СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗОНЫ И МЕСТА ЗАМЫКАНИЯ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ Российский патент 1997 года по МПК G01R31/08 H02H3/40 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к релейной защите и автоматике энергосистем, и может быть использовано в дистанционной защите, избирателях поврежденных фаз, определителях места повреждения (ОМП), притом, что принципиально важно, в сетях с любым режимом нейтрали (глухо заземленной, изолированной, компенсированной).

Общеизвестный (традиционный) дистанционный способ основан на измерении комплексов напряжений и токов в начале линии и преобразовании их в комплексные сопротивления [1] Ему присуща методическая погрешность, связанная с неспособностью точно определять дистанцию при различных переходных сопротивлениях и различных параметрах и режимах приемной части системы.

Известен дистанционный способ, свободный от данного недостатка [2] Он также включает в себя операции измерения комплексов напряжений и токов в начале линии, но не сводится к определению входных комплексных сопротивлений. Более высокая точность и более широкие функциональные возможности данного способа обусловлены тем, что он опирается на иной тип информационных параметров. Новый информационный параметр получил наименование параметра контролируемого места замыкания, так как определяется в предположении, что замыкание произошло в некоторой произвольно заданной точке линии, и представляет собой функцию расстояния от начала линии. Параметр контролируемого замыкания обладает замечательным свойством: он изменяет свой знак только в месте действительного замыкания. Если место контролируемого замыкания расположено левее места реального замыкания, то параметр имеет один знак, а если правее то другой. Для определения параметров контролируемого места замыкания измеренные напряжения и токи преобразуют в напряжения в месте контролируемого замыкания, определяют параметры контролируемых мест замыкания и сравнивают их знаки. Если знаки параметра места замыкания, контролируемого в начале линии, и параметра места замыкания, контролируемого в конце линии, противоположны, то констатируют замыкание в линии. Координату места замыкания определяют по изменению знака параметра контролируемого замыкания.

Упомянутые параметры определяют по комплексам напряжений и токов в месте контролируемых замыканий.

При осуществлении этого способа используются реактивные параметры контролируемых замыканий: реактивная мощность, потребляемая в месте контролируемого замыкания, или в частном случае реактивная составляющая напряжения. Для определения реактивных параметров формируют две опорные величины: первая напряжение в месте контролируемого замыкания, а вторая - ток внутри замыкания, т.е. в поперечной ветви. В отличие от напряжений, формируемых достаточно просто, токи в месте контролируемого замыкания требуют для своего формирования большего числа операций и большего объема информации. Дело в том, что эти токи представляют собой наложение токов левее и правее места контролируемого замыкания. Ток слева от этого места формируется так же просто, как и напряжения, но правый ток не удается сформировать без знания параметров приемной системы. Кроме того, параметр типа реактивной мощности характеризуется недостаточно резкой зависимостью от координаты контролируемого места замыкания, что снижает чувствительность способа. И, наконец, параметр, в который в качестве второй опорной величины входит ток замыкания или его составляющая, непригоден для сетей с изолированной нейтралью, в которых ток замыкания на землю несравненно меньше токов в проводах линии.

Сущность изобретения выражается в упрощении дистанционного способа при одновременном повышении его чувствительности и расширении функциональных возможностей. Последнее проявляется в применимости не только к сетям с глухо заземленной нейтралью, но и к сетям с изолированной нейтралью и достигается введением иного типа параметров контролируемых мест замыканий и соответственно новых операций, необходимых для формирования этих параметров. От дистанционного способа остается измерение напряжений и токов в начале линии, преобразование их в первые опорные величины, формирование вторых опорных величин, взаимное преобразование первых и вторых опорных величин в параметр контролируемого места замыкания, причем в качестве первых опорных величин выбирают напряжения поврежденных фаз, сравнение знаков параметров мест замыканий, контролируемых в начале и в конце линии, констатация повреждения, если знаки будут противоположны, определение места истинного замыкания по изменению знака параметра контролируемого места замыкания. Отличительные же признаки состоят в том, что в качестве вторых опорных величин выбирают слагающие первых опорных величин, а параметр контролируемого места замыкания определяют как взаимную активную мощность первых и вторых опорных величин.

