Способ определения места повреждения на воздушной линии электропередачи по замерам токов с двух ее концов Российский патент 2024 года по МПК G01R31/08 

Предлагаемое изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для определения места повреждения (ОМП) по замерам токов с двух сторон на воздушных линиях электропередачи (ВЛЭП). Применение предлагаемого способа является актуальным при повреждениях измерительных цепей хотя бы одного из трансформаторов напряжения, расположенных на подстанциях по концам ВЛЭП.

Известен способ определения места повреждения по одностороннему замеру [например, Стандарт организации ПАО «ФСК ЕЭС» СТО 56947007-29.240.55.224-2016 «Методические указания по определению мест повреждений воздушных линий напряжением 110 кВ и выше», дата введения: 17.08.2016, стр. 21-22]. При однофазных коротких замыканиях (КЗ) возможно определение места повреждения на основе одновременного измерения токов нулевой и обратной последовательностей. При этом учитывается только индуктивное сопротивление ВЛЭП и электрической сети, а расстояние до места КЗ определяется по формуле

l=[1–{(x'_c2+x_л2+x''_c2)∙x''_c0 –ε∙(x'_c0+x_л0+x''_c0)∙x''_c2}/{ε∙(x'_c0+x_л0+x''_c0)∙x_л2 –(x'_c2+x_л2+x''_c2)∙x_л0}]∙L, (1)

где ε = I'_0/I'₂ = (U'₀∙x'_c2)/(U'₂∙x'_c0); U'₀, I'₀, x'_c0, x_л0 – напряжение, ток, реактивное сопротивление системы и воздушной линии электропередачи нулевой последовательности; U'₂, I'₂, x'_c2, x_л2 – напряжение, ток, реактивное сопротивление системы и воздушной линии электропередачи обратной последовательности; ' и '' – индексы, обозначающие место установки устройства ОМП и противоположный конец ВЛЭП; L – длина ВЛЭП.

Из анализа выражения (1) следует, что расстояние до мест КЗ не зависит от переходного сопротивления в месте повреждения, однако его точность определяется соотношением параметров воздушной линии и системы в схемах замещения нулевой и обратной последовательностей.

Недостатком способа является низкая точность. При этом на коротких линиях погрешность ОМП велика для всех точек КЗ, а на длинных линиях она значительно снижается при повреждениях в конце ВЛЭП. Этот недостаток определяется прежде всего тем, что используется сокращенная информационная база для ОМП ВЛЭП (действующие значения токов, составляющие токов и сопротивлений нулевой и обратной последовательностей) и применяются только односторонние измерения токов.

Известен способ определения места повреждения на воздушной линии электропередачи по замерам токов с двух ее концов [Арцишевский Я.Л. Определение мест повреждения линий электропередачи в сетях с заземленной нейтралью: Учеб. пособие для СПТУ. – М.: Высш. шк. 1998. стр. 41– 43] с применением фиксирующих амперметров. Согласно способа с помощью амперметров фиксируют действующие значения токов нулевой (или обратной) последовательностей с двух концов ВЛЭП, а расчет расстояния до места повреждения реализуют по выражению [Арцишевский Я.Л. Определение мест повреждения линий электропередачи в сетях с заземленной нейтралью: Учеб. пособие для СПТУ. – М.: Высш. шк. 1998. стр. 43, таблица 2]

l = {[(x''_c + x_л)∙I'' – x'_c∙I'] / [x_л∙(I' + I'')]}∙L, (2)

где I', x'_c, – ток и реактивное сопротивление системы нулевой (или обратной) последовательности с одного конца линии; I'', x''_c, – ток и реактивное сопротивление системы нулевой (или обратной) последовательности со второго конца линии; x_л – удельное сопротивление ВЛЭП нулевой (или обратной) последовательности; L – длина ВЛЭП.

Недостатком способа является низкая точность ОМП ВЛЭП, поскольку в расчетах (выражение (2)) участвуют только действующие значения токов, а также сопротивления нулевой (или обратной) последовательностей и не полностью используется информационный ресурс аварийных составляющих токов для расчета расстояния до места КЗ.

