Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ количественных характеристик переходных процессов в измерительной части релейной защиты линий электропередачи .
Цель и задачи 16
Исследования
1.1. Воздействие возмущений на функционирование релейной защиты. Состояние исследования 16
1.2. Принципы действия высокочастотных направленной и дифференциально-фазной защит воздушных линий высокого и сверхвысокого напряжений 21
1.3. Функциональное построение реле направления мощности обратной последовательности и органов манипуляции высокочастотным передатчиком 28
1.4. Входной информационный процесс и входной сигнал при коротких замыканиях 30
1.5. Особенности цепей формирования входных сигналов релейной защиты 35
1.5.1. Частотные фильтры 36
1.5.2. Фильтры симметричных составляющих 37
1.6. Особенности переходных процессов при возмущающих и противоаварийных управляющих воздействиях 38
1.7. Характеристика существующей методики. Цель и задачи исследования 42
1.8. Выводы 47
Глава 2. Разработка методики исследования переходных процессов в измерительной части релейной защиты 49
2.1. Структура и математическая модель переходных процессов 49
2.1.1. Начальные условия переходных процессов 54
2.1.2. Независимые возмущения 54
2.1.3. Случайные короткие замыкания 55
2.2. Построение пространственно-временных множеств и
осциллограмм переходных процессов 57
2.2.1. Математическое обеспечение 57
2.2.2. Вычисление и визуализация 73
2.3. Описание методики исследования переходных процессов 76
2.4. Рекомендации по развитию методики нсследоваїшя переходных процессов в цифровых системах релейной защиты 81
2.5. Выводы 82
Глава 3. Исследование переходных процессов в элементах релейной защиты 85
3.1. Характеристики результатов, исследования, 85
3.1.1. Систематизация результатов 85
3.1.2. Пространственно-временное множество и осциллограмма переходных процессов 86
3.2. Переходные процессы в частотных фильтрах 93
3.2.1. Полосовой частотный фильтр 96
3.2.2. Фильтр нижних частот 101
3.2.3. Резонансный полосовой /,С-<|)ильтр 105
3.3. Переходные процессы в фильтре симметричных
состаніїяющих-. 108
3.3.1. Независимые входные возмущения 108
3.3.2. Несимметричные короткие замыкания 112
3.4. Выводы 117
Глава 4. Исследование переходных процессов в измерительной части быстродействующей высокочастотной защиты 119
4.1. Включение воздушной линии на развивающееся короткое замыкание 119
4.2. Короткое замыкание на действующей воздушной линии... 139
4.2.1. Развивающееся короткое замыкание 139
4.2.2. Однофазное короткое замыкание 140
4.2.3. Эффективность фильтрации входного сигнала 144
4.3. Сопоставление- результатов исследований и испытаний защиты разработчиками на электродинамической модели энергосистемы 146
4.4. Выводы 151
Заключение 153
Литература
- Воздействие возмущений на функционирование релейной защиты. Состояние исследования
- Структура и математическая модель переходных процессов
- Пространственно-временное множество и осциллограмма переходных процессов
- Включение воздушной линии на развивающееся короткое замыкание
Введение к работе
При интенсивных возмущениях в электроэнергетической системе (ЭЭС) - коротких замыканиях (КЗ) на воздушных линиях (ВЛ) электропередачи -процессы в линиях и в измерительной части автоматики проти воаварийно-го управления находятся в постоянном взаимодействии, а выработка про-тивоаварийных управляющих воздействий является результатом их функциональной и информационной обработки, существенно более эффективной при микропроцессорной реализации релейной защиты (РЗ) и противоава-рийной автоматики.
Собственные переходные процессы (далее - переходные процессы) в измерительной части РЗ могут привести к потере устойчивости ее функционирования [1] при возмущающих и управляющих воздействиях, обусловленных различными видами КЗ на ВЛ и совместными действиями РЗ и автоматики повторного включения (АПВ). Нарушение устойчивости функционирования опасно снижением быстроты действия защиты на отключение при требовании срабатывания (КЗ на защищаемой линии) и излишним срабатыванием при требовании несрабатывания (КЗ за пределами защищаемой линии).
Особенно это актуально для РЗ ВЛ напряжением 500-750 кВ, так как они работают с малыми запасами по устойчивости [2] в условиях значительных емкостных токов и интенсивных переходных процессов при КЗ и коммутациях. Эти условия требуют достаточно малого времени срабатывания защит - не более длительности одного периода промышленной частоты [1, 3, 4]. Поэтому важно знать, что происходит в измерительной части защит за столь короткое время и как формируются сигналы, обеспечивающие управляющие воздействия на отключение ВЛ - срабатывание защит.
