Способ дистанционной защиты линии электропередачи Советский патент 1992 года по МПК H02H3/40 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к релейной защите и системной автоматике, и может быть использовано для защиты линий от всех видов коротких замыканий.

Известен способ дистанционной защиты от всех видов коротких замыканий при помощи реле сопротивления (омметров). По этому способу измеряют основные гармоники напряжений и токов в начале линии, подвергаютих преобразованиям и определяют соотношение между преобразованными величинами. В реле сопротивления применяют принцип компенсации напряжения, который можно истолковать как преобразование измеренного напряжения с учетом падения напряжения от измеренного тока в сопротивлении, представляющем собой модель линии электропередачи. Этот способ требует переключений напряжений и токов, подводимых к реле сопротивления. Кроме того, ему присуща методическая погрешность, обусловленная переходными сопротивлениями в месте повреждения и распределенными параметрами линии.

Известен также более общий способ дистанционной защиты, основанный на определении чередования векторов входных величин. Он не требует переключений, но область его применения ограничена несимметричными короткими замыканиями, и ему также присуща указанная методическая погрешность.

Известна возможность применения дистанционного принципа не только для защиты линий, но и для выбора поврежденных фаз и для определения места повреждения. Область применения этого общего способа дистанционной защиты ограничена замыканиями на землю, и он также не свободен от указанной методической погрешности.

Известен способ выбора поврежденных фаз при несимметричных коротких замыканиях в сетях с заземленной нейтралью, в котором анализируют аварийные слагаемые токов, получаемые вычитанием аварийных и предварительных токов.

Известен и близкий по своему характеру способ определения расстояния до мест двухфазных коротких замыканий, согласно которому измеряют напряжения и токи в начале линии, преобразуют их с учетом особенностей модели и линии и определяют реактивный параметр, имеющий отношение к предполагаемому повреждению, определяют симметричные составляющие и аварийные слагаемые токов, на основании чего определяют и поврежденные фазы, и местонахождение повреждения, что в совокупности может быть охарактеризовано как способ дистанционной защиты и определения поврежденных фаз. Этот известный способ имеет ограниченную область применения, так как не распространяется на все виды коротких замыканий.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей способа дистанционной защиты, такое, что его действие становится независимым от вида короткого замыкания. Попутная цель - упрощение

способа, заключающееся в отказе от задания характеристик дистанционных органов в плоскости комплексного сопротивления, как это обычно делается, и в отказе от выделения обратной последовательности.

Поставленная цель достигается тем, что известный способ дистанционной защиты, включающий в себя измерение напряжений и токов в начале линии, преобразование их

0 уровней, смещение фаз, суммирование преобразованных напряжений и токов, выбор поврежденных фаз и определение реактивного параметра предполагаемого повреждения, дополнен операциями, которые наделяют его способностью выявлять по5 вреждение любого вида в защищаемой зоне: определяют значение реактивного параметра в предположении, что повреждение произошло в начале линии, далее определяют второе значение реактивного параметра в предположении, что поврежде0 ние произошло в конце линии, определяют знаки первого и второго значений; если первый положителен, а второй отрицателен, то определяют разность первого и второго значений, сравнивают ее с уставкой; если

5 разность превышает уставку, формируют сигнал о повреждении соответствующих фаз линии. В основе предлагаемого способа лежит неизвестная ранее закономерность: реактивные параметры повреждений, пред0 полагаемых в начале и в конце линии, поврежденной на самом деле в произвольном месте, имеют разные знаки, первый - положительный, а второй - отрицательный. В качестве реактивного параметра

5 предлагается использовать взаимную реактивную мощность опорного напряжения и опорного тока предполагаемого повреждения или же реактивную составляющую напряжения в месте предполагаемого

0 повреждения по отношению к опорному току. В качестве опорного тока предлагается использовать ток в предполагаемом повреждении, а при различных видах повреждений возможно применение и иных

5 опорных токов; при однофазном замыкании -ток нулевой или обратной последовательности либо безнулевая аварийная слагаемая линейного тока поврежденной фазы; при двухфазном - ток, ортогональный току

0 обратной последовательности или аварийная слагаемая линейного тока одной из поврежденных фаз; при двухфазном замыкании на землю в качестве реактивного параметра предлагается выбирать суммарную

5 взаимную реактивную мощность напряжений и опорных токов в месте предполагаемого повреждения, в качестве опорного напряжения - сумму напряжений поврежденных фаз и опорного тока - ток нулевой последовательности или опорного напряжения - линейное напряжение поврежденных фаз и опорного тока - разность аварийных токов поврежденных фаз. Повреждение фазы предлагается выявлять путем выделения модулей безнулевых аварийных слагаемых токов и сравнения их между собой и с уставкой.

