Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Методика определения места короткого замыкания линий электропередачи высокого напряжения 16
1.1 Классификация методов ОМКЗ 16
1.2 Методы ОМКЗ, основанные на измерениях аварийных сигналов тока и напряжения основной частоты
1.2.1 Методы ОМКЗ на базе односторонних измерений аварийных сигналов тока и напряжения основной частоты 19
1.2.2 Методы ОМКЗ на базе двусторонних измерений аварийных сигналов тока и напряжения основной частоты 24
1.3 Методы ОМКЗ, основанные на теории бегущих волн 28
Выводы по Главе 1 33
ГЛАВА 2 Разработка алгоритма омкз на высоковльтных ЛЭП постоянного тока с помощью спектрального подхода 35
2.1 Разработка алгоритма ОМКЗ на ЛЭП постоянного тока, состоящей из одного участка, на базе спектрального подхода 38
2.2 Разработка алгоритма ОМКЗ на кабельно-воздушной ЛЭП постоянного тока на базе спектрального подхода 48
2.3 Повышение точности определения собственной частоты f0 в спектре напряжения 53
Выводы по Главе 2 57
ГЛАВА 3 Цифровое моделирование кабельно-воздушной ЛЭП постоянного тока 58
3.1 Выбор числа звеньев цифровой модели линии ПТ 59
3.2 Определение параметров звена цифровой модели кабельного участка
линии ПТ 63 3.3 Определение параметров звена цифровой модели воздушного участка
линии ПТ 69
Выводы по Главе 3 81
ГЛАВА 4 Разработка комбинированного алгоритма ОМКЗ на ЛЭП постоянного тока на базе спектрального подхода и известных дистанционных методов 82
4.1 Погрешности метода ОМКЗ на базе спектрального подхода на ВЛ переменного тока и способы их минимизации 86
4.2 Алгоритм определения типа к.з. и поврежденной фазы 91
4.3 Алгоритм определения расстояния до места повреждения 94
4.4 Цифровое моделирование воздушной ЛЭП переменного тока 105
Выводы по Главе 4 107
ГЛАВА 5 Апробация алгоритма и макет устройства ОМКЗ на базе спектрального подхода 108
5.1 Проверка работоспособности разработанного алгоритма ОМКЗ на цифровой модели кабельно-воздушной линии постоянного тока 108
5.2 Проверка работоспособности разработанного алгоритма ОМКЗ на цифровой модели воздушной линии переменного тока .
5.3 Натурная проверка алгоритма ОМКЗ на базе спектрального подхода на ВЛ переменного тока 137
5.4 Макет устройства ОМКЗ на базе разработанного алгоритма 141
Выводы по Главе 5 147
Заключение 149
Список использованной литературы 152
- Методы ОМКЗ на базе односторонних измерений аварийных сигналов тока и напряжения основной частоты
- Разработка алгоритма ОМКЗ на кабельно-воздушной ЛЭП постоянного тока на базе спектрального подхода
- Алгоритм определения типа к.з. и поврежденной фазы
- Проверка работоспособности разработанного алгоритма ОМКЗ на цифровой модели воздушной линии переменного тока
Введение к работе
Актуальность работы
При эксплуатации линий электропередачи (ЛЭП) всегда имеют место
повреждения, наиболее частым и опасным видом которых оказывается короткое
замыкание (к.з.) ЛЭП. Аварийные отключения являются причиной
дополнительных затрат, приводят к перерывам электроснабжения потребителей.
С целью сокращения времени ликвидации повреждений на ЛЭП в настоящее время используют различные средства и устройства определения места короткого замыкания (ОМКЗ). Усиление конкуренции на рынке электроэнергетики и желание предоставить более качественные услуги потребителю, имеющему все более чувствительные нагрузки, определяют важную задачу разработки быстрого и точного устройства ОМКЗ.