Возникновение КЗ на ВЛ можно отнести к "случайному во времени" (стохастическому) событию, происходящему в любой точке на оси времени (пуассоновский процесс) [1, 6, 7], а развивающееся (многофазное) КЗ [5] случайно и по факту перехода КЗ одного вида в другой, например, однофазного в двухфазное на землю, двухфазного в трехфазное и т.д. Стохастические модели процессов в ЭЭС, обусловленных возмущающими воздействиями в виде различного вида КЗ, при обеспечении эффективного противоаварийного управления, могут быть рассмотрены в задачах управления функционированием энергосистем, решаемых с использованием теории исследования операций и методов системного анализа [7-10].
Последствие случайного КЗ в измерительной части РЗ - переходный процесс - представляет собой реакцию на случайное внешнее возмущающее воздействие, которая обеспечивает функционирование защит и описывается соответствующими уравнениями - моделью, позволяющей определять правила, в соответствии с которыми рассматриваемые процессы развиваются во времени. Переходные процессы отражают изменения переменных, определяющих состояние рассматриваемой системы в виде векторов, т.е. упорядоченных наборов чисел, позволяющих проводить анализ функционирования защит при КЗ, возникшем на ВЛ в какой-либо момент времени. Решение задачи Коши [11] применительно к теории, методам анализа и машинной реализации переходных процессов в электрических цепях изложено в соответствующих работах [12-14].
Измерительная часть РЗ ВЛ высокого и сверхвысокого напряжений содержит инерционные элементы выделения из входного информационного процесса [15] входных сигналов - принужденных составляющих напряжений и токов промышленной частоты электромагнитных переходных процессов, и их разложения на симметричные составляющие [16].
В результате развивающихся возмущающих воздействий (КЗ) в ЭЭС возможно наложение друг на друга переходных процессов в измерительной части защиты и, следовательно, усложнение условий ее функциониро- вания. Развивающиеся КЗ создают в инерционных измерительных органах переходные процессы, как правило, с ненулевыми начальными условиями, способными вызвать «переворот фазы» в цепях органов направления мощности и манипуляции высокочастотными (ВЧ) передатчиками направленных и дифференциально-фазных защит ВЛ и привести к нарушению устойчивости их функционирования. Неоднозначность условий (случайность) возникновения и развития КЗ, а, следовательно, и повышение опасности потери устойчивости функционирования, потребовали изучения обусловленных указанными факторами переходных процессов в измерительной части РЗ и обосновали актуальность выбранной темы.
Целью работы является разработка методики и исследование переходных процессов в измерительной части аналоговой РЗ ВЛ высокого и сверхвысокого напряжений при случайных развивающихся КЗ в ЭЭС, выявление областей возможной потери устойчивости функционирования существующих устройств аналоговой РЗ и разработка рекомендаций по развитию методики исследования применительно к цифровым системам РЗ.
Специфика организации РЗ позволяет проводить исследования переходных процессов путем поиска минимаксных решений [17], допускающих верификацию основных свойств защит [1] в условиях случайных развивающихся КЗ на линии. Следовательно, для оценки состояния РЗ в указанных режимах необходим такой подход к исследованию переходных процессов, который позволил бы учесть не только случайность развивающихся воздействий, но и в потенциальном их множестве выявить возможные диапазоны параметров, приводящих к отказу функционирования [1]. В связи с этим в диссертации важное место занимает разработка методики комплексных исследований переходных процессов и способов подтверждения достоверности результатов, полученных при ее реализации для конкретных объектов исследования.
Поставленная цель достигается решением следующих задач: разработкой научно-обоснованной методики исследования переходных процессов в измерительной части аналоговой РЗ при случайных развивающихся КЗ и рекомендаций по развитию указанной методики применительно к цифровым системам РЗ; исследованием переходных процессов в функциональных элементах измерительной части аналоговой РЗ и выявлением времен и их диапазонов установления основных информационных параметров (фазы и амплитуды) выходных напряжений; исследованием переходных процессов в измерительной части быстродействующей высокочастотной аналоговой защиты и выявлением области возможной потери устойчивости несрабатывания (излишние срабатывания) при включении ВЛ на случайное внешнее развивающееся КЗ (переход однофазного КЗ в двухфазное на землю).
