СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
METHOD FOR REMOTE DETERMINATION OF SHORT-CIRCUIT PLACE ON POWER TRANSMISSION LINE

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для дистанционного определения места короткого замыкания (ОМКЗ) на одноцепных линиях электропередачи (ЛЭП) без отпаек напряжением 110 кВ и выше, находящихся под рабочим напряжением.
1
2
1
2
Известен СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ РАЗВЕТВЛЕННОЙ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ (Патент на изобретение РФ №2532760, МПК Н02Н 3/16, G01R 31/08, 2013), основанный на синхронизированном по времени с помощью спутниковой системы двустороннем измерении аварийных составляющих токов и напряжений, фиксации моментов времени t и t прихода волн к концам линии и определении по измеренной разности Δt=t-t и известных скорости распространения электромагнитной волны ν и длине L линии электропередачи расстояния до места повреждения
Недостатками указанного способа, основанного на синхронизированных двусторонних измерениях аварийных составляющих, являются сложность технической реализации, а также существенная зависимость замера от погрешностей первичных преобразователей. Поскольку традиционные электромагнитные трансформаторы из-за своих частотных характеристик существенно искажают вторичный сигнал (особенно фронт пришедшей волны), время прихода волны, определенное по осциллограмме, может быть не точным, что повлияет на точность замера расстояния до места короткого замыкания (КЗ). Кроме того, в указанном методе скорость распространения волны принята постоянной и не даны рекомендации по ее выбору.
Известен СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ НА ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ (заявка на изобретение РФ №2001102357, МПК G01R 31/08, 2002), который заключается в следующем. Измеряют с одной (и с другой) стороны линии фазные токи и напряжения основной частоты в момент КЗ и ток предаварийного режима в фазе А. По измеренным величинам определяют расчетные значения напряжений и токов в зависимости от вида КЗ. При однофазных КЗ в качестве расчетных значений используются фазное напряжение, компенсированный фазный ток и аварийная составляющая полного тока КЗ; при многофазных КЗ - линейное напряжение, линейный ток и аварийная составляющая полного тока КЗ. Кроме того, в расчете используют параметры схемы замещения электрической сети. Далее осуществляют итерационный процесс, на первой итерации которого коэффициент токораспределения, необходимый для определения аварийной составляющей полного тока КЗ, 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.
Недостатком способа является необходимость создания полной схемы замещения электрической 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 неточного учета составляющих схемы замещения питающих систем, которые могут изменяться в зависимости от режима.
A
B
C
A
B
C
A
B
С
A
B
С
L
Известен СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ВОЗДУШНОЙ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ПРИ НЕСИНХРОНИЗИРОВАННЫХ ЗАМЕРАХ С ДВУХ ЕЕ КОНЦОВ (Патент на изобретение РФ №2508556, МПК, G01R 31/08 (2006.01), 2014 г.), который заключается в следующем. Измеряют с двух концов линии не синхронизированные по времени фазные токи и напряжения во время КЗ, определяют поврежденные фазы, определяют относительное значение расстояния до места КЗ n и физическое расстояние до места КЗ со стороны конца линии с индексом ' по выражению l'=n⋅l, где l - длина линии (км), измеряют с двух концов линии (' - один конец линии, '' - второй конец линии) мгновенные значения фазных токов (i', i', i'), (i'', i'', i'') и напряжений (u', u', u'), (u'', u'', u''), во время КЗ получают осциллограммы токов и напряжений, совмещают осциллограммы с двух концов линии по срезу начала КЗ, выбирают на интервале двух-десяти периодов от начала КЗ сечение на осциллограммах тока и напряжения поврежденной фазы, снимают мгновенные значения токов i', i'' и напряжений u', u'' в сечении и в соседних точках, вычисляют производные от токов по времени di'/dt, di''/dt, определяют относительное значение расстояния до места КЗ по выражению  где n - относительное значение расстояния до места КЗ; R - активное сопротивление линии  X - индуктивное сопротивление линии (Ом); 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 (A); di'/dt, di''/dt - производные токов по времени (А/с).
Недостатками указанного способа являются погрешности при определении относительного значения расстояния до места КЗ из-за использования в расчетном выражении справочного индуктивного сопротивления и справочного активного сопротивления, которые могут существенно изменяться во время эксплуатации. Дополнительные погрешности в определении места КЗ могут вноситься в связи с искажением формы кривой тока из-за насыщения или остаточной намагниченности магнитопровода трансформатора тока, используемого для регистрации переходного тока, вычислительными погрешностями при расчете производной тока и погрешностями из-за несинхронизированности мгновенных значений токов и напряжений.
