Методика дистанционного определения места повреждения при однофазных коротких замыканиях на линиях электропередачи системы электроснабжения промышленного предприятия

Отыскание места повреждения на воздушных линиях (ВЛ) 110–220 кВ систем электроснабжения крупных предприятий при однофазных коротких замыканиях (КЗ) занимает длительное время в связи со значительной погрешностью методик расчета в случае коротких линий. Это обусловливает значительное время поиска на местности. Точное дистанционное определение возможно при установке по концам линий регистраторов аварийных событий, что сопровождается существенными затратами. Сокращение времени отыскания возможно за счет совершенствования методик ОМП.

Распространенным подходом при расчете режимов КЗ является задание линий электропередачи только справочными электрическими параметрами, однако не учитывается взаимоиндукция между проводниками многоцепных линий, а также собственные и взаимные емкости проводов ЛЭП с учетом ее действительных геометрических характеристик. Таким образом, необходимо задавать в расчет линии уточненной схемой замещения, подробно рассмотренной в [1].

Кроме того, для промышленных сетей характерна высокая концентрация нагрузок и на 110 кВ большинство линий выполнены проводом сечения, предусмотренного для 220 кВ; справочная информация для таких линий отсутствует.

Сказанное делает актуальной разработку усовершенствованной методики ОМП при однофазных КЗ на воздушных линиях электропередачи 110–220 кВ на основе уточненного определения их удельных электрических параметров.

Обзор публикаций, посвященных методам определения мест повреждения в электрических сетях

Методы ОМП подразделяются на высокочастотные и низкочастотные; дистанционные и топографические. К высокочастотным относятся определение места однофазного замыкания в сетях 6– 35 кВ при помощи искусственных нейронных сетей [2], метод стоячих волн [3], регистрация ВЧ-излучения [4]. В сетях 10 кВ часто применяется приборное ОМП [4], но на большинство таких приборов влияют поля при параллельном сближении: требуется обход контрольных точек; нельзя выявить дефекты на начальной стадии.

Из низкочастотных дистанционных методов большое распространение получили методы, основанные на измерении параметров аварийного режима (ПАР) для сетей с заземленной нейтралью (односторонние [5] и двусторонние). При КЗ на ВЛ фиксирующие приборы запоминают ПАР на ее концах, в частности, ФПТ и ФПН [4] фиксируют режим обратной последовательности.

Часть работ посвящена проблемам дистанционной диагностики. Так, в [6] предлагается применение сетей Петри для самоорганизующихся алгоритмов.

Ряд статей посвящен программно-аппаратным комплексам ОМП и их совершенствованию. В [7] предлагается использование методов, адаптивных к параметрам линии, учитывающих имитационное моделирование и устройство реального отключения ВЛ для корректировки ошибки. В [8] описывается устройство «Бреслер-0107.090» для линий с одно- и двусторонним питанием на основе модельного дистанционного ОМП. Отмечается, что модель, использующая односторонний замер, неадекватна, так как недостающие данные берутся из известных режимов.

В «Методических указаниях по определению мест повреждений ВЛ напряжением 110 кВ и выше» приводятся рекомендуемые методы ОМП для распространенных ВЛ – одноцепных, двухцепных с ответвлениями и без них, транзитных с ответвлением по схеме захода, с электромагнитной связью на части трассы и длинных линий. Здесь же методы ОМП ВЛ 110 кВ и выше подразделяются на методы, основанные на фиксации ПАР, и методы, основанные на измерении временных интервалов при распространении электромагнитных волн по ВЛ. Методы первой группы делятся на ОМП при помощи расчетных формул на основе измерений устройствами ОМП, РЗА и т. д., а также программные способы на основе алгоритмической модели ВЛ или схемы замещения сети.

Односторонние методы ОМП по ПАР получили меньшее распространение по сравнению с двусторонними. Они позволяют непосредственно измерять расстояние до места КЗ, однако обладают большей погрешностью. Источники погрешности исследованы в [9]; к ним отнесены активное сопротивление дуги, комплексное сопротивление нагрузки, сопротивление контура нулевой последовательности. Модель дуги для целей идентификации повреждений разработана в [10].

