Способ определения места короткого замыкания на землю на магистральной линии электропередачи с ответвлением Российский патент 2023 года по МПК G01R31/08 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к релейной защите и автоматике, и может быть использовано для определения места короткого замыкания на землю на линии электропередачи (ЛЭП).

Известен способ одностороннего волнового определения места короткого замыкания (КЗ) на ЛЭП (US 2015/0081236 А1, дата публикации: 19.03.2015), согласно которому по измерениям фазных электрических величин в месте установки устройства формируют сигнал волн междуфазного волнового канала путем применения одного из модальных преобразований и последующего заграждения основной гармоники. На основе сигнала волн междуфазного волнового канала фиксируют моменты прихода к месту установки устройства первичной и отраженной от места КЗ волн и определяют отрезок времени между ними. Расстояние до места КЗ на ЛЭП оценивают как половину длины пути, пробегаемого волной междуфазного волнового канала за упомянутый отрезок времени.

Способ не в состоянии определить место КЗ на магистральной ЛЭП с ответвлением. Это ограничение способа связано с конфигурацией контролируемой линии. Дело в том, что при расположении КЗ за ответвлением отраженная от места КЗ волна значительно теряет свою энергию из-за преломлений в месте присоединения ответвления и приходит к месту установки устройства сильно ослабленной.

Необходимость использования отраженной волны исключена в способе одностороннего волнового определения места КЗ на землю (Шалыт Г.М. Определение мест повреждения в электрических сетях. - М.: Энергоиздат, 1982, с. 22). Способ оценивает расстояние до места КЗ как длину пути, при прохождении которого волна земляного волнового канала отстает от волны междуфазного волнового канала на время, равное величине отрезка времени между моментами прихода от места КЗ к месту установки устройства первичных волн упомянутых волновых каналов. Для этого по измерениям фазных электрических величин в месте установки устройства формируют сигналы волн междуфазного и земляного волновых каналов путем применения одного из модальных преобразований и последующего заграждения основной гармоники и фиксируют на их основе моменты прихода первичных волн от места КЗ к месту установки устройства по междуфазному и земляному волновым каналам.

Без введения дополнительных операций и технических мер способ не может однозначно определить место КЗ на землю за ответвлением и в самом ответвлении.

Этот способ является наиболее близким к заявленному способу по использованию и технической сущности и принят за прототип.

Технический результат, достигаемый предлагаемым способом, заключается в повышении точности оценки расстояния до места КЗ на землю на магистральной ЛЭП с ответвлением.

В новом способе так же, как и в прототипе, по измерениям фазных электрических величин в месте установки устройства формируют сигналы волн междуфазного и земляного волновых каналов путем применения одного из модальных преобразований и последующего заграждения основной гармоники. Сигналы волн каждого из упомянутых волновых каналов контролируют своим амплитудным дискриминатором, момент срабатывания которого принимается за момент прихода первичной волны волнового канала от места КЗ к месту установки устройства, причем амплитудный дискриминатор срабатывает при превышении абсолютной величиной сигнала волн заданного порога. Оценивают расстояние до места КЗ на ЛЭП как длину пути, при прохождении которого волна земляного волнового канала отстает от волны междуфазного волнового канала на время, равное величине отрезка времени между моментами прихода к месту установки устройства первичных волн от места КЗ по упомянутым волновым каналам. При этом учитывают скорости распространения упомянутых волн на участках ЛЭП, которые пробегают волны от места КЗ до места установки устройства. Отличие предлагаемого способа заключается в том, что величину упомянутого отрезка времени линейно преобразуют счетчиком времени в однополярный сигнал, для этого счетчик времени запускают в момент срабатывания амплитудного дискриминатора междуфазного волнового канала и останавливают в момент срабатывания амплитудного дискриминатора земляного волнового канала. Причем амплитудный дискриминатор земляного волнового канала вводится в работу только при срабатывании амплитудного дискриминатора междуфазного волнового канала, что обеспечивает надежность способа. Для отстройки от ложных срабатываний амплитудного дискриминатора междуфазного волнового канала счетчик времени сбрасывается на нуль при достижении его показания заданного значения. Расчетным путем определяют два уровня однополярного сигнала, соответствующие показаниям счетчика времени при КЗ на землю в начале и в конце ответвления, и принимают их за первый и второй пороги компаратора. Участок ЛЭП с КЗ определяют путем контроля уровня однополярного сигнала компаратором. Если уровень однополярного сигнала ниже упомянутого первого порога, то компаратор формирует на своем первом выходе дискретный сигнал признака расположения места КЗ на участке магистральной ЛЭП от места установки устройства до места присоединения ответвления. Или если уровень однополярного сигнала находится в пределах упомянутых порогов, то компаратор формирует на своем втором выходе дискретный сигнал признака расположения места КЗ либо на ответвлении, либо на участке магистральной ЛЭП после ответвления. Или если уровень однополярного сигнала выше упомянутого второго порога, то компаратор формирует на своем третьем выходе дискретный сигнал признака расположения места КЗ на участке магистральной ЛЭП после ответвления. При оценке расстояния до места КЗ участки ЛЭП, формирующие путь, который проходят волны от места КЗ до места установки устройства, определяют согласно упомянутым дискретным сигналам признака расположения места КЗ.