На фиг.1 изображена поврежденная од- нопроводная ненагруженная линия; на фиг.2 - модуль линии с предполагаемым повреждением; на фиг.З - однопроводная нагруженная линия в предаварийном режиме; на фиг.4 - то же, с источником аварийных слагаемых; на фиг.5,- то же, в аварийном режиме; на фиг.6 - годограф распределения напряжений вдоль линии; на фиг.7 - трехфазная линия электропередачи в предаварийном режиме; на фиг.8 - поврежденная линия; на фиг.9 - модель электропередачи с предполагаемым повреждением; на фиг. 10 - модель повреждений (наиболее общее повреждение); на фиг.11 - то же, симметричное трехфазное; на фиг.12 - то же, двухфазное замыкание на, землю; на фиг.13,14 - то же, без общего сопротивления на землю; на фиг. 14 - то же, с металлическим замыканием фаз; на фиг.15 - то же, двухфазное; на фиг. 16 - то же, однофазное замыкание; на фиг. 17 - 19 - иллюстрация явления растекания аварийных слагаемых.

В основе предлагаемого способа лежит одна закономерность, которую предстоит пояснить. Потребуется ввести ряд обозначений: х - координата произвольной точки линии или, быть может, координата предполагаемого повреждения,Xf- истинная координата повреждения (фиг.1, 2), х - результат ее измерения (оценка), Oj(x) U R(X) + jU)i(x) - фазное напряжение в произвольной точке, v А,В,С - обозначение фазы, UJR, - ортогональных состав- ляющих, i$(x) - ток предполагаемого повреждения, $(х-) и lj(x+) - линейные токи до и после предполагаемого повредждения (фиг.2), Оп(х), 1п(х) - напряжения и токи, предшествующего (предаварийного) режима (фиг.З), Ор(х), ip(x)- аварийные слагаемые напряжения и тока (фиг.4): Up(x)U(x)-Un(x), ipM Кх) in(x): Uo(x), lo(x) - напряжение и ток нулевой последоваательности, 0}(х) 0(х) - Uo(x), lj(x) l;(x) - о(х) - безнулевые напряжения и токи, С)2(х)- Ь(х) - напряжения и ток обратной последовательности (фиг. 17-19).

Кроме того, на иллюстрациях обозначены: 1 - реальная линия, 2 - ее начало (место измерения), 3 - ее конец, 4 - реальное повреждение, 5 - модель линии, 6 - ее начало,

7 - ее конец. 8 - модель повреждения, 9 - нагрузка линии, 10 - модель нагрузки, 11 - передающая система.

По предлагаемому способу производит- ся измерение напряжений и токов в начале линии: 0}(0) и ij(Q-). Измеряются также (как вариант - определяются по Uj(0) и Ij(O-) напряжение и док нулевой последовательности Оо(0) и lo(O-). Измеренные напряже- ния и токи используются для контроля состояния линии и установления факта ее повреждения. Контролируются два значения реактивного параметра о(х), одно значение о (о) соответствует началу линии, а другое 0(1) - концу. В качестве реактивного параметра может быть избрана взаимная реактивная мощность напряжений и токов или реактивная составляющая напряжения (таблица). Опорные напряжения и токи вы- бираются в зависимости от вида повреждения.

Начнем с однопроводной линии (фиг.1 - фиг.6). Предположим, что в ненагруженной линии произошло короткое замыкание че- рез сопротивление Rf (фиг.1). Место замыкания хг неизвестно. Выберем в качестве реактивного параметра взаимную реактивную мощность,.

CT(x) Q(x)(x) -l(x).(1)

В качестве примера рассмотрим соотношения, присущие линии небольшой длины (фиг.2|:

(х) (х-)Н(0),.(2)

U(x) 0(0) - Z° х I(O-), где Z° R° + JX° - удельное сопротивление линии. Если учесть, что в данном случае в линии реально протекает ток (фиг.1)

l(0-) U(0)/(Z°xf + Rf),

то формулы (2) и (1) приводят к результа- ту .

U(x) lfO-)Z°(xf-x) + Rf,(3)

cr(x) P(0-)X°(xf-x).

