способ и реле адаптивной дистанционной защиты для линий электропередачи

Формула изобретения

1. Способ компенсации эффекта подпитки короткого замыкания с удаленного конца линии в реле дистанционной защиты во время определения расстояния (d) до места короткого замыкания через большое активное сопротивление на трехфазной линии электропередачи, где ток короткого замыкания протекает через переходное сопротивление (R_F) в месте короткого замыкания, содержащий этапы, на которых вычисляют полное сопротивление петли короткого замыкания путем деления напряжения петли короткого замыкания на ток петли короткого замыкания, измеренный с одного конца (А) линии электропередачи, при этом напряжение петли короткого замыкания состоит из соответствующих фазных напряжений ( , , ) и ток петли короткого замыкания состоит из соответствующих фазных токов ( , , ) тех фаз, которые вовлечены в короткое замыкание, определяют сдвиг полного сопротивления петли короткого замыкания, определяют расстояние (d) до места короткого замыкания, сдвигая полное сопротивление петли короткого замыкания согласно определенному сдвигу , отличающийся тем, что сдвиг полного сопротивления петли короткого замыкания определяют на основании полного сопротивления петли короткого замыкания, полного сопротивления линии электропередачи для прямой последовательности токов и фазового угла ( ) комплексного коэффициента распределения тока короткого замыкания в соответствии с уравнением

,

где , и где коэффициент распределения тока короткого замыкания представляет собой отношение тока петли короткого замыкания к току короткого замыкания, фазовый угол ( ) комплексного коэффициента распределения тока короткого замыкания вычисляют либо на основании тока петли короткого замыкания и тока короткого замыкания, где ток короткого замыкания определяют на основании токов, измеряемых синхронно на обоих концах (А и В) линии электропередачи, где в случае однофазного короткого замыкания на землю, междуфазного короткого замыкания или трехфазного сбалансированного короткого замыкания ток короткого замыкания определяют, используя инкрементные составляющие токов прямой последовательности обоих концов (А и В) линии электропередачи, или в случае междуфазного короткого замыкания на землю ток короткого замыкания определяют, используя инкрементные составляющие ( , ) токов прямой последовательности, а также составляющие ( , ) токов обратной последовательности обоих концов (А, В) линии электропередачи, либо на основании тока петли короткого замыкания и тока короткого замыкания для трех различных, заранее заданных расстояний (d_i) линии, при этом ток короткого замыкания определяют в случае однофазного короткого замыкания на землю или междуфазного короткого замыкания, используя параметры ( , , ) полного сопротивления линии электропередачи, ток петли короткого замыкания и составляющую токов обратной последовательности одного конца (А) линии электропередачи, или в случае трехфазного или междуфазного короткого замыкания на землю, используя параметры ( , , ) полного сопротивления линии электропередачи, ток петли короткого замыкания, составляющую токов обратной последовательности одного конца (А) линии электропередачи и инкрементную составляющую токов прямой последовательности одного конца (А) линии электропередачи, и где три результирующих фазовых угла ( _i) используют для определения трех сдвигов полного сопротивления и трех соответствующих возможных расстояний (d_pi) до места короткого замыкания, при этом одно из трех возможных расстояний (d_pi) до места короткого замыкания, которое находится ближе всего к контрольному расстоянию (d_ref) до места короткого замыкания, которое вычисляют как частное от деления полного сопротивления петли короткого замыкания и полного сопротивления линии электропередачи для прямой последовательности токов, выбирают в качестве расстояния (d) до места короткого замыкания, расстояние (d) до места короткого замыкания определяют, вычитая сдвиг полного сопротивления из полного сопротивления петли короткого замыкания и деля результат на полное сопротивление линии электропередачи для положительной последовательности токов.

2. Способ по п.1, в котором в случае, когда ток короткого замыкания определяют на основании токов, измеряемых синхронно на обоих концах (А и В) линии электропередачи, ток короткого замыкания определяют в случае однофазного короткого замыкания на землю, междуфазного или трехфазного сбалансированного короткого замыкания на основании произведения первого долевого коэффициента и суммы инкрементных составляющих ( , ) токов прямой последовательности, при этом значение первого долевого коэффициента зависит от фазы или фаз, которые вовлечены в короткое замыкание, или в случае междуфазного короткого замыкания и замыкания на землю на основании суммы двух произведений, где одно из двух произведений представляет собой первый долевой коэффициент , умноженный на сумму инкрементных составляющих ( , ) токов прямой последовательности, и где другое из двух произведений представляет собой второй долевой коэффициент , умноженный на сумму инкрементных составляющих ( , ) токов обратной последовательности, при этом значения первого и второго долевых коэффициентов ( , ) зависят от фаз, которые вовлечены в короткое замыкание.

3. Способ по п.1, в котором в случае, когда ток короткого замыкания определяют для трех различных, заранее заданных расстояний (d_i) линии, ток короткого замыкания определяют в случае однофазного короткого замыкания на землю или междуфазного короткого замыкания, используя уравнение

или

в случае трехфазного короткого замыкания или междуфазного короткого замыкания на землю, используя уравнение

где

значения первого и второго долевых коэффициентов и зависят от фаз, которые вовлечены в короткое замыкание, является полным сопротивлением линии электропередачи для прямой последовательности токов, является местным полным сопротивлением источника на одном конце (А) линии электропередачи, является удаленным полным сопротивлением на другом конце (В) линии электропередачи.

4. Способ по любому из пп.1 или 3, в котором значение удаленного полного сопротивления источника передают на один конец (А) линии электропередачи по каналу связи.

5. Реле адаптивной дистанционной защиты, содержащее средство для выполнения этапов по меньшей мере по любому из пп.1-4.

