Совершенствование методов и средств определения места повреждения на линиях электропередачи для организации аварийно-восстановительных работ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.02, кандидат наук Ермаков Константин Игоревич

• Ермаков Константин Игоревич
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Ермаков Константин Игоревич

Введение

1 Анализ методов и технических средств определения места повреждения

1.1 Регламентируемые повреждения линий электропередачи

1.2 Параметрические методы определения места повреждения

1.2.1 Модельный параметрический метод

1.2.2 Формульный параметрический метод

1.3 Волновые методы определения места повреждения

1.4 Автоматизация определения места повреждения

1.5 Выводы по первому разделу

2 Совершенствование средств определения места повреждения для организации аварийно-восстановительных работ

2.1 Требования к определению места повреждения для организации аварийно-восстановительных работ

2.1.1 Входные сигналы средств определения места повреждения

2.1.2 Требование к подключению ко вторичным цепям измерений

2.1.3 Требования к аналоговым входам устройства определения места повреждения

2.1.4 Требование к синхронизации устройств определения места повреждения

2.2 Особенности определения места повреждения для линий электропередачи 110-750 кВ

2.3 Определение места повреждения для сетей с изолированной нейтралью

2.4 Исследование и реализация методов определения времени достижения электромагнитной волны регистрирующего устройства

2.5 Определение места повреждения на воздушно-кабельных линиях

2.6 Повышение точности определения места повреждения с использованием результатов ранее прошедших повреждений линии электропередачи

2.7 Одностороннее волновое определение места повреждения

2.8 Волновое определение места повреждения в сетях с многосторонним питанием

2.9 Исследование определения места повреждения на моделях линий электропередачи

2.9.1 Моделирование линий электропередачи в среде Simulink

2.9.2 Моделирование линий электропередачи в среде PSCAD

2.10 Выводы по второму разделу

3 Разработка и исследование опытных образцов определения места повреждения

3.1 Требования к оборудованию определения места повреждения

3.2 Схемы подключения устройств определения места повреждения

3.3 Программный комплекс определения места повреждения

3.4 Испытания в лабораторных условиях

3.5 Испытания и опыт эксплуатации в действующих электрических сетях

3.6 Организация аварийно-восстановительных работ по данным определения места повреждения

3.7 Выводы по третьему разделу

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

ПРИЛОЖЕНИЕ А Патент на изобретение 2724352 РФ

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Программный код реализации фильтра Баттерворда на С#

ПРИЛОЖЕНИЕ В Низкочастотные и высокочастотные осциллограммы переходных процессов

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Программный код приложения расчета скорости волны по первичным параметрам линии электропередачи на C++

ПРИЛОЖЕНИЕ Д Акты приемки оборудования определения места повреждения

ПРИЛОЖЕНИЕ Е Протокол проведения натурных испытаний

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж Выписка из протокола научно-технического совета ПАО «Россети Ленэнерго»

ПРИЛОЖЕНИЕ З Материалы о внедрении

ПРИЛОЖЕНИЕ И Диплом конкурса ТЭК

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность и степень разработанности темы

Электроснабжение сегодня во многом определяет жизнедеятельность большинства отраслей производства и общества в целом. Но, какими бы высокосовершенными не были линии электропередачи (ЛЭП), в них неизбежно происходят повреждения. Важно, не только с наименьшим временем задержки отключить поврежденную ЛЭП средствами релейной защиты, но и с минимально возможными затратами времени и ресурсов устранить повреждение, выполнив аварийно-восстановительные работы.

Важную роль в организации аварийно-восстановительных работ играет быстрое и точное определение места повреждения (ОМП).

В этой связи, совершенствование методов и технических средств ОМП для организации аварийно-восстановительных работ представляет собой актуальную научно-техническую задачу, решение которой позволяет существенно повысить надежность электроснабжения.

Широко применяются параметрические алгоритмы ОМП, в которых используются зарегистрированные во время аварии токи и напряжения. Они позволяют достаточно точно определять расстояние до места повреждения при коротких замыканиях, сопровождающихся относительно большими токами на линиях с заземленной нейтралью 110-750 кВ. На ЛЭП 6-35 кВ с изолированной нейтралью большинство повреждений начинается или сопровождается однофазными замыканиями на землю (ОЗЗ). Определить место ОЗЗ на линиях 635 кВ, при небольших токах ОЗЗ и нестационарных видах повреждений, с помощью параметрических алгоритмов ОМП, практически невозможно.

Развитие аппаратных средств высокоскоростной регистрации сигналов и применение спутниковых систем глобальной синхронизации позволило применить для решения задач ОМП волновые алгоритмы, основанные на измерении времени распространения электромагнитных волн в ЛЭП.

Волновые ОМП (ВОМП) имеют более широкую область применения относительно параметрических ОМП, поскольку могут применяться на

высоковольтных ЛЭП любого класса напряжения при всех регламентированных видах повреждений. Преимуществом также является гораздо меньшая зависимость ошибки ОМП от режима работы электрической сети, переходного сопротивления и описания параметров ЛЭП, по сравнению с методами, основанными на параметрах аварийных режимов (ПАР).

Однако, практическая реализация волновых методов ОМП применительно к линиям 6-35 кВ требует решения комплекса задач научно-технического характера.

Во-первых, повреждение в виде ОЗЗ на линиях 6-35 кВ создает слабое возмущение, и распространяющуюся при этом волну трудно выявить традиционными средствами из-за малой мощности сигнала. В связи с этим необходимо совершенствовать существующие и разрабатывать новые датчики волны.

Во-вторых, точность волновых методов зависит от достоверного описания двух важнейших параметров - длины ЛЭП и скорости распространения волны. Волновая длина линии отличается от паспортной и изменяется в зависимости от температуры окружающей среды и других условий. Скорость волны в ЛЭП зависит от электрических параметров ЛЭП, причем, она может быть лишь условно постоянной на отдельных участках. Усреднение скорости волны на линии в целом может привести к ошибке ОМП в несколько десятков километров. В этих условиях необходимо разработать новые алгоритмы ВОМП, учитывающие влияние всех существенных факторов на точность ОМП.

В-третьих, устройства ВОМП устанавливают на двух концах ЛЭП. При этом, если линия имеет ответвления, содержащие источники питания, то достоверный расчет места повреждения возможен только на тех участках, на концах которых имеются контролирующие волну устройства. Применительно к этим линиям необходимо создавать новые алгоритмы ВОМП многоконцевых ЛЭП.

В-четвертых, с целью сокращения времени и ресурсов для организации аварийно-восстановительных работ, необходима автоматизация процесса ОМП. Известны способы ОМП, которые предполагают ручной выбор моментов начала

фронта волны при различных формах сигнала. Для автоматизации этого процесса требуется разработка новых алгоритмов, основанных на анализе формы сигнала волны.

В-пятых, необходимы всесторонние исследования разработанных алгоритмов, оценки их предельных функциональных возможностей, подтверждения правомерности принятых при разработке допущений и упрощений, а также - эффективности при выполнении аварийно-восстановительных работ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование методов и средств определения места повреждения на линиях электропередачи для организации аварийно-восстановительных работ»

Цель работы

Совершенствование методов и средств ОМП по точности и надежности для повышения эффективности организации аварийно-восстановительных работ воздушных и воздушно-кабельных ЛЭП 6-750 кВ при всех видах регламентируемых повреждений.

Основные задачи исследования:

Основной задачей диссертационной работы является снижение времени и материальных ресурсов при выполнении аварийно-восстановительных работ ЛЭП с помощью совершенствования методов и технических средств ОМП. Для достижения поставленной цели в работе сформулированы следующие задачи:

1. Создание нового программно-аппаратного комплекса, позволяющего сократить время и материальные ресурсы для организации аварийно-восстановительных работ;

2. Определение предельных методических возможностей волновых и параметрических методов, исследование особенностей волнового и параметрического метода ОМП для ЛЭП разных классов напряжений, совершенствование существующих методов ОМП;

3. Повышение точности волнового ОМП с помощью учета скорости распространения волны на неоднородных участках ЛЭП;

4. Разработка и исследование алгоритма волнового ОМП на ЛЭП с несколькими источниками питания и ответвлениями;

5. Изготовление и исследование опытных образцов волнового ОМП в лабораторных условиях и на математических моделях.

6. Разработка устройств ОМП при всех регламентированных повреждениях для ЛЭП 6-35 кВ.

Объект исследования - воздушные и воздушно-кабельные ЛЭП 6-35 кВ с изолированной нейтралью, 110-750 кВ с заземленной нейтралью при всех регламентируемых повреждениях.

