Способ дистанционной защиты линии электропередачи

)5 Н ИЕ ИЗОБРЕТВИДЕТЕЛ ЬСТВУ И ИСАН КО К А ГОСУДАРСТВЕННый КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(71) Чувашский государственный университет им. И.Н.Ульянова и Всесоюзныйнаучно-исследовательский проектно-конструкторский институт релестроения(56) Атабеков Г,И. Теоретические основы релейной защиты высоковольтных сетей, МГосэнергоиэдат, 1957, фиг.6-76, с, 245 - защита от всех видов замыканий;6-5, Способ компенсации. с. 168-176,Фабрикант В.Л.Дистанционная защита. М.; Высшая школа, 1978, (с, 118 - 123).Аржанников Е.А. Дистанционный принцип в релейной защите и автоматике линийпри замыканиях на Землю. М,: Энергоатом издат, 1985.Авторское свидетельство СССРМ 1417094, кл. Н 02 Н 3/26, 3/16, 1987,Авторское свидетельство СССРФ 1543354, кл. 6 01 К 31/08, 1987.(54) СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОЙ ЗАЩИТЫЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ(57) Использование, для расширения функциональных возможностей способа дистанционной защиты так, что его действия Изобретение относится к электротехнике, а именно к релейной защите и системной автоматике, и может быть использовано для защиты линий от всех видов коротких замыканий. становятся независимыми от вида короткого замыкания. Кроме того, упрощение способа заключается в отказе от задания характеристик дистанционных органов в плоскости комплексного сопротивления и в отказе от выделения обратной последовательности, Сущность изобретения: способ дистанционной защиты, включающий в себя изменение напряжений и токов в начале линии, преобразование их уровней, смещение фэз, суммирование преобразованных напряжений и токов, выбор поврежденных фаз и определение реактивного параметра предполагаемого повреждения, дополнен операциями, которые наделяют его способностью выявить повреждение любого вида в защищаемой зоне: определяют значение реактивного параметра в предположении, что повреждение произошло в начале линии, далее определяют второе значение реактивного параметра в предположении, что повреждение произошло в конце линии, определяют знаки первого и второго значений; если первый положителен, а второй отрицателен, то определяют разность первого и второго значений, сравнивают с уставкой, если разность превышает уставку, формируют сигнал о повреждении соответствующих фаз линии, 12 з,п. ф-лы. 19 ил, 1 табл. Известен способ дистанционной защиты от всех видов коротких замыканий при помощи реле сопротивления (омметров). По этому способу измеряют основные гармоники напряжений и токов в начале линии, под1775787 Составитель Ю,ЛямецТехред М.Моргентал акт рректор В.Петр роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 акаэ 4038 Тираж В НИИПИ Государственного комитета 113035, Москва, ЖПодписноеизобретениям и открытиям при ГКНТ СССРвергают их преобразованиям и определяют соотношение между преобразованными величинами. В реле сопротивления применяют принцип компенсации напряжения, который можно истолковать как преобразо вание измеренного напряжения с учетом падения напряжения от измеренного тока в сопротивлении, представляющем собой модель линии электропередачи. Этот способ требует переключений напряжений и токов, 10 подводимых к реле сопротивления. Кроме того, ему присуща методическая погрешность, обусловленная переходными сопротивлениями в месте повреждения и распределенными параметрами линии,Известен также более общий способ ди станционной защиты, основанный на определении чередования векторов входных величин. Он не требует переключений, но область его применения ограничена несимметричными короткими замыканиями, и ему также присуща указанная методическая по грешность.Известна возможность применения дистанционного принципа не только для защиты линий, но и для выбора поврежденных фаз и для определения места повреждения. 