CC BY
99
Оригинальная статья / Original article УДК 621.31
DOI: http://dx.doi.org/10.21285/1814-3520-2018-6-129-136
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕСТА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
© Н.С. Бурянина1, Ю.Ф. Королюк2, Е.В. Лесных3, К.В. Суслов4
12Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова,
677009, Российская Федерация, Республика Саха (Якутия), г. Якутск, ул. Строителей, 8.
3Сибирский государственный университет путей сообщения,
630049, Российская Федерация, г. Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук, 191.
4Иркутский национальный исследовательский технический университет,
664074, Российская Федерация, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. При авариях на линиях электропередачи очень важным является определение места повреждения. Значительную долю повреждений на линиях составляют однофазные короткие замыкания, сопровождаемые обрывами фаз. В данной работе предложены способы определения мест на линиях в сетях с заземленной нейтралью с использованием мгновенных значений параметров промышленной частоты. МЕТОДЫ. Исследования выполнены по программам, моделирующим переходные процессы при коротких замыканиях, сопровождаемых появлением в токах апериодических составляющих. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. Предложен алгоритм одностороннего способа определения места разрыва фазы линии электропередачи, основанный на обработке мгновенных значений токов и напряжений. Предложен и исследован алгоритм исключения из измеренных токов апериодических составляющих. ВЫВОДЫ. При длительностях интервалов дискретизации в 0,5-0,625 мс, время измерения не превысит 2,5 мс. За это время не наступит насыщение магнитопроводов трансформаторов тока, то есть релейная защита получает неискаженную информацию. Можно определить место разрыва фазы линии электропередачи, измеряя мгновенные значения фазных токов и напряжений со стороны участка линии без короткого замыкания.
Ключевые слова: способ определения места короткого замыкания, разрыв фазы, напряжение прямой последовательности, напряжение обратной последовательности, параметры режима основной частоты, периодические составляющие токов.
Информация о статье. Дата поступления 18 апреля 2018 г.; дата принятия к печати 21 мая 2018 г.; дата онлайн-размещения 29 июня 2018 г.
Формат цитирования. Бурянина Н.С., Королюк Ю.Ф., Лесных Е.В., Суслов К.В. Определение места короткого замыкания на линиях электропередачи // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2018. Т. 22. № 6. С. 129-136. DOI: 10.21285/1814-3520-2018-6-129-136
1Бурянина Надежда Сергеевна, доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой электроснабжения, e-mail: bns2005_56@mail.ru
Nadezhda S. Buryanina, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Electrical Power Supply, e-mail: bns2005_56@mail.ru
2Королюк Юрий Федорович, кандидат технических наук, профессор кафедры электроснабжения, e-mail: kuf2005_41@mail.ru
Yuri F. Korolyuk, Candidate of technical sciences, Professor of the Department of Electrical Power Supply, e-mail: kuf2005_41@mail.ru
3Лесных Елена Владимировна, кандидат технических наук, доцент кафедры электротехники, диагностики и сертификации, e-mail: abbiel@mail.ru
Elena V. Lesnykh, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Electrical Engineering, Diagnostics and Certification, e-mail: abbiel@mail.ru
4Суслов Константин Витальевич, кандидат технических наук, профессор, профессор Иркутского национального исследовательского технического университета, dr.souslov@yandex.ru
Konstantin V. Suslov, Candidate of technical sciences, Professor, Professor of Irkutsk national research technical university, dr.souslov@yandex.ru
DETERMINATION OF FAILURE LOCATION IN POWER TRANSMISSION LINES
N.S. Buryanina, Yu.F. Korolyuk, E.V. Lesnykh, K.V. Suslov
North-Eastern Federal University named after M.K. Ammosov 8, Stroiteley St., Yakutsk, Republic of Sakha, 677009, Russian Federation Siberian Transport University,
191, Dusi Kovalchuk St., Novosibirsk, 630049, Russian Federation
Irkutsk National Research Technical University,
83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russian Federation
ABSTRACT. PURPOSE. It is very important to localize the short circuit in case of power line failure. A significant percentage of power lines damage belongs to single-phase short circuits accompanied by phase breaks. This paper proposes the methods for determining the locations on the lines in networks with a grounded neutral using instantaneous values of industrial frequency parameters. METHODS. The studies are carried out according to the programs simulating transients under short circuits accompanied by the appearance of aperiodic components in currents. RESULTS AND THEIR DISCUSSION. An algorithm is proposed for a one-way determination method of a transmission line phase break location that is based on the processing of instantaneous values of currents and voltages. An algorithm for the elimination of aperiodic components from measured currents is proposed and researched. CONCLUSIONS. The measurement time will not exceed 2.5 ms under the sampling interval of 0.5-0.625 ms. Magnetic cores of current transformers will not saturate during this time. It means that relay protection receives undistorted information and it is possible to determine the location of th e power line phase break by measuring the instantaneous values of phase currents and voltages of the line section without short circuit.
Keywords: method for determining short circuit location, phase break, positive sequence voltage, negative sequence voltage, main frequency mode parameters, periodic components of currents
Information about the article. Received April 18, 2018; accepted for publication May 21, 2018; available online June 29, 2018.