6. Считываемый компьютером носитель информации, содержащий код компьютерной программы, который при выполнении на вычислительном устройстве осуществляет этапы способа по любому из пп.1-4.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для адаптивной дистанционной защиты линий электропередачи, а более конкретно относится к реле дистанционной защиты с улучшенным срабатыванием при коротких замыканиях через большое активное сопротивление, адаптированному с целью уменьшения неполноты охвата защитной зоны или выхода реле за защитную зону, которые вызываются эффектом подпитки короткого замыкания с удаленного конца линии.

Предпосылки создания изобретения

Линии электропередачи переносят электрическую энергию от генерирующих источников к потребителям. Силовые линии электропередачи обычно являются линиями высокого напряжения, и обычно до распределения электрической энергии по отдельным потребителям, таким как дома, промышленные предприятия, здания делового назначения и т.д., электрическое напряжение преобразуют в более низкое напряжение на силовой подстанции. На многочисленных силовых подстанциях устанавливают защитные реле.

Обнаружение короткого замыкания в линии включает в себя измерение критических параметров системы и, когда короткое замыкание происходит, быстрое выполнение грубой оценки места короткого замыкания и некоторых характеристик повреждения, так что короткого замыкания линия может быть изолирована от энергетической системы по возможности быстро. Повреждение происходит, когда на протяжении линии электропередачи происходит отклонение электрического тока линии электропередачи, обычно по внешним причинам, от обычного пути.

Основными видами и причинами коротких замыканий являются повреждения изоляции, обусловленные конструктивными дефектами, производственными дефектами, неправильным монтажом и старением изоляции; электрические повреждения (короткие замыкания), вызываемые грозовыми перенапряжениями, коммутационными перенапряжениями и динамическими перенапряжениями; механические повреждения, вызываемые ветром, снегом, льдом, загрязнением, деревьями и животными; и тепловые повреждения, обусловленные режимами с перегрузками по току и перенапряжениями.

С течением времени электроэнергетические системы становятся конструктивно более сложными, более мощными и более высоковольтными и относящиеся к ним системы защиты также становятся конструктивно более сложными. В этой связи, при условии, что такая система защиты не может проявить соответствующую защитную способность относительно короткого замыкания, происходящего в некоторой части связанной с ней электроэнергетической системы, получающиеся в результате распространенность и число аварий будут очень большими.

Если реле защиты, несущее основную ответственность, неточно обнаруживает место короткого замыкания, происшедшего в любой одной части электроэнергетической системы, зона аварийного отключения питания будет более широкой в соответствии с правилами координации уставок защит. Поэтому все резервные реле защиты для линий электропередачи и большая часть основных реле защиты представляют собой направленные дистанционные реле, которые обычно являются неэффективными при выполнении обнаружения в случае возникновения короткого замыкания на землю через большое активное сопротивление. Кроме того, поскольку система электропередачи становится конструктивно все более сложной, средняя протяженность зоны передачи электроэнергии, через которую протекают большие токи нагрузки, сокращается, что является причиной неправильного срабатывания или несрабатывания дистанционного реле вследствие влияния реактивного сопротивления, которое представляет собой влияние взаимной связи переходного сопротивления в месте короткого замыкания и тока нагрузки.

Линия электропередачи может включать в себя трехфазные линии; однако линия электропередачи может также содержать одну фазу или некоторое другое число фаз.

Предшествующий уровень техники

Проблема определения мест коротких замыканий в силовых линиях электропередачи раскрыта в различных источниках из предшествующего уровня техники.

В источнике Wiszniewski A., Accurate fault impedance locating algorithm , IEE Proceedings, Part C, Vol. 130, № 6, 1983, p. 311-315, предложен алгоритм для определения мест коротких замыканий на силовых линиях электропередачи, предназначенный для целей инспекции и ремонта и, следовательно, не для релейной защиты. Для коротких замыканий всех видов оценивается полный ток короткого замыкания, то есть ток, протекающий через переходное сопротивление пути короткого замыкания, при использовании «чистого линейного тока» в точке установки прибора для определения места короткого замыкания. Этот «чистый линейный ток» или, иначе говоря, «инкрементный линейный ток» определяется как разность линейного тока после короткого замыкания и тока нагрузки. Кроме того, в зависимости от вида короткого замыкания этот измеряемый «инкрементный линейный ток» рассматривается для конкретных фаз.

В патенте США № 4559491 (Saha M.M.) от 17 декабря 1985 г. под названием Method and device for locating a fault point on a three-phase power transmission line предложен алгоритм для определения мест коротких замыканий на силовой линии электропередачи, предназначенный для целей инспекции и ремонта и, следовательно, не для релейной защиты. Расстояние до места короткого замыкания вычисляют, используя квадратное уравнение, которое является пригодным для целей определения места короткого замыкания не в реальном масштабе времени, и его довольно трудно использовать для релейной защиты в реальном масштабе времени.

В источнике Zhang et al. An adaptive approach in digital distance protection , IEEE Transaction on Power Delivery, Vol. 6, № 1, January 1991, p. 135-142 раскрыт адаптивный способ для дистанционной защиты линии электропередачи. Способ касается только однофазных коротких замыканий на землю, тогда как изобретение касается коротких замыканий всех видов. Для рассмотренных однофазных коротких замыканий на землю полный ток короткого замыкания оценивают с использованием тока нулевой последовательности. Авторы предлагают использовать заданное значение для адаптивного изменения рабочих характеристик дистанционной защиты. Это заданное значение соответствует короткому замыканию в конце номинальной области действия реле, которую определяют при допущении упрощений. Однако, если вклад с удаленного конца и местный вклад нулевой последовательности не совпадают по фазе, будет возникать погрешность динамической характеристики.

