способ определения поврежденных фаз линии электропередачи (фидера)

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВРЕЖДЕННЫХ ФАЗ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ (ФИДЕРА) путем одностороннего измерения напряжений и токов каждой линии, фиксации момента повреждения, формирования аварийных слагаемых напряжений и токов, определения знака их энергии и констатации повреждения линии при отрицательном знаке, отличающийся тем, что дополнительно формируют безнулевые аварийные слагаемые напряжений и токов путем устранения из аварийных слагаемых соответствующих величин нулевой последовательности, определяют три первые, три вторые и три третьи фазные энергии, а также энергию нулевой последовательности, первые фазные энергии определяют путем преобразования аварийных слагаемых напряжений и токов, вторые фазные энергии определяют путем преобразования безнулевых аварийных слагаемых напряжений и токов, энергию нулевой последовательности определяют путем преобразования напряжения и тока нулевой последовательности, а третьи фазные энергии определяют путем вычитания из первых фазных энергий энергии нулевой последовательности, сравнивают абсолютные значения вторых фазных энергий с заданными уровнями, определяют знаки энергий, превышающих минимальный уровень и, если они отрицательны, констатируют повреждение фидера, если при этом вторая энергия одной фазы ниже минимального уровня, а две другие выше максимального, то констатируют замыкание соответствующих двух фаз, сравнивают абсолютные значения вторых и третьих энергий каждой фазы поврежденного фидера и констатируют повреждение трех фаз, у которых абсолютное значение третьей энергии выше, чем второй.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к релейной защите и автоматике электрических систем и может быть использовано в дистанционной защите линий электропередачи и в устройстве однофазного автоматического повторного включения для выбора поврежденных фаз, а также в распределительных сетях (с изолированной нейтралью) для выбора поврежденного фидера и указания его поврежденных фаз.

Известные способы предназначаются для применения в сети с каким-либо одним режимом нейтрали. Предлагаемый способ построен в расчете на любой режим.

Известен способ определения поврежденного фидера путем анализа угловых соотношений между комплексами напряжения и тока [1] Он ориентирован на выделение установившихся слагаемых входных величин, обычно напряжения и тока нулевой последовательноcти. Но установившийся ток нулевой последовательности в сетях с изолированной нейтралью незначителен, находится на уровне тока небаланса, что имеет следствием пониженную чувствительность способа.

Более высокой чувствительностью обладают способы, действующие и при переходных процессах в электрической сети [2] Эти способы требуют фиксации момента короткого замыкания, формирования аварийных слагаемых напряжений и токов и определения знака их мгновенной мощности. При повреждении фидера такая его аварийная мощность в первый момент должна иметь отрицательный знак. Однако подобное условие не носит абсолютного характера, т.е. с течением времени аварийная мощность может изменить свой знак. Следовательно, данные способы не обладают абсолютной селективностью.

Далее показано, что в отличие от мгновенной аварийной мощности абсолютную селективность гарантирует мгновенная аварийная энергия. Знак энергии аварийных составляющих используется как параметр повреждения. Однако речь идет об аварийных слагаемых междуфазных величин, т.е. линейных напряжений и токов, причем однофазные короткие замыкания идентифицируются по незначительному изменению величины, связанной с неповрежденными фазами. Следовательно, аварийная энергия используется как параметр только для идентификации повреждения линии, но не для выбора поврежденных фаз. Если повреждение линии идентифируются операцией определения знака энергии, что гарантирует абсолютную селективность, то поврежденные фазы определяются операцией сравнения величины с уставкой. Выбор уставки задача статистическая, поэтому здесь абсолютная селективность не гарантируется.

Цель изобретения повышение селективности способа выбора поврежденных фаз с использованием таких информационных параметров, как энергии, передаваемые в чисто аварийном режиме.

Цель достигается тем, что способ определения поврежденных фаз линии электропередачи (фидера) путем одностороннего измерения напряжений и токов каждой линии, фиксации момента повреждения, формирования аварийных слагаемых напряжений и токов, определения знака их энергии и констатации повреждения, если знак отрицателен, дополнен операциями, четко выявляющими поврежденные фазы, а именно формирования безнулевых аварийных слагаемых напряжений и токов путем устранения нулевой последовательности (центрирование), определения трех типов фазных энергий и еще энергии нулевой последовательности, первых фазных энергий по аварийным слагаемым напряжений и токов, вторых по безнулевым (центрированным) аварийным слагаемым, а третьих как разности первых энергий и энергии нулевой последовательности, выявления энергий достаточного уровня, определения их знаков и, если все знаки отрицательны, констатации повреждения фидера, сравнения абсолютных значений вторых и третьих энергий каждой фазы и констатации повреждения тех фаз, у которых третья энергия превышает вторую.