Исследования переходных процессов проводятся в цепях формирования входных сигналов существующих устройств, как примеров реализации предлагаемой методики, которыми являются быстродействующая комбинированная фильтровая направленная мощности обратной последовательности и дифференциально-фазная высокочастотная защита ВЛ напряжением 500-750 кВ, выполненная в виде панели ПДЭ2003, и дифференциально-фазная защита линий напряжением 330 кВ ДФЗ-503. В настоящее время идет процесс выпуска и установки комплекса микропроцессорных защит ВЛ 330-750 кВ, в том числе дифференциально-фазной с ОАПВ (аналог ДФЗ-503 с ОАПВ) [18, 19]. Также выпускается и широко используется в эксплуатации панель защиты ПДЭ 2003, поэтому полученные результаты исследований по предлагаемой методике представляют несомненный интерес.
Замена систем обыкновенных дифференциальных уравнений, моделирующих переходные процессы в измерительной части аналоговых устройств, системами обыкновенных разностных уравнений позволяет развить указанную методику применительно к цифровым системам РЗ в составе рекурсивных функциональных элементов.
Исследования могут быть проведены в процессе проектирования автоматики проти воаварииного управления и при анализе аварийных ситуаций в ЭЭС. Поиск необходимых решений осуществляется на фоне пространственно-временных множеств (поверхностей) переходных процессов в измерительной части защит, потенциальных или присутствующих в схеме рассматриваемой топологии, т.е. области существования всех возможных решений систем обыкновенных дифференциальных уравнений [15, 20] с различными начальными условиями, обеспеченными вариантностью моментов возникновения и развития КЗ. С помощью пространственно-временных множеств возможно выявление тенденций и закономерностей в общем характере переходных процессов, чего нельзя увидеть при изображении их частных случаев - осциллограмм.
Комплексные исследования множеств переходных процессов проводятся на основании результатов вычислительного эксперимента [5], реализующего количественные характеристики математического описания физических процессов в элементах измерительных органов РЗ с учетом реально существующих связей между ними. Систематические способы и приемы обработки информации с использованием современных средств вычислительной техники и программного обеспечения, открывают новые возможности исследования переходных процессов в измерительной части РЗ и обусловливают целесообразность проведения вычислительного эксперимента вместо исследований на физических моделях, которыми являются электродинамические модели энергосистем.
Основными объектами исследования является измерительная часть, а именно, элементы формирования сравниваемых по фазе электрических величин (входных сигналов) измерительного реле направления мощности обратной последовательности (РНМОП) и органов манипуляции (ОМ) ВЧ- передатчиком высокочастотных направленной и дифференциально-фазной защиты ПДЭ2003 и дифференциально-фазной защиты ДФЗ-503 [4,18,21].
Рассматриваются процессы установления указанных сигналов при моделировании случайных возмущений на входах объектов исследования в соответствии с процессами в линии при различных видах КЗ в виде: сигнала - принужденных составляющих промышленной частоты напряжений и токов электромагнитных переходных процессов с изменяющимися амплитудами и фазами; информационного процесса, представляющего смесь сигнала и свободных апериодической, колебательных составляющих с частотами, в общем случае не кратными промышленной, генерируемых линиями при КЗ и в дальнейшем именуемых помехами [15,22,23]; спектрального разложения функции (информационный процесс), заданной на конечном отрезке, в ряд Фурье [24,25].
Методика исследований основана на классических положениях теории электрических цепей [26-29], теории решения систем обыкновенных дифференциальных уравнений и теории матриц [12,13,30-33], метода формирования и графической визуализации результатов (метода поверхностей циклов) [34-37].
Указанные положения, реализованные в профессиональной версии Compaq Visual Fortran Pro v6.1 [38-43] с использованием математической библиотеки прикладных программ NAG Fortran Mark 9 Library [38, 44-46], позволили получить количественные характеристики переходных процессов.
Визуализация пространственно-временных множеств и осциллограмм переходных процессов осуществляется в интегрированной среде геоинформационной системы (ГИС) Maplnfo Professional v4.1 на языке MapBasic Professional v4.0. В геоинформационных технологиях [47-49] особое внимание уделяется использованию семантических сетей как универсальному подходу к представлению визуальных знаний о пространственно-временных явлениях, полученных в результате накопления, передачи, обработки и отображе- ния данных. Сущность геоизображений [50-52] (пространственно-временных множеств), их свойства и возможности, используемые для исследования и комплексного анализа переходных процессов в измерительной части РЗ при случайных развивающихся КЗ рассмотрены в настоящей работе.
