СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫЯВИТЕЛЬНОГО ПРИЗНАКА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ПРИ ПЕРЕГРУЗКЕ, КАЧАНИИ И АСИНХРОННОМ РЕЖИМЕ В ЭНЕРГОСИСТЕМЕ
METHOD FOR ACQUISITION OF DETECTING CRITERION OF SHORT CIRCUIT ON POWER TRANSMISSION LINE IN CASE OF OVERLOAD, OSCILLATION AND ASYNCHRONOUS MODE IN POWER SYSTEM

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способам и устройствам, которые при возникновении короткого замыкания (КЗ) обеспечивают правильное функционирование некоторых типов релейной защиты и противоаварийной автоматики, например дистанционной защиты при КЗ на линии электропередачи в режиме перегрузки, синхронного качания или в режиме асинхронного хода в энергосистеме, а свободные переходные процессы при КЗ имеют апериодический затухающий характер из-за преобладания в системе пассивных элементов активно-индуктивного характера.
Близкими по технической сущности предлагаемому изобретению являются способы и на их основе устройства предотвращения неправильных действий релейной защиты при перегрузках, качании и асинхронном режиме (устройство блокировки при качаниях - УБК) и использующие в качестве выявительного признака о возникновении КЗ появление тока обратной последовательности в фазных токах трехфазной системы напряжений или скорости приращения тока обратной последовательности. В отдельных случаях учитывается появляющийся при некоторых видах КЗ ток нулевой последовательности. Предполагается, что симметричному трехфазному КЗ предшествует несимметричное двухфазное КЗ, а правильное функционирование релейной защиты при допустимой несимметрии в системе электроснабжения в эксплуатационном режиме, при качании или асинхронном режиме обеспечивают соответствующим выбором параметра срабатывания реагирующего органа УБК [Барзам А.Б. Системная автоматика. Изд. 3-е, перераб. М.: Энергия, 1973. С.137-150.].
Способу по прототипу и УБК на его основе свойственны недостатки, в конечном итоге, снижающие чувствительность выявления возникновения КЗ, так как параметры срабатывания реагирующего органа УБК отстраивают: от тока обратной последовательности в условиях работы системы с допустимой электрической несимметрией; от небалансов, возникающих при качании и асинхронном режиме вследствие возможного значительного различия частот генерирующих источников в энергосистеме; от небалансов, обусловленных как отклонением от гармонической формы первичных токов в системе электроснабжения, так и форм токов во вторичных цепях трансформаторов тока, к которым подключено УБК; из-за проявляемой нелинейности трансформаторами тока в некоторых режимах их работы; из-за необходимости учитывать погрешности трансформаторов тока. Функционирующее на основе выявления электрической несимметрии в системе электроснабжения УБК имеет ограничение в применении при наличии мощных несимметричных потребителей электрической энергии, например однофазных; имеется вероятность в отказе работы УБК при одновременной работе контактов коммутационного аппарата, подающего напряжение на линию электропередачи с неубранной трехфазной закороткой; возможна некорректная работа входящего в структуру УБК фильтра соответствующей последовательности в условиях переходных процессов в системе электроснабжения при возникновении в ней КЗ [Фабрикант В.Л. Дистанционные защиты: Учеб. пособие для вузов. - М.: Высш. школа, 1978. С.189-208; Шнеерсон Э.М. Цифровая релейная защита. - М.: Энергоатомиздат, 2007. С.388-395].
Известно изобретение [Патент №2331154 (RU), МПК H03D 1/00, Н03С 1/00. Способ обработки электрического сигнала [Текст] / Мамаев B.A. (RU); заявитель и патентообладатель Северо-Кавказский государственный технический университет (RU). - № 20051124408/09; заявл. 01.08.2005; опубл. 10.08.2008. Бюл. № 22], согласно которому электрический сигнал, состоящий из двух составляющих, одна из которых является суммой гармоник, суммируют с дополнительным гармоническим сигналом, частота которого намного больше частоты входящей в сумму гармоник первой по номеру гармоники, возводят суммарный сигнал во вторую положительную степень и из полученного электрического сигнала выделяют электрический синусоидальный сигнал с частотой гармонического сигнала и по наличию этого сигнала идентифицируют в обрабатываемом электрическом сигнале его другую составляющую, которая является или апериодическим сигналом переходного процесса или постоянной составляющей.
