Результат интеллектуальной деятельности: Способ определения места короткого замыкания на воздушной линии электропередачи с распределенными параметрами

Предлагаемое изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для определения места короткого замыкания на длинных воздушных линиях электропередачи с распределенными параметрами напряжением 220 кВ и выше на основе измерения параметров аварийного режима 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.

Известен способ определения места короткого замыкания 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 по соотношению параметров линии и 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 с другого 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. Кроме того, данный метод не учитывает емкость линии на землю и различие сопротивлений фазных проводов линии

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 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. Данный метод, также как предыдущий, не учитывает емкость линии на землю и различие сопротивлений фазных проводов линии.

Известен способ [Аржанников Е.А., Чухин A.M. Методы и приборы определения места короткого замыкания на линиях: Учебное пособие / Ивановский государственный энергетический университет, г. Иванове, 1998. - 74 с.], в основу которого заложено предположение о том, что сопротивление в месте короткого замыкания имеет чисто активный характер, и, как следствие, реактивная мощность в месте повреждения равна нулю. Критерием короткого замыкания является равенство нулю реактивной мощности в месте повреждения, для определения которой используются мнимая часть системы из трех произведений комплекса напряжения и сопряженного тока в месте повреждения в системе симметричных или фазных координат. Метод реализуется следующим образом, сначала фиксируют момент повреждения, измеряют в начале и в конце линии напряжения и токи первой гармоники в доаварийном и аварийном режимах. Полученные величины токов и напряжений передают на противоположный конец линии, где определяют ток в месте короткого замыкания как сумму токов на концах линии. Затем, меняя расстояние от нуля до величины, равной длине линии, находят для каждой точки линии с определенным шагом напряжение как разность между напряжением в конце линии и падением напряжения до предполагаемой точки повреждения. Для каждой из точек через произведение комплекса напряжения и сопряженного комплексного тока в месте повреждения находят полную мощность, мнимая часть от которой равна реактивной мощности в предполагаемом месте короткого замыкания. Точка, в которой реактивная мощность окажется минимальной и будет являться местом повреждения. Такой расчет проводится либо для всех трех фаз линии, либо для всех трех последовательностей симметричных составляющих, что позволяет повысить точность процедуры определения 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 по соотношению измеренных с одного конца величин и параметров линии расстояния до места короткого замыкания. Аналогично по соотношению измеренных величин с другого конца определяют расстояние до места короткого замыкания с другого конца.

Недостатком способа является необходимость использования только мнимых составляющих расчетных величин. Также указанный способ, как и другие, ранее указанные способы определения места короткого замыкания, обладает таким существенным недостатком, как неучет емкости линии на землю и неучет различия сопротивлений фазных проводов линии.

Указанные недостатки могут приводить к значительной погрешности в определении места короткого замыкания из-за неполного учета параметров линии, из-за неучета емкостных параметров линии.

Известен способ определения места повреждения на воздушных линиях электропередачи (патент RU 2426998), принятый за прототип, в котором повышение точности определения места повреждения осуществляется за счет учета поперечных емкостей и волновых процессов на линиях электропередачи. Результат достигается за счет введения в схему замещения линии электропередачи (модели линии) на стадии получения расчетных выражений поперечных емкостей и использования телеграфных уравнений для описания воздушной линии электропередачи для симметричных составляющих.

В ранее предлагаемых методах определения места повреждения поперечные емкости не вводили в схему замещения по причине сложности получения расчетных выражений из-за увеличения контуров в модели линии. Такое допущение может приводить к существенной погрешности, особенно на линиях электропередачи большой протяженности и высокого напряжения.

В прототипе используют телеграфные уравнения, полученные для однофазной линии электропередачи, для описания трехфазной линии электропередачи (модели линии). Составление системы дифференциальных уравнений для трехфазной линии электропередачи в соответствии с теорией волновых процессов - задача громоздкая и для практики малоприменимая. Составление системы дифференциальных уравнений для однофазной линии электропередачи требует в значительной степени меньше трудозатрат и позволяет получить телеграфные уравнения, учитывающие волновые процессы на однофазной линии. Телеграфные уравнения, полученные для однофазной линии электропередачи, недопустимо использовать для трехфазной линии электропередачи, т.к. все три фазы связаны и влияют друг на друга. Однако телеграфные уравнения, полученные для однофазной линии, можно применить по отдельности к прямой, обратной и нулевой последовательностям линии электропередачи, что ранее не выполнялось.

