Способ быстродействующей дистанционной защиты линий электропередачи постоянного или переменного тока по мгновенным токам и напряжениям

 

Изобретение относится к области релейной защиты и применимо к линиям постоянного и переменного тока. Используется ранее неизвестная закономерность распределения прогнозируемого напряжения вдоль линии электропередачи. Напряжение прогнозируется в предположении, что линия не повреждена вне зависимости от ее реального состояния. Если повреждение имеет место, то прогнозируемое напряжение при переходе через место короткого замыкания изменяет свой знак. По данному способу прогнозируются все фазные и линейные напряжения в конце защищаемой зоны. Их знаки сравниваются со знаками соответствующих измеряемых напряжений Противоположности знаков достаточно для срабатывания защиты линий постоянного напряжения. Но для линий переменного напряжения требуется еще дополнительные параметры, например, приращения измеренных и прогнозируемых напряжений. Срабатывание производится, если знаки приращения так же противоположны, как и знаки самих напряжений. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к электротехнике, конкретно к релейной защите электрических сетей, и может быть использовано для построения дистанционной защиты линий электропередачи постоянного или переменного напряжения по мгновенным значениям входных величин, в том числе и для волновой защиты.

Известен способ дистанционной защиты на основе мгновенных значений входных токов и напряжений. Он действует по принципу идентификации схемной модели линии электропередачи с сосредоточенными параметрами.

Известны также способы релейной защиты на основе контроля волновых переходных процессов (волновая релейная защита). Они предполагают реакцию на фронты волн, распространяющихся от места короткого замыкания по направлению к месту наблюдения. Недостаток этого способа заключается в кратковременности существования информационного фактора аварии.

Известен способ, свободный от данного недостатка. Он предполагает реагирование на величины, существующие как в переходном, так и в установившемся режиме. Но ядро этого способа составляет сложная, трудно реализуемая операция определение времени смещения относительно друг друга двух подобных сигналов произвольной формы.

Известен принципиально иной подход к определению зоны повреждения линии электропередачи. Он заключается в одностороннем измерении токов и напряжений, в том числе нулевой последовательности, и в преобразовании их в параметры двух предполагаемых повреждений. Первое предполагается в начале защищаемой зоны, а второе в конце. Способ основан на важной закономерности поведения параметра повреждения, предполагаемого в произвольной точке линии. Этот параметр изменяет свой знак в неизвестном месте истинного повреждения. Если знаки двух указанных параметров противоположны, то данное обстоятельство свидетельствует о повреждении линии в контролируемой зоне. Для исключения отрицательного влияния случайных факторов на селективность способа определяются также дополнительные параметры, которые сравниваются с уставками, и повреждение констатируется только в том случае, если сравнение дает ожидаемый результат.

В указанном способе используются реактивные параметры повреждения (реактивная мощность, реактивное сопротивление), что предполагает операции только с основными гармониками токов и напряжений. Следовательно, первоначальная операция задана жестко это преобразование мгновенных токов и напряжений (отсчетов) в ортогональные составляющие. Но такое ограничение в последовательности операций имеет два недостатка. Во-первых, сужается область применения способа, так как не охватываются линии электропередачи постоянного тока. Во-вторых, снижается его быстродействие, так как фильтрация ортогональных составляющих инерционная операция, требующая времени наблюдения процесса не менее периода частоты сети.

Цель изобретения заключается в таком расширении функциональных возможностей способа, когда род тока перестает играть особую роль, и в повышении быстродействия.

Цель достигается тем, что операции, позволяющие выявить зону повреждения линии электропередачи, строятся на основе более общих закономерностей, чем известные ранее. Эти новые закономерности относятся к мгновенным величинам. Тем не менее в качестве прототипа избран способ, оперирующий главным образом ортогональными составляющими (комплексами). Но здесь нет противоречия, поскольку заявляемый способ имеет больше общих признаков с прототипом, чем с аналогами.

Как и в прототипе, измеряются линейные токи, фазные и линейные напряжения, ток и напряжение нулевой последовательности, которые преобразуются в первый параметр, определяемый в первом предположении, что повреждение произошло в начале линии, во второй параметр, определяемый во втором предположении, что повреждение произошло в конце защищаемой зоны, и в дополнительные параметры. Сравнивают знаки первого и второго параметров между собой, сравнивают дополнительные параметры с уставками и констатируют повреждение, если знаки противоположны, а сравнение с уставками дало ожидаемый результат.

