Способ и устройство для определения расстояния до места короткого замыкания фазы на землю

Способ и устройство для определения расстояния до места короткого замыкания фазы на землю

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к определению расстояния до места короткого замыкания фазы на землю.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В последние годы проводились исследования и разработки способов определения местонахождения места замыкания в заземленных высокоимпедансных электрических сетях, особенно в компенсированных сетях, использующих фазоры основной частоты, с целью нахождения технического решения для практической оценки расстояния до места короткого замыкания,

Документ:

- Дж. Алтонен, А. Валроос, «Прогресс в определении расстояния до места короткого замыкания в незаземленных высокоимпедансных распределительных электрических сетях, основанный на импедансе основной частоты», CIRED 2007, Вена, раскрывает способ определения местонахождения места замыкания в незаземленных электрических сетях.

Документы:

- Дж. Алтонен, А. Валроос, «Прогресс в в определении расстояния до места короткого замыкания в компенсированных средневольтных сетях», CIRED 2011, Франкфурт;

- С. Ханнинен, М. Лехтонен, «Вычисление расстояния до места замыкания с сигналами основной частоты, основанное на измерениях в питающей подстанции», VTT Reaearch Notes 2153, Эспу 2002, и

- П. Шегнер, Г. Эберл, «Вычисление расстояния до места замыкания в компенсированных средневольтных сетях посредством определения стационарных значений», PSCC, Севилья 2002; раскрывают способы, использующие изменения в измеренных напряжениях и токах во время замыкания. Изменения во время замыкания могут возникать из-за изменения, например, импеданса компенсационной катушки. Обычно это говорит о замыкании или размыкании параллельного резистора компенсационной катушки или об изменении степени компенсации компенсационной катушки. Обычно указанное изменение может представлять собой любое изменение полной комплексной проводимости нулевого провода на землю электрической сети снаружи измеряемой электрической линии во время замыкания. Также измеряемые изменения напряжения и тока могут быть вызваны, например, устройством подпитки тока, соединенным с нейтральной точкой системы.

Общим в этих способах известного уровня техники, имеющих применение в компенсированных сетях, то это то, что они определяют расстояние d до точки замыкания и активное сопротивление замыкания R_F из системы уравнений, состоящей из двух уравнений, основанных на эквивалентном контуре, действительном для однофазного короткого замыкания на землю.

- одно уравнение справедливо на момент времени до изменения в течение замыкания, а другое уравнение справедливо на момент времени после изменения в течение замыкания или

- одно уравнение представляет вещественную часть уравнения для однофазного короткого замыкания на землю и описывает изменение в течение замыкания, а другое уравнение представляет мнимую часть уравнения для однофазного короткого замыкания на землю и описывает изменение в течение замыкания.

Обычно необходимо измерять ток в фазе, напряжение земля-фаза, остаточный ток и остаточное напряжение. Симметричные составляющие положительной и отрицательной последовательности для аварийной фазы могут быть получены в результате таких измерений с помощью хорошо известных уравнений.

Обычно величина импеданса линии требуется в качестве заданных параметров: активное сопротивление R₁ положительной последовательности, реактивное сопротивление X₁ положительной последовательности, активное сопротивление R₀ нулевой последовательности и реактивное сопротивление X₀ нулевой последовательности.

Кроме того, во всех этих вышеупомянутых алгоритмах определения места замыкания в известном уровне техники также требуется полная комплексная проводимость шунта линии Y ¯ 0 = G 0 + j * B 0 , состоящая из активной проводимости G₀ и реактивной проводимости B₀. Эти заданные параметры используются для оценки тока короткого замыкания в точке замыкания и падения напряжения на импедансе нулевой последовательности между точками измерения и замыкания. Также необходим заданный параметр q - коэффициент распределения тока нулевой последовательности линии, для вычисления составляющей тока заряда части нулевой последовательности, которая вызывает падение напряжения на импедансе нулевой последовательности между точками измерения и замыкания.

Типично продольные параметры положительной последовательности линии (R₁, X₁) известны и доступны из СУР (Системы Управления Распределением), но точные значения положительной последовательности линии (R₀, Х₀) являются более или менее приближениями, основанными на общей теории линии. Эти параметры при необходимости могут быть также измерены с помощью специального оборудования.

