Способ определения поврежденных фаз и вида повреждения линии электропередачи Советский патент 1993 года по МПК H02H3/26 

Изобретение относится к электротехни-Ток нулевой последовательности опре- ке, а именно к релейной защите и системной делается как среднее мгновенное значение автоматике, и может быть использовано в фазных токов избирателях фаз, дистанционной защите, определителях места повреждения. 5 io (1/3)(iA + IB + Ic), (1)

Цель изобретения - дальнейшее повы-. шение чувствительности способа определе- а безнулевая составляющая - как разность иия поврежденных фаз и повышение мгновенных значений фазных токов и тока надежности его функционирования. нулевой последовательности

На фиг. 1 изображена схема линии элек- 10

тропередачи без указания повреждения; - ь 0} фиг.2-4 - та же схема, но с указанием вида Ток |о может быть И3мерен в линии непос- короткого замыкания: междуфазного, одно- рвдстввнно. Тогда (1) не применяется, но фазногои двухфазного; на фиг.5-структур-

ная схема, реализующая предлагаемый 15 Ь/определяется no-прежнемукак (2). способ; на фиг.6, используемой при теоретиче-Предлагаемый способ основан на сле- ском обосновании способа,- комплексная схе- дующих теоретических положениях: ма замещения электропередачи в свободном 1- Свободные нулевая и безнулевая со режиме при двухфазном замыкании на землю. ставляющие могут быть найдены из компНа фиг.1 указаны фазы электропереда- 20 лексных схем замещения. Но эти схемы не чи 1-3 и место измерения токов 4. На фиг.2- следует путать с широко известными схема- 3 отдельно указаны особая фаза 5, ми для симметричных составляющих, кото- отстающая 6 и опережающая 7 фазы. Указа- Рые б отражают временных процессов, так но также место повреждения 8, хотя оно и как от мгновенных величин прямой и обрат- неизвестно. Схема фиг.5 состоит из следую- 25 ной последовательности невозможно пе- щих блоков: заграждающих фильтров 9-12. рейти к фазным величинам, предназначенных для подавления устано-2. Если имеются две идентичные цепи и вившихся слагаемых токов, вычитателей 13- в какой-нибудь из их одинаковых ветвей 15. компараторов 16-21, предназначенных свободные процессы совпадают, то они бу- для выявления токов, совпадающих по вели- 30 - ДУ совпадать во всех остальных одинако- чине и одинаковых или противоположных вых ветвях. Доказывается на основании по направлению, адаптивного фильтра 22. принципа компенсации - свободный про- настраивающегося по своему входному сиг- цеес в цепи может быть интерпретирован налу, цифровых фильтров 23-25, параметры как реакция на действие свободного тока которых задаются адаптивным фильтром 35 одной из ветвей. - 22, и селекторов 26.27, которые анализиру- 3. Система безнулевых составляющих ют выходные сигналы компараторов 16-18 уравновешена, т.е. или 19-21. В результате такого анализа селекторы определяют особую фазу и вид по- f+ j f - 1+if-f4 0 (3) вреждения. Информация о фазе появляется 40

на выходах 28-33, а о повреждении - на4. При междуфазном замыкании (фиг.2) выходах 34-36: при междуфазном - на вы- выполняются соотношения: ходе 34, однофазном-на выходе 35 и. двух- 0. фазном на землю - на выходе 36.

КомплекснЕя схема замещения (фиг.6) 45 согласно (2)

выполнена.в системе нулевой и безнулевых.,.. /41 составляющих 5 и состоит из подсхем пря- v мой (обратной) 37,38 и нулевой 39 последовательностей. По отношению к месту вместе двухфазного замыкания повреждения подсхемы представляют со- 50 бой входные операторные сопротивления . Z(p). Z0(p)- Комплексная схема отнесена к особой фазе , в качестве которой может согласно (4) выступать любая из трех реально существу- ющих фаз v А, В, С, где v-обозначение 55 ..-. произвольной фазы. Фазы, отстающие и ииз(3) опережающие по отношению к особой. .

будем обозначать соответственно.-; ц, и to. , t 1 и Ч- 1 If5 т «f.|-t-i. ъ отсюда и для свободного режима

ЧЈ-1,св -l f.Ј + 1,cB

причем в силу положения 2 равенство (5) справедливо для токов в любом месте симметричной линии электропередачи, в том числе и в месте повреждения (таблица).

5. При однофазном замыкании (фиг.З) в месте повреждения

lf.Ј -1 lf.Ј + . и согласно

ir.Ј -1 if,Ј +1.

