Способ и устройство контроля состояния отключенной в цикле ОАПВ фазы линии электропередачи с шунтирующими реакторами
METHOD AND DEVICE FOR MONITORING THE STATE OF THE POWER LINE WITH SHUNTING REACTORS DISCONNECTED AS PART OF ONE-PHASE AUTOMATIC RECLOSING PHASE

Изобретение относится к релейной защите и автоматике линий электропередачи (ЛЭП) переменного тока сверхвысокого напряжения.
.
При возникновении дугового короткого замыкания вследствие нарушения состояния изоляции в одной из фаз ЛЭП релейная защита действует на отключение поврежденной фазы с возможностью автоматического повторного включения по истечению установленной временной задержки. В результате электромагнитного взаимодействия с оставшимися в работе фазами в поврежденной фазе создаются условия для горения дуги подпитки После погасания дуги в условиях восстановления состояния изоляции в отключенной фазе появляется напряжение, имеющее характер биения. Процесс биения вызван появлением напряжения затухающих свободных колебаний с собственной частотой колебательного контура, образуемого индуктивностью шунтирующих реакторов и распределенной емкостью фазной линии, взаимодействующего с наводимым неповрежденными фазами напряжением основной частоты сети [1].
В тех случаях, когда вследствие быстрого гашения дуги состояние изоляции в месте повреждения восстанавливается в достаточной мере до истечения установленной для ОАПВ выдержки времени, может быть организовано ускоренное ОАПВ с меньшей длительностью бестоковой паузы. При этом повышается устойчивость энергосистемы к аварийному возмущению.
Известен способ контроля состояния поврежденной фазы ЛЭП, отключенной в цикле ОАПВ [2], основанный на измерении напряжения на отключенной фазе и сравнении длительности интервалов между переходами измеренного напряжения через ноль с заданным значением и последующей выдачей сигнала о погасании дуги.
Способ чувствителен к искажению формы измеряемого напряжения, обуславливающей низкую точность контроля состояния дуги в условиях возможности нестационарного процесса горения, что создает неопределенность в восстановлении в достаточной мере состояния изоляции обесточенной фазы. Это обуславливает высокие риски неуспешного ОАПВ и относительно низкую устойчивость энергосистемы к аварийным возмущениям.
Наиболее близкими к заявляемым техническим решениям являются способ контроля состояния поврежденной фазы ЛЭП и устройство для его осуществления [3], которые рассматриваются как прототипы. В основе этих изобретений лежит явление вращения вектора напряжения поврежденной фазы, относительно векторов напряжения включенных фаз. Сигнал о погасании дуги формируют по факту появления изменения частоты вектора напряжения поврежденной фазы относительно частоты вектора напряжения включенных фаз, определяемого путем суммирования этих векторов.
Заявленный алгоритм с использованием векторных преобразований дает возможность отстроиться от факторов, искажающих форму сигнала напряжения, и повысить точность контроля погасания дуги. Однако, для осуществления этого способа требуется относительно сложное устройство. К тому же, в этих решениях отсутствует процедура контроля состояния изоляции обесточенной фазы после погасания дуги. Следовательно, если изоляционная характеристика поврежденной фазы восстанавливается в недостаточной мере, то ОАПВ, выполняемое на основании сигнала о погасании дуги не может быть успешным.
Задача, на решение которой направлены предложенные технические решения, заключается в повышении устойчивости к аварийным возмущениям за счет расширения функциональных возможностей, вследствие контроля состояния изоляции поврежденной фазы, и упрощения устройства, вследствие использования менее сложного схемотехнического решения.
При решении поставленных задач достигаемый технический результат заключается в расширении функциональных возможностей, упрощении устройства и повышении устойчивости к аварийным возмущениям.
Технический результат достигается способом контроля состояния отключенной в цикле однофазного автоматического повторного включения фазы линии электропередачи с шунтирующими реакторами, заключающемся в том, что измеряют напряжение на отключенной фазе, осуществляют нерекурсивную фильтрацию измеряемого на отключенной фазе напряжения, определяют составляющую напряжения затухающих свободных колебаний, вычисляют степень затухания свободных колебаний, сравнивают ее с пороговым значением и при снижении степени затухания свободных колебаний ниже порогового значения формируют сигнал на ускорение повторного включения.
Указанный результат достигается устройством контроля состояния отключенной в цикле однофазного автоматического повторного включения фазы линии электропередачи с шунтирующими реакторами, содержащим трансформаторы напряжения, входы которых соединены с фазами линии электропередачи и блок измерения напряжения на отключенной фазе, вход которого соединен с выходами трансформаторов напряжения, дополнительно введены нерекурсивный фильтр, вход которого соединен с выходом блока измерения напряжения на отключенной фазе, блок вычисления степени затухания свободных колебаний, вход которого соединен с выходом нерекурсивного фильтра, блок сравнения, у которого первый вход соединен с выходом блока вычисления степени затухания свободных колебаний, второй вход соединен с выходом порогового элемента, а выход блока вычисления степени затухания свободных колебаний соединен со входом введенного блока формирования сигнала на ускорение повторного включения.