A
B
C
А
B
C
А
B
C
А
B
C
A
B
С
A
B
С
Известен СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ (Патент на изобретение РФ №2700370, МПК, G01R 31/08 (2006.01), 2019 г.), принятый за прототип. В указанном способе дистанционного определения места короткого замыкания на линии электропередачи, имеющей длину l, определяют поврежденные фазы, определяют относительное значение расстояния до места КЗ n и абсолютное расстояние до места КЗ со стороны конца линии с индексом ' по выражению l'=n⋅l, с двух концов линии (' - один конец линии, '' - второй конец линии) устанавливают цифровые трансформаторы тока и напряжения, синхронизированные с системой единого времени, каждый из которых снабжен датчиком постоянного тока, резистивным или резистивно-емкостным делителем напряжения, поясом Роговского, с помощью датчика постоянного тока получают синхронизированные по времени мгновенные значения фазных токов i', i', i', i'', i'', i'', помощью резистивного или резистивно-емкостного делителя напряжения получают синхронизированные по времени мгновенные значения напряжений u', u', u', u'', u'', u'', с помощью пояса Роговского получают синхронизированные по времени мгновенные значения производных фазных токов di'/dt, di'/dt, di'/dt, di''/dt, di''/dt, di''/dt, вычисляют векторы фазных токов  и напряжений , при нормальном режиме работы линии вычисляют векторы фазных токов и напряжений, формируют матрицы модальных составляющих токов и напряжений, формируют матрицы модальных сопротивлений, вычисляют матрицы фазных сопротивлений, вычисляют сопротивления прямой и нулевой последовательностей, определяют активное сопротивление линии R и индуктивность линии L, во время КЗ вычисляют мгновенные значения токов, производных токов и напряжений с обоих концов линии, выполняют расчет относительного значения расстояния до места КЗ по формуле
, где
u', u'' - мгновенные значения напряжений поврежденной фазы с одного и второго концов линии (В); i', i'' - мгновенные значения токов поврежденной фазы с одного и второго концов линии (A); di'/dt, di''/dt - производные токов по времени с одного и второго концов линии (А/с); R - активное сопротивление линии (Ом); L - индуктивность линии (Гн); k - порядковый номер рассчитанного за время КЗ относительного значения расстояния до места КЗ; m - номер выборки тока или напряжения, соответствующий выбранному моменту расчета относительного значения расстояния до места КЗ.
Недостатком указанного способа является низкая точность определения места повреждения, т.к. не учитывают различия удельных сопротивлений прямой и нулевой последовательностей при однофазном или междуфазном КЗ, а также низкая точность определения сопротивлений ЛЭП по данным синхронизированных измерений векторов в доаварийном режиме при наличии реальных погрешностей измерений.
Технический результат заключается в повышении точности дистанционного определения места короткого замыкания, как однофазного, так и междуфазного, на ЛЭП находящихся под рабочим напряжением.
A
B
C
А
B
C
А
B
C
A
B
C
A
B
С
A
B
C
Технический результат достигается тем, что в способе дистанционного определения места короткого замыкания на линии электропередачи, имеющей длину l, с двух концов (' - один конец линии, '' - второй конец линии) оснащенной цифровыми трансформаторам тока и напряжения, синхронизированными с системой единого времени, каждый из которых снабжен датчиком постоянного тока, резистивным или резистивно-емкостным делителем напряжения, поясом Роговского, включающем определение поврежденные фазы, получение с помощью датчика постоянного тока синхронизированных по времени мгновенных значений фазных токов i', i', i', i'', i'', i'', получение с помощью резистивного или резистивно-емкостного делителя напряжения синхронизированных по времени мгновенных значений напряжений u', u', u', u'', u'', u'', получение с помощью пояса Роговского синхронизированных по времени мгновенных значений производных фазных токов di'/dt, di'/dt, di'/dt, di''/dt, di''/dt, di''/dt, выполнение расчета относительного значения расстояния до места короткого замыкания по формуле , где
k - порядковый номер рассчитанного за время короткого замыкания относительного значения расстояния до места короткого замыкания, определении абсолютного расстояния до места короткого замыкания со стороны конца линии с индексом ' по выражению l'=n⋅l, дополнительно в доаварийном режиме работы линии определяют синхронизированные векторы фазных токов и напряжений с помощью устройства синхронизированных векторных измерений и/или программы, определяют симметричные составляющие токов и напряжений на концах линии, посредством линейной регрессии рассчитывают матрицу параметров линии как эквивалентного четырехполюсника, определяют значение постоянной распространения, значение волнового сопротивления линии, вычисляют комплексные сопротивления прямой и нулевой последовательностей,
k
для междуфазного короткого замыкания n вычисляют по выражению:
ф-фm
ф-фm
ф-фm
ф-фm
l
l
где m - номер выборки тока или напряжения, соответствующий выбранному моменту расчета относительного значения расстояния до места короткого замыкания, u', u'' - мгновенные значения междуфазных напряжений с одного и второго концов линии (В); i', i'' - мгновенные значения разности фазных токов с одного и второго концов линии (A), R - активное сопротивление (Ом) прямой последовательности на полную длину ЛЭП, L - индуктивность (Гн) прямой последовательности на полную длину ЛЭП,
k
для однофазного короткого замыкания n вычисляют по выражению:
фm
фm
фm
фm
S
S
где u', u'' - мгновенные значения фазных напряжений поврежденной фазы с одного и второго концов линии (В); i', i'' - мгновенные значения фазных токов с одного и второго концов линии (A); R - собственное активное сопротивление (Ом) поврежденной фазы на полную длину ЛЭП с учетом влияния земли как неидеального проводника, L - собственная индуктивность (Гн) поврежденной фазы на полную длину ЛЭП с учетом влияния земли как неидеального проводника.
