Способ определения места повреждения при коротких замыканиях на линии электропередачи постоянного тока высокого напряжения, содержащей фильтры высоких гармонических составляющих напряжения Советский патент 1992 года по МПК G01R31/08 

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть применено для определения места повреждения (ОМП) на линии электропередачи постоянного тока (ППТ) высокого напряжения, содержащей фильтры высших гармонических составляющих напряжения.

Известен способ ОМП, основанный на оценке разновременности прихода импуль- сов напряжения, возникающих в биполярной ППТ, к началу линии по волновым каналам провод-провод и два провода.

Недостатком способа является невозможность точного выделения составляющих таких каналов в переходных процессах в 4-проводной несимметричной линии ППТ.

Кроме того, при замыканиях полюса ППТ на землю в 25-2500 км от преобразователей амплитуда переменной составляющей импульсных перенапряжений в неповрежденном полюсе изменяется в пределах (0.1-0.5) UHOM. в то время как амплитуда гармоник, генерируемых преобразователями, достигает в начале линии 0.15 UHOM. Поэтому выделение упомянутых импульсов на фоне гармоник и возможных помех сопровождается значительными погрешностями.

Известен также способ измерения расстояния до поврежденной изоляции, кото рый основан на регистрации кривой напряжения при отключении однофазного короткого замыкания линии переменного

Ч -Ч N

О &,

ока, определении периода (Т) затухающих олебаний напряжения как среднего значеия нескольких подряд взятых периодов тих колебаний, вычисленных по моментам ереходов через нуль напряжения и расчета на основе величины периода и скорости распространения волны в линии V расстояния о места повреждения по формуле

.- УХ 4

Недостатком способа при использовании его для ОМП на линии ППТ большой лины является значительная погрешность,

вызванная тем, что на процесс разряда линии постоянного тока при повреждении ее изоляции или грозовом перекрытии с коротким замыканием влияют наличие параллельного контура преобразователи - линейный реактор, а также работа регулирующих устройств и процессы в линии второй неаварийной полуцепи и и тросах. Указанные обстоятельства приводят к искажению формы напряжения аварийной полуцепи по сравнению со случаем гармонических затухающих колебаний. В аварийном напряжении появляются смещения моментов перехода через нуль, неодинаковые от периода по величину и знаку, что,как следствие, приводит к неправильному определению длительности периода затухающих колебаний и снижает надежность ОМП на линии.

Прототипом предлагаемого технического решения является способ ОМП на линии ППТ высокого напряжения, заключающийся в регистрации формы кривой линейного напряжения поврежденного полюса передачи, выделении из нее информативной части аварийной составляющей, определении частоты fo с наибольшей амплитудой напряжения, соответствующей колебательному процессу разряда линии через место повреждения, и определения расстояния по формуле

, Vy42+16 2hr2V2fo2

1б7Г| рТо2

где v - табулированное значение скорости распространения волны напряжения в зависимости от частоты, км/с,

L - погонная индуктивность линии, Гн/км;

Lp- индуктивность линейного реактора, Гн.

Указанный способ позволяет достоверно определить расстояние до места повреж- дения в случае, если на линии ППТ отсутствуют устройства фильтрации высших гармонических составляющих напряжения, примерно на ППТ Волгоград-Дон- басе, Экибаетуз-Центр,

Недостатком этого способа является малая достоверность при ОМП на линиях

постоянного тока, к полюсам которых подключены фильтры высших гармоник, представляющие собой устройства, состоящие из различных комбинаций L, R, С-ветвей, При коротком замыкании на линии ППТ

фильтры, участвующие о колебательном процессе разряда линии через место короткого замыкания на землю, влияют на характеристики кривой аварийного напряжения на полюсах линии. Это влияние зависит от

конкретных параметров используемых на линии фильтров. Поскольку за рубежом большинство электропередач постоянного тока снабжены фильтрами высших гармоник на стороне постоянного тока, в проектируемых в СССР передачах тоже предусматриваются фильтры, задача их учета при ОМП является актуальной.

Целью изобретения является повышение достоверности определения расстояпил до места повреждения.