Алгоритм ОМП в разомкнутых сетях, использующий угол между векторами токов прямой и обратной последовательностей, приведен в [11], однако он ориентирован на сети 6–35 кВ. Алгоритм выявления дуговых замыканий на линии с большим количеством отпаек рассмотрен в [12], вопросам одностороннего ОМП на таких линиях посвящена работа [13]. Алгоритм выявления повреждений в сети с распределенной генерацией и последующего восстановления нормальной работы рассмотрен в [14]. Оптимизации размещения устройств ОМП в электрической сети, действующих на основе генетического алгоритма Чу-Бэсли, посвящена статья [15]. Алгоритм идентификации вида повреждений на основе нечеткой логики с использованием дискретного вейвлет-преобразова-ния разработан авторами [16]. В статье [17] разра- ботан метод обнаружения высокоимпедансных повреждений на основе s-преобразования. Для целей непрерывного мониторинга в [18] разработан метод QS-SVM, предназначенный для обнаружения и классификации неисправностей в масштабных энергосистемах. Задача выявления повреждений как составляющая комплексного моделирования интеллектуальной энергосистемы рассмотрена в [19], где для ее решения предложен гибридный подход на основе сетей Петри.

В [20] предлагается повысить точность учетом мгновенных токов и напряжений, что применимо только для междуфазных КЗ. Влияние проводимости изоляции на ОМП на ВЛ с отпайкой исследовано в [21], но методика позволяет выявить только протяженный поврежденный участок и его расположение по отношению к отпайке. Подход, основанный на эквивалентировании многополюсников, излагается в [22], его достоинством является возможность совмещения несинхронизи-рованных данных; применение метода фазных координат рассмотрено в [23].

В [24] проводится анализ погрешностей ОМП, обусловленных первичными преобразователями. Предлагается корректировать форму вторичного тока ТТ при насыщении магнитопровода с использованием фактического спектра тока.

Таким образом, методы ОМП ориентированы либо на сети с изолированной нейтралью, либо на сети высокого и сверхвысокого напряжения энергосистем. При этом недостаточно внимания уделено ОМП в сетях 110 кВ систем промышленного электроснабжения, характеризующихся преобладанием коротких линий. Для них существующие методы дают значительную погрешность (до половины линии). В связи с этим актуальной является разработка усовершенствованного метода ОМП, применимого для промышленных сетей.

Наиболее удобным и просто реализуемым является метод ОМП, основанный на определении ПАР, который и положен в основу данной работы.

Алгоритм расчета режима однофазного КЗ на линии электропередачи

Для дистанционного определения места повреждения по параметрам аварийного режима необходимо сравнить фактические значения тока однофазного КЗ с расчетным, причем моделировать КЗ для выполнения расчета необходимо не только на шинах подстанции с питающего или приемного конца линии, но и на самой линии. Как правило, при расчетах параметров режима с целью дистанционного ОМП точками КЗ являются опоры линии электропередачи.

В настоящей работе для реализации подобных расчетов предлагается алгоритм расчета режима КЗ на линии, позволяющий моделировать точку КЗ на любой опоре ЛЭП:

Начало ЛЭП (длина /,)

Конец ЛЭП (длина /2)

■о

б)

Рис. 1. Расчетная схема (а) и схема замещения (б) ЛЭП с однофазным КЗ в произвольной точке

• 1.    Для расчета указанного режима на линии электропередачи устанавливается точка КЗ. Расчетная схема и схема замещения поврежденного участка сети будет иметь вид, показанный на рис. 1.

• 2.    Начальным этапом является расчет параметров установившегося режима, который выполняется методом последовательного эквиваленти-рования. По его результатам определяется напряжение в точке короткого замыкания U U .

• 3.    Расчет режима однофазного КЗ выполняется методом симметричных составляющих. В соответствии с данным методом расчет параметров аварийного режима выполняется отдельно для схем замещения прямой, обратной и нулевой последовательностей. При этом в каждую схему замещения в точке КЗ вводится своя ЭДС:

к.исх к.исх

2 •

Е_к 1= - U _KH сх,                              (1)

к.1     3 к.исх

•

•

E к.2 = E к.0 =

- ^- и

3 к.исх .

