СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ВОЗДУШНОЙ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ПРИ НЕСИНХРОНИЗИРОВАННЫХ ЗАМЕРАХ С ДВУХ ЕЕ КОНЦОВ
METHOD FOR DETERMINATION OF SHORT-CIRCUIT PLACE ON OVERHEAD TRANSMISSION LINE UNDER NONSYNCHRONISED MEASUREMENTS ON ITS BOTH ENDS

Предлагаемое изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для определения места короткого замыкания на линиях электропередачи при несинхронизированных замерах с двух ее концов.
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 повреждения на воздушных линиях электропередачи [Заявка RU №2009137563/28, G01R 31/08 (2006.01), дата публикации 20.04.2011], в котором 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.
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mover accent="true"><mi>I</mi><mo>˙</mo></mover><msub><mo>'</mo><mi>A</mi></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mover accent="true"><mi>I</mi><mo>˙</mo></mover><msub><mo>'</mo><mi>B</mi></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mover accent="true"><mi>I</mi><mo>˙</mo></mover><msub><mo>'</mo><mi>C</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mover accent="true"><mi>I</mi><mo>˙</mo></mover><msub><mo>"</mo><mi>A</mi></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mover accent="true"><mi>I</mi><mo>˙</mo></mover><msub><mo>"</mo><mi>B</mi></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mover accent="true"><mi>I</mi><mo>˙</mo></mover><msub><mo>"</mo><mi>C</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><msub><mo>'</mo><mi>A</mi></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><msub><mo>'</mo><mi>B</mi></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><msub><mo>'</mo><mi>C</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo></mrow>
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><msub><mo>"</mo><mi>A</mi></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><msub><mo>"</mo><mi>B</mi></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><msub><mo>"</mo><mi>C</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
k
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются измерение с двух концов линии ('- один конец линии, " - второй конец линии) не синхронизированных по углам фазных токов
,
и напряжений
основной частоты в момент 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 указанного способа, является необходимость использования только мнимых составляющих расчетных величин.
Указанный недостаток может приводить к погрешности в определении места повреждения из-за недостаточного объема учитываемых параметров.
Известен способ определения места короткого замыкания на воздушной линии электропередачи по замерам мгновенных значений токов и напряжений с одного конца линии (учебное пособие «Методы и приборы определения места короткого замыкания на линии», Ивановский ГЭУ, 1998).
В данном способе измеряют на одном конце линии мгновенные значения фазного тока, тока нулевой последовательности, фазного напряжения, выбирают момент, когда ток в месте короткого замыкания равен нулю, что предполагает равенство нулю падения напряжения на переходном сопротивлении, и находят расстояние до места короткого замыкания по соотношению мгновенного значения напряжения на данном конце линии и удельного падения напряжения на одном километре линии.
Аналогично определяют расстояние до места короткого замыкания по замерам с другого конца линии.
A
B
C
A
B
C
A
B
C
A
B
C
k
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются измерение с двух концов линии не синхронизированных по времени фазных токов (i', i', i'), (i”, i”, i”) инапряжений (u', u', u'), (i”, i”, i”), в момент 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.
0
0
<mrow><msub><mrow><munder accentunder="true"><mi>U</mi><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow><mi>Ф</mi></msub></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mrow><munder accentunder="true"><mi>U</mi><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow><mi>Ф</mi></msub><mo>,</mo></mrow>
Недостатком аналога являются: неучет угла сдвига в момент короткого замыкания между векторными диаграммами по концам линии, необходимость измерения дополнительно к фазному току тока нулевой последовательности. Кроме того, способ реализован только в величинах интегральных значений, а в величинах мгновенных значений описан только аналитически. Потому как далее производят замену мгновенного значения напряжения на данном конце линии и удельного падения напряжения на одном километре линии в момент перехода тока нулевой последовательности i через нулевое мгновенное значение на расчет проекции на мнимую ось, перпендикулярную вектору тока нулевой последовательности, I интегральных величин
и
и определяют расстояние до места короткого замыкания по мнимым значениям указанных интегральных величин.
