[1]Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к релейной защите и автоматике распределительных сетей. Определение места повреждения (локация) протяженного объекта, каким является высоковольтная линия электропередачи или фидер распределительной сети среднего напряжения, представляет собой задачу, актуальность которой с годами только возрастает. Такое положение объясняется усложнением электрических систем, распространением воздушно-кабельных электропередач, повышением быстродействия выключателей, что приводит к сокращению объема информации о режиме короткого замыкания и, как следствие, к усугублению проблемы распознавания места замыкания.
[2]Известен способ определения места повреждения в линии электропередачи с использованием ее модели, содержащей априорные сведения о ее параметрах и структуре [1]. Способ может быть обобщен и на случай произвольной электрической системы [2]. Развитием способа стало введение критерия повреждения, отражающего физические особенности явлений в месте короткого замыкания [3]. Изначально данный способ предназначался для линий высокого напряжения, работающих в режиме с глухозаземленной нейтралью и, как следствие, характеризующихся высоким уровнем токов однофазного замыкания. Критерий повреждения, получивший название критерия резистивности, применительно к однофазному замыканию говорит о том, что реактивная мощность в месте замыкания между проводом и землей равна нулю.
[3]В распределительных сетях, работающих в режиме с изолированной или компенсированной нейтралью, замыкание на землю имеет незначительную синусоидальную составляющую. Критерий повреждения для такой сети видоизменяется, переходя от реактивной мощности к угловым соотношениям между фазным напряжением и некоторым током, скажем, током нулевой последовательности или аварийной составляющей фазного тока, возможно, за вычетом нулевой последовательности [4].
[4]Современная модификация данного способа ориентирована на применение цифровой техники [5]. Наблюдают и фиксируют фазные токи и напряжения на входе фидера, которые затем преобразуют с использованием модели фидера в электрические величины места предполагаемого повреждения. Такую модель необходимо отличать от обычной имитационной модели, которая воспроизводит состояние объекта. Модель, передающая токи и напряжения из места наблюдения объекта в произвольное ненаблюдаемое место, представляет собой преобразователь. В отличие от имитационной ее называют передающей (алгоритмической).
[5]Критерий повреждения в рассматриваемом техническом решении основывается на определении мгновенной мощности однофазного замыкания на землю и на контроле знака этой мощности. Принцип резистивности повреждения говорит о том, что в месте замыкания мгновенная мощность не может быть отрицательной.
[6]Обсуждаемый способ физически бесспорен, но нуждается в упрощении. Необходимо ослабить влияние помех, возникающих как при записи переходных процессов в распределительных сетях, так и при операциях с мгновенными значениями токов и напряжений. Интервальный подход к определению места повреждения обладает такими свойствами. Однако одномерный критерий неотрицательности мгновенной мощности не предоставляет возможности интервального контроля повреждения.
[7]Цель изобретения заключается в упрощении способа определения места однофазного замыкания в фидере. Сопутствующая цель - расширение функциональных возможностей способа за счет придания ему способности выдавать результат в интервальной форме.
[8]В теоретическом плане интервальная локация уже рассматривалась [6]. Однако это относилось к синусоидальным режимам линии электропередачи и не может быть распространено на быстропротекающие процессы однофазного замыкания на землю в распределительных сетях.
[9]Поставленные цели достигаются двумя принципиально важными техническими решениями. Во-первых, получением необходимой информации из соотношений между разнотипными интервалами времени. Во-вторых, приданием критерию повреждения двумерной формы, чем обеспечивается интервальность результата локации. Данные технические решения реализуются последовательностью операций.
[10]Как и в прототипе, наблюдаемые величины преобразуют в передающей модели фидера в электрические величины места предполагаемого повреждения, а именно в фазные напряжения и по меньшей мере один опорный ток. Дело в том, что в качестве опорного может использоваться ток нулевой последовательности, один и тот же для всех фаз. Если же опорным током является аварийная составляющая фазного тока, то у каждой фазы опорный ток будет автономным.
