способ дистанционной защиты и определения места замыкания на землю линии электропередачи

Формула изобретения

1. Способ дистанционной защиты и определения места замыкания на землю линии электропередачи с использованием ее моделей, согласно которому выделяют напряжения и токи основных гармоник, подают напряжения на входы моделей, подключают нагрузки в заданных местах моделей, устанавливают нагрузки такими, чтобы токи на входах моделей совпали с выделенными токами линии, определяют сопротивления установленных нагрузок, выбирают из них резистивные, фиксируют места подключения последних и судят по ним о месте и зоне повреждения линии, отличающийся тем, что выполняют раздельно нагрузки для предположительно поврежденных и предположительно неповрежденных фаз и для каждого вида повреждения, сравнивают величины активных сопротивлений резистивных нагрузок предположительно поврежденных фаз с первой уставкой, сравнивают полные сопротивления нагрузок предположительно неповрежденных фаз тех же мест линии со второй уставкой, фиксируют места линии, в которых указанное активное сопротивление уступает первой уставке, а указанное полное сопротивление превосходит вторую уставку, и, если такое место окажется единственным, полагают его местом повреждения линии, если же таких мест окажется более одного, сравнивают их полные сопротивления, определяют место с максимальным полным сопротивлением и полагают его местом повреждения линии, а если таких мест вообще не обнаружится, сравнивают комплексные сопротивления нагрузок на входах моделей с характеристикой срабатывания измерительного органа сопротивления и, если указанный орган срабатывает, принимают, что повреждение имеет место в начале линии.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при идентификации двухфазного замыкания на землю поперечные комплексные нагрузки двух предположительно поврежденных фаз выполняют в виде трехлучевой звезды с одинаковыми фазными лучами, поперечную комплексную нагрузку неповрежденной фазы выполняют в виде отдельного элемента, а сопротивление поврежденных фаз определяют как отношение суммы фазных напряжений к сумме поперечных токов предположительно поврежденных фаз в месте предполагаемого повреждения.

Описание изобретения к патенту

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 подаются на отводы 1; там же контролируются и токи, регулируемые вплоть до совпадения с наблюдаемыми токами Поперечные комплексные нагрузки подключаются к модели в месте предполагаемого повреждения 2 с координатой x_f. Для распознавания однофазных замыканий к каждой фазе модели подключаются одиночные комплексные нагрузки 3-5 - сопротивления V = A,B,C - обозначение фаз. Модели электропередачи составляются для отдельных ее участков и включают в себя подмодели 6-7 участка до и после места предполагаемого повреждения, а также подмоделей 8-10 частей электропередачи; до контролируемого участка 8, после него 9 и обходной части 10, куда входят и все провода, связанные электромагнитным полем с основной линией. Для распознавания двухфазных замыканий на землю к предположительно поврежденным фазам подключается звезда сопротивлений 11-13, а к остающейся фазе - одиночное сопротивление 14.

При распознавании однофазного замыкания операции настройки моделей и определения пофазных поперечных комплексных сопротивлений для разных мест x_f предполагаемого повреждения выполняются в трех блоках 15-17 отдельно для каждой фазы. Каждый блок в свою очередь выполнен с тремя выходами: выходы 18-20 реактивных сопротивлений



выходы 21-23 активных сопротивлений



и выходы 24-26 полных сопротивлений



Выходные сигналы поступают на пороговые элементы 27-29 реактивных сопротивлений, 30-32 активных сопротивлений и 33-35 полных сопротивлений. Первые представляют собой нуль-индикаторы, срабатывающие при переходе реактивного сопротивления через нулевое значение и фиксирующие тем самым координату места повреждения Далее соответствующая операция обозначается как



Вторые пороговые элементы срабатывают при условии, что активное сопротивление не выше уставки



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 V1 - обозначение отстающей и опережающей фазы.

Распознавание двухфазного замыкания на землю проводится в форме проверки предположения о повреждении фаз V1. Проверяются три возможных варианта. Каждому из них соответствует своя операция настройки моделей линии электропередачи, выполняемая блоком 39. Результатом этой операции явятся два комплексных сопротивления: эквивалентное сопротивление предположительно поврежденных фаз



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 V1





и полное сопротивление остающейся неповрежденной фазы v, определяемое операцией (3). Условия срабатывания канала распознавания короткого замыкания фаз V1



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 x_f=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 X_v 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 начало координат и вытянутой вдоль оси вещественных R_v (участки 49, 50).