Указанный недостаток может приводить к погрешности в определении места повреждения из-за недостаточного объема учитываемых параметров.
Известен способ определения места повреждения на воздушных линиях электропередачи [Технология векторной регистрации параметров и ее применение для управления режимами ЕЭС России, Электро, №2, 2011, с.2-5], принятый за прототип, в котором необходимость использования только мнимых составляющих расчетных величин устраняется. В этом способе предварительно измеряют угол между токами по концам линии, что выполняют путем использования цифровых каналов связи между концами линии или путем использования спутниковой синхронизации времени. При использовании цифровых каналов связи углы определяют путем выполнения выборок синхронизированных по времени или путем постоянного вычисления времени прохождения сигнала между полукомплектами дифференциальной защиты линии. При использовании спутниковой синхронизации времени импульсы синхронизации времени получают от приемников сигнала ГЛОНАСС (GPS). Далее измеряют с двух концов линии фазные напряжения и токи, преобразуют их в расчетные комплексные значения по предложенным выражениям и, используя полные 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.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются измерение фазных токов и напряжений в момент короткого замыкания на линии на обоих концах линии, учет угла между токами и напряжениями по концам линии и определение по соотношению измеренных величин расстояния до места короткого замыкания.
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 не требуется полная модель сети, т.е. программы расчета установившихся и аварийных режимов сети. Кроме того, не требуется производить предварительные измерения тока нагрузки, которые используют для компенсации погрешности от влияния нагрузки.
Недостатком способа является необходимость использования сложного оборудования и алгоритмов, например, цифровых каналов связи между концами линии, когда углы определяют путем выполнения синхронизированных выборок по времени или путем постоянного вычисления времени прохождения сигнала между полукомплектами дифференциальной защиты линии, или оборудования спутниковой синхронизации времени, когда импульсы синхронизации времени получают от приемников сигнала ГЛОНАСС (GPS).
Указанный недостаток существенно усложняет процедуру определения места повреждения и указанный способ не везде может использоваться из-за отсутствия необходимого оборудования.
Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи по созданию технологий, позволяющих повысить эффективность электроснабжения.
Технический результат изобретения заключается в повышении точности определения места повреждения за счет точной синхронизации измеренных величин токов и напряжений по концам линии, не синхронизированных по времени при измерении.
L
A
B
C
A
B
C
A
B
C
A
B
C
и
Технический результат достигается тем, что в способе определения места короткого замыкания на линии электропередачи по замерам с двух ее концов, имеющей длину l, активное R и индуктивное X фазные сопротивления, соединяющей две питающие системы, измеряют с двух концов линии (' - один конец линии, " - второй конец линии) не синхронизированные по времени мгновенные значения фазных токов (i', i', i'), (i”, i”, i”) напряжений (u', u', u'), (u”, u”, u”), в момент короткого  замыкания, определяют вид короткого замыкания, согласно изобретению получают осциллограммы токов и напряжений, совмещают осциллограммы с двух концов линии по срезу начала короткого замыкания, выбирают на расстоянии двух-трех периодов от начала короткого замыкания сечение для осциллограмм тока и напряжения поврежденной фазы, определяют относительное значение расстояния до места короткого замыкания n по выражению
где u', u" - мгновенные значения напряжений, полученные в сечении осциллограмм напряжений поврежденной фазы с одного и второго концов линии (В);
i', i" - мгновенные значения токов, полученные в сечении осциллограмм токов поврежденной фазы с одного и второго концов линии (А);
di'/dt, di"/dt - производные токов по времени (А/с);
R, XL - активное и индуктивное фазные сопротивления линии (Ом).
Далее определяют расстояние до места короткого замыкания со стороны конца с индексом ' по выражению l'=n·l.