25 Область применения этого общего способа дистанционной защиты ограничена замыканиями на землю, и он также не свободен от указанной методической погрешности.Известен способ выбора поврежден ных фаз при несимметричных коротких замыканиях в сетях с заземленной нейтралью, в котором анализируют аварийные слагаемые токов, получаемые вычитанием аварийных и предварительных токов, 35Известен и близкий по своему характе-.ру способ определения расстояния до мест двухфазных коротких замыканий, согласно которому измеряют напряжения и токи в начале линии, преобразуют их с учетом осо бенностей модели и линии и определяют реактивный параметр, имеющий отношение к предполагаемому повреждению, определяют симметричные составляющие и аварийные слагаемые токов, на основании 45 чего определяют и поврежденные фазы, и местонахождение повреждения, что в совокупности может быть охарактеризовано как способ дистанционной защиты и определения поврежденных фаз. Этот известный 50 способ имеет ограниченную область применения, так как не распространяется на все виды коротких замыканий.Цель изобретения - расширение функциональных возможностей способа дистан ционной защиты, такое, что.его действие становится независимым от вида короткого замыкания, Попутная цель - упрощение способа, заключающееся в отказе от задания характеристик дистанционных органов в плоскости комплексного сопротивления, как зто обычно делается, и в отказе от выделения обратной последовательности.Поставленная цель достигается тем, что известный способ дистанционной защиты, включающий в себя измерение напряжений и токов в начале линии, преобразование их уровней, смещение фаз, суммирование преобразованных напряжений и токов, выбор поврежденных фаз и определение реактивного параметра предполагаемого повреждения, дополнен операциями, которые наделяют его способностью выявлять повреждение любого вида в защищаемой зоне; определяют значение реактивного параметра в предположении, что повреждение произошло в начале линии, далее определяют второе значение реактивного параметра в предположении, что повреждение произошло в конце линии, определяют знаки первого и второго значений; если первый положителен, а второй отрицателен, то определяют разность первого и второго значений, сравнивают ее с уставкой; если разность превышает уставку, формируют сигнал о повреждении соответствующих фаз линии. В основе предлагаемого способа лежит неизвестная ранее закономерность; реактивные параметры повреждений, предполагаемых в начале и в конце линии, поврежденной на самом деле в произвольном месте, имеют разные знаки, первый - положительный, а второй - отрицательный.В качестве реактивного параметра предлагается использовать взаимную реактивную мощность опорного напряжения и опорного тока предполагаемого повреждения или же реактивную составляющую напряжения в месте предполагаемого повреждения по отношению к опорномутоку. В качестве опорного тока предлагается использовать ток в предполагаемом повреждении, а при различных видах повреждений возможно применение и иных опорных токов; при однофазном замыкании - ток нулевой или обратной последовательности либо безнулевая аварийная слагаемая линейного тока поврежденной фазы; при двухфазном - ток, ортогональный току обратной последовательности или аварийная слагаемая линейного тока одной иэ поврежденных фаз; при двухфазном замыкании на землю в качестве реактивного параметра предлагается выбирать суммарную взаимную реактивную мощность напряжений и опорных токов в месте предполагаемого повреждения, в качестве опорного напряжения - сумму напряжений повреж 1775787денных фаз и опорного тока - ток нулевой последовательности или опорного напряжения - линейное напряжение поврежденных фаз и опорного тока - разность аварийных токов поврежденных фаз. Повреждение фазы предлагается выявлять путем выделения модулей безнулевых аварийных слагаемых токов и сравнения их между собой и с уставкой.