Способ дистанционной защиты и определения места замыкания на землю линии электропередачи
Изобретение относится к релейной защите и автоматике электрических систем и повышает адаптируемость дистанционной защиты и локаторов повреждений к нагрузочному режиму линии электропередачи, предшествовавшему короткому замыканию. Эффект достигается благодаря дополнительному использованию информации о состоянии неповрежденной фазы. Способ предполагает применение моделей электропередачи, на входы которых подают измеряемые напряжения. В месте предполагаемого повреждения (оно произвольно) к модели подключают комплексные нагрузки. Устанавливают их такими, чтобы токи на входе модели совпадали с измеренными. Из ряда нагрузок выбирают резистивные, по которым и судят о месте повреждения линии. В отличие от прототипа нагрузки выполняют автономными для предположительно поврежденных и неповрежденных фаз линии. Вводят уставки по активному сопротивлению резистивных нагрузок предположительно поврежденных фаз и полному сопротивлению предположительно неповрежденных фаз. Отбирают места, где первая уставка выше замера, а вторая - ниже. Если это единственное место, то оно и принимается за место повреждения линии. В противном случае из ряда мест отбирается наиболее достоверное. 1 з.п. ф-лы, 14 ил.
Изобретение относится к электротехнике и электроэнергетике, а именно к релейной защите и системной автоматике, и может быть использовано для выполнения дистанционной защиты локаторов повреждения, а также устройство, совмещающих эти функции.
Известен способ дистанционной защиты линии электропередачи путем преобразования выделенных в месте наблюдения линии основных гармоник напряжений и токов в реактивный параметр предполагаемого повреждения и анализа значений этого параметра в начале и конце зоны [1]. Известен и более общий способ определения места и характера повреждения линии электропередачи с использованием ее моделей, в котором выделенные напряжения подают на входы моделей, измеряют токи на указанных входах и сравнивают их с выделенными токами, подключают к моделям комплексные нагрузки в местах предполагаемого повреждения, устанавливают комплексные нагрузки такими, чтобы токи на входах модели совпадали с токами линии, выбирают нагрузки, оказавшиеся резистивными, и принимают, что место и характер повреждения соответствуют месту подключения указанной нагрузки и величинам ее активных параметров [2]. Недостатком упомянутых способов оказался неучет граничных условий в месте предполагаемого повреждения, в силу чего для их функционирования непременно необходима информация о режиме, предшествовавшем короткому замыканию. Известен дистанционный способ защиты и автоматики линии электропередачи, свободный от данного недостатка. Здесь разграничивают междуфазные и земляные замыкания, преобразуют измеренные напряжения и токи с учетом особенностей модели линии, и в месте каждого предполагаемого повреждения принимают ток прямой последовательности равным заданной комбинации токов обратной и нулевой последовательности: при однофазном замыкании - равным току обратной последовательности, а при двухфазном замыкании на землю - противоположным в особой фазе сумме токов обратной и нулевой последовательности. В указанном способе место повреждения линии определяют как ближайшее к началу линии место предполагаемого замыкания, в котором реактивный параметр принимает нулевое значение. Между тем, исследования и испытания на моделях линий электропередачи показали, что при наблюдении с приемной стороны линии реактивный параметр проходит через нулевые значения дважды вдоль длины линии, причем истинное место повреждения может приходиться как на первый, так и на второй нуль. На второй даже с большей вероятностью, так как ему отвечает меньшее переходное сопротивление короткого замыкания в линии электропередачи, чем в первом нуле. Таким образом, в режимах обратной передачи мощности нагрузочного режима, обсуждаемый способ, как и любой другой способ одностороннего наблюдения линии электропередачи, не гарантирует селективной работы дистанционной защиты или же однозначного распознавания места повреждения. Еще один его недостаток обусловлен неопределенностью знака реактивного параметра при металлическом коротком замыкании вблизи места установки защиты, когда в зависимости от погрешности измерения существует вероятность как неселективного срабатывания при замыкании за "спиной", так и отказа при замыкании в линии. Цель изобретения - устранение второго недостатка при всех видах коротких замыканий, а первого - при несимметричных земляных замыканиях. Поставленная цель достигается тем, что в известный способ дистанционной защиты и определения места замыкания линии электропередачи с использованием ее моделей вводятся новые операции, придающие ему новое качество. Как и в известном способе, выделяют напряжения и токи основных гармоник, подают напряжения основных гармоник на