Отличия от прототипа доказывают новизну заявляемых вариантов технического решения, охарактеризованных в формуле изобретения.
Новый подход позволяет синхронизировать напряжения и токи по концам линии при несинхронизированных замерах с двух ее концов, за счет совмещения осциллограмм с двух концов линии по срезу начала короткого замыкания, 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 сложного оборудования и 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 формуле изобретения, что подтверждает ее соответствие условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Изобретение поясняется чертежами,
где на фиг.1 представлена общая схема замещения линии электропередачи в момент короткого замыкания на ней;
на фиг.2 представлены осциллограммы токов и напряжений в поврежденной фазе линии с двух ее концов при однофазном коротком замыкании на линии;
на фиг.3 показаны осциллограммы токов и напряжений в поврежденной фазе линии с двух ее концов при однофазном коротком замыкании на модели линии.
L
П
A
B
C
A
B
C
A
B
C
A
B
C
На фиг.1 показана однолинейная схема замещения линии электропередачи, имеющей длину (l) 1, активное (R) 2 и индуктивное (X) 3 фазные сопротивления, соединяющей шины 4 и 5 двух систем 6 и 7 с эквивалентными параметрами (ЭДС и комплексные сопротивления). На линии показано короткое замыкание 8 за переходным сопротивлением (Z) 9 на расстоянии (n) 10 от одного конца линии. При возникновении короткого замыкания на линии по ней протекают ток (i") 11 со стороны шин 4 и ток (i") 12 со стороны шин 5. При этом на шинах 4 и 5 измеряют с двух концов линии не синхронизированные по времени мгновенные значения фазных токов (i', i', i'), (i”, i”, i”) и напряжений (u', u', u'), (u”, u”, u”), в момент короткого замыкания.
На фиг.2 показаны сечения на осциллограммах токов и напряжений в поврежденной фазе линии с двух ее концов при однофазном коротком замыкании на линии. Показано сечение, проходящее через начало короткого замыкания (левая вертикальная линия), по которому совмещают осциллограммы одного и второго концов линии, и сечение через один период (правая вертикальная линия) после короткого замыкания, в котором определяют мгновенные значения токов i', i" и напряжений u', u".
На фиг.3 показано сечение на осциллограммах токов и напряжений в поврежденной фазе линии с двух ее концов при однофазном коротком замыкании на модели линии. Показано сечение, в котором определяют мгновенные значения токов i', i" и напряжений u', u” через один период после короткого замыкания,
где IR1B - осциллограмма тока в начале линии поврежденной фазы;
IR2B - осциллограмма тока в конце линии поврежденной фазы;
V10B - осциллограмма напряжения на шинах в начале линии;
V20B - осциллограмма напряжения на шинах в конце линии.
A
B
C
A
B
C
A
B
C
A
B
C
П
Рассмотрим однофазное короткое замыкание 8 на одноцепной линии с двухсторонним питанием (фиг.1). Параметры аварийного режима (i', i', i'), (i”, i”, i”) и напряжений (u', u', u'), (u”, u”, u”) замерены с двух сторон и поэтому влияние переходного сопротивления (R) 9 и питающих систем 6 и 7 можно исключить.
Падение напряжения до точки короткого замыкания с двух концов линии (Фиг.1.) можно записать как:
A
B
C
A
B
C
A
B
C
A
B
C
После преобразования выражения (2) получим выражение (1). Для реализации способа по выражению (1) измеряют с двух концов линии не синхронизированные по времени мгновенные значения фазных токов (i', i', i'), (i”, i”, i”) и напряжений (u', u', u'), (u”, u”, u”), в момент короткого замыкания, определяют поврежденные фазы, получают осциллограммы токов и напряжений, совмещают осциллограммы с двух концов линии по срезу начала короткого замыкания (фиг.2), выбирают на интервале двух-десяти периодов от начала короткого замыкания сечение для осциллограмм тока и напряжения поврежденной фазы, снимают мгновенные значения токов и напряжений i' i”, u', u” (фиг.3), вычисляют производные токов по времени di'/dt,di"/dt, определяют относительное значение расстояния до места короткого замыкания n по выражению (1) и расстояние до места короткого замыкания со стороны конца с индексом ' по выражению l'=n·l.
