СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ВОЗДУШНОЙ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ПО ЗАМЕРАМ С ДВУХ КОНЦОВ ЛИНИИ
METHOD FOR DETERMINATION OF SHORT CIRCUIT SPOT ON OVERHEAD POWER TRANSMISSION LINE AGAINST MEASUREMENTS AT TWO ENDS THEREOF

Предлагаемое изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для определения места короткого замыкания на линиях электропередачи по замерам с двух концов 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 одного конца 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]). 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 параметров аварийного режима с одного (и с другого) концов 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 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 одного конца линии.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками 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.
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 одного (и с другого) конца линии фазные токи и напряжения основной частоты в момент короткого замыкания и ток предаварийного режима в фазе A. 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 аварийную составляющую полного тока короткого замыкания; при многофазных коротких замыканиях - линейное напряжение, линейный ток и аварийную составляющую 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 8, 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 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.
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], 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.
n
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются: измерение с двух концов линии (' - один конец линии, " - второй конец линии) не синхронизированных 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 является необходимость использования только мнимых составляющих расчетных величин.
Указанный недостаток может приводить к погрешности в определении места повреждения из-за недостаточного объема учитываемых параметров.
Z
1Л
2Л
0Л
n
Известен способ определения места короткого замыкания на воздушной линии электропередачи по замерам с двух ее концов [Заявка RU №2011135138/28, G01R 31/08 (22.08.2011), дата публикации 27.02.2013], принятый за прототип, в котором указанные недостатки устраняются. В этом способе определения места короткого замыкания на 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, 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
для двухфазного замыкания по выражениям
для любых замыканий по выражениям
или
где  - компенсированный фазный ток первого конца;
- компенсированный фазный ток второго конца;
(для одноцепной линии).
Недостатком способа, принятого за прототип, является необходимость использования величин симметричных составляющих токов, напряжений и сопротивлений линии.
Указанный недостаток может приводить к погрешности в определении места повреждения из-за усреднения величин сопротивлений линии.
Изобретение направлено на решение задачи по созданию технологий, позволяющих повысить эффективность электроснабжения.
Технический результат изобретения заключается в повышении точности определения места повреждения за счет использования величин фазных токов и напряжений и величин полных фазных и междуфазных сопротивлений линии.
AA
BB
CC
AB
AC
BA
BC
CA
CB
n
Технический результат достигается тем, что в способе определения места короткого замыкания на линии электропередачи по замерам с двух ее концов, имеющей комплексные сопротивления проводов фаз Z,Z,Z, междуфазные комплексные сопротивления Z,Z,Z,Z,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, 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, расчетным путем определяют относительное значение расстояния до места короткого замыкания n и расстояние до места короткого замыкания L=n*L, согласно изобретению относительные расстояния от концов линии до места повреждения определяют для любого вида короткого замыкания по выражениям
где n', n" - относительные значения расстояний соответственно от первого и от второго концов линии до места короткого замыкания;
- векторная сумма фазных напряжений с первого конца линии (В);
- векторная сумма фазных напряжений со второго конца линии (В);
- векторная сумма фазных падений напряжений на всем сопротивлении линии от токов первого конца линии (В);
- векторная сумма фазных падений напряжений на всем сопротивлении линии от токов второго конца линии (В);
где для реализации режима симметричных составляющих нулевой
последовательности принимают
для реализации режима симметричных составляющих прямой последовательности принимают
для реализации режима симметричных составляющих обратной последовательности принимают
для реализации произвольного режима (вариант) принимают
для однофазного короткого замыкания определяют место короткого
замыкания по одной поврежденной фазе, например по фазе A
где
AA
BB
CC
Z,Z,Z - комплексные сопротивления проводов фаз линии (Ом);
AB
AC
BA
BC
CA
CB
Z,Z,Z,Z,Z,Z - междуфазные комплексные сопротивления линии (Ом);
- комплексные фазные токи, измеренные с первого (') и второго (") концов линии (A);
- комплексные фазные напряжения, измеренные на шинах с первого (') и второго (") концов линии (B);
j120
а=е - оператор поворота,
2
j240
а=е - оператор поворота в квадрате.
Значения комплексных сопротивлений проводов фаз линии и междуфазных комплексных сопротивлений (соответственно, собственных и взаимных сопротивлений) определяются по общеизвестным выражениям (например, Ульянов С.А. Электромагнитные переходные процессы в энергетических системах, изд-во Энергия, 1970 г., с 293,294)
где
п
R - активное сопротивление провода (Ом);
з
R=0,05 - сопротивление земли (величина, учитывающая потери активной мощности при прохождении тока через землю) (Ом);
з
D - глубина протекания эквивалентного тока в земле (выбирается для каждой территории в отдельности) (м);
пэ
п
r=0,95*r - эквивалентный радиус провода (0,95 для сталеалюминиевых проводов, 0,85 - для алюминиевых проводов) (м);
п
r - радиус провода (м);
взаимн
АВ
D - расстояние между каждыми двумя проводами линии, например между проводами фаз A и B - D (м).
При наличии осциллограмм токов и напряжений, для определения угла между одноименными напряжениями по концам линии совмещают осциллограммы с двух концов линии по срезу начала короткого замыкания, и измеряют угол сдвига между синусоидами напряжений, например фазы A по концам линии.
