СПОСОБ БЫСТРОГО ТРЕХФАЗНОГО ПОВТОРНОГО ВКЛЮЧЕНИЯ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧ С КОМПЕНСАЦИЕЙ ПОСРЕДСТВОМ ШУНТИРУЮЩЕГО РЕАКТОРА
METHOD FOR FAST THREE-PHASE RECLOSURE OF TRANSMISSION LINES WITH COMPENSATION BY SHUNT REACTOR

Область техники, к которой относится изобретение
Физическим явлением, которое служит причиной коммутационных перенапряжений в линии передач (ЛП), является распространение электромагнитных волн вдоль этих линий. Отрицательные воздействия, вызываемые этими перенапряжениями, можно значительно уменьшить, управляя размыканием и замыканием контактов автоматических выключателей (АВ) таким образом, чтобы эта операция выполнялась в заранее заданные оптимальные моменты времени с использованием электрических сигналов напряжения между контактами автоматических выключателей в качестве опорных.
Чтобы проиллюстрировать область техники, к которой относится изобретение, на ФИГ.1 в качестве примера показана однолинейная схема электроэнергетической системы, которая включает эквивалентную электроэнергетическую систему, представленную идеальный источником 1, линией передачи 2, устройством компенсации реактивной мощности 3 и автоматическим выключателем 4.
В приведенной в качестве примера системе используется номинальное напряжение 500 кВ и частота основной гармоники 60 Гц. Линия передачи обеспечивает перенос энергии по трем фазам, обозначенным как фаза А, фаза В и фаза С.
Моделируемый АВ 4 получает три независимых команды, каждая из которых связана с одной из фаз. Выключатель прерывает ток между электрической системой 1 и линией 2.
Шунтирующие реакторы 3 предназначены для поглощения части реактивной емкостной мощности, генерируемой линиями передачи, работающими без нагрузки или при малой нагрузке.
Автоматический выключатель 4 разъединяет электрическую систему 1 и линию передачи 2, когда контакты (полюса) трех фаз разомкнуты. Спустя некоторое время контакты трех фаз повторно замыкаются. В момент повторного замыкания происходят внезапные изменения линейного напряжения сети, вызывающие появление напряжений, превышающих нормальные значения, которые исчезают после нескольких периодов основной частоты (переходные перенапряжения). Эти перенапряжения распространяются вдоль линий электрической системы. Трехфазное повторное включение линий передачи - это операция, которая очень часто выполняется в сети и может вызвать чрезвычайно высокие переходные перенапряжения.
Традиционный способ снижения до минимума коммутационных перенапряжений, генерируемых при трехфазном повторном включении, предусматривает использование предвключаемых резисторов таким образом, что при повторном включении ЛП вспомогательный контакт первоначально подключает предвкпючаемый резистор последовательно с ЛП. Благодаря подключению резистора напряжение, которое было бы приложено к линии, делится между линией и резистором, при этом переходные перенапряжения, зависящие от напряжения, приложенного к линии, значительно снижаются. Спустя небольшой промежуток времени главный контакт АВ линии передачи замыкается, закорачивая резистор, при этом напряжение прикладывается к линии полностью. Несмотря на свою эффективность, это решение имеет недостаток, состоящий в том, что оно требует высоких затратах на реализацию и техническое обслуживание.
Отрицательные воздействия, вызываемые коммутационными перенапряжениями, можно значительно уменьшить, управляя замыканием контактов АВ таким образом, чтобы эта операция выполнялась в заранее заданные оптимальные моменты времени с использованием пороговых значений напряжения между контактами выключателя.
При трехфазном повторном включении контакты выключателя должны быть замкнуты, когда напряжение между ними минимально. Этот момент времени изменяется в соответствии с конфигурацией сети и может быть определен с помощью алгоритма, зависящего от сигналов напряжения, измеряемого между контактами АВ. При реализации этого решения используется то обстоятельство, что волна напряжения между контактами АВ имеет колебательную форму (биения) благодаря взаимодействию между поперечной полной проводимостью линии и индуктивностью шунтирующего реактора. Таким образом, существует участок волны напряжения, оптимальный для повторного включения автоматического выключателя, соответствующий участку, на котором амплитуда биения напряжения минимальна.
