Моделирование сложных повреждений в электрических сетях, примыкающих к тяговым подстанциям

Цель исследований заключалась в разработке цифровых моделей, позволяющих корректно определять параметры режимов работы электрических сетей, примыкающих к тяговым подстанциям, при сложных повреждениях. Для достижения поставленной цели использовался подход, основанный на мультифазном представлении элементов электроэнергетических систем в фазных координатах и реализованный в программном комплексе Fazonord AC–DC. Были рассмотрены следующие виды сложных повреждений: обрыв провода с падением его на грунт, соединение двух фаз с землей в разных точках линии электропередачи, подключенной к трансформатору с изолированной нейтралью, и два одновременных коротких замыкания в сети. Результаты моделирования подтвердили необходимость корректного учета тяговой сети при определении режимов сложных повреждений. Для сравнения были выполнены аналогичные расчеты при ее отсутствии. Для режима обрыва провода и соединения его с грунтом отличия между результатами расчетов с учетом тяговой сети и при ее отключении составили 11%. В ситуации двойного замыкания на землю различие по токам линий электропередач достигало 13%. При одновременных коротких замыканиях в сети с изолированной нейтралью аналогичный параметр равнялся 22%. Разработаны цифровые модели электроэнергетических систем, которые позволяют корректно определять параметры режима при сложных повреждениях с учетом влияния тяговой сети. Их применение при проектировании и эксплуатации высоковольтных электрических сетей позволит осуществлять точную настройку устройств релейной защиты и автоматики, что приведет, в свою очередь, к снижению ущербов от аварий и сокращению времени перерывов в электроснабжении потребителей электроэнергии.

1. Жданов П.С. Вопросы устойчивости энергетических систем. М.: Энергия, 1979. 456 с.

2. Shi Xiu Feng, Mu Shi Guang. Research on measures to improve stability of the power system // Applied Mechanics and Materials. 2015. Vol. 742. P. 648–652. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.742.648.

3. Guliyev H.B., Tomin N.V., Ibrahimov F.S. Methods of intelligent protection from asymmetrical conditions in electric networks // Sustainable Development and Smart Management, ENERGY-21E3S: Web of Conferences ( Irkutsk, 7–11 September 2020). Irkutsk: EDP Sciences, 2020. Vol. 209. Iss. 13. Р. 07004. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202020907004. EDN: ZGGGCU.

4. Авербух А.М. Примеры расчетов неполнофазных режимов и коротких замыканий. Л.: Энергия, 1979. 184 с.

5. Bermúdez J., Leanez F., Alvarez M., Khodr H.M. A generalized methodology based on symmetrical components for multiple-fault calculation in power systems // Electric Power Components and Systems. 2009. Vol. 37. Iss. 10. P. 1081–1101. https://doi.org/10.1080/15325000902954003.

6. Youssef K.H., Abouelenin F.M. Analysis of simultaneous unbalanced short circuit and open conductor faults in power systems with untransposed lines and six-phase sections // Alexandria Engineering Journal. 2016. Vol. 55. Iss. 1. P. 369–377. https://doi.org/10.1016/j.aej.2016.01.020.

7. Etezadi-Amoli M. Simultaneous fault simulation using the generalized method of fault analysis // The Proceedings of the Twenty-First Annual North American Power Symposium (Rolla, 9 October 1989). Rolla, 1989. P. 188–191. https://doi.org/10.1109/NAPS.1989.7709.

8. Perzyński T., Levoniuk V., Figura R. Transient electromagnetic processes analysis in high voltage transmission lines during two-phase short circuits // Sensors. 2023. Vol. 23. Iss. 1. Р. 298. https://doi.org/10.3390/s23010298. EDN: QYKTTN.

9. Kai T., Funabashi T. A new method for the analysis of cross-country multifaults in a double-circuit transmission line // Electrical Engineering in Japan. 1993. Vol. 113. Iss. 6. P. 48–60. https://doi.org/10.1002/eej.4391130605.

10. Ou Ting-Chia. A novel unsymmetrical faults analysis for microgrid distribution systems // International Journal of Electrical Power and Energy Systems. 2012. Vol. 43. Iss. 1. P. 1017–1024. https://doi.org/10.1016/j.ijepes.2012.05.012.

11. Talaq J. Fault calculations using three terminal Thevenin’s equivalent circuit // International Journal of Electrical Power and Energy Systems. 2011. Vol. 33. Iss. 8. P. 1462–1469. https://doi.org/10.1016/j.ijepes.2011.06.027.

12. Heringer W.R., Cordeiro M.A.M., Paye J.C.H., Sousa A.L., Leão A.P., Vieira J.P.A., et al. Reproduction of a high impedance double line-to-ground fault using real oscillography data // IEEE PES Transmission and Distribution Conference and Exhibition - Latin America. 2020. https://doi.org/10.1109/TDLA47668.2020.9326209.

