probenerИзвестия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИPower engineering: research, equipment, technology1998-99032658-5456Kazan State Power Engineering University10.30724/1998-9903-2025-27-4-42-55probener-3475Research ArticleЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКАELECTRICITYИсследование диагностических параметров режима однофазных замыканий на землю в электросетях 10 кВStudy of mode recognition in 10 kV cable networks for organizing protection against single-phase ground faultsКуликовА. Л.KulikovA. L.

Куликов Александр Леонидович – д-р техн. наук, профессор кафедры«Электроэнергетика, электроснабжение и силовая электроника»

г. Нижний Новгород

Alexander L. Kulikov

Nizhny Novgorod

 

inventor61@mail.ruСтаршовИ. С.StarshovI. S.

Старшов Иван Сергеевич – магистрант кафедры «Электроэнергетика, электроснабжение и силовая электроника»

г. Нижний Новгород

 

Ivan S. Starshov

Nizhny Novgorod

inventor61@mail.ruНижегородский государственный технический университет им. Р.Е. АлексееваРоссияNizhny Novgorod State Technical University R.E. Alekseev (NNSTU)Russian Federation2025070920252744255Copyright © Куликов А.Л., Старшов И.С., 20252025Куликов А.Л., Старшов И.С.Kulikov A.L., Starshov I.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.energyret.ru/jour/article/view/3475Актуальность

Актуальность. Распределительные электрические сети обладают наибольшей протяженностью в энергосистеме России, при этом самым распространённым типом повреждения в них является однофазное замыкание на землю. Селективное выявление повреждённой кабельной линии поможет избежать перетекания однофазного замыкания на землю в двухфазное и трёхфазное, что повысит надёжность электроснабжения потребителей.

Цель

Цель. Многопараметрический способ защиты от однофазных замыканий на землю использует несколько параметров электрических величин для определения режима сети, что позволяет сделать защиту селективной и более чувствительной. Разные параметры электрических величин могут представлять различную ценность для задачи распознавания режима. Целью исследования является изучение параметров токов и напряжений, которые могут быть использованы для релейной защиты от однофазных замыканий на землю, а также анализ возможности распознавания режима сети по различным информационным параметрам.

Методы

Методы. Для получения статистики о возможных режимах использовалось имитационное моделирование кабельной сети 10 кВ в программном комплексе Matlab в пакете расширения Simulink. Полученные в результате моделирования значения токов и напряжений нулевой последовательности обрабатывались с применением дискретного преобразования Фурье с целью фильтрации гармоник и получения их квадратурных составляющих.

Результаты

Результаты. Предложены упрощенные структурно-функциональные схемы пусковых органов защиты от однофазных замыканий на землю. Установлено, что зависимости параметров электрических величин на графиках отображают области, различные для внутренних и внешних установившихся однофазных замыканиях на землю и дуговых перемежающихся однофазных замыканиях на землю. Дополнительно выявлено, что области существования различных режимов имеют взаимные пересечения.

Выводы

Выводы. Результаты исследования могут быть использованы для реализации многопараметрической защиты в распределительных сетях 6–35 кВ.

Relevance

Relevance. Distribution networks account for the largest share of Russia's power grid. The most common fault type in these networks is a single-phase ground fault. Selective identification of the faulty cable line can prevent its escalation into a three-phase fault, improving power supply reliability.

Purpose

Purpose. A multiparameter method of ground fault protection uses several electrical quantities to determine the network mode. This method makes the protection selective and more sensitive. Different electrical quantities are of different value for the mode recognition task. The goal of the research is to study the parameters of current and voltage that are used for relay protection. Investigation of the ability to recognize network mode based on this parameters.

Methods

Methods. We obtained statistics by using simulation modeling of the cable network in the Matlab software package in the Simulink expansion package in all possible modes. And then we used discrete Fourier transform of the full period to obtain filtred harmonics and quadrature components of the values of zero-sequence currents and voltages.

Results

Results. The article describes the block and functional diagrams of measuring elements that uses the dependencies of electrical quantities are proposed. The article determines the areas formed by electrical quantities on the graph in different modes such as internal and external steady-state single-phase ground faults and arc intermittent single-phase ground faults. The graph consists of the dependence of two electrical quantities. It was also revealed that the areas of different modes have mutual intersections.

Conclusions

Conclusions. The results of the study are suitable for the implementation of multiparameter protection.