В первой главе приведены статистические данные опыта эксплуатации высокочастотных аналоговых защит ПДЭ 2003 и ДФЗ-503 при поврежде ниях на ВЛ напряжением 330-750 кВ и возможные причины нарушения устойчивости функционирования. Рассмотрены методическая основа и ре зультаты исследований авторами предшествующих научно- исследовательских работ переходных процессов в элементах измерительной части РЗ. Обоснована необходимость исследования на новой методической основе переходных процессов, обусловленных случайными развивающими ся КЗ при проектировании цифровых систем РЗ и в устройствах, находя щихся в эксплуатации.
Для подтверждения достоверности и обоснованности новой методической основы предложено проведение исследований в инерционной измерительной части высокочастотных аналоговых защит ПДЭ 2003 и ДФЗ-503.
Вторая глава посвящена особенностям, содержанию и возможностям новой методической основы, необходимой для исследования в полном объеме переходных процессов, обусловленных случайными последовательными возмущениями - развивающимися КЗ, в измерительной части аналоговой РЗ. Приведены структура и комплексная математическая модель переходных процессов. Предложен способ обработки и представления обобщенной информации о переходных процессах в виде альтернативных вариантов пространственно-временных множеств (поверхностей) их параметров, систематизированы решаемые с их помощью задачи. Предложена полноинформационная визуализация пространственно-временных множеств, т.е. областей существования всех возможных решений систем обыкновенных дифференциальных уравнений с различными начальными условиями. Исследованы свойства поверхностей переходных процессов. Приведены аналитические решения уравнений пространственно-временных множеств, осциллограмм переходных процессов и соответствующее математическое обеспечение, конкретизированное применительно к задачам и объектам исследования. Обосновано использование геоинформационной технологии для получения, визуализации пространственных и организации семантических данных вычислительного эксперимента, положенных в основу решения задач исследования. Описана методика исследования переходных процессов в аналоговых устройствах и приведены рекомендации по ее развитию применительно к цифровым системам РЗ.
В третьей главе на базе разработанной методики выполнен комплекс исследований в функциональных элементах РНМОП быстродействующей высокочастотной защиты ПДЭ 2003. Выявлены функциональные связи между последовательными переходными и (или) установившимися процессами в частотных фильтрах (ЧФ) РНМОП, исследована зависимость инерционности, характеризуемой длительностью установления основных информационных параметров (фазы и амплитуды) выходных напряжений ЧФ, от начальных условий; определены диапазоны времен (наименьшее и наибольшее значения) установления указанных параметров. Рассмотрены характеристики пространственно-временных множеств; установлено соответствие между параметрами пространственно-временного множества и осциллограмм переходных процессов. Обоснован единый алгоритм построения пространственно-временных множеств переходных процессов в элементах цепей напряжения и тока РНМОП.
Исследованы воздействия начальных условий и многофазных КЗ на инерционность фильтра напряжения обратной последовательности РНМОП.
Сопоставлены результаты, полученные по разработанной автором методике для ЧФ ОМ ДФЗ-503, с результатами, известными из литературы.
В четвертой главе на базе разработанной методики выполнен комплекс исследований в РНМОП аналоговой фильтровой направленной и дифференциально-фазной защиты ПДЭ2003. Выявлена область возможной потери защитой устойчивости несрабатывания при включении ВЛ на случайное внешнее развивающееся КЗ (переход однофазного КЗ в двухфазное на землю). Проведена апробация указанной области, получены и проанализированы характеристики РНМОП при конкретных параметрах срабатывания. Сопоставлены и проанализированы времена задержки на отключение реле внутреннего КЗ, а именно: при включении ВЛ на развивающееся КЗ и развивающегося КЗ на действующей ВЛ (переход однофазного КЗ в двухфазное на землю), однофазного КЗ на действующей ВЛ. Выявлены диапазоны времен (наименьшее и наибольшее значения) установления основных информационных параметров (фазы и амплитуды) входных сигналов РНМОП.
Сопоставлены результаты, полученные по разработанной автором методике, с результатами исследований и испытаний, опубликованными в печати и научно-технических отчетах ОАО «Научно-исследовательский институт Электроэнергетики» (ОАО «ВНИИЭ»), «Фирмы по наладке, совершенствованию технологии и эксплуатации электростанций и сетей» («Фирмы ОРГРЭС») и с основными техническими данными разработчиков ОАО «Всероссийский научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт реле-строения с опытным производством» (ОАО «ВНИИР»), ОАО «ВНИИЭ» панели защиты ПДЭ2003.
В заключении приводится общая характеристика работы и основные выводы по результатам исследований.
