СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ВОЗДУШНОЙ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ПРИ НЕСИНХРОНИЗИРОВАННЫХ ЗАМЕРАХ С ДВУХ ЕЁ КОНЦОВ Российский патент 2016 года по МПК G01R31/08 

Предлагаемое изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для определения места короткого замыкания на линиях электропередачи при несинхронизированных замерах с двух ее концов.

Изобретение относится к приоритетному направлению развития науки и технологий «Технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления тепла и электроэнергии» [Алфавитно-предметный указатель к Международной патентной классификации по приоритетным направлениям развития науки и технологий / Ю.Г. Смирнов, Е.В. Скиданова, С.А. Краснов. - М.: ПАТЕНТ, 2008. - с. 97], так как решает проблему уменьшения времени задержек при транспортировке электроэнергии потребителям в случае повреждения электрических сетей.

Известен способ определения места повреждения на воздушных линиях электропередачи [Заявка RU №2009137563/28, G01R 31/08 (2006.01), дата публикации 20.04.2011], в котором измеряют с двух концов линии фазные напряжения и токи, преобразуют их в расчетные комплексные значения по предложенным выражениям, и, используя мнимые части расчетных величин, находят расчетным путем относительные и физические расстояния места повреждения от концов линии. В этом способе не используют эквивалентные параметры питающих систем, устранено влияние переходного сопротивления.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются: измерение с двух концов линии (′ - один конец линии, ′′ - второй конец линии) не синхронизированных по углам фазных токов , и напряжений , основной частоты в момент короткого замыкания, расчетным путем с использованием замеров с обоих концов определение относительного значения расстояния до места короткого замыкания n и расстояние до места короткого замыкания l_k=n·l.

Недостатком указанного способа является необходимость использования только мнимых составляющих расчетных величин.

Указанный недостаток может приводить к погрешности в определении места повреждения из-за недостаточного объема учитываемых параметров.

Известен способ определения места короткого замыкания на воздушной линии электропередачи по замерам мгновенных значений токов и напряжений с одного конца линии [учебное пособие «Методы и приборы определения места короткого замыкания на линии», Ивановский ГЭУ, 1998].

В данном способе измеряют на одном конце линии мгновенные значения фазного тока, тока нулевой последовательности, фазного напряжения, выбирают момент, когда ток в месте короткого замыкания равен нулю, что предполагает равенство нулю падения напряжения на переходном сопротивлении, и находят расстояние до места короткого замыкания по соотношению мгновенного значения напряжения на данном конце линии и удельного падения напряжения на одном километре линии.

Аналогично определяют расстояние до места короткого замыкания по замерам с другого конца линии.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются: измерение с двух концов линии не синхронизированных по времени фазных токов , и напряжений , , в момент короткого замыкания, расчетным путем с использованием замеров с обоих концов определение относительного значения расстояния до места короткого замыкания n и расстояние до места короткого замыкания l_k=n·1.

Недостатком аналога являются: неучет угла сдвига в момент короткого замыкания между векторными диаграммами по концам линии, необходимость измерения дополнительно к фазному току тока нулевой последовательности. Кроме того, способ реализован только в величинах интегральных значений, а в величинах мгновенных значений описан только аналитически. Потому как далее производят замену мгновенного значения напряжения на данном конце линии и удельного падения напряжения на одном километре линии в момент перехода тока нулевой последовательности i₀ через нулевое мгновенное значение на расчет проекции на мнимую ось, перпендикулярную вектору тока нулевой последовательности I₀, интегральных величин и , и определяют расстояние до места короткого замыкания по мнимым значениям указанных интегральных величин.

Указанный недостаток может приводить к погрешности в определении места повреждения из-за недостаточного объема учитываемых параметров.