Уровень техники
В настоящее время для управления перенапряжениями при трехфазном повторном включении линий передачи, как правило, применяется предвключаемый резистор, однако этот способ, хотя и является эффективным, помимо высоких совокупных затрат на производство и обслуживание выключателя отличается низкой надежностью.
В публикации научных трудов IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers, Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике) о передаче электроэнергии, 1994 г. «Управляемое включение линий передач с компенсацией посредством шунтирующего реактора. Часть I. Разработка устройства управления включением» описано устройство управления, которое определяет первый участок минимальной амплитуды биений и посылает команду включения автоматического выключателя в следующем аналогичном участке.
Согласно этому способу сначала получают сигналы напряжения со стороны линии и со стороны подачи питания. Эти сигналы контролируются в некотором временном интервале (обычно равном периоду основной частоты), обеспечивая получение первого набора данных. Эти данные сохраняют, затем получают новый набор данных. Оба набора сравнивают между собой. Если эти два набора данных не равны, получают третий набор, и так далее. Когда оказывается, что два набора данных идентичны, завершается отсчет периодов сигналов и определяется минимальный участок.
Согласно упомянутому выше способу моменты времени, рассматриваемые в качестве оптимальных для повторного включения, соответствуют переходу напряжения через нуль в периоды низкоамплитудных биений напряжения между контактами АВ. Таким образом, при этом способе сначала определяется предшествующий участок минимальной амплитуды, а затем посылается команда включения АВ на следующем аналогичном участке.
Этот способ является неудачным, поскольку включение произойдет только после первого участка минимальной амплитуды, что влечет за собой более продолжительное время, в течение которого линия выведена из работы. Кроме того, снижение перенапряжения оказывается меньшим, когда включение происходит на последующих участках минимальной амплитуды, что делает технические характеристики, присущие этому способу, аналогичными способу предвключаемого резистора.
В патенте США 5361184 раскрыт адаптивный регулятор последовательного типа для управления автоматическим выключателем или другим коммутационным устройством с целью исключения переходных процессов в распределительной линии, вызванных включением и выключением АВ. Адаптивное устройство компенсирует изменения временной характеристики АВ из-за эффектов старения и влияния окружающей среды. Трансформатор напряжения обеспечивает опорный сигнал, относящийся к переходу кривой напряжения через нуль. Фазовый компаратор сравнивает опорный сигнал с временем возникновения переходного процесса при включении выключателя, генерируя сигнал, который указывает на необходимость адаптивной регулировки. Аналогичным образом, при выключении автоматического выключателя трансформатор тока обеспечивает опорный сигнал, который сравнивается с временным интервалом для определения переходного процесса при выключенном состоянии выключателя. Регулирующее адаптивное устройство выполняет временную компенсацию, которая подвергается надлежащей модификации с учетом изменений характеристики АВ, включая влияние износа и погодных условий. При последующем выключении или включении АВ активируется в момент времени, принятый с соответствующей компенсацией, таким образом, чтобы он включался, когда напряжение переходит через нуль и выключался, когда ток переходит через нуль, сводя к минимуму переходный процесс в линии распределения. Фазный угол может использоваться для управления выключением АВ в зависимости от сигнала, обеспечиваемого трансформатором напряжения.
Аналогичным образом, патент США 5627415 также относится к способу управления перенапряжением, в котором рассматривается первый сигнал напряжения, переходящий через нуль после обнаружения сигнала выключения/включения, и инициируется ряд заранее определенных и привязанных к определенным моментам времени шагов с целью снижения или исключения перенапряжения после выключения/включения выключателя на линии СВН.
