Способ определения поврежденных фаз и вида повреждения линии электропередачи

(5 ц 5 Н 02 Н 3/26 ЕТЕНИЯ ИЗОБ ОЛИ АТЕН 00 ЬЭ ГОСУДАРСТ ВГ ФЮЕ ГАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(71) Всесоюзный научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт релестроения иЧувашский государственный университетим. И.Н,Ульянова(73) Всесоюзный научно-исследовательский. проектно-конструкторский и технологический институт релестроения(56) Аржанников Е.А. Дистанционный принцип в релейной защите и автоматике линиипри замыканиях на землю. М.: Энергоатомиздат, 1985, с, 42-49.Авторское свидетельство СССРМ 1417094, кл, Н 02 Н 3/26, 3/16, 1987,Лосев С.ВОнучин В.А., Плотников В.Г.Фильтровый избирательный орган, реагирующий на соотношение аварийных значенийсимметричных составляющих, - Изв. вузов,Электромеханика, 1988, В 10, с, 57-64.Авторское свидетельство СССРМ 1374324, кл. Н 02 Н 3/26, 1986.Лямец Ю.Я. К анализу переходных процессов в трехфазных цепях методом симметричных составляющих, - Электричество,1988, М 12, с. 57-60,Лямец Ю,ЯАнтонов. В.ИАрсентьевА.П. Адаптивный цифровой фильтр основной гармоники токов и напряжений электрической сети. - Иэд. АН СССР, Энергетика итранспорт, 1989.М 6.(с, 116, раздел "Реакция цифрового фильтра на свободный процесс в электрической сети). Ж 1820974 АЗ 4) СПОСОБ ОП РЕДЕЛ Е Н ИЯ ПО В РЕЖЕННЫХ ФАЗ И ВИДА ПОВРЕЖДЕНИИНИИ 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.(4) согласно (4)Йф=055и из(3) Изобретениеотносится к электротехнике, а именно к релейной защите и системнойавтоматике, и может быть использовано визбирателях фаз, дистанционной защите,определителях места повреждения.Цель изобретения - дальнейшее повышение чувствительности способа.определения поврежденных фаз и повцшение, надежности его функционирования.На фиг.1 изображена схема. линии электропередачи без указания повреждения; нафиг.2-4 - та же схема, но с указанием видакороткого замыкания: междуфазного, однофазного и двухфазного; на фиг.5 - структурная схема, реализующая предлагаемыйспособ, на фиг.6, используемой при теоретическом обосновании способа, - комплексная схема замещения электропередачи в свободномрежиме при двухфазном замыкании на землюНа фиг.1 указаны фазы электропередачи 1 - 3 и место измерения токов 4. На фиг.23 отдельно указаны особая фаза 5,отстающая 6 иопережающая 7 фазц, Указано также место повреждения 8; хотя оно инеизвестно, Схема фиг,5 состоит из следующих блоков; заграждающих фильтров 9-12,предназначенных для подавления устано.вившихся слагаемых токов, вычитателей 1315, компараторов 16-21, предназначенныхдля выявления токов, совпадающих по величине и одинаковых или противоположныхпо направлению, адаптивного фильтра 22,настраивающегося по своему входному сигналу, цифровых фильтров 23-25, параметрыкоторых задаются адаптивнцм фильтром22, и селекторов 26, 27, которые анализируют выходные сигналы компараторов 16-18или 19-21, В результатетакого анализа се-:.лекторы определяют особую фазу и вид повреждения, Информация о фазе появляетсяна выходах 28-33, а о повреждении - навыходах 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 безнулевыхсоставляющих Я и состоит из подсхем прямой (обратной) 37; 38 и нулевой 39 последо-.вательностей. По отношению к. меступовреждения подсхемы представляют собой входные операторные сопротивления .Е(р), Ео(р). Комплексная схема отнесена кособой фазе ф; в качестве которой можетвыступать любая из трех реально существующих фаз э А, В, С, где Р-обозначениепроизвольной фазы; Фазы, отстающие иопережающие по отношению к особой,будем обозначать соответственно- 1 иф+ 1. Ток нулевой последовательности определяется как среднее мгновенное значение фазнцх токов 51 о = (1/3) 0 А+.1 в +1 с),а беэнулевая составляющая - как разностьмгновенных значений фазных токов и токанулевой последовательности10Ь =Ь - 1 о (2)Ток 1 о может быть измерен в линии непосредственно. Тогда (1) не применяется, но15 Игопределяется по-прежнему как (2),Предлагаемый способ основан на следующих теоретических положениях;1. Свободные нулевая и беэнулевая составляющие могут быть найдены из комп 20 лексных схем замещения. Но эти схемы неследует путать с широко известными схемамидля симметричных составляющих, которые не отражают временных процессов, таккак от мгновенных величин прямой и обрат 25 ной последовательности невозможно перейти к фазнцм величинам.2, Если имеются две идентичные цепи ив какой-нибудь из их одинаковых ветвейсвободные процессы совпадают, то они бу 30 дут совпадать во всех остальных одинаковцх ветвях, Доказывается на основаниипринципа компенсации - . свободный про- ..