Предмет исследования - методы и технические средства ОМП воздушных и воздушно-кабельных ЛЭП 6-750 при всех видах регламентируемых повреждениях.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методы выполнения ОМП ЛЭП 6-750 кВ при всех регламентируемых повреждениях, обеспечивающие более точное и быстрое определение места повреждения.

2. Метод волнового ОМП ЛЭП 6-35 кВ при ОЗЗ;

3. Способ цифровой обработки сигнала для автоматизированного определения времени достижения волны регистрирующего прибора.

4. Способ учета реальной скорости волны на ЛЭП с неоднородными участками.

5. Новый алгоритм волнового ОМП на многоконцевых ЛЭП.

6. Метод повышения точности ОМП с использованием результатов реальных аварийных событий с известными координатами повреждений.

Научная новизна работы:

1. Создан новый программно-аппаратный комплекс ОМП с улучшенными характеристиками точности и надежности, позволяющий сократить время и материальные ресурсы для выполнения аварийно-восстановительных работ ЛЭП 6-750 кВ.

2. Предложен и исследован способ цифровой обработки сигналов, позволяющий определить время достижения фронта волны в автоматическом режиме, отличающийся повышенной точностью за счет высокочастотной фильтрации сигнала и алгоритма уточнения метки времени начала переходного процесса.

3. Разработан и апробирован новый метод учета скорости волны на неоднородных участках ЛЭП, основанный на сравнении измеренной разности времени прихода фронтов электромагнитных волн к концам ЛЭП с расчетными значениями, выполненными на модели.

4. Разработан способ волнового ОМП на ЛЭП с тремя и более источниками питания и на линиях с ответвлениями, отличающийся от известных тем, что позволяет идентифицировать поврежденный участок ЛЭП и применить двухсторонний волновой расчет с оптимальными данными.

5. Предложен метод повышения точности волнового ОМП, отличающийся тем, что ошибка расчета компенсируется за счет корректировки эпюры расчетной разницы времени прихода фронтов волн к концам ЛЭП в известных точках повреждений.

Теоретическая значимость работы:

1. Способ определения начала переходного процесса исследован на реальных аварийных осциллограммах промышленных устройств волнового ОМП ЛЭП разных классов напряжений. Анализ показал, что разработанный метод позволяет с высокой точностью определить время прихода волны. Результаты исследований положены в основу цифровой обработки сигнала при автоматическом двухстороннем волновом расчете серийными устройствами ОМП ООО «НПП Бреслер».

2. Предложенный алгоритм ОМП с многосторонней регистрацией волны реализован в программном обеспечении, позволяющем производить расчет места повреждения волновым методом на линиях с несколькими источниками питания и ответвлениями.

3. Результаты теоретических работ использованы в ООО «НПП Бреслер» при выполнении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, а также в учебном процессе в Институте повышения квалификации специалистов релейной защиты и автоматики (г. Чебоксары), Центре подготовки кадров энергетики (г. Санкт-Петербург), Чувашском государственном университете им. И.Н. Ульянова (г. Чебоксары).

Практическая значимость работы:

1. Создан новый комплекс ОМП ЛЭП 6-35 кВ при всех видах повреждений. Проведены лабораторные испытания Комплекса, подтверждающие теоретические исследования и результаты математического моделирования.

2. Опытные образцы Комплекса ОМП ЛЭП 6-35 кВ установлены в опытно-промышленную эксплуатацию на действующих электроэнергетических объектах ПАО «Россети Ленэнерго». Проведены натурные испытания. Анализ эксплуатации в реальных условиях показал, что разработанные и внедренные технические средства ОМП значительно снижают время организации аварийно-восстановительных работ и затраты на реализацию этих работ при коротких замыканиях, в связи с этим, снижают ущерб от перерывов электроснабжения. Впервые появилась возможность дистанционного определения места ОЗЗ в автоматическом режиме в условиях сохранения работы ЛЭП под рабочим напряжением.

3. Результаты диссертационной работы использованы для совершенствования серийных образцов ОМП производства ООО «НПП Бреслер». Новый метод учета скорости волны на неоднородных участках существенно увеличил точность волнового ОМП на воздушно-кабельных линиях. Выделение неоднородных участков в виде математической модели позволило производить ее корректировку по результатам событий с достоверно найденными местами повреждений и тем самым увеличить точность ОМП в процессе эксплуатации.

Методология и методы исследований базируются на фундаментальных положениях общей теории электрических цепей, теоретических основ электротехники, теории цифровой обработки сигналов, методах имитационного и алгоритмического моделирования.

Достоверность и обоснованность результатов обеспечиваются за счет корректного применения общей теории электрических цепей, теоретических основ электротехники, принципов построения релейной защиты, теории цифровой обработки сигналов и подтверждаются результатами математического моделирования, натурными испытаниями и успешной апробацией образцов

комплекса ОМП в условиях опытно-промышленной эксплуатации на действующих электроэнергетических объектах.

Апробация диссертационной работы

Результаты исследований докладывались на научно-практической конференции «Релейная защита и автоматизация энергосистем. Совершенствование эксплуатации и перспективы развития» (г. Москва, 2018), на заседании Научно-технического совета ПАО «Россети Ленэнерго» (г. Санкт-Петербург, 2020).

Публикации

Основные положения и результаты диссертации отражены в 16 печатных работах, в том числе 5 статей опубликованы в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации, получены 2 патента на изобретение.

Личный вклад соискателя

Автором лично выполнены все этапы работ - постановка целей и задач исследования, разработка методов и средств ОМП с улучшенными показателями точности и надежности, имитационное и алгоритмическое моделирование, проведение теоретических и экспериментальных исследований, анализ результатов натурных испытаний и опытно-промышленной эксплуатации.

При работе над диссертацией и практической реализации теоретических решений и рекомендаций автор пользовался консультациями главного конструктора ООО «НПП Бреслер», кандидата технических наук, доцента В.Н. Козлова.

Объем работы и ее структура. Работа состоит из введения, трех разделов, заключения, списка литературы из 111 наименований, 9 приложений, 113 рисунков, 20 таблиц. Общий объем работы - 209 страниц.

1 АНАЛИЗ МЕТОДОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ

В настоящее время для определения места повреждения высоковольтных ЛЭП часто применяются параметрические и волновые методы ОМП. Их точность зависит от разных факторов.

Параметрические методы основаны на задании первичных параметров ЛЭП. Главным критерием достоверной оценки расстояния до места повреждения является точное описание элементов математической модели, на основании которой производится расчет. Алгоритм использует зарегистрированные во время повреждения напряжения и токи, что обуславливает зависимость расчета от режима работы ЛЭП - класс напряжения, вид заземления нейтрали, режим прилегающей сети. При этом приемлемая эффективность достигается при повреждениях с большими значениями аварийного тока, поэтому методы по параметрам аварийного режима успешно применяются в сетях 110-750 кВ.

Уровень токов при повреждениях в сетях 6-35 кВ значительно ниже. Тем не менее, параметрические методы обладают достаточной чувствительностью при двухфазном и трехфазном коротком замыкании (КЗ). При однофазном замыкании на землю токи соизмеримы с нагрузочными, и ОМП в таких случаях возможно, практически, только волновым методом.

Учитывая более широкую область применения волновых алгоритмов относительно параметрических, а также использование минимума информации о ЛЭП, необходимо отметить отдельные критерии, которые влияют на ошибку ОМП. Погрешности расчета традиционными методами волнового двухстороннего ОМП обусловлены, в основном, отличием фактической (волновой) длины ЛЭП от паспортной и усреднением скорости волны для всей линии.

В общем, выбор алгоритма ОМП обусловлен объемом доступной информации о линии и регламентируемой точностью расчета.

1.1 Регламентируемые повреждения линий электропередачи

Важным показателем надежности распределительных сетей является время восстановления электроснабжения потребителей при повреждениях [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]. Воздушные линии (ВЛ) являются наиболее повреждаемыми элементами электроэнергетической системы. Совершенствование методов и средств ОМП определяет технико-экономический эффект за счет сокращения перерывов электроснабжения, предотвращения перехода неустойчивых повреждений в устойчивые, снижения потерь электроэнергии и транспортных расходов по осмотру трассы линий.

Действие релейной защиты (РЗ) направлено на отключение поврежденного участка сети с целью устранения токов замыкания. Исключением являются однофазные замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью, при которых разрешается работа ЛЭП для сохранения электроснабжения потребителей. Однако, работа в таком режиме неблагоприятно влияет на состояние сети и может привести к возникновению перемежающейся дуги в месте повреждения. Поэтому место ОЗЗ, как и остальных видов повреждений в высоковольтных сетях любого класса напряжения, должно быть найдено в максимально короткие сроки.