Существуют закономерности, устанавливающие определенные соотношения между энергиями разных типов при повреждении отдельных фаз линии электропередачи. Ранее эти соотношения не были известны. Именно они лежат в основе предлагаемого способа.

Фиг. 1 и 2 иллюстрируют повреждение одной фазы фидера распределительной сети: на фиг. 1 приведена схема сети, на фиг. 2 ее модель для безнулевых составляющих фазы на фиг. 3 приведена векторная диаграмма различных составляющих трех токов фидера при двухфазном замыкании на землю; на фиг. 4 функциональная схема способа.

Контролируемая сеть включает в себя поврежденный и неповрежденный фидеры 1 и 2 с их нагрузками 3 и 4. Фидеры подключены к шинам 5, питающимся от трансформатора 6, подключенного к источнику 7. К шинам подсоединена катушка 8. На фиг. 2 C_s1 и C_r2 емкости левой и правой частей поврежденного фидера, R_r1, R_r2, L_r1, L_r2 сопротивления и индуктивности нагрузки фидеров, L_т и L_к индуктивности трансформатора и катушки.

Структурная схема состоит из умножителей 9-15, играющих роль датчиков мгновенной мощности, интеграторов 16-22, выполняющих функцию датчиков энергии, вычислителей 23-25, пороговых элементов 26-28, предназначенных для определения уровня и знака энергии, логического элемента И 29, фиксирующего повреждение фидера, схема 30-32 сравнения, сопоставляющих уровни энергий разных типов, и пускового органа 33, фиксирующего момент повреждения. Интеграторы 16-25 снабжены входами установки на ноль 34-40 и запускаются только после снятия сигнала с этих входов.

Входными величинами служат напряжения и токи в начале каждого фидера (линии электропередачи) U и i, где A, B, C обозначение произвольной фазы. Кроме того, в тех же местах измеряются напряжения и токи нулевой последовательности U_o и i_o. Предположим, что в момент t=0 зафиксировано повреждение сети, проявившееся, например, в резком повышении уровня тока i_o. Начиная с этого момента, наблюдаемый режим интерпретируется как аварийный, а предшествующий ему как доаварийный. Токи и напряжения доаварийного режима запоминаются как величины i_n и U_n, а затем экстраполируются на время после t_o как величины и . Если доаварийный процесс был периодическим, то экстраполяция заключается в повторении периодов. Ааварийные слагаемые входных величин определяются как разности двух сигналов: наблюдаемого и генерируемого по памяти:

i_p(t)= i(t)-(t); u_p(t)= u(t) (t). (1)

Дополнительно определяются безнулевые токи и напряжения путем устранения из аварийных слагаемых (1) нулевой последовательности:

i_p"(t) i_p(t) i_o(t);

U_p"(t) U_p(t) U_o(t). (2)

C помощью фиг. 1 и 2 иллюстрируются теоретические основы предлагаемого способа. Схема замещения сети для аварийных слагаемых электрических величин содержит только те источники, которые действуют в самом месте повреждения. Так, при однофазном замыкании (фиг. 1) все аварийные слагаемые (1) представляют собой реакцию сети (при нулевых начальных условиях) на включение в момент t= 0 источника тока i_f. С аварийными слагаемыми связаны мгновенная аварийная мощность и мгновенная аварийная энергия, передаваемые по каждой фазе сети напряжением U_p и током i_p:

P_p(t) U_p(t) i_p(t); (3)

_p(t) p_p()d. (4)