Отличия от прототипа доказывают новизну технического решения, охарактеризованного в формуле 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 заявляемого способа, охарактеризованного в формуле изобретения, что подтверждает их соответствие условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Изобретение поясняется чертежами, где:
на фиг.1 представлена общая трехфазная схема замещения линии электропередачи с двухсторонним питанием;
на фиг.2 представлена трехфазная схема замещения линии для короткого замыкания на землю;
на фиг.3 представлена трехфазная схема замещения линии для междуфазного короткого замыкания (здесь AB).
AA
BB
CC
AB
BC
CA
BA
CB
AC
AB
BA
BC
CB
CA
AC
На фиг.1 показана трехфазная схема замещения линии электропередачи с двухсторонним питанием, длиной L, имеющей комплексные сопротивления проводов фаз A, B и C Z, Z, Z, комплексные междуфазные сопротивления Z, Z, Z, Z, Z, Z (причем Z=Z, Z=Z, Z=Z), соединяющей шины 3 и 4 двух систем 1 и 2 с эквивалентными параметрами (ЭДС и комплексные сопротивления соответственно  ′ - один конец линии, " - второй конец линии).
П
На фиг.2 на линии показано короткое замыкание 6 за переходным сопротивлением (R) 7 на расстоянии nL от первого конца линии, сопротивления фаз и междуфазные от первого конца линии до места короткого замыкания 8, сопротивления от второго конца линии до места короткого замыкания 9. При возникновении короткого замыкания на линии по ней протекают фазные токи  в сопротивлениях 8, токи  в сопротивлениях 9, сумма которых дает полный ток короткого замыкания  в переходном сопротивлении 7, при этом на шинах 3 и 4 измеряют с двух концов линии несинхронизированные по углам комплексные фазные токи  и напряжения .
П
На фиг.2 на линии показано короткое замыкание 6 через переходное сопротивление (R) 7 на расстоянии nL от первого конца линии, сопротивления фаз и междуфазные от первого конца линии до места короткого замыкания 8, сопротивления от второго конца линии до места короткого замыкания 9.
П
Рассмотрим любое короткое замыкание на одноцепной линии с двухсторонним питанием. Параметры аварийного режима токи  и напряжения  замерены с двух концов и поэтому влияние R (7) и питающих систем (1, 2) можно исключить.
Разницу фазных напряжений на шинах питающих систем и фазных падений напряжений до точки короткого замыкания от первого и второго концов линии можно приравнять и записать следующим образом:
где  - фазные токи, измеренные с двух концов линии (А);
- фазные напряжения, измеренные на шинах питающих систем (В);
AA
BB
CC
Z, Z, Z - комплексные сопротивления проводов фаз A, B и C (Ом);
AB
BC
CA
BA
CB
AC
Z, Z, Z, Z, Z, Z - комплексные междуфазные сопротивления (Ом).
Для двух- и n-цепной линии электропередачи можно составить соответственно шесть или n*3 уравнений (при наличии измерений во всех фазах всех цепей по концам линии). При этом питающие системы по концам линии могут быть как связаны, так и не связаны, могут быть разного уровня напряжений.
Полученная система трех (шести или n*3) связанных уравнений может быть решена множеством путей.
Например, если сложить все три уравнения (для одноцепной линии), то получим уравнение для нулевой последовательности
где
откуда относительное расстояние определится по выражению
j120
2
j240
Если умножить второе уравнение на оператор поворота a=e, а третье уравнение на оператор поворота а=е, то получим уравнение для прямой последовательности
откуда относительное расстояние определится по выражению
2
j240
j120
Если умножить второе уравнение на оператор поворота а=е, а третье уравнение на оператор поворота a=e, то получим уравнение для обратной последовательности
Также можно сложить два уравнения и вычесть третье
Такой вариант целесообразно применять при двухфазных коротких замыканиях.
В общем случае относительные расстояния от концов линии до места повреждения определяют для любого вида короткого замыкания по выражениям
где n', n" - относительные значения расстояний соответственно от первого и второго концов линии до места короткого замыкания;
- векторная сумма фазных напряжений с первого конца линии (В);
- векторная сумма фазных напряжений со второго конца линии (В);
- векторная сумма фазных падений напряжений на всем сопротивлении линии от токов первого конца линии (В);
- векторная сумма фазных падений напряжений на всем сопротивлении линии от токов второго конца линии (В).
При этом, следует учитывать, наличие множества комбинаций с тремя начальными уравнениями.
Для однофазного замыкания на землю любое из трех уравнений можно решить одиночно для поврежденной фазы, однако при этом нужно предварительно установить фазу линии, в которой произошло замыкание. Например, при коротком замыкании в фазе А, место короткого замыкания определяют по выражению
где
Для реализации способа 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]). При наличии осциллограмм токов и напряжений, для определения угла между одноименными напряжениями по концам линии совмещают осциллограммы с двух концов линии по срезу начала короткого замыкания и измеряют угол сдвига между синусоидами напряжений, например фазы А по концам линии. Далее, поворачивают вектора напряжений и токов на втором конце на измеренный угол, определяют относительные расстояния от концов линии до места повреждения для замыканий на землю, с учетом множества возможных комбинаций векторных сумм фазных напряжений и векторных сумм фазных падений напряжений, по выражениям
Предлагаемый способ позволяет определить место короткого замыкания на одной из цепей многоцепной линии электропередачи при условии наличия измерений токов и напряжений во всех фазах всех цепей по концам линии.
Проверка способа на реальных коротких замыканиях показала высокую точность определения места повреждения. Определение места повреждения, выполненное по предложенной методике, 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 питающих систем.
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.