Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор и анализ существующих методов определения места повреждения 11
1.1. Определение места повреждения при различных видах короткого замыкания... 11
1.2. Одноцепная линия электропередачи с двухсторонним питанием при определении места повреждения по замерам параметров аварийного режима с одной стороны 15
1.3. Двухцепная линия электропередачи с двухсторонним питанием при определении места повреждения по замерам параметров аварийного режима с одной стороны 17
1.4. Обзор существующих методов одностороннего определения места повреждения по параметрам аварийного режима
.4.1. Метод по измерению реактанса 18
1.4.2. Метод, основанный на теории дистанционного одностороннего замера 20
1.4.3. Усовершенствованный метод с угловой коррекцией, основанный на теории дистанционного одностороннего замера 21
1.4.4. Метод, основанный на критерии равенства нулю реактивной мощности в месте повреждения 21
1.4.5. Методы определения места повреждения, используемые в зарубежных устройствах РЗА 22
1.4.6. Анализ действующей нормативной документации в области определения места повреждения 23
1.4.7. Сравнение односторонних методов определения места повреждения по параметрам аварийного режима
1.5. Обзор существующих двухсторонних методов определения места повреждения по параметрам аварийного режима 30
1.6. Обзор существующих методов определения места повреждения по параметрам аварийного режима для линий электропередачи с распределенными параметрами 32
1.7. Выводы 34
2. Разработанные методы определения места повреждения по параметрам аварийного режима 35
2.1. Математическая модель воздушной линии электропередачи со сосредоточенными параметрами для определения места повреждения по параметрам аварийного режима35
2.2. Разработанные односторонние методы определения места повреждения по параметрам аварийного режима для линии со сосредоточенными параметрами
2.2.1. Итерационный метод минимального угла 40
2.2.2. Итерационный метод, основанный на теореме синусов 45
2.2.3. Итерационный метод, основанный на замере полного сопротивления до места повреждения
2.3. Математическая модель воздушной линии электропередачи с распределенными параметрами для определения места повреждения по параметрам аварийного режима 52
2.4. Разработанные односторонние методы определения места повреждения по параметрам аварийного режима для линии с распределенными параметрами 56
2.5. Выводы 62
3. Исследование и сравнительный анализ разработанных методов определения места повреждения 64
3.1. Исследование и сравнительный анализ разработанных методов определения места повреждения на одноцепной воздушной линии со сосредоточенными параметрами 64
3.1.1. Влияние длины линии на погрешность ОМП з
3.1.2. Влияние переходного сопротивления в месте повреждения на погрешность ОМП 67
3.1.3. Влияние сопротивлений системы на погрешность ОМП 69
3.1.4. Влияние погрешности в определении сопротивления системы удаленного конца ВЛ на погрешность ОМП 72
3.1.5. Влияние угла сдвига между ЭДС систем на погрешность ОМП 78
3.1.6. Анализ результатов математического моделирования 3.2. Исследование и сравнительный анализ разработанных методов ОМП на двухцепной воздушной линии со сосредоточенными параметрами 81
3.3. Исследование и сравнительный анализ разработанных методов ОМП на одноцепной воздушной линии с распределенными параметрами 82
3.4. Исследование и сравнительный анализ разработанных методов ОМП на двухцепной воздушной линии с распределенными параметрами 87
3.5. Выводы 92
4. Практическая апробация предлагаемых методов ОМП 94
4.1. Обработка осциллограмм коротких замыканий на реальных воздушных линиях электропередачи 500 кВ 94
4.2. Двухстороннее определение места повреждения на линиях электропередачи по параметрам аварийного режима на базе существующих устройств релейной защиты и автоматики 99
4.3. Выводы 105
5. Определение места повреждения на четырехфазных воздушных линиях 106
5.1. Обзор существующих исследований четырехфазной ВЛ 106
5.2. Параметры четырехфазной ВЛ 109
5.3. Разложение четырехфазной системы на симметричные составляющие 110
5.4. Вывод расчетных выражений для ОМП на четырехфазной ВЛ
5.4.1. Однофазное КЗ 115
5.4.2. Расчетные выражения для ОМП
5.5. Методы определения места повреждения на четырехфазной ВЛ с сосредоточенными и распределенными параметрами 119
5.6. Исследование разработанных методов ОМП на четырехфазной ВЛ со сосредоточенными и распределенными параметрами 122
5.7. Выводы 124
Заключение 125
Библиографический список 128
Приложения 139
Приложение А 140
Одностронние методы ОМП по ПАР 140
А.1. Метод, основанный на сопряженном аварийной составляющей тока питающей системы начала линии 140
А.2. Усовершенствованный метод с угловой коррекцией, основанный на сопряженном аварийной составляющей тока питающей системы начала линии 140
А.З. Метод с компенсацией погрешности от переходного сопротивления в месте повреждения и системы удаленного конца линии 141
А.4. Метод, основанный на мгновенных значениях параметров аварийного режима 142