Дистанционная защита линии по фиг.1, осуществляемая по предлагаемому спосо- бу, реализуется следующими операциями. Определяется значение реактивного параметра в предположении, что замыкание произошло в начале линии. Как следует из (3), при этом будет получен результат or(0)2(0-)X°xf.(4)

Затем определяется значение реактивного параметра в предположении, что замыкание произошло в конце линии при х 1, где 1- длина линии. Как следует из (3), результа- том явится

cr(l) l2(0-)X°(xf-t).(5)

Далее определяются знаки значений (7(0) и (7(1). Если короткое замыкание произошло в защищаемой линии (хг 1), то будет получен результат

slgner(0)1,(6)

sign o(D --1.(7)

а если короткое замыкание произошло за пределами линии (вне зоны), т.е. , то условие (6) будет выполнено, но вместо (7), как это следует из (5), получится

sign a(l) 1.

Таким образом, при разных знаках значений а (о) и a(t) имеются основания принять решение о срабатывании защиты, а при одинаковых - не принимать.

При коротком замыкании за спиной, т.е. при хт О, в данном случае 1(0-) 0 и т(х)0, в том числе ст О и a(t) О. Следовательно, при малом уровне значений 7(о) и а(1) (уровень шумов) срабатывание защиты не допускается. Отстройка от шумов осуществляется следующим образом. Определяется разность двух значений реактивного параметра. Как следует из (4), (5),

а(о)-ст(1)12(0-)Х°1(8)

не зависит от места замыкания, если только оно произошло в пределах защищаемой линии (О xf I). Уставка Аоу по разности ст(О) - (7(1) выбирается из условия отстройки от шумов, т.е. на порядок ниже произведения (8) при минимальном токе короткого замыкания

А ц 0,1 U(o)X°i /((R°l+ Rf)2 + (Xot)2),1/2 а условия срабатывания дистанционной защиты имеют вид

signa(o)1, sign cr(t) -1,(9)

rr(o)-(7(l) Аоу.

В предлагаемом способе значения реактивного параметра ст(о) ист (I) определяются по алгоритму (1) жхч

ст(0) (o)l(o) U(o)(o)sin(U(o)i(o))

о® I40(1)T(1) U(1)l(Qsln(0(Q(9), где 0(о), 1(о) - напряжение и ток повреждения, предполагаемого в начале линии, 0(1),i(1) - напряжение и ток повреждения, предполагаемого в конце линии. Эти величины получают преобразованием измеренного напряжения и тока U(o), i(o-). Преобразование заключается в масштабировании (изменении модулей), смешении фаз, что в совокупности трактуется как умножение на комплексные коэффициенты, и в наложении (суммировании). В случае модели по фиг.2:I(o) i(o-), (t) l(o-), т.е. преобразования токов не требуется, а при формировании напряжения 0(1) все перечисленные операции совершаются

0(1) 0(о) + Ki(o-). гдеК--г°1

Приведенный пример дает аналитическое обоснование способа, но только для

частного случая линии на фиг.1. Подобный анализ для нагруженной линии (фиг.3-5) затруднен, поэтому ограничимся графической иллюстрацией (фиг.б). Здесь нет необходимости упрощать ситуацию ряди упрощения формул, поэтому могут быть учтены все параметры линии электропередачи, предлагаемый способ сам по себе не требует пренебрегать емкостью линии или ее нагрузкой. Цель схем по фиг.3-5 и диаграммы по фиг.6 - показать, что зависимость реактивного параметра от координаты сг(х) при повреждении в защищаемой линии (о хг 1), начинаясь с положительного значения 0(а,

пересекает ось х в единственной точке х хг и далее убывает. Самое большое отрицательное ее значение и есть cr(t). В предаварий- ном режиме (фиг.З) распределение напряжения вдоль линии имеет вид верхнего годографа фиг.6. Аварийный режим добавляет к этому составляющие напряжения и тока, обусловленные источником On(xf) (фиг.4). Наложение их на предаварийный режим характеризует полный аварийный процесс (фиг.5). Ток повреждения i(xf) близок по фазе к аварийной слагаемой ip(O-), в связи с чем на диаграмме показан только последний вектор. Как видно из диаграммы, векторы 0(х) и i(x) совпадают по фазе в

единственной точке х xf. При х хг напряжение опережает ток, а при х хг - отстает от него, что и доказывает утверждение: sign 0(0) 1, sign a (I) -1. Учет распределенных параметров и нагрузки приводит к

тому, что при определении значения реактивного параметра ст(о)ток i(o) определяется наложением преобразованных напряжений и токов аварийного и предава- рийного режимов

l(o) KtU(o) + Kzi(0-) + Кзбп(о) + Knin(o-). (10)

Аналогичным образом определяется напряжение и ток повреждения, предполагаемого в конце линии

U(t) KsU(o) + K6i(o-) + K70n(o) + Ksin(o-) (11)

l(t) K9U(0) + Кю |(о-) + KnUn(o) + Kl2lm(o-),

- (12)

которые входят в выражение а(1), т.е. обобщение в данном случае заключается только в том, что напряжение и ток, наблюдаемые в двух режимах, преобразуются каждый со своим масштабирующим множителем и смещением фазы.