Способ реализуется следующим образом. С двух концов линии на каждую фазу устанавливают цифровые трансформаторы тока и напряжения, синхронизированные с системой единого времени. Цифровые трансформаторы тока и напряжения при помощи оптоволоконных линий связи подключают к устройству определения места повреждения. Каждый цифровой трансформатор тока и напряжения снабжен первичными преобразователями: датчиком постоянного тока, поясом Роговского, резистивным или резистивно-емкостным делителем напряжения.
A
B
C
A
B
C
Датчик постоянного тока выполняет масштабное преобразование тока (его сигнал пропорционален величине тока). В качестве датчика постоянного тока можно применять магнитотранзисторный преобразователь или другие преобразователи, не искажающие форму кривой тока в переходных режимах и достоверно преобразующие апериодические составляющие. Указанные преобразователи позволяют измерять не только постоянный, но и переменный ток, в том числе с апериодической составляющей. Токи КЗ часто сопровождаются апериодическими составляющими, которые насыщают магнитопровод электромагнитных трансформаторов тока, что приводит к искажению формы тока. В каждом цифровом трансформаторе тока и напряжения сигналы датчика постоянного тока проходят первичную обработку (нормирование, антиалайзинговая фильтрация и др.), синхронное аналого-цифровое преобразование и вторичную обработку, индивидуальную для каждого первичного преобразователя. Таким образом, получают синхронизированные по времени мгновенные значения фазных токов i', i', i', i'', i'', i''.
Пояс Роговского выполняет масштабное преобразование измеряемого тока, при этом его выходной сигнал пропорционален производной тока:
где М - взаимная индуктивность, которая определяется по формуле:
0
-7
2
где μ=4π⋅10 Гн/м; S - площадь поперечного сечения сердечника, м;
р - плотность витков.
A
B
C
A
B
С
Пояс Роговского не искажает форму кривой тока (поскольку отсутствует магнитопровод) и имеет линейную амплитудно-частотную характеристику (коэффициент усиления линейно увеличивается с ростом частоты) в отличие от традиционных электромагнитных трансформаторов тока. Указанные выше факторы позволяют на основе физических законов определять производную тока при помощи пояса Роговского с более высокой точностью в переходных режимах по сравнению с вычислением производной математически и использованием сигналов от электромагнитных трансформаторов тока. В каждом цифровом трансформаторе тока и напряжения сигналы пояса Роговского проходят первичную обработку (нормирование, антиалайзинговая фильтрация и др.), синхронное аналого-цифровое преобразование и вторичную обработку, индивидуальную для каждого первичного преобразователя. Таким образом, получают синхронизированные по времени мгновенные значения производных фазных токов di'/dt, di'/dt, di'/dt, di''/dt, di''/dt, di''/dt.
A
B
C
A
B
C
Резистивный или резистивно-емкостный делитель напряжения выполняет масштабное преобразование напряжения без искажения формы (в том числе в переходных режимах). В каждом цифровом трансформаторе тока и напряжения сигналы резистивного или резистивно-емкостного делителя напряжения проходят первичную обработку (нормирование, антиалайзинговая фильтрация и др.), синхронное аналого-цифровое преобразование и вторичную обработку, индивидуальную для каждого первичного преобразователя. Таким образом, получают синхронизированные по времени мгновенные значения напряжений u', u', u', u'', u'', u''.