Основные положения, выносимые на защиту: комплексная математическая модель электромагнитных переходных процессов, обусловленных случайными последовательными возмущениями в измерительной части аналоговой РЗ и ее функциональных элементах, ор- ганизация процедур вычисления координат и визуализации пространственно-временных множеств переходных процессов; способ обработки и представления обобщенной информации о переходных процессах с различными начальными условиями в виде альтернативных вариантов пространственно-временных множеств (поверхностей) их параметров на фазовой плоскости; результаты исследований переходных процессов в функциональных элементах (ЧФ) измерительной части РЗ - времена и их диапазоны установления основных информационных параметров (фазы и амплитуды) выходных напряжений; результаты исследований переходных процессов в измерительной части быстродействующей высокочастотной защиты (на примере ПДЭ 2003): область возможной потери устойчивости несрабатывания при включении ВЛ на случайное внешнее развивающееся КЗ (переход однофазного КЗ в двухфазное на землю) и полученные при ее апробации конкретные характеристики РНМОП (параметры срабатывания), подтверждающие излишнее срабатывание при внешнем развивающемся КЗ; конкретные характеристики РНМОП - времена задержки на отключение внутреннего развивающегося КЗ (переход однофазного КЗ в двухфазное на землю) при включении поврежденной ВЛ на КЗ и на действующей ВЛ; результаты выполнения тестовых задач, подтверждающие достоверность результатов диссертационного исследования.
Работа выполнена в составе НИР "Теоретические и экспериментальные исследования возможностей повышения показателей технического совершенства микропроцессорной автоматики противоаварийного управления Единой энергетической системой России" (грант Министерства образования Российской Федерации № 3027030 от 2003 г. по фундаментальным исследованиям в области технических наук).
Воздействие возмущений на функционирование релейной защиты. Состояние исследования
Процесс производства, передачи и распределения электроэнергии динамичен и постоянно подвержен интенсивным случайным возмущающим воздействиям - коротким замыканиям (КЗ). Они являются основной причиной нарушения динамической устойчивости [2, 3] электроэнергетической системы (ЭЭС).
Одним из основных мероприятий, улучшающих динамическую устойчивость, является уменьшение длительности КЗ - времени отключения поврежденного элемента. Быстрое отключение КЗ, осуществляемое релейной защитой (РЗ), предотвращает дальнейшее развитие аварии, способствуя уменьшению разрушений, вызванных электрической дугой в месте КЗ.
Развитие аварийной ситуации в ЭЭС может происходить и вследствие потери защитой устойчивости функционирования [1]. Одно из основных свойств защиты - быстрота срабатывания - непосредственно влияет на исход КЗ, так как при недостаточно быстром его отключении в ЭЭС могут возникнуть интенсивные качания синхронных машин, а в наиболее тяжелых случаях - возникновение кратковременного или затяжного нарушения их синхронной работы.
Как известно [3], отключение РЗ мощных сильно загруженных магистральных линий электропередачи вызывает внезапные скачкообразные па-рушения баланса мощностей, что также может приводить к развитию ава рийной ситуации. При успешном повторном включении воздействия, оказываемые РЗ на ЭЭС, устраняются.
В сетях с большими токами замыкания на землю, работающих с глухо-заземленными нейтралями, наиболее уязвимыми являются воздушные линии (ВЛ) электропередачи высокого и сверхвысокого напряжений, оснащенные современной быстродействующей РЗ. Она функционирует совместно с автоматикой однофазного или (и) трехфазного быстродействующего или несинхронного повторного включения (ОАПВ, БТАПВ, НАПВ). ОАПВ эффективно на линиях сверхвысокого напряжения от 500 кВ с пофазным управлением выключателями, на которых обычно возникают однофазные дуговые, обусловленные грозовыми перенапряжениями, КЗ. После отключения трех фаз линии при междуфазных КЗ производится трехфазное повторное включение линии, которое может быть как однократным, так и двукратным.
В настоящее время используются микросхемные реле повторного включения РПВ-01 и РПВ-02, панели комплексных бесконтактных автоматических устройств повторного включения ПДЭ-2004.01 и ПДЭ-2004.02 [3,53].
Создана многофункциональная интегрированная микропроцессорная автоматика противоаварийных (защитных) отключений и АПВ. Она представляет собой интегрированные комплексы РЗ и АПВ линий электропередачи высокого и сверхвысокого напряжений, функционирующие как на терминалах REL-511R и REL-521 компании «АББ Реле - Чебоксары», так и на терминалах 7SA513 немецкой фирмы Siemens и французской GEC Alsthom, и осуществляющие программы многократных и с синхронизацией ТАПВ [3].