Формирование вторых опорных величин осуществляется либо на основе информации о доаварийном режиме, либо с использованием взаимосвязей между симметричными составляющими, задаваемых граничными условиями в месте замыкания.

Таким образом, отличительная черта данного способа формирование параметров контролируемых мест замыканий путем своеобразной комбинации полных (основных) и аварийных напряжений. Аварийные величины применялись в релейной защите и ранее [3,4] Однако в известных технических решениях они участвовали в иных операциях, например в сравнении фаз двух комплексов. Здесь же сочетание полных и аварийных напряжений решает задачу формирования новых параметров контролируемых мест замыканий.

На фиг.1 показано замыкание в двухпроводной линии, на фиг.2 схемная модель линии и повреждения, на фиг.3 линия в доаварийном режиме, на фиг.4 - линия в чисто аварийном режиме, на фиг.5 схемная модель для этого режима, на фиг.6 схемная модель, приведенная к месту замыкания, на фиг.7 схемная модель линии с предполагаемым замыканием, на фиг.8 схемная модель линии в режиме однофазного короткого замыкания, на фиг.9 линия в чисто аварийном режиме при однофазном замыкании, на фиг.10, 11 двухфазное замыкание и соответствующий чисто аварийный режим, на фиг.12,13 то же, но при двухфазном замыкании на землю. Структурная реализация способа представлена на фиг.14. Фиг.15-18 служат иллюстрациями применения заявляемого способа к определению места повреждения в сети с изолированной нейтралью. На фиг.15 показаны поврежденный и неповрежденный фидеры и средства измерения напряжений и токов, на фиг.16 источники, создающие в сети режим нулевой последовательности, на фиг.17 годограф потенциала земли при различных значениях переходного сопротивления и на фиг.18 диаграмма напряжений и токов повреждений фазы пострадавшего фидера.

На иллюстрациях изображены линия электропередачи 1, связывающая передающую и приемную части энергосистемы 2 и 3, замыкание 4 и обозначенные теми же номерами их схемные модели.

Для реализации способа требуются фильтры ортогональных составляющих 5-10, формирующие блоки 11, 12, умножители 13-18, блок выброса поврежденных фаз 19, управляемые ключи 20-25, сумматор 26 и выходной блок сравнения 27 с двумя выходами: быстродействующим 28, решающим задачу релейной защиты, и вторым 29, решающим задачу автоматики.

В сети с изолированной нейтралью различаются поврежденный фидер 1 и неповрежденный 30. Предполагается, что на шинах подстанции установлен трехобмоточный трансформатор напряжения 31 с заземленной нейтралью (возможно включение в нейтраль компенсационной катушки). Трансформатор служит датчиком фазных напряжений и напряжения нулевой последовательности. На каждом фидере должны быть установлены также трансформаторы фазных токов 32-33.

Ниже используются следующие обозначения: х координата произвольной точки линии и места контролируемых мест замыкания, измеряемые комплексы напряжения и тока в начале линии, x_f истинная, но неизвестная координата короткого замыкания, напряжение в месте контролируемого замыкания, истинное напряжение замыкания, ток в месте контролируемого замыкания (поперечный), истинный ток короткого замыкания, величины доаварийного режима,

аварийное напряжение и ток (чисто аварийные), представляющие собой разность величины наблюдаемого и предшествующего режима, R_f - переходное сопротивление.

Предлагаемый способ основан на следующих теоретических положениях:
1. Основные гармоники напряжения и тока в месте замыкания совпадают по фазе:

2. В схеме чисто аварийного режима источники действуют только в месте замыкания (фиг. 4). В ней преобладают реактивные параметры (фиг.5). Следовательно, входное сопротивление относительно места замыкания близко к индуктивному
(3)
Из выражений (1) и (3) следует, что в месте замыкания напряжение нового режима (полное напряжение) и аварийное напряжение практически ортогональны

3. Напряжение контролируемого места замыкания и напряжение истинного места замыкания связаны зависимостью, определяемой параметрами линии электропередачи. Проиллюстрируем это положение на примере того случая, когда распределенную емкость линии допустимо не учитывать Тогда в схеме фиг.2

где удельное комплексное сопротивление, а в схеме фиг.7

Из выражений (5) и (6)

Соответственно для аварийных напряжений

4. Условие ортогональности (4) может быть представлено в формуле

где U сопряженный комплекс.