Посвященный этому же вопросу, т.е. управлению перенапряжениями в линиях передач, патент США 5629869 описывает интеллектуальный автоматический выключатель или переключающее устройство, которое включает три отдельных автоматизированных модуля, в том числе модуль контроля состояния (МКС) 40, модуль управления выключателем (МУВ) 50 и модуль синхронного управления (МСУ) 60. МКС 40 обеспечивает тщательную диагностику, осуществляя мониторинг ключей, связанных с надежностью автоматического выключателя или переключающего устройства. Онлайн-анализ, выполняемый МКС, обеспечивает информацию, способствующую выполнению технического обслуживания в соответствии с потребностями и идентификацию приближающегося отказа. МУВ 50 представляет собой программируемую систему с самодиагностикой и дистанционной передачей данных. Этот модуль заменяет электромеханические регуляторы обычного типа, традиционно используемые при управлении АВ или переключающими устройствами. МСУ 60 обеспечивает одновременное управление переключающими устройствами с целью выключения и включения автоматических выключателей. Осуществляемые процессы управления сводят к минимуму эффект изменения переходных процессов в системе и износ АВ. Интеллектуальный автоматический выключатель или переключающее устройство улучшают работу системы и техническое обслуживание оборудования.
Раскрытие изобретения
Целью изобретения является предложение способа управления перенапряжениями при повторном включении линий передачи с компенсацией посредством шунтирующего реактора. В основе изобретения лежит способ заблаговременного определения оптимального участка напряжения с целью коммутации автоматического переключателя, позволяющий выполнять включение при первом минимальном напряжении между контактами автоматического переключателя спустя одно биение после защиты с выдержкой мертвого времени. Этот способ позволяет учитывать разброс параметров и диэлектрические характеристики автоматического выключателя во время операции включения, поскольку участок минимального биения больше, чем несколько периодов основной частоты.
Этот способ применяют в цифровом реле для управления быстрым трехфазным повторным включением линий передачи с компенсацией посредством шунтирующего реактора.
Краткое описание чертежей
На ФИГ.1 представлена однолинейная схема электрической системы.
На ФИГ.2 показана кривая напряжения на контактах автоматического выключателя (фазы А, В, С) линии передачи при 90% компенсации с помощью шунтирующего реактора. Кружком отмечен участок биений минимальной амплитуды.
На ФИГ.3 показана блок-схема управляемого повторного включения линий передачи с компенсацией посредством шунтирующего реактора.
На ФИГ.4 показан график кривой напряжения на контактах автоматического выключателя для фазы А.
На ФИГ.5 показан график среднеквадратичного значения напряжения на контактах автоматического выключателя.
На ФИГ.6 показан график, идентифицирующий момент времени, когда происходит выключение автоматического выключателя.
На ФИГ.7 показан график с момента времени нарастания и спада отфильтрованного сигнала после срабатывания автоматического выключателя.
На ФИГ.8 показан график, идентифицирующий первый полупериод.
На ФИГ.9 показан график продолжительности первого полупериода отфильтрованного сигнала.
Осуществление изобретения
В способе согласно изобретению предлагается оптимизировать время трехфазного повторного включения автоматических выключателей для снижения амплитуды перенапряжений. Таким образом, автоматический выключатель может включаться быстрее, сокращая время прерывания передачи электроэнергии.
В настоящем изобретении заблаговременно определяется оптимальный момент времени для коммутации АВ с помощью операции трехфазного повторного включения, что позволяет включать АВ при первом биении напряжения после срабатывания схемы защиты с выдержкой мертвого времени. Эта модель позволяет учитывать разброс параметров и диэлектрические характеристики АВ во время операции включения, поскольку участок биений напряжения с минимальной амплитудой больше, чем один период основной частоты.
Процедура, выполняемая с помощью описанного способа, обеспечивает большую надежность определения предыдущего периода биений напряжения независимо от перехода кривой напряжения через нуль. Кроме того, эта процедура оставляет больше времени для работы АВ после обнаружения минимального участка, когда впереди еще остается несколько периодов основной частоты.