На фиг.1 изображена поврежденная однопроводная ненагруженная линия; на фиг.2 - модуль линии с предполагаемым повреждением; на фиг.3 - однопроводная нагруженная линия в предаварийном режиме; на фиг,4 - то же, с источником аварийных слагаемых; на фиг.5, - то же, в аварийном режиме; на фиг.6- годограф распределения напряжений вдоль линии; на фиг,7 - трехфазная линия электропередачи в предаварийном режиме; на фиг,8 - поврежденная линия; на фиг.9 - модель электропередачи с предполагаемым повреждением; на фиг.10 - модель повреждений (наиболее общее повреждение); на фиг.11 - то же, симметричное трехфазное; на фиг.12 - то же, двухфазное замыкание на землю; на фиг.13,14 - то же, без общего сопротивления на землю; на фиг.14 - то же, с металлическим замыканием фаз; на фиг.15 - то же, двухфазное; на фиг;16 - то же, однофазное замыкание; на фиг.17 - 19 - иллюстрация явления растекания аварийных слагаемых,В основе предлагаемого способа лежит одна закономерность, которую предстоит пояснить. Потребуется ввести ряд обозначений: х - координата произвольной точки линии или, быть может, координата предполагаемого повреждения,х- истинная координата повреждения (фиг.1, 2), хг результат ее измерения (оценка), 0(х) = О в(х)+1 ОИ(х) - фазное напряжение в произвольной точке, ю= А,В,С - обозначение фазы, Ор, О - ортогональных составляющих, 1(х) - ток предполагаемого повреждения, 1(х-) и Цх+) - линейные токи до и после предполагаемого повредждения (фиг.2), Оп(х), 1 п(х) - напряжения и токи, предшествующего (предаварийного) режима (фиг,3), Ор(х), 1 Р(х) - аварийные слагаемые напряжения и тока (фиг,4); Ор(х)=О(х)-ОП(х), 1 р(х) =(х) - 1 П(х); 0(х), 1 с(х) - напряжение и ток нулевой последоваательности, О;(х) = =Ор(х) - Оо(х), 1,(х) = 1(х) - 1,(х) - безнулевые напряжения и токи, О 2(х)- 12(х) - напряжения и ток обратной последовательности (фиг,17-19),Кроме того, на иллюстрациях обозначены: 1 - реальная линия, 2 - ее начало (место измерения), 3 - ее конец, 4 - реальное повреждение, 5 - модель линии, 6 - ее начало, 20 ния х неизвестно. Выберем в качествереактивного параметра взаимную реактив-,ную мощность(х):С 1(х)=1.О(х) 1(хИ, (1)30 В качестве примера рассмотрим соотношения,.присущие линии небольшой длины (фиг.2):1(х) = 1(х-) + 1(0-), (2)О(х) = О(0) - 2 х 1(0-),35 где Е = В+)Х - удельное сопротивлениелинии, Если учесть, что в данном случае влинии реально протекает ток (фиг,1)1(0-) = О(ОЯЕх+ К),то формулы (2) и.(1) приводят к результа 40 ту Определяется значение реактивного параметра в предположении, что замыкание произошло в начале линии, Как следует из (3), при этом будет получен результат 50 гг(О) = ф)-) Хс)х. (4)Затем определяется значение реактивного параметра в предположении, что замыкание произошло в конце линии при х = 1, где 1- длина линии. Как следует из (3), результа том явится 51015 7 - ее конец, 8 - модель повреждения, 9 - нагрузка линии, 10 - модель нагрузки, 11 - передающая система.По предлагаемому способу производится измерение напряжений и токов в начале линии; ЩО) и 1;(0-), Измеряются также (как вариант - определяются по О.(0) и 1(0-) напряжение и ток нулевой последовательности Оо(0) и 1)(0-). Измеренные напряжения и токи используются для контроля состояния линии и установления факта ее повреждения. Контролируются два значения реактивного параметра а(х), одно значение: б (о) соответствует началу линии, а другое сТЩ - концу. В качестве реактивного параметра может быть избрана взаимная реактивная мощность напряжений и токов или реактивная составляющая напряжения (таблица), Опорные напряжения и токи выбираются в зависимости от вида повреждения,Начнем с однопроводной линии (фиг.1 -фиг,6). Предположим, что в ненагруженнойлинии произошло короткое замыкание через сопротивление В(фиг.1). Место замыкаОх) = 10-Р(хг - х)Вг), (3)о(х) =1(0-) Х(х- х.