ipolytechiPolytech JournaliPolytech Journal2782-40042782-6341Irkutsk National Research Technical University10.21285/1814-3520-2022-1-53-69ipolytech-576Research ArticleЭНЕРГЕТИКАPOWER ENGINEERINGКомбинированная релейная защита от замыканий на землю в электросетях 6–10 кВCombined ground-fault relay protection in 6–10 kV power gridshttps://orcid.org/0000-0002-8624-0894ДмитриченкоВ. И.DmitrichenkoV. I.

Дмитриченко Виктор Иванович - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры электроснабжения  и возобновляемых источников энергии.

050013, Алматы, ул. Байтурсынулы 126/1

Viktor I. Dmitrichenko - Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Associate Professor of the Department of Power  Supply and Renewable Energy Sources.

126/1 Baytursynuli St., Almaty 050013

dmitrichenko7103@uoel.ukhttps://orcid.org/0000-0002-8781-9080НиД. А.NiD. A.

Ни Дмитрий Александрович – магистрант.

050013, Алматы, ул. Байтурсынулы 126/1

Dmitriy A. Ni - Master’s Degree Student.

126/1 Baytursynuli St., Almaty 050013

d.ni@nanyang-uni.comhttps://orcid.org/0000-0002-6589-7352ДжетписовМ. А.DzhetpisovM. A.

Джетписов Мерей Айназарович - магистрант.

050013, Алматы, ул. Байтурсынулы 126/1

Merey A. Dzhetpisov - Master’s Degree Student.

126/1 Baytursynuli St., Almaty 050013

jetpissov@lund-univer.euhttps://orcid.org/0000-0003-0682-5348БауржанБ.BaurzhanB.

Бауржан Бегжан – магистрант.

050013, г. Алматы, ул. Байтурсынулы 126/1

Begzhan Baurzhan - Master’s Degree Student.

126/1 Baytursynuli St., Almaty 050013

baurzhan@u-tokio.euАлматинский университет энергетики и связи им. Г. ДаукееваКазахстанAlmaty University of Power Engineering and Telecommunications named after Gumarbek DaukeevKazakhstan2022050420222615369Copyright © Дмитриченко В.И., Ни Д.А., Джетписов М.А., Бауржан Б., 20222022Дмитриченко В.И., Ни Д.А., Джетписов М.А., Бауржан Б.Dmitrichenko V.I., Ni D.A., Dzhetpisov M.A., Baurzhan B.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ipolytech.elpub.ru/jour/article/view/576

Цель работы – анализ технических решений по комбинированным системам релейной защиты от замыканий на землю в распределительных электросетях 6–10 кВ. Для объектов электрических сетей напряжением 6–10 кВ были использованы простые виды релейной защиты: максимальная токовая защита и токовая отсечка. С помощью сравнительного анализа были изучены наиболее распространенные алгоритмы для релейных защит от однофазных замыканий на землю. Метод моделирования позволил составить схему автоматического включения резерва. Построены алгоритмы работы релейной защиты и автоматики, при этом были учтены свойства участка электрической сети и особенности возможных режимов работы. В электросетях 6–10 кВ установлен рост повреждаемости кабельных линий с устаревшей ослабленной изоляцией. Определено, что длительная работа сети при однофазном замыкании на землю не допускается, поскольку возможны двойные замыкания на землю вследствие увеличения напряжения неповрежденных фаз относительно земли в √3 раз. Выполненные расчеты по оценке селективности и чувствительности токовой защиты селективной нулевой последовательности показали на ограниченное применение (из-за недостаточной чувствительности) этой защиты от однофазных замыканий на землю в ряде случаев. Исследованы преимущества схемных решений, когда в качестве пусковых органов защиты используются электромагнитные и индукционные реле, а в качестве логических элементов – современные малогабаритные элементы в виде микросхем с электронной обвязкой. Установлено, что предложенные решения могут быть использованы организациями энергосбыта для повышения надежности и безаварийности распределительных сетей 6–10 кВ с минимальными капиталовложениями в систему релейной защиты. Представленный анализ систем и устройств релейных защит от однофазных замыканий на землю позволяет заключить, что наиболее проблемными являются электросети с изолированной нейтралью. Использование упрощенных схемных решений комбинированных систем защиты позволит увеличить ремонтопригодность, упростить обслуживание устройств релейной защиты и автоматики за счет их открытости.