Известен способ определения места повреждения на воздушных линиях электропередачи [Технология векторной регистрации параметров и ее применение для управления режимами ЕЭС России, Электро, №2, 2011, с. 2-5], в котором необходимость использования только мнимых составляющих расчетных величин устраняется. В этом способе предварительно измеряют угол между токами по концам линии. Что выполняют путем использования цифровых каналов связи между концами линии или путем использования спутниковой синхронизации времени. При использовании цифровых каналов связи углы определяют путем выполнения выборок синхронизированных по времени или путем постоянного вычисления времени прохождения сигнала между полукомплектами дифференциальной защиты линии. При использовании спутниковой синхронизации времени импульсы синхронизации времени получают от приемников сигнала ГЛОНАСС (GPS). Далее измеряют с двух концов линии фазные напряжения и токи, преобразуют их в расчетные комплексные значения по предложенным выражениям и, используя полные части расчетных величин, находят расчетным путем относительные и физические расстояния места повреждения от концов линии. В этом способе не используют эквивалентные параметры питающих систем, устранено влияние переходного сопротивления.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются измерение фазных токов и напряжений в момент короткого замыкания на линии на обоих концах линии, учет угла между токами и напряжениями по концам линии и определение по соотношению измеренных величин расстояния до места короткого замыкания.

Основная особенность способа - это возможность учета влияния питания с противоположного конца линии, а также исключение погрешности от переходного сопротивления в месте короткого замыкания. Для реализации этого метода не требуется полная модель сети, т.е. программы расчета установившихся и аварийных режимов сети. Кроме того, не требуется производить предварительные измерения тока нагрузки, которые используют для компенсации погрешности от влияния нагрузки.

Недостатком способа является необходимость использования сложного оборудования и алгоритмов, например цифровых каналов связи между концами линии, когда углы определяют путем выполнения синхронизированных выборок по времени или путем постоянного вычисления времени прохождения сигнала между полукомплектами дифференциальной защиты линии, или оборудования спутниковой синхронизации времени, когда импульсы синхронизации времени получают от приемников сигнала ГЛОНАСС (GPS).

Известен способ определения места короткого замыкания на линии электропередачи по замерам с двух ее концов [патент RU 2508556 С1], принятый за прототип, имеющей длину l, активное R и индуктивное X_L фазные сопротивления, соединяющей две питающие системы, в котором измеряют с двух концов линии (′ - один конец линии, ′′ - второй конец линии) несинхронизированные по времени мгновенные значения фазных токов , и напряжений , в момент короткого замыкания, определяют вид короткого замыкания, получают осциллограммы токов и напряжений, совмещают осциллограммы с двух концов линии по срезу начала короткого замыкания, выбирают на расстоянии двух-трех периодов от начала короткого замыкания сечение для осциллограмм тока и напряжения поврежденной фазы, определяют относительное значение расстояния до места короткого замыкания n по выражению:

где u′, u′′ - мгновенные значения напряжений, полученные в сечении осциллограмм напряжений поврежденной фазы с одного и второго концов линии (В);

i′, i′′ - мгновенные значения токов, полученные в сечении осциллограмм токов поврежденной фазы с одного и второго концов линии (А);

di′/dt, di′′/dt - производные токов по времени, (А/с);

R, X_L - активное и индуктивное фазные сопротивления линии (Ом).

Далее определяют расстояние до места короткого замыкания со стороны конца с индексом ′ по выражению: l′=n·l.

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются измерение фазных токов и напряжений в момент короткого замыкания на линии на обоих концах линии, учет угла между токами и напряжениями по концам линии и определение по соотношению измеренных величин расстояния до места короткого замыкания.

Основная особенность способа - это возможность учета влияния питания с противоположного конца линии, а также исключение погрешности от переходного сопротивления в месте короткого замыкания. Для реализации этого метода не требуется полная модель сети, т.е. программы расчета установившихся и аварийных режимов сети.

Недостатком способа, принятого за прототип, является необходимость использования усредненных величин - симметричных составляющих токов, напряжений и сопротивлений линии.

Указанный недостаток может приводить к погрешности в определении места повреждения из-за усреднения величин сопротивлений линии.

Изобретение направлено на решение задачи по созданию технологий, позволяющих повысить эффективность электроснабжения.

Технический результат изобретения заключается в повышении точности определения места повреждения за счет использования величин фазных токов и напряжений и величин полных фазных и междуфазных сопротивлений линии.