В таблице 1 показаны основные виды повреждений для ЛЭП с глухозаземленной, эффективно-заземленной и изолированной нейтралью в соответствии с ГОСТ 26522-85 [10].

Таблица 1 - Основные виды повреждений для ЛЭП с глухозаземленной, эффективно-заземленной и изолированной нейтралью в соответствии с ГОСТ 26522-85.

Схема Сети с глухозаземленной или эффективно-заземленной нейтралью Сети с незаземленной нейтралью

Термин, условное обозначение Определение Термин, условное обозначение Обозначение

Трехфазное короткое замыкание, К(3) Короткое замыкание между тремя фазами в трехфазной электроэнергетической системе Трехфазное короткое замыкание, К(3) Короткое замыкание между тремя фазами в трехфазной электроэнергетической системе

Продолжение таблицы 1

Трехфазное короткое замыкание на землю, К(1,1,1) Короткое замыкание на землю в трехфазной электроэнергетической системе с глухо или эффективно заземленными нейтралями силовых элементов, при котором с землей соединяются три фазы Трехфазное короткое замыкание с землей, К(3з) Трехфазное короткое замыкание в трехфазной электроэнергетической системе с незаземленными или резонансно-заземленными нейтралями силовых элементов, сопровождающееся контактированием точки короткого замыкания с землей

1 Двухфазное короткое замыкание, К(2) Короткое замыкание между двумя фазами в трехфазной электроэнергетической системе Двухфазное короткое замыкание, К(2) Короткое замыкание между двумя фазами в трехфазной электроэнергетической системе

Двухфазное короткое замыкание на землю, К(1'1) Короткое замыкание на землю в трехфазной электроэнергетической системе с глухо или эффективно заземленными нейтралями силовых элементов, при котором с землей соединяются две фазы Двухфазное короткое замыкание с землей, К(2з) Двухфазное короткое замыкание в трехфазной электроэнергетической системе с незаземленными или резонансно-заземленными нейтралями силовых элементов, сопровождающиеся контактированием точки короткого замыкания с землей

ж 4 Однофазное короткое замыкание, К(1) Короткое замыкание на землю в трехфазной электроэнергетической системе с глухо или эффективно заземленными нейтралями силовых элементов, при котором с землей соединяется только одна фаза Однофазное замыкание на землю, З(1) Замыкание на землю одной из фаз электроустановки в трехфазной системе с незаземленными или резонансно-заземленными нейтралями силовых элементов

1 -1 Двойное короткое замыкание на землю, К(1+1) Совокупность двух однофазных коротких замыканий на землю в различных, но электрически связанных частях электроустановки Двойное замыкание на землю, З(1+1) Совокупность двух однофазных замыканий на землю в различных, но электрически связанных частях электроустановки

Для ОМП существенное значение имеет распределение повреждений по конструкционным элементам и причинам возникновения повреждений. Двухфазные повреждения возникают, в основном, на транспозиционных опорах. Соотношение причин повреждений ЛЭП показано в таблице 2.

Таблица 2 - Причины повреждения ВЛ

Причины повреждения Количество случаев в %

Перекрытие с разрушением изоляторов 32

Погодные условия 20

Включение короткозамыкателей на ответвительных подстанциях 12

Ошибки персонала 5

Перекрытие с провода на тело опоры 3,8

Перекрытие с провода на проезжающие высокогабаритные механизмы 3,3

Обрыв грозозащитных тросов 3,1

Падение провода на землю 2,4

Наброс металлических предметов на провода ВЛ посторонними лицами 1,8

Перекрытия на расположенные на трассе деревья 1,6

Прочие причины 15

Итого 100

Наглядно соотношение причин повреждений ЛЭП [11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18] показано на диаграмме на рисунке 1.1.

В сетях разных классов напряжений регламентируются индивидуальные требования к организации аварийно-восстановительных работ, к которым относятся первичный и уточняющий расчет координаты повреждения, выезд линейной службы для осмотра и устранения причин повреждения ЛЭП, ремонт оборудования. Как показывает опыт, большая часть времени восстановления ЛЭП расходуется на ОМП [19].

Магистральные ЛЭП 500 и 750 кВ предназначены для передачи энергии на большие расстояния, и выполняют функцию связи энергосистем. В таких сетях применяют глухое заземление нейтрали. Любое повреждение сопровождается сверхтоками, приводящими к быстрому отключению линии за время не более

0,06-0,12 с [20]. Наиболее частыми повреждениями (до 95% случаев) являются однофазные КЗ, вызванные грозовыми перенапряжениями и повреждением изоляторов. Остальные причины повреждений маловероятны из-за высокого подвеса проводов относительно земли.

Рисунок 1.1 - Соотношение причин повреждений ЛЭП

Линии напряжением 220 и 330 кВ также относятся к магистральным, имеют глухозаземленную нейтраль и используются для передачи энергии от мощных электростанций, а также для связи энергосистем и объединения электростанций внутри энергосистем. На долю однофазных КЗ приходится до 88% от общего количества повреждений.

Распределительные сети 110 кВ предназначены для электроснабжения предприятий и населённых пунктов. Работа таких сетей может предусматриваться как с глухозаземленной, так и с эффективно заземлённой нейтралью.

В распределительных сетях 6-35 кВ преимущественно изолированный режим нейтрали. Низкий подвес проводов ВЛ приводит к риску повреждения ЛЭП вследствие падения деревьев или перекрытий на проезжающую технику с замыканием нескольких фаз. Использование кабельных линий (КЛ) способствует уменьшению доли однофазных замыканий.

На рисунке 1.2 рассмотрены соотношения разных видов повреждений на линиях разных классов напряжений [21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28]. Однофазные замыкания преобладают на высоковольтных ЛЭП всех классов напряжений.

Рисунок 1.2 - Соотношения разных видов повреждений ЛЭП

1.2 Параметрические методы определения места повреждения

Методы ОМП, использующие для расчета зарегистрированные во время повреждения векторы токов и напряжений, называются параметрическими. Широкое применение этих методов обусловлено относительно большими токами КЗ на линиях с глухозаземленной и эффективно-заземленной нейтралью 110-750 кВ при всех видах повреждений, и при двухфазных и трехфазных КЗ на ЛЭП с изолированной нейтралью 6-35 кВ.

Время обхода и ремонта ЛЭП зависят от погрешности ОМП, которая характерна для любого алгоритма. Погрешность методов по ПАР зависит от точности измерений аналоговых сигналов [29, 30, 31], методической погрешности и погрешности описания параметров ЛЭП [32, 33].

1.2.1 Модельный параметрический метод

Погрешность параметрических методов зависит от алгоритма, используемого для расчета координаты повреждения. Наиболее точным считается модельный метод, основанный на математическом описании ЛЭП, которое позволяет производить оценку аварийных величин в предполагаемой точке повреждения линии. Методическая погрешность модельных ОМП обусловлена следующими причинами [34]:

- непостоянство удельных сопротивлений линии;

- несимметрия сопротивлений ЛЭП;

- непостоянство эквивалентного сопротивления противоположной системы ЛЭП [35];

- отсутствие возможности описания элементов модели ЛЭП с нестандартной топографической схемой, например, ответвления на линии, к которым подключены отпаечные подстанции (ПС), взаимоиндукция линии на разных участках сближения и т.д.

На предприятии ООО «НПП Бреслер» разработан и успешно эксплуатируется модельный метод ОМП. Описание параметров ЛЭП выполняется в специально

разработанном программном комплексе (ПК) БРВЕёй (рисунок 1.3) в виде математической модели, достоверность которой определяет точность ОМП.

К ""«ал в р а

У часто« АС.-240/34

У часто« АС. 330/43

У ЧАСТО« АС О 100

Рисунок 1.3 - Общий вид ПК FPDEdit

Модель позволяет учесть одну или несколько цепей ЛЭП с раздельной работой по концам, с работой на общие шины (параллельные ВЛ), с одной отключенной цепью, с ответвлениями, со сближением на части трассы со следующими элементами однородности [36]:

- тип опор;

- марка провода;

- марка и режим заземления грозозащитного троса - сплошное заземление, по концам ЛЭП, через разрядники;

- ответвления, описываются линией ответвления и сопротивлением нагрузки, которая рассчитывается по току или напряжению нагрузки, соБф, а также на основании данных о трансформаторах (количество, тип, схема заземления обмоток);

- взаимоиндукция с параллельными ЛЭП, рассчитывается на основании расположения параллельной линии (начало, конец и ширина коридора

взаимоиндукции - до 500 м), а также ее параметров нулевой последовательности и сопротивления нагрузки.

