Двусторонний замер на линиях сложной конфигурации

КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ

 

Линии электропередач высокого напряжения - довольно часто повреждаемые элементы электроэнергетической системы. Выход из работы линии всегда сопровождается или недоотпуском электроэнергии, или снижением надежности, себестоимости и качества электроснабжения. Поэтому одной из важнейших задач линейных ремонтных служб предприятий электросетей является быстрейший поиск места повреждения и организация ремонтно-восстановительных работ. До появления в энергосистемах приборов определения места повреждения (начало 60-х годов) поиск повреждения совершался путем обходов, объездов, иногда облетов на вертолете трассы линии. На это тратилось значительное время, поскольку линии имеют большую протяженность (до сотен километров), а трасса часто идет по труднопроходимой местности. К тому же место повреждения иногда плохо различимо даже с близкого расстояния - на гирлянде изоляторов после перекрытия часто не остается значительных следов обгорания.

Еще сложнее обстоит дело с поиском места самоустраняющегося повреждения, при котором после АПВ линия остается в работе. Между тем ремонтным службам весьма полезна информация о таких повреждениях, поскольку обычно после них часть изоляторов в гирлянде оказывается пробитыми и на линии остается ослабленное место, которое в будущем способно привести к возникновению аварии. Известен случай, когда сверхответственная линия отключалась три раза с промежутком в несколько недель, пока не было найдено дерево с обгоревшими ветвями, которые при сильном ветре сближались с проводом. Поэтому необходимо искать место не только устойчивого, но и самоустраняющегося повреждения.

Сказанное предопределило широкое внедрение в электроэнергетику методов и средств определения места повреждения (ОМП) на линии. Однако обычно они сводятся к определению места короткого замыкания (ОМКЗ) разрывы проводов без замыкания бывают редко и определить их место по соотношению каких-либо электрических величин довольно сложно. Внедрение приборов определения места повреждения началось в нашей стране в 60-х годах и в настоящее время большинство линий напряжением 110 кВ и выше оснащено такими приборами. Идет внедрение приборов и на напряжениях 6-35 кВ, хотя и значительно более медленными темпами.

Известно большое количество различных методов ОМП и ОМКЗ. На рис.1 приведена взятая из [1] схема классификации методов ОМП.

 

 

Рис.1. Схема классификации методов ОМП

Прежде всего методы делятся на дистанционные и топографические. При этом топографические методы подразумевают определение искомого места непосредственно при движении по трассе, и средства топографического отыскания места повреждения находятся в распоряжении поисковой бригады. Дистанционные методы подразумевают использование приборов и устройств, устанавливаемых на подстанциях и указывающих расстояние до повреждения.

Другое деление методов - на высокочастотные и низкочастотные. Под низкочастотным диапазоном подразумеваются частоты от нуля до нескольких килогерц. Под высокочастотным - десятки килогерц.

Коротко охарактеризуем методы, приведенные на рисунке 1.

ТОПОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

ИНДУКЦИОННЫЙ метод основан на том, что поисковая бригада, двигаясь вдоль трассы кабельной линии, улавливает специальными приборами характер изменения магнитного и электрического поля, создаваемого протекающим по линии током. Ток вырабатывается специальным генератором, подключаемым на подстанции к уже отключенной линии.

АКУСТИЧЕСКИЙ метод основан на улавливании на трассе акустических (механических) колебаний, возникающих на поверхности грунта при искровом разряде в изоляции кабельной линии. Оператор с акустическим датчиком и усилителем перемещается в зоне 40 метров, найденной каким-либо другим методом, и определяет место максимального уровня приема по индикатору. Искровой разряд создается посредством специальных устройств, подключаемых на конце линии после ее отключения.

ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ метод основан на фиксации вдоль трассы электрических потенциалов, создаваемых протекающим по оболочке кабельной линии (или закрытого токопровода) током. В месте повреждения указанный потенциал имеет наибольшее значение.

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ метод основан на фиксации механических усилий, создаваемых за счет тока короткого замыкания. Электромеханические указатели устанавливаются стационарно на опорах воздушных линий. При протекании тока КЗ у указателя выпадает блинкер, состояние которого проверяют после аварии при обходе линии. Метод используется в основном в сетях 6-10 кВ сельскохозяйственного назначения.

Как видим, топографические методы и средства используются ремонтными службами и к работе служб релейной защиты отношения не имеют.