цесс в цепи может быть интерпретированкак реакция на действие свободного тока35 одной из ветвей,3. Система безнулевых составляющихуравновешена, т,е,4, При междуфазном замыкании (фиг.2)выполняются соотношения: Ь=О:в месте двухфазного замыкания 1 тф= 0; ц - 1 = - 1 г,+1,отсюда и для свободного режима(5)1,- 1,св.+ 1,св . 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 Ц -= Иф+1=0 и согласноц- =и+.откуда для свободного режимаИЯ - 1,св = 1 Ь + 1,св.(6) что, 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 илиЦр)+2 1 о (Р)=0Цр)=0и относительно ветви 381 (р) ф Цр)/2 = О.(7) (8) И, - 1,св = И, - 1(РЛ) + И,ф - 1 (РР) (9)Я+ с,св = И.+ (РЛ) + И,ф+(ри) (10) ь.св =И (РЛ),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,ф - з (РЛ) = И,ф + з (РЛ) = И (РЛ), (12) что совпадает с (7), но никак не отражает (8).Пусть РЛ = - Щ + )ой и ри = - /Зр + )ои - корни уравнения (7) и, соответственно, (8). Тогда можно утверждать, что свободный безнулевой ток содержит колебания комплексных частот рЛ и ри, а ток нулевой последовательности - только частотЭто положение не зависит от того. где находятся источники и каКовы начальные условия. Поясним его. Свободные величины состоят из отдельных слагаемых - затухаю 5 щих гармоник (в частном случае экспонент). Пусть-РЛОЛ = ОЛе зп (от + ЧфЛ) (13)10 есть одна из таких слагаемых в напряжениимежду узлами схемы по фиг.б, аЦ - Ц = Я.е Л з 1 п (ий т + уЛ) (14)то же, но в токе одной ветви. Между нимиимеется следующая взаимосвязь: 15. И, - Л = гв (ОЛЛ (РЛ еР) (15) 3 Л =Л ехр ЗуЛ = ОИ. (РЛ)Я = ОЛгвоб 1 (РЛ) 30 уЛ = ЧфЛ - аг 9(РЛ) 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, - з (рр) = - И,ф + 1 (ри) = И (рр) (16) 40 фВ 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 учетом (12), (16)(17) И,ф - 1.св =1 (рЛ) +(ри)50. И,+1,св = ц (рЛ) - ц (ри),(1 8) 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 Р, как и ток ь,св (табл.1). где ОЛ = ОЛехр) Ч%, Ток определяется па 20 раметрами напряжения и входным операторным сопротивлением, определенным на частоте РЛ. Начальные условия в это соотношение не входят, равно как и источники, Таким образом,251820974 30 5 ся еще до входа схемы, Если 1 ономинальная частота сети, а 1 д - частотадискретизации, то принимается, что Й =(23) Ч" св + св( -Т) г;ВОйСтеа СЕОбОдНЫХ тОКОЕ ПрИ раЗЛИЧ- ных видах коротких Замыканий1 О. Спектральный состав реальных свог 1 одггг,гк токов ограничен, Этому есть дее причины. Во-первых, высокочастотные кпмпонг 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): Лмакс(рЛ) =;Ле ф зп (вЭ+уЛ) (19) Л= Лмакс(ци) ="Я"яи е г зп (ифЬ+ф)(20) ,и = ЛмаксОс=ОЛе фвгв(огЛт+)Л), Р 1)Л= 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 в = =2 Лмакс Его уравнение л П л (с) = " аз(с-Я), г п 1 (22) 3 =1 где с - дискретное время, аз - параметры фильтра, определяемые в процессе адаптации к входному сигналу (с), ф) - выходной сигнал, М - 0 - момент начала настройки адаптивного фильтра. Адаптация (настройка) заключается в подборе параметров ав излусловия близости оценок (с) к измеренным отсчетам входного сигнала (с),12, Линейное преобразование не изменяет сйектра комплексных частот. В частности, операция создает выходной сигнал Ч с тем же спектРОм частот. Что и входной сигнал св,13, Адаптивный фильтр (22), настроенный на сигггвл с некоторым спектром частот 5 10 15 20 р, подавит и любой друтой сигнал с тем же ЧаетотНЫМ СПЕКгрОМ,ПодаЕЛяЮщИЕ СеойСтеа фИЛЬтра (22) ОП- ределяются корнями его характеристического уравнения. а они в свою очередь определяются только лишь частотами 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 1 фаэ 1-3 (фиг.1). Эту операцию осуществляют измерительные трансформаторы тока. Ток нулевой последовательности о, возможно, также измеряется при помощиспециального трансформатора, Иной вариант заключается в определении тока о посредством усреднения фазных токов(формула 1). Для этого понадобится сумматор с делителем выходного сигнала (на схемефиг.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 р, о, т.е, аналого-цифровое преобразование совершаетУстановившаяся - периодическаяуст (с) = уст (с- Й), . 