Предложенный в прототипе подход позволяет учесть волновые процессы на линиях электропередачи, чем повышает точность определения места повреждения, и в то же время дает возможность практической реализации метода, благодаря отсутствию громоздких вычислений и сложных математических преобразований, что было бы неизбежно, если бы для учета волновых процессов использовалось полное описание трехфазной линии электропередачи системой дифференциальных уравнений.

Недостатком способа, принятого за прототип, является неучет пофазного различия параметров линии, неучет междуфазных емкостей 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.

Технический результат достигается за счет того, что в способе определения места короткого замыкания на линии электропередачи с распределенными параметрами по замерам с двух ее концов, соединяющей две питающие системы, в котором измеряют с двух концов линии (' - один конец линии, ʺ - второй конец линии) несинхронизированные по углам комплексные фазные токи и напряжения основной частоты в момент короткого замыкания, расчетным путем определяют значение расстояния до места короткого замыкания, согласно изобретению предварительно формируют модель линии, как значения продольных и поперечных параметров N участков схемы замещения линии в трехфазном виде:

где:

Z_ijAA, Z_ijBB, Z_ijCC - значения собственных продольных сопротивлений фаз участка i-j линии, Ом;

Z_ijAB, Z_ijAC, Z_ijBA, Z_ijBC, Z_ijCA, Z_ijCB - значения взаимных продольных сопротивлений фаз участка i-j линии, Ом;

Y_ijAA, Y_ijBB, Y_ijCC - значения собственных поперечных емкостных проводимостей фаз участка i-j линии, Ом;

Y_ijAB, Y_ijAC, Y_ijBA, Y_ijBC, Y_ijCA, Y_ijCB - значения взаимных поперечных емкостных проводимостей фаз участка i-j линии, Ом;

Значения 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):

Значения емкостных проводимостей фаз на «землю» и взаимных емкостных проводимостей между фазами определяются по общеизвестным выражениям (например, Висящев А.Н. Приборы и методы определения места повреждения на линиях электропередачи, Иркутск, уч. пособие, изд-во ИрГТУ, 2001 г., с. 27-29):

Далее после получения значений измеренных фазных напряжений на шинах и токов с двух концов линии (' и ʺ) задают поочередно точки j в конце каждого участка вдоль линии, формируют и сохраняют для двух концов линии значения комплексных фазных напряжений в каждой j-й точке по выражениям:

где:

- значения комплексных фазных напряжений в каждой i-й точке линии, для i=1 значения напряжений на шинах одного конца линии, В;

- значения комплексных фазных напряжений в каждой i-й точке линии, для i=1 значения напряжений на шинах другого конца линии, В;

- сформированные значения комплексных фазных напряжений в каждой j-й точке линии с одного конца линии, В;

- сформированные значения комплексных фазных напряжений в каждой j-й точке линии с другого конца линии, В;

- значения комплексных фазных токов в начале участка i-j с одного конца линии, для i=1 значения комплексных фазных токов, измеренных с одного конца линии, для i>1 значения комплексных фазных токов в конце предыдущего участка, с одного конца линии, А;

- значения комплексных фазных токов в начале участка i-j с другого конца линии, для i=1 значения комплексных фазных токов, измеренных с другого конца линии, для i>1 значения комплексных фазных токов в конце предыдущего участка, с другого конца линии, А;

- значения продольных собственных и взаимных сопротивлений участка i-j схемы замещения линии с одного конца линии, Ом;

- значения продольных собственных и взаимных сопротивлений участка i-j схемы замещения линии с другого конца линии, Ом;

- значения поперечных собственных и взаимных емкостных проводимостей половины участка i-j схемы замещения линии с одного конца линии, См;

- значения поперечных собственных и взаимных емкостных проводимостей половины участка i-j схемы замещения линии с другого конца линии, Сим.

