СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ВОЗДУШНОЙ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ПО ЗАМЕРАМ С ДВУХ ЕЕ КОНЦОВ (ВАРИАНТЫ)
METHOD FOR DETERMINATION OF SHORT CIRCUIT SPOT ON OVERHEAD POWER TRANSMISSION LINE FROM TWO ENDS THEREOF (VERSIONS)

Предлагаемое изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для определения места короткого замыкания на линиях электропередачи по замерам с двух сторон 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.
Наиболее известны способы определения места повреждения по измерениям с одной стороны линии. Такие способы реализованы в регистрирующих приборах (МФИ-1, МИР-1, ЦРАП [Техническое описание и инструкция по эксплуатации МФИ-1, г.Рига, 1991; Алгоритмы функционирования и опыт эксплуатации микропроцессорных устройств определения повреждения линий электропередачи. Электрические станции №12, 1997].)1 Способы, основанные на односторонних замерах параметров короткого замыкания, предполагают определение падения напряжения на переходном сопротивлении, и точность его определения имеет большое значение. Однако на точность оказывают влияние различны факторы.
Известен способ определения места повреждения по измерениям с одной стороны линии, в котором место повреждения в зависимости от вида короткого замыкания определяют по измеренным значениям фазных токов и напряжений [Способ определения места повреждения на линиях электропередачи, авторское свидетельство №242270, МПК G01R, опубликовано 25.04.1969 г.]. В указанном способе сначала определяют вид короткого замыкания, затем по отношению измеренных значений напряжения и тока определяют полное сопротивление короткозамкнутого контура. Отношение измеренного сопротивления к удельному сопротивлению линии позволяет определить расстояние до места повреждения с одной стороны линии. Аналогично находят расстояние до места повреждения по замерам со второй стороны линии.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками каждого из вариантов заявляемого способа, являются - измерение фазных токов и напряжений в момент короткого замыкания на линии на одном конце линии, определение вида короткого замыкания и 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.
Предложенный способ содержит методическую погрешность, обусловленную частичным учетом переходного сопротивления в месте короткого замыкания. Также точность данного метода значительно зависит от сопротивления нулевой последовательности (для однофазного короткого замыкания), точное значение которого определить достаточно трудно.
Также известен способ определения места повреждения по измерениям параметров аварийного режима с одной (и с другой) стороны 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 каждого из вариантов заявляемого способа, являются измерение фазных токов и напряжений в момент короткого замыкания на линии на одном конце линии, определение вида короткого замыкания и определение по соотношению 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 со второго 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.
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 одной стороны линии.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками каждого из вариантов заявляемого способа, являются измерение фазных токов и напряжений доаварийного режима и в момент короткого замыкания на линии на одном конце линии, определение вида короткого замыкания и 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.
Равноценными по точности определения места повреждения компенсационному методу являются итерационные способы [Заявка на изобретение RU №2001102357, G01R 31/08, дата публикации заявки 20.12.2002], также использующие параметры аварийного и предаварийного режимов, измеренные с одной стороны линии. Указанные способы являются наиболее близкими аналогами к предлагаемому изобретению.
Так как в формуле изобретения [Заявка на изобретение RU №2001102357, G01R 31/08, дата публикации заявки 20.12.2002] раскрывается несколько методов, в качестве примера рассмотрим первый метод (как наиболее похожий) - метод полного сопротивления.
Метод полного сопротивления реализуется следующим образом. Измеряют с одной (и с другой) стороны линии фазные токи и напряжения основной частоты в момент короткого замыкания и ток предаварийного режима в фазе А. По измеренным величинам определяют расчетные значения напряжений и токов в зависимости от вида короткого замыкания. При однофазных коротких замыканиях в качестве расчетных значений используют фазное напряжение, компенсированный фазный ток и аварийная составляющая полного тока короткого замыкания; при многофазных коротких замыканиях - линейное напряжение, линейный ток и аварийная составляющая полного тока короткого замыкания. Кроме того, в расчете используют параметры схемы замещения сети. Далее осуществляют итерационный процесс, на первой итерации которого коэффициент токораспределения, необходимый для определения аварийной составляющей полного тока короткого замыкания, принимают равным единице, а полное сопротивление от начала линии до места повреждения находят через расчетные величины напряжений и токов. Отношение полного сопротивления от начала линии до места повреждения к полному сопротивлению линии на первой итерации приближенно указывает, где произошло повреждение. Через найденное на первой итерации полное сопротивление, на второй итерации уточняют коэффициент токораспределения и вновь производят расчет полного сопротивления от начала линии до места повреждения (уже с откорректированным коэффициентом токораспределения). Определяют отношение полного сопротивления от начала линии до места повреждения к полному сопротивлению линии (для второй итерации). Если разница между указанным соотношением на первой и на второй итерациях меньше предварительно задаваемой величины δ, отвечающей за точность определения места повреждения, то расчет заканчивают. Если больше, то расчет продолжают по аналогии с предыдущими итерациями, до тех пор, пока не будет достигнута заданная точность в определении места повреждения.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками каждого из вариантов заявляемого способа, являются измерение фазных токов и напряжений доаварийного режима и в момент короткого замыкания на линии на одном конце линии, определение вида короткого замыкания и 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.
