СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫЯВИТЕЛЬНОГО ПРИЗНАКА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ПРИ ПЕРЕГРУЗКЕ, КАЧАНИИ И АСИНХРОННОМ РЕЖИМЕ В ЭНЕРГОСИСТЕМЕ Российский патент 2010 года по МПК H02H3/00 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способам и устройствам, которые при возникновении короткого замыкания (КЗ) обеспечивают правильное функционирование некоторых типов релейной защиты и противоаварийной автоматики, например дистанционной защиты при КЗ на линии электропередачи в режиме перегрузки, синхронного качания или в режиме асинхронного хода в энергосистеме, а свободные переходные процессы при КЗ имеют апериодический затухающий характер из-за преобладания в системе пассивных элементов активно-индуктивного характера.

Близкими по технической сущности предлагаемому изобретению являются способы и на их основе устройства предотвращения неправильных действий релейной защиты при перегрузках, качании и асинхронном режиме (устройство блокировки при качаниях - УБК) и использующие в качестве выявительного признака о возникновении КЗ появление тока обратной последовательности в фазных токах трехфазной системы напряжений или скорости приращения тока обратной последовательности. В отдельных случаях учитывается появляющийся при некоторых видах КЗ ток нулевой последовательности. Предполагается, что симметричному трехфазному КЗ предшествует несимметричное двухфазное КЗ, а правильное функционирование релейной защиты при допустимой несимметрии в системе электроснабжения в эксплуатационном режиме, при качании или асинхронном режиме обеспечивают соответствующим выбором параметра срабатывания реагирующего органа УБК [Барзам А.Б. Системная автоматика. Изд. 3-е, перераб. М.: Энергия, 1973. С.137-150.].

Способу по прототипу и УБК на его основе свойственны недостатки, в конечном итоге, снижающие чувствительность выявления возникновения КЗ, так как параметры срабатывания реагирующего органа УБК отстраивают: от тока обратной последовательности в условиях работы системы с допустимой электрической несимметрией; от небалансов, возникающих при качании и асинхронном режиме вследствие возможного значительного различия частот генерирующих источников в энергосистеме; от небалансов, обусловленных как отклонением от гармонической формы первичных токов в системе электроснабжения, так и форм токов во вторичных цепях трансформаторов тока, к которым подключено УБК; из-за проявляемой нелинейности трансформаторами тока в некоторых режимах их работы; из-за необходимости учитывать погрешности трансформаторов тока. Функционирующее на основе выявления электрической несимметрии в системе электроснабжения УБК имеет ограничение в применении при наличии мощных несимметричных потребителей электрической энергии, например однофазных; имеется вероятность в отказе работы УБК при одновременной работе контактов коммутационного аппарата, подающего напряжение на линию электропередачи с неубранной трехфазной закороткой; возможна некорректная работа входящего в структуру УБК фильтра соответствующей последовательности в условиях переходных процессов в системе электроснабжения при возникновении в ней КЗ [Фабрикант В.Л. Дистанционные защиты: Учеб. пособие для вузов. - М.: Высш. школа, 1978. С.189-208; Шнеерсон Э.М. Цифровая релейная защита. - М.: Энергоатомиздат, 2007. С.388-395].

Известно изобретение [Патент №2331154 (RU), МПК H03D 1/00, Н03С 1/00. Способ обработки электрического сигнала [Текст] / Мамаев B.A. (RU); заявитель и патентообладатель Северо-Кавказский государственный технический университет (RU). - № 20051124408/09; заявл. 01.08.2005; опубл. 10.08.2008. Бюл. № 22], согласно которому электрический сигнал, состоящий из двух составляющих, одна из которых является суммой гармоник, суммируют с дополнительным гармоническим сигналом, частота которого намного больше частоты входящей в сумму гармоник первой по номеру гармоники, возводят суммарный сигнал во вторую положительную степень и из полученного электрического сигнала выделяют электрический синусоидальный сигнал с частотой гармонического сигнала и по наличию этого сигнала идентифицируют в обрабатываемом электрическом сигнале его другую составляющую, которая является или апериодическим сигналом переходного процесса или постоянной составляющей.