откуда для свободного режима

if.Ј - I.CB if,Ј + 1,св.

что, как и (5). справедливо в любом месте, в том числе и в месте повреждения (табл.1).

6. При двухфазном замыкании на землю (фиг.А) нет простых соотношений вроде (5), (6), но есть определенные закономерности в протекании переходного процесса. Дело в том, что характеристическое уравнение цепи по фиг.1 для разных ветвей выглядит по-разному. Относительно ветвей 37, 38

Это положение не зависит от того, где находятся источники и каковы начальные условия. Поясним его. Свободные величины состоят из отдельных слагаемых - затухаю- 5 щих гармоник (в частном случае экспонент). Пусть

10

15

20

25

.-Alt

UA UAesln(wAt+4 l) (13) есть одна из таких слагаемых в напряжении между узлами схемы по фиг.6. а

lfЈ - U sin ( t + уА) (14) то же, но в токе одной ветви. Между ними имеется следующая взаимосвязь:

lf.Ј - U Im (UA/L (рА)) еР . (15)

где UA UAexp J.4& . Ток определяется параметрами напряжения и входным операторным сопротивлением, определенным на частоте рА. Начальные условия в это соотношение не входят, равно как и источники. Таким образом,

IA IAexpjyA UA/L(pA)

Использование: избиратели фаз. дистанционная защита, определители мета повреждения в линиях электропередачи. Сущность изобретения: измеряют фазные токи и ток нулевой последовательности, формируют свободные сигналы путем подавления периодического сигнала основной частоты, формируют безнулевые свободные сигналы и сравнивают их по величине и на этой основе идентифицируют однофазное и двухфазное замыкание, в противном случае настраивают на сигнал нулевой последовательности адаптивный фильтр, а затем пропускают через него свободные фазные сигналы, сравнивают выходные сигналы между собой и на этой основе идентифицируют замыкание на землю. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.. 6 ил. v fe 00 ю о ю XI 4 CJ

r$Vut% °

или

L(p)+2 Lo (р)0

Цр)0

и относительно ветви 38

L(p) + L(p)/2 0.

что совпадает с (7), но никак не отражает (8). Пусть рЯ - + jort. и р/4 - fa + Щ1 корни уравнения (7) и, соответственно, (8). Тогда можно утверждать, что свободный безнулевой ток содержит колебания комплексных частот рА и рц, а ток нулевой последовательности - только частот

if.Ј - I.CB if.Ј - 1(PA) + lf.Ј -1 (рц) (9) if,Ј + ив if.Ј + i(pA) + if,Ј +1 (pp) 1°)

Ifo.ce ifo(pA),(H)

Комплексные частоты рА являются общими для всей электрической цепи, а часто- ты р/4 - внутренними, только для параллельных идентичных ветвей.

IA UA/mod L (рА) 30 уА ФА - arg L (РА)

35

40

45

и эти связи справедливы для обеих идентичных ветвей.

, 8. На частотах ры внутреннего переходного процесса связь между токами ветвей § - 1 иЈ + 1 противоположна (12)

UЈ - 1 (p/i) - If| + 1 (BU) if (P/).(16)

В самом деле, поскольку в элементе 39 схемы фиг.6 тока частот гэ« нет, то свободный процесс на этих частотах должен замыкаться в контуре, состоящем из двух элементов 37,38.

Подытоживая, перепишем (9), (10) с учетом (12), (16)

if.Ј - i.ce if (pA)-Hf Oja) if,Ј-И.св if (рА) - if (jju).

(17)

(18)

Гпойства свободных токов при различных видах коротких Замыканий

Ю. Спектральный состав реальных свободных токов ограничен. Этому есть две причины. Во-первых, высокочастотные компоненты переходного процесса ослабляются измерительными трансформаторами тока. Во-вторых, при аналого-цифровом преобразовании токов применяется еще и фильтрация нижних частот (подавление верхних), как того требует теорема Котельнико- ва. Отсюда следует, что слагаемые токов двухфазного замыкания на землю выражается конечными суммами затухающих гармоник (экспонент):

Амаксat

i(pA)(ft At+yA) (19)

А 1

ЯмаксrU

W ЕМ sm (ф +$)(20) ./«

Ямзксnt

IOCB 2 оА sm (ой, t + уА).. (21) А 1

Верхние индексы в (20) проставлены во избежание путаницы параметров общего и внутреннего переходных процессов.

i(k)Vasi(k-S), , s 1

(22)

где k - дискретное время, as - параметры фильтра, определяемые в процессе адаптации к входному сигналу i(k), i(k) - выходной сигнал, .k 0 - момент начала настройки адаптивного фильтра. Адаптация (настройка) заключается в подборе параметров as из условия близости оценок l(k) к измеренным отсчетам входного сигнала l(k).