Технический результат достигается тем, что в способе определения места короткого замыкания на линии электропередачи по замерам с двух ее концов, имеющей длину l, комплексные сопротивления проводов фаз Z_A=R_A+jωL_A, Z_B=R_B+jωL_B, Z_C=R_C+jωL_C, междуфазные комплексные сопротивления Z_AB=R_AB+jωL_AB, Z_BC=R_AB+jωL_AB, Z_CA=R_CA+jωL_CA, соединяющей две питающие системы, измеряют с двух концов линии (′ - один конец линии, ′′ - второй конец линии) мгновенные значения фазных токов i′_A, i′_B, i′_C, i′′_A, i′′_B, i′′_C и напряжений u′_А, u′_B, u′_C, u′′_A, u′′_B, u′′_C во время короткого замыкания, получают осциллограммы токов и напряжений, совмещают осциллограммы с двух концов линии по срезу начала короткого замыкания, выбирают на интервале двух-десяти периодов от начала короткого замыкания сечение на осциллограммах тока и напряжения фаз, снимают мгновенные значения напряжений и u′_А, u′_B, u′_C, u′′_A, u′′_B, u′′_C и токов i′_A, i′_B, i′_C, i′′_A, i′′_B, i′′ в сечении и в соседних точках, вычисляют в сечении производные от токов по времени di_A′/dt, di_B′/dt, di_C/dt, di_A′′/dt, di_B′′/dt, di_C′′/dt, определяют относительное значение расстояния до места короткого замыкания n и физическое расстояние до места короткого замыкания со стороны конца линии с индексом ′ по выражению: l′=n·l, согласно изобретению формируют падение напряжения в проводе каждой фазы линии du_A′, du_B′, du_C′ от токов одного конца линии:

формируют падение напряжения в проводе каждой фазы линии du_A′′, du_B′′, du_C′′ от токов второго конца линии:

и определяют относительное значение расстояния до места короткого замыкания по выражению:

где n - относительное значение расстояния до места короткого замыкания;

u′_А, u′_B, u′_C, u′′_A, u′′_B, u′′_C - мгновенные значения напряжений, полученные в сечении осциллограмм напряжений фаз А, В, C с одного и второго концов линии (В);

i′_A, i′_B, i′_C, i′′_A, i′′_B, i′′_C - мгновенные значения токов, полученные в сечении осциллограмм токов фаз А, В, C с одного и второго концов линии (А);

di′_A/dt, di′_B/dt, di′_C/dt, di′′_A/dt, di′′_B/dt, di′′_C/dt - мгновенные значения производных токов по времени, полученные в сечении осциллограмм токов фаз А, В, C с одного и второго концов линии, (А/с);

R_A, R_B, R_C - активное фазные сопротивления линии (Ом);

L_A, L_B, L_C - индуктивности фаз линии (Гн);

M_AB, M_BC, M_CA - взаимоиндукции между проводами фаз линии (Гн).

Значения комплексных сопротивлений проводов фаз линии Z_A=R_A+jωL_A, Z_B=R_B+jωL_B, Z_C=R_C+jωL_C, и междуфазных комплексных сопротивлений Z_AB=R_AB+jωL_AB, Z_BC=R_AB+jωL_AB, Z_CA=R_CA+jωL_CA, (соответственно, собственных и взаимных сопротивлений) определяют по общеизвестным выражениям [например, Ульянов С.А. Электромагнитные переходные процессы в энергетических системах, изд-во Энергия, 1970 г., с 293, 294]:

где R_п - активное сопротивление провода (Ом);

R_з=0,05 - сопротивление земли (величина, учитывающая потери активной мощности при прохождении тока через землю) (Ом);

D_з - глубина протекания эквивалентного тока в земле (выбирается для каждой территории в отдельности) (м);

r_пэ=0,95·r_п - эквивалентный радиус провода (0,95 для сталеалюминиевых проводов, 0,85 - для алюминиевых проводов) (м);

r_п - радиус провода (м);

D_взаимн - расстояние между каждыми двумя проводами линии, например между проводами фаз А и В - D_AB (м);

R_A, R_B, R_C - действительная часть комплексного собственного сопротивления Z_собств, соответственно проводов фаз А, В, С (Ом);

L_A, L_B, L_C - мнимая часть комплексного собственного сопротивления Z_собств, соответственно проводов фаз А, В, С, отнесенная к ω=2·π·f=314 (f=50 Гц);

M_AB, М_ВC, M_CF - мнимая часть комплексного взаимного сопротивления Z_взаимн, соответственно между проводами фаз А и В, В и С, С и А, отнесенная к ω=2·π·f=314 (f=50 Гц).