[11]Отличие от прототипа начинается с операции сравнения фазного напряжения и опорного тока. Сравнивают их знаки, на основе чего выделяют интервалы времени разных типов. Всего шесть вариантов: два типа, первый и второй, характеризуются совпадением знаков, остальные - несовпадением. На интервале первого типа знаки обеих величин положительные, второго типа - отрицательные. На интервалах третьего и четвертого типов напряжение положительно, а ток отрицательный. Пятого и шестого типов - наоборот: отрицательное напряжение и положительный ток. У разнознаковых интервалов есть дополнительная градация - по признаку следования за тем или иным типом однознаковых интервалов. Интервалы третьего и шестого типов приходят на смену интервалам второго типа, а четвертого и пятого типов - на смену интервалам первого типа.
[12]Время наблюдения процесса однофазного замыкания разделяют на три части, каждая из которых складывается из интервалов определенного типа. Первая часть - из интервалов совпадающих знаков, т.е. первого и второго типов. Вторая - из интервалов третьего и пятого типов, третья - из интервалов четвертого и шестого типов. Как удалось установить, вторая и третьи части времени наблюдения процесса несут информацию о соответствии между местом предполагаемого повреждения и истинным местом замыкания на землю. Если предполагаемое повреждение ближе к началу линии, т.е. не достигает истинного места, то вторая часть превалирует над третьей. Если же дальше от начала линии, т.е. переходит через истинное место замыкания, то, наоборот, преобладает третья часть.
[13]Первая часть времени наблюдения не играет подобной роли, так как не несет информации о месте повреждения. Она служит базой, ослабляющей влияние продолжительности отрезка времени, взятого для определения места повреждения. Формируют два информационно важных сигнала в виде отношений второй и, соответственно, третьей частей времени наблюдения к первой части. Из двух указанных сигналов формируют общий двумерный сигнал, отображаемый на плоскости, где задают область его определения в месте замыкания.
[14]Задачу достижения интервальности результата решают следующим образом. Для различных мест предполагаемого повреждения формируют двумерные сигналы. Те из этих мест, чьи сигналы попадают в заданную область, включают в интервал возможных значений координаты места повреждения.
[15]На фиг. 1 показана принципиальная схема наблюдаемого фидера в режиме однофазного замыкания, на фиг. 2 - передающая модель фидера, связывающая место наблюдения с местом предполагаемого повреждения, на фиг. 3 и 4 - диаграмма изменения во времени напряжения поврежденной фазы и опорного тока, определенных с помощью передающей модели для разных мест предполагаемого повреждения, фиг. 3 - до истинного места, фиг. 4 - за ним. На фиг. 5 приведена структурная схема локатора повреждения, действующего по предлагаемому способу; фиг. 6 поясняет смысл интервального подхода к определению места повреждения.
[16]Трехфазный фидер 1 отходит от подстанции 2, где регистрируют его токи ivs(t) и напряжения uvs(t), ν=A,B,C, и питает нагрузку 3. Произвольное место фидера характеризуется координатой x. В месте 4 с неизвестной координатой xf в одной из фаз произошло замыкание на землю 5. Любое место x поврежденного фидера становится местом предполагаемого повреждения, но есть принципиальное различие между двумя частями фидера 6 и 7 - до места истинного повреждения xf и после него: x<xf и х>xf.
[17]Оно связано с передающей моделью 8 неповрежденного фидера. Ее вход 9 соответствует месту наблюдения 2 реального объекта, а выход 10 - месту предполагаемого повреждения 6 или 7. Если месту 6, то модель 8 будет адекватной реальному отрезку фидера 1, но если месту 7, то адекватность будет нарушена вследствие того, что модель 8 строится для неповрежденного объекта. Физической основой распознавания повреждения как раз и становится то обстоятельство, что водораздел между адекватностью и неадекватностью модели 8 проходит по месту замыкания 4.