5. Введем в рассмотрение параметр контролируемого места замыкания

Из выражений (6) и (7)

а комплекс, не зависящий от координаты контролируемого места замыкания х

Подстановка выражения (11) в выражение (10) дает с учетом выражения (8) следующую зависимость параметра контролируемого места замыкания от координаты х:

Данная зависимость, равно как и подобные ей, которые получаются для более сложных систем (учет распределенной емкости, отпаек на линии и т.д.), проходит через нулевое значение в единственной точке х х_f, изменяя при этом свой знак. В результате обнаруживается следующий критерий определения места повреждения:

6. Если не требуется искать место повреждения, а необходимо лишь определить зону, в которой произошло короткое замыкание (задача релейной защиты), то выражение (13) дает для этого случая более простую возможность:
signσ(O)≠signσ(l), (14)
где l координата конца защищаемой зоны.

7. Если замыкание происходит вне защищаемой зоны, то, как следует из выражения (12), для всех контролируемых мест замыкания 0<х<l 1 будем иметь
signσ(x)=const.
8. Во избежание влияния помех уровень параметра контролируемого места замыкания должен проверяться. Например, следующим образом:

где σ_уст параметр установки.

Условие (15) предполагает, что аварийное напряжение хотя бы в одном контролируемом месте замыкания будет достаточно велико. Если мал уровень и U_p(0) и U_p(l), то окажется, что Δσ<σ_уст и действие защиты будет заблокировано. Данная мера не только предотвращает ложную работу под влиянием помех, но служит еще и средством блокировки при качаниях и асинхронном ходе - режимах стационарных, при которых аварийные напряжения находятся на уровне помех.

9. В трехфазной линии параметр контролируемого места замыкания определяется по-разному в зависимости от вида замыкания.

При однофазном замыкании с особой фазой g (фиг.8).

причем ортогональность комплексов иллюстрируется схемой фиг.9.

10. При двухфазном замыкании с особой фазой g (фиг.10) имеет место соотношение, иллюстрируемое фиг.11

где g-1 и g-2 обозначения отстающей и опережающей фаз. В соответствии с этим параметр контролируемого места замыкания можно определить выражением

От линейного напряжения в критерии (17) можно перейти к фазным напряжениям

В симметричной линии (фиг.11)

с учетом (20)

а с учетом (17) и (21)

после чего из (17) и (19)

Последнее выражение свидетельствует о том, что в симметричной линии допустимо пофазное суммирование произведений вида

но, разумеется, только на поврежденных фазах. Наряду с параметром (18) при двухфазном замыкании может быть введен еще и такой

11. При двухфазном замыкании на землю с симметричной моделью повреждения по фиг.12 в месте замыкания имеют место следующие соотношения между фазными напряжениями и токами:

где R_в и R_д переходные сопротивления, связывающие основные гармоники напряжений и токов.

Те же токи создадут в симметричной системе (фиг.13) следующие аварийные напряжения, записанные с учетом того, что реактивные параметры преобладают:

где Х и Х' собственные и взаимные сопротивления относительно зажимов источников тока замыкания.

Определим сумму произведений напряжений с учетом (24), (25)

где R R_в + R_д.

Поскольку сумма

является вещественным числом, то правая часть равенства (26) представляет собой мнимое число, так что и при данном виде короткого замыкания выполняется равенство (22) и, следовательно, может быть принят параметр контролируемого места замыкания (23).

Вместо аварийных напряжений при определении параметров контролируемых мест замыканий могут быть использованы симметричные составляющие , а также безнулевые аварийные где индексы 1, 2 и 0 относятся к прямой, обратной и нулевой последовательности.

