СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ОДНОФАЗНОГО ЗАМЫКАНИЯ ФИДЕРА НА ЗЕМЛЮ Российский патент 2015 года по МПК H02H3/40 G01R31/08 

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к релейной защите и автоматике распределительных сетей. Это сети, работающие, как правило, с изолированной или компенсированной нейтралью и характеризующиеся поэтому малым уровнем тока замыкания на землю.

Задача определения места повреждения линии электропередачи высокого и сверхвысокого напряжения, где применяется глухое заземление нейтрали и благодаря этому при замыкании на землю возникают большие токи, имеет общее решение. Наиболее общий способ определения места повреждения основан на применении моделей контролируемых объектов [1, 2]. Он разработан для высоковольтных сетей и оперирует токами и напряжениями установившегося процесса короткого замыкания. Именно это обстоятельство препятствует его применению в распределительных сетях, где установившийся ток замыкания на землю может быть сколь угодно малым, хотя в начальной стадии замыкания, пока не произошло затухания переходного процесса, уровень тока достаточно высок.

В упомянутых способах принципиально важную роль, помимо моделей, играют критерии замыкания, которые исходят из принципа резистивности замыкания, говорящего о том, что в месте замыкания энергия либо только потребляется, либо равна нулю [3]. Если электрические величины изменяются по синусоидальному закону, то критерий замыкания сводится к контролю реактивной мощности предполагаемого повреждения: в месте реального замыкания она равна нулю.

Известен способ определения места замыкания линии электропередачи, в котором критерий замыкания обобщается с таким расчетом, чтобы он стал пригоден для сетей с любым режимом заземления нейтрали [4]. В этом способе на входе линии (фидера) регистрируются, т.е. наблюдаются и фиксируются, фазные токи и напряжения, а также ток и напряжение нулевой последовательности. В микропроцессорных терминалах релейной защиты считываются и запоминаются отсчеты электрических величин. Модель фидера строится в расчете на обработку аналоговых величин, в связи с чем отсчеты зафиксированных величин подвергаются цифроаналоговому преобразованию. Поврежденная фаза фидера легко выявляется по снижению уровня фазного напряжения, что не требует применения моделей фидера. Применение моделей относится к задаче локации, т.е. поиску места замыкания. Модели для составляющих нулевой последовательности и безнулевых составляющих, которые получаются после устранения из фазных величин нулевой последовательности, имеют разные параметры и, возможно, различные структуры. По указанной причине из фазных аналоговых величин перед преобразованием в моделях вычитаются составляющие нулевой последовательности.

В обсуждаемом способе подготовка сигналов к преобразованию в моделях завершается, тем не менее, фильтрацией составляющих основной частоты, что в конечном счете сводит на нет все усилия повысить точность локации в распределительных сетях. Важно заметить, что к переходным режимам понятие реактивной мощности неприменимо, что вынуждает искать новые критерии замыкания в распределительных сетях.

Цель изобретения заключается в повышении точности определения места замыкания за счет кардинального изменения критерия повреждения и введению таких операций обработки наблюдаемых напряжений и токов, которые инвариантны к их форме, т.е. сохраняют эффективность не только в установившемся режиме замыкания в сети. Поставленная цель достигается тем, что новый способ основывается на усовершенствованном критерии повреждения и на более гибком подходе к моделированию фидера. В качестве критерия повреждения предлагается принять положение о том, что в месте повреждения не может происходить генерирования мгновенной мощности. Как и в прототипе, используется понятие о месте предполагаемого замыкания. В качестве такового может быть принята любая точка фидера, но предположение нуждается в подтверждении. Предлагается применять не одну общую модель фидера, а автономные модели двух его частей. Первая часть - та, что идет от места наблюдения до места предполагаемого замыкания. Вторая - от места предполагаемого замыкания до конца фидера. Для первой части составляют модели как по прямой, так и по нулевой последовательности. В модели прямой последовательности преобразуют безнулевые составляющие тока и напряжения поврежденной фазы. На выходе получают безнулевую составляющую напряжения поврежденной фазы в месте предполагаемого замыкания. Аналогично в модели нулевой последовательности первой части фидера преобразуют нулевые составляющие зафиксированных токов и напряжений в напряжение нулевой последовательности в месте предполагаемого замыкания. Располагая в этом месте безнулевой составляющей и напряжением нулевой последовательности, получают путем их суммирования напряжение поврежденной фазы в месте предполагаемого замыкания. В некоторых случаях, например, при металлическом замыкании, по величине напряжения в разных местах предполагаемого замыкания можно судить о том, где реально произошло замыкание. Однако этот критерий не носит всеобщего характера и может использоваться только для прогнозирования наиболее вероятного участка фидера, где случилось замыкание. Предлагаемый способ предназначен для более точного определения места замыкания. Последующая операция имеет целью определение еще и тока в месте предполагаемого замыкания. Здесь учитывается то существенное обстоятельство, что по нулевой последовательности фидер, работающий в режиме с изолированной нейтралью, находится в режиме холостого хода. Чтобы определить ток нулевой последовательности на входе второй части поврежденного фидера, напряжение нулевой последовательности в месте предполагаемого замыкания подают на вход модели нулевой последовательности и фиксируют ток на ее входе. Остающиеся операции реализуют принятый в данном способе предельно общий критерий замыкания. Определенный последним ток на входе модели второй части фидера вычитают из ранее определенного тока нулевой последовательности до места предполагаемого замыкания. Известно, что в месте однофазного замыкания на землю протекает от провода к земле ток, равный утроенному значению своей составляющей нулевой последовательности. Следовательно, найденный данным способом разностный ток нулевой последовательности при поиске места реального замыкания правомерно принять пропорциональным току предполагаемого повреждения. Перемножая напряжение и ток в месте предполагаемого замыкания, формируют сигнал мгновенной мощности предполагаемого замыкания и контролируют знак этого сигнала. В месте реального замыкания мгновенная мощность может только потребляться или, в крайнем случае, быть равной нулю, но ее генерация физически невозможна. Таким образом, реальное замыкание фиксируют в том месте, где сигнал мгновенной мощности в процессе своего изменения остается неотрицательным.