Начальное значение параметра Y ¯ 0 = G 0 + j * B 0 может быть получено из СУР, но для достижения приемлемой практической точности оно должно измеряться и постоянно обновляться с целью соответствия текущему состоянию прерывания линии. Такая процедура измерения и обновления может базироваться, например, на технологии подпитки тока, которая предполагает использование с этой целью специального оборудования. Обнаружено, что влияние точности заданного параметра Y ¯ 0 = G 0 + j * B 0 на оценку расстояния до места замыкания весьма существенно. Это особенно справедливо для случая, когда требование для активного сопротивления зоны наблюдения значения местоположения короткого замыкания на землю дополнено от непрерывного замыкания до низкоомного замыкания. На основе результатов, приведенных в документе Дж. Алтонен, А. Валроос, «Прогресс в определении расстояния до места короткого замыкания в компенсированных средневольтных сетях», CIRED 2011, Франкфурт, уже ошибка в 5% для Y ¯ 0 достаточна для снижения достоверности значений активного сопротивления в диапазоне нескольких сотен Ом. Это происходит из-за того, что параметр Y ¯ 0 используется в способах определения места замыкания при вычислении тока замыкания в точке замыкания и падения напряжения на импедансе нулевой последовательности между точками измерения и замыкания. Корректность этих терминов крайне необходима для общей процедуры вычисления расстояния до места замыкания. Требование точности параметра Y ¯ 0 может превысить практически достижимую точность, например, данных СУР или приближенных значений, приведенных в теоретической литературе.

Значение параметра q - коэффициента распределения тока нулевой последовательности линии может также быть заданным параметром, но обычно задается величиной, равной 0,5, на основе допущения равномерно распределенной полной комплексной проводимости шунта линии. Если действительное распределение отличается, то использованное допущение вызывает ошибку при вычислении расстояния до места замыкания.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью настоящего изобретения является создание способа и устройства для преодоления указанных выше недостатков или, по крайней мере, их снижения. Цели изобретения достигаются посредством способа и устройства, которые описаны в независимых пунктах формулы изобретения. Предпочтительные варианты воплощения данного изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.

Настоящее изобретение основано на идее определения расстояния до места короткого замыкания от точки измерения посредством использования четырех уравнений, получаемых из эквивалентного контура для короткого замыкания на землю в трехфазной электрической линии.

Преимуществом способа и устройства, согласно настоящему изобретению, является то, что они позволяют определить расстояние до места короткого замыкания без использования заданных параметров Y ¯ 0 и q, хотя их влияние включено в определение расстояния. Это означает, что нет необходимости в определении и задании параметров Y ¯ 0 и q. Благодаря этому преимуществу настоящее изобретение позволяет найти точное местоположение замыкания, например, в компенсированных сетях при значениях активного сопротивления в диапазоне нескольких сот Ом.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Ниже настоящее изобретение будет описано более подробно на примерах предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на приложенные чертежи, где:

Фиг.1 - блок-схема электрической сети, согласно варианту воплощения;

Фиг.2 - эквивалентный контур, согласно варианту воплощения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Применение настоящего изобретения не ограничивается какой-либо конкретной системой и может быть осуществлено в различных трехфазных электрических системах для определения расстояния до места короткого замыкания фазы на землю в трехфазной электрической линии электрической сети. Электрическая линия может представлять собой, например, фидер или воздушную линию или кабель или их комбинацию. Система электроснабжения, в которой может применяться данное изобретение, может быть, например, линией электропередачи или распределительной сетью, или их составной частью, и может содержать несколько фидеров или секций. Более того, использование данного изобретения не ограничивается системами, в которых используются основные частоты 50 Гц или 60 Гц, либо какой-либо конкретный уровень напряжения.

Фиг.1 - это упрощенная блок-схема, которая представляет собой пример электрической сети, в которой может использоваться настоящее изобретение. На блок-схеме показаны только те элементы, которые необходимы для понимания сущности изобретения. В качестве примера может служить средневольтная (например, 20 кВ) распределительная сеть, запитываемая через подстанцию, содержащую трансформатор 10 и общую шину 20. Показанная сеть также содержит выходы электрической линии, т.е. фидеры, один из которых 30 показан отдельно. Другие возможные фидеры наряду с другими частями сети, кроме линии 30, считаются «фоновыми сетями». На блок-схеме также показаны блок защитного реле (R) 40 в начале линии 30 и точка F короткого замыкания на землю. Блок (R) защитного реле 40 может быть размещен в подстанции. Необходимо отметить, что в сети может быть любое число фидеров или других элементов сети. Также может быть несколько питающих подстанций. Кроме того, данное изобретение можно применять, например, с коммутационной станцией без трансформатора 10. Сеть представляет собой трехфазную сеть, хотя с целью большей ясности все фазы не показаны на блок-схеме. В показанной на Фиг.1 системе работоспособность данного изобретения обеспечивается, например, в блоке реле 40. Также возможно, например, что только некоторые измерения выполняются в месте расположения блока 40, и результаты затем передаются на другой блок или блоки (не показаны на фигурах), расположенные в других местах, для дальнейшей обработки. Другими словами, блок 40 может представлять собой только измерительный блок, а работоспособность данного изобретения или его части может обеспечиваться в другом блоке или блоках.

