СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВРЕЖДЕННЫХ ФАЗ И ВИДА ПОВРЕЖДЕНИЯ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ Российский патент 1994 года по МПК H02H3/26 H02H7/26 

Изобретение относится к электротехнике, конкретно к релейной защите и системной автоматике, и может быть использовано в дистанционной защите, устройствах автоматического повторного включения, определителях места повреждения.

Известен способ выбора поврежденных фаз путем измерения симметричных составляющих токов и сравнения их по фазе.

Из-за влияния нагрузочных токов, особенно на прямую последовательность, этот способ недостаточно селективен.

Для повышения селективности определяют аварийные слагающие токов, равные разности токов нового (аварийного) и старого (доаварийного) режимов. Данный способ реализован в ряде устройств, где также применяются аварийные слагающие токов и путем их преобразования выявляют поврежденные фазы линии электропередачи.

Однако, одни лишь угловые соотношения между чисто аварийными токами прямой и обратной последовательности не дают четкого разграничения различных замыканий, так как малые токи прямой и обратной последовательности, обусловленные погрешностями соответствующих фильтров, могут дать отношение, аргумент которого принадлежит какому угодно угловому сектору. Известные недостатки присущи и самой процедуре разделения прямой и обратной последовательностей. Это инерционность фильтров симметричных составляющих и их частотная погрешность.

Известен способ выявления поврежденных фаз, не связанный с разделением прямой и обратной последовательностей, который также базируется на аварийных слагающих токов, но не на симметричных составляющих, а на фазных безнулевых токах. В этот способ входит в качестве составной части в более общий способ дистанционной защиты, само же понятие о безнулевых токах и комплексных схемах замещения в системе нулевой и безнулевых составляющих введено в прототип. Указанный способ определения поврежденных фаз заключается в измерении аварийных слагающих безнулевых токов и их попарном преобразовании. Преобразование же заключается в сравнении модулей измеренных токов между собой и с уставкой.

Однако, данного преобразования недостаточно для надежного разграничения всех видов замыкания, в частности при этом нет достаточно четкого критерия различения междуфазного замыкания и двухфазного замыкания на землю.

Цель изобретения - повышение селективности способа, т. е. надежности определения каждого из трех возможных видов короткого замыкания: однофазного (K⁽¹⁾), двухфазного (K⁽²⁾) и двухфазного на землю (K^(1,1)), а также и определения поврежденных фаз.

Это достигается тем, что известный способ определения поврежденных фаз и вида повреждения линии электропередачи путем измерения аварийных слагающих фазных безнулевых токов, составления из них трех фазных пар и преобразования токов каждой пары дополнен рядом операций, исключающих неселективную работу. Существо дела заключается в определении особых величин, называемых относительными токами, для которых представляется возможным четко разграничить области срабатывания при разных видах коротких замыканий, причем эти области задаются в координатах активной и реактивной составляющих, т. е. на комплексной плоскости. Последовательность дополнительных операций начинается с определения разностного тока каждой из трех пар, для чего опережающий ток, входящий в данную пару, вычитается из отстающего. Путем деления каждого разностного тока на безнулевой ток, не входящий в данную пару, определяют три относительных комплексных тока. Эти операции образуют общую часть предлагаемого способа. Последующие операции призваны выявить в первую очередь однофазное замыкание, затем междуфазное и, наконец, двухфазное на землю. Модули относительных токов поочередно сравнивают с минимальной уставкой. Если один из них уступит уставке (оказывается меньше ее), то констатируют однофазное замыкание в фазе, ток которой не выходит в соответствующую пару токов, дающую столь малый модуль. В противном случае, когда все модули выше минимальной уставки, сравнивают их с другой, максимальной уставкой. Если один из них превосходит уставку, констатируют междуфазное замыкание той пары фаз, которая дает столь большой модуль. Наконец, если все модули заключены между минимальной и максимальной уставками, сравнивают реактивные составляющие относительных токов с третьей, промежуточной, уставкой и, если один из них превышает ее, констатируют замыкание на землю тех фаз, которые входят в пару, дающую данный относительный ток. В противном случае речь может идти о трехфазном замыкании либо просто о коммутации трех фаз. Предпочтительное значение промежуточной уставки равно .

