Способ определения места короткого замыкания на многоцепной с грозозащитными тросами трехфазной воздушной линии электропередачи с распределенными параметрами
METHOD OF DETERMINING THE SHORT CIRCUIT SPOT ON MULTI-CHAIN WITH EARTH-WIRES, GROUNDED AT ANCHOR SUPPORTS, THREE-PHASE ELECTRIC TRANSMISSION AIR-LINE WITH DISTRIBUTED PARAMETERS

Предлагаемое изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для определения места короткого замыкания на длинных многоцепных воздушных линиях электропередачи с распределенными параметрами напряжением 220 кВ и выше на основе измерения параметров аварийного режима с двух концов линии.
Изобретение относится к приоритетному направлению развития науки и технологий «Технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления тепла и электроэнергии» [Алфавитно-предметный указатель к Международной патентной классификации по приоритетным направлениям развития науки и технологий / Ю.Г. Смирнов, Е.В. Скиданова, С.А. Краснов. - М.: ПАТЕНТ, 2008. - с. 97], так как решает проблему уменьшения времени задержек при транспортировке электроэнергии потребителям в случае повреждения электрических сетей.
Известен способ определения места короткого замыкания по измерениям параметров аварийного режима с одного (и с другого) концов линии, в котором измеряют реактивную составляющую сопротивления поврежденной фазы [Разработка и исследование защиты линий электропередач с фиксацией места повреждения, Новочеркасский политехнический институт, г. Новочеркасск, 1969].
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются измерение фазных токов и напряжений в момент короткого замыкания на линии на одном конце линии, определение по соотношению параметров линии и измеренных с одного конца мнимых составляющих комплексных величин расстояния до места короткого замыкания. Аналогично по соотношению измеренных величин с другого конца определяют расстояние до места короткого замыкания с другого конца.
Данный метод, использующий только реактивную составляющую отношения измеренного напряжения к измеренному току, позволяет уменьшить влияние переходного сопротивления в месте повреждения. Однако точность во многом зависит от величины переходного сопротивления и величины подпитывающего тока противоположного конца линии тому, на котором производятся измерения. Кроме того, данный метод не учитывает емкость линии на землю и различие сопротивлений фазных проводов линии.
Хорошо известен способ, использующийся в устройствах релейной защиты некоторых западных производителей - компенсационный метод [Висящев А.Н. Приборы и методы определения места повреждения на линиях электропередачи: Учебное пособие. - Иркутск: Издательство ИрГТУ, 2001, ч. 1]. Данный способ использует параметры аварийного и предаварийного режимов, полученные с одного конца линии.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются измерение фазных токов и напряжений в момент короткого замыкания на линии на одном конце линии, определение по соотношению измеренных с одного конца величин расстояния до места короткого замыкания. Аналогично по соотношению измеренных величин с другого конца определяют расстояние до места короткого замыкания со второго конца.
Основная особенность способа - это возможность учета влияния питания с противоположного конца линии, а также исключение погрешности от переходного сопротивления в месте короткого замыкания. Для реализации этого метода требуется полная модель сети, т.е. программы расчета установившихся и аварийных режимов сети. Кроме того, требуется произвести предварительные измерения тока нагрузки, которые сохраняют и используют для компенсации погрешности от влияния нагрузки. Данный метод, также как предыдущий, не учитывает емкость линии на землю и различие сопротивлений фазных проводов линии.
Известен способ [Аржанников Е.А., Чухин A.M. Методы и приборы определения места короткого замыкания на линиях: Учебное пособие/ Ивановский государственный энергетический университет, г. Иваново, 1998 - 74 с.], в основу которого заложено предположение о том, что сопротивление в месте короткого замыкания имеет чисто активный характер, и как следствие, реактивная мощность в месте повреждения равна нулю. Критерием короткого замыкания является равенство нулю реактивной мощности в месте повреждения, для определения которой используются мнимая часть системы из трех произведений комплекса напряжения и сопряженного тока в месте повреждения в системе симметричных или фазных координат. Метод реализуется следующим образом, сначала фиксируют момент повреждения, измеряют в начале и в конце линии напряжения и токи первой гармоники в доаварийном и аварийном режимах. Полученные величины токов и напряжений передают на противоположный конец линии, где определяют ток в месте короткого замыкания, как сумму токов на концах линии. Затем, меняя расстояние от нуля до величины, равной длине линии, находят для каждой точки линии с определенным шагом напряжение, как разность между напряжением в конце линии и падением напряжения до предполагаемой точки повреждения. Для каждой из точек через произведение комплекса напряжения и сопряженного комплексного тока в месте повреждения находят полную мощность, мнимая часть от которой равна реактивной мощности в предполагаемом месте короткого замыкания. Точка, в которой реактивная мощность окажется минимальной и будет являться местом повреждения. Такой расчет проводится либо для всех трех фаз линии, либо для всех трех последовательностей симметричных составляющих, что позволяет повысить точность процедуры определения места повреждения.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются измерение фазных токов и напряжений в момент короткого замыкания на линии на одном конце линии, определение по соотношению измеренных с одного конца величин и параметров линии расстояния до места короткого замыкания. Аналогично по соотношению измеренных величин с другого конца определяют расстояние до места короткого замыкания с другого конца.