На основании описания конструкции линии производится расчет удельных параметров прямой и нулевой последовательностей. Параметры схемы замещения прямой последовательности учитываются при любом виде повреждения, в большей степени при междуфазных и трехфазных КЗ. Расчет параметров зависит от марки провода и взаимного расположения проводов, то есть геометрии опоры [37, 38].

При замыканиях на землю необходимо также учитывать параметры нулевой последовательности, на которую оказывают влияние следующие элементы модели:

1. Грозозащитные тросы могут иметь три режима заземления. Наибольшее влияние на параметры нулевой последовательности оказывают грозозащитные тросы с глухим заземлением на каждой опоре. Сплошной и заземленный по концам линии трос можно рассматривать как параллельную ЛЭП со взаимоиндукцией. И заземление троса через разрядники не создают контура нулевой последовательности, поэтому действия не оказывают.

Выполнен анализ влияния разных элементов модели на точность ОМП (рисунок 1.4).

¡2 4

и о

X

Э

Ф 3 С1 3

Изменение типа опоры с П220-1 на ПВ220-5 Изменение типа провода с АС-240 на АС-300 Изменение типа заземления грозотросса Исходная модель

0,1 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 99,9

Координата повреждения, км

7

6

5

2

1

0

Рисунок 1.4 - Зависимость погрешности ОМП от координаты повреждения при недостоверном описании конструктивных параметров ЛЭП

Рассматривается ЛЭП длиной 100 км с одним участком однородности, состоящий из опор типа П220-1, провода марки АС-240. Параллельные линии и грозозащитные тросы отсутствуют. Модель ЛЭП создана в ПК БРВЕёй, после чего в этой же программе выполнены расчеты авариных осциллограмм при однофазном КЗ в разных точках ЛЭП с шагом 5 км.

В таблице 3 показаны результаты ОМП по имитируемым осциллограмм.

Таблица 3 - Погрешность ОМП в разных точках ЛЭП при недостоверном описании конструктивных параметров

Имитируем ая точка КЗ Исходная модель Изменение типа опоры с П220-1 на ПВ220-5 Изменение типа провода с АС-240 на АС-300 Изменение типа заземления грозозащитного троса

Результ ат, км Погрешн ость, км Результ ат, км Погрешн ость, км Результ ат, км Погрешн ость, км Результ ат, км Погрешн ость, км

0,1 0,1 0 0,1 0 0,1 0 0,1 0

5 5 0 5 0 5,1 0,1 5,2 0,2

10 10 0 10 0 10,1 0,1 10,5 0,5

15 15 0 15 0 15,2 0,2 15,7 0,7

20 20 0 20 0 20,2 0,2 21 1

25 25 0 25 0 25,3 0,3 26,2 1,2

30 30 0 30 0 30,4 0,4 31,5 1,5

35 35 0 35 0 35,4 0,4 36,7 1,7

40 40 0 40 0 40,5 0,5 42 2

45 45 0 45 0 45,6 0,5 47,2 2,2

50 50 0 50 0 50,6 0,6 52,5 2,5

55 55 0 54,9 0,1 55,7 0,7 57,7 2,7

60 60 0 59,9 0,1 60,8 0,8 63 3

65 65 0 64,9 0,1 65,8 0,8 68,2 3,2

70 70 0 69,9 0,1 70,9 0,9 73,5 3,5

75 75 0 74,8 0,2 75,9 0,9 78,7 3,7

80 80 0 79,8 0,2 81 1 84 4

85 85,1 0,1 84,7 0,3 86 1 89,3 4,3

90 90 0 89,6 0,4 91 1 94,6 4,6

95 95 0 94,5 0,5 96 1 99,9 4,9

99,9 99,9 0,1 99,2 0,8 100,9 0,9 106,8 6,8

В первом столбце - результаты ОМП по модели, по которой выполнен расчет осциллограмм. Во втором столбце - результаты ОМП по модели с измененным типом опор с П220-1 на ПВ220-5 (геометрия исходной и измененной опоры показана на рисунке 1.5).

Рисунок 1.5 - Геометрия исходной и измененной опор

В третьем столбце - результаты ОМП по модели с измененной маркой провода с АС-240 на АС-300 (параметры проводов показаны на рисунке 1.6).

Материал Стал еал гам ине вый Материал Сгалеалюмимевый

Удельное сопротивление, Ом/км 0.132 Удельное сопротивление, Ом/км 0.107

Рисунок 1.6 - Параметры исходного и измененного провода

В четвертом столбце - результаты ОМП по модели с добавленным заземленным грозозащитным тросом С-70.

2. Параллельные линии с заземленной нейтралью создают влияние на параметры нулевой последовательности [39]. Чтобы учесть эти влияния необходимо иметь данные о сопротивлении контура нулевой последовательности параллельной линии на участке сближения, длину этого участка и ширину коридора между основной и параллельной ЛЭП.

Расположение параллельной ЛЭП относительно основной можно определить по топографической схеме, и чаще всего это не создает сложности.

Контур нулевой последовательности параллельной линии состоит из сопротивления участка сближения параллельной ЛЭП парл. и ее сопротивления нагрузки нг1 + нг2 (рисунок 1.7).

Ко,нг1

1а,,

1а

о,пар.л

ка,а

7а,л

1а,С2

Уа,л1/2 Ъа,л1/2

Рисунок 1.7 - Схема замещения нулевой последовательности параллельной линии

Данные по последнему параметру в большинстве случаев отсутствуют в электросетевых предприятиях, и требуют дополнительного расчета с учетом текущего состояния сети, поэтому в модели не учитываются.

В таблице 4 показаны результаты влияния учета параллельной линии с разными сопротивлениями нагрузки нулевой последовательности на погрешность ОМП (рисунок 1.8).

Таблица 4 - Погрешность ОМП в разных точках ЛЭП при недостоверном описании сопротивления нагрузки параллельной линии

7

Имитируе мая точка КЗ Параллельная линия без учета нагрузки Параллельная линия с учетом нагрузки нулевой последовательности 10+j20 Ом Параллельная линия с учетом нагрузки нулевой последовательности 40+j100 Ом

Результат, км Погрешнос ть, км Результат, км Погрешность , км Результат, км Погрешность, км

0,1 0,1 0 0,1 0 0,1 0

5 4,9 0,1 4,9 0,1 5 0

10 9,8 0,2 9,9 0,1 9,9 0,1

15 14,8 0,2 14,2 14,8 4,9 0,1

20 19,8 0,2 19,8 0,2 19,9 0,1

25 24,7 0,3 24,8 0,2 24,9 0,1

30 29,7 0,3 29,8 0,2 29,8 0,2

Продолжение таблицы 4

35 34,7 0,3 34,8 0,2 34,9 0,1

40 39,8 0,2 39,8 0,2 39,9 0,1

45 44,9 0,1 44,9 0,1 44,9 0,1

50 50 0 50 0 50 0

55 55,2 0,2 55,2 0,2 55,1 0,1

60 60,4 0,4 60,4 0,4 60,2 0,2

65 65,8 0,8 65,7 0,7 65,4 0,4

70 71,3 1,3 71,1 1,1 70,7 0,7

75 76,9 1,9 76,6 1,6 76 01

80 82,9 2,9 82,5 2,5 81,5 1,5

85 89,6 4,6 88,8 3,8 87,2 2,2

90 99,4 9,4 96,6 6,6 93,4 3,4

95 - - 121 26 101,2 6,2

99,9 - - - - 116 16

Координата повреждения, км

Рисунок 1.8 - Зависимость погрешности ОМП от координаты повреждения при недостоверном описании сопротивления нагрузки параллельной линии

3. Глубина возврата тока через землю - это параметр, который зависит от удельного сопротивления грунта вдоль трассы ЛЭП. Известны только приближенные значения этого параметра по регионам России (рисунок 1.9), при этом значения в соседних областях могут иметь очень большой разброс.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ермаков Константин Игоревич, 2022 год

и - и

X = -3--1 • с, (2.50)

Формулы (2.49) и (2.50) в равной степени подходят для ОМП при КЗ далее середины ЛЭП, но, как показывает опыт, целесообразно использовать формулу (2.49) в виду прохождения отраженной волной меньшего расстояния по ЛЭП, а соответственно меньшего затухания. Для КЗ ближе середины ЛЭП предлагается один вариант расчета (2.48).