Известна заявка на изобретение [Мамаев В.А. Способ обработки электрического сигнала. № 2008107783, заявл. 28.02.2008], в которой предложен способ повышения точности идентификации апериодического сигнала по известному изобретению [Патент № 2331154 (RU)].

Технический результат, достигаемый при использовании предлагаемого изобретения, заключается в способе получения выявительного признака о возникновении КЗ, например, на линии электропередачи при перегрузках, качании и асинхронном режиме в энергосистеме и состоит в повышении технического уровня синтезируемого на его основе УБК релейной защиты за счет повышения чувствительности к появлению короткого замыкания в результате исключения необходимости выполнения каких-либо отстроек его функционирования от небалансов при перегрузке линии, качании и асинхронном режиме в энергосистеме, а также в обеспечении надежного выявления трехфазного КЗ на линии электропередачи, в том числе при одновременном замыкании контактов коммутационного аппарата, например, при ошибочной подаче напряжения на линию электропередачи с установленной на ней трехфазной закороткой.

Указанный технический результат достигается тем, что предлагаемый способ получения выявительного признака о возникновении КЗ при качании и асинхронном режиме или режиме перегрузки основан на фиксации факта появления апериодической составляющей в специально сформированном электрическом сигнале при условии наличия апериодической составляющей хотя бы в одном из фазных токов трехфазной линии электропередачи при переходном процессе после возникновения КЗ, и по способу получения выявительного признака о возникновении КЗ не требуется выполнение каких-либо отстроек, свойственных способу по прототипу и устройству на его основе.

Отличительная особенность способа получения выявительного признака по предлагаемому изобретению заключается в том, что из мгновенных значений токов фаз линии электропередачи по определенному правилу формируют аналоговый электрический сигнал, например, некоторого входного напряжения u_вх.кз(t), в структуре которого при возникновении любого вида КЗ на линии электропередачи появляется свободная составляющая u_{∑.ап.кз}(t) переходного процесса, которую используют в качестве выявительного признака о возникновении КЗ на линии электропередачи, причем его наличие можно идентифицировать, например, с помощью селективного устройства, синтезированного по известному способу обработки электрического сигнала [Патент № 2331154 (RU)], при этом селективное устройство имеет один вход и один выход, причем на его вход подают сформированный по определенному правилу аналоговый электрический сигнал u_вх(t), который при переходном процессе, сопровождающем возникновение КЗ, содержит апериодическую составляющую, а на выходе селективного устройства в этих условиях формируется выходной аналоговый сигнал u_вых(t) в виде затухающего синусоидального сигнала, связанного с наличием выявительного признака в виде апериодической составляющей, появляющейся только при КЗ во входном сигнале u_вх.кз(t), и по наличию этой составляющей делают заключение о возникновении любого вида КЗ на линии электропередачи в условиях перегрузки, качания и асинхронного режима в энергосистеме, при этом при идеальном функционировании селективного устройства идентификации апериодической составляющей по известному способу обработки электрического сигнала выходной аналоговый сигнал u_вых.кз(t) имеет затухающую амплитуду U_m.ап(t) со структурой

а сам выходной аналоговый сигнал u_вых.кз(t) изменяется по затухающему синусоидальному закону

где U_m.доп и ƒ_доп - амплитуда и частота дополнительного гармонического сигнала, используемого в известном изобретении, причем затухающая амплитуда U_m.ап(t) содержит в своей структуре выявительный признак о возникновении КЗ на линии электропередачи.

