Способ определения поврежденных фаз и вида повреждения линии электропередачи

 

Использование: избиратели фаз. дистанционная защита, определители мета повреждения в линиях электропередачи. Сущность изобретения: измеряют фазные токи и ток нулевой последовательности, формируют свободные сигналы путем подавления периодического сигнала основной частоты, формируют безнулевые свободные сигналы и сравнивают их по величине и на этой основе идентифицируют однофазное и двухфазное замыкание, в противном случае настраивают на сигнал нулевой последовательности адаптивный фильтр, а затем пропускают через него свободные фазные сигналы, сравнивают выходные сигналы между собой и на этой основе идентифицируют замыкание на землю. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.. 6 ил. v fe 00 ю о ю XI 4 CJ

СОн 1 с)ГВЕ)СкИХ

СОЦИИЛИС ГИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (э))э Н 02 Н 3/26

ГОСУДЛРСТВГ)ФЮЕ Г)АТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСГ) А ТЕ Нт СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

М

О

О 4

Ь (21) 5024436/07 (22) 29.01.92 (46) 07.06.93. Бюл. N 21 (71) Всесоюзный научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт релестроения и

Чувашский государственный университет им. И.H,Óëüÿíîâà (72) Ю.Я.Лямец, В.И.Антонов, В.А.Ефремов и Г.С.Нудельман (73) Всесоюзный научно-исследовательский. проектно-конструкторский и технологический институт релестроения (56) Аржанников Е.А. Дистанционный принцип в релейной защите и автоматике линии при замыканиях на землю. М.: Энергоатомиздат, 1985, с. 42-49.

Авторское свидетельство СССР

М 1417094, кл. Н 02 Н 3/26, 3/16, 1987.

Лосев С.В., Онучин В.А., Плотников В.Г.

Фильтровый избирательный орган, реагирующий на соотношение аварийных значений симметричных составляющих. - Изв. вузов, Электромеханика, 1988, ) в 10, с. 57-64.

Авторское свидетельство СССР

N 1374324, кл. Н 02 Н 3/26, 1986.

Лямец Ю.Я. К анализу переходных процессов в трехфазных цепях методом симметричныхх составляющих,— Электричество, 1988, М 12, с. 57-60.

Лямец Ю.Я„Антонов В.И., Арсентьев

А.П. Адаптивный цифровой фильтр основной гармоники токов и напряжений электрической сети. — Иэд. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1989.М 6.(с. 116, раздел "Реакция цифрового фильтра на свободный процесс в электрической сети). АЗ „„1820974 А3 (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВРЕЖДЕННЫХ ФАЗ И ВИДА ПОВРЕЖДЕНИЯ

ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ (57) Использование: избиратели фаэ, дистанционная защита, определители мета повреждения в линиях электропередачи, Сущность изобретения; измеряют фазные токи и ток нулевой последовательности, формируют свободные сигналы путем подавления периодического сигнала основной частоты, формируют безнулевые свободные сигналы и сравнивают их по величине и на этой основе идентифицируют однофаэное и двухфазное замыкание, в противном случае настраивают на сигнал нулевой последовательности адаптивный фильтр, а затем пропускают через него свободные фаэные сигналы, сравнивают выходные сигналы между собой и на этой основе идентифицируют замыкание на землю. 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 6 ил.

1820974

Ток нулевой последовательности определяется как среднее мгновенное значение фазных токов

Изобретение относится к электротехнике, а именно к релейной защите и системной автоматике, и может быть использовано в избирателях фаз. дистанционной защите, определителях места повреждения.

Цель изобретения — дальнейшее повышение чувствительности способа.определения поврежденных фаз и повышение . надежности его функционирования.

На фиг.1 изображена схема. линии электропередачи без указания повреждения; на фиг.2-4 — та же схема, но с указанием вида короткого замыкания: междуфазного, однофазного и двухфазного; на фиг.5 — структурная схема, реализующая предлагаемый способ, на фиг.6, используемой при теоретическом обосновании способа,— комплексная схема замещения электропередачи в свободном режиме при двухфазном замыкании на землю..

