Часть третья
НИЗКОЧАСТОТНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТ ПОВРЕЖДЕНИЯ
ГЛАВА СЕДЬМАЯ
МЕТОДЫ, ОСНОВАННЫЕ НА ИЗМЕРЕНИИ ПАРАМЕТРОВ АВАРИЙНОГО РЕЖИМА
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
В линейной электрической цепи любой конфигурации токи в ветвях и напряжения в узлах определяются схемой соединений элементов (топологией), значениями ЭДС и сопротивлений ветвей. Изменение сопротивления какой- либо ветви, например КЗ части ее сопротивления, приводит в общем случае к изменению токов и напряжений как в этой ветви и ограничивающих ее узлах, так и в остальной части схемы. Это означает, что по результатам измерений токов и напряжений (или их изменений) при возникновении КЗ возможно вычислить значение сопротивления ветви, на которой произошло КЗ. Если этой ветвью является линия электрической сети, то вычисленное значение сопротивления однозначно связано с длиной участка линии от ее начала до места КЗ. При этом сопротивления элементов электрической сети должны быть линейными, т. е. независимыми от протекающих по ним токов и приложенных к ним напряжений. Предположение о линейности сопротивлений элементов сети в режиме КЗ оказывается справедливым с достаточной для практических целей точностью.
Параметрами аварийного режима (ПАР) называются токи и напряжения или их составляющие, измеренные в период КЗ. Чаще всего в качестве ПАР используются токи и напряжения нулевой или обратной последовательности по концам поврежденной ВЛ.
Короткие замыкания в электрических сетях в большинстве случаев не являются чисто металлическими. Поэтому приходится (особенно при однополюсных КЗ) учитывать переходное сопротивление, которое заранее неизвестно. Кроме искомого расстояния до места повреждения имеется,
следовательно, еще неизвестное значение переходного сопротивления. Это означает, что для вычисления искомого расстояния требуется составление не менее двух уравнений.
Поскольку переходное сопротивление в месте повреждения многопроводной ВЛ может быть представлено квадратной матрицей, то и уравнения в общем случае являются матричными. В этих условиях измерение ПАР только с одного конца поврежденной ВЛ в большинстве случаев не является достаточным для ОМП с необходимой точностью. Поэтому методы и устройства ОМП, основанные на односторонних измерениях ПАР, получили существенно меньшее распространение, чем основанные на двусторонних измерениях.
Рис. 7.1. Структура операций для ОМП по параметрам аварийного режима.
I — хранение постоянной информации о параметрах ВЛ и электросети; II — получение оперативной информации о параметрах аварийного режима и номере режима сети; III — передача оперативной информации; IV вычисления.
I — хранение постоянной информации о параметрах ВЛ и электросети; II — получение оперативной информации о параметрах аварийного режима и номере режима сети; III — передача оперативной информации; IV —вычисления.
Измерения ПАР могут быть осуществлены в значительно большем объеме и большем числе точек сети, чем это необходимо для разрешения уравнений относительно искомого расстояния l. Получаемая избыточная информация о ПАР может быть использована для повышения достоверности и точности ОМП. Этой же задаче служит информация о постоянных поврежденной ВЛ и примыкающей к ней сети. Поэтому информационное обеспечение ОМП по параметрам аварийного режима представляет теоретический и практический интерес. Не менее существенное значение имеет математическое обеспечение, заключающееся в методах, алгоритмах и программах вычислений искомого расстояния 1 и его дисперсии на основе полученной информации. Структура операций для ОМП по ПАР представлена на рис. 7.1.
Вычисление расстояния до места повреждения l и необходимой зоны обхода линии ±∆l осуществляется на основе постоянной (редко меняющейся) информации о параметрах ВЛ и сети и оперативной информации о номере поврежденной ВЛ, номере режима сети и параметрах аварийного режима. Оперативная информация должна передаваться по каналам связи с ограниченным запаздыванием (рис. 7.1).
В настоящее время методы ОМП по ПАР используются для ВЛ в сетях с глухозаземленной нейтралью (напряжением 110 кВ и выше) для всех видов КЗ в одной точке сети. В сетях с изолированной нейтралью или с компенсацией емкостных токов (напряжением 6—35 кВ) эти методы используются при междуфазных КЗ. Во всех случаях рассматриваются только повреждения, носящие «поперечный характер», т. е. включение сопротивлений (проводимостей) между проводами или на землю. При наличии во время измерений обрывов проводов однозначность результатов не обеспечивается.