Но в отличие от прототипа здесь параметры предполагаемых повреждений формируются непосредственно из мгновенных значений входных величин и представляют собой фазные и линейные напряжения в месте предполагаемого повреждения. Иначе формируются и дополнительные параметры, а именно формируются не один первый и один второй параметры, а несколько. Параметры подразделяются на фазные и линейные. В качестве первых фазных и линейных параметров принимают отсчеты измеряемых фазных и линейных напряжений. В качестве вторых параметров принимают не реальные, т. е. измеряемые, величины, а прогнозируемые (предполагаемые), определяемые в предположении, что повреждение находится в конце защищаемой зоны. Фактически, поскольку речь идет о напряжениях линии, предполагается, что контролируемая зона не повреждена вовсе. Операции, с помощью которых определяют вторые параметры, в равной степени пригодны для линий постоянного и переменного тока. Это делается через нулевую последовательность и безнулевые (центрированные) фазные величины: определяют безнулевые токи и напряжения в начале линии, которые во втором предположении (что зона не повреждена, хотя в реальности, быть может, дело обстоить иначе) преобразуют в прогнозируемые безнулевые напряжения конца защищаемой зоны, так же поступают с величинами нулевой последовательности. Суммируя отсчеты нулевого и безнулевых предполагаемых напряжений, получают отсчеты прогнозируемых фазных напряжений, а по ним и линейных в конце предположительно неповрежденной зоны. Заключительная операция попарное сравнение знаков первых и вторых параметров, выявляющее поврежденные фазы и тем самым вид повреждения. Для линий постоянного тока этих операций достаточно, а для линий переменного тока необходимы еще операции формирования и контроля дополнительных параметров. Возможны разные варианты.

В качестве дополнительных параметров могут быть приняты приращения первых и вторых основных параметров. Тогда сравнивают знаки двух приращений. При повреждении линии знаки должны быть противоположны. Иным дополнительным параметром может быть приращение отношений первого и второго основных параметров. При повреждении оно должно быть достаточно малой величиной. Наконец, дополнительным параметром может быть время несовпадения знаков первого и второго основных параметров, которое при повреждении в зоне велико, а в нормальном режиме мало.

Все указанные выше операции выполняются непосредственно над отсчетами входных величин и, следовательно, обеспечивают достижение цели независимости от рода тока и возможности получения сколь угодно малого времени срабатывания.

На фиг. 1 приведено условное изображение двухпроводной (а) и трехфазной (б) линии электропередачи с указанием измеряемых и прогнозируемых величин, а также распределение прогнозируемого напряжения вдоль повреждений линии (в); фиг. 2 служит иллюстрацией понятий "реальное напряжение" и "прогнозируемое напряжение"; на фиг.3 дана иллюстрация к примеру включения короткозамкнутой линии на постоянное напряжение; на фиг.4 на переменное напряжение; на фиг.5 приведены диаграммы, иллюстрирующие такой процесс в неповрежденной линии переменного тока, который имеет внешнее сходство с режимом короткого замыкания; на фиг.6 приведена структурная схема, представляющая собой реализацию способа.

Ниже используются следующие обозначения: х координата произвольной точки линии, х 0 и х 1 начало и конец защищаемой зоны, s и r индексы начала и конца зоны, f индекс повреждения, х_f координата точки повреждения, ν= А, В, С произвольная фаза, u_sν u_ν(0, t) и i_sν i_ν(0, t) измеренные напряжения и точки, (x, t) напряжения, прогнозируемые в произвольной точке при условии, что отрезок линии от начала до этой точки не поврежден, = u_ν(l,t) прогнозируемые напряжения конца зоны, определяемые в предположении, что повреждения в зоне (0 < x < L) нет, u_so u_o (0, t), i_So i_o (0, t), u_o (l, t), (l, t) измеренные и прогнозируемые величины нулевой последовательности.

Структурная схема относится к дистанционной защите трехфазной сети. Та часть схемы, которая выявляет замыкания на землю, включает в свой состав вычитатели 1-6, предназначенные для выделения безнулевых величин u_ν' u_ν u_o; i_ν' i_ν i_o, (1) преобразователи 7-9 для формирования прогнозируемых безнулевых фазных напряжений в конце зоны = D_l[u, i] (2) где D оператор преобразования; аналогичный преобразователь 10 для напряжения нулевой последовательности = D_lo[U_so,i_so] (3) сумматоры 11-13, формирующие прогнозируемые фазные напряжения u_rν u_rν' + u_o, (4) три логических блока 14-16, идентифицирующих однофазные короткие замыкания (K_ν⁽¹⁾), и логические элементы И 17-20, идентифицирующие двухфазные (K), где ν 1 обозначение отстающей фазы) и трехфазное замыкание на землю. Логические блоки 14-16 выполнены идентично. Они состоят из блока 21 сравнения знаков, тормозного (блокирующего) блока 22 и элемента И 23. Блок сравнения знаков срабатывает, если знаки его входных сигналов противоположны: signu_sν≠ sign. (5) Тормозной блок 22 выполняет более сложную функцию. Например, срабатывает, если выполняется одно из двух условий u > a_s или > a_r (6) где а уставка по напряжению.