Вторая реализация способа нацелена на обеспечение однозначного распознавания поврежденного участка ЛЭП. Она отличается тем, что место КЗ на землю определяют по оценкам двух устройств, установленных на концах магистральной ЛЭП. Для этого каждое из устройств обменивается с другим устройством оценками расстояния до места КЗ через каналы передачи данных и считает, что место КЗ расположено на отрезке между двумя оценками, относящимися либо к одному из участков магистральной ЛЭП, либо к ответвлению.

Фиг. 1 и фиг. 2 поясняют работу прототипа и предлагаемого способа соответственно. На фиг. 3 приведена блок-схема, реализующая предлагаемый способ. Фиг. 4 иллюстрирует принцип работы второй реализации способа.

Сначала рассмотрим принцип действия прототипа. Прототип предназначен для определения расстояния до места КЗ на землю на однородной ЛЭП (фиг. 1).

Известно, что в месте КЗ в поврежденных фазах возникают первичные волны. Каждая из них представляет собой совокупность волн междуфазных и земляного волновых каналов (Бикфорд Д.П., Мюлине Н., Рид. Д.Р. Основы теории перенапряжений в электрических сетях. Перевод с английского В.В. Базуткина. - М.: Энергоиздат, 1981, с. 56). При этом волна в земляном волновом канале возникает лишь при КЗ на землю.

Волна междуфазного волнового канала (фиг. 1) движется к месту установки устройства со скоростью

,

а волна земляного волнового канала - со скоростью

,

где и , и - удельные индуктивность и емкость ЛЭП для схем замещения прямой и нулевой последовательности соответственно.

Известно, что волна в междуфазном волновом канале распространяется быстрее, чем волна в земляном волновом канале, т.е. . Поэтому первичная волна междуфазного волнового канала окажется в месте установки устройства раньше первичной волны земляного волнового канала (на фиг. 1 моменты прихода упомянутых волн к устройству обозначены как и ). При этом отрезок времени

на которое волна отстает от волны , напрямую характеризует расстояние до места КЗ .

Именно это свойство позволяет прототипу оценить расстояние до места КЗ на ЛЭП как длину пути, на котором волна земляного волнового канала отстает от волны междуфазного волнового канала на время, равное величине отрезка времени между моментами прихода к месту установки устройства первичных волн (фиг. 1):

Алгоритм (2) работает только на однородной ЛЭП. Обеспечение работоспособности прототипа на неоднородной магистральной ЛЭП с ответвлением требует локализации поврежденного участка линии перед тем как определить расстояние до места КЗ.

Предлагаемый способ лишен этого недостатка, поскольку он способен локализовать участок ЛЭП с КЗ.

Для предлагаемого способа важно определить, может ли КЗ располагаться на ответвлении. С этой целью определяют отрезки времени, на которые волна земляного волнового канала отстает от волны междуфазного волнового канала, проходя путь от места КЗ до места установки устройства при расположении места КЗ в начале и в конце ответвления (фиг. 2):

и

Формула (4) учитывает, что волны междуфазного и земляного волновых каналов движутся по разным участкам линии: сначала по ответвлению BD протяженностью с соответствующими скоростями и , а затем - по участку AB магистральной ЛЭП от места присоединения ответвления до места установки устройства протяженностью со скоростями и . Для удобства представления характеристик движения волн на разных участках ЛЭП ответвление BD на фиг. 2 изображено параллельно магистральной ЛЭП АС.