Недостатком способа является необходимость использования только мнимых составляющих расчетных величин. Также указанный способ, как и другие, ранее указанные способы определения места короткого замыкания, обладает таким существенным недостатком, как неучет емкости линии на землю и неучет различия сопротивлений фазных проводов линии.
Указанные недостатки могут приводить к значительной погрешности в определении места короткого замыкания из-за неполного учета параметров линии, из-за неучета емкостных параметров линии.
Известен способ определения места повреждения на воздушных линиях электропередачи [патент RU 2426998], в котором повышение точности определения места повреждения осуществляется за счет учета поперечных емкостей и волновых процессов на линиях электропередачи. Результат достигается за счет введения в схему замещения линии электропередачи (модель линии) на стадии получения расчетных выражений поперечных емкостей и использования телеграфных уравнений для описания воздушной линии электропередачи для симметричных составляющих.
В ранее предлагаемых методах определения места повреждения поперечные емкости не вводили в схему замещения по причине сложности получения расчетных выражений из-за увеличения контуров в модели линии. Такое допущение может приводить к существенной погрешности, особенно на линиях электропередачи большой протяженности и высокого напряжения.
В этом способе используют телеграфные уравнения, полученные для однофазной линии электропередачи, для описания модели трехфазной линии электропередачи. Составление системы дифференциальных уравнений для трехфазной линии электропередачи в соответствии с теорией волновых процессов - задача громоздкая и для практики малоприменимая. Составление системы дифференциальных уравнений для однофазной линии электропередачи требует в значительной степени меньше трудозатрат и позволяет получить телеграфные уравнения, учитывающие волновые процессы на однофазной линии. Телеграфные уравнения, полученные для однофазной линии электропередачи, недопустимо использовать для трехфазной линии электропередачи, т.к. все три фазы связаны и влияют друг на друга. Однако телеграфные уравнения, полученные для однофазной линии, можно применить по отдельности к прямой, обратной и нулевой последовательностям линии электропередачи.
Предложенный в этом способе подход позволяет учесть волновые процессы на линиях электропередачи, чем повышает точность определения места повреждения, и в то же время дает возможность практической реализации метода, благодаря отсутствию громоздких вычислений и сложных математических преобразований, что было бы неизбежно, если бы для учета волновых процессов использовалось полное описание трехфазной линии электропередачи системой дифференциальных уравнений.
Недостатком этого способа является неучет пофазного различия параметров линии, неучет междуфазных емкостей линии.
Указанный недостаток может приводить к погрешности в определении места повреждения из-за усреднения величин сопротивлений линии.
Известен способ определения места повреждения на воздушных линиях электропередачи [патент RU 2033623], принятый за прототип, с использованием моделей входящих в нее линий электропередачи. В этом способе предполагается, что система наблюдается со всех сторон. Если система содержит одну линию, то получится двухстороннее наблюдение. В данном способе модель повреждения может быть более сложной, включая в себя как продольные, так поперечные и элементы. Способ складывается из характерных операций. Напряжения и токи, наблюдаемые на границах сети, преобразуются в комплексы основных гармоник. Далее на модели сети, составленной применительно к месту предполагаемого повреждения, преобразуют напряжения и токи, подводимые с соответствующей стороны к избранному месту предполагаемого повреждения. Эти напряжения и токи, полученные в ходе преобразования, составляют первую группу электрических величин места предполагаемого повреждения. Аналогичным образом поступают с другим концом линии, получая в результате вторую группу электрических величин, подводимых к месту предполагаемого повреждения с другой стороны. Затем первую и вторую группы электрических величин преобразуют в величины, характеризующие собственно повреждение, и из множества мест предполагаемого повреждения выбирают, руководствуясь критерием резистивности, место реального повреждения.
Указанному способу присущи следующие недостатки:
1. Необходимость синхронизации наблюдений на разных сторонах электрической сети.
2. Привязка к определенной модели повреждения и, соответственно, к трехфазной системе проводов. Между тем, актуальна проблема распознавания многопроводных повреждений, например, в двухцепных передачах с грозозащитными тросами - это восьмипроводные системы. Кроме того, получают распространение конструкции передач разных классов напряжений, когда ради экономии отчуждаемой земли разнородные линии размещаются на общих опорах. Здесь повреждение может охватывать не только восемь, но и большее число проводов.