Суть заявляемых технических решений заключается в использовании в качестве информационной координаты степень затухания составляющей напряжения свободных колебаний с собственной частотой контура отключенной фазы, которая обеспечивает достоверное определение состояние изоляции отключенной фазы. За счет нерекурсивной фильтрации обеспечивается подавление вынужденных составляющих напряжения основной частоты сети и ее гармоник и выделение свободной составляющей напряжения переходного процесса. В тех случаях, когда определенная степень затухания свободной составляющей напряжения ниже некоторого значения, характерного для исходного состояния неповрежденных фаз ЛЭП, вероятность успешного ОАПВ оказывается существенно выше, чем при использовании известных аналогов и прототипа. К тому же, предложенный способ может осуществляться более простыми средствами обработки сигнала, по сравнению с используемыми в известных аналогах и прототипе.
Таким образом, заявляемые технические решения раскрывают новые функциональные возможности и схемотехническое исполнение для осуществления способа. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемых технических решений критериям «новизна» и «сушественные отличия».
На фиг. 1 приведена функциональная схема заявленного устройства, функционирующая в соответствие с заявленным способом.
Схема содержит: ЛЭП 1 с управляемыми пофазно выключателями 2 – 4; трансформаторы напряжения 5 - 7, подключенные входами к соответствующим фазам ЛЭП; блок измерения напряжения 8, подключаемый входом к выходам трансформаторов напряжения 5 – 7 и функционирующий с разрешения АПВ; нерекурсивный фильтр 9, подключенный входом к выходу блока измерения напряжения 8, блок вычисления степени затухания свободных колебаний 10, подключенный входом к выходу нерекурсивного фильтра 9, блок сравнения 11, у которого прямой вход подключен к пороговому элементу 12, а инверсный вход подключен к выходу блока вычисления степени затухания свободных колебаний 10, и блок формирования сигнала на ускорение АПВ 13, подключенный входом к выходу блока сравнения 11.
Устройство на фиг. 1 осуществляет способ следующим образом.
При отключении в цикле ОАПВ линейного выключателя 2 блок 8 производит с разрешения устройства АПВ измерение напряжения, путем обработки сигнала, поступающего с выхода трансформатора напряжения 5, подключенного к поврежденной фазе. Данные измеренного напряжения поступают с выхода блока 8 на вход нерекурсивного фильтра 9, который, действуя по определенному алгоритму, подавляет весь спектр вынужденных составляющих напряжения с основной частотой сети и производной от нее и передает на выход без ослабления свободную составляющую напряжения, затухающего переходного процесса.
Во время горения дуги подпитки, вследствие низкого сопротивления дугового промежутка и относительно больших потерь энергии в контуре отключенной фазы, степень затухания свободной составляющей напряжения выделяемой на выходе рекурсивного фильтра 9, оказывается очень высокой. В этих условиях блок 10 устанавливает на инверсном входе блока сравнения 11 сигнал с уровнем, соответствующим высокой степени затухания, превышающей значение порогового элемента 12. При этом на выходе блока сравнения 11 устанавливается потенциальный сигнал «0», который блокирует выходное действие блока 13.
При погасании дуги подпитки, вследствие восстановления с некоторым приближением сопротивления изоляции дугового промежутка и снижения  потерь, реактивная энергия в контуре обесточенной фазы оказывается много выше энергии потерь. В этих условиях на выходе рекурсивного фильтра 9 устанавливается достаточно высокий уровень свободной составляющей напряжения колебаний с собственной частотой контура отключенной фазы, характеризуемой относительно низкой степенью затухания. В том случае, когда вычисленная блоком 10 степень затухания свободных колебаний оказывается ниже значения порогового элемента, задаваемого из условия восстановления в достаточной мере состояния изоляции отключенной фазы, на выходе блока сравнения 11 устанавливается сигнал «1», который разрешает выходное действие блока 13. В противном случае на выходе блока сравнения 11 сохраняется сигнал «0», блокирующий выходное действие блока 13, который автоматически блокирует действие цикла ОАПВ.
Использование предложенных технических решений обеспечивают по сравнению с существующими решениями следующие преимущества.
1. За счет нерекурсивной фильтрации осуществляется наиболее полное информационное обеспечение о состояния отключенной в цикле ОАПВ фазы ЛЭП и более точное управление ускорением АПВ.
2. Учет степени затухания свободных колебаний обеспечивает снижение рисков неуспешного ОАПВ и, как следствие, повышение устойчивости энергосистемы к аварийным возмущениям.
Источники информации
1. Беляков Н.Н., Кадомская К.П., Левинштейн М.Л. и др.: Под ред. Левинштейна М.Л. Процессы при однофазном автоматическом повторном включении линий высокого напряжения. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 256 с.
2. А.с. 1418840, опубл. 23.08.1988. Бюл. №31.
3. Пат. 2695890, опубл. 30.07.2019. Бюл. №22.
Авторы:
1. Ильин Владимир Федорович,
2. Булычев Александр Витальевич,
3. Ефимов Николай Самсонович,
4. Козлов Владимир Николаевич.