Теоретической основой предлагаемого способа является получение при КЗ на линии электропередачи из трех напряжений u_a.кз(t), u_b.кз(t) и u_c.кз(t) входного аналогового электрического сигнала u_вх.кз, причем каждое из трех напряжений при КЗ пропорционально соответствующему первичному мгновенному значению i_А.кз(t), i_B.кз(t) и i_C.кз(t) фазного тока короткого замыкания:

и, в общем случае, каждый из токов фаз в условиях переходного процесса состоит из апериодической составляющей и принужденной составляющей, т.е.

и путем суммирования этих трех напряжений получают входной аналоговый электрический сигнал u_вх.кз(t), в общем случае состоящий из суммы двух электрических сигналов, первый из которых является суммарным апериодическим сигналом u_{∑.ап.кз}(t), а второй является суммарным принужденным сигналом u_{∑.пр.кз}(t), т.е.

при этом в общем случае значения постоянных коэффициентов k₁, k₂ и k₃ в выражениях (4) могут быть различные, но в конечном итоге такими, чтобы при любом виде КЗ обеспечивалось присутствие во входном сигнале u_вх.кз(t), апериодической составляющей u_{∑.ап.кз}(t), несущей информацию о возникновении переходного процесса при КЗ, в частности это имеет место, например, при равенстве всех трех коэффициентов по модулю, но среди которых, по крайней мере, один положителен, например k₁=k, а два других могут быть или отрицательными, например k₂=k₃=-k, или один из этих двух положительный, а другой отрицательный.

Из полученного согласно предлагаемому изобретению входного аналогового электрического сигнала u_вх.кз(t) поданного на вход селективного идентификатора апериодической составляющей, реализованного по известному способу идентификации апериодического сигнала, выделяют выходной синусоидальный затухающий по закону апериодической функции электрический сигнал, имеющий при возникновении КЗ на линии в условиях переходного процесса структуру, соответствующую выражению (2), и по наличию этого выходного сигнала делают вывод о присутствии выявительного признака, связанного с возникновением любого вида короткого замыкания на линии электропередачи в условиях перегрузки, качания и асинхронном режиме в энергосистеме.

Отличительной особенностью предлагаемого способа получения выявительного признака о КЗ является то, что, например, при междуфазном КЗ в системе трехфазного напряжения хотя бы в одном из фазных токов переходного процесса будет присутствовать апериодическая составляющая переходного процесса, так как моменту возникновения КЗ предшествует, например, трехфазный режим работы линии электропередачи с нагрузкой, и когда до возникновения, например, двухфазного КЗ по крайней мере в одной из поврежденных фаз линии до момента КЗ имелось не равное нулю мгновенное значение тока, которое и определит начальные условия протекания апериодического тока свободного процесса после возникновения КЗ и позволит согласно способу сформировать выявительный признак о возникновении КЗ в виде апериодической составляющей u_{∑.ап.кз}(t), входящей в структуру напряжения u_вх.кз(t) (5), и присутствие которого проявляется в появлении на выходе идентификатора затухающего синусоидального электрического сигнала u_вых(t), который можно рассматривать как некоторый информационный сигнал, появление которого возможно только при наличии выявительного признака в виде апериодического сигнала u_{∑.ап.кз}(t) в сигнале u_вх.кз(t).

При определенных условиях предложенный способ может быть использован и при формировании выявительного признака о КЗ по наличию апериодических составляющих в фазных и линейных напряжениях трехфазной системы напряжений. Способ может быть использован как в системе с заземленной нейтралью, так и в системе с изолированной нейтралью.

На фиг.1а приведена простейшая электрическая система при двухфазном КЗ на линии связи W, состоящая из:

- двух трехфазных синусоидальных источников энергии E _А и Е _Б с заземленными нейтралями и с разными, но постоянными частотами ƒ_А и ƒ_Б, причем принято ƒ_А>ƒ_Б, имеющие внутренние параметры - активные сопротивления и индуктивности соответственно R_А, L_А и R_Б, L_Б;

- трехфазной линии электропередачи W с параметрами R_w и L_w, выполняющей функцию электрической связи между источниками энергии.