Приложение В 145
Вывод коэффициентов токораспределения для одноцепной и двухцепной воздушных линий с учетом распределенности параметров 145
В. 1. Одноцепная ВЛ 145
В.2. Двухцепная ВЛ 145
Приложение С 151
Величины токов и напряжений, используемые при двухстороннем ОМП, в зависимости от вида короткого замыкания 151
Приложение D 155
Виды КЗ на четырехфазной ВЛ 155
Приложение Е 156
Вывод расчетных выражений для ОМП на четырехфазной ВЛ 156
ЕЛ. Двухфазное КЗ 156
Е.2. Двухфазное КЗ на землю 171
Е.З. Трехфазное КЗ 181
Е.4. Трехфазное КЗ на землю 192
Приложение F 199
Письмо, подтверждающее возможность использования предложенных в работе методов
ОМП в устройствах Alstom Grid 199
Приложение G 202
Акт внедрения в учебный процесс ИрГТУ 202
Приложение Н 204
Акт об использовании при работе с ИЭСК 2
- Двухцепная линия электропередачи с двухсторонним питанием при определении места повреждения по замерам параметров аварийного режима с одной стороны
- Итерационный метод, основанный на теореме синусов
- Влияние переходного сопротивления в месте повреждения на погрешность ОМП
- Двухстороннее определение места повреждения на линиях электропередачи по параметрам аварийного режима на базе существующих устройств релейной защиты и автоматики
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время согласно статистике ОАО «Федеральная сетевая компания» физический износ электрических сетей напряжением 330 кВ и выше достигает 50%, что является предпосылкой для возникновения аварийных ситуаций, перерывов в электроснабжении крупных потребителей и нарушения межсистемных связей. В данных условиях высокие требования предъявляются к устройствам автоматики, защиты и диагностики, в том числе к устройствам определения места повреждения (ОМП) на воздушных линиях (ВЛ) электропередачи. Уменьшение погрешности ОМП, позволит службам эксплуатации снизить время, необходимое на поиск места повреждения и устранение причины неисправности, как следствие, уменьшится ущерб, причиняемый энергосистеме и потребителям электрической энергии.
Существенный вклад в развитие теории и техники ОМП внесли такие российские и зарубежные ученые, как А.И. Айзенфельд, Е.А. Аржанников, Я.Л. Арцишевский, Г.И. Атабеков, Б.В. Борзинец, В.А. Борухман, А.Н. Висящев, А.Ф. Дьяков, А.П. Кузнецов, А.Л. Куликов, Д.Р. Любарский, Ю.Я. Лямец, А.С. Малый, М.Ш. Мисриханов, В.Г. На-ровлянский, Г.С. Нудельман, М.П. Розенкноп, А.С. Саухатас, С.А. Ульянов, А.М Федосеев, Г.М. Шалыт, Э.М. Шнеерсон, В.А. Шуин, L. Eriksson, G.D. Rockefeller, Т. Tak-agi, G. Ziegler.
Несмотря на широко проводимые исследования, связанные с ОМП, данная область продолжает представлять значительный интерес, основными причинами которого являются следующие:
ОМП зависит от большого количества изменяющихся факторов (параметры сети, параметры режима, вид повреждения, переходное сопротивление, сопротивление грунта и др.), погрешность в определении которых вносит методическую погрешность в ОМП.
Продолжающееся распространение микропроцессорных устройств релейной защиты и автоматики (РЗА) и ОМП позволяет использовать новые виды алгоритмов, требовательных к хранению и быстрой обработке больших объемов цифровой информации, но в то же время уменьшающих погрешность ОМП.
Таким образом, разработка и совершенствование методов ОМП с целью уменьшения погрешности является актуальной задачей.
Существующие в настоящее время методы ОМП применимы к трехфазным воздушным линиям электропередачи.
В последние годы опубликован ряд работ, посвященных четырехфазным ВЛ и их использованию не только в области сверхвысоких напряжений и сверхдлинных линий, но также на уровне высоких и средних напряжений для В Л протяженностью от 100 км и выше.
Эффективность применения одноцепной четырехфазной ВЛ зависит от многих факторов, таких как класс напряжения, протяженность, конструкция опор и т.п. Однако, в целом, позволяет добиться пропускной способности сопоставимой в аварийных режимах с двумя одноцепными трехфазными ВЛ при значительно меньшей занимаемой площади, меньших затратах, обладая при этом большей надежностью и пропускной способностью, чем одноцепная трехфазная ВЛ. Особенно это важно в условиях
плотной застройки и прохождения трассы ВЛ в тяжелых климатических условиях, что характерно в том числе и для России.
Одной из задач, которую необходимо решить для полноценного внедрения и возможности последующей эксплуатации четырехфазных ВЛ, является разработка новых либо адаптация существующих (разработанных для трехфазных систем) алгоритмов РЗА и ОМП.
В известной зарубежной и отечественной литературе вопрос ОМП на четырехфазных ВЛ не освящен, поэтому с учетом нарастающего интереса и возможности внедрения четырехфазных ВЛ в среднесрочной перспективе разработку алгоритмов ОМП следует признать актуальной задачей.
Цель работы. Исследование, анализ, совершенствование существующих методов ОМП по параметрам аварийного режима (ПАР) и разработка новых методов ОМП по ПАР для трехфазных и четырехфазных В Л электропередачи высокого напряжения.