Значения тока и напряжения, которые необходимы в последующих вариантах воплощения, могут быть достигнуты посредством проведения подходящих измерений, включая, например, датчики тока и напряжения (не показаны на фигурах). В большинстве существующих систем защиты эти значения легко доступны и, таким образом, при осуществлении различных вариантов воплощения не обязательно требуются какие-либо дополнительные измерительные средства. Нулевая последовательность напряжения электрической сети может быть определена измерением фазовых напряжений, например, в блоке реле 40 или в другом месте. Нулевая последовательность напряжения электрической сети также может быть определена измерением посредством открытой обмотки соединенных треугольником, например, трансформаторов напряжения. Напряжение фазы на землю аварийной фазы электрической линии 30 может быть определено подходящими датчиками напряжения, например, в точке измерения, такой как блок реле 40. Нулевая последовательность тока, положительная последовательность тока, отрицательная последовательность тока электрической сети 30 могут быть определены посредством подходящими датчиками тока, например, в точке измерения, такой как блок реле 40. Каким образом получают эти и другие значения тока и напряжения получают, зависит от конкретной электрической системы. Точка F короткого замыкания на землю в трехфазной электрической линии 30 и соответствующая аварийная фаза могут быть обнаружены посредством блока реле 40, связанного с электрической системой. Конкретные способы обнаружения замыкания фазы на землю и соответствующей аварийной фазы не имеют никакого отношения к основной идее настоящего изобретения.

В соответствии с настоящим изобретением, расстояние до точки F короткого замыкания от точки измерения, такой как блок реле 40, может быть определено, когда во время короткого замыкания фазы на землю полная комплексная проводимость нейтраль-земля электрической сети вне электрической линии 30 изменяется от первого значения до второго отличного от первого значения. Это изменение в течение замыкания может быть получено посредством, например, изменения импеданса компенсационной катушки. Обычно это означает, что включение и отключение параллельного резистора компенсационной катушки или изменение степени компенсации компенсационной катушки. Но указанное изменение может быть любым изменением полной комплексной проводимости нейтраль-земля электрической сети вне электрической линии 30 во время короткого замыкания. Кроме того, изменение, измеряемое в виде напряжения и тока, может быть вызвано, например, устройством подпитки тока, соединенным с нейтральной точкой системы. Поэтому настоящее изобретение не ограничивается компенсированными сетями с катушкой Петерсена.

Согласно варианту воплощения определение расстояния до точки F короткого замыкания от точки измерения, такой как блок реле 40, включает определение во время короткого замыкания фазы на землю в точке F в трехфазной электрической линии 30, когда полная комплексная проводимость нейтраль-земля электрической сети вне электрической линии 30 имеет следующее первое значение:

- значение напряжения нулевой последовательности электрической сети,

- значение напряжения фазы на землю аварийной фазы электрической линии в точке измерения,

- значение тока нулевой последовательности электрической линии в точке измерения,

- значение тока положительной последовательности электрической линии в точке измерения, и

- значение тока отрицательной последовательности электрической линии в точке измерения.

Кроме того, определение расстояния до точки F короткого замыкания от точки измерения во время короткого замыкания фазы на землю в точке F в трехфазной электрической линии 30, когда полная комплексная проводимость нейтраль-земля электрической сети вне электрической линии 30 имеет следующее второе значение:

- значение напряжения нулевой последовательности электрической сети,

- значение напряжения фазы на землю аварийной фазы электрической линии в точке измерения,

- значение тока нулевой последовательности электрической линии в точке измерения,

- значение тока положительной последовательности электрической линии в точке измерения, и

- значение тока отрицательной последовательности электрической линии в точке измерения.

После определения вышеуказанных значений расстояние до точки F короткого замыкания от точки измерения 40 может быть определено на основе определенных значений напряжения и тока.