Вторая часть структурной схемы, являющая междуфазные замыкания, может работать с теми же входными величинами, что и первая часть. Тогда должны быть предусмотрены блоки линейных напряжений и токов, выдающие разности u_{sν, ν - 1} u_sν u_{s, ν - 1}; i_{sν, ν - 1} i_sν i_{s, ν - 1};
= .

На фиг.6 представлен иной вариант, в котором предполагается, что линейные величины поступают непосредственно от датчиков, т.е. обе части структурной схемы автономны. При этом вторая часть схемы содержит преобразователи 24-26, ничем не отличающиеся от преобразователей 7-9, но предназначенные для формирования прогнозируемых линейных напряжений
= D_l[u_sν,ν-1,i_sν,ν-1] логические блоки 27-29, аналогичные блоками 14-16, но идентифицирующие двухфазные замыкания, и выходной элемнет И 30, идентифицирующий трехфазные замыкания и дублирующий реакцию первой части схемы.

Предлагаемый способ основан на некоторых закономерностях, играющих роль теоретических предпосылок. Главная из них закономерность распределения вдоль линии, поврежденной в точке х_f, прогнозируемого напряжения (x,t), определяемого так, как, если бы линия была не повреждена:
(x,t) D_x[u(o,t),i(o,t)] D_x[u_s,i_s] (7) и в частном случае
(l,t) = D_l[u_s,i_s]
Если допустить, что преобразование D_x идеально отображает реальный неповрежденный объект, то в нормальном режиме прогнозируемое напряжение (x,t) совпадает с реальным u(x,t). Но в аварийном режиме преобразование (7) отражает реальность лишь на одном отрезке линии от места наблюдения (х 0) до места повреждения (х х_f):
(x,t) u(x,t), 0 < x ≅ x_f, (8) а далее тождество нарушается
(x,t) ≠ u(x,t), x > x_f. (9)
В тех случаях, когда переходное сопротивление короткого замыкания незначительно, реальное напряжение в месте повреждения пренебрежимо мало: u(x_f, t) ≡ 0. В соответствии с выражением (8) то же показывает и прогнозируемое напряжение:
(x_f,t) 0. (10)
Преобразование (7) применяется для всех х независимо от х_f и дает такую функцию (x,t), которая в соответствии с выражением (10) пересекает ось х в точке реального замыкания x_f. В разные моменты t функции (x,t) различаются, но точка переход через нулевое значение x x_f остается неизменной (фиг.1в). Другой подобной точки на линии электропередачи нет, следовательно, для выявления повреждения в зоне необходимо установить, во-первых, проходит ли зависимость (x,t) через нулевое значение, что проверяется условием
sign u_s≠ sign , (11) где учтено, что u_s. Во-вторых, необходимо убедиться, что нулевая точка оказалась в зоне не случайно, а занимает там стабильное положение. Если зависимость (x,t) близка к линейной, то свидетельством стабильности нулевой точки явится равенство отношений, полученных на разных кривых:
u_s1/ u_s2/ (12)
О том же говорит и несовпадение знаков приращений Δu_s u_s2 u_s1 и = -:
signΔ u_s≠ signΔ . (13)
Еще одна закономерность относится к изменению переходных сопротивлений в процессе развития аварии. С развитием аварии сопротивления увеличиваются, следовательно, предположение о малости переходных сопротивлений тем правомернее, чем выше быстродействие защиты.

Рассмотрим зависимость (x,t) на некоторых примерах. Начнем с ненагруженной двухпроводной линии в установившемся режиме постоянного напряжения (фиг. 2), когда измеряемые напряжение и ток постоянны: U_s U и i_s I, а прогнозируемое напряжение определяется простым преобразованием
(x, t) (x) U-R°Ix, (14) где R^о первичное (удельное) сопротивление линии. В нормальном режиме выражение (14) справедливо и для реального напряжения линии.

В аварийном режиме, когда I U/R^ox_f,
(x,t) U (1-x/x_f), x > 0, (15) представляет собой линейную функцию, в то время как реальное напряжение
u(x,t) 0, x > x_f
Из выражения (15) видно, что
= U(1-l/x_f) < 0, в то время как u_s U заведомо положительно. Как видим, закономерность (11) строго выполняется в аварийном режиме и не имеет места в нормальном.