Очевидно, что в начальной стадии аварийного процесса мощность передается во все стороны от источника i_f. В резистивных элементах сети эта мощность рассеивается, и потребляемая ими энергия монотонно возрастает, а в индуктивностях и емкостях процессы протекают сложнее. В начальной стадии мощность идет на накопление энергии, т.е. потребляется, но вскоре эти элементы могут приступить к обмену энергией с сетью, после чего их мощность изменяет свой знак. Энергия же (в отличие от мощности) пассивных участков сети отрицательной стать не может: энергия индуктивности и емкости в любой момент времени определяется как L i_L²/2 и Cu_C²/2, где i_L и U_C ток и соответственно напряжение этих элементов. Следовательно, знак переданной аварийной энергии безошибочно свидетельствует о взаимном расположении единственного источника и остальной части сети. Данное положение справедливо как для полных аварийных величин, так и для их отдельных составляющих. Так, очевидно, что энергия нулевой последовательности

₀₁= u₀₁() i₀₁()d (5) зарегистрирована в начале поврежденного фидера 1 как отрицательная величина, поскольку источники этой энергии действуют в месте повреждения, а приемники подключены к шинам. В частности, таким приемником является и неповрежденный фидер 2, внутри которого источников нет, и его энергия ₀₂ зафиксирована как положительная величина. Электрическая связь нагрузок 3 и 4 двух фидеров может заметно снизить уровень энергии ₀₂, но не должна повлиять на ее знак, так как поврежденный фидер остается кратчайшим путем, связывающим источник аварийной энергии с общими шинами подстанции.

Безнулевые напряжения и токи действуют в обособленных фазах (фиг. 2), для каждой из которых справедливо положение о знаке аварийной энергии. Так, в конкретной схеме по фиг. 2 аварийная энергия

= u() i() d<0 передается из поврежденного фидера в индуктивности катушки 8 и трансформатора 6. В нее также входит аварийная энергия, поступающая в фидер 2 и фиксируемая его напряжением и током как положительная величина

= u() i() d>0

Таким образом, поврежденный фидер распознается четырьмя условиям: знаками трех энергий безнулевых аварийных составляющих и энергии нулевой последовательности:

_Ap" < 0; _Bp"< 0; _Cp"< 0; (6)

_o < 0 (7)

Теоретической основой выявления поврежденных фаз служит различие структур аварийных мощностей, распространяющихся по здоровым и поврежденным фазам. Посмотрим, в какой комбинации входят в аварийную мощность, а следовательно, и в аварийную энергию мощности безнулевых аварийных составляющих P_p" U_p" i_p" и нулевой последовательности P_o=U_o i_o:

P_p U_p i_p (U_p" + U_o)(i_p" + i_o)

P_p" + P_o + U_p" i_o + U_o i_p". (8)

Введем понятие о взаимной аварийной мощности безнулевой и нулевой последовательности

P_b3 U_p" i_o + U_o i_p" (9)

и о соответствующей энергии

= P_b3() d. (10)

Согласно выражению (8) аварийная мощность, а следовательно, и аварийная энергия каждой фазы состоит из трех слагаемых:

P_p P_p" + P_o + P_b3;

_p=_p"+_o+_b3. (11)

Внося равный вклад в аварийные энергии всех фаз фидера, энергия нулевой последовательности ничего не добавляет к информации о поврежденных фазах. Целесообразно поэтому ввести понятие о разностной аварийной энергии

_p= _p-_o= (12) и при выявления поврежденных фаз ориентироваться на соотношения между энергиями _p и _p". Таким образом, в общем случае в рассмотрение вводятся четыре типа энергий: первые аварийные _p, вторые энергии безнулевых аварийных слагаемых _p", третьи разностные _p и четвертая нулевой последовательности.

Между величинами нулевой последовательности и аварийными безнулевыми составляющими существуют взаимосвязи, устанавливаемые в первую очередь граничными условиями, складывающимися в месте повреждения. Так, при однофазном замыкании безнулевой ток поврежденной фазы A в месте повреждения совпадает по направлению с током нулевой последовательности и вдвое превышает его:

i_fA" 2 i_fo, (13) а токи неповрежденных фаз противоположны току i_fo и одного с ним уровня:

i_fB" i_fC" if_o. (14)

Иначе говоря

i_fA" 2 i_fB" 2 i_fC". (15)

В начале линии следованием соотношений (15) являются аналогичные равенства:

i_Ap" 2 i_Bp" 2 i_Cp"; (16)

U_Ap" 2 U_Bp" 2 U_Cp", откуда следует, что

_Ap"=4_Bp"=4_Cp". (17)

Условия прохождения составляющих нулевой и безнулевых последовательностей в электрической сети различаются, но не качественно, а только количественно, в том смысле, что характер каждого элемента электрической сети для этих последовательностей один и тот же: индуктивный для катушек, емкостный для фидеров, резистивный для нагрузок. Рассматривая соотношения (6), (7), (9), (10), (13), (14) в их взаимосвязи, убеждаемся, что взаимная энергия поврежденной фазы имеет тот же знак, что и две другие ее энергии:

sign_Ab3=sign_Ap"=sign_o, т.е.

