СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ НА ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ПО СПЕКТРУ ПЕРЕХОДНОГО ПРОЦЕССА
METHOD TO DETERMINE AREA OF DAMAGE IN POWER TRANSMISSION LINES IN SPECTRUM OF TRANSIENT PROCESS

Изобретение относится к электротехнике и электроэнергетике и может быть использовано в устройствах защиты для определения дальности до места повреждения в трехфазных распределительных сетях среднего класса напряжений с изолированной, компенсированной или заземленной через резистор нейтралью.
Известен способ определения места и характера повреждения линии электропередачи с использованием ее моделей, который заключается в том, что выделяют напряжения и токи основных гармоник, подают напряжения основных гармоник на входы моделей, измеряют токи на указанных входах и сравнивают их с выделенными токами, подключают к каждой модели комплексную нагрузку в месте предполагаемого повреждения, устанавливают активные и реактивные проводимости комплексных нагрузок такими, чтобы токи основных гармоник на входах моделей и выделенных токов линии совпали, определяют углы комплексных нагрузок, выбирают нагрузку с нулевым углом и принимают, что место и характер повреждения соответствуют месту подключения указанной нагрузки и величинам ее активных проводимостей (Патент РФ №RU 2033622, МПК G01R 31/11, Н02Н 3/28, 20.04.1995).
Известен способ определения места повреждения на воздушных линиях электропередачи», взятый за прототип, который заключается в том, что по измеренным фазным токам и напряжениям в момент короткого замыкания и току нагрузки в предаварийном режиме при помощи телеграфных уравнений получают приближенное расстояние до места повреждения. Далее посредством итерационного процесса, меняя переходное сопротивление в месте повреждения, учитывая поперечные емкости линии, волновые процессы и критерий того. что мнимая часть расстояния до места повреждения стремится к нулю. уточняют расстояние до места повреждения (Патент РФ №RU 2426998, МПК G01R 31/08, 20.11.2009).
Недостатки обоих способов связаны с тем, что для определения места повреждения используются напряжения и токи, связанные с промышленной частотой 50 Гц. Рабочие частоты данного метода малы, что приводит к малой точности данного метода. Кроме того, основными характеристиками модели являются сопротивления линии электропередачи, и переходное сопротивление места повреждения. При этом величина переходного сопротивления места повреждения не известна, и она является источником погрешностей. Кроме того, измерительные трансформаторы промышленной частоты 50 Гц имеют большие угловые погрешности (угловые погрешности порядка 60° для ТТНП типа ТЗЛМ и ТЗРЛ), что также является источником погрешности.
Задачей изобретения является повышение точности определения места повреждения на коротких линиях электропередачи в сетях среднего напряжения.
Технический результат достигается тем, что в способе определения места повреждения на коротких линиях электропередачи в сетях среднего напряжения по спектру переходного процесса путем одностороннего измерения в начале линии напряжений и токов доаварийного и аварийного режимов, согласно заявляемому изобретению, из спектра сигналов аварийного режима выделяют сигналы переходного процесса, которые вызваны возникновением повреждения, выделяют характерные частоты стоячей волны переходного процесса, при этом для однофазных замыканий на землю, двухфазных, трехфазных коротких замыканий определяют расстояние L от начала линии до места повреждения по формуле L=C/4*F, где С - скорость распространения электромагнитной волны по линии электропередачи, F - частота стоячей волны переходного процесса, причем данная стоячая волна располагается на участке от начала линии до места повреждения.
При этом для однофазных замыканий на землю дополнительно определяют расстояние L1 от конца линии до места повреждения по формуле L1=C/2*F1, где F1 - частота стоячей волны переходного процесса, при этом данная стоячая волна располагается на участке от конца линии до места повреждения.
Таким образом, в качестве исходных сигналов в предлагаемом способе используют сигналы переходного процесса, которые возникают при повреждении, при пробое изоляции на линии электропередачи.
При повреждении линии электропередачи, скорость возникновения дугового высоковольтного разряда в месте повреждения весьма высока, обычно указывают величину времени возникновения τ<100 нс. Благодаря весьма крутому фронту изменения напряжения в месте повреждения, генерируются высокие частоты переходных процессов F<(1/τ)~10 МГц. Частоты переходных процессов значительно больше промышленной частоты 50 Гц. Это, во-первых, повышает точность определения места повреждения в предлагаемом способе. Во-вторых, большая разность частот переходных процессов F<10 МГц и промышленной частоты 50 Гц позволяет достаточно легко выделить сигналы переходных процессов на фоне промышленной частоты 50 Гц. В третьих, крутой фронт изменения напряжения в месте повреждения приводит к генерации широкого непрерывного спектра частот переходного процесса, начиная с частот F~10 МГц и ниже.