V(t) - -iCB (t) + Ice (t - T)

(23) 55

создает пыходной сигнал V(t) с тем же спектром частот, что и входной сигнал (Св(т).

p, подавит и любой другой сигнал с тем же частотным спектром.

Подавляющие свойства фильтра (22) определяются корнями его характеристического уравнения, а они в свою очередь определяются только лишь частотами р свободного сигнала на который настроен данный фильтр, и не зависит от амплитуд и начальных фаз отдельных затухающих гармоник.

Перейдем к изложению предлагаемого способа. При этом понадобятся схема фиг.5, соотношения, сведенные в таблицу, и положения 11-13. Способ образован следующей

совокупностью операций, выполняемых в заданной последовательности. В месте 4, условно называемом началом линии, измеряются токи I) фаз 1-3(фиг.1). Эту операцию осуществляют измерительные трансформаторы тока. Ток нулевой последовательности lo, возможно, также измеряется при помощи специального трансформатора. Иной вариант заключается в определении тока lo посредством усреднения фазных токов

(формула 1). Для этого понадобится сумматор с делителем выходного сигнала (на схеме J фиг.5 не предусмотрен). Дальнейшие операции частично могут выполняться над аналоговыми сигналами. Но на определенном-этапе могут понадобиться дискретные

сигналы. Поскольку это не принципиально,

-далее предполагается, что на схему фиг.5

подаются дискретные сигналы fy, lo, т.е. аналого-цифровое преобразование совершается еще до входа схемы. Если fo - номинальная частота сети, a - частота дискретизации, то принимается, что N .fd/fo есть целое число.

Токи I , lo содержат установившуюся и

свободную слагаемые

I lyci + ice.

Установившаяся - периодическая 1уст (k) iycr (k- N).

в предлагаемом способе она не используется и должна быть подавлена. Операция подавления установившейся слагаемой выполняется путем вычитания отсчетов, отстоящих друг от друга на период основной частоты

V(k) -i(k) + l(k - N),(24) что и составляет содержание блоков 9-12. При этом подавляется как основная гармоника, так и высшие гармоники, и нулевая тоже. Свободную же слагаемую операция вычитания отсчетов (24) не пол-эичн г и. как и аналоговая операция (7Г н« илмоияег

спектрального состава свободного гока. Если записать свободный ток с указанием его комплексных частот:

lcn(k) lce(k, p), то о сигнале V(k) можно сказать, что V(k) - VCB(K) - Vce(k. p) хотя само по себе соотношение между V(k) и 1св(к) имеет форму (24).

Дальнейшие операции классифицируют повреждения в соответствии с соотноше- ниями, приведенными в таблице. Предварительно определяются безнулевые

величины Vv Vv- V0 (вычитатели 13-15). Существенно, что свойства безнулевых свободных токов передаются величинами Vv в полном объеме, так как Vv и V связаны между собой тем же линейным преобразованием, что и величина V0 с током Г0.

Операция сравнения сигналов Vv между собой заключается в сравнении их знаков, а затем и величин. Компараторы 16-18, осуществляющие указанную операцию, сравнивают разность модулей с установкой F, . масштабируемой в соответствии с уровнем сравниваемых величин

IVvHVv-ll e VvU|Vv-llT (25)

и если неравенство выполняется, то опера- ция сравнения дает положительный результат (один из компараторов 16-18 срабатывает).

Следующая операция - выбор особой фазы и определение вида повреждения по результатам сравнения сигналов Vv (табл.2). На схеме фиг.5 ее осуществляет селектор 26. Если обнаружилось, что совпадают по величине только два из трех сигналов Vv (сработал один из трех компараторов 16-18), то ситуация идентифицируется как однофазное либо междуфазное замыкание.

Дополнительно анализируют знаки сравниваемых величин (табл. 2). Если они совпадают, то замыкание определяется как однофазное, а если противоположны - междуфазное. Особая фаза определяется тем, какие из сигналов Vv совпали по величине.