Примеры расчетов односторонним волновым методом показаны на реальных аварийных осциллограммах: 15 октября 2019 г. на ВЛ 220 кВ Мамакан -Сухой Лог филиала ПАО "ФСК ЕЭС" - Забайкальского ПМЭС произошло аварийное отключение. В результате обхода ЛЭП в пролёте опор 301-302 (84,7 км от ПС Мамакан при длине ВЛ 128,5 км) было найдено перекрытие на фазах В и С.

На подстанциях с обеих сторон линии установлены устройства волнового ОМП «Бреслер-0107.090.В1». На рисунке 2.40 изображена аварийная осциллограмма со стороны ПС Мамакан. Расчеты произведены с использованием волны, отраженной как от места повреждения, так и от шин противоположной ПС.

С учетом формулы (2.49), подставив длину линии Ь, метки времени аварийной волны и отраженной от противоположного конца ЛЭП ¿2, приняв скорость волны за 0,295 км/мкс, получим:

и-г, 100,422- 100,118 Х = Ь- \ 1 • с = 128,5 ----- 0,295 = 83,66 км.

22

Погрешность составила - 1,04 км.

С учетом формулы (2.50), меток времени аварийной волны и отраженной от места повреждения ¿3, получим:

¿3 - Ь 100,702 - 100,118 X = 3 1 • с =---- 0,295 = 86,14 км.

22

Погрешность составила - 1,44 км.

Рисунок 2.40 - ВЧ осциллограмма прямой и отраженных волн при КЗ со стороны ПС Мамакан

В соответствии с формулой (2.48) для осциллограммы ПС Сухой Лог (рисунок 2.41) выполнен расчет по меткам времени аварийной и отраженной

волны:

и - и 101,644 - 101,941 X = „ 1 • с =---- 0,295 = 43,81 км.

2

2

Погрешность составила - 0,01 км.

Рисунок 2.41 - ВЧ осциллограмма прямой и отраженных волн при КЗ со стороны ПС Сухой Лог

Расчеты показывают, что целесообразнее производить ОМП со стороны той подстанции, к которой точка КЗ находится ближе. Определить сторону для расчета можно опираясь на результаты параметрических методов, реализованных в устройстве. В рассматриваемом случае расчет с ближней ПС дал результат 0,01 км.

Расчет с дальнего от КЗ конца ЛЭП рекомендуется выполнять по волне, отраженной от противоположной ПС, так как отраженная волна от точки КЗ проходит большее расстояние. В нашем случае такие расчеты дали результаты с погрешностью - 1,04 км и 1,44 км соответственно.

Необходимо отметить, что на практике волны, отраженные от разных неоднородностей ЛЭП, могут иметь разные амплитуды, и каждый случай необходимо рассматривать отдельно. Поэтому выбор осциллограммы для ОМП и расчетной формулы должен быть обоснованным в результате анализа события с привлечением обученного оператора.

2.8 Волновое определение места повреждения в сетях с многосторонним

питанием

Волновое ОМП на ЛЭП с тремя и более источниками питания и на линиях с ответвлениями дополняется задачей определения участка ЛЭП, на котором произошло повреждение [99]. Поэтому важной задачей ВОМП на многоконцевых линиях является поиск критерия идентификации поврежденного участка, при этом должна быть использована информация устройств регистрации волновых процессов с каждой из концов ЛЭП.

Пример разветвленной ЛЭП изображен на рисунке 2.42. Для упрощения скорость распространения волны принята равной 1 у.е. расстояния за 1 у.е. времени.

Рисунок 2.42 - Схема разветвленной ЛЭП

Для реализации поставленной задачи производится оценка расчетов ВОМП по формуле (1.2) для разных участков ЛЭП (ПС1-ПС2, ПС1-ПС3, ПС1-ПС4, ПС1-ПС5) относительно одного конца - ПС1.

При повреждении на ответвлении (узел 1 - ПС2), в соответствии с характером распространения волны, расчёт двухстороннего ВОМП для участков ПС1-ПС3, ПС1-ПС4, ПС1-ПС5 попадет в место её ответвления - узел 1. Результат ВОМП на поврежденном участке ПС1-ПС2 будет иметь наибольшее значение, соответствующее предполагаемой координате повреждения:

-15—(2 —13)

t =

х^ = шах

= 13

15+11 = 13 = 10 = 10 = 10.

Анализ показал, что данный критерий однозначно выявляет поврежденный участок ЛЭП. В общем виде можно записать выражение для многостороннего ВОМП:

13 2 18 28 33

25- 2 -(18- 13) 2 25—5

35- 2 (28- 13) 2 35—15

40- 2 (33- 13) 2 40—20

х^ = шах

х/1 х/2

(2.51)

где х^ - результат двухстороннего ВОМП для участка ЛЭП, п - количество концов ЛЭП.

2.9 Исследование определения места повреждения на моделях линий

электропередачи 2.9.1 Моделирование линий электропередачи в среде Simulink

Для исследования методов по ПАР создана модель реальной линии ВЛ 500 кВ Приморская ГРЭС - Дальневосточная в среде динамического моделирования Simulink. Описание элементов модели ЛЭП производилось в первичных параметрах с учетом данных, приведенных на рисунке 2.16. Simulink предлагает тесную интеграцию со средой МА^АВ и может создавать сценарии из него [100]. Поэтому загрузка данных и расчет удельных параметров ЛЭП производились с помощью МАТЬАВ - рисунок 2.43.

» ]=здгЪ (-1) ; М=12 00;

%Параметры линии Ъ=345.2; ^ длина линии

5з=3 4.7 2 п; % сопротивление системы со стороны Приморской ГРЗС азй=27.41];

2г=121.03]; % сопротивление системы со стороны ПС Дальневосточная; Иг0=52.24];

ЗоЬх=365 . 2 5] ; % сопротивление обходной связи 2геак1:=1385]; % сопротивление шунтирующего реактора ггеакЪ_0=13в5];

Ез=455.7/sqrt(3); % ЗДС системы со стороны Приморской ГРЗС

Ег=54 1. 7/sqrt (3) 1 (ехр (1) ) л (] 1 1С)*р1/ 130) ; % ЗДС системы со стороны ПС Дальневосточная Зо=(10+104.35])/Ъ; % удельное сопротивление линии ао_0=(63.80+2 65.54])/Ь;

Уо=] 1 (1302е-6)/Ъ; % удельная проводимость линии Уо_0=] ■» (575. 1е-€) /Ь;

к» I

Рисунок 2.43 - Задание параметров модели ЛЭП в системе МА^АВ

Модель в программе Simulink представляет собой набор имитационных блоков с настраиваемыми параметры, связанных между собой через графический интерфейс. Блоки и их параметры, использованные для описания модели ЛЭП, показаны на рисунках 2.44 - 2.47.

[*al Block Parameters: ЭДС системы слева X 1*^1 Block Parameters: ЭДС системы справа X

Three-Phase Programmable Voltage Source (mask) (link) This block implements a three-phase zero-impedance voltage source. The common node (neutral) of the three sources is accessible via input 1 (N) of the block. Time variation for the amplitude, phase and frequency of the fundamental can be pre-programmed. In addition, two harmonics can be superimposed on the fundamental. Note: For "Phasor simulation", frequency variation and harmonic injection are not allowed. Specify Order =1 and Seq=l,2 or 0 to inject additional fundamendal components A and В in any sequence. Three-Phase Programmable Voltage Source (mask) (link) This block implements a three-phase zero-impedance voltage source. The common node (neutral) of the three sources is accessible via input 1 (M) of the block. Time variation for the amplitude, phase and frequency of the fundamental can be pre-programmed. In addition, two harmonics can be superimposed on the fundamental. Note: For "Phasor simulation", frequency variation and harmonic injection are not allowed. Specify Order =1 and Seq=l,2 or 0 to inject additional fundamendal components A and В in any sequence.

Parameters Load Flow Parameters Load Flow

Positive-sequence: [ Amplitude(Vrms Ph-Ph) Phase(deg.) Freq. (Hz) ] [Es*sqrt(3) 0 50] Щ Positive-sequence: [ Amplitude(Vrms Ph-Ph) Phase(deg.) Freq. (Hz) ] [nbs{Er)*sqrt{3) 10 50]||I]

Time variation of: None Time variation of: None

EH Fundamental and/or Harmonic generation: EH Fundamental and/or Harmonic generation:

OK | Cancel Help OK | Cancel Help

Рисунок 2.44 - Блоки «Источники ЭДС»

Block Parameters: Сопротивление системы слева X Block Parameters: ConpoTWBJieHwe cncreMbi cnpaBal X

Three-Phase Mutual Inductance Z1-Z0 (mask) (link) This block implements a three phase impedance with mutual coupling between phases. Self impedances and mutual impedances are set by entering positive and zero sequences parameters. Three-Phase Mutual Inductance Z1-Z0 (mask) (link) This block implements a three phase impedance with mutual coupling between phases. Self impedances and mutual impedances are set by entering positive and zero sequences parameters.