Для достижения поставленной цели решен следующий комплекс задач:
-
Выполнен анализ величин погрешностей существующих методов ОМП по ПАР на одноцепных и двухцепных трехфазных ВЛ в зависимости от параметров сети, параметров нормального и аварийного режимов, удаленности короткого замыкания (КЗ) и др.
-
Разработаны новые и усовершенствованы существующие методы ОМП по ПАР на одноцепных и двухцепных трехфазных ВЛ. Выполнен анализ влияния параметров сети, параметров нормального и аварийного режимов, удаленности КЗ и других факторов на погрешность ОМП посредством математического моделирования.
-
Выполнен анализ погрешности разработанных и усовершенствованных методов ОМП по ПАР на основании обработки осциллограмм коротких замыканиях на трехфазных В Л Иркутской энергосистемы.
-
Разработаны методы ОМП по ПАР для одноцепных четырехфазных ВЛ. Выполнен анализ влияния параметров сети, параметров нормального и аварийного режимов, удаленности КЗ и других факторов на погрешность ОМП при помощи математического моделирования.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются трехфазные и четырехфазные ВЛ электропередачи высокого напряжения. Предметом исследования являются разработка и совершенствование методов ОМП по ПАР на трехфазных и четырехфазных ВЛ с целью уменьшения погрешности ОМП.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использовались: теоретические основы электротехники, математическое моделирование, экспериментальные исследования на основании данных реальных энергетических объектов, теория комплексных чисел, теория графов, теория матриц, теория гиперболических функций, итерационные методы, метод симметричных составляющих.
Научная новизна и значимость полученных результатов работы заключается в следующем:
1. Разработано два односторонних метода ОМП по ПАР для трехфазных ВЛ, основанных на модели В Л с распределенными параметрами. Первый метод использует критерий вещественности переходного сопротивления в месте повреждения, второй - свойство вещественности расстояния от начала В Л до места повреждения.
Предлагаемые методы имеет меньшую погрешность ОМП по сравнению с методами по ПАР, пренебрегающими углом сдвига между током в месте повреждения и током, подпитывающим место КЗ от системы начала ВЛ, а также с методами, не учитывающими распределенность параметров ВЛ.
2. Усовершенствованы односторонние методы ОМП по ПАР, разработанные на
кафедре электрических станций и сетей энергетического факультета ИрГТУ, а
именно:
итерационный метод минимального угла;
итерационный метод, основанный на теореме синусов;
итерационный метод, основанный на замере полного сопротивления с учетом переходного сопротивления.
В рамках развития методов разработаны блок-схемы и пошагово описаны алгоритмы функционирования. Выполнена программная реализация предлагаемых методов, проведен анализ влияния факторов (изменения параметров сети, параметров режима, места повреждения, величины переходного сопротивления и др.) на погрешность ОМП посредством математического моделирования и обработки данных реальных коротких замыканий. Предлагаемые методы уменьшают погрешность ОМП по сравнению с методами по ПАР, не учитывающими угол сдвига между током в месте повреждения и током, подпитывающим место КЗ от системы начала ВЛ.
-
Получено аналитическое выражение для определения коэффициента токорас-пределения для модели двухцепной трехфазной ВЛ с распределенными параметрами, применимое для исследований в области РЗА и ОМП.
-
Предложена методика двухстороннего ОМП на трехфазных ВЛ, позволяющая уменьшить погрешность функции ОМП в микропроцессорных устройствах РЗА, использующих информацию о токах начала и конца ВЛ. Методика рассмотрена на примере микропроцессорного терминала Alstom Grid, выполняющего дифференциальную защиту линии (ДЗЛ). Предлагаемый метод прост в реализации, т.к. не требует изменения аппаратной базы устройства.
-
Получены аналитические выражения для одноцепной четырехфазной ВЛ со сре-доточенными и распределенными параметрами, связывающие токи и напряжения в начале ВЛ с токами и напряжениями в месте повреждения через симметричные составляющие при различных видах однократной поперечной несимметрии, и представляющие интерес с позиции дальнейшего развития РЗА и ОМП на четырехфаз-ных ВЛ.
-
Впервые разработаны односторонние методы ОМП по ПАР для одноцепной четырехфазной В Л со ере доточенными и распределенными параметрами.
Практическая ценность работы. Практическая ценность работы заключается в следующем:
1. Реализация предлагаемых методов ОМП по ПАР для трехфазных ВЛ в современных микропроцессорных устройствах ОМП, РЗА и регистрации аварийных событий (РАС) уменьшит погрешность ОМП, по сравнению с методами:
- не учитывающими угол сдвига между током в месте повреждения и током, подпитывающим место КЗ от системы начала ВЛ;
- основанными на модели ВЛ со средоточенными параметрами для случая протяженных ВЛ.
-
Разработанные в ходе работы модели, программы ОМП и аналитические выражения найдут применение в ВУЗах, проектных организациях, научно-исследовательских центрах, конструкторских бюро и других организациях, занимающихся анализом повреждений на ВЛ.