входы моделей, подключают к моделям в местах предполагаемого повреждения поперечные комплексные нагрузки, устанавливают последние такими, чтобы токи на входах модели и выделенные токи линии совпали, определяют сопротивления указанных нагрузок, выбирают из их множества те, что оказались резистивными, и судят по ним о зоне и месте повреждения линии. Однако в отличие от известного способа поперечные комплексные нагрузки подбирают отдельно для каждого вида повреждения, притом в общем случае еще и отдельно для предположительно поврежденной (поврежденных) и неповрежденных (неповрежденной) фаз. Для поврежденной и неповрежденной фаз задают уставки по разным сопротивлениям, соответственно по активному (первая уставка) и по полному (вторая уставка). В местах с резистивной нагрузкой предполагаемого повреждения, которых, как указывалось, может оказаться более одного, определяют полное сопротивление поперечных нагрузок неповрежденных фаз, сравнивают сопротивления поперечных нагрузок с соответствующими уставками, фиксируют места линии, в которых активное сопротивление уступает первой уставке, а полное сопротивление превосходит вторую уставку, затем перебирают возможные варианты. Если место с резистивной поперечной нагрузкой единственное, то именно его и полагают местом повреждения линии. Если таких мест окажется несколько, то местом повреждения считают то из них, где полное сопротивление поперечной нагрузки неповрежденных фаз максимально. Наконец, таких мест может не оказаться вовсе, что может означать одно из двух: или линия не повреждена, или имеет место металлическое короткое замыкание вблизи пункта наблюдения. В последнем случае поперечная нагрузка поврежденных фаз будет близка к нулю в начале линии, а нулевое сопротивление из-за неизбежных погрешностей измерения и преобразования входных величин может сместиться не только вправо, но и влево от координаты начала линии. Критерием повреждения в такой ситуации явится минимальное реактивное сопротивление поперечной нагрузки предположительно поврежденных фаз, приходящихся на начало линии, а помимо этого еще и достаточно высокое полное поперечное сопротивление неповрежденных фаз, превышающее вторую уставку. Местом повреждения в данномм случае признается начало линии. Дополнительно предлагается конкретное выполнение поперечной комплексной нагрузки, решающее задачу идентификации двухфазного замыкания на землю: нагрузки двух предположительно поврежденных фаз выполняют в виде трехлучевой звезды с одинаковыми фазными лучами, нагрузку неповрежденной фазы выполняют в виде отдельного элемента, а эквивалентное сопротивление поврежденных фаз определяют как отношение суммы фазных напряжений к сумме поперечных токов предположительно поврежденных фаз в месте предполагаемого повреждения. Рассматриваемое предложение в теоретическом плане может быть отнесено к технической диагностике - разделу автоматического управления и регулирования в электроэнергетических системах. Однако методы распознавания аварийных ситуаций в линиях электропередачи специфичны (Лямец Ю.Я., Ильин В.А., Подшивалин Н. В. Программный комплекс анализа аварийных процессов и определения места повреждения линии электропередачи. Электричество. 1996. N 12. С. 2-7), поэтому все ближайшие аналоги находятся в области электроэнергетики, а возможные применения относятся к защите и локации повреждений линий электропередачи. На фиг. 1 изображена модель линии электропередачи с подключенными к ней поперечными комплексными нагрузками для распознавания однофазных коротких замыканий, на фиг. 2 - та же модель, но с другим подключением поперечных комплексных нагрузок для распознавания двухфазных замыканий на землю, на фиг. 3 - структурная схема, реализующая предлагаемый способ при однофазном замыкании, на фиг 4 - схема действия способа при двухфазном замыкании на землю, на фиг. 5 - схема распознавания однофазного замыкания в начале контролируемой зоны, на фиг. 6 - схема того же назначения, но для двухфазного замыкания на землю, на фиг. 7 показаны варианты зависимости реактивного сопротивления комплексной нагрузки поврежденных фаз от координаты предполагаемого повреждения; зависимости различаются числом и местонахождением нулей; на фиг. 8 показана примерная характеристика срабатывания измерительного органа сопротивления, предназначенного для выявления замыкания в начале зоны; на фиг. 9-11 приведена модель электропередачи соответственно в предшествующем режиме, текущем режиме короткого замыкания и чисто аварийном режиме; на фиг. 12 - векторная диаграмма, иллюстрирующая ситуацию в двухпроводной линии, не поддающуюся распознаванию; на фиг. 13 - линия нераспознаваемости на плоскости аварийных параметров; на фиг. 14 - график сопротивлений комплексных нагрузок при однофазном замыкании (фаза А). Модель линии электропередачи имитирует систему, параметры которой распределены вдоль координаты x. Наблюдаемые напряжения