В патенте США № 5956220 (Novosel D., Hu Yi, Saha M.M.) от 21 сентября 1991 г. под названием Adaptive distance protection system представлена система адаптивной дистанционной защиты. Эта адаптивная система предназначена для корректной компенсации эффектов взаимной связи. Поэтому, она касается специфических проблем для параллельных линий электропередачи при однофазных коротких замыканиях на землю, и при этом с учетом различных рабочих режимов неповрежденной параллельной линии, где рабочими режимами являются нахождение линии в рабочем состоянии или в отключенном и заземленном состоянии. Эти специфические проблемы для параллельных линий электропередачи не имеют отношения к предложенному изобретению.

В патенте США № 5796258 (Yang L.) от 18 августа 1998 г. под названием Adaptive quadrilateral characteristic distance relay предложено дистанционное реле с адаптивной прямоугольной характеристикой. Наклон прямоугольной характеристики определяют, используя ток обратной последовательности в случае однофазного короткого замыкания на землю и чистые линейные токи от соответствующих фаз в точке релейной защиты, то есть в случае междуфазных коротких замыканий под инкрементными токами понимаются разности между токами короткого замыкания и нагрузки. Расстояние до места короткого замыкания и параметры полного сопротивления сети в уравнениях отсутствуют. Это означает, что способ является упрощенным и в нем не рассматривается точная компенсация эффекта подпитки с удаленного конца.

В патенте США № 6661630 (Yong Jin Ahn) от 9 декабря 2003 г. под названием Distance relay for protection of transmission line having minimized reactance effect предложено дистанционное реле для защиты линии электропередачи с минимизированным влиянием реактивного сопротивления. Рассматриваются случаи одиночных и параллельных линий. Учитываются однофазные короткие замыкания на землю, а также междуфазные короткие замыкания. Полный ток короткого замыкания оценивают, используя ток нулевой последовательности для однофазных коротких замыканий на землю и используя чистые линейные токи от соответствующих фаз в точке релейной защиты для междуфазных коротких замыканий. Под инкрементными токами понимается разность между токами короткого замыкания и нагрузки. Это означает, что процедура оценивания полного тока короткого замыкания совершенно иная, чем в изобретении. Кроме того, используют коэффициенты распределения тока короткого замыкания. Компенсацию эффекта подпитки короткого замыкания с удаленного конца осуществляют, используя итерационные вычисления, при этом начальную точку определяют в предположении, что угол коэффициента распределения тока короткого замыкания равен нулю. Следует отметить, что выполнение итерационных вычислений применительно к защите в реальном масштабе времени является довольно трудной задачей, а некоторые условия сходимости итерационных вычислений не выполняются.

В источнике Izykowski J., Rosolowski E., Saha M.M., Locating faults in parallel transmission lines under availability of complete measurements at one end , IEE Generation, Transmission and Distribution, vol. 151, № 2, March 2004, p. 268-273 представлен алгоритм определения места короткого замыкания, предназначенный для применения к параллельным линиям электропередачи при условии доступности результатов полных измерений на одном конце. Под результатами полных измерений понимаются трехфазные напряжения и трехфазные токи с поврежденной и параллельной неповрежденной линии. Точно так же, как и в изобретении, полный ток короткого замыкания оценивают, исключая показатели нулевой последовательности. Вследствие доступности результатов полных измерений на одном конце конечный алгоритм определения места короткого замыкания имеет очень простую форму. Изобретение не связано с доступностью результатов измерений, рассмотренных в источнике, поскольку в изобретении рассматривается стандартная доступность результатов измерений.

В источнике Izykowski J., Rosolowski E., Saha M.M., Adaptive digital distance algorithm for parallel transmission lines , 2003 IEEE Power Tech., Bolonia, June 23-26, 2003, CD ROM, IEEE Catalogue Number 03EX719C, ISBN 0-7803-3-7968-3, paper 343, p. 6, выполнено дополнительное исследование способа из приведенного выше источника. В частности, вследствие очень простого уравнения первого порядка для расстояния до места короткого замыкания, его использование рассматривается для адаптивной дистанционной защиты. Как описывалось выше, доступность результатов полных измерений на одном конце параллельных линий электропередачи является отличной от ситуации, предполагаемой в отношении настоящего изобретения.

В патенте США № 4841405 раскрыто устройство с защитными реле, которое располагают на местном конце участка линии электропередачи для измерения полного сопротивления в месте короткого замыкания, предназначенное для использования при определении места короткого замыкания. Чтобы компенсировать ложную составляющую в измерении полного сопротивления в месте короткого замыкания, где ложная составляющая обусловлена условиями потокораспределения участка линии электропередачи, включая возможную подпитку короткого замыкания удаленным током, в устройстве формируется сигнал, который представляет ложную составляющую. Затем измеренное полное сопротивление в месте короткого замыкания корректируется на основании сигнала.

В патенте США № 5839093 описано реле для определения мест коротких замыканий и оценивания переходного сопротивления в месте короткого замыкания в распределительной сети с ответвленными нагрузками. Что касается известного способа определения места короткого замыкания, названного «способом реактивного сопротивления», то в патенте США № 5839093 поясняется, как полное сопротивление в месте короткого замыкания и ток нагрузки могут влиять на точность определения места короткого замыкания. Предложено уравнение, в котором учтено переходное сопротивление в месте короткого замыкания и которое содержит отношение тока через переходное сопротивление в месте короткого замыкания к току после короткого замыкания, измеряемому в виде комплексного числа на месте расположения реле.

Сущность изобретения

Задача настоящего изобретения заключается в решении проблем, связанных с известными способами из предшествующего уровня техники, и в создании усовершенствованного, простого и надежного способа и устройства для адаптивной дистанционной защиты трехфазных линий электропередачи.

Дальнейшая задача заключается в улучшении срабатывания при коротком замыкании через большое активное сопротивление и в уменьшении неполноты охвата защитной зоны и выхода реле за защитную зону, которые вызываются эффектом подпитки с удаленного конца линии.