-
Разработанные методы ОМП по ПАР для четырехфазной В Л решают проблему отсутствия методик, необходимых для внедрения и введения в эксплуатацию че-тырехфазных ВЛ. Полученные аналитические выражения для четырехфазной В Л перспективны с позиции применения при разработке новых алгоритмов ОМП и РЗА на четырехфазных ВЛ.
Реализация и внедрение результатов работы. Основные результаты работы использовались в рамках договора с ОАО «Иркутская электросетевая компания» (ОАО «ИЭСК») №269/11 от 01 декабря 2011 для анализа коротких замыканий на линиях электропередачи и разработки мероприятий в электрических сетях, а также внедрены в учебный процесс в Национальном исследовательском Иркутском государственном техническом университете (НИ ИрГТУ) на кафедре электрических станций, сетей и систем при проведении лекционных занятий по курсу «Определение места повреждения на линиях электропередачи» для студентов, бакалавров и магистрантов.
Методики одно- и двухстороннего ОМП по ПАР, предложенные в работе, имеют возможность применения в устройствах компании Alstom Grid и Alstom Psymetrix, что подтверждается официальным письмом.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Односторонние методы ОМП по ПАР для трехфазных одноцепных и двухцеп-ных В Л, основанные на модели В Л с распределенными параметрами.
-
Односторонние методы ОМП по ПАР для трехфазных одноцепных и двухцеп-ных ВЛ, основанные на модели ВЛ со средоточенными параметрами.
-
Методика двухстороннего ОМП для микропроцессорных терминалов, выполняющих ДЗЛ.
-
Односторонние методы ОМП по ПАР для четырехфазной В Л с распределенными и сосредоточенными параметрами.
-
Результаты исследования ОМП по ПАР на четырехфазных В Л, аналитические выражения, связывающие ПАР в месте повреждения с ПАР в начале ВЛ при различных видах однократной поперечной несимметрии.
-
Результаты анализа существующих и предлагаемых методов ОМП по ПАР на ВЛ, полученные при помощи математического моделирования и обработки осциллограмм реальных коротких замыканий.
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались на международных научно-технических конференциях «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» (ИрГТУ, г. Иркутск, 2006- 2008, 2010 гг.), на VI научно-технической конференции «Эффективность и качество электроснабжения промышленных предприятий» (г. Мариуполь, 2008 г.) .), на VII международной научно-практической конференции «Инфраструктурные отрасли экономики: проблемы и перспективы развития» (г. Новосибирск, 2014 г.), на
XVII международной научно-практической конференции «Современное состояние естественных и технических наук» (г. Москва, 2014 г.)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 из них - в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ для опубликования научных результатов диссертаций на соискание степени кандидата технических наук. Получено 2 патента РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка и 8 приложений. Общий объем работы составляет 204 страницы, в том числе 127 страниц основного текста, включая 43 рисунка, 7 таблиц и 11 страниц библиографического списка (118 наименований).
Двухцепная линия электропередачи с двухсторонним питанием при определении места повреждения по замерам параметров аварийного режима с одной стороны
Теоретические основы одностороннего замера с точки зрения дистанционной защиты были разработаны Аржанниковым Е.А. в 70-80-е годы [5] и использованы при разработке данного метода. В конце 80-х метод под руководством А.С. Саухатаса описанный ниже метод был заложен в микропроцессорные приборы определения места повреждения МФИ (Рижский опытный завод «Энергоавтоматика»), а в дальнейшем в МИР («Энергоприбор», Москва), ФПМ (СП «Энергосоюз», Казань) [10; 68] и до сих пор остается основным в России.
В настоящее время данный метод ОМП с незначительным отличиями используется в таких устройствах, как Сируис-2-ОМП, ИМФ-ЗС, ИМФ-ЗР (ЗАО «Радиус Автоматика»), ПУМА 1100 (НПП ЗАО «АСАТ»), Парма РП4.06 (ООО «Парма»), АУРА (000 «СВЕЙ»), БЭ2704 (ООО «НПП «ЭКРА») [52; 56-58]. Из выражения (1.6), если разделить обе части на ГКав и выделить мнимую часть, введя допущение о том, что коэффициент токораспределения С - число действительное, можно получить расстояние до места повреждения в о.е. по следующему выражению: - удельное продольное полное сопротивление прямой последовательности линии электропередачи. Как в случае и с методом, описанным в предыдущем пункте, данный метод имеет методическую погрешность, что объясняется вводом допущения о том, что коэффициент токораспределения является действительным числом (по сути, пренебрежением сдвига между вектором аварийной составляющей тока короткого замыкания от системы А ГКав и вектором тока в месте повреждения 1К [6]).
Усовершенствованный метод с угловой коррекцией, основанный на теории дистанционного одностороннего замера
Как было показано в п. 1.4.2, при определении расстояния до места повреждения по выражению (1.12) коэффициент токораспределения принимается действительным числом, что приводит к дополнительной погрешности. Указанную погрешность можно компенсировать при помощи угловой коррекции, переписав выражение (1.12) в другом виде [6]: - угол между вектором аварийной составляющей тока короткого замыкания от системы А ГКав и вектором тока в месте повреждения IK .