Дистанционная защита линии по фиг.1, осуществляемая по предлагаемому способу, реализуется следующими операциями.(1.) = 1(О-) Х (х). (5)Далее определяются знаки значений (т(0) и ОЯ. Если короткое замыкание про 1775787изошло в защищаемой линии (х 1ц, то будетполучен результатз 19 п о (О) - 1, (6)здп с 1, (7)а если короткое замыкание произошло запределами линии (вне зоны), т.е. х 1, то условие(6) будет выполнено, но вместо(7), какэто следует из (5), получитсяз 1 дп о Щ = 1.Таким образом, при разных знаках значений о(0) и дЩ имеются основания принятьрешение о срабатывании защиты, а при одинаковых - не принимать.При коротком замыкании "за спиной",т.е. при хО, в данном случае (О-) = 0 ип(х)яО, в том числе д= О и ОЩ - О. Следовательно, при малом уровне значений а(о)и пЩ (уровень шумов) срабатывание защиты не допускается. Отстройка от шумов осуществляется следующим образом.Определяется разность двух значений реактивного параметра, Как следует из (4), (5),сг(о) - д(а) =(О-)Хо(8)не зависит от места замыкания, если толькооно произошло в пределах защищаемой линии (Ох ), Уставка Ьду по разностио(О) - сг(1) выбирается из условия отстройкиот шумов, т.е. на порядок ниже произведения (8) при минимальном токе короткого замыканияЬгу 0,1 О(0)Х 1/й 1,+ й)2+(Хф),12а условия срабатывания дистанционной защиты имеют видз 19 п 0(0) = 1, 3 дп ОЩ = -1, (9)о(о) - о(ЦЛоу,В предлагаемоы способе значения реактивного параметра о(о) и о Щ определяются поалгоритму(1)lо(О) = 1.(О(о)(0 = О(о)1(о).п(О(о)В(оо(О =(ОТ( = ОРз 1 п(О(ОЩ),где О(о), 1(о) - напряжение и ток повреждения, предполагаемого в начале линии,ОЩ,Щ - напряжение и ток повреждения,предполагаемого в конце линии. Эти величины получают преобразованием измеренного напряжения и тока 0(о), (0-).Преобразование заключается в масштабировании (изменении модулей), смешениифаз. что в совокупности трактуется как умножение на комплексные коэффициенты, ив наложении (суммировании, В случае модели по фиг.2: 1(о) = 1(о-), Щ = 1(о-), т.е. преобразования токов не требуется, а приформировании напряжения ОЩ все перечисленные операции совершаютсяОЩ = О(о) + К 1(о-),где К 7 о(Приведенный пример дает аналитическое обоснование способа, но только для. в том, что напряжение и ток, наблюдаемые55 в двух режимах, преобразуются каждый со 10 20 25 30 35 40 частного случая линии на фиг.1. Подобный анализ для нагруженной линии (фиг,З - 5) затруднен, поэтому ограничимся графической иллюстрацией (фиг.6). Здесь нет необходимости упрощать ситуацию ряди упрощения формул, поэтому могут быть учтены все параметры линии электропередачи, предлагаемый способ сам по себе не требует пренебрегать емкостью линии или ее нагрузкой. Цель схем по фиг.3-5 и диаграммы по фиг.6 - показать, что зависимость реактивного параметра от координаты ст(х) при повреждении в защищаемой линии (ох1), начинаясь с положительного значения о(о), пересекает ось х в единственной точке х =хг и далее убывает. Самое большое отрицательное ее значение и есть а(1). В предаварийном режиме (фиг,З) распределение напряжения вдоль линии имеет вид верхнего годографа фиг.6, Аварийный режим добавляет к этому составляющие напряжения и тока, обусловленные источником Оп(х) (фиг.4), Наложение их на предаварийный режим характеризует полный аварийный процесс(фиг.5), Ток повреждения 1(х) близок по фазе к аварийной слагаемой р(0-), в связи с чем на диаграмме показан только последний вектор. Как видно иэ диаграммы, векторы О(х) и 1(х) совпадают по фазе в единственной точке х = х. При хх напряжение опережает ток, а при хх - отстает от него, что и доказывает утверждение: з 9 п о(о) = 1, з 9 п о = -1, Учет распределенных параметров и нагрузки приводит к тому, что при определении значения реактивного параметра о(0) ток (о) определяется наложением преобразованных напряжений и токов аварийного и предаварийного режимов(о) = К 1 О(о) + К 21(0-) + Кззп(о) + К 11 п(о-), (10) Аналогичным образом определяется