In the present work, engineering decisions for combined ground-fault relay protection in 6–10 kV power grids are addressed. For objects in electrical grids having a voltage of 6–10 kV, simple relay protection was used: overcurrent protection and current cutoff. The most common algorithms for single phase-to-earth fault relay protection were analysed and compared. The modelling allowed a scheme for automatic transfer switch to be designed. Operation algorithms of relay protection and automatics were established, considering the properties of an electrical grids section and the characteristics of possible operating conditions. In 6–10 kV electrical grids, an increase in the damage rate of cable lines with outdated thinned insulation was revealed. It was determined that long-term grid operation under a single phase-to-earth fault should be avoided since double earth faults may occur due to an increase in the voltage of healthy phases relative to earth by √3 times. The calculations performed to evaluate selectivity and sensitivity of the current protection of selective zero-sequence showed limited application (due to the insufficient sensitivity) of such protection from single phase-to-earth fault in some cases. The advantages of circuit designs, which use electromagnetic and inductive relays as protection fault detectors, and advanced compact elements in the form of microcircuits with electronic interconnection as logical elements, were investigated. It is established that the proposed solutions can be used by energy providers to increase the reliability and fail-safety of 6–10 kV distribution networks with the minimum capital expenditures to relaying systems. The presented analysis of systems and devices for phase-to-earth fault relay protection showed that power grids having isolated neutrals are the most problematic in terms of maintenance. Simplified circuit designs for combined protection circuits can be used for facilitating the maintenance of relaying devices and automatics due to their openness.