Отличия от прототипа доказывают новизну заявляемых вариантов технического решения, охарактеризованных в формуле изобретения.

Новый подход позволяет повысить точность определения места повреждения, и в то же время дает возможность практической реализации метода, благодаря раскрытию довольно простых средств и методов и отсутствию громоздких вычислений и сложных математических преобразований, что подтверждает соответствие заявляемых технических решений условию патентоспособности «промышленная применимость».

Из уровня техники неизвестны отличительные существенные признаки заявляемых способов, охарактеризованных в формуле изобретения, что подтверждает ее соответствие условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Изобретение поясняется чертежом, где:

на фиг. 1 представлена общая трехфазная схема замещения линии электропередачи с двухсторонним питанием;

на фиг. 2 представлена трехфазная схема замещения линии для короткого замыкания на землю;

На фиг. 1 на трехфазной схеме замещения линии электропередачи с двухсторонним питанием, длиной l, имеющей комплексные сопротивления Z_AЛ, Z_BЛ, Z_CЛ проводов фаз А, В и С, комплексные междуфазные сопротивления Z_AB, Z_BC, Z_CA, Z_BA, Z_CB, Z_AC (причем Z_AB=Z_BA, Z_BC=Z_CB, Z_CA=Z_AC), соединяющей шины 3 и 4 двух систем 1 и 2 с эквивалентными параметрами (ЭДС и комплексные сопротивления соответственно , , , , , , , , , , , , ′ - один конец линии, ′′ - второй конец линии).

На фиг. 2 на линии показано короткое замыкание 6 за переходным сопротивлением (R_П) 7 на расстоянии nl от первого конца линии, сопротивления фаз и междуфазные сопротивления от первого конца линии до места короткого замыкания 8, сопротивления от второго конца линии до места короткого замыкания 9. При возникновении короткого замыкания на линии по ней протекают фазные токи в сопротивлениях 8, токи в сопротивлениях 9, сумма которых дает полный ток короткого замыкания (i_K) в переходном сопротивлении 7, при этом на шинах 3 и 4 измеряют в виде осциллограмм с двух концов линии несинхронизированные по углам фазные токи , и напряжения , .

Рассмотрим однофазное короткое замыкание 8 на одноцепной линии с двухсторонним питанием (Фиг. 2). Параметры аварийного режима , , , замерены с двух сторон, и поэтому влияние переходного сопротивления (R_П) 9 и питающих систем 6 и 7 можно исключить.

Падение напряжения в каждой фазе лини до точки короткого замыкания с двух концов линии (Фиг. 2.) можно записать как:

Упрощаем выражения 2

где

После преобразования выражения (3) путем сложения трех уравнений получим выражение (1).

Для реализации способа по выражению (1) измеряют с двух концов линии (′ - один конец линии, ′′ - второй конец линии) мгновенные значения фазных токов i′_A, i′_B, i′_C, i′′_A, i′′_B, i′′_C и напряжений u′_А, u′_B, u′_C, u′′_A, u′′_B, u′′_C во время короткого замыкания, получают осциллограммы токов и напряжений, совмещают осциллограммы с двух концов линии по срезу начала короткого замыкания, выбирают на интервале двух-десяти периодов от начала короткого замыкания сечение на осциллограммах тока и напряжения фаз, снимают мгновенные значения напряжений u′_А, u′_B, u′_C, u′′_A, u′′_B, u′′_C и токов i′_A, i′_B, i′_C, i′′_A, i′′_B, i′′ в сечении и в соседних точках, вычисляют в сечении производные от токов по времени di_A′/dt, di_B′/dt, di_C/dt, di_A′′/dt, di_B′′/dt, di_C′′/dt, формируют падение напряжения в проводе каждой фазы линии du_A′, du_B′, du_C′ от токов одного конца линии:

формируют падение напряжения в проводе каждой фазы линии du_A′′, du_B′′, du_C′′ от токов второго конца линии:

определяют относительное значение расстояния до места короткого замыкания n и физическое расстояние до места короткого замыкания со стороны конца линии с индексом ′ по выражению: l′=n·l. Физическое расстояние до места короткого замыкания со стороны конца линии с индексом ′′ определяют по выражению: l′′=(l-n)·l.