Отечественные разработки для решения задачи ОМКЗ на линиях
постоянного тока на сегодняшний день отсутствуют. В то же время Единая
Энергетическая Система (ЕЭС) России обладает рядом особенностей
функционирования, которые обуславливают актуальность и своевременность развития технологий постоянного тока высокого напряжения для отечественной электроэнергетики (удаленность объектов генерации от потребителей, проблема подключения возобновляемых источников энергии к ЕЭС и к локальным энергосистемам и пр.). Применение технологий ПТ и эксплуатация протяженных линий ПТ требует использования методов и технических средств ОМКЗ. Применяемые в зарубежной практике волновые методы ОМКЗ на линии ПТ в большинстве своем являются двусторонними и не всегда позволяют точно рассчитать расстояние до места замыкания (например, в случае возникновения близкого замыкания). Кроме того, такие устройства ОМКЗ на линиях ПТ оказываются дорогостоящими, требуют высокой частоты дискретизации исследуемого сигнала и установки дополнительного сложного оборудования, позволяющего фиксировать волны, приходящие от места к.з. на концевые подстанции.
Применение технологий ППТ оказывается обоснованным в том числе в случае электроснабжения потребителей, связанного с преодолением водных преград. При этом в мировой практике, прежде всего, находят применение кабельные линии ПТ. Однако, удельная стоимость кабельной линии, как правило, в несколько раз превышает удельную стоимость воздушной линии. Поэтому после пересечения водной преграды нередко кабельные участки ППТ дополняются воздушными участками. В мировой практике отсутствуют устройства определения места короткого замыкания (ОМКЗ) широкого производства для кабельно-воздушных линий.
Выпускаемые отечественными и зарубежными предприятиями устройства ОМКЗ для ЛЭП переменного тока не лишены недостатков и обладают
значительными погрешностями вычисления расстояния до места возникновения повреждения. Большинство широко применяемых в настоящее время типов дистанционных устройств определения места к.з., основанных на измерении аварийных сигналов основной частоты, на ЛЭП переменного тока из-за погрешностей, как правило, могут указать только возможную зону обхода поврежденной линии электропередачи. Так, если зона обхода составляет ±2% от длины ВЛ, то только в 19% случаев повреждение окажется в зоне, в 92,3% повреждение окажется в зоне ±15% от длины ВЛ. Основной вклад в погрешности устройств ОМКЗ вносит в том числе неизвестное переходное сопротивление RП в месте к.з.
Снижение погрешности установленных в отечественной энергосистеме устройств ОМКЗ остается важной оперативной задачей.
Цель и задачи диссертации
Целью работы является совершенствование дистанционных методов и устройств ОМКЗ при помощи спектрального анализа на линиях электропередачи для снижения погрешности при ОМКЗ и повышения надежности эксплуатации ЛЭП.
В соответствие с указанной целью основные задачи исследований включали:
разработку алгоритма ОМКЗ на базе спектрального подхода на линии постоянного тока, состоящей из одного участка с учетом установки по концам линии сглаживающих реакторов и фильтров высших гармоник;
разработку алгоритма ОМКЗ на базе спектрального подхода на линии постоянного тока, состоящей из кабельного и воздушного участков, с учетом установки по концам линии сглаживающих реакторов и фильтров высших гармоник;
разработку комбинированного алгоритма ОМКЗ на ВЛ переменного тока, позволяющего использовать спектральный анализ переходного процесса совместно с существующими дистанционными методами ОМКЗ;
разработку математических моделей для исследования установившихся и аварийных режимов в линиях постоянного тока с учетом наличия кабельного и воздушного участков, переходного сопротивления в месте к.з., концевых устройств линии ПТ с учетом частотных характеристик земли, систем регулирования, защиты и автоматики;
разработку математических моделей для исследования установившихся и аварийных режимов в линиях переменного тока с учетом переходного сопротивления в месте к.з., логики работы релейной защиты;
- апробацию разработанных алгоритмов ОМКЗ на базе спектрального
анализа на разработанном в рамках диссертации макете прибора ОМКЗ.
Достоверность научных положений
Достоверность теоретических результатов обеспечивается строгими аналитическими выводами с использованием основных положений теоретической электротехники и математического анализа. Достоверность компьютерного моделирования обеспечивается использованием апробированного и широко применяемого в научной и инженерной практике программного обеспечения.