Определяют в доаварийном режиме синхронизированные векторы токов и напряжений с помощью устройства синхронизированных векторных измерений и/или специальной программы, что обеспечивает уточнение (актуализацию) продольных параметров ЛЭП. Получают N комплектов синхронизированных векторов с обоих концов линии, где под «комплектом» понимаются 12 векторов напряжений и токов всех фаз:  (в начале линии) и  (в конце линии). Для каждого из N комплектов выделяют симметричные составляющие напряжений и токов:
где  - напряжения нулевой последовательности;  - токи нулевой последовательности;  - напряжения прямой последовательности;  - токи прямой последовательности;  - напряжения обратной последовательности;  - токи обратной последовательности; [Т] - матрица преобразования со следующей структурой:
Затем формируют матрицу из N комплектов измерений в начале линии [В] и аналогичную матрицу из N комплектов измерений в конце линии [С] (указанные операции выполняют отдельно для составляющих прямой и нулевой последовательностей):
Далее рассчитывают комплексные удельные (на единицу длины) параметры ЛЭП: для расчета сопротивления и проводимости прямой последовательности используются матрицы [В] и [С] по (5), содержащие напряжения и токи прямой последовательности, а для вычисления сопротивления и проводимости нулевой последовательности используются матрицы [В] и [С] по (5), содержащие напряжения и токи нулевой последовательности. По специальному алгоритму, приведенному на фиг. 1, посредством линейной регрессии формируют и рассчитывают матрицу параметров линии как эквивалентного четырехполюсника, определяют значение постоянной распространения, значение волнового сопротивления линии, вычисляют комплексное сопротивление (импеданс) линии на единицу ее длины.
На фиг. 1 использованы следующие обозначения:
в блоке 1:
- векторы напряжения в начале линии, относящиеся к комплектам 1, 2, …, N соответственно (В);
- векторы тока в начале линии, относящиеся к комплектам 1, 2, …, N соответственно (А);
- векторы напряжения в конце линии, относящиеся к комплектам 1, 2, …, N соответственно (В);
- векторы тока в конце линии, относящиеся к комплектам 1, 2, …, N соответственно (А);
[B] - матрица всех используемых измерений в начале линии;
[C] - матрица всех используемых измерений в конце линии;
в блоке 2:
[А] - квадратная матрица параметров линии как эквивалентного четырехполюсника, определяемая указанной формулой через матрицы измерений [В] и [С] (линейная регрессия);
a
, b,c,d - элементы матрицы [А], нелинейно связанные с искомыми параметрами ЛЭП - удельными комплексными сопротивлением и проводимостью;
в блоке 3:
-1
γ - постоянная распространения ЛЭП (км);
Z - волновое сопротивление ЛЭП (Ом); - длина ЛЭП (км);
в блоке 4:
j - мнимая единица
ω - угловая частота (рад/с);
r - удельное активное сопротивление ЛЭП (Ом/км);
L - удельная индуктивность ЛЭП (Гн/км);
- удельное комплексное сопротивление ЛЭП (Ом/км);
g - удельная активная проводимость ЛЭП (См/км);
С - удельная емкость ЛЭП (Ф/км);
- удельная проводимость ЛЭП (См/км).
1
1
0
0
Определив удельные параметры ЛЭП отдельно для прямой (r, L) и нулевой (r, L) последовательностей, вычисляют параметры ЛЭП, требуемые в расчетных выражениях для ОМКЗ:
l
l
S
S
где R - активное сопротивление (Ом) прямой последовательности на полную длину ЛЭП, L - индуктивность (Гн) прямой последовательности на полную длину ЛЭП, R - собственное активное сопротивление (Ом) поврежденной фазы на полную длину ЛЭП с учетом влияния земли как неидеального проводника, L - собственная индуктивность (Гн) поврежденной фазы на полную длину ЛЭП с учетом влияния земли как неидеального проводника.
Во время КЗ получают мгновенные значения токов, напряжений и производных токов, любым известным способом (например, на основе симметричных составляющих токов при замыкании фазы на землю) определяют наличие повреждения и выделяют поврежденную фазу, вычисляют относительное расстояние до места КЗ по формуле
где n - относительное расстояние (в долях единицы) от конца линии с индексом ' до точки КЗ.
k
Для между фазного короткого замыкания n вычисляют по выражению:
ф-фm
ф-фm
ф-фm
ф-фm
где m - номер выборки тока или напряжения, соответствующий выбранному моменту расчета относительного значения расстояния до места короткого замыкания, u', u'' - мгновенные значения междуфазных напряжений с одного и второго концов линии (В); i' i'' - мгновенные значения разности фазных токов с одного и второго концов линии (А).
k
Для однофазного короткого замыкания n вычисляют по выражению:
фm
фm
фm
фm
где u', u'' - мгновенные значения фазных напряжений поврежденной фазы с одного и второго концов линии (В); i', i'' - мгновенные значения фазных токов с одного и второго концов линии (А).
По относительному расстоянию до места КЗ вычисляют абсолютное:
Следует отметить, что для уменьшения влияния активного сопротивления линии на результат расчета расстояния до места повреждения вычисления целесообразно производить в момент перехода одного из токов через ноль.
Таким образом, применение предлагаемого способа позволяет повысить точность дистанционного ОМКЗ (однофазного или междуфазного) на ЛЭП находящихся под рабочим напряжением.