Измерения ПАР производят в период наличия металлического или дугового КЗ на ВЛ. Этот период не превышает 0,1 с. Подавляющее большинство повреждений ВЛ в течение такого короткого начального интервала времени носит характер КЗ без обрыва. Лишь позднее в ряде случаев, например при падении опор или пережоге проводов, появляется обрыв цепи. При обрывах успешное АПВ бывает крайне редко (обрыв перемычек на анкерных опорах). Место устойчивого повреждения с обрывом проводов легко и точно определяется неавтоматическими локационными искателями. Поэтому использование ОМП по параметрам аварийного режима для однозначной фиксации места поперечного повреждения вполне обоснованно и подтверждено опытом эксплуатации.
Как информационное, так и математическое обеспечение задачи ОМП, несмотря на специфические особенности, не может рассматриваться в отрыве от других задач, решаемых персоналом электрических сетей. Определение места повреждения — это оперативная задача диспетчерских служб различного уровня. Вместе с другими оперативными задачами она решается автоматизированной системой диспетчерско-технологического управления (АСДТУ). Вычислительные средства и каналы передачи информации используются и эксплуатируются совместно с другими комплексами АСДТУ и должны удовлетворять совокупности общих требований к таким системам. Ниже рассматриваются лишь специфические особенности и требования для задачи ОМП.
ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
На рис. 7.2, а показана схема однородного участка р- проводной несимметричной линии длиною L, подключенной с обеих сторон к произвольному активному многополюснику. Пусть на расстоянии l от начала линии происходит КЗ, т. е. в общем случае подключается набор сопротивлений, отражаемых произвольной квадратной матрицей Ζп порядка р.
Рис. 7.2. Схема однородного участка р-проводной несимметричной линии, подключенной к активному многополюснику (а), и ее расчетные схемы (б, в, г).
На основе теоремы об эквивалентном генераторе для вычисления тока в ответвлении КЗ (цепи с сопротивлением Ζп), а также и в других цепях можно использовать наложение двух режимов [65]:
- режима разомкнутой цепи (разрыва) ответвления КЗ (рис. 7.2, б), при котором вычисляется напряжение U в месте предстоящего подключения сопротивления Ζп;
- режима подключения к месту разрыва ЭДС Еп = — U с внутренним сопротивлением Ζп при закороченных (равных нулю) ЭДС всех остальных источников, т. е. превращении активного многополюсника А в пассивный П (рис. 7.2, в); подключение источника ЭДС можно заменить подключением источника тока (рис. 7.2, г).
Следовательно, при известном нормальном (доаварийном) режиме с напряжением U в некоторой точке электросети аварийные составляющие токов и напряжений могут вычисляться на основе подключения к этой точке источника напряжением U через сопротивление Ζп. В ответвлении повреждения (КЗ) аварийная составляющая равна полному току Iп=1, а в остальных цепях полные токи определяются наложением (геометрическим суммированием) токов нормальной и аварийной составляющих. В общем случае токи на концах ВЛ определяются матричными уравнениями
(7.1)
Наилучшие условия обеспечиваются, когда в ПАР составляющие нормального режима равны нулю.
Для трехфазных электрических сетей энергосистем условию (7.2) наилучшим образом удовлетворяют составляющие нулевой и обратной последовательностей. В нормальных режимах эти составляющие токов и напряжений достаточно малы (единицы процентов от составляющих прямой последовательности). Особенно эффективно использование нулевых составляющих в качестве ПАР:
Для трехфазных сетей используются в качестве «нулевых» составляющие нулевой последовательности.
Суммирование проводится отдельно для каждой группы из трех проводов. Так, для двухцепной линии
В общем случае произвольного расположения р проводов реальных ВЛ суммирование осуществляется для точных модальных составляющих по проводам, причем неодинаково для напряжений и токов и для разных фаз. Но на промышленной частоте отличие в формулах (7.3) строки, состоящей из единиц, от точных элементов этой строки не более нескольких процентов. Поэтому соотношения (7.3) пригодны с достаточно высоким приближением для любых реальных несимметричных ВЛ.
Нулевые модальные составляющие (полученные суммированием по всем проводам) обеспечивают большую точность ОМП, чем составляющие нулевой последовательности (раздельное суммирование по группам из трех проводов). Однако простота фильтров нулевой последовательности и сложившиеся традиции обусловили практическое использование именно составляющих нулевой последовательности в качестве наиболее распространенных ПАР.