Особенность применения предлагаемого способа в многофазной электрической

системе (фиг.7-9) заключается в большем числе наблюдаемых и, следовательно, преобразуемых напряжений и токов: предшествующего (фиг.7) и аварийного режимов (фиг.8). Существует наиболее общий реактивный параметр, действенный при всех видах коротких замыканий, - это суммарная реактивная мощность всех фаз повреждения 8, предполагаемого в произвольной точке (фиг.9)

о (х) Q/x) Ј Q,(x) - 2 lm U,Ij. (13)

} A,B.CV ,B,C

Поведение зависимости (13) аналогично зависимости (1) для двухпроводной линии. Физически это утверждение объясняется тем, что при адекватности модели и реальной линии имеет место равенство

Qt(x хг) О,

так как повреждение носит резистивный характер, т.е. зависимость (13) переходит через нуль в точке модели фиг.9, соответствующей координате повреждения xf реальной линии (фиг.8). Если предположить, что повреждение произошло в точке х хг, и расположить в этой точке модели линии 5 модель повреждения 8(фиг.9), то при подаче на вход 2 модели 5 измеренных напряжений Uj(o) уравновешенное состояние модели, т.е. входные токи, равные измеренным ЦО-), наступит при активно-индуктивной нагрузке (8): 0(х) 0. Если же предположить, что (х) хг, как это и показано на фиг.9, то модель линии уравновесит активно-емкостная нагрузка (8): сг(х) 0. Иными словами, зависимость (13) пересекает ось х в единственной точке х хг, а раз так, то условие срабатывания дистанционной защиты (9) носит всеобщий характер. При коротком замыкании вне зоны (х xf) всегда будем иметь sign а (1) 1, что означает несрабатывание, а при коротком замыкании за спиной, когда линия не повреждена, во всех точках модели преобразование входных напряжений DV(O) и токов l(o-) даст нулевой уровень токов повреждения l(x)-0, а следовательно, и нулевой уровень реактивного параметра (13), что также будет означать несрабатывание защиты. Таким образом, соотношения (10) - (12), (13) и (9) характеризуют общий способ дистанционной защиты линии электропередачи.

Анализ показывает, что чувствительность защиты к повреждениям разного вида повышается, если применять не общий реактивный параметр, а частные, ориентированные на конкретные повреждения

(таблица, фиг.10 - фиг.16). Для модели произвольного трехфазного замыкания (фиг.10) остается в силе реактивный параметр (13). Но в частных случаях целесообразно выделять из состава напряжений токов нулевую последовательность 00(х) и 10(х). Остаются безнулевые слагающие

Oj (х) 1ЗД - 00(х), i;(x) + 1(х) - i0(x). объединяющие в себе прямую и обратную

последовательность. Если при трехфазном замыкании уровень тока нулевой последовательности неощутим (фиг.11), то вместо (13) вводится реактивный параметр

15 7(Х) 2 (х)Л.

,B,CГ

(И)

При двухфазном замыкании на землю (фиг.12-14) из (13) исключается слагающая

фазы С, при двухфазном (фиг.15)- применяется (14), но без слагающей фазы А, при однофазном (фиг.16) - для поврежденной фазы применяется параметр (1).

Описанные параметры можно назвать

прямыми, так как они ориентированы на непосредственную оценку предполагаемых повреждений. Наряду с этим возможно применение существенно более простых косвенных параметров (таблица), которые

ориентированы не на токи повреждения I (х) или их слагающие lj(x), I0(x), а на линейные токи перед повреждением р(х-), 0(х-). Переход к косвенным параметрам возможен потому, что фазы тока S0(x) и J0(x-) (фиг. 18), а

также 1$р(х) и (x-) (фиг. 19) отличаются незначительно.

Схема по фиг.19 иллюстрирует также возможность выявления поврежденных фаз путем сравнения безнулевых аварийных токов Ц рС0) между собой и с уставкой.

В отличие от известных способов дистанционной защиты предлагаемый способ действен при всех видах коротких замыканий, обладает направленностью, четко различает повреждения в зоне, не в зоне и за спиной. Способ хорошо сочетается с алгоритмами диагностики линии, так как и тут, и там эффективно применяются реактивные информационные параметры. Критерии

срабатывания защиты просты и сводятся к проверке знаков и контролю разности двух выходных сигналов.