Методика исследований
-
Для разработки алгоритма определения расстояния до места замыкания с помощью спектрального анализа на ЛЭП постоянного и переменного тока использовались аналитические методы исследования.
-
Для оценки эффективности предлагаемого спектрального подхода при решении задачи ОМКЗ на ЛЭП постоянного и переменного тока использовались методы математического моделирования.
-
Для апробации предложенных алгоритмов ОМКЗ на ЛЭП был разработан макет прибора ОМКЗ, а также были использованы данные моделирования линий постоянного и переменного тока и данные натурного осциллографирования замыканий на ВЛ переменного тока.
Научная новизна работы
-
Предложен алгоритм ОМКЗ для линии постоянного тока, состоящей из кабельного и воздушного участков.
-
Рекомендуемый спектральный подход при решении задачи ОМКЗ на линии постоянного тока учитывает установку фильтров высших гармоник, включенных в рассечку линейных реакторов по концам линии.
-
Проведена оценка влияния переходного сопротивления RП в месте к.з. на погрешность разработанного алгоритма ОМКЗ в зависимости от места к.з. на кабельном и воздушном участках линии постоянного тока (в начале, середине или конце участка).
-
Разработан комбинированный алгоритм расчета расстояния до места замыкания в ВЛ переменного тока на базе спектрального анализа и известных дистанционных методов ОМКЗ на базе информации об аварийных токах и напряжениях основной частоты.
-
Проведена оценка влияния переходного сопротивления RП в месте к.з. на погрешность разработанного алгоритма ОМКЗ в зависимости от места к.з. на ВЛ переменного тока (в начале, середине или конце ВЛ) напряжением 110 кВ, 220 кВ и 330 кВ.
Практическая ценность результатов работы
Предлагаемый алгоритм ОМКЗ на базе спектрального подхода может быть использован в устройстве ОМКЗ для проектируемой кабельно-воздушной линии постоянного тока между подстанциями ЛАЭС-2 и Выборгская и других объектов постоянного тока.
Погрешность предлагаемого алгоритма ОМКЗ на линии постоянного тока составляет до 0,5% - 1% от длины замкнутого участка линии.
Разработаны технические требования к устройству ОМКЗ на базе спектрального подхода с учетом наличия двух участков линии ПТ в проекте по титулу проектирования: «Передача постоянного тока Ленинградская ЛАЭС-2 – Выборгская».
Для ВЛ переменного тока дополнение алгоритмом спектрального анализа приборов ОМКЗ, использующих известные дистанционные методы определения места к.з., позволит повысить точность определения расстояния до места замыкания на линии. Данный подход не требует дополнительных значительных вложений в аппаратную часть системы. Снижение погрешности, возникающей при определении собственной частоты замкнутого контура в спектре аварийного напряжения, достигается путем применения спектрального анализа совместно с известными дистанционными алгоритмами нахождения расстояния до места замыкания на ВЛ переменного тока.
Такой комплексный подход к определению расстояния до замыкания в ВЛ переменного тока позволяет повысить точность результата (до 0,5 % от длины линии при анализе аварийных процессов на модели ВЛ) и обеспечить независимость результата от величины переходного сопротивления и фазового угла между током и напряжением.
Разработанный в рамках диссертации программный код на языке Си в среде Code Composer реализован в контроллере устройства ОМКЗ на ЛЭП и может быть использован в контроллерах других типов в устройствах ОМКЗ как для линий постоянного, так и для линий переменного тока.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:
молодежной научной конференции «Студенты и молодые ученые – инновационной России» (Санкт-Петербург, 2013);
международном электроэнергетическом форуме UPGrid «Электросетевой комплекс. Инновации. Развитие» (г. Москва, 2013 г.);
XVIII международной научно-технической и практической конференции «Перспективы развития электроэнергетики и высоковольтного электротехнического оборудования. Энергоэффективность и энергосбережение» (г. Москва, 2014 г.);
VI международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи-2015» (г. Иваново, 2015 г.).
- II международной конференции по электропередачам постоянного тока высокого
напряжения (HVDC-2016), г. Шанхай, октябрь 2016 г.