Определение di_A′/dt, di_B′/dt, di_C/dt, di_A′′/dt, di_B′′/dt, di_C′/dt, производится одним из известных способов, например, на основе использования m-й i(mT) и предыдущей i(mT-T) выборки мгновенных значений токов в области сечения:

где i(mT) - последовательность мгновенных значений токов, взятых с осциллограмм (а), Т - период дискретизации (угол или время между двумя соседними точками осциллограммы).

Предложенный способ также позволяет определять место короткого замыкания при других видах замыкания: двухфазном, двухфазном на землю, трехфазном.

Определение места повреждения, выполненное по предложенной методике для схемы на фиг. 1, показало также полное отсутствие методической погрешности при наличии переходного сопротивления от 5 до 50 Ом и при изменениях нагрузочного режима в широких диапазонах. Погрешность отсутствует как при измерениях со стороны слабой, так и со стороны мощной системы.

Таким образом, использование измеренных мгновенных значений токов и напряжений в фазах линии с учетом фазных и междуфазных параметров линии позволяет получить точные параметры линии, что при наличии точной синхронизации по времени при двухстороннем несинхронизированном замере за счет совмещения осциллограммы с двух концов линии по срезу начала короткого замыкания, чем достигается более точное определение расстояния до места короткого замыкания.

При совмещении осциллограмм с двух концов линии по срезу начала короткого замыкания определяется точный угол между напряжениями и токами по концам линии. Значение угла между напряжениями и токами по концам линии могут быть использованы для других целей, например для анализа режима другой части сети.

Предлагаемое изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для определения места короткого замыкания на линиях электропередачи по замерам мгновенных значений токов и напряжений при несинхронизированных замерах с двух ее концов. Техническая задача изобретения заключается в повышении точности определения места повреждения. Технический результат изобретения достигается за счет учета фазных и междуфазных параметров линии при наличии точной синхронизации измеренных величин токов и напряжений по концам линии не синхронизированных по времени при измерении, которая выполняется путем совмещения осциллограмм с двух концов линии по срезу начала короткого замыкания. 2 ил.

Способ определения места короткого замыкания на воздушной линии электропередачи при несинхронизированных замерах с двух ее концов, имеющей длину l, имеющей комплексные сопротивления проводов фаз Z_A=R_A+jωL_A, Z_B=R_B+jωL_B, Z_C=R_C+jωL_C, междуфазные комплексные сопротивления Z_AB=R_AB+jωL_AB, Z_BC=R_AB+jωL_AB, Z_CA=R_CA+jωL_CA, соединяющей две питающие системы, в котором измеряют с двух концов линии (′ - один конец линии, ′′ - второй конец линии) мгновенные значения фазных токов и напряжений во время короткого замыкания, получают осциллограммы токов и напряжений, совмещают осциллограммы с двух концов линии по срезу начала короткого замыкания, выбирают на интервале двух-десяти периодов от начала короткого замыкания сечение на осциллограммах тока и напряжения фаз, снимают мгновенные значения напряжений и токов в сечении и в соседних точках, вычисляют в сечении производные от токов по времени определяют относительное значение расстояния до места короткого замыкания n и физическое расстояние до места короткого замыкания со стороны конца линии с индексом ′ по выражению: l′=n·l, отличающийся тем, что формируют падение напряжения в проводе каждой фазы линии от токов одного конца линии:

формируют падение напряжения в проводе каждой фазы линии от токов второго конца линии:

и определяют относительное значение расстояния до места короткого замыкания по выражению:

где n - относительное значение расстояния до места короткого замыкания;
- мгновенные значения напряжений, полученные в сечении осциллограмм напряжений фаз A, B, C с одного и второго концов линии (В);
- мгновенные значения токов, полученные в сечении осциллограмм токов фаз A, B, C с одного и второго концов линии (A);
- мгновенные значения производных токов по времени, полученные в сечении осциллограмм токов
фаз A, B, C с одного и второго концов линии, (А/с);
R_A, R_B, R_C - активные фазные сопротивления линии (Ом);
L_A, L_B, L_C - индуктивности фаз линии (Гн);
М_АВ, М_ВC, M_CA - взаимоиндукции между проводами фаз линии (Гн).