[18]В процессе наблюдения процесса в электрической сети встречается шесть типов интервалов времени, для которых избраны следующие обозначения:
[19]
- тип 1: совпадение положительных знаков напряжения и тока,
[20]
- тип 2: совпадение отрицательных знаков,
[24]
[25]Делители 16, 17 формируют из трех величин t1, t2, t3 два сигнала
[26]
[27]где t1 - служит базисной величиной. Исполнительный модуль 18 интервального локатора воспринимает сигналы η1 и η2 как единый двумерный сигнал
[28]
,
[29]отображаемый на плоскости 19 с координатами η1 и η2. На ней задается область 20, обозначаемая также символом S; ее можно воспринимать как область определения значений η(x), соответствующих месту замыкания:
[30]
[31]Если η(x) - годограф 21 вектора η при изменении координаты места предполагаемого повреждения, то он может зайти в область S и тогда выделится его часть 22, отвечающая условию (3).
[32]Для наблюдаемого фидера 1, локация которого выполняется по предлагаемому способу, необходимо предварительно построить передающую модель 8, например, на базе разностных уравнений длинной линии [7-9]. Кроме того должна быть задана область определения замера η(xf)_ область 20, фигурирующая в условии (3). Задание области осуществляется путем предварительного обучения локатора сигналами имитационной модели распределительной сети, в состав которой входит фидер 1 [10].
[33]Обращение к временным интервалам имеет физические предпосылки. Дело в том, что в истинном месте 4 замыкания 5 знаки тока и напряжения совпадают, коль скоро мгновенная мощность замыкания только расходуется, но никак не генерируется:
[34]
[35]Третью часть тока if(t) составляет нулевая последовательность i0f(t)=if(t)/3, отсюда
[36]
[37]Токи нулевой последовательности во всех частях электрической сети создаются одним источником - током i0f(t). В сети с малыми потерями между всеми этими токами существует равенство знаков, в силу чего из условия (5) вытекает еще одно
[38]
[39]где i0(xf,t)=(1/3)[iA(xf,t)+iB(xf,t)+iC(xf,t)]. Аналогично обстоит дело с аварийными составляющими токов iав(t) во всех ветвях сети [11]. Они создаются током замыкания if(t), и в сети с малыми потерями их знаки совпадают, поэтому из условия (4) вытекает следствие
[40]
[41]где σ - обозначение поврежденной фазы. Из (6) и (7) следует вывод, что опорным током может быть либо ток нулевой последовательности, либо аварийная составляющая тока поврежденной фазы. В дальнейшем будем использовать более простое условие (6). Процесс, характеризуемый равенством знаков, состоит из интервалов только двух типов - первого 
и второго 
. Анализ показывает, что в первой части 6 фидера 1, где x<xf, замена напряжения uσf(t) на напряжение uσ(x,t) приводит к появлению наряду с интервалами совпадения знаков еще и интервалов несовпадения, преимущественно третьего и пятого типов 
и 
, что выглядит как процесс на фиг. 3. Обозначения 
и 
говорят о том, что эти величины получены при помощи передающей модели 8. Неидеальность модели и влияние помех приводят к тому, что при x<xf возможно появление в процессе изменения величин 
и 
интервалов двух остающихся типов 
и 
, нарушающих закономерность, присутствующую на фиг. 3. Тем не менее, в интервальных величинах t2 и t3 эта закономерность проявляется тем, что t2 ощутимо превосходит t3.
[42]Когда координата x передающей модели 8 перейдет через истинное значение xf, адекватность модели реальному фидеру 1 нарушится, что приведет к смене закономерности в чередовании интервалов времени. Новая закономерность отражена на фиг. 4, где в процессе изменения напряжения и тока наблюдаются наряду с интервалами совпадения знаков первого и второго типа также интервалы несовпадения знаков четвертого и шестого типа.