При однофазном замыкании имеют место граничные условия

Напряжение представляет собой реакции на ток , а напряжения соответственно реакции на токи . Отсюда следует, что наряду с параметром (16) возможно применение и таких его вариантов

Граничные условия при двухфазных замыканиях также дают дополнительные модификации параметров.

Способ определения зоны и места замыкания линии электропередачи реализуется последовательностью операций, иллюстрируемой схемой фиг.14 и обосновываемой приведенными выше теоретическими положениями. Измеряют восемь величин: фазные напряжения и токи U_v(o,t), i_v(o,t), ν = A,B,C напряжение и ток нулевой последовательности U_o(O,t), (на фиг.14 не показаны), которые далее преобразуют в ортогональные составляющие комплексов

Эту операцию осуществляют фильтры ортогональных составляющих 5-10, представляющие собой, например, фильтры Фурье. Полученные комплексные сигналы преобразуют в комплексные напряжения места контролируемого замыкания. Для этого определяют сначала фазные напряжения контролируемого места замыкания. Например, в простейшем случае, когда можно не учитывать распределенную емкость линии, эта операция имеет вид

где падение напряжения от тока нулевой последовательности.

Формирующий блок 11, выполняющий данную операцию, осуществляет линейное преобразование своих входных величин.

Поврежденные фазы и вид замыкания определяют путем сравнения величин аварийных составляющих токов отдельных фаз (блок 19). После установления вида замыкания и поврежденных фаз блок 19 подает сигналы на замыкание соответствующих управляемых ключей 20-25, которые подают на входы сумматора 26 лишь те произведения напряжений, что отвечает конкретному типу параметра контролируемого места замыкания. Пpи однофазном замыкании в качестве комплексного напряжения контролируемого места замыкания принимают напряжение поврежденной фазы , а при междуфазном замыкании и двухфазном замыкании на землю соответственно разность и сумму напряжений поврежденных фаз .

Параллельно с этим формируют ортогональные составляющие комплексного опорного сигнала. Если в таком качестве используется аварийная составляющая напряжения , то она формируется аналогично напряжению , для чего предназначается формирующий блок 12, идентичный блоку 11.

Комплексное напряжение контролируемого места замыкания U(x) и комплексный опорный сигнал преобразуют в опорный сигнал контролируемого места замыкания путем перемножения одноименных ортогональных составляющих и суммирования произведений (элементы 13-18).

Чтобы проверить, произошло ли замыкание в зоне защиты, фиксируют контролируемый сигнал σ(O) замыкания, предполагаемого в начале линии, и сигнал σ(l) замыкания, предполагаемого в конце линии, а затем сравнивают их знаки. Эти операции совершаются в блоке сравнения 27. Согласно алгоритму (14), решение о повреждении в зоне x O-l выносится при несовпадении знаков сигналов σ(O) и σ(l). Далее переходят к определению координаты места повреждения x_f, для чего теми же операциями (блоки 11-26) формируют сигналы других контролируемых мест замыкания σ(x), где значения х могут, например, соответствовать опорам линии электропередачи, а затем из ряда сигналов σ(x) выбирают согласно алгоритму (13) сигнал наименьшего уровня σ(x_i) и его соседние сигналы σ(x_i-1) и σ(x_i+1). Сравнивают знак сигнала σ(x_i) со знаками двух других сигналов. Если sign[σ(x_i)]≠sign[σ(x_i-1)], то идентифицируют замыкание между местами x_i и x_i-1, а если , то между x_i и x_i+1. Определяя координату места замыкания или номер опоры, где произошло замыкание, блок сравнения 27 выставляет соответствующую информацию на своем втором выходе 29. Кроме того, в задачу блока 27 входит контроль разности Δσ согласно условию (15). Если это условие не выполняется, то замыкание не идентифицируется.

Рассмотрим особенности применения способа определения зоны и места замыкания в сети с изолированной нейтралью. В начале каждого фидера измеряются фазные токи (фиг.15). Фазные напряжения U_v(O,t) и напряжение нулевой последовательности U_o(O, t) измеряются на шинах подстанции. Измеренные величины подвергаются фильтрации. Из них выделяются комплексы основной гармоники .