Коэффициент токораспределения в выражении (1.15) определяется по выражению (1.5) или (1.9) в зависимости от количества цепей линии.
Описанный метод является итерационным: сперва определяется ориентировочное расстояние до места повреждения без коррекции по углу, затем коэффициент токораспределения на первой итерации и угол /3, затем расстояние до точки повреждения с коррекцией по углу. Далее определяется коэффициент токораспределения, но уже более точно и т.д., пока расстояние не будет определено с достаточной точностью.
Метод, основанный на критерии равенства нулю реактивной мощности в месте повреждения В терминалах ТЛ2606.1Х, ТОР200-Л, ТОР100-ЛОК производства ИЦ «Бреслер» [53-55], в регистраторе Бреслер-0107.010 производства НЛП «Бреслер» [69], в терминале БЭ2704 V031 НЛП «ЭКРА» [59] на сегодняшний день используется один из самых универсальных методов определения места повреждения. Этот же метод положение в основу программного комлпекса WinBres, использование которого является одним из обязательных при ОМП в сетях «Федеральной Сетевой Компании». [66] Данный метод был разработан в Чувашском университете в 90-ые годы под руководством Ю.Я. Лямца [37-39].
В основу метода заложено предположение о том, что сопротивление в месте повреждения имеет чисто активный характер, и как следствие, реактивная мощность в месте повреждения равна нулю. Таким образом, критерием повреждения является равенство нулю целевой функции следующего вида:
Помимо методов, описанных в пунктах 1.4.1-1.4.4, известны и другие методы. Например, в терминалах дистанционной защиты линии Multilin D60 и дифференциальной защиты линии (ДЗЛ) Multilin L90 производства General Electric используется метод, основанный на сопряженном аварийной составляющей тока питающей системы начала линии [101]. Более подробное описание данного метода, а также метода с угловой коррекцией, основанного на сопряженном аварийной составляющей тока питающей системы начала линии, можно найти в работах Такаги Т. начала 80-х годов [117; 118], а также в Приложении А.
Также в 80-е годы был разработан метод определения место повреждения, который в дальнейшем был заложен в терминалы производства ABB и используется по сегодняшний день в микропроцессорных устройствах дистанционной защиты серии REL5xx и REL6xx [88; 97].
Особенность метода заключается в возможности учета влияния системы удаленного конца линии, исключении влияния переходного сопротивления и отсутствии при этом итерационного процесса посредством решения квадратного уравнения, включающего параметры линии и системы, а также параметры аварийного режима (Приложение А).
Также известен метод ОМП, использующий мгновенные значения параметров аварийного, а не интегральные, которыми являются действующие значения токов и напряжений.
Впервые метод по мгновенным значениям был описан в [67]. В отечественной энергетике данный метод был заложен в устройство ИРА (разработка ВНИИЭ), но ввиду небольшого количества производимых устройств и появления микропроцессорной техники, названный прибор так и не получил широко распространения [6]. Однако данный метод используется и сегодня в микропроцессорной технике, в частности в терминалах дистанционной защиты линий MiCOM Р43х и терминалах дифференциальной защиты линии МІСОМ Р54х производства AREVA (ALSTOM GRID) [63].
Итерационный метод, основанный на теореме синусов
Получив основные расчетные выражения, составим обобщенную блок-схему алгоритма ОМП (рисунок 2.10) и опишем основные действия: Для выполнения процедуры ОМП в устройство должны быть предварительно введены Полная длина линии /; Величина 5 , определяющая шаг итерации (уменьшение шага ведет к увеличению количества итераций); Волновые сопротивления и постоянные распространения прямой, обратной и нулевой последовательностей линии электропередачи (Z1B, Z2B Z0B, ух, у2, у0), либо задана геометрия линии и заложены расчетные выражения для определения её параметров; Сопротивления системы А и Б по методике, аналогичной приведенной в разделе 2. В качестве начальных условий принимается, что номер итерации / = 0 расстояние до места повреждения L, = 0, мнимая часть отношения (Ук,лК 1к,л К,., = 0 . 3. Запускается итерационный процесс, в ходе которого по выражениям (2.78), (2.79), (2.77) и (2.82) уточняются входные сопротивления от начала BJI до места повреждения и от конца ВЛ до места повреждения, коэффициент токораспределения и проверяется выполнение условия вещественности переходного сопротивления: - номер итерации. 4. По окончанию каждой итерации проверяется, произошла ли смена знака у величины , +1І по отношению к К,л, т.к. мнимая часть переходного сопротивления, имеющего активный характер, не может быть отличной от нуля (с позиции цифрового устройства - может отличаться, но только на малую величину, определяемую точностью расчета). Для определения смены знака можно использовать произведение K(M)-KU)
Блок-схема алгоритма метода ОМП, основанного на критерии вещественности переходного сопротивления, для одноцепной линии с двухсторонним питанием Для двухцепнои линии алгоритм выглядит аналогичным образом, с той разницей, что волновые сопротивления, постоянные распространения и параметры в месте повреждения определяются по выражениям (2.58)-(2.69) и (2.71), а для определения коэффициента токорас-пределения в месте повреждения используются формулы, приведенные ниже.