Наиболее близким техническим решением является способ определения места короткого замыкания на воздушной линии электропередачи по замерам с двух ее концов [Патент РФ № 2485531, МПК G01R 31/08, опубл. 20.06.2013 Бюл. № 17], имеющей комплексное сопротивление прямой (индекс 1), обратной (индекс 2) и нулевой (индекс 0) последовательностей Z_1 Л, Z_2 Л, Z_0 Л, длину L, соединяющей две питающие системы, в котором измеряют с двух концов линии (' – один конец линии, '' – второй конец линии) несинхронизированные по углам комплексные фазные токи ('_А, '_В, '_С), (_А, _В, _С) и напряжения ('_А, '_В, '_С), (_А, _В, _С) основной частоты в момент короткого замыкания, определяют вид короткого замыкания, расчетным путем определяют относительное значение расстояния до места короткого замыкания n и расстояние до места короткого замыкания L_k = n·L. Согласно предложения измеряют любыми известными средствами угол между одноименными напряжениями по концам линии, например, с помощью средств GPS, доворачивают вектора напряжений и токов на втором конце на измеренный угол, преобразуют фазные токи и напряжения в симметричные составляющие комплексные токи и напряжения прямой, обратной и нулевой последовательностей ('₁, '₂, '₀), (₁, ₂, ₀), ('₁, '₂, '₀), (₁, ₂, ₀) и определяют относительные расстояния от концов линии до места повреждения для замыканий на землю по выражениям: 

n' ₀ = [₀ – '₀ + ''₀·Z_0 Л] / [('₀ + ₀)·Z_0 Л]; n''₀ = [₀ – ''₀ + '₀·Z_0 Л] / [('₀ + ₀)·Z_0 Л].

Способ-прототип обладает высокой точностью ОМП на ВЛЭП, однако не может функционировать при повреждениях измерительных цепей хотя бы одного из трансформаторов напряжения, расположенных на подстанциях по концам ВЛЭП. То есть в условиях отсутствия измерений хотя бы одного напряжения по концам ВЛЭП.

Задача изобретения состоит в разработке точного способа определения места короткого замыкания на воздушной линии электропередачи по замерам только токов с двух ее концов.

Поставленная задача достигается способом определения места повреждения на воздушной линии электропередачи по замерам токов с двух ее концов, имеющей комплексное сопротивление прямой (индекс 1), обратной (индекс 2) и нулевой (индекс 0) последовательностей Z_1  л, Z_2  л, Z_0  л, длину L, соединяющей две питающие системы, измеряют с двух концов линии (' – один конец линии, '' – второй конец линии) комплексные фазные токи ('_А, '_В, '_С), (_А, _В, _С) основной частоты в момент короткого замыкания, определяют вид короткого замыкания, расчетным путем определяют значение расстояния до места повреждения l, преобразуют фазные токи в симметричные составляющие комплексных токов прямой, обратной и нулевой последовательностей ('₁, '₂, '₀), (₁, ₂, ₀).

Согласно предложения перед реализацией способа путем визуального контроля напряжений осциллограмм аварийного события, или путем получения сигнала о неисправности в измерительных цепях напряжения устройства дистанционной защиты линии электропередачи, фиксируют повреждение в измерительных цепях напряжения, получают чистоаварийные токи по концам воздушной линии электропередачи путем вычитания из тока прямой последовательности при коротком замыкании тока той же последовательности в доаварийном режиме, производят определение комплексного напряжения в месте повреждения с использованием удельных сопротивлений воздушной линии электропередачи Z_1  л, Z_2  л, Z_0  л, токов и сопротивлений систем для различных концов воздушной линии электропередачи и различных последовательностей, относительно комплексного напряжения в месте повреждения формируют выражения для расчета расстояния до места повреждения l с последующим объединением их в векторно-матричное выражение

U1·l = U2, U1 = , U2 = ,

где

= Z_л∙('_1ав + ''_1ав); = Z_л∙('₂ + ''₂); = Z_0л∙('₀ + ''₀);

=''_1ав∙(l·Z_л + Z''_1C) – Z'_1C∙'_1ав; =''₂∙(l·Z_л + Z''_2C) – Z'_2C∙'₂; =''₀∙(l·Z_0л + Z''_0C) – Z'_0C∙'₀;

Z '_1C1, Z'_2C1, Z'_0C1 и Z''_1C, Z''_2C, Z''_0C – сопротивления прямой, обратной и нулевой последовательностей соответственно первой и второй систем по концам воздушной линии электропередачи; Z_л=Z_1  л=Z_2  л; I'_1ав и I''_1ав – чистоаварийные токи по концам воздушной линии электропередачи.

На фиг. 1 представлена схема замещения поврежденной воздушной линии электропередачи с двухсторонним питанием в режиме КЗ, характеризующая распределение токов [Аржанников Е.А., Лукоянов В.Ю., Мисриханов М.Ш. Определение места короткого замыкания на высоковольтных линиях электропередачи. М.: Энергоатомиздат, 2003, стр. 266].

Воздушная линия электропередачи (фиг. 1) имеет длину L и соединяет шины 1 и 2 двух систем, системы имеют соответствующие собственные сопротивления 3 и 4. На расстоянии l от шины 1 показано КЗ на ВЛЭП в точке К (7), а также сопротивления ВЛЭП слева 5 и справа 6 от места КЗ. Короткому замыканию на ВЛЭП характерно активное сопротивление повреждения R_п (8).