Основное преимущество использования разработанного способа состоит в значительном снижении уровней перенапряжений при выполнении операции повторного включения по сравнению с другими методиками благодаря включению автоматического выключателя на первом минимуме биений напряжения. Описанный способ должен быть закодирован в цифровом реле для трехфазного повторного включения линий передачи с введением новой адаптивной процедуры трехфазного повторного включения в код цифровых реле, которые прежде выполняли повторное включение линии исходя из мертвого времени, работая совместно с предвключаемым резистором. Описанный способ приведет к созданию нового цифрового реле.
После возникновения неисправности в линии передачи схема защиты отключает три фазы, изолируя неисправный участок линии. Поскольку большинство неисправностей, воздействующих на линии передачи, не являются постоянными, спустя заранее заданный промежуток времени схема защиты повторно включит отключенный участок линии, чтобы гарантировать непрерывность электроснабжения.
Когда АВ отключает линию, работающую без нагрузки, емкостный ток прерывается при переходе через нуль в каждой фазе. Когда это происходит, значение напряжения линии будет максимальным, оставляя на линии захваченный заряд, который не будет одинаковым для всех фаз. На этом первом этапе прерывания напряжение может достигать 1,3 о.е., и, если захваченный заряд не будет отведен трансформатором или реактором, линия останется заряженной в течение длительного времени.
Если линия повторно включается до отвода захваченного заряда, а полюса автоматического выключателя замкнуты, когда напряжение системы имеет полярность, противоположную линейному напряжению, перенапряжение переходного процесса может быть очень высоким.
При отсутствии заземленного оборудования захваченный заряд в линии, работающей без нагрузки, спадает очень медленно, что обусловлено климатическими условиями и происходит за счет перетекания заряда на гирлянды изоляторов. Таким образом, линия остается заряженной практически максимальным напряжением в течение длительного времени после прерывания тока, причем это время составляет от 2 до 5 минут для полного разряда линии и может достигать 15 минут в очень сухих условиях. Если повторное включение линии происходит при этих условиях, перенапряжения на приемном конце линии способны достигать очень высоких значений, что может вызвать негативные последствия, такие как сокращение срока службы оборудования, ухудшение качества электроэнергии, поставляемой системой электроснабжения, и наложение эксплуатационных ограничений, не позволяющее осуществлять некоторые операции.
В случае линии с компенсацией реактивной мощности при помощи шунтирующего реактора степень компенсации оказывает значительное воздействие на кривую напряжения между полюсами АВ. Вследствие тока, формируемого поперечной полной проводимостью линии и индуктивностью реакторов, напряжение между полюсами автоматического выключателя при повторном включении характеризуется колебательной формой (биениями). Эти биения возникают, потому что напряжения на каждом полюсе имеют различные частоты, конкретно, промышленная частота системы на одной стороне автоматического выключателя и собственная частота оборудования с компенсируемой мощностью и поперечной полной проводимостью линии на другой стороне автоматического выключателя.
Период биений зависит от степени компенсации линии. Отвод захваченного линией заряда вызывает со временем уменьшение амплитуды напряжения. Этот отвод является функцией добротности компенсирующего шунтирующего реактора. В результате максимальная амплитуда биений напряжения стремится возрасти, тогда как минимальная амплитуда биений напряжения стремится снизиться со временем. Исходя из этих условий, оптимальным участком повторного включения АВ будет первый минимум напряжения на участке биений между полюсами автоматического выключателя, как показано на ФИГ.2 красным кружком, где выделен первый участок минимальных биений.
В способе быстрого трехфазного повторного включения линий передачи с компенсацией посредством шунтирующего реактора полюса АВ замыкаются при первом минимальном напряжении на участке биений между полюсами автоматического выключателя. Для достижения этой цели был реализован подробно описанный ниже алгоритм, который заблаговременно определяет оптимальные моменты времени для повторного включения.