13. Jia Qi, Dong Xinzhou, Shi Shenxing, He Xin. Non-communication protection for single-phase-to-ground fault feeder in neutral non-effectively grounded distribution system // IEEE Power and Energy Society General Meeting. 2018. https://doi.org/10.1109/PESGM.2018.8586136.

14. Качанов А.Н., Чернышов В.А., Королева Т.Г. Автоматический перевод двойных замыканий на землю в однофазные как способ повышения эффективности функционирования сетей 6-10 кВ // Электрические сети: надежность, безопасность, энергосбережение и экономические аспекты: матер. III Междунар. науч.-практ. конф. (г. Казань, 19 апреля 2023 г.). Казань: КГЭУ, 2023. С. 23–30. EDN: KMUKVZ.

15. Budahs M., Rozenkrons J., Staltmanis A. Thermal stability of cables metallic covers in the case of double earth faults in middle voltage networks // IEEE Russia Power Technology: Conference. 2005. https://doi.org/10.1109/PTC.2005.4524581.

16. Rezapour H., Jamali S., Bahmanyar A. Review on artificial intelligence-based fault location methods in power distribution networks // Energies. 2023. Vol. 16. Iss. 12. Р. 4636. https://doi.org/10.3390/en16124636.

17. Pourahmadi-Nakhli M., Safavi A.A. Path characteristic frequency-based fault locating in radial distribution systems using wavelets and neural networks // IEEE Transactions on Power Delivery. 2011. Vol. 26. Iss. 2. P. 772–781. https://doi.org/10.1109/TPWRD.2010.2050218.

18. Thukaram D., Khincha H.P., Vijaynarasimha H.P. Artificial neural network and support vector machine approach for locating faults in radial distribution systems // IEEE Transactions on Power Delivery. 2005. Vol. 20. Iss. 2. P. 710–721. https://doi.org/10.1109/TPWRD.2005.844307.

19. Rafinia A., Moshtagh J. A new approach to fault location in three-phase underground distribution system using combination of wavelet analysis with ANN and FLS // International Journal of Electrical Power and Energy Systems. 2014. Vol. 55. P. 261–274. https://doi.org/10.1016/j.ijepes.2013.09.011.

20. Huang Lei, Zhang Xianwen, Yan Peng, Han Lu, Long Xiaohui. Design and optimization of distribution network short circuit fault location algorithm based on DTU and FPI // International Conference on Power, Electrical Engineering, Electronics and Control. 2023. P. 886–890. https://doi.org/10.1109/PEEEC60561.2023.00173.

21. Goudarzi М., Vahidi B., Naghizadeh R.A., Hosseinian S.H. Improved fault location algorithm for radial distribution systems with discrete and continuous wavelet analysis // International Journal of Electrical Power and Energy Systems. 2015. Vol. 67. Iss. 4. P. 423–430. https://doi.org/10.1016/j.ijepes.2014.12.014.

22. Shi Shenxing, Zhu Beier, Lei Aoyu, Dong Xinzhou. Fault location for radial distribution network via topology and reclosure-generating traveling waves // IEEE Transactions on Smart Grid. 2019. Vol. 10. Iss. 6. P. 6404–6413. https://doi.org/10.1109/TSG.2019.2904210.

23. Xie Liwei, Luo Longfu, Li Yong, Zhang Yu, Cao Yijia. A traveling wave-based fault location method employing VMD-TEO for distribution network // IEEE Transactions on Power Delivery. 2020. Vol. 35. Iss. 4. P. 1987–1998. https://doi.org/10.1109/TPWRD.2019.2959188.

24. Kulikov A.L., Osokin V.J., Obalin M.D. Improving accuracy the fault location on transmission line 6–35 kV for double earth fault // International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (Moscow, 15–18 May 2018). Moscow: Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2018. Р. 8728607. https://doi.org/10.1109/ICIEAM.2018.8728607. EDN: PGYMCG.

25. Zheng Rong-jin, Lin Xiangning, Zhao Feng, Bo Zhiqian. A novel single-ended fault location method for locating double-phase to earth faults // IEEE Power and Energy Society General Meeting. 2011. https://doi.org/10.1109/PES.2011.6039005.

26. Rozenkrons J., Staltmanis A. Middle voltage cable power lines relay protection against double ground faults influence to power supply reliability // Electric Power Quality and Supply Reliability. 2012. https://doi.org/10.1109/PQ.2012.6256224.

27. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Сложнонесимметричные режимы электрических систем: монография. Иркутск: ИрГУПС, 2005. 273 с. EDN: PTVITA.

28. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Моделирование систем тягового электроснабжения постоянного тока на основе фазных координат: монография. М.: Директ-Медиа, 2023. 156 с. EDN: LIJPRI.

29. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Моделирование сложных повреждений в электрических сетях на основе фазных координат // Системы. Методы. Технологии. 2010. № 2. С. 46–52. EDN: NEAKFR.