На фиг.1 показана схема контролируемого объекта - трехфазного фидера, в одной из фаз которого произошло замыкание на землю. На фиг.2 показана модель первой части фидера по нулевой последовательности, на фиг.3 - модель той же части фидера по прямой последовательности, на фиг.4 - модель второй части фидера по нулевой последовательности; фиг.5 служит иллюстрацией операции формирования напряжения поврежденной фазы в месте предполагаемого замыкания, фиг.6 иллюстрирует операцию формирования сигнала мгновенной мощности предполагаемого замыкания, а фиг.7 - операцию контроля знака этого сигнала во всех местах предполагаемого замыкания на протяжении всего интервала наблюдения процесса замыкания в распределительной сети.

На фиг.8, 9 и 10 приведены конкретные примеры тех моделей частей фидера, которые показаны в общем виде на фиг.2, 3 и 4. В моделях первой части фидера (фиг.8, 9) потери учитываются двумя сосредоточенными сопротивлениями на концах участка фидера с распределенными емкостью и индуктивностью. А в модели второй части фидера потери учтены тремя сосредоточенными сопротивлениями, что продиктовано технической необходимостью, так как вторая часть находится в режиме холостого хода.

Рассматривается фидер длиной l, в фазе A которого произошло замыкание на землю. Предлагаемый способ решает задачу определения координаты места замыкания x_f. На входе фидера наблюдаются токи i_vs и напряжения u_vs, v=A, B, C. Фидер можно условно разделить на две части 1 и 2 - до и после места предполагаемого замыкания. Нагрузка фидера 3 в предполагаемом способе роли не играет, так как не имеет связи с землей. На фиг.1 использованы также следующие обозначения: u_Af - напряжение поврежденной фазы в месте замыкания, i_Af=3i_0f - ток замыкания на землю, i_0g и i_0h - токи нулевой последовательности до и после места замыкания. Все величины в месте x_f, показанные на фиг.1, неизвестны; они всего лишь поясняют дальнейшие обозначения.

Обозначение $${\widehat{x}}_f$$ относится к месту предполагаемого замыкания и в общем случае не совпадает с x_f. Модели 4 и 5 также принадлежат первой части фидера, но не части 1, так как длины этих первых частей разные: часть фидера 1 простирается до фиксированного места x_f, а модели 4 и 5 - до произвольного места x_f. Точно так же модель 6 второй части фидера начинается в этом произвольном месте $${\widehat{x}}_f$$ , а реальная вторая часть 2 - в фиксированном, но неизвестном месте x_f.

В операциях, иллюстрируемых фиг.5, 6, 7, задействованы сумматор 7, умножитель 8 и нуль-индикатор 9.