Покажем, что способ сохраняет свои свойства и в переходном режиме. Воспользуемся, например, для прогнозирования напряжения уравнениями длинной линии без потерь
u(x,t -τ_x) R_b i(x,t τ_x) u_s(t) R_b is(t);
u(x, t) + R_b i(x,t) u_s(t -τ_x) + R_b is(t -τ_x), где R_b волновое сопротивление;
τ_x x/v, v волновая скорость.

Смещая второе уравнение на τ_x и складывая два уравнения, получим выражение напряжения, прогнозируемого в произвольной точке: 2(x, t-τ_x) u_s(t)+u_s(t-2τ_x)-R_b[i_s(t)-i_s(t-2τ_x)] (16)
Применим данное преобразование к напряжению и току короткозамкнутой линии, включаемой на постоянное напряжение (фиг.3), когда наблюдаемый ток носит ступенчатую форму с единичной первой ступенькой и вдвое большими последующими. Ширина всех ступенек равна 2τ_f 2x_f/v. Полагая в выражении (16) τ_x τ_f, получим в результате преобразования наблюдаемого процесса, что в точке x x_f прогнозируемое напряжение (x_f, t) ≡ 0, как и должно быть согласно выражению (10). Далее получим прогнозируемое напряжение (x_f-Δx, t) для точки x x_f Δx, расположенной левее места короткого замыкания. В этом случае τ_x τ_f -Δτ, где Δτ= Δ x/v, и выражение (16) имеет вид 2(x_f-Δx, t-τ_f+Δτ) u_s(t)+u_s(t-2τ_f+2Δτ)-R_b[i_s(t)-i_s(t-2τ_f+2Δτ)] (17)
Запаздывание 2 (τ_f -Δτ) меньше ширины ступеньки в кривой тока i_s. Поэтому преобразование (17) на начальной части каждой ступеньки длиной 2 (τ_f -Δτ) дает нулевой результат, а на оставшейся части длиной 2Δτ формирует импульс уровня 2U. Следовательно, прогнозируемое напряжение во всех точках левее места повреждения положительно.

Правее места повреждения получим следующее прогнозируемое напряжение: 2(x_f+Δx,t-τ_f-Δτ) u_s(t)+u_s(t-2τ_f-2Δτ)-R_b[i_s(t)-i_s(t-2τ_f-2Δτ)]
(18)
Здесь запаздывание 2 (τf + Δτ) шире ступеньки тока i_s. В результате импульсы прогнозируемого напряжения формируются в начале второй и каждой последующей ступеньки, а поскольку ток i_s(t) входит в преобразование (18) с отрицательным знаком, то и импульсы имеют отрицательный уровень (-2U). Следовательно, для всех точек правее места повреждения сформировано отрицательное напряжение (x,t), что подтвеpждает общую закономерность (фиг.2).

Изменение полярности входного напряжения u_s ведет к адекватному изменению кривой тока i_s. Из фиг.4 видно, каким образом это обстоятельство сказывается на прогнозируемых напряжениях. После изменения знака входного напряжения проходит время 2τ_f, прежде чем преобразования (17), (18) отреагируют на изменившиеся условия сменой полярности формируемых импульсов. Эта инерционность равносильна появлению блокирующего промежутка времени длиной 2τ_f, на котором условие срабатывания (11) не выполняется. Но затем оно восстанавливается, на этот раз уже при иных знаках u_s и .

В нормальном режиме линии постоянного тока условие (11) сложиться не может. Иначе обстоит дело в линии переменного тока (фиг.5). В нормальном установившемся режиме разность фаз между напряжениями в начале и конце зоны не превышает 60^о (по условиям устойчивой работы). Напряжение в промежуточной точке линии (x) занимает промежуточное положение между напряжениями в начале и конце зоны и (фиг.5а). Поэтому мгновенное напряжение u(x,t) переходит через ноль на интервале несовпадения знаков напряжений в начале и конце защищаемой зоны Δt, не превышающем 1/6 периода основной частоты. Чтобы избежать работы на интервале несовпадения знаков граничных напряжений защищаемой зоны, достаточно выполнить одно из двух условий:
u > (/2)U_ms или > ((/2) где U_ms амплитуда измеренного напряжения;
прогнозируемого напряжения конца зоны, что объясняет общее требование (6).

Иной способ торможения защиты заключается в измерении и сравнении с уставкой времени выполнения условия (11). В нормальном режиме это время равно Δt продолжительности интервала несовпадения знаков u_s и (фиг.5).