Описанный аналог, как и другие, ранее указанные способы определения места повреждения, обладают таким существенным недостатком, как необходимость создания полной схемы замещения сети для определения комплексных сопротивлений прямой, обратной и нулевой последовательностей и эквивалентных ЭДС питающих систем по сторонам линии.
Указанный недостаток может приводить к значительной погрешности в определении места повреждения из-за неполного учета составляющих схемы замещения питающих систем, которые могут изменяться в зависимости от режима.
Известен способ определения места повреждения на воздушных линиях электропередачи [Заявка RU №2009137563/28, G01R 31/08 (2006.01), дата публикации 20.04.2011], принятый за прототип, в котором указанные недостатки устраняются. В этом способе измеряют с двух концов линии фазные напряжения и токи, преобразуют их в расчетные комплексные значения по предложенным выражениям и, используя мнимые части расчетных величин, находят расчетным путем относительные и физические расстояния места повреждения от концов линии. В этом способе не используют эквивалентные параметры питающих систем, устранено влияние переходного сопротивления.
k
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками каждого из вариантов заявляемого способа, являются: измерение с двух концов линии ('- один конец линии, "- второй конец линии) несинхронизированных по углам комплексных фазных токов (, , ), (, , ) и напряжений (, , ), (, , ) основной частоты в момент короткого замыкания, определение вида короткого замыкания, расчетным путем с использованием замеров с обоих концов определение относительного значения расстояния до места короткого замыкания n и расстояние до места короткого замыкания L=n*L.
Недостатком способа, принятого за прототип, является необходимость использования только мнимых составляющих расчетных величин.
Указанный недостаток может приводить к погрешности в определении места повреждения из-за недостаточного объема учитываемых параметров.
Изобретение направлено на решение задачи по созданию технологий, позволяющих повысить эффективность электроснабжения.
Технический результат изобретения заключается в повышении точности определении места повреждения за счет учета действительных и мнимых составляющих комплексных величин токов и напряжений по концам линии, синхронизированных по углу.
2Л
0Л
k
Технический результат достигается тем, что по п.1 формулы изобретения в способе определения места короткого замыкания на воздушной линии электропередачи по замерам с двух ее концов, имеющей комплексное сопротивление прямой (индекс 1), обратной (индекс 2) и нулевой (индекс 0) последовательностей , Z, Z, длину L, соединяющей две питающие системы, в котором измеряют с двух концов линии ('- один конец линии, " - второй конец линии) несинхронизированные по углам комплексные фазные токи (, , ), (, , ) и напряжения (, , ), (, , ) основной частоты в момент короткого замыкания, определяют вид короткого замыкания, расчетным путем определяют относительное значение расстояния до места короткого замыкания n и расстояние до места короткого замыкания L=n*L, согласно изобретению измеряют любыми известными средствами угол между одноименными напряжениями по концам линии, например, с помощью средств GPS, доворачивают вектора напряжений и токов на втором конце на измеренный угол, преобразуют фазные токи и напряжения в симметричные составляющие комплексные токи и напряжения прямой, обратной и нулевой последовательностей (, , ) (, , ), (, , ), (, , ), и определяют в зависимости от вида короткого замыкания относительные расстояния от концов линии до места повреждения для замыканий на землю по выражениям:
, .
2Л
0Л
k
Технический результат достигается тем, что по п.2 формулы изобретения в способе определения места короткого замыкания на воздушной линии электропередачи по замерам с двух ее концов, имеющей комплексное сопротивление прямой (индекс 1), обратной (индекс 2) и нулевой (индекс 0) последовательностей , Z, Z длину L, соединяющей две питающие системы, в котором измеряют с двух концов линии (' - один конец линии, " - второй конец линии) несинхронизированные по углам комплексные фазные токи (, , ), (, , ) и напряжения (, , ), (, , ) основной частоты в момент короткого замыкания, определяют вид короткого замыкания, расчетным путем определяют относительное значение расстояния до места короткого замыкания n и расстояние до места короткого замыкания L=n*L, согласно изобретению измеряют любыми известными средствами угол между одноименными напряжениями по концам линии, например, с помощью средств GPS, доворачивают вектора напряжений и токов на втором конце на измеренный угол, преобразуют фазные токи и напряжения в симметричные составляющие комплексные токи и напряжения прямой, обратной и нулевой последовательностей (, , ) (, , ), (, , ), (, , ), и определяют в зависимости от вида короткого замыкания относительные расстояния от концов линии до места повреждения для двухфазного замыкания по выражениям:
, .