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ДИСТАНЦИОННЫЕ МЕТОДЫ

Принцип действия ИМПУЛЬСНЫХ методов основан на измерении интервалов времени распространения электромагнитных волн (импульсов) по участкам линии. ЛОКАЦИОННЫЕ методы определяют время пробега специально генерируемого зондирующего импульса. ВОЛНОВЫЕ методы определяют моменты прихода на подстанцию возникающих в месте повреждения линии электромагнитных волн.

Распространение волны (импульса) по линии - сложный процесс, зависящий от числа, взаимного расположения, материала и размера проводов и тросов, их удаленности от поверхности земли, от ее электропроводности. Волна перемещалась бы вдоль провода со скоростью света (300 м/мкс), если бы в проводе не было активных потерь и он располагался бы в вакууме над идеально проводящей поверхностью. В реальной воздушной линии волна перемещается по петле фаза-земля со скоростью v=275 м/мкс и по петле фаза-фаза со скоростью v=296 м/мкс. В кабельной линии скорость распространения волны значительно ниже - 160 м/мкс и примерно одинакова для любой петли.

Локационные методы основаны на измерении времени между моментом посылки в линию зондирующего электрического импульса и моментом прихода к началу линии импульса, отраженного от места повреждения. За указанное время импульсы прошли путь, равный двойному расстоянию до места повреждения. Искомое расстояние равно:

L = t * v /2.

Устройства измерения - локационные искатели - будут рассмотрены в 15-м разделе данной работы.

Волновой метод ДВУСТОРОННИХ измерений основан на измерении времени между моментами достижения двух концов линии фронтами электромагнитных волн, возникающих в месте повреждения (волн разряда замкнувшейся на землю фазы). Необходимым условием реализации метода является синхронный счет времени на двух концах с точностью до микросекунд. Для этого с конца на конец посылаются хронирующие сигналы, что само по себе является сложной технической задачей.

Волновые методы ОДНОСТОРОННИХ измерений используют либо измерение времени между приходами волн первого и второго отражений от места повреждения, либо разновременность прихода волн по каналу фаза - фаза и по каналу фаза - земля.

Метод СТОЯЧИХ ВОЛН предполагает измерение полного входного сопротивления поврежденной линии в широком диапазоне частот. Известно [1], что расстояние между резонансными частотами (максимумами и минимумами входного сопротивления) зависит от расстояния до места КЗ или обрыва.

НИЗКОЧАСТОТНЫЕ ДИСТАНЦИОННЫЕ МЕТОДЫ

ПЕТЛЕВОЙ метод основан на измерении сопротивления постоянному току жил кабеля, отключенного из-за пробоя фазы на землю. Переходное сопротивление в месте повреждения предварительно снижают прожиганием изоляции от специальных источников тока. Схема измерения собирается таким образом, чтобы сопротивления жил оказались в плечах уравновешенного моста, измерительный прибор (для контроля условий равновесия) - в одной диагонали моста, источник питания и переходное сопротивление - в другой диагонали. По найденным сопротивлениям жил до места пробоя определяют расстояние.

ЕМКОCТНЫМ МЕТОДОМ можно определить емкость жилы от места измерения до места обрыва.

ДИСТАНЦИОННЫМ измерениям ПО ПАРАМЕТРАМ АВАРИЙНОГО РЕЖИМА посвящено основное содержание данной работы. Объясняется это как тем, что они, в отличие от других методов, исключительно широко распространены в высоковольтных сетях, так и тем, что обеспечение эксплуатации устройств измерения (фиксирующих приборов) возложено на персонал служб РЗА (центральных служб энергосистем и местных служб сетевых предприятий).

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ ПО ПАРАМЕТРАМ АВАРИЙНОГО РЕЖИМА

 

Параметры аварийного режима - фиксированные (измеренные) во время КЗ токи и напряжения отдельных фаз или последовательностей. Методов ОМКЗ по параметрам аварийного режима множество, однако все их можно разбить на методы двустороннего и методы одностороннего замера.