При повреждениях, не связанных с землей, эти составляющие не возникают. Поэтому приходится в качестве ПАР использовать составляющие обратной последовательности, которые возникают не только при повреждениях, связанных с землей, но и при изолированных от земли междуфазных КЗ (за исключением симметричных трехфазных повреждений). Однако составляющие обратной последовательности обеспечивают, при прочих равных условиях, меньшую точность ОМП. Это обусловлено следующим.
- Несимметрия реальных линий, принимаемых при использовании составляющих обратной последовательности симметричными, приводит к погрешностям ОМП даже для одноцепных ВЛ до 4—6 % против 1,5—2 % при использовании составляющих нулевой последовательности.
- Фильтры составляющих обратной последовательности существенно уступают фильтрам нулевой последовательности по практически достижимой точности фильтрации.
- Наличие составляющих обратной последовательности в токах асинхронных двигателей, подключенных в период длительного КЗ, затрудняет расчеты МП, приводя к дополнительным погрешностям.
Столбцовые матрицы фазных напряжений и токов можно привести к симметричным составляющим по следующим формулам:
Тогда
(7-5)
(7.5а)
Преобразование сопротивлений и проводимостей к симметричным составляющим для ВЛ может быть осуществлено по следующим формулам:
По главной диагонали этих матриц расположены собственные полные удельные сопротивления или проводимости проводов, а остальные элементы — взаимные сопротивления или проводимости. Всегда выполняется условие
Рис. 7.3. Структурная схема фиксирующего прибора.
Таким образом, информацией для ОМП являются ПАР — составляющие нулевой и обратной последовательностей токов и напряжений во время КЗ, а также сопротивления и проводимости элементов сети для этих составляющих. Параметры аварийного режима измеряются и запоминаются с помощью фиксирующих приборов (ФП). Эти приборы измеряют модули составляющих нулевой или обратной последовательности токов и напряжений, что в общем случае снижает точность ОМП и создает условия неоднозначности результатов по сравнению с измерением векторов. Однако для измерения векторов требуется различать по фазе токи и напряжения на разных концах ВЛ. Это весьма усложняет измерительную аппаратуру. Поэтому измерения векторов не нашли практического применения для ОМП ВЛ. Как показали исследования и опыт эксплуатации измерение модулей позволяет обеспечить практически приемлемую точность ОМП в современных условиях.
Структурная схема ФП представлена на рис. 7.3. При измерении составляющих нулевой последовательности фильтры этих составляющих реализуются соответствующим соединением вторичных обмоток измерительных Трансформаторов тока или напряжения [2]. При измерении составляющих обратной последовательности после измерительных трансформаторов включаются специальные фильтры [66]. С выхода фильтров на вход ФП подается непрерывно измеряемая синусоидально изменяющаяся величина (например, I0). Во входном блоке 1 осуществляются нормализация по уровню, выпрямление и сглаживание пульсаций измеряемого тока (напряжения).
При возникновении КЗ резко возрастает уровень измеряемой переменной, например I0, так как в нормальном режиме ток I0 равен только току небаланса трех трансформаторов тока. Возникает сигнал пуска (П на рис. 7.3), обеспечивающий начало работы блока управления 2. С заранее установленной калиброванной задержкой 40—60 мс из блока 2 поступает сигнал Н, разрешающий начало процесса запоминания измеряемого ПАР в блоке запоминания 3 (иногда его называют блоком кратковременной памяти). Запоминание осуществляется также в строго заданный интервал времени (30—40 мс), который должен обязательно закончиться до автоматического отключения высоковольтного выключателя ВЛ релейной защитой. На окончание запоминания из блока 2 в блок 3 поступает сигнал К. После этого из блока 2 подается сигнал С в блок считывания 4 (его называют также блоком долговременной памяти) для считывания значения запомненного ПАР (например, тока I0). Затем блок 3 переводится в исходное состояние сигналом возврата В.
В современных приборах запоминание осуществляется путем фиксации заряда конденсатора определенной емкости, а считывание — с выхода аналого-цифрового преобразователя. Индикатор прибора показывает цифру, однозначно связанную с измеряемым ПАР. В приборах типа ЛИФП на индикаторе фиксируется непосредственно ток (в амперах) или напряжение (в вольтах). При использовании приборов типов ФИП-1 и ФИП-2 применяются графики перевода показаний в измеряемые ПАР.