Известна заявка на изобретение [Мамаев В.А. Способ обработки электрического сигнала. № 2008107783, заявл. 28.02.2008], в которой предложен способ повышения точности идентификации апериодического сигнала по известному изобретению [Патент № 2331154 (RU)].
Технический результат, достигаемый при использовании предлагаемого изобретения, заключается в способе получения выявительного признака о возникновении КЗ, например, на линии электропередачи при перегрузках, качании и асинхронном режиме в энергосистеме и состоит в повышении технического уровня синтезируемого на его основе УБК релейной защиты за счет повышения чувствительности к появлению короткого замыкания в результате исключения необходимости выполнения каких-либо отстроек его функционирования от небалансов при перегрузке линии, качании и асинхронном режиме в энергосистеме, а также в обеспечении надежного выявления трехфазного КЗ на линии электропередачи, в том числе при одновременном замыкании контактов коммутационного аппарата, например, при ошибочной подаче напряжения на линию электропередачи с установленной на ней трехфазной закороткой.
Указанный технический результат достигается тем, что предлагаемый способ получения выявительного признака о возникновении КЗ при качании и асинхронном режиме или режиме перегрузки основан на фиксации факта появления апериодической составляющей в специально сформированном электрическом сигнале при условии наличия апериодической составляющей хотя бы в одном из фазных токов трехфазной линии электропередачи при переходном процессе после возникновения КЗ, и по способу получения выявительного признака о возникновении КЗ не требуется выполнение каких-либо отстроек, свойственных способу по прототипу и устройству на его основе.
вх.кз
∑.ап.кз
вх
вых
вх.кз
вых.кз
m.ап
Отличительная особенность способа получения выявительного признака по предлагаемому изобретению заключается в том, что из мгновенных значений токов фаз линии электропередачи по определенному правилу формируют аналоговый электрический сигнал, например, некоторого входного напряжения u(t), в структуре которого при возникновении любого вида КЗ на линии электропередачи появляется свободная составляющая u(t) переходного процесса, которую используют в качестве выявительного признака о возникновении КЗ на линии электропередачи, причем его наличие можно идентифицировать, например, с помощью селективного устройства, синтезированного по известному способу обработки электрического сигнала [Патент № 2331154 (RU)], при этом селективное устройство имеет один вход и один выход, причем на его вход подают сформированный по определенному правилу аналоговый электрический сигнал u(t), который при переходном процессе, сопровождающем возникновение КЗ, содержит апериодическую составляющую, а на выходе селективного устройства в этих условиях формируется выходной аналоговый сигнал u(t) в виде затухающего синусоидального сигнала, связанного с наличием выявительного признака в виде апериодической составляющей, появляющейся только при КЗ во входном сигнале u(t), и по наличию этой составляющей делают заключение о возникновении любого вида КЗ на линии электропередачи в условиях перегрузки, качания и асинхронного режима в энергосистеме, при этом при идеальном функционировании селективного устройства идентификации апериодической составляющей по известному способу обработки электрического сигнала выходной аналоговый сигнал u(t) имеет затухающую амплитуду U(t) со структурой
вых.кз
а сам выходной аналоговый сигнал u(t) изменяется по затухающему синусоидальному закону
m.доп
доп
m.ап
где U и ƒ - амплитуда и частота дополнительного гармонического сигнала, используемого в известном изобретении, причем затухающая амплитуда U(t) содержит в своей структуре выявительный признак о возникновении КЗ на линии электропередачи.
a.кз
b.кз
c.кз
вх.кз
А.кз
B.кз
C.кз
Теоретической основой предлагаемого способа является получение при КЗ на линии электропередачи из трех напряжений u(t), u(t) и u(t) входного аналогового электрического сигнала u, причем каждое из трех напряжений при КЗ пропорционально соответствующему первичному мгновенному значению i(t), i(t) и i(t) фазного тока короткого замыкания:
и, в общем случае, каждый из токов фаз в условиях переходного процесса состоит из апериодической составляющей и принужденной составляющей, т.е.
вх.кз
∑.ап.кз
∑.пр.кз
и путем суммирования этих трех напряжений получают входной аналоговый электрический сигнал u(t), в общем случае состоящий из суммы двух электрических сигналов, первый из которых является суммарным апериодическим сигналом u(t), а второй является суммарным принужденным сигналом u(t), т.е.