Двусторонние измерения токов и напряжений при КЗ позволяют в дальнейшем рассчитать расстояние до места КЗ. Относительная простота приборов двустороннего измерения привела к тому, что они получили исключительно широкое распространение в высоковольтных сетях. Началом внедрения фиксирующих приборов в отечественную энергетику можно считать конец 50-х - начало 60-х годов. К середине 80-х годов двусторонние методы стали господствующими - практически все линии 110 кВ и выше оснащались фиксирующими приборами двустороннего замера. Однако в конце 80-х годов появились приборы одностороннего замера, что привело к практическому прекращению выпуска приборов двустороннего замера. Следует отметить, что в зарубежной практике двусторонний замер никогда не применялся. Основы теории и практики двустороннего замера разработаны институтом ВНИИЭ, фирмой ОРГРЭС и Рижским опытным заводом Энергоавтоматика [1,2,3,5]. Особо следует отметить труды Г.М. Шалыта.

Основы теории одностороннего замера разработаны в Ивановском энергоуниверситете в 70-80 годах Е.А. Аржанниковым и наиболее полно отражены в [6]. Приборы, реализующие односторонний замер разработаны в Рижском техническом университете под руководством А.С.Саухатаса [9]. Однако в [6] материал трактуется с позиций классической теории дистанционной защиты. Более общий подход разработан в Чувашском университете в начале 90-х годов под руководством Ю.Я. Лямца [7]. Он рассматривает определение места КЗ как задачу диагностики линии и одну из задач идентификации параметров энергосистемы. В данном параграфе рассматривается именно этот подход.

Рассматривается одиночная линия рис.2, на которой на расстоянии x от левой системы произошло КЗ. Предположим, что при КЗ фиксированы по три тока и по три напряжения с каждого конца линии. Токи в месте КЗ (I_¦) могут быть вычислены: I _¦ = I ¢ + I ².

Если бы было известно x, то можно было бы составить шесть уравнений (для трех фаз или для трех последовательностей):

 

U _v¢ - D U _v¢ + D U _v²- U _v² = 0, (1)

где v - индекс фазы (А, В или С) или индекс последовательности (1,2 или 0);

D U ¢, D U ² - падения напряжения на участке слева от места КЗ и на участке справа от места КЗ.

 

Рис.2. Поясняющая схема одиночной линии.

 

Очевидно, независимы только три уравнения - уравнения для фаз преобразуются в уравнения для последовательностей и наоборот; коэффициенты уравнений комплексны, но неизвестное всего одно - расстояние x - и оно вещественно.

Падения напряжения для отдельных последовательностей равны:

 

Δ U ₁′ = x I ₁′ Z _1уд; Δ U ₂′ = x I ₂′ Z _1уд; Δ U ₀′ = x I ₀′ Z _0уд;

Δ U ₁″ = (L - x) I ₁″ Z _1уд; Δ U ₂″ = (L - x) I ₂″ Z _1уд;

Δ U ₀″ = (L - x) I ₀″ Z _0уд;

 

где Z _1уд и Z _0уд - удельные сопротивления линии в схемах прямой и нулевой последовательностей. Напомним, что удельное индуктивное сопротивление одиночной линии в схеме прямой последовательности равно примерно 0,4 Ом/км, в схеме нулевой последовательности – примерно 1,4 Ом/км.

Выражение для падения напряжения в фазе А можно получить суммируя падения напряжения в схемах отдельных последовательностей:

Δ U _А′ = Δ U ₁′ + Δ U ₂′ + Δ U ₀′ = x (I ₁′ Z _1уд + I ₂′ Z _1уд + I ₀′ Z _0уд) =

= x Z _1уд (I ₁′ + I ₂′ + I ₀′ Z _0уд / Z _1уд) = x Z _1уд (I ₁′ + I ₂′ + I ₀′ + I ₀′(Z _{0уд -} Z _1уд) / Z _1уд) =

= x Z _1уд (I _A + KI ₀).

 

Вообще падение напряжения на любой фазе

Δ U _ф= x Z _{1 уд} (I _ф + KI ₀), (2)

 

где K = (Z _0уд - Z _1уд)/ Z _1уд. (3)

 

Величина K называется в теории дистанционной защиты коэффициентом компенсации по току нулевой последовательности и отражает разницу в падении напряжений в схемах прямой и нулевой последовательностей при протекании по ним одинакового по величине тока.

Существует несколько путей решения уравнений (1). Но самое общее решение задачи идентификации заключается в анализе изменения целевой функции, что позволяет исключить влияние многих случайных факторов. Общим критерием определения места КЗ служит условие достижения целевой функцией глобального минимума при множестве варьируемых параметров. Простейшей целевой функцией может служить невязка уравнений (1), то есть отличие правой части уравнения от нуля. Для получения значений невязок следует изменять значение x от нуля до L и строить зависимость модуля правой части s от предполагаемого расстояния s(x).