Имеется возможность сократить замедление защиты, вносимое контролем уровня напряжения или продолжительности выполнения условия срабатывания, если принять во внимание тенденцию изменения величин u_s и , при коротком замыкании и в нормальном режиме. При коротком замыкании, когда нулевая точка x x_f неподвижная (фиг.1в), повышение u_s приводит к снижению , что характеризуется правилом (13). В нормальном режиме, когда распределение u(x,t), согласно диаграмме фиг.5в близко к синусоидальному u(x,t), есть проекции множества векторов (x) на равномерно вращающуюся ось. Нулевая точка кривой u(x,t) перемещается вдоль линии слева направо (фиг.5в), следовательно, в таком режиме все точки кривой получают приращения одного знака:
sign Δu_s= sign , что означает несрабатывание защиты.

Структурная схема по фиг.6 учитывает то обстоятельство, что в трехфазной сети различаются волновые параметры величин нулевой последовательности и безнулевых величин. Преобразователи 7-9 реализуют операцию типа (16), а преобразователь 10 такую же операцию, но при значениях R_bo и τ_хо, соответствующих нулевой последовательности.

Для срабатывания логического блока 14 необходимо совпадение двух условий: различия знаков напряжений (5) и, как вариант, различия знаков приращений (13), хотя имеются иные варианты, соответствующие алгоритмам (6), (12) либо измерению времени Δt.

В нормальном режиме линии электропередачи постоянного тока не сложатся условия срабатывания блока 21 сравнения знаков, в связи с чем защита в целом не сработает. В нормальном режиме линии электропередачи переменного тока блок 21 может сработать на короткое время, но при этом не складываются условия срабатывания блока 22 торможения, и защита также не срабатывает.

При однофазном коротком замыкании в фазе А (К_А⁽¹⁾) складываются условия срабатывания как для блока 21, так и для блока 22. В результате срабатывает элемент И 23, который формирует сигнал о замыкании К_А⁽¹⁾. При двухфазном замыкании на землю фаз А и В (К_АВ^(1,1)) срабатывают два логических блока 14 и 15, вызывая тем самым срабатывание элемент И 17. При двухфазном замыкании фаз А и В (К_АB⁽²⁾) срабатывает логический блок 27. Наконец, при трехфазном замыкании (К⁽³⁾) срабатывает элемент И 30, а возможно и элемент И 20.

Способ применим и для определения поврежденного фидера в сети с изолированной нейтралью при однофазном замыкании на землю. Но в отличие от волнового преобразования (16) в данном случае придется воспользоваться активно-индуктивной моделью воздушной линии или активно-емкостной моделью кабеля. Последовательность выполнения операции и сам их характер остаются неизменными.

Таким образом, предложенный способ дистанционной защиты применим в равной степени к объектам с сосредоточенными параметрами, постоянного и переменного тока, с заземленной и изолированной нейтралью, а время его действия не имеет принципиальных ограничений.

Формула изобретения

1. СПОСОБ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕЙ ДИСТАНЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ПОСТОЯННОГО ИЛИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ПО МГНОВЕННЫМ ТОКАМ И НАПРЯЖЕНИЯМ, согласно которому измеряют напряжения и токи в начале линии, преобразуют их с учетом особенностей модели линии и определяют параметры, имеющие отношение к предполагаемому повреждению, определяют симметричные составляющие и аварийные слагаемые токов, на основании чего определяют поврежденные фазы и местонахождение повреждения, отличающийся тем, что определяют также второй параметр и дополнительные параметры, сравнивают знаки первого и второго параметров, сравнивают дополнительные параметры с уставками, констатируют повреждения, если указанные знаки противоположны, а сравнение с уставками дало ожидаемый результат, причем в качестве первого параметра принимают напряжение в начале линии, определяют безнулевые токи и напряжения в начале линии, преобразуют их в безнулевые напряжения повреждения в конце защищаемой зоны, напряжение и ток нулевой последовательности преобразуют в напряжение нулевой последовательности повреждения в конце защищаемой зоны и формируют второй параметр как сумму указанных напряжений повреждения в конце защищаемой зоны.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве дополнительных параметров принимают приращения первых и вторых основных параметров, сравнивают знаки соответствующих первых и вторых приращений и констатируют повреждение, если указанные знаки противоположны.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве дополнительного параметра принимают приращение отношений соответствующих первого и второго основных параметров и констатируют повреждение, если модуль приращения меньше уставки.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве дополнительного параметра принимают время несовпадения знаков соответствующих первого и второго основных параметров и констатируют повреждение, если указанное время превышает уставку.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6