2Л
0Л
k
Технический результат достигается тем, что по п.3 формулы изобретения в способе определения места короткого замыкания на воздушной линии электропередачи по замерам с двух ее концов, имеющей комплексное сопротивление прямой (индекс 1), обратной (индекс 2) и нулевой (индекс 0) последовательностей , Z, Z, длину L, соединяющей две питающие системы, в котором измеряют с двух концов линии (' - один конец линии, " - второй конец линии) несинхронизированные по углам комплексные фазные токи (, , ), (, , ) и напряжения (, , ), (, , ) основной частоты в момент короткого замыкания, определяют вид короткого замыкания, расчетным путем определяют относительное значение расстояния до места короткого замыкания n и расстояние до места короткого замыкания L=n*L, согласно изобретению, измеряют любыми известными средствами угол между одноименными напряжениями по концам линии, например, с помощью средств GPS, доворачивают вектора напряжений и токов на втором конце на измеренный угол, преобразуют фазные токи и напряжения в симметричные составляющие комплексные токи и напряжения прямой, обратной и нулевой последовательностей (, , ) (, , ), (, , ), (, , ), и определяют в зависимости от вида короткого замыкания относительные расстояния от концов линии до места повреждения для любых замыканий по выражениям:
,  или
, ,
где  - компенсированный фазный ток первого конца;
- компенсированный фазный ток второго конца;
- коэффициент (для одноцепной линии).
Отличия от прототипа доказывают новизну заявляемых вариантов технического решения, охарактеризованных в пунктах 1-3 формулы изобретения.
Новый подход позволяет повысить точность определения места повреждения и в то же время дает возможность практической реализации метода благодаря раскрытию довольно простых средств и методов и отсутствию громоздких вычислений и сложных математических преобразований, что подтверждает соответствие заявляемых технических решений условию патентоспособности «промышленная применимость».
Из уровня техники неизвестны отличительные существенные признаки заявляемых способов, охарактеризованных в пунктах 1-3 формулы изобретения, что подтверждает их соответствие условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Группа изобретений поясняется чертежом, где
на фиг.1 представлена общая схема замещения линии электропередачи;
на фиг.2 представлена схема замещения линии для однофазного короткого замыкания.
2Л
0Л
П
k
На Фиг.1 показана однолинейная схема замещения линии электропередачи длиной L, имеющей комплексное сопротивление прямой (индекс 1), обратной (индекс 2) и нулевой (индекс 0) последовательностей , Z, Z, длину L, соединяющей шины 1 и 2 двух систем 3 и 4 с эквивалентными параметрами (ЭДС и комплексные сопротивления соответственно , , ' - один конец линии, " - второй конец линии). На линии показано короткое замыкание 5 за переходным сопротивлением (R) 6 на расстоянии (L) 7 от одного конца линии, сопротивление от одного конца линии до места короткого замыкания () 8, сопротивление от другого конца линии до места короткого замыкания () 9. При возникновении короткого замыкания на линии по ней протекают ток () 10 в сопротивлении 8, ток () 11 в сопротивлении 9, сумма которых дает полный ток короткого замыкания () 12 в переходном сопротивлении 6, при этом на шинах 1 и 2 измеряют с двух концов линии несинхронизированные по углам комплексные фазные токи 13 (, , ), 14 (, , ) и напряжения 15 (, , ), 16 (, , ).
П
Рассмотрим однофазное короткое замыкание на одноцепной линии с двухсторонним питанием. Параметры аварийного режима (13, 14, 15, 16) замерены с двух сторон и поэтому влияние R (6) и питающих систем (3, 4) можно исключить.
Падение напряжения до точки короткого замыкания от начала и конца линии можно приравнять и записать следующим образом:
,
где коэффициент  для одноцепных линий равен:
Для реализации способа по п.1 формулы изобретения измеряют комплексные величины фазных токов и напряжений (, , ), (, , ) и (, , ), (, , ) по концам линии, измеряют любыми известными средствами угол между одноименными напряжениями по концам линии (например, с помощью средств GPS [Балабин М.А. и др. Тестовые испытания устройств синхронизированных измерений векторных величин энергосистем, Электричество, №4, 2011, с.17]), поворачивают вектора напряжений и токов на втором конце на измеренный угол, преобразуют фазные токи и напряжения в симметричные составляющие комплексные токи (, ) и напряжения (, ) нулевой последовательности, определяют относительные расстояния от концов линии до места повреждения для замыканий на землю по выражениям:
, .