Подобные зависимости показаны на рис.3 для однофазного замыкания фазы А на расстоянии в 60 км на линии с параметрами: U=220 кВ, L=100 км, Z _1уд = 0.107 +j0.408 Ом/км, Z _0уд = 0.257 + j1.33 Ом/км. Прилегающая система: Z _1с¢ = j20 Ом, Z _0с¢ = j20 Ом. Система противоположного конца линии: Z _1с² = j40 Ом, Z _0с² = j80 Ом. Угол между ЭДС систем в доаварийном режиме равен нулю, замыкание металлическое.

 

 

Рис.3. Зависимость невязок уравнений (1) от предполагаемого расстояния до места замыкания

Уравнений (1) шесть, поэтому на рисунке показаны 6 зависимостей, хотя некоторые из них совпадают между собой. Все зависимости прямолинейны. Около прямых показана их принадлежность к уравнению для фазных величин (А, В или С) или к уравнению для симметричных составляющих (1, 2 или 0). Как видим, невязки уравнений для фаз В и С совпадают между собой, то же имеет место для уравнений для прямой и обратной последовательностей. Причина ясна - угол наклона отрезка постоянен и определяется падением напряжения на одном километре линии в схеме данной последовательности; поскольку удельные сопротивления линии для токов прямой и обратной последовательностей равны, графики s(x) для этих последовательностей совпадают. Место КЗ определяется по любому из уравнений однозначно - в точке x =60 км все невязки равны нулю. Для уменьшения влияния погрешностей измерения электрических величин нужно стремиться использовать характеристики, имеющие наибольшую крутизну. На рис.3 это характеристика для поврежденной фазы А или для нулевой последовательности 0.

В принципе функций невязки может быть множество. В [7] предложена самая универсальная - реактивная мощность в месте КЗ Q. Она соответствует предположению, что все переходные сопротивления в месте КЗ резистивны (активны). Тогда естественно, что

_*

Q_ƒ = Im [ U _ƒ I _ƒ ] = 0. (4)

 

Здесь индекс ƒ соответствует точке замыкания (от английского слова fault).

До этого в теории дистанционной защиты и в теории ОМКЗ по [6] всегда использовалась предпосылка - переходное сопротивление активно, напряжение в точке КЗ совпадает по фазе с током в переходных сопротивлениях. При однофазных и двухфазных КЗ эти предпосылки совпадают. Однако преимущество выражения (4) в том, что оно верно и в общем случае двухфазного КЗ на землю или трехфазного КЗ через произвольные сопротивления в каждой фазе. То есть критерий (4) обладает большей общностью, чем ранее используемые критерии.

Для использования (4) в качестве целевой функции при определении расстояния следует:

- определить ток (или систему трех токов) I _ƒ = I ′ + I ″;

-задаваясь значениями расстояния x от 0 до L подсчитывать значения напряжения (или системы трех напряжений) U _x = U '- Δ U ';

- для каждого x подсчитывать реактивную мощность по (5) и строить ее зависимость σ_q(x). Точка, в которой реактивная мощность обратится в нуль, соответствует месту КЗ.

Расчет следует вести для всех трех фаз одновременно, если вид КЗ неизвестен; расчет можно вести только для поврежденной фазы, если известно, что замыкание однофазное. Ясно, что при однофазном замыкании подсчет тока I_ƒ неповрежденных фаз даст нулевой результат. Следовательно, и в общем случае, и в случае известного вида КЗ в системе (1) нет лишних уравнений.

Несмотря на кажущуюся простоту, реализация рассмотренного способа технически затруднена из-за необходимости фиксации шести комплексных величин на каждом конце линии. Даже в случае наличия соответствующих устройств следует "привязать" показания устройств с двух концов линии к единой временной оси отсчета. Предположим, что на каждом конце линии устройства фиксируют фазу шести электрических величин, отсчитывая их от напряжения фазы А или от напряжения прямой последовательности фазы А. Но между этими напряжениями на двух концах линии тоже есть угол, который неизвестен. Придется либо синхронизировать "внутренние часы" двух устройств с точностью до долей микросекунды (до 1-2 электрических градусов), либо как-то привязывать две векторные диаграммы (например, по току неповрежденной фазы). В любом случае получается очень непростая техническая система. Поэтому нам до сих пор неизвестны попытки использования критерия (4) непосредственно. Усилия разработчиков всегда были направлены на то, чтобы либо обойтись измерениями с одной стороны, либо измерять на двух сторонах только модули электрических величин, но не их фазовые углы. Ниже и будут рассмотрены практически используемые методы двустороннего и одностороннего замера.