Способ определения места повреждения на воздушной линии электропередачи по замерам токов с двух ее концов реализуется следующим образом.

Перед реализацией предлагаемого способа ОМП фиксируется факт отключения контролируемой ВЛЭП устройством релейной защиты. Путем визуального контроля напряжений осциллограмм аварийного события, получаемых от соответствующего регистратора аварийных событий, устройства ОМП или от терминала защиты ВЛЭП, определяют повреждение в измерительных цепях напряжения. Такие повреждения могут, например, характеризоваться отсутствием на осциллограммах синусоидальных сигналов напряжения отдельных фаз или последовательностей. Дополнительно о неисправности в цепях напряжения может информировать световая сигнализация терминала релейной защиты, а также выдача соответствующего сигнала о неисправности в измерительных цепях напряжения устройством дистанционной защиты линии электропередачи в программно-аппаратный комплекс (ПАК) автоматизированной системы управления (АСУ ТП) подстанции, к которой подключена ВЛЭП.

Факт повреждения в измерительных цепях напряжения приводит к необходимости пользоваться способом ОМП ВЛЭП только по измеренным аварийным токам, а также дополнительной информацией.

При возникновении однофазного КЗ на ВЛЭП устройством (устройствами) ОМП (или регистрации аварийных событий) фиксируется момент повреждения и производится запись осциллограмм аварийного события по концам ЛЭП (фиг.1). Для реализации предлагаемого способа ОМП достаточно измерений токов в доаварийном и аварийном режимах на каждом из концов ВЛЭП. Поэтому при повреждениях в измерительных цепях напряжения и отсутствии аварийных осциллограмм напряжения в устройствах, фиксирующих аварийные осциллограммы, предлагаемый способ остается работоспособным.

В устройствах ОМП, расположенных по концам ВЛЭП, по записанным аварийным осциллограммам фазных токов осуществляется расчет аварийных составляющих, то есть токов прямой обратной и нулевой последовательностей.

Далее производится определение чистоаварийных токов, под которыми подразумевается разность между током прямой последовательности при КЗ и током той же последовательности в доаварийном (нагрузочном) режиме

'_1ав = '₁ – '_1н; (3)

_1ав = ₁ – _1н, (4)

где введены обозначения: ' – один конец линии, '' – второй конец линии.

Чистоаварийный ток по концам ВЛЭП можно вычислить по осциллограммам аварийных событий, так как на них обязательно присутствует участок доаварийного режима.

Для одиночной линии при КЗ справедливы следующие соотношения для напряжений в месте повреждения (фиг. 1, точка К) различных последовательностей с использованием замеров токов с обеих сторон ВЛЭП

_1К = – (Z'_1C + l·Z_л)∙'_1ав; (5)

_1К = – [Z''_1C + (L – l)·Z_л]∙''_1ав; (6)

_2К = – (Z'_2C + l·Z_л)∙'₂; (7)

_2К = – [Z''_2C + (L – l)·Z_л]∙''₂; (8)

_0К = – (Z'_0C + l·Z_0л)∙'₀; (9)

_0К = – [Z''_0C + (L – l)·Z_0л]∙''_0, (10)

где _1К, _2К, _0К – напряжения прямой, обратной и нулевой последовательностей в месте КЗ; '₂, ''₂ и '₀, ''₀ – аварийные составляющие токов обратной и нулевой последовательностей в месте установки устройств ОМП ВЛЭП; l и L – соответственно расстояние до места повреждения и длина ВЛЭП; Z'_1C, Z'_2C, Z'_0C и Z''_1C, Z''_2C, Z''_0C – сопротивления прямой, обратной и нулевой последовательностей соответственно первой и второй систем по концам ВЛЭП; Z_л и Z_0л – удельные сопротивления соответственно прямой и нулевой последовательностей ВЛЭП.

Попарно приравнивая выражения (5) и (6), (7) и (8), (9) и (10) и группируя слагаемые, получим

l·Z_л∙('_1ав + ''_1ав) = ''_1ав∙(l·Z_л + Z''_1C) – Z'_1C∙'_1ав; (11)

l·Z_л∙('₂ + ''₂) = ''₂∙(l·Z_л + Z''_2C) – Z'_2C∙'₂; (12)

l·Z_0л∙('₀ + ''₀) = ''₀∙(l·Z_0л + Z''_0C) – Z'_0C∙'₀. (13)

Объединяя выражения (11)–(13) и группируя слагаемые, получим следующее векторно-матричное выражение

U1·l = U2, U1 = , U2 = , (14)

где

= Z_л∙('_1ав + ''_1ав); = Z_л∙('₂ + ''₂); = Z_0л∙('₀ + ''₀);

=''_1ав∙(l·Z_л + Z''_1C) – Z'_1C∙'_1ав; =''₂∙(l·Z_л + Z''_2C) – Z'_2C∙'₂; =''₀∙(l·Z_0л + Z''_0C) – Z'_0C∙'₀.