На фиг.1 указаны фазы электропередачи 1 — 3 и место измерения токов 4. На фиг.23 отдельно указаны особая фаза 5, отстающая 6 и опережающая 7 фазы. Указа-. но также место повреждения 8; хотя оно и неизвестно. Схема фиг.5 состоит из следующих блоков: заграждающих фильтров 9-12, предназначенных для подавления устано. вившихся слагаемых токов, вычитателей 1315, компараторов 16-21, предназначенных для выявления токов, совпадающих по величине и одинаковых или противоположных по направлению, адаптивного фильтра 22, настраивающегося по своему входному сигналу, цифровых фильтров 23-25, параметры которых задаются адаптивным фильтром

22, и селекторов 26, 27, которые анализируют выходные сигналы компараторов 16-18 или 19-21. В результате такого анализа се-:. лекторы определяют особую фазу и вид повреждения. Информация о фазе появляется на выходах 28-33, а о повреждении — на выходах 34-36: при междуфазном — на выходе 34, однофаэном — на выходе 35 и. двухфазном на землю — на выходе 36, Комплексная схема замещения (фиг.6) выполнена в системе нулевой и безнулевых составляющих (5) и состоит из подсхем прямой (обратной) 37; 38 и нулевой 39 последо-. вательностей. По отношению к. месту повреждения подсхемы представляют собой входные операторные сопротивления .

Z(p), Zo(p). Комплексная схема отнесена к особой фазе ф; в качестве которой может выступать любая из трех реально существующих фаз э А, В, С, где т- обозначение произвольной фазы; Фазы, отстающие и опережающие по отношению к особой. будем обозначать соответственно ф — 1 иф+ 1.

5 lo = (1/3) ОА + ig +! с), (3) + — 1.+1 +1 —— О, 40

4. При междуфазном замыкании (фиг.2) выполняются соотношения:

4=0;

45 согласно (2) ly = Iy; (4) в месте двухфазного замыкания

Иф= 0; согласно (4) . (г(=0

55 и из(3) Ч вЂ” 1 = — 1 4+1 отсюда и для свободного режима а беэнулевая составляющая — как разность мгновенных значений фазных токов и тока нулевой последовательности

Ь =Ь вЂ” 1О (2)

Ток l0 может быть измерен в линии непосредственно. Тогда (13 не применяется, но

15 п определяется по-прежнему как (2).

Предлагаемый способ основан на следующих теоретических положениях:

1. Свободные нулевая и беэнулевая составляющие могут быть найдены из комп20 лексных схем замещения. Но эти схемы не следует путать с широко известными схемами для симметричных составляющих, которые не отражают временных процессов, так как от мгновенных величин прямой и обрат25 ной последовательности невозможно перейти к фазным величинам. 2. Если имеются две идентичные цепи и в какой-нибудь из их одинаковых ветвей свободные процессы совпадают, то они бу30 дут совпадать во всех остальных одинаковых ветвях. Доказывается на основании принципа. компенсации —. Свободный про- . цесс в цепи может быть интерпретирован как реакция на действие свободного тока

35 одной Йз ветвей.

3. Система безнулевых составляющих " уравновешена, т.е.

1820974 (5) ИЯ вЂ” 1 = !Я+1=0

15. (6) (7) (8) (17) Ifo. = И (РЛ), (1 12 (1 8) l f, (— 1,се I f,(+1,ñâ -. причем в силу положения 2 равенство (5) справедливо для токов в любом месте симметричной линии электропередачи, в том числе и в месте повреждения (таблица).

5. При однофазном замыкании (фиг.3) в месте повреждения и согласно

И 4 — 1 = ИЛ+1. откуда для свободного режима

1Я вЂ” 1,се — If,g + 1,св.

vTo, как и (5), справедливо в любом месте, в том числе и в месте повреждения (табл.1).

6. При двухфазном замыкании на землю (фиг.4) нет простых соотношений вроде (5), (6), но есть. определенные закономерности в протекании переходного процесса. Дело в том, что характеристическое уравнение цепи по фиг,1 для разных ветвей выглядит по-разному. Относительно ветвей 37, 38 или

L(p)+2 1 о (р)= О

L(p)=0 и относительно ветви 38

L(p)+ L(p)/2 = О. что совпадает с (7), но никак не отражает (8).

Пусть рЛ = — Щ+)ойu ри = — /Зр+ jfqcкорни уравнения (7) и, соответственно, (8).

Тогда можно утверждать, что свободный безнулевой ток содержит колебания комплексных частот рЛ и ри. а ток нулевой последовательности — только частот

И,(- 1,ce = if,g — 1(РЛ) + И.ф — 1 (ри) (9)

If,(+1, = И. +1(рЛ) + И,ф+1(ри) (10) Комплексные частоты рЛ являются общими для всей электрической цепи, а частоты ри — внутренними, только для параллельных идентичных ветвей.