При возникновении повреждения, однофазного замыкания на землю (ОЗЗ), двух-, трех- фазных коротких замыканий, в точке повреждения образуется провал, резкое изменение напряжения 1 (фиг.1) вдоль линии электропередачи с дальностью 2, и от места (точки) повреждения 3 в обе стороны распространяется фронт волны 4 измененного напряжения 4.
На коротких линиях, на которых затухание волны 4 переходного процесса мало, происходят многократные отражения от концов линии 5 (фиг.2) и места (точки) повреждения 3, благодаря чему образуется стоячая волна. При этом возможны два варианта стоячей волны: четвертьволновая 6 стоячая волна (когда на длине L отрезка 3-5 укладывается четверть длины волны λ стоячей волны) и полуволновая 7 стоячая волна (когда на длине L отрезка 3-5 укладывается половина длины волны λ стоячей волны).
В начале линии 8 проводятся измерения напряжений и токов до аварийного и аварийного режимов, и выделяют из спектра сигналов аварийного режима сигналы переходного процесса.
Для примера на фиг.3 показана форма переходного процесса при ОЗЗ и измерении напряжения нулевой последовательности 3 Uo в начале линии (ось Y, по оси Х - время), для отрезков линий (четвертьволновая 6 стоячая волна) длиной 2 км и отрезка (полуволновая 7 стоячая волна) длиной 16 км (моделирование в программе MatLab, используя библиотеку Simulink, компоненты SimPowerSystems). На фиг.3 амплитуда сигнала 3Uo образована суммой двух затухающих синусоид: с большей амплитудой и большей частотой - сигнал стоячей волны, которая располагается от начала линии до повреждения (четвертьволновая 6 стоячая волна на фиг.2), с меньшей амплитудой и значительно меньшей частотой - сигнал стоячей волны от конца линии до места повреждения, которая накладывается (суммируется) на большую частоту и синусоидально смещает ее по вертикали (полуволновая 7 стоячая волна на фиг.2).
Для дальности L до места повреждения в пределах (0,1-10) км частота стоячей волны 6 для четвертьволновых колебаний будет равна: F=C/4*L, где F - частота, L - длина отрезка от начала линии до места повреждения, С - скорость света (цифра 4 как раз связана с четвертьволновой стоячей волной). Соответственно получим рабочий диапазон частот F=(750-7,5) кГц. С учетом коэффициента укорочения частоты будут несколько меньше. Для полуволновых колебаний 7 формула для частоты стоячей волны изменится: F=C/2*L, где L - длина отрезка от места повреждения до конца линии (цифра 2 как раз связана с полуволновой стоячей волной).
Порядок определения места повреждения в предлагаемом способе выглядит следующим образом:
- В начале линии проводятся измерения напряжений и токов до аварийного и аварийного режимов.
- Определяется спектр переходных процессов.
- Определяются один (для двухфазных, трехфазных коротких замыканий) или два (для ОЗЗ) максимума на спектре переходных процессов, определяется частота F максимума спектра (и еще один максимум F1 при ОЗЗ).
- Из частоты F определяется расстояние до места повреждения L=C/4*F. Для ОЗЗ дополнительно определяется длина L1 для полуволнового отрезка L1=C/2*F1, L+L1=Lл где: Lл - общая длина линии.
Перечислим основные свойства предлагаемого способа:
1. В сетях среднего напряжения, для коротких линий, на которых затухание волны переходного процесса мало, возможно определение места повреждения предлагаемым способом.
2. Возможно определение места повреждения для всех типов повреждений: ОЗЗ, двухфазных, трехфазных коротких замыканий.
3. При ОЗЗ в спектре сигналов переходного процесса наблюдаются сигналы с отрезка до повреждения, и сигналы с отрезка после повреждения, что позволяет дополнительно повысить точность определения места повреждения (поскольку определяются длины двух отрезков). При этом амплитуды сигналов отрезка до повреждения больше, чем амплитуды сигналов отрезка после повреждения, поскольку место повреждения пропускает только часть сигнала.
4. Для двухфазных, трехфазных коротких замыканий наблюдаются частоты стоячей волны только отрезка от начала линии до места повреждения.
5. Амплитуды сигналов переходных процессов достаточно велики, поскольку переходный процесс образуется при замыкании высокого (6/10/35 кВ) напряжения.
6. При обнаружении повреждений в кабельных линиях применяют прожиг кабеля высоким напряжением (пробой поврежденного участка, имеющего высокое переходное сопротивление), при этом также возможно определение дальности до места повреждения предлагаемым способом.