защита от замыкания на землюизолированная нейтральмногопараметрическая защитадискретное преобразование Фурьедуговое перемежающееся однофазное замыкание на землюоднофазное замыкание на землюраспознавание режимground fault protectionisolated neutralmultiparameter protectiondiscrete Fourier transformintermittent arc single-phase ground faultsingle-phase ground faultmode recognitionReferencesФедотов А.И., Ахметвалеева Л.В., Басыров Р.Ш., и др. Нормирование амплитуды высших гармоник при определении фидера с однофазным замыканием на землю // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2020. Т. 22. № 1. С.58-68.Fedotov A.I., Akhmetvaleeva L.V., Basyrov R.S., et al. Rating of amplitudes of high harmonics in determining feeder with single-phase ground fault. Power engineering: research, equipment, technology. 2020; 22(1): 58-68. (In Russ.) doi.org/10.30724/1998-9903-2020-22-1-58-68Федотов А.И., Вагапов Г.В., Абдуллазянов А.Ф., и др. Цифровая система мониторинга повреждений на линиях электропередачи // Известия высших учебных заведений. П роблемы энергетики. 2021; Т. 23. № 1. С. 146-155.Fedotov A.I., Vagapov G.V., Abdullazyanov A.F., et al. Digital power lines faults monitoring system. Power engineering: research, equipment, technology. 2021; 23(1):146-155. (In Russ.) https://doi.org/10.30724/1998-9903-2021-23-1-146-155Achitaev A.A., Suslov K.V., Volkova I.O., et al. Development of an algorithm for identifying single-phase ground fault conditions in cable and overhead lines in the networks with isolated neutral // Energy Reports. 2023. Vol. 9. pp. 1079-1086.Achitaev A.A., Suslov K.V., Volkova I.O., et al. Development of an algorithm for identifying single-phase ground fault conditions in cable and overhead lines in the networks with isolated neutral. Energy Reports. 2023; 9:1079-1086. doi:10.1016/j.egyr.2023.01.046Toader D., Solea C., Vesa D., et al. Analysis of the possibilities of selective detection of a single line-to-ground fault in a medium voltage network with isolated neutral // Energies. 2021. Vol. 14. N 21. pp. 7019.Toader D., Solea C., Vesa D., et al. Analysis of the possibilities of selective detection of a single line-to-ground fault in a medium voltage network with isolated neutral. Energies. 2021;14(21):7019. doi:10.3390/en14217019Kachesov V., Lebedev A., Kitova E. Monitoring in 6–35 kV power networks, location of singlephase ground fault and detection of fault feeder // International Journal of Electrical Power & Energy Systems. 2023. Vol. 152. pp. 109271-109271.Kachesov V., Lebedev A., Kitova E. Monitoring in 6–35 kV power networks, location of singlephase ground fault and detection of fault feeder. International Journal of Electrical Power & Energy Systems. 2023;152:109271-109271. doi:10.1016/j.ijepes.2023.109271Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрическ их сетях 6–10 кВ. М.: НТФ «Энергопрогресс», 2001. 104 с.Shuin V.A., Gusenkov A.V. Zashchity ot zamykanii na zemlyu v elektricheskikh setyakh 6–10 kV. Moscow: NTF «Energoprogress», 2001. (In Russ).Борухман, В.А. Об эксплуатации селективных защит от замыканий на землю в сетях 6-10 кВ и мероприятиях по их совершенствованию // Энергетик. 2000, № 1. С. 20–22.Borukhman, V.A. Ob ekspluatatsii selektivnykh zashchit ot zamykanii na zemlyu v setyakh 6-10 kV i meropriyatiyakh po ikh sovershenstvovaniyu. Energetik. 2000; 1:20–22. (In Russ).Андреев, В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения. М.: Высшая школа, 2006. 639 с.Andreev, V.A. Releinaya zashchita i avtomatika sistem elektrosnabzheniya. Moscow: Vysshaya shkola, 2006. (In Russ).Воробьева Е.А., Добрягина О.А., Шадрикова Т.