7. Свободные токи в идентичных параллельных ветвях на общих частотах всей цепи рЛ одинаковы, т.е.

И,g — 1(рЛ) = И,(+1(pA) =И(pk). (12) Это положение не зависит от того. где находятся источники и каКовы начальные условия. Поясним его. Свободные величины состоят из отдельных слагаемых — затухаю5 щих гармоник (в частном случае экспонент).

Пусть — РЛ

0Л = 0Ле sin (вЛт + ЧЯ,) (13)

10 есть одна из таких слагаемых в напряжении между узлами схемы по фиг.б. а

И,g — 1Я = Я-е Л sin (иЯt +уЛ) (14) то же. но в токе одной ветви. Между ними имеется следующая взаимосвязь:

И,ф — 1Л = l„((Uk (рЛ)) еР 1 (15) где ОЛ = ОЛ ехр j Ч% . Ток определяется па20 раметрами напряжения и входным операторным сопротивлением, определенным на частоте рЛ. Начальные условия в это соотношение не входят, равно как и источники.

Таким образом, 25

1Л = !Л ехр )уЛ = ШЛ (рЛ)

1Л = Щбп1об L (pg) 30 уЛ = ЧЯ, — агд L (pg) и эти связи справедливы для обеих идентичных ветвей.

8. На частотах ри внутреннего переходного процесса связь между токами ветвей — 1 и (+ 1 противоположна (12) И, — 1 (pp) = — И,(+ 1 (ри) = И (рр) (16) 40

В самом деле, поскольку в элементе 39 схемы фиг.б тока частот ри нет, то свободный процесс на этих частотах должен замыкаться в контуре, состоящем из двух элементов

45 37, 38.

Подытоживая, перепишем (9), (10) с учет ом (12), (16) И,ф — 1.св =if (рЛ) + if (ри)

50.

if,(+ 1,св = i f (рЛ) — if (ри).

9. Спектральный состав всех токов внутри каждой подсхемы одинаков, поэтому с

55 учетом положения 2 свойства (17), (18) распространяются и на токи в месте измерения (таблица). Что же касается тока нулевой последовательности; то в месте измерения его спектр также не содержит частот Р1, как и ток lfo,св (табл.1).

182091 74

35

40 свободную слагаемые

I = 1уст+ 1св, 45

V(t) — 1св (t) + I cl (t - Т) (23) г;войства свободных токов при различных видах коротких Замыканий

10. Спектральный состав реальных свободных токов ограничен. Этому есть две причины. Во-первых, высокочастотные комnoHf нты переходного процесса ослабляются измерительными трансформаторами тока. Во-вторых, при аналого-цифровом преобразовании токов применяется еще и фильтрация нижних частот(подавление верхних). как того требует теорема Когельникова. Отсюда следует, что слагаемые токов двухфазного замыкания на землю выражается конечными суммами затухающих гармоник (экспонент): макс ! (ф) = ;Яе ® sin (mgt+yg) (19)

Л=1 макс

1(цу) = "„>", l Е Ф sin (и@1 + ф) (20) ,и =1

Верхние индексы в (20) проставлены во избежание путаницы параметров общего и внутреннего переходных процессов.

11. Адаптивная фильтрация свободного тока за строго определенное время и без методической погрешности подавляет конечную сумму затухающих гармоник. Для подавления, например. сигнала (21) потребуется адаптивный фильтр порядка m =

=2 Сакс Его уравнение л m л

i(k) =.- аз i (k-S), k > m, (22)

S =1 где k — дискретное время, as — параметры фильтра, определяемые в процессе адаптации к входному сигналу I(k), i(k) — выходной сигнал, k - 0 — момент начала настройки адаптивного фильтра. Адаптация (настройка) заключается в подборе параметров аа из л условия близости оценок i(k) к измеренным отсчетам входного сигнала l(k).

12. Линейное преобразование не изменяет сйектра комплексных частот. В частности, операция создает выходной сигнал V(l) с тем же спектРОм частот. Что и вхОДной сигнал 1са(1), 13. Адаптивный фильтр (22), настроенный на сигнал с Hf?êoòîðûì спектром частот

20 р, подавит и любой друтой сигнал тем же

ЧаетотНЫМ СПЕКгРОМ.