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 частотыЧ(г) = -(с) + (ф - ч) (24) что и составляет содержание блоков 9-12. При этом подавляется как основная гармоника, так и высшие гармоники, и нулевая тоже, Свободную же слагаемую операция вычитания отсчетов(24) не гглпзвввг и, как и аналоговая Операция гР" гв изменяет1820974 10 30 35 имеет тот же спектральный состав, что и ток нулевой последовательности, и следова тельно, будет подавлена в процессе фильтрации (ЧЧ),Следующая операция - обнаружениесовпадающих по величине и противоположных по знаку сигналов Юр . На схеме эту 45 операцию выполняют компараторы 19 - 21.Операция сравнения величин трех сигналов 9 Чр совершается тэк же, как и описанная выше операция сравнения сигналов Чт, Но здесь проверка знаков сигналов решает более простую задачу - всего лишь подтверж 55 спекрэльного состава свободного тока. Ес.ли записать свободный ток с указанием егокомплексных частот;,(3 с) - 1,(с, р), то о сигнале Ч(к) можно сказать. что Чф = Чсе(к) - чсв 0 р)хотя само по себе соотношение между Ч(М) и с(М) имеет форму (24),Дальнейшие операции классифицируют повреждения в соответствии с соотношениями, приведенными в таблице, Предварительно определяются безнулевые величины Чг = Чи - Чо (вычитатели 13-15). Существенно, что свойства безнулевых свободных токов передаются величинами Чр в полном обьеме, так как Чр и 1 у связаны между собой тем же линейным преобразованием, что и величина Чо с током 1 о,Операция сравнения сигналов Чу 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 111 Чу - Ь 1 у - 1( 6 Чр),г 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 Чу (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 сигналовЧр совпали по величине. Может оказаться, что условие (25) не выполняется ни при каком иэ трех значений Р 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 Чо (настройка адаптивного фильтра 22 на подавление этого сигнала). Затем такой же обработке под 5 10 15 20 25 вергаются три фазных сигнала Чг, Но между первой и следующими операциями имеются существенные различия. Парам т ры адэп. тивной фильтрации определяются лишь однажды - при подавлении сигнала Чо. Отсюда и различие между фильтрами 22 и 23-25. первый - адаптивный, действует по алгоритму (22, и его параметры аэ заранее неизвестны. Послеегс настройки (процедура настройки описана в 6 Иэти параметры передаются обычным (неэдаптивным) циф. ровым фильтрам 23-25. Отсюда ясно. что первая, адаптивная, фильтрация определит параметры, необходимые для подавления частот , присутствующих в токе нулевой последовательности, а последующие процессы фильтрации фаэных величин Чр уже не требуют настройки; получив найденные параметры, эти процессы подавят составляющие частотв обрабатываемых величинах. Результат фильтрации - величины 9/ (выходные величины цифровых фильтров 23-25) содержат только частоты рвнутреннего переходного процесса, и в соответствии с данными таблицы 1 можно утверждать, что при двухфазном замыкании на землю величины двух поврежденных фаз дадут результат ф, =- Ч+, = ЧЧ(р). что же касается третьей, особой, фазы, то всилу равенства (3) ее величина Ч 4 = (Ч ф -+ Ч ф + т) = - 2 Ч (РЛ) дения закономерности, присущей двухфазному замыканию на землю. Если обнаруживаются двэ сигнала ОЬ и Р/р- 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 разли аых видах коротких замыканий е ч а н и е: к 1 )-междуфа(1, 1) ное замыкание;ое; ое на землю,ыбор особой фазы и опре е вида поврежден 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 в трехфазной 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,о т л и ч а ю щ и й с 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 вычитания свободного сигнала нулевой последовательности иэ всех свободных разных сигналов, формируя тем самым три беэнулевых свободных сигнала, сравнение компенсиро 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 однофаз 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 противоположныпо направлению, то идентифицируют замыкание на землю двух фаз, соответствующих указанным сигналам,2. Способ по п 1, о тл и чаю щи й с я 30 тем, что для подавления составляющей основной частоты и ее гармоник отсчеты каждого измеренного фазного тока вычитают с интервалом в период.Таблица1820974 ЖсМ М.Са дактор Т,Ивано ка Проиэводственно-иэдательский комбинат "Патент", Г;,Ужгород, ул.Гагарина, 1 Заказ 2043 ВНИИПИ иг, С оставитель Ю;Лямвцред М.Моргентал Корректор ТиражПодйиСноесударственного комитета по изобретениям и откретйям ври ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-ЗБ, Раушская йаб., Юб