Действие предлагаемого способа заключается в следующем. Токи и напряжения i_vs, u_vs, v=A, B, C, регистрируемые в виде отсчетов с определенной частотой дискретизации, подвергаются цифроаналоговому преобразованию в непрерывные величины i_vs(t), u_vs(t), v=A, B, C. Из трехфазной системы величин выделяются составляющие нулевой последовательности

$$3i_{0s}\left(t\right)=i_{As}\left(t\right)+i_{Bs}\left(t\right)+i_{Cs}\left(t\right)$$ ,

$$3u_{0s}\left(t\right)=u_{As}\left(t\right)+u_{Bs}\left(t\right)+u_{Cs}\left(t\right)$$ ,

после чего определяются безнулевые составляющие

$$i_{vs}^{\text{'}}\left(t\right)=i_{vs}\left(t\right)-i_{0s}\left(t\right)$$ ,

$$u_{vs}^{\text{'}}\left(t\right)=u_{vs}\left(t\right)-u_{0s}\left(t\right)$$ .

Аналоговая модель 4 преобразует ток i_0s(t) и напряжение u_0s(t) в выходные величины $${\widehat{i}}_{0g}\left(t\right)$$ , $${\widehat{i}}_{0f}\left(t\right)$$ . Модель составляется для произвольного места предполагаемого повреждения $${\widehat{x}}_f$$ . Если модель выполнена в виде цепи с распределенными параметрами (фиг.8), то соответствующее преобразование имеет вид, вытекающий из разностных уравнений длинной линии [5], идеально точных для линии без потерь, а что касается потерь, то они учитываются приближенно сосредоточенными сопротивлениями. В модели по фиг.8 с двумя сопротивлениями выходные величины выражаются через входные, взятые как с опережением, так и с запаздыванием во времени

где $$R_{в0}=\sqrt{L_0^0/C_0^0}$$ - волновое сопротивление фидера нулевой последовательности, $${\tau }_{{}_{01}}={\widehat{x}}_f\sqrt{L_0^0{C}_0^0}$$ - время пробега волны нулевой последовательности вдоль первой части фидера, , $$b_{01}=R_{в0}-R_0^0{\widehat{x}}_f/2$$ ; $$L_0^0$$ , $$C_0^0$$ , $$R_0^0$$ - первичные параметры фидера нулевой последовательности.

Модель 5 преобразует безнулевые составляющие тока и напряжения поврежденной фазы A в соответствующую выходную величину - безнулевую составляющую напряжения поврежденной фазы A в месте предполагаемого повреждения. Если модель имеет вид схемы по фиг 9, то

где $$R_{в}=\sqrt{L^0/C^0}$$ - волновое сопротивление фидера прямой последовательности, $${\tau }_{{}_1}={\widehat{x}}_f\sqrt{L^0{C}^0}$$ - время пробега волны прямой последовательности вдоль первой части фидера, , $$b_1=R_{в}-R^0{\widehat{x}}_f/2$$ ; $$L^0$$ , $$C^0$$ , $$R^0$$ - первичные параметры фидера прямой последовательности.

Модель 6 второй части фидера функционирует принципиально иначе, чем модели первой части. На вход модели 6 подается напряжение $${\widehat{u}}_{0f}\left(t\right)$$ , определяемое, например, операцией (2), а реакцией, подлежащей определению, служит входной ток $${\widehat{i}}_{0h}\left(t\right)$$ . Модель 6, выполненная по схеме фиг.10, реализует операцию, в которой ток определяется значением приложенного напряжения в текущий момент времени и в два запаздывающих момента, а также собственными запаздывающими значениями

где , $$b_{01}=R_{в0}-R_0^0\left(l-{\widehat{x}}_f\right)/2$$ , $${\tau }_{01}=\left(l-{\widehat{x}}_f\right)\sqrt{L_0^0{C}_0^0}$$ - время пробега волны нулевой последовательности вдоль второй части фидера.

Сумматор 7 образует на выходе напряжение поврежденной фазы в месте $${\widehat{x}}_f$$

$${\widehat{u}}_{Af}\left(t\right)={\widehat{u}}_{0f}\left(t\right)+{\widehat{u}}_{{}_{Af}}^{\text{'}}\left(t\right)$$ .

Слагаемые $${\widehat{u}}_{0f}\left(t\right)$$ и $${\widehat{u}}_{Af}^{\text{'}}\left(t\right)$$ могут быть сформированы операциями (2) и (3). Ток предполагаемого однофазного замыкания $${\widehat{i}}_{Af}\left(t\right)$$ образуется из двух токов нулевой последовательности $${\widehat{i}}_{0g}\left(t\right)$$ и $${\widehat{i}}_{0h}\left(t\right)$$

$${\widehat{i}}_{Af}\left(t\right)=3\left({\widehat{i}}_{0g}\left(t\right)-{\widehat{i}}_{0h}\left(t\right)\right)$$ ,

