СПОСОБ ИНТЕРВАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ОДНОФАЗНОГО ЗАМЫКАНИЯ В ФИДЕРЕ
METHOD OF SINGLE-PHASE SHORT CIRCUIT IN THE FEEDER LOCATION INTERVAL DETERMINATION

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к релейной защите и автоматике распределительных сетей. Определение места повреждения (локация) протяженного объекта, каким является высоковольтная линия электропередачи или фидер распределительной сети среднего напряжения, представляет собой задачу, актуальность которой с годами только возрастает. Такое положение объясняется усложнением электрических систем, распространением воздушно-кабельных электропередач, повышением быстродействия выключателей, что приводит к сокращению объема информации о режиме короткого замыкания и, как следствие, к усугублению проблемы распознавания места замыкания.
Известен способ определения места повреждения в линии электропередачи с использованием ее модели, содержащей априорные сведения о ее параметрах и структуре [1]. Способ может быть обобщен и на случай произвольной электрической системы [2]. Развитием способа стало введение критерия повреждения, отражающего физические особенности явлений в месте короткого замыкания [3]. Изначально данный способ предназначался для линий высокого напряжения, работающих в режиме с глухозаземленной нейтралью и, как следствие, характеризующихся высоким уровнем токов однофазного замыкания. Критерий повреждения, получивший название критерия резистивности, применительно к однофазному замыканию говорит о том, что реактивная мощность в месте замыкания между проводом и землей равна нулю.
В распределительных сетях, работающих в режиме с изолированной или компенсированной нейтралью, замыкание на землю имеет незначительную синусоидальную составляющую. Критерий повреждения для такой сети видоизменяется, переходя от реактивной мощности к угловым соотношениям между фазным напряжением и некоторым током, скажем, током нулевой последовательности или аварийной составляющей фазного тока, возможно, за вычетом нулевой последовательности [4].
Современная модификация данного способа ориентирована на применение цифровой техники [5]. Наблюдают и фиксируют фазные токи и напряжения на входе фидера, которые затем преобразуют с использованием модели фидера в электрические величины места предполагаемого повреждения. Такую модель необходимо отличать от обычной имитационной модели, которая воспроизводит состояние объекта. Модель, передающая токи и напряжения из места наблюдения объекта в произвольное ненаблюдаемое место, представляет собой преобразователь. В отличие от имитационной ее называют передающей (алгоритмической).
Критерий повреждения в рассматриваемом техническом решении основывается на определении мгновенной мощности однофазного замыкания на землю и на контроле знака этой мощности. Принцип резистивности повреждения говорит о том, что в месте замыкания мгновенная мощность не может быть отрицательной.
Обсуждаемый способ физически бесспорен, но нуждается в упрощении. Необходимо ослабить влияние помех, возникающих как при записи переходных процессов в распределительных сетях, так и при операциях с мгновенными значениями токов и напряжений. Интервальный подход к определению места повреждения обладает такими свойствами. Однако одномерный критерий неотрицательности мгновенной мощности не предоставляет возможности интервального контроля повреждения.
Цель изобретения заключается в упрощении способа определения места однофазного замыкания в фидере. Сопутствующая цель - расширение функциональных возможностей способа за счет придания ему способности выдавать результат в интервальной форме.
В теоретическом плане интервальная локация уже рассматривалась [6]. Однако это относилось к синусоидальным режимам линии электропередачи и не может быть распространено на быстропротекающие процессы однофазного замыкания на землю в распределительных сетях.
Поставленные цели достигаются двумя принципиально важными техническими решениями. Во-первых, получением необходимой информации из соотношений между разнотипными интервалами времени. Во-вторых, приданием критерию повреждения двумерной формы, чем обеспечивается интервальность результата локации. Данные технические решения реализуются последовательностью операций.