Публикации
По теме диссертации автором и в соавторстве опубликованы 8 печатных работ, из них 5 работ опубликовано в изданиях из перечня рецензируемых научных журналов для публикации основных научных результатов диссертаций (ВАК); получены патент на полезную модель и патент на изобретение.
Объем и структура диссертации
Методы ОМКЗ на базе односторонних измерений аварийных сигналов тока и напряжения основной частоты
Ограничения и недостатки известных методов ОМКЗ, основанных на односторонних замерах аварийных токов и напряжений, а также необходимость повышения точности результата, привели к разработке алгоритмов ОМКЗ, основанных на замерах аварийных сигналов по обоим концам линии (методы двустороннего измерения). Такие алгоритмы предполагают использование как синхронизированных, так и несинхронизированных измерений. В случае несинхронизированных измерений по-разному решается вопрос учета неизвестного угла синхронизации.
Алгоритм метода двусторонних измерений предполагает использование микропроцессорной техники на каждом конце линии для записи трехфазных напряжений и токов во время аварии с кодированием сигналов и передачей данных на другой конец линии с помощью Internet технологий.
Известные уравнения для ОМКЗ при двусторонних замерах [2] позволяют определить сопротивление поврежденного участка ЛЭП на основе анализа данных об аварийных токах и напряжениях по обоим концам ВЛ.
При нахождении расстояния до места однофазного замыкания двусторонним методом схема замещения поврежденной фазы имеет вид рисунка 1.2, где х - отношение длины поврежденного участка к длине всей линии, Z - полное сопротивление линии, Zx - сопротивление участка линии до к.з., Z{\ — х\- сопротивление оставшегося участка линии, ZЗ - полное эквивалентное сопротивление земли, ZЗх- эквивалентное сопротивление земли до места к.з., ZЗ (і — х) - сопротивление оставшегося участка земли, RП - переходное сопротивление в месте к.з., и1,и2,1, 12 - напряжения и токи, измеренные на подстанциях 1 и 2 в момент к.з. Ui
При возникновении к.з., отличного от однофазного, для решения задачи ОМКЗ двусторонним способом должна быть изменена схема замещения замкнутого участка ВЛ и на ее основе получены соответствующие выражения для определения RП и х.
Фиксирующие приборы двустороннего замера, активно внедряемые в отечественную энергетику в 60-х - 80-х годах, были вытеснены односторонними методами замера токов и напряжений ЛЭП в конце 80-х годов.
В зарубежной практике двусторонний замер практически никогда не применялся. Основы теории и практики двустороннего замера разработаны институтом ВНИИЭ, фирмой ОРГРЭС и Рижским опытным заводом Энергоавтоматика [11, 12 ,13, 14]. Особо следует отметить труды Г.М. Шалыта. Преимуществом двустороннего метода ОМКЗ является исключение переходного сопротивления при расчете длины поврежденного участка. Данный алгоритм ОМКЗ получил широкое развитие в последние десятки лет благодаря совершенствованию технологических решений и устройств.
При реализации двустороннего метода неизбежно возникают следующие, требующие решения, вопросы [15]: необходимость оперативного получения аварийной осциллограммы с противоположного конца линии, для чего должен быть реализован высококачественный канал связи между двумя регистраторами; необходимость обеспечения высокой точности синхронизации осциллограмм, полученных от двух различных регистраторов; желательность использования на разных концах защищаемой линии РАС одного производителя, что позволит автоматизировать процесс передачи файлов аварийных осциллограмм и их последующей обработки, исключив необходимость промежуточной конвертации; взаимодействие разных собственников подстанций, расположенных на противоположных концах линии, что может существенно усложнить процесс передачи файлов аварийных осциллограмм; для большого количества тупиковых линий установка регистраторов на конечных подстанциях представляется неоправданно дорогим решением.
В случае применения двустороннего метода искажение хотя бы одного показания фиксирующих приборов с одной стороны линии приведет к ошибке ОМКЗ в целом для линии. Ошибка в показании хотя бы одной величины может быть вызвана различными причинами: ошибкой операторов во время фиксации показаний и передаче их на более высокий уровень управления, погрешностями первичных преобразователей, выходом из какого-либо прибора, ошибочным несинхронным срабатыванием приборов на разных концах ЛЭП.