For citation. Buryanina N.S., Koroljuk Y.F., Lesnykh E.V., Suslov K.V. Determination of failure location in power transmission lines. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta = Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2018, vol. 22, no. 6, pp. 129-136. DOI: 10.21285/1814-3520-2018-6-129-136. (in Russian).
Введение
Проблема определения мест коротких замыканий (КЗ), связанных с обрывом проводов, в том числе на линиях с повышенной пропускной способностью и уменьшенными потерями электроэнергии, определяется статистикой таких аварий [1]. Количество аварий, связанных с технологическими
нарушениями в работе воздушных линий 330 и 500 кВ, причинами которых являются воздушные линии на каждые 100 км проводов приведено в табл. 1.
Основные причины технологических нарушений в работе ВЛ 500 кВ приведены в табл. 2 [1].
Элемент ВЛ / Element of the overhead power line Количество, ежегодно / Quantity, annually Процент техн Percentage of ологических нарушений / technological disturbances
от общего количества / of the total связанных с повреждением элемента / associated with element damage
1 2 1 2 1 2
Провод / Wire 1-4 2-7 3,6 7,6 10,7 15,8
Таблица 1
Технологические нарушения в работе ВЛ 330 (1) и 500(2) кВ
Table 1
Technological disturbances in the operation of 330 (1) and 500 (2) kV overhead power lines
Таблица 2
Основные причины технологических нарушений в работе ВЛ 500 кВ
Table 2
Main causes of technological disturbances in the operation of the 500 kV overhead line
Причины / Causes Процент от общего числа нарушений / Percentage of total number of disturbances
Нагрузки от воздействия гололеда, снега, ветровые нагрузки, атмосферные перенапряжения, другие климатические воздействия / Loads due to ice, snow, wind loads, atmospheric overvoltages, other climatic effects 30
Перекрытия на древесно-кустарниковую растительность, падения деревьев, сучьев на провода / Flashover on tree and shrubbery vegetation, fall of trees and branches on wires 5
Пожары на трассе и вблизи ВЛ / Fires on line route and in proximity to the overhead power line 12
Посторонние воздействия, вандализм / Outside influences, vandalism 25
Недостатки эксплуатации, дефекты ремонта / Operation drawbacks, repair defects 20
Износ, изменение материалов в течение эксплуатации, другие причины / Wear, change of materials during operation, other reasons 8
На линиях 110-220 кВ количество аварий, связанных с повреждением проводов, еще больше.
Если предположить, что аварии, связанные с климатическими воздействиями и
износом, приводят к обрывам проводов в половине случаев, то актуальность разработки способов определения мест разрывов фаз, сопровождаемыми короткими замыканиями, очевидна.
Исходные данные и методы исследования
Основные повреждения проводов связаны с коррозионным износом, усталостными явлениями, из-за вибрации и пляски, в том числе при гололедных явлениях, механическими повреждениями при монтаже и от падения деревьев, от выстрелов из огнестрельного оружия и других внешних воздействий. Обрыв фазы, как правило, сопровождается однофазным коротким замыканием. Учитывая, что местом обрыва в большинстве случаев является опора, то с одного из концов линии короткого замыкания нет. Это позволяет составить схему замещения линии для расчета синусоидальной составляющей промышленной частоты, изображенную на рис. 1.
Схема замещения линии электропередачи, изображенная на рис. 1, не позво-
ляет предложить способ определения места разрыва фазы со стороны КЗ. Поэтому разрабатываются другие методы определения мест разрывов фаз линий, в частности импульсные и волновые [2-14], изложенные как в отечественной литературе, так и в зарубежной. Недостаток этих методов заключается в синхронизации времени фиксации появления электромагнитных волн, возникающих на концах линии электропередачи, что не всегда возможно.
Емкостные методы [9, 10, 13] определяют места разрывов с погрешностью, так как фазы линии электропередачи замещаются в отключенном состоянии сосредоточенной емкостью, равной сумме частичных емкостей от места измерения до места разрыва, а не уравнениями линии с распреде-
Рис. 1. Схема замещения линии электропередачи с разрывом фазы, сопровождаемым однофазным КЗ: 1 - узел соединения схем отдельных последовательностей со стороны КЗ; 2 - то же со стороны разрыва фазы без КЗ, IK1, IK2,1К0 - токи КЗ в схемах прямой, обратной
и нулевой последовательностей Fig. 1. Equivalent circuit of a power line with a phase break followed by a single-phase short-circuit: 1 - connection node of individual sequence circuits on the short circuit side, 2 - the same from the side of the phase break without short-circuit. IK1, IK2, IK0 are short-circuit currents of
positive, negative and zero-phase sequence circuits
ленными параметрами. Утверждение в [10] о точности определения места невидимого разрыва провода основывается о знании места стыка отдельных частей провода. Наши расчеты, основанные на уравнениях линии с распределенными параметрами, показали погрешность при замещении фаз линии согласно [10] сосредоточенными параметрами в четыре километра при длине линии более 100 км.