Parameters Positive-sequence parameters : [R1 (Ohms) LI (H)] Parameters Positive-sequence parameters : [R1 (Ohms) LI (H)]

[ real(Zs), imag(Zs) / (100 * pi) ] : [ real(Zr), imagfZr) / {100 • p) ] ||l|

Zero-sequence parameters : [R0 (Ohms) LO (H)] Zero-sequence parameters : [RO (Ohms) LO (H)]

[ real(ZsO), imag(ZsO) / (100 * pi) ] [i | [ real(ZrO), imag(ZrO) / (100 * pi) ] ||:

OK | Cancel Help OK | Cancel Help

Рисунок 2.45 - Блоки «Сопротивления систем»

Block Parameters: Обходная связь X [^1 Block Parameters: Реактор X

Three-Phase Series RLC Branch (mask) (link) Three-Phase Series RLC Branch (mask) (link)

Implements a three-phase series RLC branch. Use the "Branch type1 parameter to add or remove elements from the branch. Implements a three-phase series RLC branch. Use the "Branch type1 parameter to add or remove elements from the branch.

Parameters Parameters

Branch type L - Branch type L ж

Inductance L (H): Inductance L (H):

| imag(Zobx) / (2*pi*50) : imag(Zreakt) / (2*pi*50) :

Measurements None - Measurements None ▼

OK | Cancel Help Apply OK | Cancel Help

Рисунок 2.46 - Блоки «Обходная связь» и «Реактор»

Q Block Parameters: /Di~l_1 X

Three-Phase PI Section Line (mask) (link)

This block models a three-phase transmission line with a single PI section. The model consists of one set of RL series elements connected between input

and output terminals and two sets of shunt capacitances lumped at both ends

of the line.

RLC elements are computed using hyperbolic corrections yielding an "exact"

representation in positive- and zero-sequence at specified frequency only.

To obtain an extended frequency response, connect several PI section blocks

in cascade or use a Distributed Parameter line. Parameters

Frequency used for rle specification (Hz):

Positive- and zero-sequence resistances (Ohms/km) [ rl rO ]:

I [real(Zo), real{Zo_0)]

Positive- and zero-sequence inductances (H/km) [ ll 10 ]:

I [ imag(Zo)/(2*pi*50), imag(Zo_Q)/(2*pi*50) ]_

Positive- and zero-sequence capacitances (F/km) [ cl cO ]:

I [imag(Yo) / (2*pi*50), imag{Yo_0)/(2*pi*50)]

Line length (km):

Lkz

OK I Cancel I help

Apply

Рисунок 2.47 - Блок «Линия»

Моделирование производилось для разных режимов работы линии с помощью блока имитации повреждений (рисунок 2.48).

Pal Block Parameters: Three-Phase Fault Three-Phase Fault (mask) (link)

Implements a fault (short-circuit) between any phase and the ground. When the external switching time mode is selected, a Simulink logical signal is used to control the fault operation.

Initial status: [0_ Fault between:

0 Phase A 0 Phase B 0 Phase C 0 Ground

Switching times (s): |o.2

Fault resistance Ron (Ohm): | Q.001 Ground resistance Rg (Ohm): |o.Ql

Snubber resistance Rs (Ohm): 11еб

Snubber capacitance Cs (F): |inf

J □

External

^0

]0

None -

1 OK 1 Cancel Help Apply

Рисунок 2.48 - Блок имитации повреждений

На рисунке 2.49 и рисунке 2.50 показана модель в симметричных режимах работы - нормальный (нагрузочный) и режим трехфазного КЗ на расстоянии 100 км от Приморской ГРЭС. Сравнение результатов имитационного моделирования, выполненного в Simulink, с расчетом схемы замещения линии методом узловых потенциалов в Разделе 2 (таблица 11 ) подтверждает точность расчетов и достоверность модели.

Таблица 11 - Сравнение результатов моделирования в Simulink с расчетом методом узловых потенциалов ВЛ 500 кВ Приморская ГРЭС - Дальневосточная

Сигнал Нормальный (нагрузочный режим) Режим трехфазного КЗ

Модель в 81ши1шк Метод узловых потенциалов Модель в 81ши1шк Метод узловых потенциалов

Напряжение на шинах Приморской ГРЭС 293,2^1,85° 293,1^1,851° 122^-2,643° 122,8 z-2,681°

Напряжение на шинах ПС Дальневосточная 310^5,077° 310^5,077° 121z5,605° 120,9z5,512°

Напряжение в ветви повреждения - - 0,006z-84,45° 0,006z-84,9°

Ток системы Приморской ГРЭС 0,294z144,1° 0,294z144,16 4,1^-87,56° 4,096 Z-87,99°

Ток системы ПС Дальневосточная 0,222z3,578° 0,222z3,55° 1,591Z-76,74° 1,58z-77,19°

Ток обходной связи 0,066z-42,67° 0,066z-42,67° 0,047z7,73° 0,047z7,574°

Ток реактора 0,211^-88,15° 0,211z-88,15° 0,088z-93,25° 0,088 z-92,68°

Ток в ветви повреждения - - 5,68z-84,45° 5,648z-84,9°

Рисунок 2.49 - Имитационная модель ВЛ 500 кВ Приморская ГРЭС - Дальневосточная в нормальном (нагрузочном) режиме в среде Simulink

Рисунок 2.50 - Напряжения и токи в начале и в конце имитационной модели ВЛ 500 кВ Приморская ГРЭС - Дальневосточная в режиме трехфазного КЗ

в среде Simulink

Также были рассмотрены несимметричные режимы работы при двухфазном КЗ, двухфазном КЗ на землю и однофазном КЗ на землю на расстоянии 100 км от Приморской ГРЭС - рисунки 2.51 - 2.53.

Рисунок 2.51 - Напряжения и токи в начале и в конце имитационной модели ВЛ 500 кВ Приморская ГРЭС - Дальневосточная в режиме двухфазного КЗ

в среде Simulink

Рисунок 2.52 - Напряжения и токи в начале и в конце имитационной модели ВЛ 500 кВ Приморская ГРЭС - Дальневосточная в режиме двухфазного КЗ на землю

в среде Simulink

О о.оъ 0.1 0.16 0.2 0.2а 0.3 0 о.иь 01 015 0.2 й2» Си

Рисунок 2.53 - Напряжения и токи в начале и в конце имитационной модели ВЛ 500 кВ Приморская ГРЭС - Дальневосточная в режиме однофазного КЗ на землю в среде $1ти1тк

Создание и редактирование моделей ЛЭП, используемых в программных модулях и устройствах ОМП, производится в ПК FPDEdit. Для расчета

координаты повреждения по данным, полученным в результате моделирования, создана модель ВЛ 500 кВ Приморская ГРЭС - Дальневосточная. Описание элементов модели ЛЭП показаны на рисунке 2.54.

ВЛ-500 Приморская ГРЭС - Дальневосточная - расчет параметров модели линии — □ X

Настройки отображения ВЛ-500 Приморская ГРЭС - Дальневосточная

|у[ Показывать_удельные параметры Длина линии 345,2 км

Полярная форма отображения

Параметры основной линии

ТЛ = 0,029+0,3021 Ом/км

¿О = 0,199+0,7691 Ом/км

В1 - 3,772 мкСм/км

ВО = г,836 мкСм/км

Параметры левой стороны

Т\ = 39,721 Ом гс= 17,41 \ Ом Приморская ГРЭС . . Дальневосточная

Параметры правой стороны Я = 121,091 Ом ф ' ' ф

20= 52,241 Ом

100% ^ ф 1

Рисунок 2.54 - Параметры модели ВЛ 500 кВ Приморская ГРЭС -Дальневосточная в ПК FPDEdit

Для каждого имитируемого режима КЗ выполнен расчет ОМП односторонними с разных сторон ЛЭП, и двухсторонним методом с помощью программного модуля в ПК WinBres. Результаты расчетов приведены в таблице 12.

Таблица 12 - Результаты ОМП по данным моделирования разных видов КЗ на расстоянии 100 км от Приморской ГРЭС

Имитируемое КЗ Одностороннее ОМП со стороны Приморской ГРЭС Одностороннее ОМП со стороны ПС Дальневосточная Двухстороннее ОМП

Результат, км Погрешность , % Результат, км Погрешность, % Результат, км Погрешность, %

К(3) АВС 101,239 0,36 99,298 0,20 100,682 0,02

К(2) АВ 101,220 0,35 99,314 0,20 100,817 0,02

К(1,1) АВ 101,746 0,50 98,485 0,44 100,777 0,02

К(1) А 102,508 0,73 97,445 0,74 100,731 0,02

Анализ результатов ОМП показал, что параметрические одно- и двухсторонние методы обеспечивают приемлемую точность при всех видах повреждений ЛЭП. Погрешность расчета обусловлена разными способами математической обработки модели в среде Simu1ink и ПК WinBres.