Может оказаться, что условие (25) не выполняется ни при каком из трех значений V или, наоборот, выполняется сразу при двух (или всех трех) значениях. Тогда анализируется версия о двухфазном замыкании на землю (блоки 19-27). Здесь первая операция - адаптивная фильтрация сигнала нулевой последовательности Vo (настройка адаптивного фильтра 22 на подавление этого сигнала). Затем такой же обработке под

вергаются три фазных сигнала Vr. Но между первой и следующими операциями имеются существенные различия. Параметры адяп- тивной фильтрации определяются лишь однажды - при подавлении сигнала V0. Отсюда и различие между фильтрами 22 и 23-25: первый - адаптивный, действует по алгоритму (22), и его параметры as заранее неизвестны. После егс настройки (процедуpd настройки описана в 6)эти параметры передаются обычным (неадаптивным) цифровым фильтрам 23-25. Отсюда ясно, что первая, адаптивная, фильтрация определит параметры, необходимые для подавления

частот f. присутствующих в токе нулезой последовательности, а последующие процессы фильтрации фазных величин Vv уже не требуют настройки; получив найденные параметры, эти процессы подавят составляющие частот р. в обрабатывр-эмых величинах. Результат фильтрации - величины W; (выходные величины цифровых фильтров 23-25) содержат только частоты р„ внутреннего переходного процесса, и в соответстВии с данными таблицы 1 можно утверждать, что при двухфазном замыкании на землю величины двух поврежденных фаз дадут результат

0

5 0

,-

5

W -WI-H-W O,

что же касается третьей, особой, фазы, то в силу равенства (3) ее величина

V| - (VЈ - , + V| + 0 - 2 V (рА)

имеет тот же спектральный состав, что и ток нулевой последовательности, и следовательно, будет подавлена в процессе фильтрации ).

Следующая операция - обнаружение совпадающих по величине и противоположных по знаку сигналов Wv . На схеме эту операцию выполняют компараторы 19-21. Операция сравнения величин трех сигналов Wv совершается так же, как и описанная выше операция сравнения сигналов Vv. Но здесь проверка знаков сигналов решает более простую задачу - всего лишь подтверждения закономерности, присущей двухфазному замыканию на землю. Если обнаруживаются два сигнала Wv и Wv -1 совпадающие по величине в смысле условия (25), и их знаки противоположны, то идентифицируется данный вид повреждения, и остается совершить заключительную операцию - выбрать поврежденные фазы. На схеме эту задачу решает селектор 27.

определяющий сработавший компаратор из числа 19-21 и указывающий соответствующие ему фазы. Если выясняется, что признаки таблицы 1, присущие неполнофазным замыканиям, не обнаруживаются, то данное обстоятельство трактуется как трехфазная коммутация - изменение нагрузки линии электропередачи или трехфазное короткое замыкание.

Как следует из вышеизложенного, опи- санный способ обладает абсолютной чувствительностью, его действие не зависит от схемы сети, числа источников, предшествующего режима, явлений в месте повреждения. В его основе лежат закономерности свободного процесса в трехфазной сети, носящие фундаментальный характер и ранее неизвестные.

Формула изобретения 1. Способ определения поврежденных фаз и вида повреждения линии электропередачи путем измерения и преобразования трехфазных токов и тока нулевой последо- вательности. компенсации фазных токов нулевой последовательности, сравнения компенсированных сигналов и формирования выходных сигналов, о тличающийся тем, что во всех измеренных.токах подавляют составляющие основной частоты и ее гармоник, формируя тем самым три свобод- ных фазных сигнала и свободный сигнал нулевой последовательности, компенсацию фазных токов осуществляют путем вычитаСвойства свободных токов при различных видах коротких замыканий

Примечание: к - междуфазное замыкание: к 1 -однофазное; к - двухфазное на землю.

Выбор особой фазы и определение вида повреждения

ния свободного сигнала нулевой последовательности из всех свободных разных сигналов, формируя тем самым три безнулевых свободных сигнала, сравнение компенсированных сигналов осуществляют путем непосредственного сравнения мгновенных значений безнулевых свободных сигналов по величине и по знаку, и, если два из них совпадают по величине и противоположны по направлению, то идентифицируют двухфазное короткое замыкание фаз, соответствующих двум указанным сигналам, если же два из них совпадают и по величине и по направлению, то идентифицируют однофазное замыкание на землю фазы, соответствующей третьему сигналу, в противном случае пропускают свободный сигнал нулевой последовательности через адаптивный фильтр, настраивают адаптивный фильтр на подавление указанного сигнала и пропускают через настроенный адаптивный фильтр свободные фазные сигналы, формируя три выходных сигнала, сравнивают выходные сигналы между собой и, если два из них совпадают по величине и противоположны по направлению, то идентифицируют замыкание на землю двух фаз, соответствующих указанным сигналам.

Та 6 л и ц а 1

Таблица 2