probenerИзвестия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИPower engineering: research, equipment, technology1998-99032658-5456Kazan State Power Engineering University10.30724/1998-9903-2026-28-2-122-133probener-3885Research ArticleЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКАELECTRICITYПрименение преобразования Кларк для защиты от однофазных замыканий на землюUsing the Clarke transform for protection against single-phase-to-ground faultsКуликовА. Л.KulikovA. L.

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева

Alexander L. Kulikov

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

Старшов Иван Сергеевич – аспирант

Ivan S. Starshov

ivanstarsh@yandex.ruНижегородский государственный технический университет им. Р.Е. АлексееваРоссияNizhny Novgorod State Technical University R.E. Alekseev (NNSTU)Russian Federation202614062026282122133Copyright © Куликов А.Л., Старшов И.С., 20262026Куликов 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/3885

АКТУАЛЬНОСТЬ. Однофазные замыкания на землю остаются одними из самых часто встречающихся повреждений в распределительных электрических сетях с изолированной нейтралью. Серьезную опасность для электрооборудования энергосистемы представляют дуговые перемежающиеся однофазные замыкания на землю, в связи с переходными процессами, протекающими в сети при таких повреждениях. Длительное протекание токов однофазного замыкания на землю в кабельной линии вызывает нагрев и переход в междуфазное короткое замыкание. Разработка быстродействующей и селективной релейной защиты позволит предотвратить ущерб и обеспечит надёжное электроснабжение потребителей. ЦЕЛЬ. Для повышения быстродействия защиты применяется преобразование Кларк, позволяющее объединить мгновенные значения трех фазных токов для получения информационного признака повреждения. Необходима разработка пускового органа релейной защиты от однофазных замыканий на землю с использованием преобразования Кларк и определение свойств получившегося пускового органа. МЕТОДЫ. Программный комплекс Matlab с пакетом расширения Simulink был применён для имитационного моделирования осциллограмм токов в различных режимах электрической сети с изолированной нейтралью. Результаты моделирования позволили разработать пусковой орган защиты, использующий преобразование Кларк и обладающий повышенным быстродействием. РЕЗУЛЬТАТЫ. Разработана упрощенная структурно-функциональная схема пускового органа защиты от однофазных замыканий на землю. Проведено оценочное сравнение по чувствительности с используемой в сетях релейной защитой. Чувствительность разработанного органа защиты при дуговых перемежающихся однофазных замыканиях на землю превышает аналогичные существующие технические решения. ВЫВОДЫ. Результаты исследования перспективны для создания новой защиты от однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью, использующей преобразование Кларк.

RELEVANCE. Single-phase-to-ground faults remain one of the most common types of damage in distribution networks with isolated neutral. Arc-ing, intermittent single-phase-to-ground faults pose a serious threat to the power system's electrical equipment due to the transient processes occurring in the network during such faults. The prolonged flow of single-phase-to-ground fault currents in a cable line causes heating and can lead to a phase-to-phase short circuit. The development of high-speed and selective relay protection will prevent damage and ensure a reliable power supply to consumers. PURPOSE. To improve protection speed, the Clarke transform is applied, which combines the instantaneous values of the three phase currents to obtain an informational feature of a fault. It is necessary to develop a starting unit for single-phase-to-ground fault protection using the Clarke transform and to determine the properties of the resulting starting unit. METHODS. The Matlab software suite with the Simulink extension package was used for simulation modeling of current oscillograms under various operating conditions of an electrical network with an isolated neutral. The simulation results allowed for the development of a protection starting unit that utilizes the Clarke transform and features increased speed. RESULTS. A simplified structural and functional diagram of a starting unit for protection against single-phase-to-ground faults has been developed. A comparative sensitivity assessment was conducted with relay protection currently used in networks. The sensitivity of the developed protection unit during arc-ing intermittent single-phase-to-ground faults exceeds that of existing similar technical solutions. CONCLUSIONS. The research results are promising for creating new protection against single-phase-to-ground faults in networks with an isolated neutral, utilizing the Clarke transform.

защита от замыкания на землюизолированная нейтральпреобразование Кларкдуговое перемежающееся однофазное замыкание на землюоднофазное замыкание на землюEarth fault protectionisolated neutralClarke transformintermittent arcing single-phase-to-ground faultsingle-phase-to-ground faultReferencesФедотов 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/10.30724/1998-9903-2020-22-1-58-68Шуин В.А., Шадрикова Т.Ю., Кузьмина Н.В., и др. Многопараметрическая токовая защита от замыканий на землю в сетях 6–10 кВ с изолированной нейтралью// Вестник ИГЭУ. 2025.№1. С. 40-46.Shuin V.A., Shadrikova T.YU., Kuz'mina N.V., et al. Mnogoparametricheskaya tokovaya zashchita ot zamykanii na zemlyu v setyakh 6–10 kV s izolirovannoi neitral'yu// Vestnik IGEU. 2025. 1:40–46. (In Russ). doi: 10.17588/2072-2672.2018.4.020-030Шуин В.А., Воробьева Е.А., Добрягина О.А., и др. Способ повышения эффективности функционирования адмитансной защиты от замыканий на землю в кабельных сетях 6–10 кВ с изолированной нейтралью // Вестник ИГЭУ.2018. №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: 10.17588/2072-2672.2018.4.020-030Куликов 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).Куликов А.Л., Севостьянов А.А., Ильюшин П.В. Оценка искажений напряжения в системах электроснабжения промышленных предприятий // Электричество. 2024 №5. С. 32-48.Kulikov A.L., Sevost'yanov A.A., Il'yushin P.V. Assessment of Voltage Distortions in Power Supply Systems of Industrial Enterprises. Elektrichestvo. 2024; 5:32–48. (In Russ). doi:10.24160/0013-5380-2024-5-32-48Федотов А.И., Вагапов Г.В., Абдуллазянов А.Ф., и др. Цифровая система мониторинга повреждений на линиях электропередачи // Известия высших учебных заведений. Проблемы 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/10.30724/1998-9903-2021-23-1-146-155Шуин 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. (In Russ). doi: 10.17588/2072-2672.2021.5.030-040Куликов А.Л., Старшов И.С. Исследование диагностических параметров режима однофазных замыканий на землю в электросетях 10 кВ // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2025.Т.27№4.С.42-55.Kulikov A.L., Starshov I.S. Study of mode recognition in 10 kV cable networks for organizing protection against single-phase ground faults. Power engineering: research, equipment, technology. 2025;27(4):42-55. (In Russ.). doi:10.30724/1998-9903-2025-27-4-42-55Воробьева 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).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. 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. N21. 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 single-phase 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 single-phase 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 электрических 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).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. 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/en17071532Борухман, 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).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. N2. 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-wЛихачёв Ф.А. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов. М.: Энергия, 1971. 152 с.Likhachev F.A. Zamykaniya na zemlyu v setyakh s izolirovannoi neitral'yu i s kompensatsiei emkostnykh tokov. Moscow: Energiya, 1971. (In Russ).

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