Токи положительной последовательности и отрицательной последовательности электрической линии в точке измерения предпочтительно нормализуют по фазе в соответствии с аварийной фазой на основе известной теории симметричных составляющих:

Аварийная фаза L1:	I _ 2L1 = I _ 2	I _ 1L1 = I _ 1
Аварийная фаза L2:	I _ 2L2 = a _ ⋅ I 2	I _ 1L2 = a _ 2 ⋅ I 1
Аварийная фаза L3:	I _ 2L3 = a _ 2 ⋅ I 2	I _ 1L3 = a _ ⋅ I 1

Где

I _ 1 = к о м п о н е н т   т о к а   п о л о ж и т е л ь н о й   п о с л е д о в а т е л ь н о с т и = ( I _ L 1 + a _ ⋅ I _ L 2 + a _ 2 ⋅ I _ L 3 ) / 3

I _ 2 = к о м п о н е н т   т о к а   о т р и ц а т е л ь н о й   п о с л е д о в а т е л ь н о с т и = ( I _ L 1 + a _ 2 ⋅ I _ L 2 + a _ ⋅ I _ L 3 ) / 3

a _ = 1 ∠ 120 o ,

a _ 2 = 1 ∠ 240 o

В соответствии с вариантом воплощения расстояние d до точки замыкания определяют с использованием уравнений, получаемых из эквивалентного контура для короткого замыкания на землю в трехфазной электрической линии.

Первое уравнение предпочтительно соотносит действительную часть напряжения фазы на землю аварийной фазы в точке измерения с напряжением нулевой последовательности электрической сети и током нулевой последовательности, током положительной последовательности и током отрицательной последовательности электрической линии в точке измерения, когда полная комплексная проводимость нейтраль-земля электрической сети вне электрической линии имеет следующее первое значение.

Второе уравнение предпочтительно соотносит мнимую часть напряжения фазы на землю аварийной фазы в точке измерения с напряжением нулевой последовательности электрической сети и током нулевой последовательности, током положительной последовательности и током отрицательной последовательности электрической линии в точке измерения, когда полная комплексная проводимость нейтраль-земля электрической сети вне электрической линии имеет следующее первое значение.

Третье уравнение предпочтительно соотносит действительную часть напряжения фазы на землю аварийной фазы в точке измерения с напряжением нулевой последовательности электрической сети и током нулевой последовательности, током положительной последовательности и током отрицательной последовательности электрической линии в точке измерения, когда полная комплексная проводимость нейтраль-земля электрической сети вне электрической линии имеет следующее второе значение.

Наконец, четвертое уравнение предпочтительно соотносит мнимую часть напряжения фазы на землю аварийной фазы в точке измерения с напряжением нулевой последовательности электрической сети и током нулевой последовательности, током положительной последовательности и током отрицательной последовательности электрической линии в точке измерения, когда полная комплексная проводимость нейтраль-земля электрической сети вне электрической линии имеет следующее второе значение.

На Фиг.2 приведена принципиальная эквивалентная схема короткого замыкания фазы на землю в электрической линии, согласно данному варианту воплощения. Необходимо отметить, что эквивалентная схема по Фиг.2 представляет собой просто пример одного из возможных эквивалентных схем короткого замыкания фазы на землю в электрической линии. Таким образом, форма эквивалентной схемы может отличаться от показанной на Фиг.2. На Фиг.2 использованы следующие обозначения:

d = расстояние до точки замыкания на единицу (d=0…1)

Z ¯ 1 = R 1 + j * X 1 = импеданс положительной последовательности электрической линии

R₁ = активное сопротивление положительной последовательности электрической линии

X₁ = реактивное сопротивление положительной последовательности электрической линии

Z ¯ 1 L d = импеданс положительной последовательности нагрузки

Z ¯ 2 = R 2 + j * X 2 = импеданс отрицательной последовательности электрической линии

R₂ = активное сопротивление отрицательной последовательности электрической линии

Х₂ = активное сопротивление отрицательной последовательности электрической линии

Z ¯ 2 L d = импеданс нулевой последовательности нагрузки

Z ¯ 0 = R 0 + j * X 0 = импеданс нулевой последовательности электрической линии

R₀ = активное сопротивление нулевой последовательности электрической линии

X₀ = реактивное сопротивление нулевой последовательности электрической линии

Y ¯ 0 = G 0 + j * B 0 = полная комплексная проводимость фазы на землю электрической линии на фазу