Для реализации способа по п.2 формулы изобретения измеряют комплексные величины фазных токов (, , ), (, , ) и напряжений (, , ), (, , ) по концам линии, измеряют любыми известными средствами угол между одноименными напряжениями по концам линии (например, с помощью средств GPS [Балабин М.А. и др. Тестовые испытания устройств синхронизированных измерений векторных величин энергосистем, Электричество, №4, 2011, с.17]), поворачивают вектора напряжений и токов на втором конце на измеренный угол, преобразуют фазные токи и напряжения в симметричные составляющие комплексные токи (, ) и напряжения (, ) обратной последовательности, определяют относительные расстояния от концов линии до места повреждения для двухфазного замыкания по выражениям:
, .
Для реализации способа по п.3 формулы изобретения измеряют комплексные величины фазных токов (, , ), (, , ) и напряжений (, , ), (, , ) по концам линии, измеряют любыми известными средствами угол между одноименными напряжениями по концам линии (например, с помощью средств GPS [Балабин М.А. и др. Тестовые испытания устройств синхронизированных измерений векторных величин энергосистем, Электричество, №4, 2011, с.17]), поворачивают вектора напряжений и токов на втором конце на измеренный угол, преобразуют фазные токи и напряжения в симметричные составляющие комплексные токи нулевой последовательности (, ), токи (, ) и напряжения (, ) прямой последовательности, определяют относительные расстояния от концов линии до места повреждения для любых замыканий по выражениям:
,  или
, ,
где  - компенсированный фазный ток первого конца;
- компенсированный фазный ток второго конца;
- (для одноцепной линии).
Рассмотрим на примере реального короткого замыкания, параметры токов и напряжений которого измерены по концам линии и являются несинхронными (Фиг.2). Расстояние короткого замыкания от первого конца линии L'=20 км, от второго, соответственно, L"=80 км.
В реальном несинхронном замере вектора напряжений фазы А по концам линии приняты за оси отсчета, а углы остальных векторов токов и напряжений измеряют относительно своих осей отсчета.
Напряжения 1 начала линии:
Напряжения 2 конца линии:
<img file="00000185.tif" he="7" wi="35" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000186.tif" he="7" wi="36" img-content="undefined" img-format="tif" />
Токи 3 начала:
Токи 4 конца:
<img file="00000187.tif" he="7" wi="36" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000188.tif" he="7" wi="38" img-content="undefined" img-format="tif" />
Токи нулевой последовательности:
<img file="00000189.tif" he="7" wi="39" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000190.tif" he="7" wi="38" img-content="undefined" img-format="tif" />
Параметры линии:
lin
L=100 - длина линии;
1уd
Z:=0.2+0.4 - удельное сопротивление прямой последовательности;
1
lin
lуд
Z:=L·Z=20+40i - полное сопротивление линии;
0уd
Z:=0.7+1.4 - удельное сопротивление нулевой последовательности;
0
0уd
lin
Z:=Z·L=70+140i - полное сопротивление нулевой последовательности линии;
- коэффициент компенсации
Используя известный способ определения угла между векторами величин напряжения фазы А по концам линии (например, GPS), найдем угол φ=26.06 град.
Скорректируем вектора исходных напряжений и токов на втором конце линии на величину полученного угла.
Напряжения конца линии:
Напряжения конца линии:
<img file="00000192.tif" he="7" wi="35" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000193.tif" he="7" wi="41" img-content="undefined" img-format="tif" />
Токи начала:
Токи конца:
<img file="00000194.tif" he="7" wi="36" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000195.tif" he="7" wi="38" img-content="undefined" img-format="tif" />
Токи нулевой последовательности:
<img file="00000196.tif" he="7" wi="39" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000197.tif" he="7" wi="39" img-content="undefined" img-format="tif" />
Находим расстояния от начала и от конца ЛЭП до места повреждения по выражениям:
,
.
Получаем: L'=20,009 км и L"=79,991 км, что свидетельствует о высокой точности метода.
Таким же образом проверена реализуемость способа при использовании составляющих только нулевой, только обратной и только прямой последовательностей.
Проверка показала высокую точность определения места повреждения. Определение места повреждения, выполненное по предложенной методике для схемы на фиг.1, показало также полное отсутствие методической погрешности при наличии переходного сопротивления от 5 до 50 Ом и при изменениях нагрузочного режима в широких диапазонах. Погрешность отсутствует как при измерениях со стороны слабой, так и со стороны мощной системы.
Таким образом, использованием алгоритма определения расстояния до места повреждения при двухстороннем замере на основании известного угла сдвига между напряжениями и токами по концам линии достигается более точное определение расстояние до места короткого замыкания.