Следует отметить, что составляющие матриц U1 и U2 имеют понятный физический смысл и представляют собой комплексные напряжения.

Запишем равенство (14) в виде

U1∙l = U2 + e, (15)

где e – вектор-столбец ошибок.

Задача минимизации ошибок при расчете величины l расстояния до места повреждения сводится к минимизации квадрата нормы вектора ошибок e, то есть:

= ǀǀǀǀ² = e^т∙e. (16)

Преобразуем равенство (16) с использованием подстановки (15):

U1∙l – U2 = e, (17)

тогда:

e ^т ∙e = (U1∙l − U2)^Т∙(U1∙l − U2) = U1^Т∙l·U1∙l – 2 U1 ^Т∙l·U2 + U2 ^Т·U2. (18)

Для отыскания минимума необходимо вычислить частную производную по l уравнения (18) и приравнять ее к нулю:

∂e^т∙e/∂l = 2∙U1^Т·U1∙l − 2·U1^Т∙U2 = 0. (19)

Из последнего соотношения находим искомое значение l согласно выражению:

l = (U1^Т·U1)⁻¹∙U1^Т∙U2. (20)

Таким образом, оценка расстояния l до места повреждения ВЛЭП при двухстороннем ОМП с использованием метода наименьших квадратов сводится к нахождению результатов матричного произведения по выражению (20).

Следует отметить, что за счет объединения трех различных расчетов расстояния до места повреждения по выражениям (11)–(13) (увеличения общей информационной базы при ОМП) в одно векторно-матричное выражение (20) достигается цель изобретения, состоящей в разработке точного способа определения места короткого замыкания на воздушной линии электропередачи по замерам только токов с двух ее концов.

Изобретение относится к электроэнергетике и служит для определения места повреждения на воздушных линиях электропередачи (ВЛЭП). Технический результат - разработка точного способа определения места короткого замыкания (КЗ) на ВЛЭП по замерам только токов с двух ее концов. Результат достигается тем, что предложен способ определения места повреждения на ВЛЭП по замерам токов с двух ее концов, имеющей комплексное сопротивление прямой, обратной и нулевой последовательностей , , , длину L, соединяющей две питающие системы, в котором измеряют с двух концов линии комплексные фазные токи , основной частоты в момент КЗ, преобразуют фазные токи в симметричные составляющие комплексных токов прямой, обратной и нулевой последовательностей ,, отличающийся тем, что перед реализацией способа фиксируют повреждение в измерительных цепях напряжения, получают чистоаварийные токи по концам воздушной линии электропередачи путем вычитания из тока прямой последовательности при КЗ тока той же последовательности в доаварийном режиме, относительно комплексного напряжения в месте повреждения формируют выражения для расчета расстояния до места повреждения l с последующим объединением их в векторно-матричное выражение. 1 ил.

Способ определения места повреждения на воздушной линии электропередачи по замерам токов с двух ее концов, имеющей комплексное сопротивление прямой (индекс 1), обратной (индекс 2) и нулевой (индекс 0) последовательностей , , , длину L, соединяющей две питающие системы, характеризующийся тем, что измеряют с двух концов линии (' – один конец линии, '' – второй конец линии) комплексные фазные токи , основной частоты в момент короткого замыкания, определяют вид короткого замыкания, расчетным путем определяют значение расстояния до места повреждения l, преобразуют фазные токи в симметричные составляющие комплексных токов прямой, обратной и нулевой последовательностей ,, отличающийся тем, что перед реализацией способа путем визуального контроля напряжений осциллограмм аварийного события или путем получения сигнала о неисправности в измерительных цепях напряжения устройства дистанционной защиты линии электропередачи фиксируют повреждение в измерительных цепях напряжения, получают чистоаварийные токи по концам воздушной линии электропередачи путем вычитания из тока прямой последовательности при коротком замыкании тока той же последовательности в доаварийном режиме, производят определение комплексного напряжения в месте повреждения с использованием удельных сопротивлений воздушной линии электропередачи , , , токов и сопротивлений систем для различных концов воздушной линии электропередачи и различных последовательностей, относительно комплексного напряжения в месте повреждения формируют выражения для расчета расстояния до места повреждения l с последующим объединением их в векторно-матричное выражение

, , ,

где

, , и , , – сопротивления прямой, обратной и нулевой последовательностей соответственно первой и второй систем по концам воздушной линии электропередачи; ; и – чистоаварийные токи по концам воздушной линии электропередачи.