Разработка алгоритма ОМКЗ на кабельно-воздушной ЛЭП постоянного тока на базе спектрального подхода
Для дальнейшего анализа принимается условие о том, что короткое замыкание на линии является неустраняющимся, с ненулевым переходным сопротивлением в месте к.з.
На начальном этапе разрабатывается алгоритм спектрального метода ОМКЗ в при замыканияя на линии постоянного тока, состоящей из одного участка.
Линия постоянного тока через линейный реактор подключается к преобразователю. Поэтому в схеме замещения эквивалентного замкнутого контура поврежденной линии необходимо учитывать сопротивления преобразовательных трансформаторов и линейного реактора. При возникновении к.з. в линии электропередачи напряжение поврежденного полюса резко снижается и линия начинает разряжаться через место к.з. Согласно [26], такие разрядные колебания в линии постоянного тока могут быть смоделированы колебаниями в контуре, изображенном на рисунке 2.2 и состоящем из параллельно включенных емкости CХ и индуктивности LХ замкнутого участка линии с учетом эквивалентной индуктивности преобразователя L`П, которая определяется суммой индуктивностей линейного реактора и преобразовательных трансформаторов. Основным параметром линейного реактора является величина индуктивности, от которой зависит степень сглаженности выпрямленного тока в линии, т.е. уровни высших гармоник тока и напряжения, а также качество переходных и аварийных режимов в линии электропередачи, поскольку индуктивность линейного реактора влияет на скорость изменения выпрямленного тока. Индуктивность линейного реактора обычно на порядок превышает индуктивность трансформаторов, она попадает в контур разряда линии передачи при к.з. и ее необходимо учитывать в схеме замещения линии. L` П LХ
В соответствие с [26] в формулах (2.2) суммарные емкость и индуктивность эквивалентного контура на рисунке 2.2 увеличены в 2/ раза с целью обеспечения равенства частоты колебаний при замене реальной линии с распределенными параметрами схемой замещения по рисунку 2.2, с сосредоточенными параметрами.
Подстановка (2.2) в (2.1), а также выражение Lэкв через L`П и LХ дает следующее выражение для частоты колебаний в эквивалентном контуре рисунка 2.2: л Пт 0Х ьX Возведение в квадрат (2.3) и решение квадратного уравнения относительно длины замкнутого участка линии дает: 1 + 1 + 16тг2К2К2 і = s 1 2 , (2.4) х 16тгК2К2 2 где К1 = П, К2 = 0, V0= , - скорость распространения L V IT С 0х 0 V 00 электромагнитной волны в контуре провод-земля на частоте /0.
При определении расстояния до места повреждения в [26] не учитывается наличие переходного сопротивления RП в месте к.з., что соответствует, например, случаю падения провода на землю или перекрытию в нормальном режиме гирлянды изоляторов с провода на стальную заземленную опору. Также, при выводе формулы (2.4) не берется в расчет наличие включенных на полюсах линии постоянного тока фильтров высших гармоник. Устройства фильтрации высших гармоник (ФВГ), предназначенные для подавления составляющих звуковых частот в выпрямленном токе линии на стороне постоянного тока, служат для обеспечения низкого уровня помех в близлежащих линиях связи и других коммуникациях, чувствительных к наведенным помехам.
В диссертационной работе рассматривается вопрос определения места повреждения при коротком замыкании через переходное сопротивление линии постоянного тока, по концам которой установлены фильтры высших гармоник. Фильтры высших гармоник устанавливаются на каждом полюсе преобразовательной подстанции. Схемы фильтров высших гармоник, применяемые в действующих ППТ на стороне постоянного напряжения, достаточно разнообразны, в последнее время наибольшее применение получили двухчастотные фильтры. Схема двухчастотного фильтра изображена на рисунке 2.3.