В отличие от одноцепнои линии для двухцепнои линии с распределенными параметрами коэффициенты токораспределения в известной автору литературе не получены. Выведем их самостоятельно, для чего выполним преобразования, приведенные в Приложении В. который применим для алгоритма, приведенного на рисунке 2.10. Методика определения волновых сопротивлений и коэффициентов представлена в Приложении В.
Также стоит отметить, что в ходе работы над диссертацией был разработан метод ОМП для ВЛ с распределенными параметрами, аналогичный описанному в данном разделе, но использующий в качестве критерия ОМП не вещественность переходного сопротивления, а вещественность расстояния от начала В Л до места повреждения [48]. С целью сокращения объема работы метод в данной не главе не приводится. Для указанного метода получен патент РФ.
Во второй главе приводятся математические модели одноцепнои и двухцепнои ВЛ со средоточенными параметрами и математические модели одноцепнои и двухцепнои ВЛ с распределенными параметрами.
С целью развития III группы методов, учитывающих угол сдвига между аварийной составляющей тока, подпитывающего место повреждения от системы начала ВЛ, и током в месте повреждения, представлено три односторонних метода ОМП по ПАР, основанных на модели В Л со средоточенными параметрами: - метод минимального угла; - метод, основанный на теореме синусов; - метод, основанный на замере полного сопротивления до места повреждения. Данные методы учитывают угол сдвига между аварийной составляющей тока, подпитывающего место повреждения от системы начала В Л, и током в месте повреждения, т.е. относятся к III группе методов. С целью учета распределенности параметров ВЛ при определении места повреждения, разработано два односторонних метода ОМП по ПАР, основанных на модели ВЛ с распределенными параметрами: - метод, основанный на критерий вещественности переходного сопротивления в месте повреждения; - метод, основанный на критерии вещественности растояния от начала ВЛ до места повреждения. Для данного метода получен патент РФ [48]. 3. Исследование и сравнительный анализ разработанных методов определения места повреждения
Поперечные и продольные сопротивления В Л определяются в соответствии с [19; 20]. Сопротивления систем ближнего и удаленного концов ВЛ получены на основании обработки осциллограмм коротких замыканий в Иркутской энергосистеме на линиях напряжением 500 кВ через отношение напряжений и токов в начале и конце В Л.
Для расчета средней длины линии электропередачи были также использованы данные по ВЛ 500 кВ в Иркутской энергосистеме, средняя длина составила 172.35 км. В качестве длины ВЛ для модели принимается 200 км.
С учетом пропускной способности одноцепной В Л 500 кВ и коэффициента запаса статической устойчивости по активной мощности сдвиг ЭДС для приведенной линии может достигать значения50 [108]. Примем сдвиг угла между ЭДС системы А и Б равным 30.
Влияние переходного сопротивления в месте повреждения на погрешность ОМП
Как видно из выражения (5.10), применение метода симметричных составляющих для четырехфазной ВЛ, как и в случае с трехфазной ВЛ, позволяет вместо полностью заполненной матрицы сопротивлений получить диагональную. Подобный подход позволяет упростить и сделать более наглядной задачу анализа ОМП на четырехфазной ВЛ.
Симметричные составляющие для четырехфазной системы приведены на рисунок 5.2. Если проводить параллель с трехфазной ВЛ: 1-я последовательность 4SCL соответствует прямой последовательности 3SCL, т.е. является уравновешенной четырехлучевой звездой с прямым чередованием фаз; 3-я последовательность 4SCL соответствует обратной последовательности 3SCL, т.е. является уравновешенной четырехлучевой звездой с обратным чередованием фаз; 0-я последовательность 4SCL соответствует нулевой последовательности 3SCL, т.е. состоит из четырех сонаправленных векторов равной величины, образуя неуравновешенную систему. 2-я последовательность 4SCL не имеет аналогов у 3SCL, т.к. состоит из двух пар противоположно направленных векторов, образующих уравновешенную систему.
Также следует отметить, что выводы и выражения, приведенные в данном разделе, встречаются и в западной литературе [95; 102], однако в несколько ином виде. Так у прямой и обратной матрицы Фортескью используется коэффициент —, а не только — для прямой матрицы Фортескью; 1-я последовательность носит наименование прямой, 2-я - псевдонулевой, 3-я -обратной, 0-я - нулевой последовательности. Каждая из систем обозначений имеет свои плюсы минусы, однако далее будет пользоваться терминологией, описанной в данном разделе, т.к. она является более близкой к системе обозначений, сложившейся при анализе трехфазных линий в отечественной практике.