Задачи изобретения решаются способом согласно пункту 1 формулы изобретения, реле адаптивной дистанционной защиты согласно пункту 8 формулы изобретения и компьютерной программой согласно пункту 9 формулы изобретения.

Способ выполняют с помощью реле дистанционной защиты в случае короткого замыкания через большое активное сопротивление на трехфазной линии электропередачи, когда ток I_F короткого замыкания протекает через переходное сопротивление R_F в месте короткого замыкания. Способ начинают с этапа, известного в предшествующем уровне техники, чтобы вычислить полное сопротивление Z _relay петли короткого замыкания путем деления напряжения V_relay петли короткого замыкания на ток I_relay петли короткого замыкания, измеряемый с одного конца А линии АВ электропередачи, который является концом, где расположено реле дистанционной защиты. Напряжение V_relay петли короткого замыкания состоит из соответствующих фазных напряжений V_ph1 , V_ph2, V_ph3 , а ток I_relay петли короткого замыкания состоит из соответствующих фазных токов I_ph1 , I_ph2, I_ph3 тех фаз, которые вовлечены в короткое замыкание.

Способ согласно изобретению содержит этап определения сдвига Z полного сопротивления петли короткого замыкания с использованием полного сопротивления Z_relay петли короткого замыкания, полного сопротивления Z _1L линии электропередачи для прямой последовательности токов и фазового угла комплексного коэффициента k_F распределения тока в соответствии с уравнением

,

где Z_relay= R_relay+jX_relay, Z _1L=R_1L+jX_1L и где коэффициент k_F распределения тока короткого замыкания представляет собой отношение тока I _relay петли короткого замыкания к току I _F короткого замыкания.

Следующий этап способа согласно изобретению заключается в определении расстояния d до места короткого замыкания путем вычитания сдвига Z полного сопротивления из полного сопротивления Z_relay петли короткого замыкания и деления результата на полное сопротивление Z_1L линии электропередачи для прямой последовательности токов.

Определение полного сопротивления Z _relay петли короткого замыкания только на основании фазных напряжений и токов, измеряемых на стороне А реле, не является прямым замером расстояния d до места короткого замыкания в случае короткого замыкания через большое активное сопротивление. В этом случае должен учитываться ток I_F короткого замыкания, протекающий через переходное сопротивление R_F в месте короткого замыкания, при этом ток короткого замыкания не может быть определен только со стороны А реле. Фазные токи, приходящие с удаленного конца В линии, также должны приниматься во внимание, поскольку они подпитывают короткое замыкание с удаленного конца В. Этот эффект называют эффектом подпитки с удаленного конца линии. Если влиянием тока I _F короткого замыкания пренебрегают в таком случае короткого замыкания через большое активное сопротивление, то определяют ошибочное расстояние d до места короткого замыкания, что может приводить к выходу за защитную зону или неполному охвату защитной зоны с помощью реле дистанционной защиты.

В соответствии с изобретением полное сопротивление Z _relay петли короткого замыкания адаптируют путем сдвига его в комплексной плоскости по линии сдвига Z полного сопротивления, который представляет влияние тока I_F короткого замыкания благодаря учету фазового угла коэффициента k_F распределения тока короткого замыкания. Тем самым в способе и реле адаптивной дистанционной защиты согласно изобретению компенсируется эффект подпитки с удаленного конца и повышается точность найденного расстояния d до места короткого замыкания.

Для вычисления фазового угла предложены три различные возможности.

В самом простом случае фазовый угол коэффициента k_F распределения тока короткого замыкания полагают равным нулю, то есть предполагают, что необходимо осуществлять только резистивный сдвиг полного сопротивления Z_relay петли короткого замыкания: .

В случае, когда реле дистанционной защиты на стороне А линии также способно принимать результаты синхронизированных измерений токов с удаленной стороны В, фазовый угол вычисляют на основании тока I_relay петли короткого замыкания и тока I_F короткого замыкания, при этом ток I_F короткого замыкания определяют

- в случае однофазного короткого замыкания на землю, междуфазного короткого замыкания или трехфазного сбалансированного короткого замыкания, используя инкрементные составляющие I_A1 и I_B1 токов прямой последовательности обоих концов линии электропередачи, или

- в случае междуфазного короткого замыкания на землю, используя инкрементные составляющие I_A1 и I_B1 токов прямой последовательности, а также составляющие I_A2 и I _B2 токов обратной последовательности обоих концов линии электропередачи.

В случае, когда используют только результаты измерений токов со стороны А реле, фазовый угол вычисляют три раза, каждый раз на основании тока I_relay петли короткого замыкания, тока I_F короткого замыкания и одного из трех различных, заранее заданных расстояний d_i линии, при этом ток I_F короткого замыкания определяют

- в случае однофазного короткого замыкания на землю или междуфазного короткого замыкания, используя параметры полного сопротивления линии электропередачи, ток I _relay петли короткого замыкания и составляющую I_A2 токов обратной последовательности с конца А реле линии электропередачи, или

- в случае трехфазного или междуфазного короткого замыкания на землю, используя дополнительно инкрементную составляющую I_A1 токов прямой последовательности конца А реле линии электропередачи,

и при этом три результирующих фазовых угла _i используют для определения трех сдвигов Z_i полного сопротивления и трех соответствующих возможных расстояний d_pi до места короткого замыкания, где одно их трех возможных расстояний d_pi до места короткого замыкания, которое находится ближе всего к контрольному расстоянию d_ref до места короткого замыкания, которое вычисляют как частное от деления полного сопротивления Z_relay петли короткого замыкания и полного сопротивления Z _1L линии электропередачи для прямой последовательности токов, выбирают в качестве расстояния d до места короткого замыкания.

