УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ ПРИ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЯХ НА ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Область техники.
Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована на электроподстанциях для определения места повреждения (ОМП) при коротких замыканиях (КЗ) на высоковольтных линиях электропередачи переменного тока, соединяющих электроподстанции и снабженных фазными датчиками тока и напряжения по концам линии.
Уровень техники. Известно устройство для ОМП на ВЛ переменного тока классов 110-750 кВ - фиксирующий индикатор ИМФ-3С [1]. На фиг.1 изображена структурная схема известного устройства. Устройство содержит входной блок (БВ) 1, который подключается к датчикам (трансформаторам) тока и напряжения соответствующих фаз А, В, С линии переменного тока. Сигналы с выхода БВ поступают на вход мультиплексора (МП) 2 и от МП подаются на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 3. Блок индикации (БИ) 4 отображает информацию в буквенно-цифровом виде. С помощью БИ вводят заданные уставки и режимы работы устройства. Блок ввода и вывода информации (БВВ) 5 обеспечивает прием сигналов от контактов выключателя линии и выдачу сигналов о работе устройства на внешнюю сигнализацию.
Управление устройством осуществляет микропроцессорный контроллер (ПРЦ) 6, содержащий постоянное (ПЗУ) 7 и оперативное (ОЗУ) 8 запоминающие устройства, таймер 9 и контроллер 10 прерываний сигналов. Для хранения значений уставок используется энергонезависимая память (ЭНП) 11. Последовательный интерфейс (ПИ) 12 обеспечивает возможность подключения устройства к компьютеру и соединен с буфером 13. Блок питания (БП) 14 выдает напряжения, необходимые для элементов устройства.
Устройством обеспечивается фиксация входных величин за время от 50 мс до 200 мс (регулируется уставкой с шагом 10 мс).
Время фиксации аварийных процессов отсчитывается от момента запуска, который происходит при выполнении любого из условий:
0
2
3
где I, I,I - модули фазного тока нулевой, обратной и прямой последовательностей линии соответственно;
ном
I - номинальное значение тока трансформаторов тока линии;
П1
П2
П3
K, K и K - коэффициенты запуска для однофазных, двухфазных и трехфазных к.з соответственно.
Расчет расстояния до места междуфазного КЗ вычисляется по формуле
0
где L - расчетное расстояние, км;
1уд
X - удельное реактивное сопротивление линии прямой последовательности. Ом/км, введенное как уставка;
U - напряжение, подводимое к устройству. В;
φ - угол между током и напряжением, подводимыми к устройству;
Т
К - коэффициент, определяемый по формуле
ТН
ТТ
где К, К - коэффициенты трансформации измерительных трансформаторов напряжения и тока линии электропередачи соответственно;
ном
ном
U, I - из ряда напряжений и токов в соответствии с данными, введенными как уставки.
Расчет расстояния до места однофазного КЗ выполняется по формуле
0уд
где X - удельное реактивное сопротивление нулевой последовательности, Ом/км.
Средняя относительная погрешность определения расстояния до места повреждения не превышает 5% при значении тока не менее номинального, угле между током и напряжением (φ) от 45° до 90° и расстоянии до места повреждения более 20 км. При меньшем расстоянии погрешность не превышает 1 км.
Исходя из технических характеристик устройства ИМФ-3С, можно отметить следующие его недостатки:
1. Сравнительно низкая точность (5%). Для ВЛ длиной, например, 400 км - погрешность в ОМП может составить 20 км.
2. Зависимость гарантируемой точности от фазового сдвига φ между током и напряжением (от 45° до 90°).
п
Уменьшение фазового угла сдвига между током и напряжением и увеличение погрешности известного устройства ОМП связано с увеличением переходного сопротивления в месте КЗ (R), величина которого неизвестна и не может быть определена односторонними измерениями (со стороны одной из подстанций) токов и напряжений линии.
Раскрытие полезной модели.
п
п
Техническим результатом полезной модели является повышение точности определения места повреждения (снижение погрешности) и обеспечение независимости результата от фазового угла между током и напряжением, что достигается путем использования результатов измерений токов и напряжений по обоим концам ВЛ с синхронизацией этих измерений с помощью GPS, получение величины переходного сопротивления (R) и вычисления длины короткозамкнутого участка с учетом R.