Поиск участка ЛЭП с КЗ и оценку его местоположения способ осуществляет путем сопоставления отрезка времени (1) с расчетными значениями (3) и (4).

Рассмотрим работу предлагаемого способа более подробно. Блок-схема, реализующая способ, приведена на фиг. 3.

1. Способ может работать на основе измерений как фазных напряжений, так и фазных токов в месте установки устройства (на фигурах место установки устройства обозначено флажком). Для определенности примем, что устройство измеряет фазные токи , где - обозначение фаз.

Фазные токи в месте установки устройства преобразуют блоком линейных преобразований 1 в сигналы волн междуфазного и земляного волновых каналов. Для этого в блоке 1 сначала формируют промежуточные сигналы междуфазных , и земляного каналов по правилам одного из модальных преобразований, например, Кларк:

а затем, определяя первую разность отсчетов, подчеркивают в них фронты волн:

где - номер отсчета;

- обозначение волнового канала.

Наряду с этим первая разность (5) существенно ослабляет основную гармонику, поскольку скорость ее изменения в масштабе времени волновых процессов незначительна. Применение сигнала междуфазного волнового канала не эффективно при земляных КЗ, в связи с чем в предлагаемом способе он не используется.

2. Необходимые моменты прихода первичных волн фиксируют путем контроля сигналов волн междуфазного и земляного волновых каналов амплитудными дискриминаторами 2 и 3, соответственно. Момент срабатывания амплитудного дискриминатора 2 принимается за момент прихода первичной волны междуфазного волнового канала, а момент срабатывания амплитудного дискриминатора 3 - за момент прихода первичной волны земляного волнового канала. Обычно принцип действия амплитудного дискриминатора предусматривает срабатывание при превышении абсолютной величиной сигнала канала заданного порога (US 2015/0081236 А1, дата публикации: 19.03.2015; E. O. Schweitzer, A. Guzmán, M. V. Mynam, V. Skendzic, B. Kasztenny and S. Marx, "Locating faults by the traveling waves they launch," 2014 67th Annual Conference for Protective Relay Engineers, College Station, TX, USA, 2014, pp. 95-110, doi: 10.1109/CPRE.2014.6798997).

3. Время расхождения первичных волн междуфазного и земляного волновых каналов, выраженное величиной отрезка времени , измеряют счетчиком времени 4. Он управляется дискретными сигналами и срабатывания амплитудных дискриминаторов 2 и 3. Счетчик времени 4 преобразует отрезок времени в однополярный сигнал . Для этого его запускают по дискретному сигналу в момент срабатывания амплитудного дискриминатора междуфазного волнового канала 2 и останавливают по дискретному сигналу в момент срабатывания амплитудного дискриминатора земляного волнового канала 3.

Надежность действия способа при земляных КЗ обеспечивается тем, что амплитудный дискриминатор земляного волнового канала 3 вводится в работу по дискретному сигналу срабатывания амплитудного дискриминатора междуфазного волнового канала 2, действующему на его вход 8. Это исключает его неселективное срабатывание от посторонних волн в земляном волновом канале.

С целью уменьшения времени готовности предлагаемого способа после возможных срабатываний амплитудного дискриминатора междуфазного волнового канала 2 при междуфазных КЗ счетчик времени сбрасывается на нуль при достижении его показания заданного значения. Выбор этого значения производят исходя из наибольшего времени, на которое волна земляного волнового канала отстает от волны междуфазного волнового канала при КЗ на землю на контролируемой ЛЭП.

4. КЗ может располагаться на любом из трех участков ЛЭП: на участке до ответвления, в самом ответвлении или за ним (на фиг. 2 участки АВ, ВD и BC соответственно). При этом КЗ в ответвлении могут наблюдаться устройством еще как КЗ на части магистральной линии после ответвления (на фиг. 2 этот участок обозначен как BE).