В таблице 5.2 приведены результаты вывода расчетных выражений для ОМП на четы-рехфазной В Л при различных видах КЗ. Расчетные выражения, полученные, например в [94; 101], связывают только ПАР в месте повреждения. Выражения, приведенные в таблице 5.2, позволяют связать ПАР в начале линии с ПАР в месте повреждения через симметричные составляющие, что не рассматривалось ранее. Подобная связь имеет ценность как для теории ОМП, так и РЗА. - величина 1к при ОМП не требуется, т.к. исключается в ходе математических разований.В случае необходимости ток 1к может быть выражен через токи другихдовательностей согласно выражениям, приведенным в Приложении Е. преоб-после 5.5. Методы определения места повреждения на четырехфазной В Л с сосредоточенными и распределенными параметрами
Разработанные в ходе работы методы ОМП для трехфазных ВЛ (разделы 2.2.1-2.2.3) применимы также для четырехфазных ВЛ, но с тем существенным отличием, что при определении токов и напряжений, подводимых к устройству ОМП (U и / ), и тока в месте повреждения Ік должны использоваться расчетные выражения в зависимости от вида короткого замыкания и поврежденных фаз, приведенные в таблице 5.2. ОМП на ВЛ с распределенными параметрами представляет более сложную задачу, однако также имеет решение, если воспользоваться критерием вещественности переходного сопротивления в месте повреждения. При этом необходимо учитывать, что ПАР раскладываются на четыре симметричных составляющих вместо трех. Т.е. общий критерий (2.82) для четырехфазной ВЛ перепишется, как Остальные действия для ОМП на ВЛ с распределенными параметрами выполняются по блок-схеме, приведенной на Рисунке 5.3.
С учетом того, что четырехфазные ВЛ с высокой вероятностью будут строиться сразу с ВОЛС, существует возможность использования двухсторонних методов, в частности, описанного в разделе 4.3 на В Л со средоточенными параметрами.
ОМП на ВЛ с распределенными параметрами может выполняться при помощи выражения, приведенного в [18; 43], но с учетом дополнительной последовательности симметричных составляющих:
Исследование разработанных методов ОМП на четырехфазной ВЛ со сосредоточенными и распределенными параметрами
Проведем исследование зависимости приведенной погрешности ОМП от таких факторов, как: - длина В Л, /, изменяется от 100 до 400 км; - переходное сопротивление, Rn, изменяется от 0 до 30 Ом; - отношение сопротивлений систем, —-, изменяется от 0,25 до 20; - погрешность в определении сопротивления системы удаленного конца ВЛ по модулю, изменяется от 0.01 Z" до 100 Z"; - погрешность в определении сопротивления системы удаленного конца ВЛ по аргументу, arg(Z.c) изменяется от 0 до 90;
При условии верного определения сопротивления системы удаленного конца и проведении расчетов при помощи математического моделирования методическая погрешность отсутствует и определяется точностью расчета на всем протяжении ВЛ. В случае погрешности в определении сопротивления системы удаленного конца приведенная погрешность достигает 11% в при коротком замыкании в конце В Л.
С учетом того, что при строительстве четырехфазных ВЛ с высокой степенью вероятности будет предусматриваться ВОЛС, появится возможность использования двухсторонних методов ОМП.
Оценим погрешность при использовании разработанного двухстороннего метода (раздел 4.2). Используя математическое моделирования и изменяя тех же факторы, которые менялись при одностороннем ОМП, получим вне зависимости от изменения сопротивления системы удаленного конца ВЛ погрешность, которая практически равна нулю и определяется только точностью расчета.
Следует отметить, что методы, описанные в данном разделе при ОМП на реальных четырехфазных ВЛ будут иметь несколько большие погрешности, чем на математической модели из-за влияния факторов, приведенных в подпункте 5, раздела 4.1 диссертационной работы. Однако порядок этих погрешностей аналогичен величинам погрешностей для трехфазных ВЛ, что можно считать приемлемым для ОМП по ПАР.
Двухстороннее определение места повреждения на линиях электропередачи по параметрам аварийного режима на базе существующих устройств релейной защиты и автоматики
К вопросу эффективности использования трехфазной системы для передачи электрической энергии обратились в 70-х годов прошлого века [90; 112-114]. Результаты, полученные в ходе исследования многофазных систем (порядка большего, чем трехфазные), показали возможность уменьшения коридора линии, сокращения занимаемой площади, а также уменьшения электромагнитного излучения и увеличения пропускной способности ВЛ.
Большая часть дальнейших исследований была направлена на ВЛ, фазность которых кратна 3 [89-91; 112-114], т.е. 6-ти фазных, 12-ти фазных и т.д., т.к. увеличение подобной фазности может быть относительно просто достигнуто посредством изменения схемы соединения и группы силовых трехфазных трансформаторов.
Параллельно велись работы по изучению возможности применения четырехфазной системы для передачи электроэнергии по ВЛ, в основном с позиции использования на сверхвысоком напряжении на ВЛ длиной от 500 км и выше [104; 109; 110].
В последние годы четырехфазные линии начали рассматривать не только в области сверхвысоких напряжений и сверхдлинных линий, но также на уровне высоких и средних напряжений для ВЛ протяженностью от 100 км и выше [27; 28; 92; 100; 106; 110; 115].
Эффективность применения четырехфазной ВЛ зависит от многих факторво, таких как класс напряжения, протяженность, конструкция опор и т.п., однако можно выделить следующие основные преимущества:
При равенстве градиента напряжений между фазами и проводами одной фазы, а также при равенстве волновых сопротивлений 4SCL и 3SCL, 4SCL является более компактной, имеет меньший уровень напряжения (менее требовательна к изоляции) и позволяет передавать то же самое количество мощности при таких же потерях и уменьшенном токе (что дает около 15% дополнительный запас по термической стойкости). При этом 4SCL и 3SCL имеют одинаковые натуральную мощность и предел передаваемой мощности по статической устойчивости [ 106].