Предлагается также вместо сравнения модулей токов с уставками производить сравнение с теми же уставками активных и реактивных составляющих токов, при этом результаты сравнения, определяющие однофазное замыкание, учитываются по логической схеме И, а двухфазное - по схеме ИЛИ.

Основные информационные параметры предлагаемого способа - относительные токи, представляющие собой отношение разности двух безнулевых токов к третьему безнулевому току. Их инвариантность проявляется в полной информативности каждого из трех относительных токов. Данное свойство впервые установлено в настоящей заявке и ранее ни в релейной защите, ни в смежных областях не встречалось.

На фиг. 1 приведена схемная модель линии электропередачи с произвольным коротким замыканием; на фиг. 2 - схемная модель для аварийных слагающих безнулевых токов; на фиг. 3 - схемная модель для аварийной слагающей безнулевого тока только одной фазы ν ; на фиг. 4 - схемная модель повреждения при двухфазном замыкании на землю, подключенная к схеме линии для аварийных слагающих; на фиг. 5 - комплексная схема замещения сети для аварийных слагающих безнулевых величин при двухфазном замыкании на землю; на фиг. 6 - области срабатывания при трех видах замыкания; на фиг. 7 - структурная схема предлагаемого способа; на фиг. 8 - схема блока сравнения; на фиг. 9 - схема логического блока. Контролируемая линия 1 электропередачи связывает передающую 2 и приемную 3 электрические системы. Повреждение 4 представляет собой неизвестную нагрузку 4, подключенную к линии в неизвестном месте. Электрические системы 2 и 3 содержат источники и . Измеряемые величины - токи в начале электропередачи , ν = A, B, C, где ν - обозначение произвольной фазы линии. Токи в месте повреждения , равно как и в конце линии, неизвестны.

Структурная схема способа состоит из блоков 5-10 вычитания, (вычитателей), фильтров 11-13 основной гармоники (фильтров ортогональных составляющих), блоков 14-16 деления, блока 17 сравнения, обладающего характеристиками срабатывания (см. фиг. 6). У данного блока две группы выводов: выводы 18 сигналов особой фазы и выводы 19 сигналов вида повреждения, которые и являются выводами устройства, реализующего предлагаемый способ.

Блок 17 сравнения состоит из трех идентичных пороговых блоков 20-22 и логического блока 23. Каждый пороговый блок содержит по пять пороговых элементов 24-28, из них первые два элемента 24 и 25 задают минимальную уставку η_min, вторые два элемента 26 и 27 - максимальную уставку η_max и последний элемент 28 промежуточную уставку η_mid, а также логических элементов НЕ 29-31, И 32 и 33, ИЛИ 34. Логический блок 23 состоит из шести трехвходовых логических элементов ИЛИ 35-40. Первые три элемента 35-37 подключены каждый к выходам одного из пороговых блоков 20-22, а вторые три элемента 38-40 - к однотипным выводам всех трех пороговых блоков. У каждого порогового блока по три вывода, соответствующих разным типам замыканий: однофазному K⁽¹⁾, двухфазному К⁽²⁾ или двухфазному на землю К^(1,1), в то время как сам по себе каждый пороговый блок соответствует определенной фазе ν = A, B, C.

В основу способа положены следующие предпосылки.

Пусть - комплексы основной гармоники тока произвольной фазы, измеренного в аварийном режиме, а - ток этой фазы в доаварийном режиме. Аварийная слагающая тока определяется как разность
= -. (1)
Безнулевые токи получаются удалением из фазных токов нулевой последовательности
. (2)
Безнулевые токи всех трех фаз уравновешены
++= 0. (3)
Аварийные слагающие безнулевых токов определяются в соответствии с (1) и (2)
= --; (4)
они также подчиняются соотношению (3).