Ю. Способ повышения эффективности функционирования адмитансной защиты от замыканий на землю в кабельных сетях 6–10 кВ с изолированной нейтралью // Вестник ИГЭУ. № 4. С. 58-68.Shuin V.A., Vorobyova E.A., Dobryagina O.A., et al. A way to increase the operating efficiency of admittance earth fault protection in 6–10 kV cable networks with isolated neutral. Vestnik IGEU. 2018;4:20–22. (In Russ). doi: 10.17588/2072-2672.2018.4.020-030Шуин В.А. Начальные фазовые соотношения электрических величин переходного процесса при замыканиях на землю в кабельных сетях 6-10 кВ // Электричество. 1991, № 10. С. 58-61.Shuin V.A. Nachal'nye fazovye sootnosheniya elektricheskikh velichin perekhodnogo protsessa pri zamykaniyakh na zemlyu v kabel'nykh setyakh 6-10 kV. Elektrichestvo. 1991;10:58-61.Шуин В.А., Кутумов Ю.Д., Кузьмина Н.В., и др. Моделирование кабельных линий напряжением 6–10 кВ при расчетах переходных процессов при замыканиях на землю // Вестник ИГЭУ. 2021. № 5. С. 30-40.Shuin V.A., Kutumov Yu.D., Kuzmina N.V., et al. Simulation study of 6–10 kV cable lines for transient processes calculation during earth faults. Vestnik IGEU. 2021; 5:30-40. doi: 10.17588/2072-2672.2021.5.030-040Воробьева Е.А., Шуин В.А. Анализ достоверности эквивалентных моделей кабельных сетей 6-10 кВ для расчета переходных процессов при однофазных замыканиях на землю // Материалы международной научно-технической конференции: (XVIII Бенардосовские чтения); 27–29 мая 2015 г., Иваново. Иваново: ИГЭУ. С. 456–460.Vorobyova E.A., Shuin V.A. Analiz dostovernosti ekvivalentnykh modelei kabel'nykh setei 6-10 kV dlya rascheta perekhodnykh protsessov pri odnofaznykh zamykaniyakh na zemlyu. In: Mezhdunarodnyi nauchno-tekhnicheskaya konferentsiya: (XVIII Benardosovskie chteniya); 27–29 May 2015; Ivanovo, Russia. Ivanovo Publ., 2015. pp. 456–460. (In Russ).Воробьева Е.А., Шуин В.А. Оценка точности эквивалентных моделей кабельных сетей 6-10 кВ для расчета переходных процессов при однофазных замыканиях на землю // Труды VI международной научно-технической конференции. Том 2. 09–13 ноября 2015 г., Иваново. Иваново: ИГЭУ. С. 63–66.Vorobyova E.A., Shuin V.A. Otsenka tochnosti ekvivalentnykh modelei kabel'nykh setei 6-10 kV dlya rascheta perekhodnykh protsessov pri odnofaznykh zamykaniyakh na zemlyu In: VI mezhdunarodno nauchnaya-tekhnicheskaya konferentsiya. Tom 2; 09–13 Nov 2015; Ivanovo, Russia. Ivanovo Publ., 2015. pp. 63–66. (In Russ).Maksimova M.N., Antonov V.I., Soldatov A.V., et al. Сonversion of intermittent arc fault currents to information signals for phase-to-ground fault protection // Power Technology and Engineering. 2022. Vol. 56. N 2. pp. 290-294.Maksimova M.N., Antonov V.I., Soldatov A.V., et al. Сonversion of intermittent arc fault currents to information signals for phase-to-ground fault protection. Power Technology and Engineering. 2022;56(2):290-294. doi: 10.1007/s10749-023-01508-wKuliński K., Heyduk A. Ground fault in medium-voltage power networks with an isolated neutral point: spectral and wavelet analysis of selected cases in an example industrial network modeled in the atp-emtp package // Energies. 2024. Vol. 17. N 7. pp. 1532.Kuliński K., Heyduk A. Ground fault in medium-voltage power networks with an isolated neutral point: spectral and wavelet analysis of selected cases in an example industrial network modeled in the atp-emtp package. Energies. 2024;17(7):1532. doi:10.3390/en17071532Куликов А.Л., Мисриханов М.Ш. Введение в методы цифровой релейной защиты высоковольтных ЛЭП. Учеб. пособие. – М.: Энергоатомиздат, 2007. – 198 с.Kulikov A.L., Misrikhanov M.Sh. Vvedenie v metody tsifrovoi releinoi zashchity vysokovoltnykh LEP. Moscow: NTF «Energoatomizdat», 2007. (In Russ).

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