Выбор участка ЛЭП, на котором может располагаться КЗ, выполняется компаратором 5 путем сравнения уровня однополярного сигнала с двумя порогами. Пороги компаратора 5 формируются блоком задания порогов 6 в виде постоянных сигналов с уровнями и , пропорциональными отрезкам времени и соответственно.

4.1. Если меньше или равно ( меньше или равно ), то компаратор 5 формирует на своем первом выходе дискретный сигнал признака расположения места КЗ на участке АВ магистральной ЛЭП от места установки устройства до места присоединения ответвления. При этом блок определения места повреждения 7 оценивает расстояние до места КЗ используя классический алгоритм (2) с учетом скоростей и распространения волн междуфазного и земляного волновых каналов на участке АВ:

.

4.2. Если больше и меньше или равно ( больше и меньше или равно ), то компаратор 5 формирует на своем втором выходе дискретный сигнал признака расположения места КЗ либо на ответвлении BD, либо на участке BE магистральной ЛЭП после ответвления.

Случай, когда устройство предполагает КЗ и в ответвлении BD, и на участке BE магистральной ЛЭП за ним, иллюстрируется фиг. 2. Расстояние до КЗ на каждом из них блок определения места повреждения 7 оценивает с учетом участка АВ протяженностью :

и

где и - скорости распространения волн междуфазного и земляного волновых каналов на участке BE магистральной линии за ответвлением BD.

При оценивании расстояния до места КЗ по формулам (6) и (7) блок определения места повреждения 7 учитывает линейную связь между величиной и разностью уровней однополярного сигнала и порога .

4.3. Если больше ( больше ), то компаратор 5 формирует на своем третьем выходе дискретный сигнал признака расположения места КЗ на участке магистральной ЛЭП после места присоединения ответвления. При этом КЗ на землю находится на участке EC магистральной ЛЭП, и блок определения места повреждения 7 оценивает расстояние до него по (7).

Таким образом, способ однозначно определяет КЗ на участках АВ и EC магистральной ЛЭП и выдает две оценки, когда КЗ располагается на ответвлении BD или за ним на участке BE магистральной ЛЭП.

Вторая реализация способа позволяет однозначно определить расположение КЗ на землю путем использования оценок расстояния до него от двух устройств, установленных по концам магистральной ЛЭП (фиг. 4). Каждое из устройств обменивается с другим устройством своими оценками расстояния до места КЗ через каналы передачи данных.

В зависимости от расположения КЗ на землю общее число оценок может быть от двух до четырех:

А. Если КЗ располагается на любом из концов магистральной ЛЭП [фиг. 4, а) и б)], то каждое устройство определяет по одной оценке расстояния до него ( и ). Обе оценки относятся к одному участку линии, поэтому все устройства считают, что КЗ расположено на отрезке между оценками и .

Б. Если КЗ располагается вблизи ответвления [фиг. 4, в) и г)], то устройство со стороны ответвления формирует две оценки [на фиг. 4, в) - и , на фиг. 4, г) - и ], а другое устройство - одну. Оба устройства снова считают, что КЗ расположено на отрезке между двумя оценками, относящимися к одному участку ЛЭП. На фиг. 4, в) и г) это отрезок между оценками и .

В. Если КЗ располагается на ответвлении BD, то каждое из устройств дает по две оценки (, и , ). Устройства, учитывая, что КЗ расположено на отрезке между двумя оценками, относящимися к одному участку, принимают, что КЗ расположено на ответвлении между оценками и .