Предлагаемый способ оперирует разностными токами
Δ = -, (5) где ν - 1 и ν - 2 - обозначения фаз, отстающей и соответственно опережающей фазу ν , и относительными токами
= /. (6)
Соотношение (3) устанавливает следующие взаимосвязи между относительными токами разных фаз
= , = , (7) следовательно, независим только один из относительных токов, а раз так, то он и несет всю имеющуюся информацию о режиме контролируемой сети и в определении двух других токов нет необходимости, разве что для большей надежности распознавания характера повреждения.

Источники аварийных слагающих действуют в месте повреждения. Их можно представить в виде неизвестных источников тока . Источниками аварийных слагающих безнулевых токов являются неизвестные токи повреждения (см. фиг. 2). Схеме, в которой действуют эти токи, присуще важное свойство. Если линия и системы симметричны, то безнулевые токи действуют автономно, т. е. ток в начале линии определяется только током повреждения данной конкретной фазы и не зависит от токов других фаз (см. фиг. 3). Отсюда следует, что граничные условия, связывающие безнулевые токи в месте повреждения, автоматически распространяются и на аварийные слагающие безнулевых токов в любом другом месте.

Поскольку любая фаза линии может быть особой, вводят обозначения: ζ - особая фаза; ζ -1 - фаза, отстающая от особой; ζ -2 - фаза, опережающая особую. При однофазном замыкании имеют место граничные условия
= = 0, откуда с учетом (2), (3)
= = -0,5, а указанное выше свойство позволяет записать и для токов в начале линии
= = -0,5.

В соответствии с (5), (6) получают разностные и относительные токи при однофазном замыкании
= -= 0.

= -= 1,5. (8)
= -= -1,5
= 0, = -3, = 3 , что подтверждает общую взаимосвязь между относительными токами (7).

При двухфазном замыкании
= 0, = -, а поскольку = 0,
то = 0
= -, следовательно, и в начале линии должны наблюдаться аварийные слагающие безнулевых токов
= 0
= -.

Соответственно определяются разностные и относительные токи (5), (6)
= -2
= (9)
=
∞, = 1, = -1, что также согласуется с (7).

При двухфазном замыкании на землю взаимосвязи сложнее (см. фиг. 4). Общепринятая схемная модель повреждения, состоящая из двух одинаковых фазных сопротивлений R_в и земляного R_д. Граничному условию = 0 и равенству (3) отвечает комплексная схема замещения по фиг. 5. В схеме действуют ЭДС, равные напряжениям на соответствующих фазах в доаварийном режиме
= , = . (10)
Напряжения в том режиме симметричны, поэтому
= a, = , (11) где a= expj2 π /3. Кроме того, комплексная схема фиг. 5 содержит входные сопротивления прямой последовательности и нулевой , определяемые относительно места повреждения. Они так же неизвестны, как и параметры R_в и R_д, но диапазоны изменения суммарных сопротивлений
= +R_в, = +R_в+3R_д можно очертить, так как его границы поддаются оценке.

Расчет комплексной схемы замещения по фиг. 5 дает следующие значения безнулевых токов в месте повреждения
= -
= +
= - + , l а с учетом условий (10), (11)
= ·
= - +j+
= - -j+ , где К= К_R+jK₁= K α = Z_0Σ / Z_Σ . (12)
Разностные токи в месте повреждения
= j/

= - j+ , а относительные токи в силу сформулированного выше положения в месте измерения таковы же, как и в месте повреждения.