т.е. для его формирования достаточно операций (1) и (4). Наконец, умножитель 8 создает сигнал мгновенной мощности, поступающей в поперечную ветвь однофазного замыкания

$${\widehat{p}}_f\left(t\right)={\widehat{u}}_{Af}\left(t\right){\widehat{i}}_{Af}\left(t\right).(5)$$

Нуль-индикатор 9 контролирует знак этого сигнала. Согласно физической природе замыкания в месте реального события знак сигнала (5) не должен быть отрицателен. Поскольку все места фидера проверяются этим условием, то $${\widehat{x}}_f$$ изменяется в пределах от начала до конца фидера $$\left({\widehat{x}}_f\in \left(0,l\right)\right)$$ , а время наблюдения сигнала (5) ограничивается временем прохождения интенсивного переходного процесса $$\left(t\in \left(t_0,t_{кон}\right)\right)$$ , но может быть продолжено и далее, если ток $${\widehat{i}}_{Af}\left(t\right)$$ сохраняет ощутимое значение.

Таким образом, предложенный способ опирается на предельно общие закономерности и не вносит собственной методической погрешности в определение координаты места замыкания фидера на землю.

Источники информации

1. Патент РФ №2033622, G01R 31/11, H02H 3/28, 1989.

2. Патент РФ №2033623, G01R 31/11, H02H 3/28, 1989.

3. Патент РФ №2066511, H02H 3/40, G01R 31/08, 1992.

4. Патент РФ №2073876, H02H 3/40, G01R 31/08, 1992.

5. Караев Р.И., Лямец Ю.Я. О применении уравнений длинной линии. - Электричество, 1972, №11, С.28-36.

Использование: в области электроэнергетики. Технический результат - повышение точности. Согласно способу составляют модели двух частей фидера, первой - от места наблюдения до места предполагаемого замыкания и второй - от места предполагаемого замыкания до конца фидера, первую часть фидера моделируют по прямой и по нулевой последовательности, а вторую - только по нулевой последовательности, преобразуют в модели прямой последовательности безнулевые составляющие зафиксированных тока и напряжения поврежденной фазы в безнулевую составляющую напряжения поврежденной фазы в месте предполагаемого замыкания, преобразуют в модели нулевой последовательности первой части фидера нулевые составляющие зафиксированных токов и напряжений в напряжение нулевой последовательности в месте предполагаемого замыкания и в ток нулевой последовательности до этого места, суммируют два упомянутых напряжения, формируя напряжение поврежденной фазы в месте предполагаемого замыкания, подают напряжение нулевой последовательности в месте предполагаемого замыкания на вход модели нулевой последовательности второй части фидера и фиксируют ток на ее входе, который вычитают из тока нулевой последовательности до этого места, формируя ток предполагаемого замыкания, перемножают напряжение и ток в месте предполагаемого замыкания, формируя сигнал мгновенной мощности предполагаемого места замыкания, определяют знак этого сигнала и фиксируют реальное замыкание в том месте, где упомянутый сигнал в процессе своего изменения остается неотрицательным. 10 ил.

Способ определения места однофазного замыкания фидера на землю с использованием его моделей по нулевой и прямой последовательности путем фиксации на входе фидера отсчетов фазных токов и напряжений, тока и напряжения нулевой последовательности, цифро-аналогового преобразования зафиксированных величин, выявления поврежденной фазы, определения безнулевых тока и напряжения этой фазы путем устранения из фазных величин нулевой последовательности, отличающийся тем, что составляют модели двух частей фидера, первой - от места наблюдения до места предполагаемого замыкания и второй - от места предполагаемого замыкания до конца фидера, первую часть фидера моделируют по прямой и по нулевой последовательности, а вторую - только по нулевой последовательности, преобразуют в модели прямой последовательности безнулевые составляющие зафиксированных тока и напряжения поврежденной фазы в безнулевую составляющую напряжения поврежденной фазы в месте предполагаемого замыкания, преобразуют в модели нулевой последовательности первой части фидера нулевые составляющие зафиксированных токов и напряжений в напряжение нулевой последовательности в месте предполагаемого замыкания и в ток нулевой последовательности до этого места, суммируют два упомянутых напряжения, формируя напряжение поврежденной фазы в месте предполагаемого замыкания, подают напряжение нулевой последовательности в месте предполагаемого замыкания на вход модели нулевой последовательности второй части фидера и фиксируют ток на ее входе, который вычитают из тока нулевой последовательности до этого места, формируя ток предполагаемого замыкания, перемножают напряжение и ток в месте предполагаемого замыкания, формируя сигнал мгновенной мощности предполагаемого места замыкания, определяют знак этого сигнала и фиксируют реальное замыкание в том месте, где упомянутый сигнал в процессе своего изменения остается неотрицательным.