Определение di'/dt,di”/dt производится одним из известных способов, например, на основе использования m-ой i(mT) и предыдущей i(mT-T) выборки мгновенных значений токов в области сечения
где i(mT) - последовательность мгновенных значений токов, взятых с осциллограмм (а), Т - период дискретизации (угол или время между двумя соседними точками осциллограммы).
Также можно определить производную тока по времени по выражению
m
где I - амплитуда тока (a), φk- угол от начала синусоиды тока до сечения в выбранном периоде (град.).
Рассмотрим на примере схемы модели линии (Фиг.1):
Длина линии
50 км
Длина поврежденного участка линии
25 км
Активное сопротивление линии
0,945 Ом
Индуктивное сопротивление линии
13,25 Ом
Мощность системы-1
8,000 МВА
Мощность системы-2
6,000 МВА
Из осциллограмм на фиг.3 определяем мгновенные значения токов и напряжений в поврежденной фазе i', i”, u', u" и вычисляем производные токов по времени di'/dt,di”/dt (расчет проведен в Excel).
Начало линии. u'=100051,9 В
Угол (град)
i'(A)
di'/dt(А/с)
4
884,160249
13387,81654
13
2915,84763
12934,13451
22
4891,09925
12574,85299
31
6766,020629
11936,13030
40
8484,176007
10938,12610
49
9995,400262
9620,76054
58
11274,61084
8143,71012
67
12271,64261
6347,30675
76
12967,68365
4431,13867
84
13343,92206
2694,61136
93
13387,81654
279,44118
102
13099,36709
-1836,32774
111
12484,84437
-3912,17649
120
11556,78964
-5908,18489
129
10352,82675
-7664,67230
138
8891,767611
-9301,39920
147
7217,506714
-10658,68491
156
5373,938535
-11736,52946
165
3404,957555
-12534,93282
Конец линии. u"=79091 В
Угол (град)
i”(А)
di"/dt(А/с)
4
605,86822
8682,428808
13
1961,5448
8630,51245
22
3270,97202
8336,07963
31
4383,23304
7080,87955
40
5515,67301
7209,34285
49
6509,61656
6327,64651
58
7336,60089
5264,75021
67
7975,70463
4068,66421
76
8376,51193
2551,62068
84
8604,51026
1632,91913
93
8643,76322
249,89232
102
8459,8789
-1170,64493
111
8059,57337
-2548,42631
120
7523,35094
-3413,70090
129
6739,28661
-4991,51277
138
5783,69898
-6083,46493
147
4682,16308
-7012,60126
156
3458,95065
-7787,21877
Определение места повреждения
Определяем место короткого замыкания по величинам мгновенных значений токов и напряжений при угле сечения 58° по выражению (I):
Получаем расчетное расстояние до места повреждения:
l'=n·l=0,5001·50=25,005 км
Реальное расстояние до места замыкания 25 км. Таким образом, проверка показала высокую точность предложенного способа определения места повреждения.
Предложенный способ также позволяет определять место короткого замыкания при других видах замыкания: двухфазном, двухфазном на землю, трехфазном.
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, использование измеренных мгновенных значений токов и напряжений в поврежденной фазе позволяет получить точную синхронизацию по времени при двухстороннем несинхронизированном замере за счет совмещения осциллограммы с двух концов линии по срезу начала короткого замыкания, чем достигается более точное определение расстояния до места короткого замыкания и определяется точный угол между напряжениями и токами по концам линии.
Значение угла между напряжениями и токами по концам линии могут быть использованы для других целей, например для анализа режима другой части сети.