Таким образом, благодаря локализации поврежденного участка, удается повысить точность оценки расстояния до места КЗ на землю на магистральной ЛЭП с ответвлением.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к релейной защите и автоматике, и может быть использовано для определения места короткого замыкания на землю на линии электропередачи (ЛЭП). Технический результат: повышение точности оценки расстояния до места КЗ на землю на магистральной ЛЭП с ответвлением. Сущность: расстояние до места КЗ оценивают как длину пути, при прохождении которого волна земляного волнового канала отстает от волны междуфазного волнового канала на время, равное величине отрезка времени между моментами прихода от места КЗ к месту установки устройства первичных волн упомянутых волновых каналов. При этом величину упомянутого отрезка времени линейно преобразуют счетчиком времени в однополярный сигнал. Для этого счетчик времени запускают в момент срабатывания амплитудного дискриминатора междуфазного волнового канала и останавливают в момент срабатывания амплитудного дискриминатора земляного волнового канала. Причем амплитудный дискриминатор земляного волнового канала вводится в работу только при срабатывании амплитудного дискриминатора междуфазного волнового канала, а счетчик времени сбрасывается на нуль при достижении его показания заданного значения. Участок ЛЭП с КЗ определяют путем контроля однополярного сигнала компаратором с двумя порогами, уровни которых пропорциональны показаниям счетчика времени при КЗ на землю в начале и в конце ответвления. При этом участки ЛЭП, формирующие путь, который проходят волны от места КЗ до места установки устройства, определяют согласно расположению КЗ на ЛЭП. Место КЗ на землю можно определить по оценкам двух устройств, установленных на концах магистральной ЛЭП. Для этого каждое из устройств обменивается с другим устройством оценками расстояния до места КЗ через каналы передачи данных. Место КЗ считается расположенным на отрезке между двумя оценками, относящимися либо к одному из участков магистральной ЛЭП, либо к ответвлению. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ определения места короткого замыкания на землю на магистральной линии электропередачи с ответвлением, согласно которому по измерениям фазных электрических величин в месте установки устройства формируют сигналы волн междуфазного и земляного волновых каналов путем применения одного из модальных преобразований и последующего заграждения основной гармоники,

сигналы волн каждого из упомянутых волновых каналов контролируют своим амплитудным дискриминатором, момент срабатывания которого принимается за момент прихода первичной волны волнового канала от места короткого замыкания к месту установки устройства, причем амплитудный дискриминатор срабатывает при превышении абсолютной величиной сигнала волн заданного порога,

оценивают расстояние до места короткого замыкания на линии электропередачи как длину пути, при прохождении которого волна земляного волнового канала отстает от волны междуфазного волнового канала на время, равное величине отрезка времени между моментами прихода к месту установки устройства первичных волн от места короткого замыкания по упомянутым волновым каналам, при этом учитывают скорости распространения упомянутых волн на участках линии электропередачи, которые пробегают волны от места короткого замыкания до места установки устройства, отличающийся тем, что

величину упомянутого отрезка времени линейно преобразуют счетчиком времени в однополярный сигнал, для этого счетчик времени запускают в момент срабатывания амплитудного дискриминатора междуфазного волнового канала и останавливают в момент срабатывания амплитудного дискриминатора земляного волнового канала, причем амплитудный дискриминатор земляного волнового канала вводится в работу только при срабатывании амплитудного дискриминатора междуфазного волнового канала, а счетчик времени сбрасывается на нуль при достижении его показания заданного значения,

расчетным путем определяют два уровня однополярного сигнала, соответствующие показаниям счетчика времени при коротких замыканиях на землю в начале и в конце ответвления, и принимают их за первый и второй пороги компаратора,

участок линии электропередачи с коротким замыканием определяют путем контроля уровня однополярного сигнала компаратором, причем

если уровень однополярного сигнала ниже упомянутого первого порога, то компаратор формирует на своем первом выходе дискретный сигнал признака расположения места короткого замыкания на участке магистральной линии электропередачи от места установки устройства до места присоединения ответвления, или

если уровень однополярного сигнала находится в пределах упомянутых порогов, то компаратор формирует на своем втором выходе дискретный сигнал признака расположения места короткого замыкания либо на ответвлении, либо на участке магистральной линии электропередачи после места присоединения ответвления, или

если уровень однополярного сигнала выше упомянутого второго порога, то компаратор формирует на своем третьем выходе дискретный сигнал признака расположения места короткого замыкания на участке магистральной линии электропередачи после места присоединения ответвления,

при этом участки линии электропередачи, формирующие путь, который проходят волны от места короткого замыкания до места установки устройства, определяют согласно упомянутым дискретным сигналам признака расположения места короткого замыкания.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что место короткого замыкания на землю определяют по оценкам двух устройств, установленных на концах магистральной линии электропередачи, для этого каждое из устройств обменивается с другим устройством оценками расстояния до места короткого замыкания через каналы передачи данных и считает, что место короткого замыкания расположено на отрезке между двумя оценками, относящимися либо к одному из участков магистральной линии электропередачи, либо к ответвлению.