напряжение и ток повреждения, предполагаемогов конце линии ОЩ = К 5 О(0) + К 61(0-) + К 7 Оп(0) + К 8 п(0-) (11) 1(1) = К 9 О(0) + К 10(0-) + К 11 ОП(О) + К 121 гп(0 )(12) которые входят в выражение о(1), т,е. обобщение в данном случае заключается только своим масштабирующим множителем и смещением фазы,Особенность применения предлагаемого способа в многофазной электрическойсистеме (фиг.7 - 9) заключается в большем числе наблюдаемых и, следовательно, преобразуемых напряжений и токов: предшествующего (фиг.7) и аварийного режимов (фиг.8). Существует наиболее общий реактивный параметр, действенный при всех видах коротких замыканий, - это суммарная реактивная мощность всех фаз повреждения 8, предполагаемого в произвольной точке (фиг,9)ст х) = Сх) =Сх) ю Х 1 ) 1 Я . 1 Э))=д,в,с" =д,в,с Поведение зависимости (13) аналогично за-. висимости (1) для двухпроводной линии. Физически это утверждение объясняется тем, что при адекватности модели и реальной линии имеет место равенствоСЦх = х) = О,так как повреждение носит резистивный характер, т,е. зависимость (13) переходит через нуль в точке модели фиг.9, соответствующей координате повреждения х реальной линии (фиг.8). Если предположить, что повреждение произошло в точке ххг, и расположить в этой точке модели линии 5 модель повреждения 8(фиг.9), то при подаче на вход 2 модеги 5 измеренных напряжений О(о) уравновешенно состояние модели, т,е, входные токи, равные измеренным 1(0-), наступит при активно-индуктивной нагрузке (8): о(х)О. Если же предположить, что (х)х, как это и показано на фиг,9, то модель линии уравновесит активно-емкостная нагрузка (8); 0(х)О. Иными словами, зависимость (13) пересекает ось х в единственной точке х = х, а раз так, то условие срабатывания дистанционной защиты (9) носит всеобщий характер. При коротком замыкании вне зоны (хх) всегда будем иметь э 1 дп ст (1) = 1, что означает несрабатывание, а при коротком замыкании "за спиной", когда линия не повреждена, во всех точках модели преобразование входных напряжений Ор(а) и токов 1;(о-) даст нулевой уровень токов повреждения 1(х)-О, а следовательно, и нулевой уровень реактивного параметра (13), что также будет означать несрабатывание защиты, Таким образом, соотношения (10) - (12), (13) и (9) характеризуют общий способ дистанционной защиты линии электропередачи.Анализ показывает, чта чувствительность защиты к повреждениям разного вида повышается, если применять не общий реактивный параметр, а частные, ориентированные на конкретные повреждения(таблица, фиг.10 - фиг.16), Для модели произвольного трехфазного замыкания (фиг.10) остается в силе реактивный параметр (13), Но в частных случаях целесообразно выделять из состава напряжений и токов нулевую последовательность 00(х) и 10(х). Остаются безнулевые слагающиеО, (х) = О(х) - О.(х), 1(х) + 1(х) - 10(х), объединяющие в себе прямую и обратную последовательность, Если при трехфаэном замыкании уровень тока нулевой последовательности неощутим (фиг.11), то вместо (13) вводится реактивный параметрх) =,й ) 1). и)ч=д в.с При двухфазном замыкании на землю(фиг.12-14) из (13) исключается слагающая20 фазы С, при двухфазном (фиг,15) - применяется (14), но без слагающей фазы А, приоднофаэном (фиг,16) - для поврежденнойфазы применяется параметр (1).Описанные параметры можно назвать25 прямыми, так как ани ориентированы нанепосредственную оценку поедполагаемыхповреждений, Наряду с этим возможно применение существенно более простых косвенных параметров (таблица), которые30 ориентированы не на токи повреждения 1(х)или их слагающие 1,"(х), 10(х), а на линейныетоки перед повреждением 1;р(х-), 1,(х-), Переход к косвенным параметрам возможен потому, чта фазы тока 1(х) и 10(х-) (фиг,18), а35 также 1 р(х) и 1 р(х-) (фиг,19) отличаются незначительно.Схема па фиг.19 иллюстрирует такжевозможность выявления поврежденных фазпутем сравнения безнулевых аварийных то 40 кав 1 р(а-) между собой и с уставкай.