Формула изобретения

1. Способ дистанционной защиты линии

электропередачи путем измерения фазных напряжений и токов в начале линии, напряжения и тока нулевой последовательности, преобразования их уровней, смещения фаз. наложений преобразованных напряжений и токов, выбора поврежденных фаз и определения реактивного параметра предполагаемого повреждения, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, значение реактивного параметра определяют дважды: один раз в предположении, что короткое замыкание произошло в начале линии, а другой раз - что оно произошло в конце линии, определяют знаки первого и второго значений и, если первый положителен, а второй отрицателен, то определяют разность первого и второго значений, сравнивают ее с уставкой и, если она превышает уставку, формируют сигнал о повреждении соответствующих фаз линии.

2.Способ по п.1,отличающийся тем, что в качестве реактивного параметра выбирают взаимную реактивную мощность опорного напряжения и опорного тока в месте предполагаемого повреждения.

3.Способ по п.1,отличающийся тем, что в качестве реактивного параметра выбирают реактивную составляющую напряжения в месте предполагаемого повреждения по отношению к опорному току.

4.Способ по пп. 2 и 3, о т л и ч а ю щ и- й с я тем, что в качестве опорного тока выбирают ток в предполагаемом повреждении.

5.Способ по п.2, отличающийся тем, что при однофазном замыкании в качестве опорного тока выбирают ток нулевой последовательности.

6 Способ по п.2, отличающийся тем, что при однофазном замыкании в качестве опорного /ока выбирают ток обратной последовательности.

7.Способ по п.2, отличающийся тем, что при однофазном замыкании в качестве опорного тока выбирают безнулевую аварийную слагаемую линейного тока поврежденной фазы.

8.Способ по п.2, отличающийся тем, что при двухфазном замыкании в качестве опорного тока выбирают ток. ортогональныйтокуобратной

последовательности.

9.Способ по п.2, отличающийся тем, что при двухфазном замыкании в качестве опорного тока выбирают аварийную слагаемую линейного тока одной из поврежденных фаз.

10.Способ по п.1,отличающийся тем, что при двухфазном замыкании на землю в качестве реактивного параметра выбирают суммарную мощность напряжений и

опорных токов в месте предполагаемого повреждения.

11.Способ по п.2, отличающийся тем, что при двухфазном замыкании на землю в качестве опорного напряжения выбирают сумму напряжений поврежденных фаз, а в качестве опорного тока - ток нулевой последовательности.

12.Способ по п.2, отличающийся тем, что при двухфазном замыкании на землю в качестве опорного напряжения выбирают линейное напряжение поврежденных фаз, а в качестве опорного тока - разность аварийных токов поврежденных фаз.

13.Способ.по пп.1-12, отличающи- 5 и с я тем, что поврежденные фазы выявляют

путем выделения модулей безнулевых аварийных слагаемых токов и сравнения их между собой и уставкой.

VPiO

iM

Фм.9

UM

т

ZWW

Использование: для расширения функциональных возможностей способа дистанционной защиты так, что его действия становятся независимыми от вида короткого замыкания. Кроме того, упрощение способа заключается в отказе от задания характеристик дистанционных органов в плоскости комплексного сопротивления и в отказе от выделения обратной последовательности. Сущность изобретения: способ дистанционной защиты, включающий в себя изменение напряжений и токов в начале линии, преобразование их уровней, смещение фаз, суммирование преобразованных напряжений и токов, выбор поврежденных фаз и определение реактивного параметра предполагаемого повреждения, дополнен операциями, которые наделяют его способностью выявить повреждение любого вида в защищаемой зоне: определяют значение реактивного параметра в предположении, что повреждение произошло в начале линии, далее определяют второе значение реактивного параметра в предположении, что повреждение произошло в конце линии, определяют знаки первого и второго значений; если первый положителен, а второй отрицателен, то определяют разность первого и второго значений, сравнивают с уставкой, если разность превышает уставку, формируют сигнал о повреждении соответствующих фаз линии. 12 з.п. ф-лы. 19 ил, 1 табл. сл с VI vj (Л VI 00 Ы

Щиг.Ю

Фиг. 13

Фиг. /4

Llo-}

1вР(0)

-с

IcflfO)

я С

it

I M

..М М;,,

loIX)

I lx)

ja

л (

Л Л /

VV J; ., W &J. .

bffl

I0(x)

Щи г. 11

Фиг.12

Фиг. 15

Фиг. 16

iApMiAPM

10

М М;,,

I lx)

Л Л /

jafx)

&J. . VVJVV,

J. . VVJV

I0(x)

zr

ШигЛ

о

4М 4/W

(Pue.fd

Щи г. 19