линиирелейная защитасхемные решениямикроэлектронная базамикропроцессорный терминалкольцевые электрические схемыlinesrelay protectioncircuit solutionsmicroelectronic basemicroprocessor terminalring electrical circuitsReferencesAbdelaziz A. Y., Ibrahim A. M., Mansour M. M., Talaat H. E. Modern approaches for protection of series compensated transmission lines // Electrical Power Systems Research. 2005. Vol. 75. Iss. 1. P. 85–98. https://doi.org/10.1016/j.epsr.2004.10.016.Abdelaziz A. Y., Ibrahim A. M., Mansour M. M., Talaat H. E. Modern approaches for protection of series compensated transmission lines. Electrical Power Systems Research. 2005;75(1):85-98. https://doi.org/10.1016/j.epsr.2004.10.016.Hewitson L., Brown M., Balakrishnan R. Practical power systems protection. Oxford: Burlington, 2018. 288 р.Hewitson L., Brown M., Balakrishnan R. Practical power systems protection. Oxford: Burlington, 2018. 288 р.Prévé C. Protection of electrical networks. Chippenham: Antony Rowe Ltd, 2006. 276 р.Prévé C. Protection of electrical networks. Chippenham: Antony Rowe Ltd; 2006, 276 р.Brahma S. M., Girgis A. A. Fault location on a transmission line using synchronized voltage measurements // IEEE Transactions on Power Delivery. 2004. Vol. 19. Iss. 4. P. 1619–1622. https://doi.org/10.1109/ TPWRD.2003.822532.Brahma S. M., Girgis A. A. Fault location on a transmission line using synchronized voltage measurements. In: IEEE Transactions on Power Delivery. 2004;19(4):16191622. https://doi.org/10.1109/TPWRD.2003.822532.Das B., Reddy J. V. Fuzzy-Logic-Based fault classification scheme for digital distance protection // IEEE Transactions on Power Delivery. 2005. Vol. 20. Iss. 2. P. 609– 616. https://doi.org/10.1109/TPWRD.2004.834294.Das B., Reddy J. V. Fuzzy-logic-based fault classification scheme for digital distance protection. IEEE Transactions on Power Delivery. 2005;20(2):609-616. https://doi.org/10.1109/TPWRD.2004.834294.Babu K. V., Tripathy M., Singh A. K. Recent techniques used in transmission line protection: a review // International Journal of Engineering, Science and Technology. 2011. Vol. 3. No. 3. Р. 73–80. https://doi. org/10.4314/ijest.v3i3.68416.Babu K. V., Tripathy M., Singh A. K. Recent techniques used in transmission line protection: a review. International Journal of Engineering, Science and Technology. 2011;3(3):73-80. https://doi.org/10.4314/ijest.v3i3.68416.Blackburn J. L., Domin T. J. Protective relaying: principles and applications. Paris: CRC Press, 2016. 647 р.Blackburn J. L., Domin T. J. Protective relaying: principles and applications. Paris: CRC Press; 2016, 647 р.Илюшин П. В. Особенности реализации делительной автоматики на генерирующих установках объектов распределенной генерации // Релейная защита и автоматика энергосистем 2017: матер. междунар. выставки и конф. (г. Санкт-Петербург, 25–28 апреля 2017 г.). СПб., 2017. С. 18–25.Ilyushin P. V. Implementation features of out-of-step automatics on generating installations of distributed generation facilities. In: Releinaya zaschita i avtomatika energosistem: мateriali mejdunarodnoi vistavki i konferencii = Relay Protection and Automation for Electric Power Systems: мaterials of the International exhibition and conference. St. Petersburg; 2017, p. 18-25. (In Russ.).Barsali S., Ceraolo M., Pelacchi P., Poli D. Control techniques of dispersed generators to improve the continuity of electricity supply // IEEE Power Engineering Society Winter Meeting: Conference Proceedings (New York, 27–31 January 2002). New York: IEEE, 2002. Vol. 2. P. 789–794. https://doi.org/10.1109/PESW.2002.985115.Barsali S., Ceraolo M., Pelacchi P., Poli D. Control techniques of dispersed generators to improve the continuity of electricity supply. In: IEEE Power Engineering Society Winter Meeting: Conference Proceedings. 27–31 January 2002, New York. New York: IEEE; 2002, vol. 2, p. 789-794. https://doi.org/10.1109/PESW.2002.985115.Илюшин П. В., Королев Я. М., Симонов А. В. Комплексный подход к моделированию устройств РЗ и ПА, расчету уставок и анализу правильности их работы // Релейная защита и автоматизация. 2017. № 3. С. 13–19.Ilyushin P., Korolev Y., Simonov A. Comprehensive approach of simultaneous analysis of relay protection and emergency automatics: threshold calculation and performance assessment. Relejnaya zashchita i avtomatizaciya. 2017;3:13-19. (In Russ.).Sachdev M. S., Das R., Apostolov A., Holbach J., Sidhu T., Appleyard J. C., et al. Understanding microprocessor-based technology applied to relaying // IEEE PES Power System Relaying Committee. 2004. Vol. 2. P. 54–60.Sachdev M. S., Das R., Apostolov A., Holbach J., Sidhu T., Appleyard J. C., et al. Understanding microprocessor-based technology applied to relaying. IEEE PES Power System Relaying Committee. 2004;2:54-60.Coury D. V., Oleskovicz M., Aggarwal R. K. An ANN routine for fault detection, classification, and location in transmission lines // Electric Power Components and Systems. 2002. Vol. 30. Iss. 11. Р. 1137–1149. https://doi.org/10.1080/15325000290085433.Coury D. V., Oleskovicz M., Aggarwal R. K. An ANN routine for fault detection, classification, and location in transmission lines. Electric Power Components and Systems. 2002;30(11):1137-1149. https://doi.org/10.1080/15325000290085433.Silva K. M., Neves W. L. A., Souza B. A. Distance protection using a wavelet-based filtering algorithm // Elecrical Power Systems Research. 