3. Неоправданно узкая интерпретация условий повреждения электропередачи только в виде критерия резистивности, подразумевающего построение модели повреждения из чисто резистивных элементов.
Указанные недостатки могут приводить к погрешности в определении места короткого замыкания из-за неполного учета параметров линии и принятой резистивной модели повреждения.
Изобретение направлено на решение задачи по созданию технологий, позволяющих повысить эффективность электроснабжения.
Технический результат изобретения заключается в повышении точности определении места короткого замыкания за счет полного учета продольных и поперечных параметров многопроводной линии электропередачи с тросами при использовании не синхронизированных измерений по концам линии.
Технический результат достигается за счет того, что в способе определения места короткого замыкания на многоцепной с грозозащитными тросами трехфазной воздушной линии электропередачи с распределенными параметрами по замерам с двух ее концов, соединяющей две питающие системы, в котором измеряют с двух концов линии (' - один конец линии, ʺ - другой конец линии) не синхронизированные по углам комплексные фазные токи цепей и напряжения фаз цепей основной частоты в момент короткого замыкания, расчетным путем определяют значение расстояния до места короткого замыкания, согласно изобретения предварительно формируют модель линии в виде значений продольных и поперечных параметров М участков i-j схемы замещения N-цепной линии с тросами в трехфазном виде:
где:  - значения собственных и взаимных продольных сопротивлений фаз (k = А, В, С) и тросов (Т = T1, Т2) цепей участка i-j схемы замещения N-цепной линии (n=1÷N), Ом;
- значения собственных и взаимных поперечных емкостных проводимостей фаз (k = А, В, С) и тросов (Т = Т1, Т2) участка i-j схемы замещения N-цепной линии (n=1÷N), Сим.
В соответствии со значением n формируют размерность матриц сопротивлений и проводимостей.
Значения собственных и взаимных сопротивлений определяются по общеизвестным выражениям (например, Ульянов С.А. Электромагнитные переходные процессы в энергетических системах, изд-во Энергия, 1970 г., с 293, 294):
Значения емкостных проводимостей фаз на «землю» и взаимных емкостных проводимостей между фаз определяются по общеизвестным выражениям (например, Висящев А.Н. Приборы и методы определения места повреждения на линиях электропередачи, Иркутск, уч. пособие, изд-во ИрГТУ, 2001 г., с. 27-29).
Далее после получения значений измеренных фазных напряжений цепей и тросов на шинах и токов цепей и тросов с двух концов линии (' и ʺ) задают поочередно точки j в конце каждого участка вдоль схемы замещения многоцепной с тросами линии, формируют и сохраняют для двух концов линии (' и ʺ) значения комплексных фазных напряжений цепей и тросов в каждой j-ой точке по выражениям:
где:
- значения комплексных фазных напряжений и напряжений тросов (k = А, В, С, Т1, Т2) в каждой i-ой точке N-цепной линии (n=1÷N), для I = 1 значения напряжений на шинах с одного конца линии, В;
- сформированные значения комплексных фазных напряжений и напряжений тросов (k = А, В, С, Т1, Т2) в каждой j-ой точке N-цепной линии (n=1÷N), с одного конца линии, В;
- значения комплексных фазных напряжений и напряжений тросов (k = А, В, С, Т1, Т2) в каждой i-ой точке N-цепной линии (n=1÷N), для i=1 значения напряжений на шинах с другого конца линии, В;
- сформированные значения комплексных фазных напряжений и напряжений тросов (k = А, В, С, Т1, Т2) в каждой j-ой точке N-цепной линии (n=1÷N), с другого конца линии, В;
- значения комплексных фазных токов и токов в тросах (k = А, В, С, Т1, Т2) в начале участка i-j с одного конца N-цепной линии (n=1÷N), для i=1 значения комплексных фазных токов, измеренных с одного конца линии, для i>l значения комплексных фазных токов в конце предыдущего участка, с одного конца линии, А;
- значения комплексных фазных токов и токов в тросах (k = А, В, С, Т1, Т2) в начале участка i-j с другого конца N-цепной линии (n=1÷N), для i=1 значения комплексных фазных токов, измеренных с другого конца линии, для i>1 значения комплексных фазных токов в конце предыдущего участка, с другого конца линии, А;
- значения собственных и взаимных продольных сопротивлений и тросов фаз (k = А, В, С, Т1, Т2 - считаем, что два троса на каждую цепь) цепей участка i-j схемы замещения N-цепной линии (n=1÷N), с одного конца линии, Ом;
- значения собственных и взаимных поперечных емкостных проводимостей фаз и тросов (k = А, В, С, T1, Т2) половины участка i-j схемы замещения N-цепной линии (n=1÷N), с одного конца линии, Сим;
- значения собственных и взаимных продольных сопротивлений фаз и тросов (k = А, В, С, T1, Т2) - считаем, что два троса на каждую цепь) цепей участка i-j схемы замещения N-цепной линии (n=1÷N), с другого конца линии, Ом;
- значения собственных и взаимных поперечных емкостных проводимостей фаз и тросов (k = А, В, С, T1, Т2) половины участка i-j схемы замещения N-цепной линии (n=1÷N), с другого конца линии, Сим.