1
2
3
вх.кз
∑.ап.кз
1
2
3
при этом в общем случае значения постоянных коэффициентов k, k и k в выражениях (4) могут быть различные, но в конечном итоге такими, чтобы при любом виде КЗ обеспечивалось присутствие во входном сигнале u(t), апериодической составляющей u(t), несущей информацию о возникновении переходного процесса при КЗ, в частности это имеет место, например, при равенстве всех трех коэффициентов по модулю, но среди которых, по крайней мере, один положителен, например k=k, а два других могут быть или отрицательными, например k=k=-k, или один из этих двух положительный, а другой отрицательный.
вх.кз
Из полученного согласно предлагаемому изобретению входного аналогового электрического сигнала u(t) поданного на вход селективного идентификатора апериодической составляющей, реализованного по известному способу идентификации апериодического сигнала, выделяют выходной синусоидальный затухающий по закону апериодической функции электрический сигнал, имеющий при возникновении КЗ на линии в условиях переходного процесса структуру, соответствующую выражению (2), и по наличию этого выходного сигнала делают вывод о присутствии выявительного признака, связанного с возникновением любого вида короткого замыкания на линии электропередачи в условиях перегрузки, качания и асинхронном режиме в энергосистеме.
∑.ап.кз
вх.кз
вых
∑.ап.кз
вх.кз
Отличительной особенностью предлагаемого способа получения выявительного признака о КЗ является то, что, например, при междуфазном КЗ в системе трехфазного напряжения хотя бы в одном из фазных токов переходного процесса будет присутствовать апериодическая составляющая переходного процесса, так как моменту возникновения КЗ предшествует, например, трехфазный режим работы линии электропередачи с нагрузкой, и когда до возникновения, например, двухфазного КЗ по крайней мере в одной из поврежденных фаз линии до момента КЗ имелось не равное нулю мгновенное значение тока, которое и определит начальные условия протекания апериодического тока свободного процесса после возникновения КЗ и позволит согласно способу сформировать выявительный признак о возникновении КЗ в виде апериодической составляющей u(t), входящей в структуру напряжения u(t) (5), и присутствие которого проявляется в появлении на выходе идентификатора затухающего синусоидального электрического сигнала u(t), который можно рассматривать как некоторый информационный сигнал, появление которого возможно только при наличии выявительного признака в виде апериодического сигнала u(t) в сигнале u(t).
При определенных условиях предложенный способ может быть использован и при формировании выявительного признака о КЗ по наличию апериодических составляющих в фазных и линейных напряжениях трехфазной системы напряжений. Способ может быть использован как в системе с заземленной нейтралью, так и в системе с изолированной нейтралью.
На фиг.1а приведена простейшая электрическая система при двухфазном КЗ на линии связи W, состоящая из:
E
Е
А
Б
А
Б
А
Б
А
А
Б
Б
- двух трехфазных синусоидальных источников энергии  и с заземленными нейтралями и с разными, но постоянными частотами ƒ и ƒ, причем принято ƒ>ƒ, имеющие внутренние параметры - активные сопротивления и индуктивности соответственно R, L и R, L;
w
w,
- трехфазной линии электропередачи W с параметрами R и L выполняющей функцию электрической связи между источниками энергии.
кз(А)
кз(Б)
А
Б
E
Е
На линии W показано двухфазное КЗ между фазами А и В и условные направления токов i и i к месту КЗ со стороны соответственно источников  и .
1
2
3
1
2
3
A.кз
B.кз
С.кз
a.кз
b.кз
с.кз
вх.кз
вых.кз
вх.кз
вых.кз
На этой же фигуре показана возможная структура устройства блокировки от качаний 1, фиксирующая процессы при КЗ на отходящей от шин А линии W. На входы соответствующих линейных преобразователей 2, 3 и 4 соответственно с постоянными коэффициентами передачи k, k и k, например с коэффициентами передачи k=k, k=-k и k=-k, поданы вторичные токи i(t), i(t) и i(t) от трансформаторов тока 5 соответствующих фаз А, В и С линии W. Напряжения u(t), u(t) и u(t) с соответствующих выходов преобразователей 2, 3 и 4 поступают на соответствующие три входа трехвходового сумматора 6, на выходе которого формируется входное напряжение u(t), которое при КЗ имеет структуру согласно выражению (5). Это напряжение поступает на вход идентификатора 7 апериодической составляющей устройства, функционирующего согласно известному изобретению, на выходе которого при КЗ на линии электропередачи W получают электрический сигнал в виде затухающего синусоидального сигнала u(t) со структурой согласно выражению (2). Наличие этого напряжения свидетельствует о появлении выявительного признака в напряжении u(t) (см. (5)), что свидетельствует о возникновения КЗ на линии, а факт появления напряжения u(t) может быть использован в алгоритме работы, например, релейной защиты линии электропередачи W для принятия мер по обеспечению правильного функционирования защиты в условиях перегрузки, качания и асинхронном режиме при КЗ.