Как и в прототипе, наблюдаемые величины преобразуют в передающей модели фидера в электрические величины места предполагаемого повреждения, а именно в фазные напряжения и по меньшей мере один опорный ток. Дело в том, что в качестве опорного может использоваться ток нулевой последовательности, один и тот же для всех фаз. Если же опорным током является аварийная составляющая фазного тока, то у каждой фазы опорный ток будет автономным.
Отличие от прототипа начинается с операции сравнения фазного напряжения и опорного тока. Сравнивают их знаки, на основе чего выделяют интервалы времени разных типов. Всего шесть вариантов: два типа, первый и второй, характеризуются совпадением знаков, остальные - несовпадением. На интервале первого типа знаки обеих величин положительные, второго типа - отрицательные. На интервалах третьего и четвертого типов напряжение положительно, а ток отрицательный. Пятого и шестого типов - наоборот: отрицательное напряжение и положительный ток. У разнознаковых интервалов есть дополнительная градация - по признаку следования за тем или иным типом однознаковых интервалов. Интервалы третьего и шестого типов приходят на смену интервалам второго типа, а четвертого и пятого типов - на смену интервалам первого типа.
Время наблюдения процесса однофазного замыкания разделяют на три части, каждая из которых складывается из интервалов определенного типа. Первая часть - из интервалов совпадающих знаков, т.е. первого и второго типов. Вторая - из интервалов третьего и пятого типов, третья - из интервалов четвертого и шестого типов. Как удалось установить, вторая и третьи части времени наблюдения процесса несут информацию о соответствии между местом предполагаемого повреждения и истинным местом замыкания на землю. Если предполагаемое повреждение ближе к началу линии, т.е. не достигает истинного места, то вторая часть превалирует над третьей. Если же дальше от начала линии, т.е. переходит через истинное место замыкания, то, наоборот, преобладает третья часть.
Первая часть времени наблюдения не играет подобной роли, так как не несет информации о месте повреждения. Она служит базой, ослабляющей влияние продолжительности отрезка времени, взятого для определения места повреждения. Формируют два информационно важных сигнала в виде отношений второй и, соответственно, третьей частей времени наблюдения к первой части. Из двух указанных сигналов формируют общий двумерный сигнал, отображаемый на плоскости, где задают область его определения в месте замыкания.
Задачу достижения интервальности результата решают следующим образом. Для различных мест предполагаемого повреждения формируют двумерные сигналы. Те из этих мест, чьи сигналы попадают в заданную область, включают в интервал возможных значений координаты места повреждения.
На фиг. 1 показана принципиальная схема наблюдаемого фидера в режиме однофазного замыкания, на фиг. 2 - передающая модель фидера, связывающая место наблюдения с местом предполагаемого повреждения, на фиг. 3 и 4 - диаграмма изменения во времени напряжения поврежденной фазы и опорного тока, определенных с помощью передающей модели для разных мест предполагаемого повреждения, фиг. 3 - до истинного места, фиг. 4 - за ним. На фиг. 5 приведена структурная схема локатора повреждения, действующего по предлагаемому способу; фиг. 6 поясняет смысл интервального подхода к определению места повреждения.
vs
vs
f
f
f
f
Трехфазный фидер 1 отходит от подстанции 2, где регистрируют его токи i(t) и напряжения u(t), ν=A,B,C, и питает нагрузку 3. Произвольное место фидера характеризуется координатой x. В месте 4 с неизвестной координатой x в одной из фаз произошло замыкание на землю 5. Любое место x поврежденного фидера становится местом предполагаемого повреждения, но есть принципиальное различие между двумя частями фидера 6 и 7 - до места истинного повреждения x и после него: x<x и х>x.
Оно связано с передающей моделью 8 неповрежденного фидера. Ее вход 9 соответствует месту наблюдения 2 реального объекта, а выход 10 - месту предполагаемого повреждения 6 или 7. Если месту 6, то модель 8 будет адекватной реальному отрезку фидера 1, но если месту 7, то адекватность будет нарушена вследствие того, что модель 8 строится для неповрежденного объекта. Физической основой распознавания повреждения как раз и становится то обстоятельство, что водораздел между адекватностью и неадекватностью модели 8 проходит по месту замыкания 4.