Предметом полезной модели является устройство для определения места повреждения при коротких замыканиях на линии электропередачи переменного тока, которое содержит входной блок, на входы которого подают сигналы фазных токов и напряжений, выходы которого соединены с входами мультиплексора, сигналы с которого подаются на аналого-цифровой преобразователь, микропроцессорный контроллер, на вход которого подаются сигналы с выхода аналого-цифрового преобразователя, блок индикации и блок ввода, входы которых соединены с выходами контроллера, последовательный интерфейс и энергонезависимую память, на вход которых подаются сигналы с соответствующих выходов контроллера, буфер, на вход которого подаются сигналы с выхода последовательного интерфейса, блок питания, а также блок связи с подстанцией противоположного конца линии переменного тока и блок синхронизации времени GPS, выходы которых присоединены к общей шине данных.
Осуществление полезной модели.
Как отмечено в [2] при решении задачи одностороннего ОМП (т.е. определении расстояния до места КЗ по фиксированным токам и напряжениям с одного конца ВЛ) неизбежно возникает ошибка из-за неизвестной величины переходного сопротивления в месте КЗ, а также неизвестного тока КЗ противоположной ПС.
Это поясняется рисунком, который изображен на фиг.2 для однофазного КЗ на землю на линии, соединяющей две подстанции (ПС1 и ПС2).
Для схемы фиг.2 справедливы уравнения:
1
где U - напряжение, измеренное на ПС1, для которой определяют расстояние до места повреждения;
1
I - ток, измеренный на ПС1;
2
I - ток, измеренный на ПС2;
п
R - переходное сопротивление;
x
Z - сопротивление короткозамкнутого участка ВЛ, которое равно:
0
0
где R, X - погонные активное и индуктивное сопротивление ВЛ (Ом/км);
x
l - длина короткозамкнутого участка.
При этом  из (10) обуславливает принципиальную погрешность.
п
В случае применения одностороннего метода ОМП (как в прототипе) нет информации о токе , а переходное сопротивление R неизвестно и, практически, не бывает нулевым.
п
x
п
Таким образом, требуется определить два принципиально важных параметра -  и R, чтобы найти более точное решение для Z и провести последующий пересчет для искомой длины короткозамкнутого участка ВЛ в зависимости от полученных после вычислений величин R, φ.
Для осуществления заявленного технического результата в структурную схему известного устройства ОМП добавлены блок 15 связи с подстанцией противоположного конца линии переменного тока, на которой установлено аналогичное устройство ОМП, и блок 16 синхронизации времени (GPS), изображенные на фиг.3.
Таким образом, при КЗ на линии устройствами ОМП, установленными на обеих ПС, производится запись аварийных токов и напряжений и в дальнейшем осуществляется обмен записанной информацией о сигналах между устройствами ОМП по сети Интернет.
п
x
После получения информации от устройства ОМП противоположной ПС алгоритм обработки сигналов устройства использует следующие формулы для расчета величины переходного сопротивления R и расстояния до места повреждения l:
0
где R - погонное активное сопротивление линии, Ом/км;
з
Z - полный импеданс эквивалента земли;
1ф
1ф
U, I, cosφ - напряжение, ток и косинус угла между ними в поврежденной фазе ВЛ;
1л
U - линейное напряжение, В;
1ф
I - фазный ток, А;
1
φ - угол между линейным напряжением и фазным током
1л
I - линейный ток, А;
2
φ - угол между линейным напряжением и линейным током;
x - отношение искомого расстояния к длине всей линии.
Для однофазного КЗ:
Для двухфазного КЗ:
Для трехфазного КЗ на землю:
Алгоритмы работы предлагаемого устройства ОМП были опробованы на цифровой модели ВЛ 330 кВ, 200 км.
При однофазном коротком замыкании фазы А на землю на расстоянии 30 км от ПС1 кривые аварийных токов и напряжений имеют вид фиг.4-7.
Если бы расстояние до места повреждения определялось без учета переходного сопротивления с использованием одностороннего метода ОМП для прибора, установленного на ПС1, то согласно (6):
Погрешность в этом случае составила бы δ=12,3% от длины короткозамкнутого участка.
п
п
Расчет переходного сопротивления при наличии информации со второго конца ВЛ по (12) дает: R=15,2 Ом. Расчет расстояния до места повреждения односторонним методом с учетом R дает результат:
.
Погрешность в этом случае составит δ=3,3% от длины короткозамкнутого участка, что доказывает существенное уменьшение погрешности результата ОМП в предлагаемом устройстве.
Источники информации
1. Применение и техническое обслуживание микропроцессорных устройств на электростанциях и в электросетях. Часть 1. Фиксирующие индикаторы для определения мест повреждений на воздушных линиях электропередачи / Под ред. Б.А.Алексеева. - М.: Изд. НЦЭНАС, 2001.
2. Беляков Ю.С. Актуальные вопросы определения мест повреждения воздушных линий электропередачи. ФГОУ ДПО «ПЭИПК», Санкт-Петербург, 2008.