Научная статья на тему 'Исследование скорости распространения сигналов переходных процессов по воздушным линиям электропередачи'

Исследование скорости распространения сигналов переходных процессов по воздушным линиям электропередачи Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
388
79
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
СИГНАЛ / ПЕРЕХОДНОЙ ПРОЦЕСС / ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ / ФАЗОВАЯ СКОРОСТЬ / ЗАЗЕМЛЕНИЕ НЕЙТРАЛИ / СКОРОСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ / ПОГРЕШНОСТЬ / ДРЕВОВИДНАЯ ТОПОЛОГИЯ / МОДЕЛИРОВАНИЕ / MATLAB/SIMULINK

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Хузяшев Рустэм Газизович, Кузьмин Игорь Леонидович, Новиков Сергей Иванович, Тукаев Самат Маратович

Рассматриваются способы определения места повреждения в распределительных сетях с древовидной топологией. Существующие способы предусматривают измерение аварийных сигналов тока вблизи узловых точек сети. Это осуществляется мобильными устройствами путем пешего обхода линии, либо стационарными устройствами, установленными на проводах линии. В качестве перспективного метода рассмотрен волновой метод, основанный на регистрации сигналов напряжения аварийного переходного процесса в концах ответвлений распределительной сети. Это позволяет устанавливать датчики комплекса в концевых трансформаторных подстанциях, что решает проблему их электропитания и защиты от вандализма. Информация с датчиков комплекса передается на удаленный сервер, где совместно обрабатывается. Численным моделированием в пакете «MATLAB/Simulink» показано, что величина скорости распространения сигнала аварийного переходного процесса зависит от габаритов линии электропередачи, сопротивления почвы, способа заземления нейтрали сети, вида аварии и способа регистрации сигнала переходного процесса и может доходить до значений порядка 214 м/мкс. Приведены результаты экспериментальных измерений скорости распространения сигналов переходных процессов в распределитель-ной сети 10 кВ, которые находятся в интервале значений 200-250 м/мкс. Оценена погрешность алгоритма определения места повреждения при известных координатах источника сигнала переходного процесса, которая не превышает нескольких сотен метров. Полученная погрешность указывает на работоспособность волнового алгоритма определения места повреждения в распределительных сетях 6-10 кВ. С целью уменьшения погрешности определения места повреждения предлагается разработать алгоритмы контроля скорости распространения сигналов переходного процесса

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Хузяшев Рустэм Газизович, Кузьмин Игорь Леонидович, Новиков Сергей Иванович, Тукаев Самат Маратович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

INVESTIGATION OF THE SPEED OF PROPAGATION OF THE TRANSIENT SIGNALS OVER OVERHEAD POWER LINES

The article is devoted to the ways of determining the fault location in distribution networks with a tree topology. Existing methods provide for the measurement of current alarms near network nodes. This can be done with the using mobile devices by walking around the line, or by stationary devices installed on the line wires. As a promising method, the wave method based on the recording of voltage signals of an emergency transient process at the ends of the branches of the distribution network is considered. This allows the installation of sensors in the terminal transformer substations, which solves the problem of their power supply and protection from vandalism. The information from the complex sensors is transmitted to the remote server, where it is processed together. Numerical simulation in the «MATLAB/Simulink» package shows that the speed of propagation of a transient signal depends on the dimensions of the power line, the soil resistance, the method of grounding the network neutral, the type of failure and the method of recording the transient signal, and can reach values of the order of 214 m/μs. The results of experimental measurements of the speed of propagation of transient signals in the distribution network of 10 kV, which are in the range of values of 200-250 m/μs, are presented. The error in the algorithm for determining the fault location at known coordinates of the transient signal source is estimated, which does not exceed several hundred meters. The received error indicates the operability of the wave algorithm for determining the fault location in distribution networks of 6-10 kV. In order to reduce the error in determining the location of the damage, it is proposed to develop algorithms for controlling the propagation velocity of the transient signals.

Текст научной работы на тему «Исследование скорости распространения сигналов переходных процессов по воздушным линиям электропередачи»

Electrical facilmes and systems

Хузяшев Р. Г. Khuzyashev Я. G.

кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Электроэнергетические системы и сети», ФГБОУ ВО «Казанский государственный энергетический университет», г. Казань, Российская Федерация

¿к

Новиков С. И. Novikov S. I.

ведущий специалист службы электрических режимов, филиал Акционерного общества «Системный оператор Единой энергетической системы», Региональное диспетчерское управление Татарстана, г. Казань, Российская Федерация

Ж.