На линии W показано двухфазное КЗ между фазами А и В и условные направления токов i_кз(А) и i_кз(Б) к месту КЗ со стороны соответственно источников E _А и Е _Б.

На этой же фигуре показана возможная структура устройства блокировки от качаний 1, фиксирующая процессы при КЗ на отходящей от шин А линии W. На входы соответствующих линейных преобразователей 2, 3 и 4 соответственно с постоянными коэффициентами передачи k₁, k₂ и k₃, например с коэффициентами передачи k₁=k, k₂=-k и k₃=-k, поданы вторичные токи i_A.кз(t), i_B.кз(t) и i_С.кз(t) от трансформаторов тока 5 соответствующих фаз А, В и С линии W. Напряжения u_a.кз(t), u_b.кз(t) и u_с.кз(t) с соответствующих выходов преобразователей 2, 3 и 4 поступают на соответствующие три входа трехвходового сумматора 6, на выходе которого формируется входное напряжение u_вх.кз(t), которое при КЗ имеет структуру согласно выражению (5). Это напряжение поступает на вход идентификатора 7 апериодической составляющей устройства, функционирующего согласно известному изобретению, на выходе которого при КЗ на линии электропередачи W получают электрический сигнал в виде затухающего синусоидального сигнала u_вых.кз(t) со структурой согласно выражению (2). Наличие этого напряжения свидетельствует о появлении выявительного признака в напряжении u_вх.кз(t) (см. (5)), что свидетельствует о возникновения КЗ на линии, а факт появления напряжения u_вых.кз(t) может быть использован в алгоритме работы, например, релейной защиты линии электропередачи W для принятия мер по обеспечению правильного функционирования защиты в условиях перегрузки, качания и асинхронном режиме при КЗ.

На фиг.1б показано возможное изменяющееся взаимное положение векторов ЭДС Е _А и E _Б при качании (изменение угла δ(t)), а на фиг.1в - изменяющееся взаимное положение этих векторов при асинхронном режиме, когда один из этих векторов относительно другого перемещается в частном случае, с постоянным скольжением ω_S:

т.е. скольжение ω_S определяется разностью частот Δƒ=ƒ_Б-ƒ_А соответственно ЭДС E _Б и Е _А.

Приведенные на фиг.2 графики мгновенных значений электрических величин являются результатом компьютерного моделирования процессов в описанной выше простейшей энергосистеме с заземленной нейтралью, состоящей из двух трехфазных источников ЭДС Е _А и E _Б с разными частотами ƒ_А и ƒ_Б (фиг.1а) при имитации в условиях асинхронного режима возникновения самоустраняющегося двухфазного КЗ между фазами А и В на трехфазной линии электропередачи W, связывающей эти источники электрической энергии, причем для регистрации появления выявительного признака о возникновении КЗ на линии электропередачи использовалась компьютерная модель идентификатора 7 апериодической составляющей, при этом в основе синтеза этой модели использован известный способ обработки электрического сигнала [Патент № 2331154 (RU)].

На фиг.2 приведены:

- изменения мгновенных значений токов i_A(t), i_B(t) и i_C(t) соответственно в фазах А, В и С линии электропередачи, текущих со стороны источника Е _А, в условиях асинхронного режима (ƒ_Б > ƒ_А) при постоянном скольжении ω_S=const до возникновения КЗ, на интервале времени существования КЗ (интервал времени 0 - t₂), а именно токи i_A.кз(t), i_B.кз(t) и i_С.кз(t) после самоустранения КЗ (при t>t₂);

- графики мгновенных электрических величин, иллюстрирующие изменение входного напряжения u_вх(t) до возникновения КЗ, на интервале существования КЗ и после самоликвидации КЗ, которое на интервале времени 0 - t₁ существования переходного процесса после возникновения КЗ становится равным u_вх.кз(t) со структурой согласно выражению (5), при этом оно содержит апериодическую составляющую u_{∑.ап.кз}(t), присутствие которой является признаком возникновения любого вида КЗ на линии электропередачи W.