Отметим дополнительно, что все рассматриваемые ниже методы пригодны только тогда, когда через место КЗ протекают достаточно большие токи, которые могут создать в линии заметные падения напряжения. Они непригодны при однофазных замыканиях в сети с изолированной нейтралью, где ток замыкания слишком мал.

 

ПРИНЦИПЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ ПО ДВУСТОРОННЕМУ ИЗМЕРЕНИЮ ПАРАМЕТРОВ АВАРИЙНОГО РЕЖИМА

 

Двусторонние измерения позволяют определить только место несимметричного КЗ с большим током. Место трехфазных коротких замыканий, обрыва проводов и замыканий одной фазы на землю в сети с изолированной нейтралью рассматриваемыми методами определить невозможно. Теоретически можно было бы определить место двухфазного КЗ в сети 6 - 35 кВ, но практически это используется редко из экономических соображений.

Теорию двустороннего ОМКЗ можно пояснить с помощью рис.4, на котором приведена поясняющая схема одиночной линии (рис.4а), схема замещения обратной или нулевой последовательности (рис.4б) и эпюра напряжений этой последовательности (рис.4в). Максимум напряжения находится в точке КЗ (источник обратной и нулевой последовательности находится в точке несимметрии). Отметим, что под U и I ниже понимаются модули (абсолютные значения) электрических величин, безотносительно к их фазе и направлению.

Предположим, что еще во время КЗ приборы фиксировали (запомнили) четыре величины: U′,I′,U″,I″. Непосредственно из эпюры рис 4в можно записать выражения для напряжения в точке КЗ при движении "слева" и "справа" (от шин левого и правого концов линии) к точке КЗ:

 

Рис.4. К пояснению принципа двустороннего ОМКЗ

 

U_k = U′+ I′*nX_л;

U_k= U″+ I″*(1-n)X_л.

 

Здесь Х_л - сопротивление линии в схеме данной последовательности,

nX_л - сопротивление от левого конца линии до места КЗ. Обращаем внимание, что выражения записаны для модулей, но не для комплексов – в них не учтен сдвиг по фазе между током и напряжением.

Приравнивая правые части выражений и решая полученное уравнение относительно nХ_л, получаем:

U′ + I′*nX_л = U″+ I″*(1-n)X_л;

nX_л *(I′+ I″) = U″ - U′ + I″X_л.

 

U″ - U′ + I″X_л

nX = ——————— (5)

(I′+ I″)

 

Практически производится замер величин нулевой или обратной последовательностей, а решение ищется относительно расстояния до места КЗ: l ′ = n*L = n*X_л/X_уд, где Х_уд - сопротивление одного километра линии в схеме данной последовательности, L - полная длина линии.

Расчетные формулы имеют вид:

3U₀″-3U₀′+3I₀″X_{0 уд}L U₂″-U₂′+I₂″X_{1 уд}L

l ′ = —————————; l ′ = ———————— (6)

(3I₀′+3I₀″)X_{0 уд} (I₂′+I₂″)X_{1 уд}

 

Отметим ряд особенностей формул и самого метода расчета по двустороннему замеру:

1)В формулах участвуют модули токов и напряжений. Фаза и направление токов не имеют значения. Это предопределяет относительную простоту выполнения фиксирующих приборов.

2)При выводе не учитывался вид короткого замыкания: одной или двух фаз на землю при расчете по составляющим нулевой последовательности или даже двухфазного без земли при расчете по составляющим обратной последовательности. Схема рис.4б и эпюра рис.4в не зависят от вида замыкания. Для расчетов не требуется знать вид КЗ, что позволяет приступить к расчетам немедленно после считывания показаний приборов.

3)В расчете не участвует переходное сопротивление в месте КЗ. На рис.4б переходное сопротивление оказалось вне контура, для которого составлялось уравнение. Теоретически двусторонний замер полностью исключает влияние переходного сопротивления. Практически это верно до тех пор, пока из-за переходных сопротивлений значения токов и напряжений при КЗ не станут так малы, что приборы выйдут за пределы необходимой точности измерения. В частности, приборы плохо работают в районах вечной мерзлоты и в районах со скальным грунтом, где значительные переходные сопротивления при КЗ на землю затрудняют работу и защит линии, и фиксирующих приборов.