Цель достигается в способе определения места повреждения при коротких замыканиях на линии электропередачи постоянного тока высокого напряжения, содержащей фильтры высших гармонических составляющих напряжения, заключающемся в регистрации формы кривой линейного напряжения поврежденного полюса передачи, выделении из нее информативной части аварийной составляющей, определении ее спектральной характеристики и выделении в ней частоты f0 с наибольшей амплитудой, соответствующей колебательному процессу разряда линии через место повреждения, благодаря тому, что дополнительно определяют затухание оь колебательного процесса для переходной составляющей частоты f0, и, учитывая величину эквивалентной индуктивности преобразователя и параметры фильтров высших гармонических составляющих, определяют расстояние как вещественную часть величины:

50

- В + УВ 2 - 4 А Г. 2 А

0)

гдеА- -|Ј Л V0

т +1 ГоСоР) УФ(Р) - комплексный коэффициент;

в (ТГГ + -тЬ(Уф(р) + РЬУф (Р) - комплексный коэффициент;

С - Уф(Р) - комплексный коэффициент:

Уф

операторное выраР -Оо + 2я fo - оператор:

YjL j P L

Y«f (Р)

жение проводимости схемы замещения фильтров высших гармоник;

VQ -.- скорость электромагV L С нитной волны°в контуре провод-земля на

частоте fo, км/с;

Со, Lo, Го - погонные параметры линии в контуре проводник-земля на частоте fo;

Ln - индуктивность цепи преобразователя;

А2

In

Оо

Ai

затухание колебательного

процесса разряда линии:

Ai, A2 - следующие друг за другом амплитуды переходной составляющей напряжения;

At - интервал времени между амплитудами AI и Аа.

Сущность предлагаемого способа ОМП состоит в учете влияния на определяемое расстояние до места повреждения на линии параметров затухания переходного процес- са и конкретной схемы используемых на подстанции на стороне постоянного тока фильтров высших гармоник напряжения.

Осуществление способа ОМП с учетом названных факторов поясняется на фиг. 1, где представлено устройство ОМП в схеме электропередачи постоянного тока, снабженной фильтрами высших гармонических составляющих напряжения, и на фиг. 2, где представлены кривая напряжения на поврежденном полюсе линии со стороны инвертора (2, а) и спектральная характеристика этой кривой (2, б).

На фиг. 1 обозначены: 1 - преобразователь с трансформаторами, 2 -линейный реактор, 3 - фильтр высших гармоник, 4 - линия постоянного тока (полюс), 5 - датчик напряжения (делитель), 6 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП), 7 - оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), 8 - последовательный интерфейс, 9 - блок выделения информативной части аварийной составляющей сигнала, 10 - постоянное запоминающее, устройство (ПЗУ), 11 - центральный процессор (ЦП), 12 - блок считывания из памяти, 13 - блок преобразования Фурье, 14 - дисплей. У - сигнал релейной защиты линии.

При коротком замыкании на линии преобразователь с трансформаторами, линейным реактором и параллельно подключенными к полюсу линии на стороне постоянного тока фильтрами высших гармоник образуют разрядные колебательные контуры. Преобразователь 1. реактор 2 и линия 4 постоянного тока соединены последовательно, фильтр высших гармоник 3 и

делитель 5 соединены между собой и подключены одним выходом к общей точке соединения реактора 2 и линии 4, другим - к земле, третий выход делителя 5 подключен к аналого-цифровому преобразователю

(АЦП) 6, выход которого подключен к блоку оперативного запоминающего устройства 7. выход которого соединен с блоком последовательного интерфейса 8. Блоки ОЗУ 7 последовательного интерфейса 8, выделения информативной составляющей части аварийной составляющей сигнала 9, ПЗУ 10, ЦП 11, считывания из памяти 12. преобразования Фурье 13, дисплей 14 объединены через шины адреса и управления в микропроцессорный вычислительный комплекс.