третьи- если полное сопротивление не ниже уставки

Состояние пороговых элементов контролируют четырехвходовые элементы И 36-38. Оконечный элемент И канала фазы v срабатывает при следующем сочетании условий

где V



и сопротивление неповрежденной фазы

где указаны напряжения и токи в поперечных комплексных нагрузках 11-14. Выходы 40-42 блока комплексных сопротивлений соответственно передают следующие параметры: реактивное и активное сопротивление двух предположительно поврежденных фаз V



и полное сопротивление остающейся неповрежденной фазы v, определяемое операцией (3). Условия срабатывания канала распознавания короткого замыкания фаз V


реализуется пороговыми элементами 27, 30, 33 и трехвходовым элементом И43. Гипотеза о коротком замыкании в начале линии, не фиксируемом операциями (7) или (12), проверяется измерительным органом сопротивления (реле сопротивления) 44, на входы которого подаются сопротивления нагрузки, соответствующей входам моделей (координата xf=0)

или

для разных видов замыканий. Дистанционный принцип релейной защиты сталкивается со специфической проблемой распознаваемости ситуации в линии электропередачи, наблюдаемой с приемной станции. Ситуация в поврежденной линии иллюстрируется зависимостью распознаваемого реактивного переходного сопротивления Xv от координаты переходного сопротивления: простая ситуация, характеризуемая зависимостью 45 с одним нулем, и сложные ситуации 46-48 с двумя и с тремя нулями 46, 47 и вообще без нулей 48. Именно для последнего случая и применяется измерительный орган сопротивления с характеристикой срабатывания, охватывающей на комплексной плоскости






Наблюдаемые величины связаны с напряжением



где K - вещественный коэффициент передачи по напряжению из места повреждения в место наблюдения, Bsf - передаточная реактивная проводимость от напряжения повреждения к току наблюдения. Напряжение











образуют прямоугольные треугольники с взаимно параллельными катетами









где






можно убедиться в том, что рассматриваемая ситуация характеризуется единственным значением сопротивления текущего режима для каждой конкретной нагрузки линии электропередачи

и данное критическое значение сохраняется вне зависимости от места замыкания. Но, разумеется, оно достигается при вполне определенных критических значениях переходных сопротивлений Rfкр, своих для каждого места xff. Иначе говоря, в условиях передачи мощности нагрузки от системы 53 к системе 52 в любом месте линии с координатой xff может произойти замыкание через такое сопротивление Rfкр(aff), что входное сопротивление линии окажется инвариантной величиной (18);

где Ki - коэффициент передачи по току из места повреждения в место наблюдения


где l -длина линии,

















подтверждают, что имеет место реальное короткое замыкание, а не какой-то иной случайный процесс, и что модель электропередачи адекватна реальному объекту при данном типе повреждения. Дистанционная защита срабатывает по каналу фазы А с выходным элементом 36, если выполняются условия (7) для этой фазы:




притом, что



Если условие (19) выполняется, а какие-либо из условий (20)-(21) нет, то срабатывание защиты по каналу фазы А не производится. Отрабатываются иные версии. Параллельно с проверкой однофазного замыкания или вслед за ней рассматривается версия двухфазного замыкания на землю. Если и она не подтверждается, то дальнейшие действия зависят от того, какие из условий запрещают срабатывание защиты. Когда не выполняется одно только условие (20), делается заключение, что линия не повреждена. Когда же не выполняются только условия (21), (22), одно или сразу оба, делается заключение о том, что необходимо продолжить поиск мест изменения знака реактивного сопротивления XA(xf) и, если никаких иных, корме первого значения






Вследствие погрешностей преобразования входных величин зависимость реактивного сопротивления комплексной нагрузки от координаты места предполагаемого повреждения может сместиться таким образом, что нуль зависимости Xv(xf) выйдет за начало линии xf = 0 (фиг. 7,г). В подобной ситуации, возможно, при замыкании в начале линии повреждение определяется по замеру комплексного сопротивления


1. Авторское свидетельство СССР N 1775787, кл. H 02 H 3/49, 1991. 2. Патент РФ N 2033622, кл. G 01 R 31/11, H 02 H 3/28, 1989. 3. Патент РФ N 2066511, кл. H 02 H 3/40, G 01 R 31/08, 1992.
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14