В процессе наблюдения процесса в электрической сети встречается шесть типов интервалов времени, для которых избраны следующие обозначения:
- тип 1: совпадение положительных знаков напряжения и тока,
- тип 2: совпадение отрицательных знаков,
,  - типы 3 и 4; интервалы положительного напряжения и отрицательного тока;  следует за , а  - за ,
,  - типы 5 и 6; интервалы отрицательного напряжения и положительного тока;  следует за , а  - за .
1
2
3
набл
Структурная схема, реализующая данный способ, получает сигналы от объекта 11, представляющего собой наблюдаемый фидер 1 совместно с его передающей моделью 8. Фазное напряжение  и опорный ток  поступают с выхода 10 передающей модели на модуль 12, представляющий собой индикатор совпадения или несовпадения знаков напряжения и тока. Он выполнен с шестью выходами по числу типов временных интервалов. Каждый из интеграторов 13-15 суммирует интервалы двух определенных типов на протяжении всего времени наблюдения после фиксации замыкания. Интегратор 13 суммирует интервалы совпадения знаков типов  и , их общее время t представлено его выходным сигналом. Выходной сигнал t интегратора 14 является результатом суммирования интервалов типов  и , а сигнал t интегратора 15 - интервалов  и . В результате время наблюдения переходного процесса t разделяется на три части
1
2
3
Делители 16, 17 формируют из трех величин t, t, t два сигнала
1
1
2
где t - служит базисной величиной. Исполнительный модуль 18 интервального локатора воспринимает сигналы η и η как единый двумерный сигнал
,
1
2
отображаемый на плоскости 19 с координатами η и η. На ней задается область 20, обозначаемая также символом S; ее можно воспринимать как область определения значений η(x), соответствующих месту замыкания:
Если η(x) - годограф 21 вектора η при изменении координаты места предполагаемого повреждения, то он может зайти в область S и тогда выделится его часть 22, отвечающая условию (3).
f
_
Для наблюдаемого фидера 1, локация которого выполняется по предлагаемому способу, необходимо предварительно построить передающую модель 8, например, на базе разностных уравнений длинной линии [7-9]. Кроме того должна быть задана область определения замера η(x)  область 20, фигурирующая в условии (3). Задание области осуществляется путем предварительного обучения локатора сигналами имитационной модели распределительной сети, в состав которой входит фидер 1 [10].
Обращение к временным интервалам имеет физические предпосылки. Дело в том, что в истинном месте 4 замыкания 5 знаки тока и напряжения совпадают, коль скоро мгновенная мощность замыкания только расходуется, но никак не генерируется:
f
0
f
f
Третью часть тока i(t) составляет нулевая последовательность i(t)=i(t)/3, отсюда
0
f
Токи нулевой последовательности во всех частях электрической сети создаются одним источником - током i(t). В сети с малыми потерями между всеми этими токами существует равенство знаков, в силу чего из условия (5) вытекает еще одно
0
f
A
f
B
f
C
f
ав
f
где i(x,t)=(1/3)[i(x,t)+i(x,t)+i(x,t)]. Аналогично обстоит дело с аварийными составляющими токов i(t) во всех ветвях сети [11]. Они создаются током замыкания i(t), и в сети с малыми потерями их знаки совпадают, поэтому из условия (4) вытекает следствие
f
σ
f
σ
f
2
3
2
3
где σ - обозначение поврежденной фазы. Из (6) и (7) следует вывод, что опорным током может быть либо ток нулевой последовательности, либо аварийная составляющая тока поврежденной фазы. В дальнейшем будем использовать более простое условие (6). Процесс, характеризуемый равенством знаков, состоит из интервалов только двух типов - первого  и второго . Анализ показывает, что в первой части 6 фидера 1, где x<x, замена напряжения u(t) на напряжение u(x,t) приводит к появлению наряду с интервалами совпадения знаков еще и интервалов несовпадения, преимущественно третьего и пятого типов  и , что выглядит как процесс на фиг. 3. Обозначения  и  говорят о том, что эти величины получены при помощи передающей модели 8. Неидеальность модели и влияние помех приводят к тому, что при x<x возможно появление в процессе изменения величин  и  интервалов двух остающихся типов  и , нарушающих закономерность, присутствующую на фиг. 3. Тем не менее, в интервальных величинах t и t эта закономерность проявляется тем, что t ощутимо превосходит t.