Подавляющие свойства фильтра (22) определяются корнями его характеристического уравнения. а они в свою очередь определяются только лишь часготами р свободного сигнала на который настроен данный фильтр. и не зависит от амплитуд и начальных фаз отдельных затухающих гармоник, Перейдем к изложению предлагаемого способа, При этом понадобятся схема фиг.5, соотношения, сведенные в таблицу, и положения 11-13. Способ образован следующей совокупностью операций, выполняемых в заданной последовательности. В месте 4, условно называемом началом линии, измеряются токи lf фаэ 1 — 3 (фиг.1). Эту операцию осуществляют измерительные трансформаторы тока. Ток нулевой последовательности

io, возможно, также измеряется при помощи специального трансформатора, Иной вариант заключается в определении тока Ip посредством усреднения фазных токов (формула 1). Для этого понадобится сумматор с делителем выходного сигнала (на схеме фиг.5 не предусмотрен), Дальнейшие операции частично могут выполняться над аналоговыми сигналами, Но на определенном.этапе могут понадобиться дискретные сигналы. Поскольку это не принципиально.

-далее предполагается, что на схему фиг.5 подаются дискретные сигналы ill, lo, т.е. аналого-цифровое преобразование совершается еще до входа схемы. Если fo номинальная частота сети, а fa — частота дискретизации, то принимается, что N = .=fa/fo есть целое число.

Токи lf, io содержат установившуюся и

Установившаяся — периодическая

1уст (k) = 1уст (k N).. в предлагаемом способе она не используется и должна быть подавлена. Операция подавления установившейся слагаемой выполняется путем вычитания отсчетов, отстоящих друг от друга на. период основной частоты

V(k) = -I(k) + I(k - N), (24) что и составляет содержание блоков 9-12.

При этом подавляется как основная гармоника, так и высшие гармоники, и нулевая тоже. Свободную же слагаему о операция вычитания отсчетов (24) не г г паю л с и. как и аналоговая Операция гР" 1 .. наменяв(1820974

30

35 имеет тот же спектральный состав, что и ток нулевой последовательности, и следова40 тельно, будет подавлена в процессе фильтрации (Wg 0).

Следующая операция — обнаружение совпадающих по величине и противоположных по знаку сигналов Wy . На схеме эту

45 операцию выполняют компараторы 19 — 21.

Операция сравнения величин трех сигналов

Щ совершается тэк же, как и описанная выше операция сравнения сигналов Vi Ho здесь проверка знаков сигналов решает более простую задачу — всего лишь подтверж55 спек рэльного состава свободного тока. Fcли записать свободный ток с указанием его комплексных частот:

l,„(k) - l«(k, р), то о сигнале V(k) можно сказать. что V(k) = Ч«(к) - ч«(К р) хотя само по себе соотношение между V(k) и l<(k) имеет форму (24).

Дальнейшие операции классифицируют повреждения в соответствии с соотношениями, приведенными в таблице.

Предварительно определяются безнулевые величины Vp = Чр - V< (вычитатели 13-15).

Существенно, что свойства безнулевых свободных токов передаются величинами Vp в полном объеме, так как Vv u lp связаны между собой тем же линейным преобразованием. что и величина Чо с током 1о.

Операция сравнения сигналов Vj, между собой заключается в сравнении их знаков, а затем и величин. Компараторы 16-18, осуществляющие указанную операцию, сравнивают разность модулей с установкой к, масштабируемой в соответствии с уровнем сравниваемых величин

I 1 (Vv(-(Vy — 1(< 6Чч(ф Чм — 1(, (25) и если неравенство выполняется, то операция сравнения дает положительный результат (один из компараторов 16-18 срабатывает).

Следующая операция — выбор особой фазы и определение вида повреждения по результатам сравнения сигналов Чр (табл.2). На схеме фиг.5 ее осуществляет селектор 26. Если обнаружилось, что совпадают по величине только два из трех сигналов

Vy (сработал один иэ трех компараторов

16 — 18), то ситуация идентифицируется как однофазное либо междуфазное замыкание.

Дополнительно анализируют знаки сравниваемых величин (табл. 2). Если они совпадают, то замыкание определяется как однофазное, а если противоположны — междуфазное. Особая фаза определяется тем, какие из сигналов Чр совпали по величине.