Реализация и оценка данного способа были осуществлены с помощью инструмента моделирования PSCAD/EMTDC (Power Systems Computer Aided Design/ElectroMagnetic Transients including DC, компьютерное моделирование электроэнергетических систем/электромагнитные переходные процессы, включая постоянные токи). Язык CSMF (Continuous System Model Functions, функции моделирования непрерывных систем) инструмента PSCAD используется для реализации синхронизирующих последовательностей операций коммутации, которые позволили осуществлять динамическое взаимодействие с самим PSCAD в пределах интервала времени выполнения последовательности. Это сделало возможным моделирование управления коммутирующих устройств, необходимое для разработки способа.
Последовательность CSMF обеспечивает более гибкое моделирование, благодаря которому состояние электроэнергетической системы можно динамически модифицировать в процессе моделирования при помощи программ (или моделей), включенных в эти последовательности.
Разработанный алгоритм реализации способа управляемого включения линий передачи при трехфазном повторном включении подробно показан с помощью блок-схемы, изображенной на ФИГ.3. Ниже приведены пояснения к этой схеме.
- Напряжения электроэнергетической системы постоянно контролируются трансформаторами напряжения (ТН). В целях моделирования в этом способе осуществляется манипуляция фактическими напряжениями системы, но для реализации на защитном оборудовании (реле) будут использоваться уменьшенные величины, преобразованные со помощью ТН. Кроме того, хотя система является трехфазной, алгоритм требует наличия напряжения только одной фазы, которая посылает сигнал для управления трехфазным повторным включением.
- С помощью вольтметра, входящего в состав PSCAD, измеряется напряжение со стороны системы и напряжение со стороны линии. Таким образом, можно определить форму кривой напряжения на разомкнутых контактах АВ (ФИГ.4).
- Используя цифровую обработку, можно получить среднеквадратичное значение напряжения на полюсах автоматического выключателя (ФИГ.5), что выполняется в PSCAD при помощи заранее заданной функции. После этого сигнал обрабатывается электронным фильтром.
- Вслед за этим берется отсчет отфильтрованного сигнала при помощи компаратора, входящего в состав инструмента PSCAD, который сравнивает уровни двух входных сигналов, что позволяет определить момент выключения автоматического выключателя (ФИГ.6).
- Затем определяются моменты подъема и спада отфильтрованного сигнала после выключения автоматического выключателя (ФИГ.7).
- Генерируется сигнал, имеющий единичное значение в течение первого полупериода и отрицательное значение после первого полупериода (ФИГ.8).
- Получив эти результаты, можно вычислить продолжительность первого полупериода отфильтрованного сигнала (ФИГ.9).
- Наконец, значение полупериода удваивается для получения продолжительности периода биений.
После размыкания контактов автоматического выключателя время повторного включения необходимо скорректировать по наибольшему значению, которым может составлять 60с. В тот момент времени, когда заканчивается логический сигнал определения полупериода, посылается команда замены времени повторного включения полученным периодом биений. Определение оптимального времени включения достигается, когда впереди остается еще несколько периодов промышленной частоты, что делает возможной дополнительную регулировку, если это необходимо в связи с разбросом параметров полюсов и диэлектрическими характеристиками автоматического выключателя. Оптимальный участок для трехфазного повторного включения состоит из нескольких периодов основной частоты, поэтому в предлагаемом способе имеется длительный промежуток времени для выполнения поправок и регулировок в случае необходимости.
Изобретение не ограничивается данным вариантом осуществления, при этом специалистам понятно, что в него могут быть внесены различные изменения, касающиеся формы и деталей, без выхода за пределы существа и объема изобретения, которое сформулировано так, чтобы способствовать пониманию, и не может быть реализовано без отступления от описанной идеи изобретения. Ограничительные признаки изобретения изложены в формуле.