В отличие от известных способов дистанционной защиты предлагаемый способдействен при всех видах коротких замыканий, обладает направленностью, четко раэ 45 личает повреждения в зоне, не в зоне и "эаспиной". Способ хорошо сочетается с алгоритмами диагностики линии, так как и тут, итам эффективно применяются реактивныеинформационные параметры. Критерии50 срабатывания защиты просты и сводятсяк проверке знаков и контролю разностидвух выходных сигналов,Формула изобретения1. Способ дистанционной защиты линии55 электропередачи путем измерения фазныхнапряжений и токов в начале линии, напряжения и така нулевой последовательности,преобразования их уровней, смещения фаз,наложения преобразованных напряжений итоков, выбора поврежденных фаэ и апреде1775787 12ваммщЦелевая Функция"6 рйвойниенное соотмонение канне Прямая Косвенная 1 мца Ь) 1 ЬЦг(х)(иоя (х) 1Ц(к) 1, (х-)т Ца (л)1,(х-)щ1,царар (х") аг 81(х)вг 81 а(х-) щаг 81(х-) щаг 81 АР ( Ь (Цвс (х) (") 1 г(-)1 нц вг (х) 1 ар ( ) аг 81(х)щ агв(г(л-)+/2 щагар Ь-) 1 Е Цво (х) 1 в (х) 1 я(Ц г1(к) +(нЦг (х) 1 рр(х1 еЕ Цг 1 р ления реактивного параметра предполагаемого повреждения, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, значение реактивного параметра определяют дважды: один раз в предположении, что короткое замыкание произошло в начале линии, а другой раз - что оно произошло в конце линии, определяют знаки первого и второго значений и, если первый положителен, а второй отрицателен, то определяют разность первого и второго значений, сравнивают ее с уставкой и, если она превышает уставку, формируют сигнал о повреждении соответствующих фаэ линии,2. Способ поп 1, отл и ч а ю щи й с я тем, что в качестве реактивного параметра выбирают взаимную реактивную мощность опорного напряжения и опорного тока в месте предполагаемого повреждения.3. Способ по п,1, о т л и ч а ю щ и й с я тем; что в качестве реактивного параметра выбирают реактивную составляющую напряжения в месте предполагаемого повреждения по отношению к опорному току.4. Способ попп.2 и 3, отл ич а ющий с я тем, что в качестве опорного тока выбирают ток в предполагаемом повреждении. 5. Способ по п 2,отл ича ю щийся тем, что при однофаэном замыкании в качестве опорного тока выбирают ток нулевой последовательности,б Способ поп 2, отл ич а ю щийс я тем, что при однофазном замыкании в качестве опорного 1 ока выбирают ток обратной последовательности. 7. Способ по п.2, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что при однофазном замыкании в качестве опорного тока выбирают безнулевуюаварийную слагаемую линейного тока по 5 врежденной фазы.8, Способ по п,2, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что при двухфазном замыкании в качестве опорного тока выбирают ток. ортогональный току обратной10 последовательности.9. Способ по п.2, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что при двухфазном замыкании в качестве опорного тока выбирают аварийнуюслагаемую линейного тока одной иэ повреж 15 денных фаз,10. Способ по п,1, отл и ч а ю щий с ятем, что при двухфазном замыкании на землю в качестве реактивного параметра выбирают суммарную мощность напряжений и20 опорных токов в месте предполагаемого повреждения.11. Способ по п 2, отл и ч а ю щи йс ятем, что при двухфазном замыкании на землю в качестве опорного напряжения выби 25 рают сумму напряжений поврежденныхфаз, а в качестве опорного тока - ток нулевой последовательности,12. Способ по п 2, отл ича ю щи й с ятем, что при двухфазном замыкании на эем 30 лю в качестве опорного напряжения выбирают линейное напряжение поврежденныхфаз, а в качестве опорного тока - разностьаварийных токов поврежденных фаз.13. Способ.по пп.1-12, о т л и ч а ю щ и 35 йся тем,чтоповрежденныефазы выявляютпутем выделения модулей безнулевых аварийных слагаемых токов и сравнения ихмежду собой и уставкой,