Первый из них
= j (1+2) или с учетом (12)
l_ζ*}l _=+j (13)
a_ζ= R_eI= -2 K_I
b_ζ= I_m= (1+2K_R) (14)
Обращаем внимание на мнимые части комплексов относительных токов. По формулам (7) находим
b_ζ-1= I_m= (15)
b_ζ-2= I_m= . (16)
В (12) бесспорно лишь то, что K_R>0, так как оба сопротивления и - активно-индуктивного характера
0<arg <90^о, 0<arg <90^о,
следовательно, из (14)
b_ζ>b_ζmin= . (17)
Значение b_ζmin достигается при K_R= 0. Последнее предполагает, что
arg = 90^o, arg = 0, - случай, возможный лишь чисто теоретически. Тем не менее, значение b_ζminнеобходимо знать, чтобы гарантировать минимальный уровень мнимой части относительного тока особой фазы. Как видно из (15), (16), мнимые части двух других относительных токов тоже положительны, но с ростом параметров | К_I| и | K_R| и, следовательно, с ростом также и параметров | a_ζ| и | b_ζ| параметры b_ζ-1 и b_ζ-2 уменьшаются. Значения a_ζ , при которых b_ζ-1 и b_ζ-2 достигают максимума, различаются
b_ζ-1< b_ζ-1,max = 4 / b_ζ (18)
при
a_ζ = -1, (19)
и
b_ζ-2 < b_ζ-2,max = 4 / b_ζ (20)
при
a_ζ = 1. (21)
Если, абстрагируясь от реальности, считать К_I произвольной алгебраической величины, а К_R - произвольной положительной величиной, то придется согласиться с тем, что значения (17) и (19) или (21) могут быть достигнуты одновременно, тогда
b_ζ-1,max= b_ζ-1,max= b_max= 4/= 2.31 и оказывается, что b_max> b_ζmin . Тогда в диапазоне значений
1,73<b<2,31 могут находиться мнимые части любого из трех относительных токов. Но в области b>2,31 может оказаться только значение b_ζ , а b_ζ-1 и b_ζ-2 - ни при каких обстоятельствах. Однако реально mod > mod , поэтому mod = K>1, в связи с чем при K_R= 0 неправомерно считать | K_I | <1. Выясняем, может ли реальное значение b_ζ-1 или b_ζ-2 достигать уровня при b_ζ = b_ζmin . Из (15) и (16) находим
,
откуда
| a_ζ| ≥ 2
или
K 1/ = 0.578.

Для реальных сетей последнее условие вполне приемлемо, поэтому справедливо утверждение, что при двухфазном замыкании на землю уровень гарантированно разделяет значения параметра b_ζ , который превосходит , и параметров b_ζ-1 , b_ζ-2 , которые располагаются ниже этого уровня.

Подытоживая результаты, полученные для разных видов короткого замыкания, приходим к выводу, что относительный ток I′ζ

_* при каждом замыкании располагается на комплексной плоскости в определенной области, куда другие относительные токи не попадают (см. фиг. 6). Так, обнаруживая, что некоторый ток I′ν_* отвечает условию
I′ν_* = 0, (22) можно в соответствии с (8) утверждать, что имеет место однофазное замыкание с особой фазой ζ = ν . Обнаруживая же, что некоторый ток I′ν_* отвечает условию
I′ν_* ->> ∞ (23) следует принять согласно (9), что имеет место двухфазное замыкание с особой фазой ν = ζ (повреждены фазы ν <+><196> 1 и ν - 2). И, наконец, убедившись в том, что мнимая часть комплексного тока I′ν_* отвечают условию
<I<∞ (24) можно утверждать, что произошло замыкание двух фаз на землю, и ν = ζ . Таким образом, на комплексной плоскости относительных токов зоны разных замыканий четко разграничены (см. фиг. 6): при однофазном замыкании зона локализована в окрестности начала координат, при двухфазном - все точки, достаточно удаленные от начала координат, а при двухфазном замыкании на землю конечная часть плоскости выше уровня j принадлежит току I′ζ_*. Что же касается двух других токов, то, хотя их зоны здесь не исследуются, очевидно, что они не захватывают зоны иных замыканий, так как в силу равенств (7) независима лишь зона одного из относительных токов, другие же служат ее конформным отображением.

Реализация предлагаемого способа (см. фиг. 7) решает задачи выявления вида замыкания и особой фазы ζ , исходя из условий (22) - (24). Начальная операция - формирование аварийных слагающих токов - на структурной схеме по фиг. 7 не отражена. Одна из возможных реализаций этой операции - вычитание токов, сдвинутых во времени на период. Если доаварийный режим периодический, то результат совпадает с аварийной слагающей на протяжении первого периода после момента замыкания t_K3:
i_νp(t)= i_ν((t)-i_ν(t-T), t_K3 ≅ t<t_K3+T.