На этой же фигуре приведен график изменения затухающего синусоидального сигнала u_вых.кз(t) с частотой ƒ_доп и появляющегося на выходе идентификатора 7 (фиг.1а) апериодической составляющей, выполненного по известному способу обработки электрического сигнала, причем ƒ_доп>>ƒ_A и f_доп>>f_B. Время существования электрического сигнала u_вых.кз(t) (интервал времени 0 - t₁ на фиг.2) связано с продолжительностью протекания переходного процесса в короткозамкнутом контуре, определяемом двухфазным КЗ между фазами А и В и питаемым со стороны источником Е _А (фиг.1а, токи i_кз(А)).

Из приведенной на фиг.2 зависимости для u_вых.кз(t) следует, что на интервале времени, примерно соответствующем полутора колебаниям с частотой f_А, огибающая напряжения u_вых.кз(t) не отражает достоверно апериодический процесс протекания свободных затухающих составляющих, входящих в структуру токов i_A.кз(t) и i_B.кз(t), но факт появления электрического сигнала u_вых.кз(t), функционально связанного с наличием апериодической составляющей u_{∑.ап.кз}(t) в структуре электрического сигнала по (5), может быть использован в качестве выявительного признака короткого замыкания на линии электропередачи при перегрузке, качании и асинхронном режиме в энергосистеме. Отмеченная выше недостоверность отражения апериодического процесса через огибающую напряжения u_вых.кз(t) на начальном интервале времени появления этого напряжения объясняется наличием переходного процесса в идентификаторе 7 апериодической составляющей, с помощью которого регистрируют факт наличия выявительного признака о КЗ в сигнале u_вх.кз(t).

Предлагаемый способ получения выявительного признака о коротком замыкании на линии электропередачи при перегрузках, качании и асинхронном режиме в энергосистеме может быть реализован с использованием известных способов и приемов обработки аналоговых электрических сигналов, используемых в электронике и технике построения измерительных органов релейной защиты.

Использование: в области электрорадиотехники. Технический результат заключается в повышении надежности способа. Согласно способу из токов трех фаз, например, линии электропередачи по определенному правилу формируют электрический сигнал, который при возникновении на линии короткого замыкания с переходным процессом в своей структуре содержит апериодическую составляющую, которую используют как выявительный признак о возникшем коротком замыкании. Этот выявительный признак может быть обнаружен, например, известным способом обработки электрического сигнала, в результате чего получают информационный сигнал в виде некоторого затухающего синусоидального сигнала с постоянной частотой f_доп, который может быть использован в логике функционирования соответствующих устройств, обеспечивающих правильную работу релейной защиты и автоматики. 2 ил.

Способ получения выявительного признака короткого замыкания на линии электропередачи при перегрузке, качании и асинхронном режиме в энергосистеме трехфазного переменного тока, отличающийся тем, что формируют аналоговый электрический сигнал u_вх.кз(t), являющийся суммой трех аналоговых электрических сигналов
u_вх.кз.(t)=k₁·i_А.кз(t)+k₂·i_В.кз(t)+k₃·i_С.кз(t),
где u_вх.кз(t) - аналоговый электрический сигнал; k₁, k₂, k₃ - постоянные коэффициенты; i_А.кз(t), i_В.кз(t); i_С.кз(t) - фазные токи линии при коротком замыкании на трехфазной линии электропередачи, причем постоянные коэффициенты k₁, k₂ и k₃ выбирают такими, чтобы при всех видах коротких замыканий на линии, сопровождающихся протеканием хотя бы в одной из фаз линии тока короткого замыкания, вышеуказанный аналоговый электрический сигнал содержал в своей структуре апериодическую составляющую переходного процесса, и присутствие в сформированном электрическом сигнале u_вх.кз(t) апериодической составляющей используют как выявительный признак, по наличию которого делают заключение о возникновении короткого замыкания на трехфазной линии электропередачи.