Приборы, измеряющие ПАР, пригодны для селективных и неселективных измерений. В первом случае после окончания процесса измерения и запоминания в блоке 3 долговременное запоминание в блоке 4 сохраняется только при срабатывании селективной релейной защиты ВЛ, на концах которой установлены данные ФП. Если такая защита не сработала, то фиксации ПАР не происходит и прибор возвращается в исходное состояние.
При неселективных измерениях ФП осуществляют долговременное запоминание независимо от срабатывания релейной защиты данной ВЛ. Фиксируются показания приборов не только на поврежденной, но и на совокупности неповрежденных ВЛ. Количество сработавших ФП определяется током и напряжением КЗ, удаленностью места измерения от МП и чувствительностью пуска приборов.
Показания ФП на соседних с поврежденной, а также и более удаленных ВЛ представляют дополнительную информацию для ОМП, Ценность этой информации в общем случае уменьшается по мере удаления (в смысле снижения чувствительности к перемещению точки КЗ) от поврежденной ВЛ. Поэтому ПАР по концам поврежденной ВЛ называют главными, а по концам соседних ВЛ — дополнительными. Учет дополнительных ПАР со своим «весом» позволяет повысить достоверность и точность ОМП. «Вес» определяется ожидаемой относительной погрешностью данного измерения при КЗ на той или иной ВЛ.
При селективных измерениях максимальное число измеренных ПАР не превышает шести (например, I0, U0 и U2 на каждом конце поврежденной ВЛ). В настоящее время чаще всего измеряются U0 и I0 на обоих концах ВЛ. При неселективных измерениях (нередко применяют термин «неселективный пуск») число измеряемых ПАР существенно больше. В этих условиях возникает проблема установления принадлежности зафиксированного результата к тому или иному случаю повреждения. В самом деле, при неселективном пуске и пропуске считывания показания и восстановлении прибора в исходное состояние после первого КЗ до возникновения следующего КЗ в электросети оказывается неизвестным, к какому повреждению относится замер. Поэтому в настоящее время наибольшее распространение получили селективные измерения ПАР.
Однако более эффективным является автоматизированные передача и сбор информации от всех сработавших в электросети ФП в короткий интервал времени (десяток секунд) с ее централизованным отображением диспетчеру и автоматическим вводом в ЭВМ. Такая система уже начала внедряться в СССР [67]. Чтобы обеспечить возможность телепередачи показаний ФП любого типа, между ФП и устройством телемеханики на подстанции устанавливается специальное согласующее устройство. Для телепередачи используются каналы ТС. Группа каналов ТС выделяется для передачи показаний ФП на некоторое время. Основное время по этой группе передаются телесигналы различных электросетевых комплексов, а при срабатывании ФП в период КЗ эта группа временно переключается на передачу информации от ФП.
Чтобы на приемном конце в диспетчерском пункте можно было опознать, какому ФП принадлежит передаваемая величина, каждому ФП на подстанции присваивается свой номер, который передается перед передачей показания. В энергосистемах количество ФП достигает нескольких сотен. Поэтому система отображения информации выполняется так, чтобы на одном и том же индикаторном устройстве (дисплее) отображалась информация от всех ФП.
Во ВНИИЭ разработана система отображения телеинформации СОТ-4Р, которая работает с мини-ЭВМ типа ЕС-1010. Информация о ПАР, кроме отображения диспетчеру, может при наличии соответствующих технических и математических средств автоматически вводиться в универсальную ЭВМ, выполняющую вычисления искомого расстояния. Для этих вычислений необходимы также оперативная информация о номере режима сети, отражающая существенные изменения схемы сети, влияющие на распределение токов КЗ, а также сообщение о номере поврежденной ВЛ. Остальная информация — удельные постоянные и длины ВЛ, электрическая схема сети и постоянные ее сосредоточенных элементов (трансформаторов, реакторов и т. п.) — хранится в долговременной (неоперативной) памяти ЭВМ вместе с программой вычислений.
Постоянные ВЛ вычисляются на ЭВМ по отдельной программе, исходной информацией для которой служат архивы (банки) данных о марках проводов, типах опор и проводимостях земли на трассах линий энергосистемы. Если автоматической передачи показаний ФП в энергосистеме нет, то после КЗ персонал, считывающий эти показания, передает их по телефону на диспетчерский пункт. Далее осуществляются ввод оперативной информации в ЭВМ и запуск вычислительной программы.