4)На расчет не влияют составляющие токов нагрузочного режима. Объясняется это тем, что ведется фиксация величин обратной или нулевой последовательностей, отсутствующих в нагрузочном режиме. Если бы фиксировались составляющие прямой последовательности, избавиться от влияния нагрузок было бы невозможно. Строго говоря, от нагрузок зависит напряжение в точке КЗ в доаварийном режиме, которое определяет величину всех составляющих других последовательностей. В частности, при качаниях указанное напряжение может настолько снизиться, что приведет к отказу приборов. Однако при разумных значениях токов нагрузочного режима их влияние на двусторонний замер отсутствует.

5)Расчеты относительно не сложны и доступны даже низкоквалифицированному персоналу.

Все перечисленные особенности носят положительный характер, что и предопределило внедрение методов двустороннего замера. Отрицательна сама необходимость получения данных с двух концов линии, необходимость передачи данных с конца на конец или вышестоящему диспетчеру. Имеются системы с телепередачей данных и автоматическим проведением расчетов. Однако они относительно сложны и не получили широкого распространения. Кроме того, все формулы выведены без учета активных сопротивлений линии, что само по себе вносит определенную погрешность.

Для расчетов требуются фиксирующие амперметры на каждой линии и фиксирующие вольтметры на системах шин. Иногда можно уменьшить количество приборов с учетом связи между током и напряжением: U′ = I′ * X_С′; U″ = I″* X_С″. В простейших случаях сопротивления систем хорошо известны и стабильны, особенно в схеме нулевой последовательности. Однако в сложно-замкнутой сети понятие сопротивлений систем теряет простоту и уменьшение количества приборов приводит к появлению множества расчетных формул - каждая коммутация в сети приводит к изменению формулы. Поэтому целесообразно ориентироваться на расчет по четырем замерам.

В настоящее время в энергосистемах преимущественное распространение получили методы определения места КЗ, основанные на измерении параметров нулевой последовательности, несмотря на то, что при этом невозможно определить место междуфазного замыкания. Подобное положение определяется следующими причинами:

- высоким удельным весом коротких замыканий на землю (однофазных и двухфазных), составляющих на воздушных линиях 80-90% всех случаев КЗ;

- независимость сопротивления нулевой последовательности сетей, примыкающих к контролируемой ЛЭП, от токов нагрузки, что существенно при расчетах по показаниям двух или трех приборов;

- простотой обеспечения измерений токов и напряжений нулевой последовательности (нет необходимости в использовании специальных фильтров обратной последовательности);

- меньшей погрешностью фильтров нулевой последовательности по сравнению с фильтрами обратной последовательности (1,6 - 2% против 4 - 6%).

Необходимо, однако, отметить, что на линиях электропередачи, имеющих сложную электромагнитную связь между собой, а также на ЛЭП с большой долей двухфазных КЗ целесообразно использовать параметры обратной последовательности.

Допустимость отказа от определения места междуфазных КЗ объясняют тем, что с ростом класса напряжения линии вероятность междуфазных КЗ в промежуточных точках линии уменьшается. С увеличением напряжения увеличиваются расстояния между фазами. Трудно представить себе причину перекрытия по воздуху между фазами на линии 500 кВ при расстоянии между проводами в 11 метров. В сетях 110 кВ и выше 85% всех КЗ - однофазные. Междуфазные КЗ происходят в основном на самих подстанциях, когда нет необходимости в поиске места повреждения.

 

ТРЕБОВАНИЯ К ФИКСИРУЮЩИМ ВОЛЬТМЕТРАМ И АМПЕРМЕТРАМ

 

Фиксирующими вольтметрами и амперметрами называются измерительные приборы, которые обеспечивают измерение и длительное запоминание (фиксацию) значений напряжений и токов, существовавших в режиме КЗ на высоковольтной линии (ВЛ). Структурная схема, принцип работы и характеристики фиксирующих вольтметров и амперметров определяются требованиями к этим приборам. Фиксирующие вольтметры и амперметры должны работать автоматически в режиме коротких замыканий на ВЛ и правильно взаимодействовать с устройствами релейной защиты, системой аварийной сигнализации подстанции, а также с устройством автоматического повторного включения (АПВ).