G₀ = активная проводимость фазы на землю электрической линии на фазу

B₀ = реактивная проводимость фазы на землю электрической линии на фазу

Z ¯ F = R F + j * X F = импеданс короткого замыкания

R_F = активное сопротивление короткого замыкания

X_F = реактивное сопротивление короткого замыкания

I ¯ 1 = ток положительной последовательности, измеренный в точке измерения

I ¯ 2 = ток отрицательной последовательности, измеренный в точке измерения

I ¯ 0 = ток нулевой последовательности, измеренный в точке измерения

I ¯ 01 = часть зарядного тока нулевой последовательности электрической линии, текущий через импеданс d ⋅ Z ¯ 0

q = коэффициент распределения для тока нулевой последовательности электрической линии

I ¯ F = аварийная составляющая тока в аварийной точке (фактический аварийный ток равен 3 ⋅ I ¯ F )

U ¯ 1 = напряжение положительной последовательности, измеренной в точке измерения

U ¯ 2 = напряжение отрицательной последовательности, измеренной в точке измерения

U ¯ 0 = напряжение нулевой последовательности электрической линии.

На основе эквивалентной схемы по Фиг.2 можно написать уравнение: U ¯ p h = d ⋅ Z ¯ 0 ⋅ ( I ¯ 0 − U ¯ 0 ⋅ Y ¯ 0 ⋅ q ) + d ⋅ Z ¯ 1 ⋅ I ¯ 1 + d ⋅ Z ¯ 2 ⋅ I ¯ 2 + 3 ⋅ R F ⋅ ( I ¯ 0 − U ¯ 0 ⋅ Y ¯ 0 )         У р а в н е н и е   1

где

U ¯ p h = U ¯ 0 + U ¯ 1 + U ¯ 2 = напряжение фазы на землю аварийной фазы в точке измерения

Для электрических проводников можно допустить, что импеданс отрицательной последовательности равен импедансу положительной последовательности, т.е. Z ¯ 2 = Z ¯ 1 .

В эквивалентной схеме по Фиг.2 ток, протекающий через импеданс нулевой последовательности d ⋅ Z ¯ 0 от точки измерения до точки короткого замыкания, состоит из двух частей: часть, которая может быть измерена, представляет собой ток I ¯ 0 нулевой последовательности. Неизмеряемая часть благодаря полной комплексной проводимости самой электрической линии от точки измерения до точки короткого замыкания и ее значение может быть оценено. Обычно оценка основана на аппроксимации, что эта часть тока пропорциональна расстоянию до точки замыкания d с параметром q. Параметр q используется в качестве коэффициента распределения для тока подпитки электрической линии. Параметр q отражает то, как емкости, которые на практике могут и не иметь места, распределены по электрической линии. Допуская, что емкости распределены равномерно, что на практике может и не иметь места, тогда q=0,5.

Решая уравнение 1, могут быть получены следующие четыре уравнения:

r e a l ( U ¯ p h _ t 1 ) = r e a l ( d ⋅ Z ¯ 0 ⋅ ( I ¯ 0 _ t 1 − U ¯ 0 _ t 1 ⋅ Y ¯ 0 ⋅ q ) ) + r e a l ( d ⋅ Z ¯ 1 ⋅ I ¯ 1 _ t 1 ) + r e a l ( d ⋅ Z ¯ 2 ⋅ I ¯ 2 _ t 1 ) + r e a l ( 3 ⋅ R F ⋅ ( I ¯ 0 _ t 1 − U ¯ 0 _ t 1 ⋅ Y ¯ 0 ) )                                     У р а в н е н и е   2

i m a g ( U ¯ p h _ t 1 ) = i m a g ( d ⋅ Z ¯ 0 ⋅ ( I ¯ 0 _ t 1 − U ¯ 0 _ t 1 ⋅ Y ¯ 0 ⋅ q ) ) + i m a g ( d ⋅ Z ¯ 1 ⋅ I ¯ 1 _ t 1 ) + i m a g ( d ⋅ Z ¯ 2 ⋅ I ¯ 2 _ t 1 ) + i m a g ( 3 ⋅ R F ⋅ ( I ¯ 0 _ t 1 − U ¯ 0 _ t 1 ⋅ Y ¯ 0 ) )                                      У р а в н е н и е   3 r e a l ( U ¯ p h _ t 2 ) = r e a l ( d ⋅ Z ¯ 0 ⋅ ( I ¯ 0 _ t 2 − U ¯ 0 _ t 2 ⋅ Y ¯ 0 ⋅ q ) ) + r e a l ( d ⋅ Z ¯ 1 ⋅ I ¯ 1 _ t 2 ) + r e a l ( d ⋅ Z