Изобретением предоставляется новый цифровой дистанционный алгоритм для одиночных и параллельных линий электропередачи. В случае параллельных линий может быть применено третье решение, для которого требуется получение результатов стандартных измерений с одного конца параллельных линий. Способ, который первоначально возник из способа определения места короткого замыкания, нацеленного на решение задач инспекции и ремонта, был улучшен с целью использования в настоящей заявке для обеспечения адаптивности дистанционного реле к «влиянию реактивного сопротивления», которое связано с короткими замыканиями через большое резистивное сопротивление. В алгоритм введена улучшенная оценка падения напряжения на сопротивлении R_F пути короткого замыкания. В результате этого исключается определение токов нулевой последовательности и используются инкрементная составляющая прямой последовательности и составляющая обратной последовательности. В этом предложенный способ отличается от известных алгоритмов. Способ согласно изобретению был проверен на данных по коротким замыканиям, полученным в результате моделирований, выполненных с использованием известного программного обеспечения АТР-ЕМТР.

В соответствии с изобретением полный ток короткого замыкания оценивают, используя обобщенную модель коротких замыканий, сформулированную для показателей последовательности. Этот подход, основанный на показателях последовательности, применяют, чтобы исключить неблагоприятное влияние неопределенности в отношении параметра полного сопротивления линии при нулевой последовательности, которое дополнительно является причиной того, что оценка полного тока короткого замыкания является идентичной для одиночных и параллельных линий, используя инкрементный ток прямой последовательности для большей части коротких замыканий, то есть однофазных коротких замыканий на землю и междуфазных коротких замыканий.

По сравнению с предшествующим уровнем техники (публикация Yong Jin Ahn) в настоящем изобретении исключены итерационные вычисления благодаря определению полного тока короткого замыкания на основании результатов синхронизированных измерений токов на двух концах или в качестве варианта благодаря использованию трех специфических сдвигов полного сопротивления характеристики полного сопротивления, например характеристики полного сопротивления направленного реле в виде окружности, проходящей через начало координат.

Краткое описание чертежей

Для лучшего понимания настоящего изобретения делаются ссылки на чертежи, приведенные ниже, на которых:

фигура 1 - иллюстрация линии АВ электропередачи с двумя концами; и

фигура 2 - иллюстрация адаптивного сдвига характеристики полного сопротивления направленного реле в виде окружности, проходящей через начало координат, при дистанционной защите линии АВ электропередачи.

Описание изобретения и его осуществлений

Влияние подпитки с удаленного конца на срабатывание дистанционного реле

Нижеследующие пояснения относятся к реле А, расположенному на соответствующем месте А в линии электропередачи, показанной на фиг.1.

В соответствии со стандартной типовой дистанционной защитой полное сопротивление Z_relay петли короткого замыкания определяют на основании напряжения V _relay петли короткого замыкания и тока I _relay петли короткого замыкания, образованных в соответствии с видом текущего короткого замыкания на основании результатов измерений фазных напряжений или токов, соответственно, воспринимаемых реле А (см. таблицу 1):

. (1)

Таблица 1 Состав сигналов релейной защиты для различных видов коротких замыканий
Вид короткого замыкания	Напряжение, ток релейной защиты
фаза - земля	Vrelay=Vph, Irelay=Iph+ k0I0+k 0mIparallel_0
фаза 1 - фаза 2, фаза 1 - фаза 2 - земля, фаза 1 - фаза 2 - фаза 3, фаза 1 - фаза 2 - фаза 3 - земля	Vrelay=Vph1 -Vph2, Irelay =Iph1-Iph2
где фаза, фаза 1, фаза 2, земля являются обозначениями для указания коротких замыканий между фазами или на землю, соответственно; I0, Iparallel_0 представляют собой ток нулевой последовательности поврежденной или неповрежденной параллельной линии, соответственно; ; , в случае одиночной линии: k0m =0; Z1L, Z 0L, Z0m являются полными сопротивлениями линии для прямой, нулевой и взаимной нулевой последовательности, соответственно.

В случае, если имеется металлическое короткое замыкание, то есть короткое замыкание, не включающее в себя переходное сопротивление в месте короткого замыкания, так что используют R _F 0, то полное сопротивление Z_relay петли короткого замыкания, определенное в соответствии с уравнением (1), является непосредственной мерой расстояния d до места короткого замыкания, при этом предпочтительно задавать d в относительных единицах (о.е.):

Z _relay=d·Z_1L, если R_F 0, (2)

где:

Z _1L=R_1L+jX_1L является полным сопротивлением линии АВ из фиг.1 для прямой последовательности.

В случае коротких замыканий через большие активные сопротивления, то есть коротких замыканий, включающих в себя переходное сопротивление в месте короткого замыкания с принимаемым в расчет значением, так что используют R_F 0, полное сопротивление Z_relay петли короткого замыкания, определенное в соответствии с уравнением (1), больше не будет непосредственной мерой расстояния d до места короткого замыкания. В данном случае уравнение (2) неприменимо. Вместо этого петля короткого замыкания описывается следующим образом:

V_relay -d·Z_1LI _relay-R_FI_F=0, (3)

где:

I _F является полным током короткого замыкания, также называемым током пути короткого замыкания, который является следствием тока I_A, вытекающего из точки А релейной защиты, и также тока I_B, подпитывающего короткое замыкание с удаленного конца В, см. фиг.1.

При делении обеих частей уравнения (3) на ток I _relay релейной защиты получается следующее уравнение для полного сопротивления:

или в альтернативной форме:

Z_relay-d·Z _1L- Z=0, (5)

где:

Z представляет собой сдвиг полного сопротивления, являющийся следствием эффекта подпитки с удаленного конца, который обусловлен коротким замыканием через большое активное сопротивление.

Введя коэффициент k_F распределения тока короткого замыкания в виде следующего отношения:

уравнение (4) можно записать в виде:

Подстановка коэффициента k _F распределения тока короткого замыкания в соответствии с его полярной формой в уравнение (7) приводит к:

где:

k_F является абсолютной величиной коэффициента распределения тока короткого замыкания, k_F=|k _F|, и

представляет собой угол коэффициента распределения тока короткого замыкания, = угол (k_F).