Разрядные колебания в линии, разомкнутой с одного конца и замкнутой на земле - с другого, эквивалентируются колебаниями в контуре из параллельно

включенных емкости (Сл) и индуктивности (1л), зависящими от частоты. При этом величины емкости Сл и индуктивности определяются как

30

Сл- Со I

i - 2 i i L Л Lo1где Со, Lo - погонные параметры линии в контуре провод-земля на частоте f0. определяемой как составляющая частоты переходного процесса с наибольшей амплитудой;

I - длина линии. Для учета процесса затухания колебаний,

определяемого в схеме электропередачи активными сопротивлениями, следует последовательно с индуктивностью 1Л в схеме эквивалентирования разряда линии учесть ее активное сопротивление, также зависяЩее от частоты:

гл г01,

где г0 - погонное активное сопротивление линии в контуре провод-земля на частоте f0. Проводимость полюса линии с параллельно

соединенными преобразователями и фильтрами высших гармоник по фиг. 1, записанная в операторной форме, выглядит следующим образом:

v.ti Ј 40Vf«yAV r)rlctu))

Известно, что переходная характеристика линейной схемы определяется корнями операторного напряжения для той части проводимости, которая входит в знаменатель

операторного изображения функции. В нашем случае числитель Y3(P) эквивалентной операторной проводимости является аналогом характеристического уравнения схемы. В связи с этим найденное из спектральной характеристики значение частоты свободных колебаний оъ 2 f0 является частью корня уравнения Y3 (P) 0. Поскольку корень этот имеет вид -оь +J Шэ, где OQ - затухание составляющей частоты f0, то подстановка Р -Qb + j Шо позволяет из уравнения УЭ (Р) 0 найти длину коротко- замкнутого участка линии. Действительно, запишем:

Уэ (Р) (Р) + PUYd) (РХгя + PU) + + (1 + ГлСяР + Р2СлЫР1-пУф(Р) 0 (3) Подставив в (3j значения Сл. U. Гл, получим после некоторых преобразований

(V Ir°c°p)V(p) 2+

31 VQ

2 Lo)(Yc|(P) +

+ (. UP Ln

(4)

+ Р1пУф (Р)1 + УФ(Р) О При значении Р -«0 + М из (4) имеем квадратное уравнение относительно I с комплексными коэффициентами. Вещественная часть решения этого уравнения

I

- В + А С 2А

дает искомую длину короткозамкнутого уча- счка линии.

Устройство, реализующее предлагаемый способ ОМП, работает следующим образом.

Сигнал, пропорциональный напряже- нию.иа полюсе линии 4, снимаемый с делителя 5, подается на вход АЦП 6, с выхода которого поступает в ОЗУ 7. Объем памяти ОЗУ позволяет хранить информацию о напряжении на линии в течение времени, равном запаздыванию сигнала релейной защиты (Y) относительно момента возникновения короткого замыкания на линии.

В случае аварии на линии сигнал (Y) релейной защиты поступает через последовательный интерфейс 8 в блок 9 выделения информативной части аварийной составляющей сигнала. В соответствии с программой работы блок 9 прерывает считывание с АЦП 6 и производит выделение информативной части аварийной составляющей сигнала, передачу управления в ПЗУ 10, дальнейший расчет спектральной характеристики сигнала с помощью блока преобразования Фурье 13 и выявления в ней частотной составляющей о, 2 too аналогично способу по прототипу. После чего производится с помощью блока 10 ПЗУ

определение затухания «0 сигнала. Затем ПЗУ с помощью блока считывания из памяти 12 выявляет соответствующие частоте f0 табулированные значения скорости рэспрост5 ранения волновой составляющей, погонные линейные параметры LO, Со. г0 и по формуле (1) вычисляют расстояние до места повреждения. Вычисления производятся с помощью центрального процессора 11,

10 результат выводится на дисплей.

Предлагаемый способ ОМП прошел проверку на цифровой модели линии электропередачи постоянного тока длиной 840 км напряжением ±600 кВ и мощностью

15 3000 МВт, смоделированной 30 ячейками, и снабженной фильтром 12-й гармоники. Фильтр состоит из последовательно соединенных элементов Сф 2,5 мкФ, ф 0,0283 Гн, гф 0,50 м. Эквивалентная индуктив20 ность преобразователя Ln 0,27 Гн.

При к.з. в середине линии получена кривая напряжения на поврежденном полюсе линии со стороны инвертора приведена на фиг. 2а, а ее спектральная характеристика,

25 приведенная на фиг. 26, имеет максимум на частоте f0 174 Гц (о)0 1093 рад/с). Погонные параметры линии для частоты f0 174 Гц составляют С0 0,0087 мкФ/км, U 1,5 Гн/км, г0 0,12 Ом/км. Зату30 хание для кривой- аварийного напряжения на фиг. 2, определенное по формуле оъ

1 А -тгт- In д-, составило Оо -94 рад/с.