_Ab3 < 0, а в неповрежденных фазах ситуация противоположная:

sign sign = sign _o;

sign sign = sign _o, т.е.

_Bb3>0;_Cb3 > 0,

причем из выражения (16) видно, что

_Ab3=-2_Bb3=-2_Cb3. (18)

В итоге из выражений (12), (17), (18) вытекают следующие соотношения между модулями различных энергий:

;

4;

4+ 2;

= -, сводящиеся к информационным признакам поврежденной фазы _Ap|>|_Ap"| (19) и неповрежденных фаз_Bp|<|_Bp"|_Cp|<|_Cp"| (20)

Дополнительный признак _Ap"|>|_Bp|_Ap"|>|_Cp"|

При междуфазном замыкании (фазы B и C) в отсутствие тока нулевой последовательности граничные условия в месте повреждения предельно просты:

i_fA" 0; i_fB" i_fC",

вследствие чего в месте наблюдения

i_Ap" 0; i_Bp" i_Cp".

В данной ситуации

_o 0; (21)

_Ap" 0; (22)

_Bp"=_Cp" < 0. (23)

Условия (21) (23) несут необходимую информацию о поврежденных фазах. Достаточно убедиться, что в одной фазе уровень энергии безнулевых составляющих неощутим, а в других достаточно велик.

При замыкании на землю двух фаз B и С имеет место граничное условие

i_fA" i_fo (24)

или

i_fB" + i_fC"i_fo (25)

Из выражения (24) следует, что и в месте наблюдения знаки токов i_Ap" и i_о в основном противоположны, что в равной степени относится к напряжениям U_Ap" и U_o. Но тогда из выражений (9), (10) явствует противоположность знаков энергий:

sign _Ab3sign_Ap", (26)

т.е. в неповрежденной фазе фидера

_Ab3 > 0; (27) _Ap|<|_Ap"|

Ситуация в поврежденных фазах сложнее, так как соотношение (25) свидетельствует лишь о близости тока i_о к сумме безнулевых токов в месте повреждения, и чтобы оценить соотношения энергий, необходимо привлечь взаимозависимости между напряжениями. Нагляднее всего они проявляются при металлическом коротком замыкании, когда в месте замыкания

U_Bf 0 U_Cf 0;

U_o= U_Af/3, (28)

U_Bf" U_o; U_Cf" U_o; (29)

U_Af" 2 U_o (30)

Если обозначить через U_fn напряжения предшествующего (доаварийного) режима в месте будущего повреждения, то учитывая, что

U_f U_fn + U_fp U_f" + U_o U_fn +

+ U_fp" + U_o, (31)

находим из выражений (29), (30) для аварийных слагаемых напряжений в месте повреждения

U_Afp" 2U_o U_Afn; (32)

U_Bfp" U_o U_Bfn;

U_Cfp" -U_o U_Cfn. (33)

Векторная диаграмма фиг. 3 иллюстрирует соотношения (28)-(33) в предложении, что все величины синусоидальны. Исходным является фазное напряжение U_A в месте повреждения. Напряжение нулевой последовательности Uo определяется соотношением (28), а безнулевая слагаемая U_A"=U_A U_o как следствие. Противоположность знаков напряжений U_o и U_Ap" следует из соотношения между токами (24). Напряжения U_Ap U_Ap" + U_o и U_An U_A U_Ap определяются тоже как следствие. Если доаварийный режим симметричен, что величина U_An определяет напряжения двух других фаз: U_Bn и U_Cn, после чего из выражения (33) определятся их безнулевые аварийные слагаемые. Результат убеждает в том, что безнулевые аварийные слагаемые напряжений поврежденных фаз U_Bp" и U_Cp" смещены относительно напряжения нулевой последовательности на углы, меньшие 90^о, т.е. интервалы совпадения величин U_Bp" и U_o, как и U_Сp" и U_o1, продолжительнее интервалов несовпадения. Отсюда вытекают соотношения между энергиями, относящимися к поврежденным фазам:

sign = sign ;

sign sign ;

<0; <0 > ; >

Итоговый результат заключается в том, что энергии аварийного режима несут необходимую информацию о поврежденных фазах: при междуфазных замыканиях об этом свидетельствуют условия (22), (23), а при замыканиях на землю условия (19), (20) (однофазное замыкание) и (27), (34) (двухфазное).