2.9.2 Моделирование линий электропередачи в среде PSCAD

Исследования предложенных методов волнового ОМП выполнены с помощью программной среды РБСЛО. Моделирование ЭЭС производится с помощью графического интерфейса. Библиотека элементов позволяет моделировать высокочастотные переходные процессы в ЛЭП, обрабатывать и визуализировать данные [101].

Разработанный и описанный в диссертационной работе способ учета скорости распространения волны на неоднородных участках исследован на модели воздушно-кабельной ЛЭП 220 кВ Тамань - Кафа (МЭС Юга). Особенностью данной линии является наличие подводного кабельного участка длиной 14,36 км. Параметры участков и систем по концам ЛЭП приведены в таблице 13 и таблице 14.

Таблица 13 - Параметры участков КВЛ 220 кВ Тамань - Кафа

Участок №1: Ь = 57,688км (Воздушная линия)

Конструктивные параметры

Тип опор Марка провода Марка грозозащитного троса Заземление грозозащитного троса

2П220-1у АААС-2455-22 ОКГТ-с-2-48-13,3/79 0 Заземлен

Расчетные параметры

уд = 0,0742 + 0,407i Ом/км уд = 0,3022 + 1,08151 Ом/км

У! уд = 2,6895 мкСм/км Ус уд = 1,531 мкСм/км

Участок №2: Ь = 14,36км (Кабельная линия)

Расчетные параметры

уд = 0,081 + 0,097i Ом/км 70 уд = 0,083 + 0,088! Ом/км

У! уд = 38,308 мкСм/км У0 уд = 38,308 мкСм/км

Участок №3: Ь = 125,011км (Воздушная линия)

Конструктивные параметры

Тип опор Марка провода Марка грозозащитного троса Заземление грозозащитного троса

2П220-1у АААС-2455-22 ОКГТ-с-2-48-13,3/58 0 Заземлен

Расчетные параметры

уд = 0,0742 + 0,407i Ом/км 70 уд = 0,2853 + 1,0594^ Ом/км

У! уд = 2,6895 мкСм/км У0 уд = 1,531 мкСм/км

Таблица 14 - Параметры систем по концам ЛЭП

Конец ЛЭП Zj, Ом Z0, Ом

ПС Тамань 2,04 + 15,489i 0,325 + 6,2i

ПС Кафа 3,228 + 40,188i 2,037 + 19,891i

Компонент библиотеки PSCAD «Линия» моделируется в фазных координатах [102] и позволяет использовать типовые шаблоны опор, а также задавать геометрическое положение проводов и тросов для произвольной опоры. На рисунке 2.55 показана геометрия опоры 2П220-1у и ее описание в PSCAD.

Рисунок 2.55 - Геометрия опоры 2П220-1у и ее описание в PSCAD

Кабельный участок ЛЭП выполнен из силовых однофазных кабелей с медной жилой сечением 1000 мм2, с изоляцией из сшитого полиэтилена, на напряжение 220 кВ, предназначенные для подводной прокладки, производства Jiangsu Hengtong HV Power Cable System. Данные по конструкции кабеля представлены на рисунке 2.56.

Таблица 5.2 Конструкция кабеля Сц/ХЬРЕ/ЬАа/РР^АЛ>Р+ОРС 127/220(252)кУ 1С1000тт2+2х(1<Ю.652+-2&б51)

№№ Название элемента конструкции Ном. размеры: толщина или диаметр, мм Наружный диаметр, мм

1 Токопроводящая медная, круглая, многопроволочная, уплотненная и герметизированная жила (герметизация жилы - водоблокирующие ленты) - 38,5 ± 0,5

2 Экран по жиле:

- бандаж из электропроводящих лент по жиле 2x0,12

- экструдированный экран по жиле 1,9 42,8

3 XI,? Г. изоляция 24,0 90,8

4 Экструдированный экран по изоляции 1,2 93,2 ±1,5

5 Подложка из электропроводящих водо блокирующих лент 2x0,5 95,2

б Оболочка из сплава свинца 4,0 103,2

7 ПЭ оболочка полупроводящая 3,4 110,0

8 2 оптических модуля (10 С.652+2 0.651 ) 6.5 ~ 6.7

9 Повив из круглых ПЭ прокладок 0 7.0 124,0

10 1 слой из РР нитей с битумным покрытием 1,5 126,8

11 Броня из стальных оцинкованных проволок 06 138,8

12 2 слоя РР нитей с битумным покрытием 3,5 145,8 ±5,0

Вес кабеля 48.6 кг/м

Рисунок 2.56 - Конструкция кабеля Cu/XLPE/LAS/PP/SWA/PP-1000 в PSCAD

Для описания кабеля использовался компонент библиотеки «кабель», который позволяет учесть конструкцию кабелей и их взаимное расположение (рисунок 2.57).

Рисунок 2.57 - Описание параметров кабеля Cu/XLPE/LAS/PP/SWA/PP-1000 в PSCAD

Повреждение ЛЭП моделируется блоком «Timed Fault Logic», позволяющий задавать вид короткого замыкания и поврежденные фазы. Для определения меток времени реализована логическая схема. Выполняется преобразование сигналов токов поврежденной фазы с помощью фильтра Баттерворта, который позволяет выделить ВЧ составляющие. Модуль отфильтрованного сигнала сравнивается с пороговым значением, при превышении которого происходит фиксация моментов времени tt и t2, соответствующих появлению фронтов аварийных волн на концах ЛЭП, а также их разность dt.

Имитировались металлические КЗ фазы А в разных точках модели ЛЭП. Модель и осциллограммы сигналов токов поврежденной фазы на выходе фильтра Баттерворта изображены на рисунках 2.58 - 2.60.

Main: Scope

0.0060 0 0050 0.0040 J 0 0030

2 0 0020

10

■Э 0 0010

2 о 0000 -

Ш

= -0 0010 -0.0020 -0.0030

1L 1

и

X 0.000

O-0.CC0 А-0.СЮ0 Min -O.OQ2 МахОООЗ

0.025m-, 0 020m

-7 0.015m |

» 0 010m ra

с

и 0005m

TJ <D

ш 0 000-iZ

-0 005m -0.010m-1

sec о omT~

X O.OCCQn oo.ooean

A 0.0068m Min -0.0000m Max 0.C087m

iJ_L

0.0050J 0 0052 0.0054 0.005(1 0.0058 0 0060 0 0062 0 0064 0ro51 а а о 00056

. л ооооб

Рисунок 2.58 - Имитационная модель КВЛ 220 кВ Тамань - Кафа при КЗ ф. А на расстоянии 20 км от ПС Тамань и осциллограмма сигналов токов поврежденной фазы на выходе фильтра Баттерворта в среде PSCAD

Рисунок 2.59 - Имитационная модель КВЛ 220 кВ Тамань - Кафа при КЗ ф. А на расстоянии 57,688 км от ПС Тамань и осциллограмма сигналов токов поврежденной фазы на выходе фильтра Баттерворта в среде PSCAD

Рисунок 2.60 - Имитационная модель КВЛ 220 кВ Тамань - Кафа при КЗ ф. А на расстоянии 192,059 км от ПС Тамань и осциллограмма сигналов токов поврежденной фазы на выходе фильтра Баттерворта в среде PSCAD

Для выполнения расчета места повреждения используется ПК FPDEdit, в котором реализован алгоритм учета скорости волны на разных участках путем сравнения измеренной и расчетной разности меток времени достижения волны концов ЛЭП. Скорость волны для участков ЛЭП определена по формуле (2.46) и соответствует 163 000 км/с для кабельного участка, и 300265 км/с для воздушных

участков. Для воздушной линии принята равной скорости света - 299792 км/с. На рисунках 2.61 - 2.63 показан расчет ОМП по данным моделирования с использованием алгоритма учета скорости волны и без.

Рисунок 2.61 - ОМП по результатам моделирования КЗ ф. А на расстоянии 20 км

от ПС Тамань в PSCAD

Рисунок 2.62 - ОМП по результатам моделирования КЗ ф. А на расстоянии 57,688 км

от ПС Тамань в PSCAD

Рисунок 2.63 - ОМП по результатам моделирования КЗ ф. А на расстоянии 192,059 км

от ПС Тамань в PSCAD

Расчеты, выполненные по результатам моделирования (таблица 15), показали, что разработанный алгоритм учета скорости волны существенно увеличивает точность ВОМП на воздушно-кабельных ЛЭП.