Кузьмин И. Л. Kuzmin I. Ь.

кандидат технических наук, доцент кафедры «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем», ФГБОУ ВО «Казанский государственный энергетический университет», г. Казань, Российская Федерация

Тукаев С. М. Tukaev S. М.

студент кафедры «Электроэнергетические системы и сети», ФГБОУ ВО «Казанский государственный энергетический университет», г. Казань, Российская Федерация

УДК 621.316

ИССЛЕДОВАНИЕ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СИГНАЛОВ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ПО ВОЗДУШНЫМ ЛИНИЯМ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

Рассматриваются способы определения места повреждения в распределительных сетях с древовидной топологией. Существующие способы предусматривают измерение аварийных сигналов тока вблизи узловых точек сети. Это осуществляется мобильными устройствами путем пешего обхода линии, либо стационарными устройствами, установленными на проводах линии. В качестве перспективного метода рассмотрен волновой метод, основанный на регистрации сигналов напряжения аварийного переходного процесса в концах ответвлений распределительной сети. Это позволяет устанавливать датчики комплекса в концевых трансформаторных подстанциях, что решает проблему их электропитания и защиты от вандализма. Информация с датчиков комплекса передается на удаленный сервер, где совместно обрабатывается. Численным моделированием в пакете «MATLAB/Simulmk»

показано, что величина скорости распространения сигнала аварийного переходного процесса зависит от габаритов линии электропередачи, сопротивления почвы, способа заземления нейтрали сети, вида аварии и способа регистрации сигнала переходного процесса и может доходить до значений порядка 214 м/мкс. Приведены результаты экспериментальных измерений скорости распространения сигналов переходных процессов в распределительной сети 10 кВ, которые находятся в интервале значений 200-250 м/мкс. Оценена погрешность алгоритма определения места повреждения при известных координатах источника сигнала переходного процесса, которая не превышает нескольких сотен метров. Полученная погрешность указывает на работоспособность волнового алгоритма определения места повреждения в распределительных сетях 6-10 кВ. С целью уменьшения погрешности определения места повреждения предлагается разработать алгоритмы контроля скорости распространения сигналов переходного процесса.

Ключевые слова: сигнал, переходной процесс, определение места повреждения, фазовая скорость, заземление нейтрали, скорость распространения, погрешность, древовидная топология, моделирование, MATLAB/Simulink.

INVESTIGATION OF THE SPEED OF PROPAGATION OF THE TRANSIENT SIGNALS OVER OVERHEAD POWER LINES

The article is devoted to the ways of determining the fault location in distribution networks with a tree topology. Existing methods provide for the measurement of current alarms near network nodes. This can be done with the using mobile devices by walking around the line, or by stationary devices installed on the line wires. As a promising method, the wave method based on the recording of voltage signals of an emergency transient process at the ends of the branches of the distribution network is considered. This allows the installation of sensors in the terminal transformer substations, which solves the problem of their power supply and protection from vandalism. The information from the complex sensors is transmitted to the remote server, where it is processed together. Numerical simulation in the «MATLAB/Simulink» package shows that the speed of propagation of a transient signal depends on the dimensions of the power line, the soil resistance, the method of grounding the network neutral, the type of failure and the method of recording the transient signal, and can reach values of the order of 214 m/p,s. The results of experimental measurements of the speed of propagation of transient signals in the distribution network of 10 kV, which are in the range of values of 200-250 m/^s, are presented. The error in the algorithm for determining the fault location at known coordinates of the transient signal source is estimated, which does not exceed several hundred meters. The received error indicates the operability of the wave algorithm for determining the fault location in distribution networks of 6-10 kV. In order to reduce the error in determining the location of the damage, it is proposed to develop algorithms for controlling the propagation velocity of the transient signals.

Key words: signal, transient, fault location, phase velocity, neutral ground, propagation velocity, error, tree topology, simulation, MATLAB/Simulink.