При равенстве фазных напряжений и проводах в каждой фазе 4SCL и 3SCL, 4SCL имеет меньшее междуфазное напряжение и позволяет передавать то же самое количество мощности при меньших потерях и токе (около 33% дополнительный запас по термической стойкости). При этом 4SCL имеет на 30% больше натуральную мощность и на 33% больше предел передаваемой мощности по статической устойчивости [106].
Высокая надежность 4SCL по сравнению 3SCL. При устойчивых однофазных коротких замыканиях, которые являются основным видом повреждений (в зависимости от класса напряжения 65-90%) и не устраняются при АПВ, 4SCL может работать на двух оставшихся включенных фазах, находящихся в протифовазе, практически без нарушения симметричности системы в целом [104], либо может переводиться в трехфазный режим [109; 110]. В то время как 3SCL при устойчивом однофазном коротком замыкании имеют значительную несимметрию, что требует либо отключения целиком ВЛ и прекращения передачи мощности, либо применения специальных, достаточно сложных и дорогостоящих выравнивающих устройств [109, 110]. Т.е. надежность 4SCL ближе к 3DCL, чем к 3SCL, т.к. даже при однофазном коротком замыкании позволяет передавать мощность без отключения до устранения КЗ на поврежденной фазе. Данный фактор также снижает вероятность blackout-ов.
4SCL требует значительно меньшую площадь для установки опор, вырубки просеки, выполнения санитарно-защитной зоны и отвода земли. [104; 106; 109; 110].
4SCL имеют меньшую стоимость. Для линий сверхвысокого напряжения разница достигает 15% по сравнению с трехфазными одноцепными В Л [109]. Для линий среднего и высокого напряжения применение 4SCL экономически обоснованно для В Л от 100 км, если линия имеет большую нагрузку и стоимость электрической энергии в данном регионе является достаточно высокой [106].
4SCL может рассматриваться в качестве альтернативы линиям постоянного тока, т.к. имеет до 40% меньшую стоимость (во многом засчет экономии на подстанционном оборудовании) при сопоставимой пропускной способности и экологических показателях (занимаемой площади, уровне излучения и т.п. )[ 28; 29; 109]. 4SCL имеют потенциальную простоту диагностики повреждений и выполнения релейной защиты и автоматики по сравнению с шестфазными, двенадцати фазными ВЛит.п. [104] Повышенная ремонтопригодность. Возможен вывод в плановый ремонт одной из фаз с отключением напряжения, в то время как остальные будут находиться в работе. [29]
Однако применение четырехфазных линий имеет и свои недостатки: 1. Увеличение фазности приводит к необходимости разработки новых конструкций опор [106, 109]. 2. 4SCL имеет более сложную транспозицию по сравнению с 3SCL [27; 28; 104; 114]. 3. Необходимость разработки новых методов диагностики и защиты от повреждений (в том числе и методов ОМП) [104]. 4. Необходимость разработки силовых трансформаторов для перехода от трехфазной к четырехфазной системе напряжений [104; 106; 109; ПО].
Стоит отметить, что описанные проблемы разрешимы. Как показал анализ, выполненный в работах [104; 106; 109; 110] даже с учетом перечисленных выше сложностей преимущества четырехфахных ВЛ перекрывают недостатки.
Разработка новых типов конструкций также, как и транспозиция фаз, относительно быстро и безболезненно могут быть выполнены любым из крупных заводов-производителей опор, металлоконструкций и линейной арматуры. Разработка новых методов РЗА и ОМП требует времени, но с учетом того, что микропроцессорные устройства практически не ограничивают применение различных методов, а анализ повреждений для четырехфазных одноцепной ВЛ не является более сложным чем для трехфазной двухцепной ВЛ, данная проблема также разрешима при должном подходе. Проблема с преобразованием из трехфазной в четырехфазную систему решается при помощи схемы Скотта, которая долгое время применяется в железнодорожном секторе. [92; 100; 104; 106; 109; ПО]
Вопрос применения четырехфазных В Л требует дополнительного изучения, т.к. данное решение имеет большие перспективы в среднесрочной перспективе и может быть использовано в России, Китае или странах Европейского Союза [27; 28; 113; 114].
Таким образом, задача ОМП на одноцепных четырехфазных ВЛ (4SCL) на сегодняшний является актуальной задачей. Особенно с учетом того, что вопросы ОМП на четырехфазных ВЛ ранее не рассматривались.
ОМП на 4DCL в данной работе не исследуется, т.к. экономическая эффективность применения подобных линий низка и их применение маловероятно в обозримом будущем. В отличие от 4SCL, которые дополнительные затраты на материалы и оборудование
компенсируют большей надежностью работы и компактностью по сравнению с 3SCL и сравнимы по надежности с 3DCL, при применении 4DCL влияния данных факторов недостаточно, чтобы компенсировать дополнительные затраты. [106]