Рассмотрим основные требования к фиксирующим вольтметрам и амперметрам [4].

БЫСТРОДЕЙСТВИЕ. Фиксирующие вольтметры и амперметры должны запоминать значения напряжений и токов, существующих в режиме КЗ, до начала отключения выключателей поврежденной ВЛ. Объясняется это как тем, что некоторые расчетные выражения верны лишь при всех включенных выключателях (например, выражение (7) для ОМКЗ на параллельных линиях), так и тем, что прибор даст неправильные показания, если в процессе замера электрические величины резко изменятся из-за отключения выключателей. Обычно время фиксации не должно превышать 0,1 с после начала КЗ, а в некоторых случаях - 0,06 с. При этом должна обеспечиваться одновременность фиксации электрических величин с обоих концов ВЛ, поскольку сами токи и напряжения меняются во времени (из сверхпереходных становятся переходными).

ОТСТРОЕННОСТЬ ОТ СВОБОДНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ. Все приведенные выше выражения для расчета расстояния до места КЗ верны для действующих значений электрических величин на промышленной частоте 50 Гц.

Поэтому фиксирующие приборы должны быть отстроены от влияния свободных составляющих электромагнитного переходного процесса при КЗ. Для линий 110 220 кВ особо важна отстройка от апериодических составляющих; для линий 500-1150 кВ - от высших гармонических составляющих.

КРАТНОСТЬ ЗАПОМИНАНИЯ. Выпускавшиеся ранее фиксирующие вольтметры и амперметры являлись приборами с ограниченной емкостью памяти. Объем памяти рассчитан на хранение информации только в одном замере. Данные приборы являются однократными. Пришедшие им на смену микропроцессорные приборы способны хранить информацию о нескольких предшествующих авариях.

БЛОКИРОВКА. Действие фиксирующих вольтметров и амперметров должно быть четко увязано с работой устройств релейной защиты и автоматического повторного включения. При неуспешном АПВ ВЛ режим КЗ возникает два раза со столь малым интервалом, что персонал не успевает считать показания приборов. Поэтому однократные фиксирующие приборы должны обеспечивать фиксацию при первом КЗ, а затем выводиться из действия, т.е. блокироваться и не реагировать на последующие КЗ до считывания показаний.

Правильная работа однократных фиксирующих вольтметров и амперметров в цикле неуспешного АПВ достигается за счет блокировки их действия после первого срабатывания. В принципе от блокировки можно отказаться, если обеспечено автоматическое быстрое считывание (например, устройствами телемеханики).

СЕЛЕКТИВНОСТЬ. Приборы имеют весьма чувствительные пусковые органы и часто при КЗ на одной из линий пускаются приборы и поврежденной, и соседних линий. Рассмотренная выше блокировка приводила бы к выводу из действия однократных фиксирующих приборов при КЗ на соседних ВЛ. Поэтому должна быть предусмотрена возможность так называемого "селективного" включения, т.е. автоматического сброса показаний и деблокирования сработавших фиксирующих вольтметров и амперметров при отсутствии сигнала аварийной сигнализации подстанции об аварийном отключении выключателя обслуживаемой ВЛ. Таким образом, правильная работа при КЗ только на обслуживаемой ВЛ обеспечивается за счет управления работой фиксирующих вольтметров и амперметров от системы аварийной сигнализации подстанции. Если релейная защита или выключатель откажут при КЗ на своей ВЛ, то откажут и ее фиксирующие приборы.

ДЛИТЕЛЬНОСТЬ ЗАПОМИНАНИЯ. Снятие показаний фиксирующих приборов на подстанциях, не оснащенных устройствами телемеханики или системами АСУ ТП, осуществляется дежурным персоналом. На подстанциях с постоянным дежурным персоналом эта операция может быть произведена в течение нескольких минут (или десятков минут) после КЗ. На подстанциях без постоянных дежурных для снятия показаний могут потребоваться часы. Между тем после аварии на подстанции, особенно если она работает на переменном оперативном токе, может пропадать питание приборов. Поэтому прибор должен обладать энергонезависимой памятью. Приборы типа ФИП и ФИП-1 имеют механический счетчик импульсов. Приборы типа ЛИФП имеют счетчик двоично-десятичный с дублированием информации на двухпозиционных электромеханических реле. И в том, и в другом случае длительность энергонезависимого хранения информации безгранична. Микропроцессорные приборы тоже обеспечивают хранение информации не менее, чем на 10 часов (обычно с помощью предварительно заряженных конденсаторов).