2010. Vol. 80. Iss. 1. P. 84–90. https://doi.org/10.1016/j.epsr.2009.08.012.Silva K. M., Neves W. L. A., Souza B. A. Distance protection using a wavelet-based filtering algorithm. Elecrical Power Systems Research. 2010;80(1):84-90. https://doi.org/10.1016/j.epsr.2009.08.012.Pradhan A. K. Intelligent techniques for transmission line fault classification // Computational Intelligence in Power Engineering. Studies in Computational Intelligence / eds. B. K. Panigrahi, A. Abraham, S. Das. Vol. 302. Berlin, Heidelberg: Springer, 2010. https://doi.org/ 10.1007/978-3-642-14013-6_3.Pradhan A. K. Intelligent techniques for transmission line fault classification. In: Panigrahi B. K., Abraham A., Das S. (eds.). Computational Intelligence in Power Engineering. Studies in Computational Intelligence. Vol. 302. Berlin, Heidelberg: Springer; 2010. https://doi.org/10.1007/978-3-642-14013-6_3.Martin F., Aguado J. A. Wavelet-based ANN approach for transmission line protection // IEEE Transactions on Power Delivery. 2003. Vol. 18. Iss. 4. P. 1572–1574. https://doi.org/10.1109/TPWRD.2003.817523.Martin F., Aguado J. A. Wavelet-based ANN approach for transmission line protection. IEEE Transactions on Power Delivery. 2003;18(4):1572-1574. https://doi.org/10.1109/TPWRD.2003.817523.Novosel D., Bachmann B., Hart D., Hu Yi, Saha M. M. Algorithms for locating faults on series compensated lines using neural network and deterministic methods // IEEE Transactions on Power Delivery. 1996. Vol. 11. Iss. 4. P. 1728–1736. https://doi.org/10.1109/61.544250.Novosel D., Bachmann B., Hart D., Hu Yi, Saha M. M. Algorithms for locating faults on series compensated lines using neural network and deterministic methods. IEEE Transactions on Power Delivery. 1996;11(4):1728-1736. https://doi.org/10.1109/61.544250.Kezunović M., Rikalo I., Šobajić D. J. High-speed fault detection and classification with neural nets // Electric Power Systems Research. 1995. Vol. 34. Iss. 2. P. 109– 116. https://doi.org/10.1016/0378-7796(95)00962-X.Kezunović M., Rikalo I., Šobajić D. J. High-speed fault detection and classification with neural nets. Electric Power Systems Research. 1995;34(2):109-116. https://doi.org/10.1016/0378-7796(95)00962-X.Gurevich V. T. Technological advance in relay protection: dangerous tendencies // Електротехніка i Електромеханіка. 2012. No. 2. P. 33–37.Gurevich V. T. Technological advance in relay protection: dangerous tendencies. Elektrotehnіka i Elektromehanіka. 2012;2:33-37.Coury D. V., Jorge D. C. Artificial neural network approach to distance protection of transmission lines // IEEE Transactions on Power Delivery. 1998. Vol. 13. Iss. 1. P. 102–108. https://doi.org/108.10.1109/61.660861.Coury D. V., Jorge D. C. Artificial neural network approach to distance protection of transmission lines. IEEE Transactions on Power Delivery. 1998;13(1):102-108. https://doi.org/108.10.1109/61.660861.Bansal B. R. Power system protection in smart grid environment / 1st Edition. Boca Raton: CRC Press, 2019. 636 р. https://doi.org/10.1201/9780429401756.Bansal B. R. Power system protection in smart grid environment. Boca Raton: CRC Press; 2019, 636 р. https://doi.org/10.1201/9780429401756.Eissa M. M., Masoud M. A novel digital distance relaying technique for transmission line protection // IEEE Transactions on Power Delivery. 2001. Vol. 16. Iss. 3. P. 380–384. https://doi.org/10.1109/61.924814.Eissa M. M., Masoud M. A novel digital distance relaying technique for transmission line protection. In: IEEE Transactions on Power Delivery. 2001;16(3):380-384. https://doi.org/10.1109/61.924814.Варганов П. Г., Паршиков Н. В., Иванов Н. А., Юрнова А. К. Система непрерывной диагностики электромеханический панелей РЖД для обеспечения наблюдаемости и повышения надежности их работы // Релейная защита и автоматика энергосистем 2017: матер. междунар. выставки и конф. (г. Санкт-Петербург, 25–28 апреля 2017 г.). СПб., 2017. С. 850–853.Varganov P. G., Parshikov N. V., Ivanov N. A., Yurnova A. K. Continuous diagnostics system for Russian Railways electromechanical panels to ensure observability and improve their operation reliability. In: Releinaya zaschita i avtomatika energosistem: мateriali mejdunarodnoi vistavki i konferencii = Relay Protection and Automation for Electric Power Systems: мaterials of the International exhibition and conference. St. Petersburg; 2017, p. 850-853. (In Russ.).Дунаев В. Ю. Новый способ надежной защиты шин среднего напряжения // Релейная защита и автоматика энергосистем 2017: матер. междунар. выставки и конф. (г. Санкт-Петербург, 25–28 апреля 2017 г.). СПб., 2017. С. 142–152.Dunaev V. Yu. A new method of reliable protection of medium voltage buses In: Releinaya zaschita i avtomatika energosistem: мateriali mejdunarodnoi vistavki i konferencii = Relay Protection and Automation for Electric Power Systems: мaterials of the International exhibition and conference. St. Petersburg; 2017, p. 142-152. (In Russ.).Gurevich V. Electronic devices on discrete components for industrial and power engineering. Boca Raton: CRC Press, 2008. 432 р.Gurevich V. Electronic devices on discrete components for industrial and power engineering. Boca Raton: CRC Press; 2008, 432 р.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.