Причины возникновения труднораспознаваемых ситуаций рассматриваются на примере двухпроводной линии 51. Наблюдение ведется со стороны системы 52; вторая система 53 не наблюдается, т.е. информация о ее состоянии в место наблюдения 54 не передается. Объединяются результаты наблюдения линии в двух режимах величины предшествующего режима (линия не повреждена), величины текущего режима, когда в линии происходит короткое замыкание. Координата истинного замыкания обозначена x_ff в отличие от места предполагаемого повреждения x_f. Замыкание происходит через переходное сопротивление R_f. Представляет интерес еще и разностный, чисто аварийный режим с величинами единственный источник которого действует в месте замыкания; при этом из активных систем 52, 53 устраняются источники и системы становятся пассивными блоками 55, 56.

Труднораспознаваемые ситуации складываются при наблюдении линии с приемной стороны. Поясним существо проблемы, пренебрегая для простоты второстепенными резистивными параметрами электропередачи. Предполагается также очевидным, что при металлическом коротком замыкании в линии без потерь входное сопротивление в месте наблюдения носит чисто реактивный характер





Наблюдаемые величины связаны с напряжением в месте замыкания линейными зависимостями





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

Напряжение в месте будущего повреждения опережало напряжение приемной системы 52 (фиг. 12). При коротком замыкании через переходное сопротивление R_f (фиг. 10) в нем возникает ток и совпадающее с ним по фазе напряжение Вектор этого напряжения при изменении R_f от бесконечности до нуля описывает годограф в форме полуокружности, опирающейся на вектор как на диаметр и обращенной вправо от него. Особая ситуация складывается при совпадении по фазе векторов с вектором и, как следует из (16), также с вектором Именно этот случай и отражен на фиг. 12. Из (17) оказывается, что при этом ток ортогонален четырем предыдущим векторам.

В системе без потерь чисто аварийные токи в любом месте линии совпадают по фазе с током (фиг. 11), а чисто аварийные напряжения ортогональны с ним. Приходим к выводу, что три тока и три напряжения



образуют прямоугольные треугольники с взаимно параллельными катетами и а их гипотенузы образованы величинами предшествующего режима. Независимо от того, в каком месте произошло короткое замыкание, величины текущего режима оказываются в данной ситуации инвариантами, зависящими только от параметров предшествующего режима







^п_S^д = +-,

где комплексные сопротивления замеров в двух режимах и - углы предшествующих напряжения и тока относительно направления напряжения при металлическом коротком замыкании (фиг. 12). Учитывая еще и непосредственную связь между сопротивлениями чисто аварийного и предшествующего режимов





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 R_f^кр, своих для каждого места x_ff. Иначе говоря, в условиях передачи мощности нагрузки от системы 53 к системе 52 в любом месте линии с координатой x_ff может произойти замыкание через такое сопротивление R_f^кр(a_ff), что входное сопротивление линии окажется инвариантной величиной (18);



где K_i - коэффициент передачи по току из места повреждения в место наблюдения первичные параметры линии.

В частном случае при работе линии с системами бесконечной мощности, напряжения которых равны по модулю, и в пренебрежении емкостью C^o



где l -длина линии, - угол передачи.

На плоскости аварийных параметров x_ff и R_f имеется, таким образом, кривая нераспознаваемости коротких замыканий в двухпроводной линии при < 0 (фиг. 13) - геометрическое место аварийных ситуаций, не различимых по результатам наблюдения только этих проводов. Физически данное явление объясняется своеобразным "активным резонансом", когда положительное сопротивление R_f^кр компенсирует отрицательное активное сопротивление передающей стороны линии, противоположной месту наблюдения.

В отличие от трехфазных и междуфазных замыканий при замыканиях на землю проблема распознавания аварийных ситуаций имеет решение благодаря той дополнительной информации, которая может быть получена в этих ситуациях из неповрежденных фаз. На фиг. 14 приведены зависимости различных параметров комплексных нагрузок при однофазном коротком замыкании. Моделировалась конкретная линия 500 кВ "Елец-Новобрянск" протяженностью 313,5 км. Короткое замыкание в фазе А через переходное сопротивление R_ff =20 Ом производилось в месте с координатой x_ff = 300 км. Зависимость реактивного сопротивления комплексной нагрузки поврежденной фазы от места предполагаемого повреждения X_A(x_f) обнаруживает два нуля - в точках 273 км и 300 км. Неточность последнего значения объясняется погрешностями, возникающими при настройке модели электропередачи по заданным напряжениям и токам на ее входах. Не прибегая к информации о состоянии неповрежденных фаз, невозможно определить, в какой из двух точек x_f1, x_f2 произошло замыкание. Дополнительная информация заключается, как показано на фиг. 14, в уровне полного сопротивления комплексной нагрузки неповрежденной фазы B. В ложном нуле x_f1 этот уровень относительно низок и умньшается монотонно, между тем как в истинном нуле x_f2, оно на порядок выше и проходит там через максимум.