Формируют значения фазных токов в конце каждого участка линии по выражениям:

Если в j-м узле включена отпайка, то формируют значения фазных токов в конце каждого участка линии по выражениям:

где:

- сформированные значения комплексных фазных токов в конце участка i-j с одного конца линии, А;

- сформированные значения комплексных фазных токов в конце участка i-j с другого конца линии, А;

- значения собственных и взаимных проводимостей отпайки с одного конца линии, включающие в себя проводимости линии и трансформатора от отпайки до нагрузки и нагрузки отпайки, См;

- значения собственных и взаимных проводимостей отпайки с другого конца линии, включающие в себя проводимости линии и трансформатора от отпайки до нагрузки и нагрузки отпайки, См;

Далее из сохраненных значений комплексных фазных напряжений и выделяют модули, по которым строят графики с двумя осями зависимости модулей напряжений от номера участка (от расстояния). Точка пересечения графиков соответствует точке короткого замыкания. Дополнительно выделяют аргументы, по которым также строят графики с двумя осями.

Таким образом, предлагаемое изобретение имеет следующие общие признаки с прототипом:

1) Предварительное формирование расчетной модели линии;

2) Измерение с двух сторон линии фазных токов и напряжений в момент замыкания на линии;

3) Расчет контролируемого параметра по данным модели сети и измеренным токам и напряжениям.

Предлагаемое изобретение имеет следующие отличия от прототипа, что обуславливает соответствие технического решения критерию новизна:

1) Схемы замещения линий составляют в трехфазном виде, что позволяет наиболее полно учесть физические параметры линии (взаимоиндукцию между проводами фаз линии, междуфазную емкость и емкость на землю);

2) Схема замещения линий составляется из участков линии, что позволяет учесть различие в параметрах линий (транспозиция, различный тип опор, грозозащитный трос, и т.п.) на каждом участке.

3) По измеренным токам и напряжениям и параметрам схемы замещения линии рассчитывают контролируемый параметр - значения комплексных фазных напряжений, из которых выделяются модули, по которым строятся графики с двумя осями зависимости модулей напряжений от расстояния. Точка пересечения графиков соответствует точке короткого замыкания.

Из уровня техники неизвестны отличительные существенные признаки заявляемых способов, охарактеризованных в формуле изобретения, что подтверждает ее соответствие условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Способ реализуют следующим образом.

На предварительной стадии формируют полную модель линии, в трехфазном виде с учетом взаимоиндуктивных и емкостных связей между проводами линий.

При возникновении короткого замыкания измеряют и регистрируют значения комплексных фазных напряжений на шинах и фазных токов в линии.

Далее разбивают модель линии на равные участки, например от опоры до опоры, формируют напряжения в конце каждого участка в каждой фазе, начиная от шин с одного и другого концов линии, формируют токи в конце каждого участка в каждой фазе, начиная от шин с одного и другого концов линии, регистрируют модули фазных напряжений в конце каждого участка в каждой фазе, начиная от шин с одного и другого концов линии. По модулям напряжений строят графики с осями с двух сторон зависимости модулей напряжений от номера участка (от расстояния). Точка пересечения графиков с одного и другого концов линии соответствует точке короткого замыкания.

Предложенный способ также позволяет определять место короткого замыкания при других видах замыкания: двухфазном, двухфазном на землю, трехфазном, позволяет учесть транспозицию линии. При этом не нужно выполнять синхронизацию замеров по концам линии.

Определение места повреждения, выполненное по предложенной методике, показало также полное отсутствие методической погрешности при наличии переходного сопротивления от 1 до 50 Ом и при изменениях нагрузочного режима в широких диапазонах.

Таким образом, использование полной модели линий в трехфазном виде и измеренных значений фазных токов и напряжений позволяет получить более точную модель, чем достигается более точное определение расстояния до места повреждения.