КРАТНОСТЬ ДИАПАЗОНА. Возможные значения подлежащих фиксации напряжений и токов могут изменяться в широких пределах. Для фиксирующих амперметров отношение максимальных возможных значений (при близких КЗ) к минимальным возможным значениям (при удаленных КЗ через большие переходные сопротивления) может быть достаточно велико. Поэтому кратность диапазона фиксирующих приборов должна быть не менее 50, а иногда даже 100.

ТОЧНОСТЬ. Точность фиксирующих амперметров и вольтметров необходимо регламентировать допустимой относительной погрешностью фиксации во всем диапазоне измерений. Для обеспечения заданной точности ОМКЗ оказывается допустимым иметь максимальную относительную погрешность не более 5% во всем диапазоне работы фиксирующих приборов.

СОПРЯЖЕНИЕ С УСТРОЙСТВАМИ АВТОМАТИЧЕСКОГО СЪЕМА ПОКАЗАНИЙ. Фиксирующие приборы должны быть приспособлены для передачи своих показаний. Приборы типа ФИП и ЛИФП обеспечивают возможность связи с устройствами телемеханики. Микропроцессорные приборы в принципе могут включаться в систему АСУ ТП, хотя практическая реализация данной возможности и не проста (см. раздел 13).

МИНИМАЛЬНОЕ ПОТРЕБЛЕНИЕ МОЩНОСТИ. По измерительному входу прибора потребление мощности должно быть минимальным для уменьшения нагрузки на измерительные трансформаторы тока и напряжения с целью уменьшения их погрешности.

 

ВАРИАНТЫ СПОСОБОВ ОДНОСТОРОННЕГО ЗАМЕРА

 

Техническая реализация одностороннего замера возможна многими путями, но все дают один и тот же результат. Перечислим некоторые известные варианты применительно к однофазным замыканиям.

ИТЕРАЦИОННЫЙ РАСЧЕТ. Сущность его заключается в постепенном приближении к искомой точке КЗ от некоторой начальной точки, взятой произвольно. Критериев, определяющих направление передвижения и конец поиска, может быть несколько. В [6] в качестве критерия предложено направление вектора

3 I ₀

Δ Z _УД = ——————, (21)

С _{0 Р} (I _Ф+К I ₀)

 

где С _{0 Р} = (Z ₀₀ – Z _{0 С} – Z _{0 К}) / Z ₀₀ = I ₀ / I _0К (22)

-коэффициент токораспределения по схеме нулевой последовательности,

Z _{0 С} Z _{0 К,} Z ₀₀ - сопротивления прилегающей системы, линии до точки КЗ и суммарное сопротивление всей схемы нулевой последовательности.

Можно сказать, что Δ Z _УД - "кажущееся" с данного конца линии сопротивление одного Ома переходного сопротивления. В [6] показано, что если в ходе расчета принять слишком малое предполагаемое расстояние до предполагаемого места КЗ, то угол arg(ΔZ/ Δ Z _УД) положителен. Если расстояние преувеличено, угол отрицателен. При точном значении расстояния угол равен нулю. Особенно целесообразно применять итерационные расчеты на длинных линиях, где с удалением точки КЗ меняется и значение, и фаза тока нулевой последовательности.

РАСЧЕТЫ ЗНАЧЕНИЙ ЦЕЛЕВЫХ ФУНКЦИЙ ПРИ ПЕРЕМЕЩЕНИИ ПРЕДПОЛАГАЕМОГО МЕСТА КЗ ВДОЛЬ ЛИНИИ. В разделе 2 уже описан способ идентификации параметров линии, основанный на расчете значений целевых функций при перемещении предполагаемого места КЗ вдоль всей длины линии. В качестве прямой целевой функции можно использовать значение реактивной мощности в точке КЗ - по выражению (4). Однако для этого следует знать I _ƒ - ток в переходном сопротивлении, что возможно только при двустороннем замере. В [7] введено понятие косвенной целевой функции, когда ток в переходном сопротивлении заменяют близким ему по фазе током. Как показано в предыдущем параграфе, в качестве опорного можно взять токи нулевой или обратной последо