Альтернативная форма уравнения (8) имеет следующий вид:

С учетом того, что член является вещественным числом, а это так, поскольку переходное сопротивление R_F в месте короткого замыкания и абсолютная величина k_F коэффициента распределения тока короткого замыкания являются вещественными числами, уравнение (9) может быть разделено на вещественную и мнимую части:

Затем уравнение (10) может быть умножено на sin( ), а уравнение (11) на cos( ). После этого результаты складывают с исключением члена . В результате этого расстояние d до места короткого замыкания может быть определено в соответствии со следующим простым уравнением:

Полученное уравнение (12) используют для определения компенсации эффекта подпитки с удаленного конца, который может быть причиной неполного охвата защитной зоны и/или выхода за защитную зону дистанционных реле при коротких замыканиях, близких к границе первой защитной зоны, и который может также замедлять размыкание дистанционных реле. Чтобы исключить эти особенности традиционных дистанционных реле, предложено компенсировать эффект подпитки с удаленного конца.

Способ компенсации эффекта подпитки с удаленного конца

В предложенную адаптивную дистанционную защиту введена адаптация к эффекту подпитки с удаленного конца. Новаторская идея также представлена в отношении характеристики полного сопротивления направленного дистанционного реле в виде окружности, проходящей через начало координат, при этом сама по себе характеристика полного сопротивления направленного реле (ХПСНР) в виде окружности, проходящей через начало координат, является в общем известной и представлена окружностью на диаграмме R/X, контур которой, как показано на фиг.2, проходит через начало координат. Однако этот способ также может быть использован для других видов характеристики полного сопротивления дистанционного реле.

Для предложенного адаптивного дистанционного реле сохраняется традиционный способ вычисления полного сопротивления Z_relay петли короткого замыкания согласно уравнению (1). Новшество заключается в том, что найденное полное сопротивление Z _relay петли короткого замыкания сравнивают с адаптированной характеристикой полного сопротивления направленного реле в виде окружности, АХПСНР, см. фиг.2, которую получают путем сдвига исходной характеристики направленного реле в виде окружности, проходящей через начало координат, ХПСНР, посредством определенного сдвига полного сопротивления, которое в соответствии с уравнением (5) может быть выражено как:

Z= R+j X=Z_relay-dZ _1L. (13)

Уравнение (13) также может быть перезаписано в форме:

Z= R+j X=(R_relay-dR_1L )+j(X_relay-dX_1L). (14)

Подстановка уравнения (12) в уравнение (14) приводит к сдвигу характеристики для сопротивления:

и для реактивного сопротивления:

С учетом уравнений (15) и (16) сдвиг полного сопротивления характеристики направленного реле в виде окружности, проходящей через начало координат, необходимый для получения адаптивной характеристики направленного реле в виде окружности, будет равен:

Это означает, что необходимый сдвиг (17) полного сопротивления определяется:

- сопротивлением R_1L и реактивным сопротивлением X _1L линии для прямой последовательности,

- сопротивлением R_relay петли короткого замыкания и реактивным сопротивлением X_relay петли короткого замыкания, измеряемыми с помощью реле,

- углом коэффициента k_F распределения тока короткого замыкания.

Значение tg( ) является неизвестным, поскольку оно определяется уравнением (6), в которое включен полный ток I _F короткого замыкания, и этот полный ток I _F короткого замыкания не может быть измерен при использовании только местных измерений.

Наиболее простой способ компенсации эффекта удаленной подпитки может быть осуществлен в предположении нулевым угла коэффициента k_F распределения тока короткого замыкания, что приводит к tg( )=0. В этом случае необходимый сдвиг характеристики полного сопротивления равен:

. (18)

Это означает, что, если упрощение tg( )=0 может быть допущено, то есть если угол коэффициента k_F распределения тока приблизительно равен нулю, то, как определено в уравнении (18), для компенсации эффекта удаленной подпитки характеристика полного сопротивления направленного дистанционного реле в виде окружности, проходящей через начало координат, должна быть сдвинута только в направлении сопротивления.

В общем случае, то есть без допущения упрощения tg( )=0, значение tg( ) должно быть определено для подстановки его в уравнение (17):

, (19)

где: и = угол(k_F).

Полный ток I_F короткого замыкания состоит из токов, протекающих к точке F короткого замыкания с обеих сторон линии (см. фиг.1):

I_F =I_A+I_B. (20)

В случае получения результатов синхронизированных измерений на обеих сторонах линии и высокой скорости связи между концами линии для передачи удаленного тока к дистанционному реле полный ток короткого замыкания может быть просто определен в соответствии с уравнением (20) и затем tg( ) вычислен из уравнения (19). Это позволяет определить требуемый сдвиг полного сопротивления характеристики (17) полного сопротивления, используемый для компенсации эффекта подпитки с удаленного конца.

Уравнение (20) свидетельствует о том, что полный ток I_F короткого замыкания может быть определен при использовании токов, измеренных синхронно на обоих концах линии электропередачи. Такие измерения выполняют для того, чтобы они использовались дифференциальным реле. Поскольку дифференциальное реле и дистанционные реле находятся совместно в современных терминалах защиты силовых линий электропередачи, результаты этих измерений, то есть токи, измеренные синхронно на обоих концах линии электропередачи, также могут быть легко использованы для осуществления адаптивной дистанционной защиты. Это является объектом настоящего изобретения. Однако решение, предложенное в настоящей заявке, не является прямым применением уравнения (20).