Алгоритм определения типа к.з. и поврежденной фазы
В качестве прототипа модели кабельно-воздушной линии ПТ рассматривалась проектируемая ППТ ЛАЭС-2-Выборгская. Данная линия выполняется в биполярном варианте. Длина линии 108 км (41 км – кабельный участок, 67 км – воздушный участок) напряжением ±300 кВ и мощностью 1000 МВт.
Поскольку трасса будущей ППТ ЛАЭС-2-Выборгская проходит в районах с повышенными требованиями по экологическому влиянию линии на близлежащие подземные сооружения (трубопроводы, кабели и т.д.) организация рабочих заземлителей в ней (или, как возможный вариант, заводнителей) для возврата постоянного тока была признана неприемлемой. В связи с этим применяется металлический возврат тока несимметрии, при котором на опоре подвешивается специальный нейтральный провод.
При замыканиях полюса линии ПТ на землю характер и, в том числе, частота, переходного процесса зависит от параметров линии и параметров земли. Возможность моделирования кабельных и воздушных линий на сегодняшний день реализована в программно-вычислительном комплексе ЕМТР для расчета электромагнитных переходных процессов (модели линии Jmarti, Semlyen). Однако, при уменьшении длины ячейки кабельного участка или воздушной линии при расчете переходного процесса возникала вычислительная неустойчивость, связанная с недопустимо малым временем пробега волны по сравнения с шагом расчета программы. Приведенные ниже способы определения параметров воздушного и кабельного участков линии постоянного тока позволяют получить параметры и схемы замещения для моделирования участков линии ПТ с возможностью уменьшения длин ячеек для исследования процессов короткого замыкания линии и оценки расстояния до места повреждения. 3.1 Выбор числа звеньев цифровой модели линии ПТ
В [37] рассмотрен вопрос выбора числа ячеек модели линии ПТ. Данный вопрос можно решить при сопоставлении уравнений реальной линии и ее модели, представленной цепочечной схемой. Для реальной однородной линии справедливы следующие уравнения: U x=Ul ch(l-x)y + ilZsh(l-x)y di/7-rW , (3.1) ix = U, l . )r+ilch(l-x)f где Z - волновое сопротивление, - коэффициент распространения волны. Если обозначить погонные параметры линии через Д0, U, С0, то: Z = р + jh y = J(i + ja)LQ)j(oCQ (3.2) V Со При моделировании реальной линии длиной / цепочечной схемой, состоящей из т звеньев, длина /З каждого звена определяется как: 13=— (3.3) т Для модели однородной линии, представленной цепочечной схемой со звеньями в виде симметричных четырехполюсников, справедливы уравнения: U k=Umch(m-k)g + imZcsh(m-k)g sh(m-k)g ., 7Ч , (3.4) I k = Um — }— + Imch(m-k)g где Zc - характеристическое сопротивление, g - мера передачи звена. Сопоставление уравнений (3.2) и (3.3) показывает, что неточность моделирования реальной линии ПТ связана с отклонением значений Zc и mg от Z и If соответственно. При этом отличие Zc от Z зависит от частоты со гармоники исследуемого процесса и от эквивалентной длины /З одного звена цепочечной модели линии. По мере уменьшения /З (или, что то же самое, по мере увеличения числа звеньев т цепочечной модели линии) отклонение Zc от Z для определенной гармоники снижается.
Как показано в [38], эквивалентная длина /З одного звена цепочечной модели линии определяется из выражения: 13 —JSS= JSS, (3.5) где v = . - скорость распространения электромагнитных волн в линии; сот=2ж/т - максимальная круговая частота гармоники рассматриваемого процесса; 3 - относительная погрешность характеристического сопротивления. В случае исследуемой кабельно-воздушной линии ПТ количество звеньев т цепочечной схемы каждого из двух однородных участков оценивалось при условии, что для наибольшей частоты рассматриваемого процесса в линии погрешность характеристического сопротивления модели линии составляет 10% ((5=0,1).