Таблица 15 - Результаты и погрешности расчетов ВОМП

Имитируемое КЗ ВОМП с алгоритмом учета скорости волны на участках ВОМП без алгоритма учета скорости волны на участках

Результат, км Погрешность, км Результат, км Погрешность, км

К(1) А 20 км 19,96 0,040 13,93 6,070

К(1) А 57,688 км 57,73 0,042 51,75 5,938

К(1) А 192,059 км 192,08 0,021 - -

Для проверки метода многостороннего волнового ОМП в PSCAD создана модель реальной ЛЭП с трехсторонним питанием - ВЛ 330 кВ Змиевская ГРЭС-Белгород с отпайкой на Лосево (МЭС Центра). Параметры участков и систем по концам ЛЭП приведены в таблице 16 и таблице 17.

Таблица 16 - Параметры участков ВЛ 330 кВ Змиевская ГРЭС-Белгород с отпайкой на Лосево

Участок №1: Ь = 73,4км (Со стороны ПС Белгород)

Конструктивные параметры

Тип опор Марка провода Марка грозозащитного Заземление

троса грозозащитного троса

П330-3 2хАС-400/51(400) С-70 Заземлен

Расчетные параметры

уд = 0,0366 + 0,3148i Ом/км 70 уд = 0,2817 + 1,07871 Ом/км

У1 уд = 3,4957 мкСм/км Уо уд = 2,0469 мкСм/км

Участок №2: Ь = 57км (Со стороны Змиевской ГРЭС)

Конструктивные параметры

Тип опор Марка провода Марка грозозащитного Заземление

троса грозозащитного троса

П330-3 2хАС-400/51(400) С-70 Заземлен

Расчетные параметры

уд = 0,0366 + 0,3148i Ом/км 70 уд = 0,2817 + 1,07871 Ом/км

У1 уд = 3,4957 мкСм/км Уо уд = 2,0469 мкСм/км

Участок №3: Ь = 8,4км (Со стороны ПС Лосево)

Конструктивные параметры

Тип опор Марка провода Марка грозозащитного Заземление

троса грозозащитного троса

П330-3 2хАС-400/51(400) С-70 Заземлен

Расчетные параметры

уд = 0,0366 + 0,3148i Ом/км 70 уд = 0,2817 + 1,07871 Ом/км

У1 уд = 3,4957 мкСм/км Уо уд = 2,0469 мкСм/км

Таблица 17 - Параметры систем по концам ЛЭП

Конец ЛЭП Ом 7о, Ом

Змиевская ГРЭС 0,22 + 5,721 0,02 + 3,781

ПС Белгород 1,8 + 15,841 2,0 + 20,541

ПС Лосево 1,14 + 14,241 1,36 + 19,351

На рисунке 2.64 показана геометрия опоры П330-3 и ее описание в РБСАО.

Рисунок 2.64 - Геометрия опоры П330-3 и ее описание в PSCAD

Имитировались металлические КЗ фазы А на каждом луче трехконцевой ЛЭП в произвольных точках. Логика определения меток времени соответствует предыдущей модели и изображена на рисунке 2.65. Модель и осциллограммы сигналов токов поврежденной фазы на выходе фильтра Баттерворта изображены на рисунках 2.66 - 2.68.

Рисунок 2.65 - Логика определения меток времени импульса аварийной волны

Main : Scope

■ И filter

;

к •Л

(

К !

0.0008-

- 12 filter

л 1 1.—Î\Г

-0.10т- * 1 и ' 11 v\/VT 'v'Vir^

■ 13 filter

г А t JuA

à • 1 у П Hl1 TJ" H/V

-0.10т- 1

X 0.000 О 0.000 Д -0.000 Mil-0.000 Mai 0.001

X 0.0119m О 0.0000m Д-0.0119m Min 0.0000m Max 0.0119m

X-0.0016m О-0.0000m Д 0.0016m Min-0.0691m Max 0.2023m

sec 0.0046

0.00Б0 Ц^ 0.00Б2 J 0.0054 0.00Б6

0.0066

X 0.0053 О 0.0051 ( Д-0.0002

Рисунок 2.66 - Имитационная модель ВЛ 330 кВ Змиевская ГРЭС-Белгород с отпайкой на Лосево при КЗ ф. А на расстоянии 30 км от ПС Белгород и осциллограмма сигналов токов поврежденной фазы на выходе фильтра Баттерворта в среде PSCAD

Рисунок 2.67 - Имитационная модель ВЛ 330 кВ Змиевская ГРЭС-Белгород с отпайкой на Лосево при КЗ ф. А на расстоянии 10 км от Змиевской ГРЭС и осциллограмма сигналов токов поврежденной фазы на выходе фильтра Баттерворта в среде PSCAD

Рисунок 2.68 - Имитационная модель ВЛ 330 кВ Змиевская ГРЭС-Белгород с отпайкой на Лосево при КЗ ф. А на расстоянии 7,4 км от ПС Лосево и осциллограмма сигналов токов поврежденной фазы на выходе фильтра Баттерворта в среде PSCAD

Расчет места повреждения производится с помощью приложения, разработанного для ВОМП на многоконцевых ЛЭП и интегрированного в ПК БРОБёН Инструмент предназначен для расчета по аварийным осциллограммам устройств ОМП, но имеет опцию ввода меток времени вручную. Скорость волны для всех участков ЛЭП принята равной 299470 км/с в соответствии с (2.46). На рисунках 2.69 - 2.71 показан расчет ОМП по данным моделирования.

*/© Многостороннее волновое ОМП

Количество ПС: 13 | I I Метки времени в тактах ВЧ-генератора

Открыть Сохранить

№ Название подстанции Файл модели Файл осциллограммы Номер канала Фильтр Метка времени, с РР5

1 Белгород Ве1_1Мос1е,хт1 и и - Баттерво^ * Гь & 0,0051004 0

2 Лосево 1_05_Мос1е.хт1 ■ ■ - Баттерво^ ▼ е 0 0051733 0

3 Змиевская ГРЭС 26[*Е5_Мос1е.хт1 | ... 1 - Баттерво^ * б | 0,0053356 0

Определить место повреждения

Повреждение на линии Белгород - Лосева Расстояние от Белгород: 29.99 км Расстояние от Лосево: 51 81 км Расстояние от Змиевскал ГРЭС: 100,41 км

Белгород Ууасток 1

Узел

Участок 3

Змиевская ГРЕ

«- -У-

73,4 км 57 км

Участок 2 8.4 км

Лосево

Рисунок 2.69 - ОМП по результатам моделирования КЗ ф. А на расстоянии 30 км

от ПС Белгород в PSCAD

*/© Многосторонее волновое ОМП

Количество ПС: | 3 | I I Метки времени в тактах ВЧ-генератора

Открыть Сохранить

№ Название подстанции Файл модели Файл осциллограммы Номер канала Фильтр Метка времени, с РР5

Белгород Ве|_Мог1е.*т| и и - Баттерво^ т IV б 0,0054027 0

2 Лосево и и - Баттерво^ * & 0,0051853 0

3 Зммевсеая ГРЭС гСНЕ5_Мог1е.>:п| ... 1 - Баттерво[ ▼ е | 0,0050334 0

Определить место повреждения

Повреждение на линии Белгород - Змиевскал ГРЭС Расстояние от Белгород: 120,50 км Расстояние от Лосева: 55 50 км Расстояние от Змиевсгая ГРЭС: 9,90 км

Белгород Участок 1

Узел

Участок 3

Змиевская ГР;

73,4 км -7-" 57 км

Участок 2 I 8,4 км

Лосево

Рисунок 2.70

- ОМП по результатам моделирования КЗ ф. А на расстоянии 10 км от Змиевской ГРЭС в PSCAD

^ Многостороннее волновое ОМП Количество ПС: | 3 | 1 1 Метки времени в тактах ВЧ генератора - □ X

Скрыть С □хранить

№ Название подстанции Файл модели Файл осциллограммы Номер канала Фильтр Метка времени, с РР5

1 Белгород Ве1_1\Ые,хт1 ■ ■ - Баттерво^ т IV & 0,0052-4*13 0

2 Лосево 1_05_Мос1е.хт1 ■ ■ - Баттерво^ * & 0.0050249 0

3 Змиевская ГРЭС ZGRES.Node.xml ■ ... ■ Баттерво^ ▼ е 0 0051939 0