Подставив в (1) Р -94 + j 1093, получим

35 I 422 -j 66 км. Поскольку вещественная часть I определяет искомую длину коротко- замкнутого участка линии, которая в рассмотренном случае составляет 420 км, погрешность решения этого способа соста40 вит 0,5% от длины участка. Если в рассмотренном примере применить способ ОМП без учета затухания, т.е. при г0 0, Гф О, 0, то при подстановке Р 0 + J 1093 в формулу (1) получим I 432 км, т.е. погреш45 ность приблизительно равна 3%.

Если определять расстояние по формуле, приведенной в прототипе, т.е. не учитывать параметры фильтров и затухание колебательного процесса, то погрешность

50 составит примерно 80% (д 80%), а именно:

| Уо 2 U + VVn ч Ln 2 + 16пг Ln 2 Vn 2 fn 2

При этом v0: 0,27 Гн, f0

16JTLpf02

766 км. /-1 276,8 км/с, Lp UXwc°

174 Гц.

Из изложенного видно, что применение предлагаемого технического решения позволяет значительно повысить достоверность результата ОМП по сравнению с прототипом, причем учет конкретной схемы фильтров высших гармоник и затухания переходной составляющей напряжения является существенным для достижения цели,

Сужение района поиска места повреждения линии, т.е. трудозатрат линейных бригад и простоя электропередачи постоянного тока, дают значительный экономический эффект. Так, в приведенном примере район поиска составляет ±0,5%. т,е. ±2 км. по сравнению с практически всей длиной линии в случае применения способа ОМП по прототипу.

Формула изобретения Способ определения места поврежде- ния при коротких замыканиях на линии электропередачи постоянного тока высокого напряжения, содержащей фильтры высших гармонических составляющих напряжения, заключающийся в регистра- ции формы кривой линейного напряжения поврежденного полюса передачи, выделении из нее информативной части аварийной составляющей сигнада, определении спектральной характеристики этой составляю- щей и выделении в ней частоты f0 с наибольшей амплитудой, соответствующей колебательному процессу разряда линии через место повреждения, отличающий- с я тем. что дополнительно определяют за- туханиеоъ колебательного процесса для переходной составляющей частоты f0, и.

учитывая величину эквивалентной индуктивности преобразователя U и параметры фильтров высших гармонических составляющих, определяют расстояние как вещественную часть величины

I. - В + У1ТЦAAJCL.

2А

где А - ( a J а + |гоС0Р)Уф(Р) - комп9 Ь О

лвксный коэффициент;

в TrTF + 4Ь (Y(P) - комплексный коэффициент;

С Уф (Р) - комплексный коэффициент; Р -«о + 1п f0 - оператор;

УФ- -Йг

(р)

(Р } опвРат°Рное выражение проводимости схемы замещения фильтров высших гармоник;

v0 .- скорость электромаг L С

нитной волны в Чсонтуре провод-земля на

частоте to, км/с;

Со, Lo. fo - погонные параметры линии в контуре провод-земля на частоте fo;

Оо

- затухание колебательного

процесса разряда линии;

U - индуктивность цепи преобразователя;

AI, Аа - следующие друг за другом амплитуды переходной составляющей напряжения;

At - интервал времени между амплитудами AI и А2.

Использование: в электроэнергетике для определения места короткого замыкания на линии постоянного тока высокого напряжения, снабженной фильтрами высших гармоник. Сущность способа: заключается в регистрации формы кривой линейного напряжения поврежденного полюса передачи, выделении из нее информативной части аварийной составляющей сигнала, определении спектральной характеристики этой составляющей, выделении в ней частоты f0 с наибольшей амплитудой, соответствующей колебательному процессу разряда линии через место повреждения, определении затухания Оо колебательного процесса для частоты f0 и расчета расстояния с учетом величин эквивалентной индуктивности преобразователя Ai и параметров фильтров высших гармоник как вещественной части величины: I В+Ув2-4АС 2 А , где А, В, С-комплексные коэффициенты, зависящие от параметров преобразовательной подстанции с фильтрами высших гармоник и оператора вида: Р «о + 1п f0. 2 ил. (Л С

ОюДШк

р

Кб U

40о

# Л2

к в,-и/ Я)

60

/62024 С