ООО НПП «ЭКРА» разработаны и серийно выпускаются унифицированные микропроцессорные терминалы серии БЭ2704, используемые для реализации различных функций РЗ (в том числе направленной и дифференциально-фазной высокочастотных защит), автоматики и управления присоединений 110-220 кВ, входящих в комплект шкафов серии ШЭ2607. С учетом накопленного опыта эксплуатации микропроцессорных ДФЗ 110-220 кВ типа ШЭ2607 081, а также многолетнего опыта эксплуатации защит типа ДФЗ-503 и ДФЗ-504, ООО НПП «ЭКРА» и ОАО «ВНИИЭ» разработана микропроцессорная ДФЗ ВЛ напряжением 330-750 кВ [19]. Устройство предназначено для использования в качестве основной быстродействующей защиты линии при всех видах КЗ, в том числе, при неполнофаз-ном режиме в цикле ОАПВ.
Основу новых изделий ООО «ИЦ Бреслер» составляют терминалы серии «Бреслер-0401», предназначенные для реализации спектра микропроцессорных защит ВЛ различных классов напряжений [54]. В настоящее время на базе этого терминала разработаны шкафы микропроцессорной ДФЗ «Бреслер - 0411.Ох», включающие в себя модули ОАПВ и определителя вида повреждения и поврежденных фаз.
Структура и математическая модель переходных процессов
Комплексные исследования множеств переходных процессов проводятся на основании результатов вычислительного эксперимента [5], реализующего количественные характеристики математического описания физических процессов в элементах измерительных органов защит с учетом реально существующих связей между ними. «Основные достоинства методов вычислительного эксперимента - широкие возможности варьирования исходных данных, удобство контроля и регистрации параметров, трудно доступных в натурном эксперименте и эксперименте на физических моделях, удобство и простота самого процесса регистрации и наглядность представления результатов. Важнейшим достоинством исследований методом вычислительного эксперимента и одной из его целей следует считать максимальное сокращение объемов и областей натурного эксперимента на реальных объектах, всегда представляющего опасность для энергосистемы, ее оборудования» [5].
Способы и приемы обработки информации с использованием современных средств вычислительной техники и программного обеспечения, открывают новые возможности исследования переходных процессов в измерительной части РЗ и обусловливают целесообразность проведения вычислительного эксперимента вместо исследований на физических моделях, которыми являются электродинамические модели (ЭДМ) энергосистем.
Оценка достоверности базируется на сопоставлении результатов исследований переходных процессов в РНМОП и ОМ, соответственно, защит ПДЭ 2003 и ДФЗ-503 по разработанной методике, альтернативных исследований авторов предшествующих научно-исследовательских работ, испытаний ПДЭ 2003 разработчиками на ЭДМ энергосистемы и статистических данных опыта эксплуатации ПДЭ 2003.
1. Систематизированы переходные процессы в измерительной части РЗ для исследования инерционности ее цепей и устойчивости функционирования в различных аварийных ситуациях (КЗ), в том числе при наличии АПВ (рис. \А,а-в).
2. Проанализированы результаты исследований переходных процессов, полученные авторами предшествующих научно-исследовательских работ. Практически во всех рассмотренных работах авторы проводили исследования переходных процессов, вызванных различными видами КЗ, в том числе многофазными (двухфазное на землю, трехфазное) в измерительной части РЗ и ее функциональных элементах без учета переходов КЗ одного вида в другой, при нулевых начальных условиях.
Полученные результаты, как правило, визуализированы в виде осциллограмм.
Установлено, что известные методические подходы не дают полной информации о переходных процессах, обусловленных случайными развивающимися КЗ, а именно: о временах и их диапазонах установления основных информационных параметров (фазы и амплитуды) входных сигналов измерительной части РЗ и выходных напряжений ее функциональных элементов; о входных сигналах измерительной части, формирующих области возможной потери РЗ устойчивости функционирования.
3. На основе анализа состояния вопроса сформулированы цель работы, задачи и объект исследования, способы оценки достоверности полученных результатов.
Целью работы является разработка методики и исследование переходных процессов в измерительной части аналоговой РЗ ВЛ высокого и сверхвысокого напряжений при случайных развивающихся КЗ в ЭЭС, выявление областей возможной потери устойчивости функционирования существующих устройств аналоговой РЗ и разработка рекомендаций по развитию методики исследования применительно к цифровым системам РЗ.