При таком допущении моделирование кабельного участка цепочечной схемой, состоящей из 41 звена (длина одного звена /З КЛ=1 км), позволит отразить переходный процесс к.з. на линии с частотой до/га=17000 Гц. Достаточно точная имитация переходных процессов той же максимальной частоты fm= 17000 Гц в воздушном участке линии достигается путем моделирования его цепочечной схемой, состоящей из 27 звеньев; длина каждого звена /З ВЛ модели воздушного участка линии составит в этом случае 2,48 км.
На рисунке 3.1 приведена кривая 1 напряжения кабельной линии длиной 41 км, состоящей из 41 звена, при подключении постоянной ЭДС, равной -300 кВ. Кривая 1 получена аналитически по методике [38] определения напряжения на конце разомкнутой искусственной линии: 2 2 + 1 л . n-(2s + l)
Из качественного сравнения кривой 1, полученной аналитическим путем, с кривой 2 напряжения, получаемого на модели линии по цепочечной схеме, состоящей из 41 звена (длина одного звена lЗ КЛ=1 км), в программном комплексе ЕМТР расчета электромагнитных переходных процессов, видно, что они удовлетворительно совпадают.
Частотная составляющая с максимальной амплитудой в напряжении (кривая 2 на рисунке 3.1), зафиксированном на конце линии ПТ в модели ЕМТР, и в кривой 1, полученной аналитически по (3.6), соответствует 667 Гц. Рисунок 3.1 - Изменение напряжения в конце кабельной линии: 1 – кривая напряжения кабельной линии, полученная аналитически по (3.6), 2 - кривая напряжения модели кабельной линии, полученная в ЕМТР 3.2 Определение параметров звена цифровой модели кабельного участка линии ПТ
В [39] предлагается методика определения частотно-зависимых продольных параметров (собственных и взаимных индуктивностей и активных сопротивлений) коаксиального кабеля. Рассматриваемая методика учитывает распространение электромагнитного поля в проводящих средах (жилы и оболочки кабеля, а также земли) и основана на базе модели Ведепола [40]. Кабельная линия при этом представляется однородной вдоль своей оси и состоящей из металлических проводников, оси которых параллельны друг другу и поверхности земли. В земле не учитывается распространение электрического поля в радиальном направлении.
Погонные продольные параметры коаксиального одножильного кабеля, изображенного на рисунке 3.2, представляются сопротивлениями, выражения для которых приведены в [41].
Определение погонных параметров кабеля по приведенным в [41] формулам требует разработки специальных программ. Расчет погонных параметров биполярной кабельной линии постоянного тока, имеющей два одинаковых одножильных кабеля в металлической, свинцовой или алюминиевой оболочке, с учетом экранирующего действия металлических оболочек выполнен в [37, 42]. Для расчета параметров кабельного участка рассматриваемой кабельно-воздушной линии постоянного тока между ЛАЭС-2 и ПС Выборгская ниже использовались результаты работы [37, 42] с учетом соответствующих допущений: не учитывалось влияние стальной брони кабеля, пренебрегалось малым переходным сопротивлением кабельных оболочек на землю.
Схема замещения кабельного участка линии постоянного тока получена для биполярной четырехпроводной линии с полюсами одинакового исполнения. Конструкция обратного кабеля, предназначенного для возврата тока, в общем случае может отличаться от конструкции полюсного кабеля. Исследуемая в диссертации линия является биполярной кабельной линией с двумя обратными кабелями для возврата тока; схема расположения проводов приведена на рисунке 3.3. Полюсы линии выполнены одножильными кабелями с комбинированной бумажно-пропиленовой изоляцией и алюминиевой оболочкой, обратные (нейтральные) кабели также выполнены одножильными, с изоляцией из сшитого полиэтилена и алюминиевой оболочкой.