Введение

Определение места повреждения (ОМП) в сетях 6-10 кВ в настоящее время выполняется с использованием топографических средств. Это подразумевает использование устройств, фиксирующих аварийные сигналы тока и напряжения непосредственно в узловых точках разветвленной воздушной линии (ВЛ). Устройства подразделяют на мобильные, которыми пользуются при поиске однофазных замыканий на землю (ОЗЗ), и стационарные, которые устанавли-

ваются на фазные провода и опоры ВЛ. Примером первых является переносной прибор «Квант» [1], которым пользуются для поиска места устойчивого ОЗЗ. Примером стационарных устройств являются индикаторы фирмы «Антракс» [2], которые монтируются на провода ВЛ и предназначены для определения зоны повреждения при межфазных КЗ и ОЗЗ. С целью повышения точности ОМП при межфазных коротких замыканиях (КЗ) и ОЗЗ и уменьшения количества стационарных устройств в [3] предлагается в

ELECTRicAL FAciLiTiEs AND sYsTEMs

концах ответвлений ВЛ регистрировать сигналы напряжения переходных процессов, рождаемых аварийными коммутациями. Каждое устройство регистрирует время прихода сигнала переходного процесса (ПП) в единой для всех устройств спутниковой шкале времени. Тогда алгоритм ОМП на ВЛ, соединяющей каждую пару устройств, определяется выражением:

L dT-V

х = — +-,

2 2

(1)

где L — расстояние между парой устройств; dT — разница времени прихода сигнала ПП в парные устройства; V — скорость распространения сигнала вдоль ВЛ; х — расстояние до места повреждения.

Как видим из (1), погрешность ОМП зависит от точности определения расстояния между устройствами, разностного времени и величины скорости распространения сигнала. Величина расстояния по ВЛ искажается провисанием провода, которое не превышает долей процента от длины линии. Точность определения времени прихода переднего фронта сигнала ПП определяется точностью привязки к спутниковой шкале времени, которая составляет десятые доли микросекунды, и интервалом дискретизации входного сигнала в регистрирующем устройстве, которое также составляет десятые доли микросекунды.

Известно, что величина скорости распространения электромагнитных сигналов по ВЛ определяется их частотой и модой распространения [4]. Для типовой трехфазной ВЛ определяются три моды распространения электромагнитных колебаний:

— первая мода (средняя фаза — две крайние);

— вторая мода (крайняя левая фаза — средняя и крайняя правая);

— нулевая мода (все три фазы — земля).

Затухание и скорость распространения

гармонических сигналов каждой моды определяются комплексной величиной постоянной распространения [5].

Численное моделирование параметров распространения сигнала вдоль ВЛ

Удельные параметры активного сопротивления и индуктивности трехпроводной ВЛ в рамках теории скин-эффекта зависят от

частоты гармонического сигнала и сопротивления почвы, над которой расположена ВЛ. Учет этого факта позволяет [6, 7] рассчитать частотную зависимость величины постоянной распространения. Исследуем зависимость фазовой скорости распространения гармонического сигнала от проводимости почвы и габаритов ВЛ в пакете «МА^АВ/ Simulink». На рисунках 1 и 2 изображены частотные зависимости фазовой скорости нулевой и первой мод для ВЛ 10 кВ и 110 кВ с учетом разной проводимости земли. Скорость распространения сигнала первой моды практически не зависит от габаритов ВЛ и проводимости почвы. Скорость распространения сигнала нулевой моды заметно уменьшается с уменьшением габаритов ВЛ и сопротивления почвы.

Среда распространения электромагнитных колебаний в ВЛ является неоднородной и состоит из двух сред: воздушного промежутка, определяемого габаритами ВЛ, и земляного промежутка, глубина которого определяется скин-эффектом. Эта комбинированная среда наибольшее влияние оказывает на распространение нулевой моды. С увеличением доли земляного промежутка, что происходит при уменьшении габаритов ВЛ пропорционально уменьшению класса напряжения, отличие скорости распространения электромагнитных волн от скорости света увеличивается.

Измерение скорости распространения сигнала по модельным осциллограммам

По результатам моделирования [8] «запаздывание фронта волн второй группы по отношению к первой достигает (при длине линии 600 км) нескольких десятков, а волн нулевой группы — нескольких сотен микросекунд, т. е. при времени распространения сигнала первой моды в 2 мс это соответствует скорости 300 м/мкс, скорость распространения сигналов второй моды уменьшится на 1-4 % и составит (297-288 м/мкс), а для волн нулевой моды — 10-40 % (270-180 м/мкс).

Согласно экспериментальным измерениям, выполненным георадарами [9], скорость распространения электромагнитных колебаний в разных почвах колеблется от 30 до 200 м/мкс.