В схеме замещения прямой последовательности кроме E _к.1 действуют еще и ЭДС источников питания, а в схемах замещения обратной и нулевой последовательности действуют только ЭДС в точке КЗ.

4. Удельные продольные сопротивления и ем-

костные проводимости участков линии определяются в соответствии с выражениями, приведенными в [1], с учетом конфигурации опор линии, а затем вычисляются сопротивления участков ЛЭП:

Z 01 = Z 02 = 0,5 ■ z 0 ■ 1 - , Z 0 , = Z 0, = 0,5 ■ z 0 ■ 1 2 ,

1 0 17 = jb 0 ■ 1 1 , Y C = jb 0 ■ 1 2 ,

где z ₀ – удельное продольное сопротивление; b ₀ – удельная емкостная проводимость.

Результатом расчета являются напряжения во всех узлах и токи во всех ветвях схемы, а также ток в точке КЗ.

Методика определения места повреждения

Разработанные в [1] математические модели линий электропередачи и алгоритм расчета режима короткого замыкания на ЛЭП, изложенный в данной работе, реализованы в программном модуле КАТРАН-ОМП. Данный программный продукт позволяет выполнить расчеты для составления таблиц ОМП, которые впоследствии используются для дистанционного определения места возникновения однофазного КЗ на ЛЭП. При составлении таблиц ОМП предлагается использовать методику, приведенную на рис. 2.

При определении места возникновения однофазного короткого замыкания на линии необходимо:

• 1)    определить ток в поврежденной фазе по осциллограмме, зафиксированной в момент пуска защиты на питающем конце линии с односторонним питанием или с обоих концов на линиях с двухсторонним питанием;

• 2)    найти в таблице ОМП для соответствующей линии ближайшее значение тока в поврежденной фазе;

• 3)    определить по таблице ОМП, какой опоре соответствует данное значение тока однофазного короткого замыкания;

• 4)    выполнить осмотр линии электропередачи на участке ±700 м от расчетного места повреждения.

Рис. 2. Методика составления таблиц ОМП

Оценка погрешности разработанной методики

Для оценки погрешности разработанной методики выполним сопоставление для имевших место в системе электроснабжения крупного промышленного предприятия аварийных режимов токов короткого замыкания с токами КЗ, полученными по осциллограммам аварийных событий.

Применительно к сетям 220 кВ рассмотрим режим, имевший место при повреждении двухцепной воздушно-кабельной тупиковой линии «ПС Узловая-3 – ПС-56». В данном случае в весенний период произошло однофазное КЗ в фазе А на опоре № 6 цепи I; действующее значение тока КЗ, зафиксированное терминалом релейной защиты, при этом составило 14,234 кА. Опоре № 6 соответствует фазный ток в начале линии, равный 14,22 кА. Таким образом, погрешность в определении пролета ВЛ в данном случае отсутствует.

Особенностью сетей 110 кВ объекта является малый объем архивных данных по аварийным режимам, следовательно, возможен лишь частичный ретроспективный анализ параметров аварийных режимов.

Рассмотрим однофазное КЗ в фазе В на тупиковой линии «ПС Горная-1 – ПС Горная-3», произошедшее в осенний период. Согласно данным участка воздушных линий, повреждение имело место на опоре № 7. Подпитка точки КЗ при этом наблюдается со стороны электростанции и со стороны ПС Узловая-2; других источников нет в связи с отсутствием в схеме РУ-110 кВ шиносоединительных выключателей. При этом на электростанции, РУ-110 кВ, зафиксирован пуск защиты при фазном токе, равном 7,6 кА; со стороны ПС Узло-вая-2 имел место пуск защиты при фазном токе 1,96 кА, что дает ток в начале поврежденной линии 9,56 кА. Погрешность при определении места повреждения в этом случае составляет 784 м, что является приемлемым результатом в сравнении со значениями, получаемыми по методике расчетного ОМП, применяемой в подразделениях ряда сетевых компаний.