Проверка работоспособности разработанного алгоритма ОМКЗ на цифровой модели воздушной линии переменного тока
На сегодняшний день для решения задачи нахождения расстояния до места замыкания на ЛЭП в большинстве алгоритмов ОМКЗ информативными являются данные о составляющих основной частоты аварийных сигналов, получаемых с измерительных приборов, расположенных по концам ВЛ. Однако, большинство широко применяемых в настоящее время типов дистанционных устройств определения места замыкания на базе импедансного подхода из-за погрешностей могут указать только возможную зону обхода поврежденной линии электропередачи. На точность результата ОМКЗ в линии, как было отмечено в Главе 1, оказывают неблагоприятное влияние различные факторы, в том числе, наличие шунтовых реакторов или конденсаторных батарей, неопределённость сопротивления нулевой последовательности, которое зависит от сопротивления земли, и пр. При решении задачи одностороннего ОМКЗ (т.е. определении расстояния lX до места к.з. по фиксированным токам и напряжениям с одного конца ВЛ), как отмечалось в Главе 1, неизбежно возникает ошибка из-за неизвестной величины переходного сопротивления RП в месте к.з., а также неизвестного тока к.з. противоположной подстанции (ПС). При этом величиной переходного сопротивления может оказаться не только наиболее вероятное сопротивление заземления опоры ВЛ (случай перекрытия на опору), но и сопротивление цепи тока к.з., при перекрытии на деревья вдоль трассы ВЛ. Если величина сопротивления заземления опоры ВЛ, как известно, нормируется ПУЭ (в пределах 10–30 Ом), то сопротивление дерева - величина неопределенная и может в принципе оказаться выше этих значений. Одним из путей, повышающих достоверность ОМКЗ в высоковольтных линиях электропередачи представляется детальный анализ частотных составляющих аварийных сигналов по концам ВЛ. В качестве информативного сигнала, содержащего информацию о месте повреждения, предлагается рассматривать кривую аварийного напряжения и анализировать ее спектральную характеристику.
В качестве одного из способов повышения достоверности определения места к.з. на ЛЭП переменного тока предлагается рассмотреть уточнение с помощью спектрального подхода результатов, полученных известным импедансным методом. Данный подход не требует дополнительных значительных вложений в аппаратную часть системы, а также соответствует «Методическим указаниям по ОМП ВЛ 110 кВ и выше с помощью фиксирующих приборов» [49].
На рисунке 4.1 приведена кривая аварийного напряжения поврежденной фазы при однофазном коротком замыкании линии электропередачи, а также временная диаграмма действия РЗ в этом случае. В кривой аварийного напряжения можно выделить три характерных интервала. Первый интервал (на рисунке 4.1 до момента времени t1=0,1 с) существует в рабочих режимах ВЛ.
Второй интервал – аварийный режим в ВЛ - начинается сразу после возникновения к.з. в момент времени t1=0,1 с и характеризуется снижением амплитуды напряжения в поврежденной фазе. На данном интервале процесса после возникновения к.з. определяются амплитуды и фазы основной гармоники всех токов и напряжений для последующей оценки расстояния до места повреждения на линии известным импедансным методом. Через 15 мс после возникновения аварийного процесса в момент времени t2=0,115 с происходит пуск средств релейной защиты, которая вступает в действие в момент времени t3=0,165 с по истечении задержки на срабатывание (50 мс).
Третий интервал на кривой аварийного напряжения начинается в момент t4=0,215 с и характеризуется разрядом отключенной линии через переходное сопротивление в месте к.з. Часть кривой напряжения поврежденной фазы, фиксируемая с этого момента времени t4=0,215, является информативной для алгоритма ОМКЗ на базе спектрального подхода.
Интервал времени t= t4 - t3 = 0,215-0,165=0,05 c включает в себя суммарное собственное время действия промежуточных реле в схеме управления выключателем и собственное время отключения выключателей. Запись данных об аварийном процессе с продолжается в течение 3-4 периодов промышленной частоты с момента t4=0,215, после чего в контроллере устройства ОМКЗ происходит обработка записанных данных и расчет расстояния до места к.з. совместно импедансным и спектральным методом
Для получения собственной частоты, соответствующей колебательному процессу разряда линии через место повреждения, необходимо выполнить преобразование Фурье исходного сигнала – информативной части кривой напряжения поврежденной фазы линии, зафиксированной в течение 3-4 периодов промышленной частоты с момента отключения линейных выключателей. Точное определение доминирующей частоты в спектральной характеристике напряжения поврежденной фазы позволит максимально достоверно рассчитать расстояние до места замыкания на ВЛ.