Рисунок 1. График зависимости фазовых скоростей первой моды трехпроводной ЛЭП 10-110 кВ от частоты при различных сопротивлениях грунта

Рисунок 2. График зависимости фазовых скоростей нулевой моды трехпроводной ЛЭП 10-110 кВ от частоты при различных сопротивлениях грунта

В общем случае сигнал, распространяющийся по фазному проводу ВЛ, является комбинацией сигналов всех трех модовых каналов. Согласно исследованиям [7], нулевой канал характеризуется более выраженной дисперсией или зависимостью скорости распространения от частоты и большей величиной затухания относительно первого и вто-

Электротехнические и информационные комплексы

рого межфазных каналов. Показано, что, вследствие более сильного затухания сигнала нулевой моды по сравнению с межфазными модами, передний фронт сигнала переходного процесса состоит из двух составляющих. Первая составляющая обусловлена сигналом, имеющим большую скорость и распространяющимся по межфазному каналу

- 27

и системы. № 3, т. 13, 2017

Electrical facilmes and systems

с меньшей дисперсией, т. е. с менее расплывшимся передним фронтом. Вторая составляющая обусловлена сигналом, имеющим меньшую скорость и распространяющимся в нулевом канале с большей дисперсией, т.е. с более расплывшимся передним фронтом.

С целью моделирования распространения аварийных сигналов в пакете «МА^АВ/ Simulink» была составлена схема и произведен расчет осциллограмм сигналов на всех трех фазах ВЛ. ВЛ запитывалась источниками синусоидального сигнала частотой 50 Гц, сдвинутыми по фазе на треть периода. С целью максимального устранения сигналов переотражения от концов линии место аварии в виде замыкания фазы А на землю

выбиралось в начале ВЛ. Рассматривались два вида заземления: изолированная нейтраль, характерная для распределительных сетей 6-35 кВ и заземленная нейтраль, характерная для сетей более высокого напряжения. На рисунках 3, 4 приведены графики временных осциллограмм, замеренных в начале ВЛ и на расстоянии 20 км от начала. Полученные осциллограммы показывают, что при ОЗЗ возбуждается лишь нулевая мода, а при однофазном и межфазном КЗ возбуждаются все моды.

Результаты моделирования распространения сигнала ступенчатой формы в пакетах «МАТЪАВ» и «ЕМТР» [7] убедительно показывают уменьшение скорости распростране-

Рисунок 3. Временные зависимости напряжения фазы А в месте повреждения

Рисунок 4. Временные зависимости напряжения фазы А на удалении 20 км от места повреждения

ния нулевой моды относительно первой (межфазной) вплоть до величин 214 м/мкс.

Экспериментальное измерение скорости программно-аппаратным комплексом

Рассмотрим результаты экспериментальных измерений на ВЛ 10 кВ, которые позволяют оценить точность ОМП разрабатываемого комплекса. Прототипы разрабатываемых датчиков были установлены в КТП в начале и в конце линии. Расстояние между датчиками 4810 м. Промежуточная КТП, расположенная на удалении 3330 м от концевой КТП, оборудована секционным разъединителем. Коммутации головного выключателя и секционного разъединителя формируют сигналы переходного процесса.

На удаленном сервере автоматически обрабатываются временные осциллограммы сигналов переходного процесса, синхронно сработавших датчиков, записанные в единой спутниковой шкале времени. Разность времен начала сигналов переходного процесса несет информацию о месте его генерации. На рисунках 5 и 6 приведены примеры сигнала переходного процесса, вызванного ОЗЗ в голове линии. В таблицах 1 и 2 приведены усредненные результаты определения скорости распространения сигналов нормальных и аварийных коммутаций, что возможно при известных координатах генерации сигналов — голова линии и месторасположения секционного выключателя.

Рисунок 5. Синхронные осциллограммы аварийной коммутации 01.09.2016 в 21:07

Рисунок 6. Синхронные осциллограммы аварийной коммутации 01.09.2016 в 21:07

с малым временным масштабом

ELECTRicAL FAciLiTiEs AND sYsTEMs

Таблица 1. Параметры скорости распространения сигнала при его распространении от начала ВЛ, общее число регистраций равно 11

Параметры Разность времени регистрации синхронных сигналов dT, мкс Погрешность ОМП dX, м Приведенная погрешность ОМП dX, %

Среднее значение 23,0 376 8

Станд. отклонение 5,0 333 7

Скорость, м/мкс 209,2

Таблица 2. Параметры скорости распространения сигнала при его распространении от секционного выключателя, общее число регистраций равно 6

Параметры Разность времени регистрации синхронных сигналов dT, мкс Погрешность ОМП, dX м Приведенная погрешность ОМП dX, %

Среднее значение 7,5 0 0

Станд. отклонение 1,3 45 1

Скорость, м/мкс 246,1

Экспериментально замеренная скорость распространения сигнала нулевой моды находится в рамках, предсказываемых численным моделированием. Зависимость скорости распространения сигнала на разном удалении от места возникновения говорит либо о неодинаковости скорости нулевой моды на разных участках ВЛ, либо об уменьшении скорости распространения с увеличением пройденного расстояния, что может быть вызвано дисперсией и сильным увеличением затухания с ростом частоты гармонических составляющих сигнала.