Далее токи i_Ap, i_Bp, i_Cp рассматриваются как входные величины структурной схемы фиг. 7. Четвертый входной величиной служит ток нулевой последовательности i_o. Первая из операций, выполняемых данной структурой, - формирование безнулевых токов, осуществляемая блоками 5-7
i′A

_p = i_Ap-i_o, i^′_Bp = i_Bp-i_o, i′C_p = i_Cp-i_o.

Вторая операция - выделение основных гармоник безнулевых токов, осуществляемая фильтрами 11-13 ортогональных составляющих. Каждый фильтр выполнен с двумя выходами - по числу ортогональных составляющих, и выходные величины могут быть представлены в виде комплексов
I′A

_p = I′A_Re +jI′A_Im , I′B_p = I′B_Re +jI′B_Im , I′C_p = I′C_Re +I^′_CIm , где индексами R_e и I_m обозначены активная и реактивная (вещественная и мнимая) составляющие. Третья операция - формирование разностных комплексных токов, осуществляемая четырехвходовыми блоками 8-10, на выходах которых появляются сигналы I′B -I′A , I′C -I′B , I′A -I′С . Четвертая операция - формирование относительных токов, осуществляемая делительными блоками 14-16
= (I^′_Bp -I^′_Ap )/I^′_Cp = a_C+jb_C
= (I^′_Cp -I^′_Bp )/I^′_Ap = a_A+jb_A
= (I^′_Ap -I^′_Cp )/I^′_Bp = a_B+jb_B.

Выходные сигналы блоков 14-16 - абсолютные значения активной и реактивной составляющих относительных токов | a_ν| , | b_ν| .

Заключительные операции сравнения с уставками осуществляются блоком 17, где для наглядности каждый относительный ток обрабатывается автономно, причем проверки на присутствие каждого вида замыкания производятся параллельно. Каждый из сигналов | a_ν| , | b_ν| сравнивается с минимальной уставкой η_min, задаваемой пороговыми элементами 24 и 25, и с максимальной уставкой η_max, задаваемой элементами 26 и 27. Кроме того, сигналы | b_ν| сравниваются с уставкой η_mid= , задаваемой пороговым элементом 28. Если выполняются условия
| a_ν| < η_min, | b_ν| < η_min ,
эквивалентные (22) и означающие однофазное замыкание в фазе ν , то пороговые элементы 24 и 25 формируют на своих выходах сигналы низкого уровня, при этом элементы НЕ 28 и 30 формируют сигналы высокого уровня, которые вызывают срабатывание элемента И 32. Выходной сигнал этого элемента несет, таким образом, информацию об однофазном замыкании с особой фазой ν .

Если же происходит междуфазное замыкание фаз ν -1 и ν -2, то хотя бы один из сигналов | a_ν| или | b_ν| , как это видно из (23), достигает высокого уровня, т. е. превосходит максимальную уставку η_max. При этом срабатывает один из пороговых элементов 26 и 27 или быть может и тот, и другой. Как следствие, срабатывает элемент ИЛИ 34, подавая сигнал о двухфазном замыкании фаз ν -1 и ν -2 (особая фаза ν ). Кроме того, сигнал | b_ν| сравнивается в элементе 28 с промежуточной уставкой η_mid, в связи с чем данный элемент срабатывает всякий раз при выполнении условия
| b | > η_mid,
подавая при этом сигнал на один вход элемента И 33. Но на второй вход сигнал от элемента НЕ 31 поступает только в том случае, если не происходит срабатывания элемента ИЛИ 34. Таким образом, области срабатывания элементов 34 и 33 четко разграничены, элемент ИЛИ срабатывает, если
| а_ν| > η_max или | b_ν| > η_max,
а элемент И, если
η_mid, < | b_ν| < η_max, ,
Первое адекватно (23), а второе - (24).