Вместо них могут быть использованы комплексы высших гармоник.

Предположим, что поврежденный фидер установлен (это самостоятельная задача) и теперь требуется определить место повреждения x_f. Граничное условие в месте замыкания на землю (27) утверждает, что при замыкании фазы А

Возникающее в сети напряжение нулевой последовательности можно представить как реакцию на воздействие источников тока действующих в месте замыкания (фиг. 16). Связь между определяется исключительно емкостью сети относительно земли, так как емкостное сопротивление несравненно выше активного сопротивления току в земле и индуктивного сопротивления линии. Отсюда, с учетом положительных направлений напряжения и тока (фиг.16)

Падения напряжения и фидерах от токов нулевой последовательности пренебрежимо малы, поэтому правомерно считать, что

в соответствии с чем условие (29) предстает в следующем наиболее удобном для практического применения виде

Условие (30) может служить критерием определения места повреждения, разумеется, с той оговоркой, что поврежденный фидер нагружен и зависимость ощутима.

Зависимость проявляется тем резче, чем меньше переходное сопротивление замыкания в сравнении с емкостью на землю. При изменении параметра R потенциал земли Φ₃ описывает на комплексной плоскости годограф в форме полуокружности (фиг.17). Чем меньше R, тем значительнее повернут вектор U_А(x_f) относительно своего нормального вертикального положения. В пределе при R _→ O бесконечно малый вектор занимает горизонтальное положение.

Зависимость потенциала провода от координаты х практически линейна (фиг. 18). Из векторной диаграммы видно, что чувствительность критерия (4) будет тем выше, чем больше разность фаз

При R 0 она максимальна и равна 180^o, а при R>0 тем значительнее, чем меньше R и чем больше разностный вектор

Для поиска координаты x_f используется параметр

Как следует из (30), в месте замыкания
σ(x=x)=0. (32)
Если влияние соседних линий и распределенной емкости допустимо не учитывать, то

Из (31)-(33) искомая координата определяется выражением
а для определения зоны 0<x_f < l достаточно условия (14).

Как следует из вышеизложенного, предлагаемый способ определения зоны и места замыкания универсален и в равной степени пригоден для реализации как в качестве дистанционной защиты линий электропередачи, так и определителя места повреждения. Из ряда возможных параметров контролируемого места замыкания тот параметр, что используется в данном способе, отличается наибольшей простотой, так как опирается только на напряжения в месте контролируемого места замыкания.

Использование: в дистанционной защите, избирателях поврежденных фаз, определителях места повреждения, в сетях с любым режимом нейтрали (глухо заземленной, изолированной, компенсированной). Сущность изобретения: измеряют напряжения и токи фаз в начале линии электропередачи, формируют из них первые и вторые опорные величины и путем их преобразования определяют взаимную активную мощность как параметр в контролируемом месте замыкания. 18 ил.

Способ определения зоны и места замыкания линии электропередачи, основанный на измерении напряжений и токов фаз в начале линии, напряжения и тока нулевой последовательности, преобразовании измеренных величин в ортогональные составляющие комплексного напряжения контролируемого места замыкания и в ортогональные составляющие комплексного опорного сигнала, определении вида замыкания и поврежденных фаз, преобразовании комплексного напряжения контролируемого места замыкания, причем при однофазном замыкании в качестве комплексного напряжения контролируемого места замыкания принимают напряжение поврежденной фазы, а при междуфазном замыкании и при двухфазном замыкании на землю соответственно разность и сумму напряжений фаз, о замыкании в зоне судят по знакам сигналов контролируемого замыкания в начале и в конце зоны, а о месте замыкания судят по переходу сигнала контролируемого замыкания через нулевое значение, отличающийся тем, что комплексный опорный сигнал формируют как составляющую комплексного напряжения линии, формируют первый и второй промежуточные сигналы как произведения одноименных ортогональных составляющих комплексного напряжения контролируемого места замыкания и комплексного опорного сигнала, а сигнал контролируемого места замыкания формируют как сумму первого и второго промежуточных сигналов.