежденной фазе, ВГ остаются нескомпенсированными и ток 
содержит их [5]. Для сигнализации и выявления тока 
выпускают устройства сигнализации УСЗ-2/2, УСЗ-3М, «Паук», которые позволяют лишь определить поврежденное присоединение, и «Поиск», «Волна», «Зонд», «Спектр», приборы способные отыскать место ОЗЗ [1, 2].
Шуиным А. В. в [5] была предложена двухчастотная схема радиальной сети 6–10 кВ для анализа переходных процессов при ОЗЗ двух основных частотных составляющих — разрядной (связанной с разрядом емкостей поврежденной фазы) 
и зарядной (связанной с подзарядом емкостей неповрежденных фаз) 
.
Рис. 1. Двухчастотная схема замещения радиальной сети 6–10 кВ для анализа переходных процессов при ОЗЗ
(1)
(2)
(3)
где: 
— принужденная составляющая переходного напряжения 
;
— разрядная составляющая напряжения ;
— зарядная составляющая напряжения ;
— амплитуда составляющей напряжения промышленной частоты на поврежденной фазе;
— напряжение смещения нейтрали сети в момент пробоя изоляции;
— частота разрядных колебаний;
— частота зарядных колебаний;
— постоянная затухания разрядных колебаний;
— постоянная затухания зарядных колебаний.
(4)
(5)
(6)
Частоты , и постоянные затухания 
разрядных и зарядных колебаний определяются из следующих уравнений:
(7)
(8)
(9)
(10)
где: 
Переходный ток ОЗЗ в месте повреждения для сети с изолированной нейтралью пропорционален производной напряжения :
(11)
(12)
(13)
где: 
Таким образом получив значения параметров переходного процесса и диапазон из изменения при ОЗЗ можно определить поврежденное присоединение.
Достоинством метода является:
− без отключения линии;
− применим ко всем видам ЛЭП.
Недостатки метода:
− соизмеримые показатели разрядной и зарядной составляющих переходных процессов при большой удаленности от места замыкания.
Построена и промоделирована имитационная модель современной ПС-35/10 кВ с отходящими линиями. Найдены токи нулевой последовательности, а также проведен спектральный анализ высших гармоник линии на разных участках при однофазных замыканиях на землю. На рис. 2–4 представлены токи нулевой последовательности на разных участках линии. По результатам исследования можно сказать что, ток нулевой последовательности и время переходного процесса в начале выше, чем в конце. По максимальным точкам на рис. 5 построим распределение тока нулевой последовательности относительно расстояния линии.
Спектральный анализ высших гармоник представлен на рис. 6–8 появления «всплеска» высших гармоник указывает на наличие в сети однофазного замыкания на землю. С помощью показаний блока FFTANALYSIS можно определить в какой части моделируемой линии произошло ОЗЗ.
Рис. 2. Имитационная модель ПС-35/10 кВ с отходящими линиями
Рис. 3. Временная диаграмма тока нулевой последовательности в начале линии
Рис. 4. Временная диаграмма тока нулевой последовательности в середине линии
Рис. 5. Временная диаграмма тока нулевой последовательности конце линии
Рис. 6. Спектральный анализ высших гармоник в начале линии
Рис. 7. Спектральный анализ высших гармоник в середине линии
Рис. 8. Спектральный анализ высших гармоник в конце линии
Литература:
- Абдуллазянов Р. Э. Методика обнаружения места повреждения при однофазных замыканиях на землю в распределительных электрических сетях напряжением 6–35 кВ по их частотных характеристикам: дис. канд. техн. наук: 05.09.03 — Электротехнические комплексы и системы / Абдуллазянов Рустэм Эдвардович; рук. работы А. И. Федотов. — Казань: Казанский гос. энергетический ун-т, 2013. — 183 с.
- Добрягина О. А. Исследование и разработка методов и средств повышения динамической устойчивости функционирования токовых защит от замыканий на землю в сетях 6–10 кВ: дис. канд. техн. наук: 05.14.02 — Электрические станции и электроэнергетические системы / Добрягина Ольга Александровна; рук. работы В. А. Шуин. — Иваново: Ивановский гос. энергетический ун-т им. В. И. Ленина, 2012. — 176 с.
- Шуин В. А. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6–10 кВ / В. А. Шуин, А. В. Гусенков // — М.: НТФ «Энергопрогресс». Библиотечка электротехника; Вып. 11 (35). 2001. — 104 с.
- Шуин В. А. Расчеты высших гармоник в токе замыкания на землю на математических моделях компенсированных сетей 6–10 кВ / Т. Ю. Винокурова, В. А. Шуин, Е. С. Шагурина // Электроэнергетика глазами молодежи: науч. Тр. IV междунар. науч.-техн. конф. Т. 2. — Новочеркасск: Лик. — 2013. — С. 211–215.
- Шуин В. А. Требования к чувствительности защит от однофазных замыканий на землю на основе высших гармоник / В. А. Шуин, Е. С. Шагурина, Т. Ю. Винокурова // Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем. — 2013.