Каждый пороговый блок 20-22 дает сам по себе информацию об особой фазе поврежденной сети и, кроме того, несет внутри себя информацию о виде повреждения. Если внутри порогового блока фазы ν срабатывает один из элементов 32-34, то тем самым сообщается, что фаза ν - особая. Данное обстоятельство выявляют элементы ИЛИ 35-37 логического блока 23. Входы каждого из этих элементов ИЛИ подключены к выходам только одного порогового блока 20-22. В отличие от них элементы ИЛИ 38-40 выявляют вид замыкания, для чего входы каждого из этих элементов подключены к однотипным выходам всех трех пороговых блоков 20-22. Элемент 38 срабатывает, если в сети происходит однофазное замыкание, элемент 39 - двухфазное и элемент 40 - двухфазное на землю.

Благодаря использованию новых информационных параметров - относительных токов, обладающих свойством инвариантности (способностью одного тока полностью характеризовать состояние сети), предлагаемый способ разграничивает без методической погрешности однофазное и двухфазное замыкания, а также выявляет поврежденные фазы. Разграничение двухфазного замыкания на землю и без земли, хотя и не носит абсолютного характера, что невозможно принципиально, может быть рассчитано на любое значение переходного сопротивления путем подбора максимальной уставки.

(56) Авторское свидетельство СССР N 610224, кл. H 02 H 3/26, 1976.

Авторское свидетельство СССР N 1417094, кл. H 02 H 3/26, 1987.

Авторское свидетельство СССР N 1001276, кл. H 02 H 3/26, 1981.

Авторское свидетельство СССР N 1148071, кл. H 02 7/26, 1983.

Авторское свидетельство СССР N 1374324, кл. H 02 H 3/26, 1986.

Лямец Ю. Я. К анализу переходных процессов в трехфазных цепях методом симметричных составляющих. Электричество, 1988, N 12, с. 57-60.

Сущность изобретения: измеряют аварийные слагающие фазных безнулевых токов, группируют их в три разные пары, определяют разностный ток каждой пары, делят разностный ток на тот же ток, что не входит в данную пару, определяя тем самым три относительных тока, сравнивают модули отнсительных токов с минимальной и максимальной уставками, а реактивные составляющие отнсоительных токов сравнивают с промежуточной уставкой, и если один модуль уступает минимальной уставке, констатируют однофазное замыкание в фазе, ток который не входит в соответствующую пару, если же один модуль превосходит уставку, констатируют двухфазное замыкание в фазах, входящих в соответствующую пару, если же одна из реактивных составляющих заключена между промежуточной и максимальной уставками, констатируют замыкание соответствующей пары фаз на землю. 2 з. п. ф-лы, 9 ил.

1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВРЕЖДЕННЫХ ФАЗ И ВИДА ПОВРЕЖДЕНИЯ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ путем измерения аварийных слагающих фазных безнулевых токов, составления из них трех разных пар и преобразования токов каждой пары, отличающийся тем, что определяют разностный ток каждой пары токов путем вычитания опережающего тока из отстающего, определяют три относительных тока путем деления каждого разностного тока на безнулевой ток, не входящий в соответствующую пару, сравнивают модули относительных токов с минимальной уставкой и, если один из них уступает уставке, констатируют однофазное замыкание в фазе, ток которой не входит в соответствующую пару, в противном случае сравнивают модули с максимальной уставкой и, если один из них превосходит уставку, констатируют междуфазное замыкание соответствующей пары фаз, в противном случае сравнивают реактивные составляющие относительных токов с промежуточной уставкой и, если одна из них превышает ее, констатируют замыкание на землю соответствующих фаз, в противном случае констатируют коммутацию во всех трех фазах. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что промежуточную уставку выбирают равной . 3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что с уставками сравнивают абсолютные значения активной и реактивной составляющих относительных токов и, если абсолютные значения обеих составляющих одного из токов уступают минимальной уставке, констатируют однофазное замыкание в фазе, соответствующей данному относительному току, а если какая-нибудь составляющая одного из токов превосходит максимальную уставку, констатируют междуфазное замыкание двух фаз, соответствующих данному относительному току.