Формируют значения фазных токов в конце каждого участка линии по выражениям:
где:
- сформированные значения комплексных фазных токов и токов в тросах (k = А, В, С, Т1, Т2) в конце участка i-j с одного конца N-цепной линии (n=1÷N), А;
- сформированные значения комплексных фазных токов и токов в тросах (k = А, В, С, Т1, Т2) в конце участка i-j с другого конца N-цепной линии (n=1÷N), А;
Далее из сохраненных значений комплексных фазных напряжений цепей  и  выделяют модули, по которым строят графики с двумя осями зависимости модулей фазных напряжений от номера участка (от расстояния от своего конца линии). Точка пересечения графиков соответствует точке короткого замыкания. Фаза цепи, в которой напряжение в точке пересечения графиков минимальное считается поврежденной. Дополнительно выделяют аргументы фазных напряжений, по которым также строят графики с двумя осями.
Для 2-х фазных замыканий находят линейные напряжения как разницу фазных напряжений, по которым также строят графики с двумя осями зависимости модулей линейных напряжений от номера участка (от расстояния от своего конца линии).
Таким образом предлагаемое изобретение имеет следующие общие признаки с прототипом:
1) Предварительное формирование расчетной модели линии;
2) Измерение с двух сторон линии фазных токов и напряжений в момент замыкания на линии;
3) Расчет контролируемого параметра по данным модели сети и измеренным токам и напряжениям.
Предлагаемое изобретение имеет следующие отличия от прототипа, что обуславливает соответствие технического решения критерию новизна:
1) Схему замещения многоцепной линии с тросами составляют в трехфазном виде, что позволяет наиболее полно учесть физические параметры линии (взаимоиндукцию между проводами фаз линии, междуфазную емкость и емкость на землю);
2) Схема замещения линий составляется из участков линии, что позволяет учесть различие в параметрах линий (транспозиция, различный тип опор, грозозащитный трос, и т.п.) на каждом участке.
3) По измеренным токам и напряжениям и параметрам схемы замещения линии рассчитывают контролируемый параметр - значения комплексных фазных напряжений, из которых выделяются модули, по которым строятся графики с двумя осями зависимости модулей напряжений от расстояния. Точка пересечения графиков соответствует точке короткого замыкания.
Из уровня техники неизвестны отличительные существенные признаки заявляемых способов, охарактеризованных в формуле изобретения, что подтверждает ее соответствие условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Способ реализуют следующим образом.
На предварительной стадии формируют полную модель многоцепной с тросами длинной линии, в трехфазном виде с учетом взаимоиндуктивных и емкостных связей между проводами линий.
При возникновении короткого замыкания измеряют и регистрируют значения комплексных фазных напряжений на шинах и фазных токов в линии. Измеряют и регистрируют значения комплексных напряжений тросов на шинах и токов в тросах линии.
Далее разбивают модель линии на равные участки, например от опоры до опоры, формируют поочередно напряжения в конце каждого участка в каждой фазе и тросе, начиная от шин с одного и другого концов линии, формируют при этом токи в конце каждого участка в каждой фазе и тросе, выделяют модули фазных напряжений в конце каждого участка, начиная от шин с одного и другого концов линии. По модулям напряжений строят графики с осями с двух сторон зависимости модулей напряжений от номера участка (от расстояния от своего конца линии). Точка пересечения графиков с одного и другого концов линии соответствует точке короткого замыкания.
Предложенный способ также позволяет определять место короткого замыкания при других видах замыкания: двухфазном, двухфазном на землю, трехфазном, позволяет учесть транспозицию линии. При этом не нужно выполнять синхронизацию замеров по концам линии.
Если измерения токов и напряжений для тросов отсутствуют, а тросы заземлены по концам, то следует задать их значения по концам линии нулевыми, а далее определять напряжения и токи в конце каждого i-j-того участка по общим правилам. Или же исключить из уравнений сопротивления и проводимости, касающиеся тросов. Однако при этом возникнет небольшая погрешность в определении места короткого замыкания.
Определение места повреждения, выполненное по предложенной методике, показало в расчетных экспериментах также полное отсутствие методической погрешности при наличии переходного сопротивления от 1 до 50 Ом и при изменениях нагрузочного режима в широких диапазонах.
Таким образом, использование полной модели линий в трехфазном виде и измеренных значений фазных и тросов токов и напряжений позволяет получить более точную модель, чем достигается более точное определение расстояния до места повреждения.