Е
E
А
Б
S
На фиг.1б показано возможное изменяющееся взаимное положение векторов ЭДС  и  при качании (изменение угла δ(t)), а на фиг.1в - изменяющееся взаимное положение этих векторов при асинхронном режиме, когда один из этих векторов относительно другого перемещается в частном случае, с постоянным скольжением ω:
S
Б
А
Б
А
E
Е
т.е. скольжение ω определяется разностью частот Δƒ=ƒ-ƒ соответственно ЭДС  и .
Е
E
А
Б
А
Б
Приведенные на фиг.2 графики мгновенных значений электрических величин являются результатом компьютерного моделирования процессов в описанной выше простейшей энергосистеме с заземленной нейтралью, состоящей из двух трехфазных источников ЭДС  и  с разными частотами ƒ и ƒ (фиг.1а) при имитации в условиях асинхронного режима возникновения самоустраняющегося двухфазного КЗ между фазами А и В на трехфазной линии электропередачи W, связывающей эти источники электрической энергии, причем для регистрации появления выявительного признака о возникновении КЗ на линии электропередачи использовалась компьютерная модель идентификатора 7 апериодической составляющей, при этом в основе синтеза этой модели использован известный способ обработки электрического сигнала [Патент № 2331154 (RU)].
На фиг.2 приведены:
A
B
C
А
Б
А
S
2
A.кз
B.кз
С.кз
2
Е
- изменения мгновенных значений токов i(t), i(t) и i(t) соответственно в фазах А, В и С линии электропередачи, текущих со стороны источника , в условиях асинхронного режима (ƒ> ƒ) при постоянном скольжении ω=const до возникновения КЗ, на интервале времени существования КЗ (интервал времени 0 - t), а именно токи i(t), i(t) и i(t) после самоустранения КЗ (при t>t);
вх
1
вх.кз
∑.ап.кз
- графики мгновенных электрических величин, иллюстрирующие изменение входного напряжения u(t) до возникновения КЗ, на интервале существования КЗ и после самоликвидации КЗ, которое на интервале времени 0 - t существования переходного процесса после возникновения КЗ становится равным u(t) со структурой согласно выражению (5), при этом оно содержит апериодическую составляющую u(t), присутствие которой является признаком возникновения любого вида КЗ на линии электропередачи W.
вых.кз
доп
доп
A
доп
B
вых.кз
1
А
кз(А)
Е
На этой же фигуре приведен график изменения затухающего синусоидального сигнала u(t) с частотой ƒ и появляющегося на выходе идентификатора 7 (фиг.1а) апериодической составляющей, выполненного по известному способу обработки электрического сигнала, причем ƒ>>ƒ и f>>f. Время существования электрического сигнала u(t) (интервал времени 0 - t на фиг.2) связано с продолжительностью протекания переходного процесса в короткозамкнутом контуре, определяемом двухфазным КЗ между фазами А и В и питаемым со стороны источником  (фиг.1а, токи i).
вых.кз
А
вых.кз
A.кз
B.кз
вых.кз
∑.ап.кз
вых.кз
вх.кз
Из приведенной на фиг.2 зависимости для u(t) следует, что на интервале времени, примерно соответствующем полутора колебаниям с частотой f, огибающая напряжения u(t) не отражает достоверно апериодический процесс протекания свободных затухающих составляющих, входящих в структуру токов i(t) и i(t), но факт появления электрического сигнала u(t), функционально связанного с наличием апериодической составляющей u(t) в структуре электрического сигнала по (5), может быть использован в качестве выявительного признака короткого замыкания на линии электропередачи при перегрузке, качании и асинхронном режиме в энергосистеме. Отмеченная выше недостоверность отражения апериодического процесса через огибающую напряжения u(t) на начальном интервале времени появления этого напряжения объясняется наличием переходного процесса в идентификаторе 7 апериодической составляющей, с помощью которого регистрируют факт наличия выявительного признака о КЗ в сигнале u(t).
Предлагаемый способ получения выявительного признака о коротком замыкании на линии электропередачи при перегрузках, качании и асинхронном режиме в энергосистеме может быть реализован с использованием известных способов и приемов обработки аналоговых электрических сигналов, используемых в электронике и технике построения измерительных органов релейной защиты.