f
Когда координата x передающей модели 8 перейдет через истинное значение x, адекватность модели реальному фидеру 1 нарушится, что приведет к смене закономерности в чередовании интервалов времени. Новая закономерность отражена на фиг. 4, где в процессе изменения напряжения и тока наблюдаются наряду с интервалами совпадения знаков первого и второго типа также интервалы несовпадения знаков четвертого и шестого типа.
2
3
1
2
Допустим, что передающая модель 8 и область замера 20 заданы, и рассмотрим последовательность операций, выполняемых структурной схемой по фиг. 5, начиная с поступления фазного напряжения  и  на входы индикатора знаков 12. Этот модуль выделяет интервалы времени шести указанных типов, подавая соответствующие сигналы на входы интеграторов 13-15. Суммарное время t свидетельствует о принадлежности наблюдаемого процесса тому виду, который показан на фиг. 3; в свою очередь время t говорит в пользу процесса на фиг. 4. Делители 16, 17 сформируют относительные величины η и η, которые отобразятся на плоскости η исполнительного модуля 18.
f
Существенно, что описанная процедура выполняется для разных значений координаты x места предполагаемого повреждения. Выделяются те значения, которые принадлежат особой части 22 годографа η(x). Они и составляют искомый интервал - отрезок фидера Δx.
Операции с разнотипными интервалами времени предельно упрощают определение интервала возможных значений координаты места повреждения. Вместе с тем, обнаружение разнотипности процессов, формируемых передающей моделью фидера для двух частей фидера - до и после места замыкания, придает данному способу широкие функциональные возможности.
Источники информации
1. Патент РФ №2033622, G01R 31/11, H02H 3/28, 1989.
2. Патент РФ №2033623, G01R 31/11, H02H 3/28, 1989.
3. Патент РФ №2066511, H02H 3/40, G01R 31/08, 1992.
4. Патент РФ №2073876, H02H 3/40, G01R 31/08, 1992.
5. Патент РФ №2542745, H02H 3/40, G01R 31/08, 2013 (прототип).
6. Лямец Ю.Я., Подшивалин А.Н., Исмуков Г.Н. Интервальная локация повреждений линий электропередачи. - Динамика нелинейных дискретных электротехн. и электрон, систем: мат. 9-й Всеросс. науч.-техн. конф., Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 2011, С. 251-253.
7. Лямец Ю.Я., Белянин А.А., Воронов П.И. Анализ переходных процессов в длинной линии в базисе дискретного и непрерывного времени. - Известия вузов. Электромеханика, 2012, №5, С. 11-16.
8. Лямец Ю.Я., Белянин А.А., Воронов П.И. Алгоритмическое моделирование фидера в переходном режиме. - Известия вузов. Электромеханика, 2013, №5, С. 49-56.
9. Лямец Ю.Я., Белянин А.А. Описание линий 6-35 кВ при распознавании замыканий на землю в распределительной сети. - Электротехника, 2014, №3, С. 2-7.
10. Лямец Ю.Я., Мартынов М.В., Нудельман Г.С., Романов Ю.В., Воронов П.И. Обучаемая релейная защита. Ч. 1 и 2. - Электричество, 2012, №2, С. 15-19; №3, С. 12-18.
11. Лямец Ю.Я., Белянин А.А., Воронов П.И. Модификации аварийных составляющих наблюдаемых токов и напряжений. - Электротехника, 2015, №2, С. 22-28.