При рассмотрении применения результатов синхронизированных измерений токов на двух концах для определения полного тока I_F короткого замыкания имеет смысл отметить, что уравнение (20) является справедливым в пренебрежении шунтирующими емкостями линии электропередачи. В случае линий длиной, превышающей некоторое пороговое значение, которое может быть, например 150 км, пренебрежение шунтирующими емкостями может быть причиной неприемлемых погрешностей при определении полного тока короткого замыкания в соответствии с уравнением (20). Поэтому, чтобы минимизировать влияние шунтирующих емкостей на определение полного тока I_F короткого замыкания, то есть тока, протекающего через переходное сопротивление R_F пути короткого замыкания, предложено особое определение этого тока. Вместо непосредственного использования уравнения (20), в соответствии с которым суммируются токи поврежденных фаз с обеих сторон, полный ток I_F короткого замыкания определяют после разделения трехфазных токов с обоих концов на их симметричные составляющие и в таком случае после использования полезных составляющих. Полезными являются те, которые минимизируют влияние шунтирующих емкостей.

Основы определения полного тока I_F короткого замыкания

Заявитель предлагает использовать обобщенную модель короткого замыкания в виде следующего уравнения, предназначенного для определения полного тока I_F короткого замыкания:

I_F=a_F1I _F1+a_F2I_F2 +a_F0I_F0, (21)

где:

I _F1, I_F2, I _F0 являются симметричными составляющими полного тока короткого замыкания, и где второй нижний индекс обозначает следующее: 1 - прямую, 2 - обратную и 0 - нулевую последовательность, соответственно,

a_F1, a_F2, a_F0 представляют собой долевые коэффициенты, зависящие от вида короткого замыкания в соответствии с таблицами 1, 2 и 3.

Конкретные составляющие последовательности полного тока I_F короткого замыкания определяют путем сложения соответствующих составляющих последовательности токов с терминалов линии. В правой части уравнений, приведенных ниже, первый нижний индекс обозначает терминал А или В, тогда как второй нижний индекс обозначает составляющую последовательности, 1 - для составляющей прямой, 2 - для составляющей обратной и 0 - для составляющей нулевой последовательности:

I_F1=I_A1+ I_B1, (22)

I_F2= I_A2+I_B2, (23)

I_F0= I_A0+I_B0. (24)

В качестве варианта составляющая I_F1 прямой последовательности полного тока I_F короткого замыкания может быть определена путем использования наложенных инкрементных токов прямой последовательности, I_A1 и I_B1, где термин инкрементный означает вычитание значений до короткого замыкания из значений после короткого замыкания:

I_F1= I_A1+ I_B1. (25)

Известно, что на использование токов I_A1 и I_B1 прямой последовательности с терминалов линии согласно уравнению (22), для определения полного тока I_F короткого замыкания согласно уравнению (21) влияет потокораспределение до короткого замыкания. Поэтому, в случаях, когда используют токи I_A1 и I_B1 прямой последовательности, точность определения места короткого замыкания ухудшается, особенно значительно в случае, если подразумевается высокое переходное сопротивление в месте короткого замыкания. В отличие от этого использование составляющих обратной и нулевой последовательностей и наложенных составляющих прямой последовательности в соответствии с уравнениями с (23) по (25) является предпочтительным для обеспечения высокой точности при определении полного тока I_F короткого замыкания. Как следствие этого, предложен нижеследующий порядок очередности применения конкретных составляющих последовательности измеряемых токов:

- для однофазных коротких замыканий на землю и междуфазных коротких замыканий:

наложенные составляющие I_A1 и I_B прямой последовательности с использованием таблицы 2,

- для междуфазных коротких замыканий на землю:

наложенные составляющие I_A1 и I_B1 прямой последовательности и составляющие I_A2 и I_B2 обратной последовательности с использованием таблицы 3,

- для трехфазных симметричных коротких замыканий:

наложенные составляющие I_A1 и I_B прямой последовательности с использованием таблицы 4.

Определение полного тока I_F короткого замыкания для однофазных коротких замыканий на землю и междуфазных коротких замыканий

Долевые коэффициенты a _F1, a_F2 и a_F0 из уравнения (21) могут быть определены с учетом граничных условий для коротких замыканий, рассмотренных в этом разделе, которыми являются однофазные короткие замыкания на землю и междуфазные короткие замыкания. Однако в этом имеется некоторая степень свободы. Из числа многих возможностей долевые коэффициенты для обратной и нулевой последовательностей выбирают как a_F2=a_F0=0, см. таблицу 2. Этим гарантируется, что для определения полного тока I_F короткого замыкания используются только наложенные составляющие I_A1 и I_B1 прямой последовательности:

I_F=a_F1 I_F1, (26)

где:

a _F1 представляет собой набор в соответствии с таблицей 2, I_F1 определяют в соответствии с уравнением (25).

Таблица 2 Рекомендованный набор долевых коэффициентов для однофазных коротких замыканий на землю и междуфазных коротких замыканий
Короткое замыкание	aF1	aF2	aF0
фаза а - земля	3	0	0
фаза b - земля	3а 2	0	0
фаза с - земля	3 а	0	0
фаза а - фаза b	1-a 2	0	0
фаза b - фаза с	а2-а	0	0
фаза с - фаза а	а-1	0	0
a=exp(j2/3);

Определение полного тока I_F короткого замыкания для междуфазных коротких замыканий на землю

В случае короткого замыкания фаза 1 - фаза 2 - земля, где каждая из фазы 1 и фазы 2 обозначает одну из фаз a, b или с, полный ток I_F короткого замыкания, который протекает в рассматриваемой петле междуфазного короткого замыкания, равен разности фазных токов I_{F_фазы 1} и I_F__{фазы 2} короткого замыкания в точке F короткого замыкания поврежденных фаз, фазы 1 и фазы 2:

I_F= I_F__{фазы 1}-I_F __{фазы 2}. (27)

Разделив уравнение (27) на симметричные составляющие и учитывая рекомендованный порядок очередности применения конкретных составляющих последовательности, то есть используя наложенные составляющие прямой последовательности и составляющие обратной последовательности, получаем:

I_F=a_F1I _F1+a_F2I_F2+ a_F0I_F0, (28)

где долевыми коэффициентами являются:

a_F1 как в таблице 3, a _F2 как в таблице 2, a_F0=0, и где I_F1 задается уравнением (25), а I _F2 - уравнением (23).