[43]Допустим, что передающая модель 8 и область замера 20 заданы, и рассмотрим последовательность операций, выполняемых структурной схемой по фиг. 5, начиная с поступления фазного напряжения 
и 
на входы индикатора знаков 12. Этот модуль выделяет интервалы времени шести указанных типов, подавая соответствующие сигналы на входы интеграторов 13-15. Суммарное время t2 свидетельствует о принадлежности наблюдаемого процесса тому виду, который показан на фиг. 3; в свою очередь время t3 говорит в пользу процесса на фиг. 4. Делители 16, 17 сформируют относительные величины η1 и η2, которые отобразятся на плоскости η исполнительного модуля 18.
[44]Существенно, что описанная процедура выполняется для разных значений координаты x места предполагаемого повреждения. Выделяются те значения, которые принадлежат особой части 22 годографа η(x). Они и составляют искомый интервал - отрезок фидера Δxf.
[45]Операции с разнотипными интервалами времени предельно упрощают определение интервала возможных значений координаты места повреждения. Вместе с тем, обнаружение разнотипности процессов, формируемых передающей моделью фидера для двух частей фидера - до и после места замыкания, придает данному способу широкие функциональные возможности.
[47]1. Патент РФ №2033622, G01R 31/11, H02H 3/28, 1989.
[48]2. Патент РФ №2033623, G01R 31/11, H02H 3/28, 1989.
[49]3. Патент РФ №2066511, H02H 3/40, G01R 31/08, 1992.
[50]4. Патент РФ №2073876, H02H 3/40, G01R 31/08, 1992.
[51]5. Патент РФ №2542745, H02H 3/40, G01R 31/08, 2013 (прототип).
[52]6. Лямец Ю.Я., Подшивалин А.Н., Исмуков Г.Н. Интервальная локация повреждений линий электропередачи. - Динамика нелинейных дискретных электротехн. и электрон, систем: мат. 9-й Всеросс. науч.-техн. конф., Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 2011, С. 251-253.
[53]7. Лямец Ю.Я., Белянин А.А., Воронов П.И. Анализ переходных процессов в длинной линии в базисе дискретного и непрерывного времени. - Известия вузов. Электромеханика, 2012, №5, С. 11-16.
[54]8. Лямец Ю.Я., Белянин А.А., Воронов П.И. Алгоритмическое моделирование фидера в переходном режиме. - Известия вузов. Электромеханика, 2013, №5, С. 49-56.
[55]9. Лямец Ю.Я., Белянин А.А. Описание линий 6-35 кВ при распознавании замыканий на землю в распределительной сети. - Электротехника, 2014, №3, С. 2-7.
[56]10. Лямец Ю.Я., Мартынов М.В., Нудельман Г.С., Романов Ю.В., Воронов П.И. Обучаемая релейная защита. Ч. 1 и 2. - Электричество, 2012, №2, С. 15-19; №3, С. 12-18.
[57]11. Лямец Ю.Я., Белянин А.А., Воронов П.И. Модификации аварийных составляющих наблюдаемых токов и напряжений. - Электротехника, 2015, №2, С. 22-28.
, 
- типы 3 и 4; интервалы положительного напряжения и отрицательного тока; 
следует за 
, а 
- за 
,
, 
- типы 5 и 6; интервалы отрицательного напряжения и положительного тока; 
следует за 
, а 
- за 
.
и опорный ток 
поступают с выхода 10 передающей модели на модуль 12, представляющий собой индикатор совпадения или несовпадения знаков напряжения и тока. Он выполнен с шестью выходами по числу типов временных интервалов. Каждый из интеграторов 13-15 суммирует интервалы двух определенных типов на протяжении всего времени наблюдения после фиксации замыкания. Интегратор 13 суммирует интервалы совпадения знаков типов 
и 
, их общее время t1 представлено его выходным сигналом. Выходной сигнал t2 интегратора 14 является результатом суммирования интервалов типов 
и 
, а сигнал t3 интегратора 15 - интервалов 
и 
. В результате время наблюдения переходного процесса tнабл разделяется на три части