Может оказаться, что условие (25) не выполняется ни при каком иэ трех значений или, наоборот, выполняется сразу при двух (или всех трех) значениях. Тогда анализируется версия о двухфазном замыкании на землю (блоки 19-27). Здесь первая операция — адаптивная фильтрация сигнала нулевой последовательности Ч (настройка адаптивного фильтра 22 на подавление этого сигнала). Затем такой же обработке под5

Ф вергаются три фазных сигнала Чг, Но между первой и следующими операциями имеются существенные различия. Парэмеi ры адаптивной фильтрации определяются лишь однажды - при подавлении сигнала Vp. Отсюда и различие между фильтрами 22 и 23-25. первый — адаптивный, действует по алгоритму (22), и его параметры as заранее неизвестны. После егс настройки (процедура настройки описана в (6Иэти параметры передаются обычным (неэдаптивным) цифровым фильтрам 23-25. Отсюда ясно. что первая, адаптивная, фильтрация определит параметры, необходимые для подавления частот f, присутствующих в токе нулевой последовательности, а последующие процессы фильтрации фаэных величин Vp уже не требуют настройки; получив найденные параметры, эти процессы подавят составляющие частот р в обрабатываемых величинах. Результат фильтрации — величины W (выходные величины цифровых фильтров

23-25) содержат только частоты р„внутреннего переходного процесса, и в соответствии с данными таблицы 1 можно утверждать, что при двухфазном замыкании на землю величины двух поврежденных фаз дадут результат что же касается третьей, особой, фазы, то в силу равенства (3) ее величина

V g = — (Vg + V (+,} = — 2 V (рЛ) дения закономерности, присущей двухфазному замыканию на землю. Если обнаруживаются двэ сигнала Wv u Wv-1 совпадающие по величине в смысле условия (25), и их знаки противоположны, то идентифицируется данный вид повреждения, и остается совершить заключительную операцию — выбрать поврежденные фазы.

На схеме эту задачу решает селектор 27, 1820974

Свойства свободных токов при различных видах коротких замыканий

Таблица 2

Выбор особой фазы и определение вида повреждения

Ф определяющий сработавший компаратор из числа 19 — 21 и указывающий соответствующие ему фазы. Если выясняется, что признаки таблицы 1, присущие неполнофазным эамыкайиям, не обнаруживаются, то данное обстоятельство трактуется как трехфазная коммутация — изменение нагрузки линии электропередачи или трехфазное короткое замыкание.

Как следует из вышеизложенного, описанный способ обладает абсолютной чувствительностью, его действие не зависит от схемы сети, числа источников, предшествующего режима, явлений в месте повреждения. В его основе лежат закономерности свободного процесса втрехфазной сети,,носящие фундаментальный характер и ранее неизвестные.

Формула изобретения

1. Способ определения поврежденных фаэ и вида повреждения линии электропередачи путем измерения и преобразования трехфэзных токов и тока нулевой последовательности, компенсации фазных токов нулевой последовательности, сравнения компенсированных сигналов и формирования выходных сигналов. от лича ю щийс я тем, что во всех измеренных, токах подавляют составляющие основной частоты и ее гармоник, формируя тем самым три свободных фазных сигнала и свободный сигнал нулевой последовательности, компенсацию фаэных токов осуществляют путем вычитаГ) р и м е ч а н и е: К - междуфазное замыкание; (г) .

К - однофазное; (1)

К()- двухфазное на землю. (1,1) ния свободного сигнала нулевой последовательности иэ всех свободных разных сигналов, формируя тем самым три беэнулевых свободных сигнала, сравнение компенсиро5 ванных сигналов осуществляют путем непосредственного сравнения мгновенных значений безнулевых свободных сигналов по величине и по знаку, и, если два из них совпадают по величине и противоположны

10 по направлению, то идентифицируют двухфазное короткое замыкание фаэ, соответствующих двум укаэанным сигналам, если же два из них совпадают и по величине и по направлению, то идентифицируют однофаз15 ное замыкание на землю фазы, соответствующей третьему сигналу. в противном случае пропускают свободный сигнал нулевой последовательности через адаптивный фильтр, настраивают адаптивный фильтр на

20 подавление указанного сигнала и пропуска-. ют через настроенный адаптивный фильтр свободные фазные сигналы, формируя три выходных сигнала, сравнивают выходные сигналы между собой и, если два из них

25 совпадают по величине и противоположны по направлению, то идентифицируют замыкание на землю двух фаз, соответствующих указанным сигналам, 2. Способпоп1,отличающийся

30 тем, что для подавления составляющей основной частоты и ее гармоник отсчеты каждого измеренного фазного тока вычитают с интервалом в период.

Таблица!

1820974

6g ф f cg г,6

Редактор Т.Иванова

Закаэ 2043 Тираж . ПодпиСное"

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям ври ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская йаб., 4/6

Производственно-издательский комбинат "Патент", r;.Ужгород. ул.Гагарина, 101

4 i4

И

Составитель Ю:Лямец

Техред М.Моргентал Корректор М.Самборкая