Таблица 3 Рекомендованный набор долевых коэффициентов для междуфазных коротких замыканий на землю
Короткое замыкание	a F1	aF2	aF0
фаза а - фаза b - земля	1-a2	1-a	0
фаза b - фаза с - земля	a 2-a	a-a2	0
фаза с - фаза а - земля	a-1	a 2-1	0

Определение полного тока I_F короткого замыкания для трехфазных сбалансированных коротких замыканий

В случае трехфазных сбалансированных коротких замыканий рассматривают соответствующую петлю междуфазного короткого замыкания, которая обычно является петлей a-b . Вследствие этого долевой коэффициент a_F0 для нулевой последовательности равен нулю, a_F0 =0. Для обратной последовательности ненулевой долевой коэффициент a_F2 получают как имеющийся в таблице 4. Однако вследствие отсутствия составляющих обратной последовательности, что применимо для трехфазных сбалансированных коротких замыканий, значение этого коэффициента не является существенным, то есть оно может полагаться равным нулю. Поэтому, в конечном счете полный ток I_F короткого замыкания в случае трехфазных сбалансированных коротких замыканий равен:

I_F=a_F1I _F1+a_F2I_F2 +a_F0I_F0, (29)

где результирующие коэффициенты имеют вид:

a_F1=1-a ², a_F2=0 и a_F0=0,

и где

I_F1 задается уравнением (25).

Таблица 4 Набор рекомендованных долевых коэффициентов для трехфазных сбалансированных коротких замыканий
Короткое замыкание	a F1	aF2 )*	aF0
фаза а - фаза b - фаза с фаза а - фаза b - фаза с - земля	1-a2	1-a	0
)* вследствие отсутствия составляющих обратной последовательности при сбалансированных коротких замыканиях этот коэффициент может полагаться равным нулю

Альтернативный способ определения значения tg( ) на основании уравнения (19) показан ниже.

Альтернативный способ определения значения tg( ) основан на учете коэффициента k _F распределения тока короткого замыкания и вычислении tg( ) как отношения мнимой и вещественной частей этого коэффициента:

Коэффициент k_F распределения тока короткого замыкания может быть выражен в следующем виде:

где:

I_A1, I_A2 представляют собой инкрементные составляющие прямой и обратной последовательности токов в точке А расположения реле,

M₁=Z_1SA+ Z_1SB+Z_1L, при этом Z_1SA и Z_1SB являются местными полными сопротивлениями источника на соответствующих реле,

K₁=-Z _1L,

L₁ =Z_1SB+Z_1L и

a_F1, a_F2 представляют собой долевые коэффициенты, зависящие от вида короткого замыкания в соответствии с таблицей 5.

Таблица 5 Долевые коэффициенты на основании уравнения (31)
Вид короткого замыкания	aF1	aF2	aF0
фаза а - земля	0	3	0
фаза b - земля	0	3а	0
фаза с - земля	0	3а2	0
фаза а - фаза b	0	1-а	0
фаза b - фаза с	0	а-а2	0
фаза с - фаза а	0	а2-1	0
фаза а - фаза b - земля, фаза а - фаза b - фаза с - земля, фаза а - фаза b - фаза с	1-а2	1-а	0
фаза b - фаза с - земля	а 2-а	а-а2	0
фаза с - фаза а - земля	а-1	а 2-1	0
a=exp(j2/3),

Коэффициент k_F распределения тока короткого замыкания в уравнении (31) получен для случая одиночной линии путем исключения показателей нулевой последовательности. Кроме того, учтено, что полные сопротивления прямой и обратной последовательностей сети электропередачи являются идентичными.

Коэффициент k_F распределения тока короткого замыкания согласно уравнению (31) также может быть записан в виде:

где:

h ₁=a_F1M₁ =a_F1(Z_1SA+Z _1SB+Z_1L),

h₂=a_F2M ₁=a_F2(Z_1SA +Z_1SB+Z_1L) и

q(d)=K ₁d+L₁=-Z _1Ld+Z_1SB+Z _1L.

Чтобы вычислить требуемый адаптивный сдвиг Z на основании уравнения (17) с учетом уравнений (30) и (32), необходимо, чтобы были известными параметры полного сопротивления сети. С этой целью с помощью реле А измеряют местное полное сопротивление Z_1SA источника, тогда как информацию относительно удаленного полного сопротивления Z_1SB источника получают из запоминающего устройства реле А, которая обновляется после каждого короткого замыкания линии путем передачи по каналу связи фактического измеренного значения удаленного полного сопротивления Z _1SB источника. Коэффициент q(d) является зависящим от расстояния d до места короткого замыкания, которое на самом деле неизвестно, и поэтому подставляют три определенных значения расстояния, соответствующих началу, d_i =0, середине, d_i=0,425 относительных единиц, и концу, d_i=0,85 относительных единиц первой зоны дистанционной защиты. Затем уточняют, какое одно из них ближе всего к реальности. В результате этого коэффициент распределения тока короткого замыкания выражается в виде:

где:

d _i=0 или

d_i=0,425 о.е., или

d_i=0,85 о.е.

Поэтому имеются три определенных сдвига Z_i характеристики полного сопротивления, которые рассматриваются, и в конечном счете после определенной проверки используется один из них.

Использование предложенного способа обеспечивает адаптацию характеристики полного сопротивления дистанционного реле к фактическим условиям короткого замыкания, и в результате этого срабатывание реле улучшается.