Поставленная цель достигается решением следующих задач: разработкой научно-обоснованной методики исследования переходных процессов в измерительной части аналоговой РЗ при случайных развивающихся КЗ и рекомендаций по развитию указанной методики применительно к цифровым системам РЗ; исследованием переходных процессов в функциональных элементах измерительной части аналоговой РЗ и выявлешем времен и их диапазонов установления основных информационных параметров (фазы и амплитуды) выходных напряжений; исследованием переходных процессов в измерительной части быстродействующей высокочастотной аналоговой защиты и выявлением области возможной потери устойчивости несрабатывания (излишние срабатывания) при включении ВЛ на случайное внешнее развивающееся КЗ (переход однофазного КЗ в двухфазное на землю).
Оценка достоверности результатов, полученных при использовании предлагаемой методики, осуществлена на примерах измерительной части аналоговых устройств как объектов исследования: РНМОП выпускаемой в настоящее время и широко эксплуатируемой быстродействующей высокочастотной фильтровой направленной мощности обратной последовательности и дифференциально-фазной защиты ВЛ напряжением 500-750кВ ПДЭ 2003 (рис. 1.2,а) и ОМ высокочастотным передатчиком дифференциально-фазной защиты ВЛ напряжением ЗЗОкВ ДФЗ-503 (рис. \.3,о).
Пространственно-временное множество и осциллограмма переходных процессов
Инерционность элементов выделения входных сигналов измерительной части РЗ оценивается длительностью переходных процессов с различными начальными условиями. Исследуются переходные процессы в следующих элементах; активных ФНЧ и ПЧФ, а также пассивном ФНОП и соединении (TAVI+TAV2) - ФНОП цепи тока РНМОП комбинированной защиты ПДЭ2003 (см. рис. \2,а,б)\ пассивном РЧФ ОМ дифференциально-фазной защиты ДФЗ-503 (см. рис.1.3,а,б).
Нормальный режим и случайные возмущающие воздействия (КЗ) моделируются сигналами с изменяющимися амплитудами и фазами, характерными для цепей тока и напряжения защиты, причем фазы принужденных составляющих сигналов в режиме КЗ зависят от моментов его возникновения в предшествующем нормальном режиме [16,79,65]. Последние обеспечивают различные начальные условия переходных процессов при КЗ. Следовательно, переходный процесс в каждой из указанных цепей является функцией двух переменных: начальных условий и фазы сигнала при КЗ.
В настоящей главе исследуются эффективность фильтрации входного информационного процесса и зависимость инерционности (времени установления основных информационных параметров выходных напряжений -фазы и амплитуды) функциональных элементов РЗ от одной переменной начальных условий. Поэтому исследования инерционности проводятся для различных начальных условий переходных процессов ,-0 = var.J меняющихся в соответствии с гармоническим законом воздействующей величины, и возмущения в виде принужденной составляющей промышленной частоты напряжения или тока с неизменной фазой (;+1)0 = const, (см. рис,2.1,#).
Для развивающегося КЗ характерна взаимосвязь между системами векторов токов и напряжений КЗ в момент перехода одного вида КЗ в другой ( piQ = const., (J+1)0 = const.) (см. рис. 2.1,6). Различные начальные условия обеспечиваются заданием переменной фазы принужденной составляющей промышленной частоты, моделирующей возникновение КЗ, ( /о = var ) Интерес представляют исследования переходных процессов, обусловленных возникновением однофазного КЗ и дальнейшим переходом его в двухфазное КЗ на землю, в измерительной части быстродействующей высокочастотной защиты (см. гл. 4) при длительности однофазного КЗ, соизмеримой с ее инерционностью.
Таким образом, способы обеспечения различных начальных условий позволяют систематизировать результаты исследований - пространственно-временные множества (поверхности) переходных процессов и соответствующие им функциональные связи, охарактеризовать их свойства и установить соответствие между указанными множествами и осциллограммами.
Параметры элементов ЧФ (см. рис. \2,а,б), реализованных при Тф=6,28мс и со0 =314рад/с, имеют значения: для ФНЧ Cml = 0,ЗЗмкФ;Сос = 0,033мкФ; RQC = 51,7кОм; Л, ,! = 61,9кОм;/ = 14,ЗкОм; для ПЧФ С[ = 0522мкФ;С с = 0522мкФ; Кол = 28,4кОм;Ям1 = 10,2кОм; д;„ = 13,8кОм.
Для иллюстрации возможностей пространственно-временного множества, как графического образа полномасштабной информации о переходных процессах, последние рассматриваются в ПЧФ при воздействии на него входного напряжения в виде сигнала.