Обнаруженные закономерности и составляют содержание способа, реализуемого операциями, наиболее существенные из которых отражены структурной схемой по фиг. 4. В схему не включены блоки, осуществляющие предварительную обработку входных величин: фильтры аварийных слагаемых, выделяющие компоненты U_p и i_p, и вычитатели для определения безнулевых составляющих U_p" и i_p". Предполагается, что эти величины определены и подаются на входы умножителей 9-14. Выходные сигналы умножителей 9-11 пропорциональны мгновенным мощностям безнулевых аварийных слагаемых P_p" U_p" i_p", а выходные сигналы умножителей 12-14 мощностями аварийных слагаемых P_p. Таким образом, блоки 12-14 реализуют операции (3). Умножитель 15 определяет мощность нулевой последовательности P_o U_o i_o. Сигналы, пропорциональные мощностям, подаются на входы интеграторов 16-22, преобразующих их в энергии. Интеграторы 16-18 формируют энергии _p", интеграторы 19-21 энергии _p и интегратор 22 энергию _o.

Пусковой орган 33 запускается в начальной стадии короткого замыкания, фиксируя момент t=0. Запуск осуществляется по уровню аварийных слагаемых и (или) слагаемых нулевой последовательности. Интеграторы 16-22 включаются только по сигналу пускового органа, реализуя тем самым операции интегрирования с начального момента времени. Так, интеграторы 19-21 реализуют операцию (4). Третьи разностные энергии выделяются вычитателями 23-25, действующими в соответствии с определением (12).

Остальные операции связаны с контролем знаков и уровней сигналов, пропорциональных энергиям _p", и сравнением уровней энергий _p" и _p. Предполагается, что пороговые элементы 26-28 не только определяют знаки энергий, но и фиксируют их соответствие заданным порогам низкому положительному _min, низкому отрицательному _min и высокому отрицательному _max. Проверяются следующие три условия

_p"<_min (35)

_p"<-_min (36)

_p"<-_max. (37)

Отдельно взятый пороговый элемент срабатывает при выполнении условия (35), но взаимосвязи между элементами 26-28 таковы, что могут заблокировать работу друг друга, допуская одновременное срабатывание только в тех случаях, когда условие (36) и тем более (37) выполняется во всех трех фазах либо условие (36) в одной фазе не выполняется, но выполняется условие (35), а в двух других фазах выполняется самое жесткое условие (37). При этом поданы все три сигнала на входы элемента И 29, который, срабатывая, создает сигнал о повреждении данного фидера при всех видах замыканий, в том числе и междуфазных, когда один из сигналов _p" имеет низкий уровень, но зато два других высокий. Таким образом, при междуфазных замыканиях информация о поврежденных фазах выявляется пороговыми элементами 26-28 и может быть получена непосредственно от тех элементов, которые обнаружили выполнение условия (37).

Блоки 30-32 сравнения имеют отношение к выявлению поврежденных фаз при замыканиях на землю. Согласно соотношениям (19), (20), (27), (34) сигналы _p поврежденных фаз превышают по уровню сигналы _p", а в неповрежденных фазах наблюдается противоположная закономерность. Условие срабатывания каждой из трех схем 30-32 имеет вид _p|>|_p"| следовательно, срабатывание какого-либо блока свидетельствует о повреждении соответствующей фазы фидера при условии одновременного срабатывания элемента И 29, так как срабатывание схем 30-32 само по себе еще не означает, что поврежден именно контролируемый фидер.

Совокупность операций, составляющих предлагаемый способ, обеспечивает селективный выбор поврежденного фидера и его поврежденных фаз при всех видах коротких замыканий в сетях с любым режимом нейтрали.