Выводы

Проведенный анализ литературы убедительно показывает, что скорость распростра-

нения нулевой моды в трехпроводной ВЛ значительно отличается от скорости света. Отсюда следует, что при разработке алгоритма программно-аппаратного комплекса ОМП, необходимо предусмотреть действия для мониторинга этой скорости.

Результаты моделирования распространения сигнала ступенчатой формы в пакетах «МАТЬАВ» и «ЕМТР» показывают уменьшение скорости распространения нулевой моды относительно межфазной вплоть до величин 214 м/мкс.

Результаты экспериментальных измерений показывают работоспособность волнового алгоритма ОМП в сетях с изолированной нейтралью.

Список литературы

1. Прибор «Квант» [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.rza.ru/ catalog.

2. Индикатор короткого замыкания фирмы «Антракс» [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://antraks.ru.

3. Патент RU 2 372 624 C1 (РФ), МПК G 01 R 31/08. Способ определения места однофазного замыкания в разветвленной воздушной линии электропередач, способ определения места междуфазного короткого замыкания в разветвленной воздушной линии электропередач и устройство контроля тока и напряжения для их осуществления / Р.Г. Хузяшев, И.Л. Кузьмин (РФ). Заявл. 12.03.2008; опубл. 10.11.2009, Бюл. № 31.

4. Костенко М.В., Перельман Л.С., Шкарин Ю.П. Волновые процессы и элек-

трические помехи в многопроводных линиях высокого напряжения. М.: Энергия, 1973. 272 с.

5. Шалыт Г.М., Айзенфельд А.И., Малый А.С. Определение мест повреждения линий электропередачи по параметрам аварийного режима. М.: Энергоатомиздат, 1983. 208 с.

6. Carson J.R. Wave Propagation in Overhead Wires with Ground Return // Bell System Technical Journal. 1926. No. 5. P. 539-540.

7. Смирнов А.Н. Волновой метод двусторонних измерений для определения места повреждения воздушной линии электропередачи 110-220 кВ: дисс. ... канд. техн. наук. М.: ОАО «Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского», 2015. 209 с.

8. Лачугин В.Ф. и др. Исследование волновых процессов для релейной защиты

линий сверхвысокого напряжения // Электричество. 1983. № 3.

9. Статья «Георадиолокация» [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://ru. wikipedia.org/wiki/Георадиолокация.

References

1. The Device «Quantum» [Electronic Resource]. Access Mode: http://www.rza.ru/ catalog.

2. The Short-Circuit Indicator of the Firm «Anthrax» [Electronic Resource]. Access mode: http://antraks.ru.

3. Patent RU 2 372 624 C1 (RF), IPC G 01 R 31/08. A Method for Determining the SinglePhase Closure in a Branched Overhead Power Transmission Line, a Method for Determining the Location of a Phase-to-Phase Short Circuit in a Branched Overhead Power Transmission Line and a Current and Voltage Monitoring Device for Their Implementation / R.G. Khuzyashev, I.L. Kuzmin (Russian Federation). Claimed 12.03.2008; publ. 10.11.2009, bul. No. 31.

4. Kostenko M.V., Perelman L.S., Shka-rin Y.P. Wave Processes and Electrical Distur-

bances in Multi-Wire High-Voltage Lines. Moscow: Energia Publ., 1973. P. 272.

5. Shalyt G.M., Eisenfeld A.I., Maluy A.S. Determination of Fault Location of Power Transmission Lines According to Emergency Mode Parameters. Moscow: Energoatomizdat Publ., 1983. P. 208.

6. Carson J.R. Wave Propagation in Overhead Wires with Ground Return // Bell System Technical Journal. 1926. No. 5. P. 539-540.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

7. Smirnov A.N. Wave Method of Bilateral Measurements for Determining the Location of Damage to the 110-220 kV Overhead Transmission Line: Diss. ... Cand. Tech. Sciences. Moscow: JSC «Power Engineering Institute G.M. Krzhizhanovskogo», 2015. P. 209.

8. Lachugin V.F. et al. Investigation of Wave Processes for Relay Protection of Ultrahigh Voltage Lines // Electricity. 1983. No. 3.

9. Article «Georadiolocation» [Electronic Resource]. Access Mode: https://ru.wikipedia. org/wiki/Georadiolocation.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.