Согласно (2.1), переходные процессы в схеме замещения ПЧФ (см. рис. 1.2,6) при допущении достаточно больших входного сопротивления, коэффициента усиления и малого выходного сопротивления интегрального операционного усилителя (ИОУ) [55, 97] описываются системой обыкновенных дифференциальных уравнений
Включение воздушной линии на развивающееся короткое замыкание
Исследуются переходные процессы в цепях напряжения и тока РНМОП панели защиты ПДЭ 2003 при развивающемся КЗ на ВЛ - однофазном КЗ
КА , переходящем в течение длительностей указанных процессов, обусловленных КА , в двухфазное КЗ на землю КАВ . Рассматриваемые схемы представляют собой последовательные соединения фильтров ФНОП -ФНЧ ПЧФ, подключенные к вторичным обмоткам трансформаторов напряжения TLV\ + TLVb и трансреакторов TAV\ + TAV3 (см. рис. \.2,а,б).
Возникновение Кд на ВЛ при ее включении или неуспешное ТАПВ вызывает в измерительной части защиты переходные процессы с нулевыми начальными условиями (см. рис. \Л,а,в). При переходе Кл в КАВ независимые начальные условия (напряжения на конденсаторах фильтров), как правило, не являются нулевыми и зависят от процессов в линии. Ис следования переходных процессов в цепях напряжения и тока РНМОП проводятся с использованием сигналов (см. 2.4, 3.3) - принужденных составляющих напряжений и токов промышленной частоты электромагнит ных переходных процессов при развивающемся КЗ. При развивающемся КЗ сигналы на вторичных обмотках измерительных преобразователей цепей напряжения и тока РНМОП обусловлены случайными, но зависимыми между собой векторами напряжений и токов КА и КАВ . Переходные процессы в виде напряжений на выходах указанных цепей, соответственно, liQa,Кста9исЬ,ислЬ,исс,истс (на рис. 1.2,(7,б изображены напряжения сл мс.та фазы А реле), обусловленные развивающимися КЗ, также зависимы между собой. Эти напряжения являются входными сигналами трехфазной схемы сравнения электрических величин по фазе РНМОП, определяющей его действие на отключение или блокировку.
Исследования проводятся при фиксированных значениях токов и напряжені) (1,1) нии на линии в момент перехода К у в КАВ , но для различных начальных условий переходных процессов в измерительной части защиты. Последние обеспечиваются разными моментами включения ВЛ на КЗ, т.е. фазами принужденных составляющих напряжении и токов КА (ш = 2 : plQ = var.) (см. рис. 2.1,6). В результате, при длительности КА, соизмеримой с инерционностью исследуемой схемы, можно получить области (пространственно-временные множества) всех возможных процессов установления входных сигналов иса,иста,Ucb,истЬ,исс,КСТС, например, при переходе Ку в КАВ , соответствующем фазам сигналов икЬс и и с 122 на границе перехода я/3 и л/2 (см. рис.4.1, ?) в цепи напряжения реле. Сигналы, моделирующие указанные возмущения в цепях тока и напряжения РНМОП, представлены на рис. 4.2,а,б.
Схемы сравнения цепей напряжения и тока каждой фазы РНМОП выделяют интервалы однополярных входных сигналов, соответственно, {иса, исла \ \ucb ис тЬ ) \гісс ис тс ) Указанные входные сигналы характеризуются временами установления их основных информационных параметров (фаз и амплитуд). Следовательно, различие времен установления фаз (смещение друг относительно друга) входных сигналов какой-либо пары (lica,liCTa),(licb,llCTb),(llcc,licrc) в течение переходного процесса может способствовать формированию импульсов на выходе схем сравнения, приводящих к потере устойчивости функционирования защиты, а именно, к снижению быстроты действия защиты на отключение при требовании срабатывания (КЗ на защищаемой ВЛ) и к излишним срабатываниям при требовании несрабатывания (КЗ за пределами защищаемой ВЛ). Поверхности дают возможность одновременного исследования множеств процессов установления входных сигналов цепей напряжения и тока, что особенно важно для защит, анализирующих направления мощностей в переходных режимах КЗ. Результатами исследований реакции измерительной части защиты ПДЭ 2003 на случайное внешнее развивающееся КЗ (переход КА в КА В ) являются: область возможной потери устойчивости несрабатывания (излишние срабатывания), выявленная на основе анализа функциональных связей между входными сигналами цепей тока и напряжения РНМОП; динамика и диапазоны времен установления основных информационных параметров (фазы и амплитуды) входных сигналов; диапазоны параметров срабатывания РНМОП, обеспечивающие устойчивость несрабатывания (отсутствие излишних срабатываний).