Рассмотрим работу дистанционной защиты и определителя места повреждения линии электропередачи, действующих по предлагаемому способу. Предположим, что в контролируемой линии в месте x_ff произошло замыкание фазы А на землю через переходное сопротивление R_f. Задача локации повреждения будет решена, если удастся получить оценки аварийных параметров достаточно близкие к истинным значениям x_ff и R_f.

Напряжения и токи на входе линии будут зафиксированы во всех фазах и двух режимах: предшествующем и текущем: Напряжения подаются на входы 1 модели электропередачи (фиг. 1), после чего с помощью источников подмодели 9 вся модель в целом подстраивается к токам После смены режима на те же входы подаются напряжения К некоторой точке модели линии 2, допустим x_f = 0, подключаются комплексные нагрузки 3-5 и устанавливаются из условия подстройки к токам Данная операция повторяется затем для других точек линии 2, куда нагрузки переводятся из предыдущей точки. Процедура повторяется с заданным шагом x или в иной последовательности, но с таким расчетом, чтобы зависимость приняла очевидный характер. Величины сопротивлений (1)-(3) преобразуются в три сигнала, подвергающиеся дальнейшей обработке. Нуль-индикаторы 27-29 выполняют операцию (4) определения координат тех мест линии, где может иметь место короткое замыкание. Допустим, что зависимость X_v(x_f) носит наиболее простой характер, изменяя свой знак в единственном месте (кривая 45). Тогда операции (5) и (6), совершаемые с остающимися двумя сигналами R_v(x_f) и Z_v(x_f), играют подчиненную роль. Они

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 где l_з - длина защищаемой зоны. Что же касается локатора повреждений, то он выдает информацию о том, что повреждена фаза А в месте и через сопротивление

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 X_A(x_f) и, если никаких иных, корме первого значения не окажется, принять решение о повреждении линии в месте Вместе с тем констатируется, что модель электропередачи определила заниженные оценки сопротивлений поперечных сопротивлений неповрежденных фаз и принимаются меры к повышению степени ее адекватности реальному объекту.

Далее предположим, что случившееся в линии электропередачи короткое замыкание относится к разряду особых, трудно распознаваемых ситуаций. Предположим, что зависимость X_A(x_f) обнаруживает несколько нулей, как на фиг. 7, б, в и на фиг. 14. Тогда условия (19)-(20) выберут из нескольких значений истинное значение Если же встретится случай, когда эти условия выполняются в двух точках то в качестве истинной координаты повреждения будет выбрано то значение, где полное сопротивление неповрежденных фаз максимально



Вследствие погрешностей преобразования входных величин зависимость реактивного сопротивления комплексной нагрузки от координаты места предполагаемого повреждения может сместиться таким образом, что нуль зависимости X_v(x_f) выйдет за начало линии x_f = 0 (фиг. 7,г). В подобной ситуации, возможно, при замыкании в начале линии повреждение определяется по замеру комплексного сопротивления повреждения, предполагаемого в начале линии. Если выбрать характеристику измерительного органа сопротивления в виде кривой, охватывающей начало координат и часть оси вещественных (фиг. 8), то этого будет достаточно для надежного срабатывания при замыкании в начале контролируемой зоны и несрабатывания при замыкании "за спиной". Характеристика обладает тремя уставками: по величине полного сопротивления Z_min и по величинам активного и реактивного сопротивления R_min и X_min. Замер сопротивления при коротком замыкании "за спиной" не может попасть в очерченную зону, так как контролируемая линия в этом случае не повреждена и, следовательно, комплексное сопротивление нагрузки всех фаз в идеальном случае устремляется в бесконечность, а в реальном его модуль на несколько порядков превышает значения уставок характеристики измерительного органа сопротивления комплексной нагрузки в начале линии (фиг. 8).

Таким образом, при всех возможных ситуациях изложенный способ дистанционной защиты и определения места замыкания на землю линии электропередачи действует без методической погрешности. Привлечение дополнительной информации из неповрежденной фазы позволяет избежать ошибки в определении места повреждения даже в наиболее тяжелом случае удаленного замыкания при наблюдении процесса с приемной стороны электропередачи.

Источники информации

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.