Ниже предлагается способ определения места разрыва фазы расчетом токов прямой, обратной и нулевой последовательностей вдоль линии со стороны разрыва фазы без КЗ [11]. Изменяя длину линии, определяется сумма токов прямой, обратной и нулевой последовательностей. Место разрыва фиксируется, когда эта сумма будет равна нулю.
Токи в месте разрыва на участке с коротким замыканием 1', 12, 0 (прямая, обратная и нулевая последовательность) протекают со стороны конца 1, токи /У, Ц', ¡о" - на участке линии без короткого замыкания со
стороны конца 2 равна нулю, то есть:
/1+ J 2 + Jо = 0 .
(1)
В свою очередь, токи вдоль участка линии на расстоянии L по последовательностям определяются как:
К(L) = ch(П ■ L) -U2l + ZC1 ■ sh(/1 ■ L) ■ i21;
12(L) = ch (yi ■ L) ■U22 + +Zci ■ sh(Yi ■L) ■1 22
(2)
10 (Ц) = сК(/о ■Ц) ■ и20 + ■ эК(/0 ■ ■ 120,
где ¡1'(Ц, \г(Ц, 1о"(Ц - токи прямой, обратной и нулевой последовательностей, соответственно, на расстоянии ^ от конца 2 участка линии без КЗ; /1,/о, 2с1, 2со - постоянные распространения и волновые сопротивления в схемах прямой (обратной) и нулевой последовательностей от конца 2 участка
линии без КЗ; ¡21, ¡22, ¡20, и 21, О22, О20 - комплексные значения токов и напряжений в конце участка линии без КЗ.
Задаваясь ^ от нуля до всей длины линии, строим график модуля суммы комплексных значений токов прямой, обратной и нулевой последовательностей от длины линии:
f ( L) = /l'(L) + I'2(L)+I0(L)
(3)
Искомое расстояние до места разрыва равно при / (ь) = 0.
Текущее мгновенное значение тока и его производная определяются как:
'выч (t) =
,(t )=
2i(t ) - i[t + At ]- i[t -At ]
4 sin2 (&• At /2) i[t + At ]- i[t -At ]
(4)
2 sin(® • At )
где t - текущий момент времени; At - интервал дискретизации.
Нетрудно убедиться, что iвыч (t)
точно повторяет функцию
i(t) = sin(a-(t+At)), если использовать
уравнения sin (at ± aAt) = sin(at)*cos(at) ± cos(at)*sin(aAt), а i^l4(t) точно повторяет функцию i(t) = cos(a-(t+At)).
То есть уравнения (4) точно вычисляют синусоидальные составляющие, фильтруют апериодические составляющие - в большей степени уравнения, вычисляющие текущие значения, в меньшей - уравнения, вычисляющие производные параметров.
Апериодическую составляющую можно исключить полностью, используя четыре выборки токов. Апериодическая составляющая тока КЗ равна:
'a (t) = T•-sin(Y - Ф) • e T
iоп (tk )
(5)
где y— фаза ЭДС; р— угол между ЭДС и током КЗ,
T=
-At
ы'.ыч(t + 2At)-i(t + 2At) ■ 'ыч (t + At ) - i(t + At )
(6)
В любой момент времени текущее значение является действительной частью комплекса тока, а его производная - мнимой частью.
Мгновенные значения токов прямой и обратной последовательностей можно определить, как:
ils (t) =
iAs (t) + iBs (t + y ) + ics (t - y )
¡2s (t) =
или, используя [12]:
з T
Te
з
iAs (t) + ics (t + TT) + iBs (t - )
T
Te
з
(7)
¡As(t)+
¡is (t) =-
iBs (t + y ) - 'es (t + y )
Тз
¡As(t) -
¡2s (t) = -
2
¡Bs (t + y ) - 'es (t + ^)
S
2
(8)
где Тс - период частоты сети.
Аналогично определяются текущие значения и производные напряжений.
На рис. 2 и рис. 3 приведены зависимости f(L) от длины линии при разрыве фазы А с коротким замыканием на ней в месте разрыва на расстоянии 10 км (рис. 2) и 150 км (рис. 3) от конца 1 линии длиной 250 км.
Расчет проводился в фазных координатах, причем переходное сопротивление на землю в месте короткого замыкания варьировалось от нуля (металлическое короткое замыкание) до бесконечности (отсутствие короткого замыкания). Графики практически оставались неизменными.
Обращает на себя внимание тот факт, что характеристика строго линейна. Это позволяет точно определять место разрыва, произошедшего вблизи концов линии, где суммы токов прямой, обратной и нулевой последовательностей могут вычисляться с погрешностью из-за малых величин.
з
Рис. 2. Определение расстояния до места разрыва фазы на расстоянии 10 км от начала линии Fig. 2. Determination of the distance to the place of phase break from 10 km remoteness from the beginning
of the line
[i;+t;+i;3
Рис. 3. Определение расстояния до места разрыва фазы на расстоянии 150 км от начала линии Fig. 3. Determination of the distance to the place of phase break from 150 km remoteness
from the beginning of the line
Выводы
1. Определить место разрыва фазы линии электропередачи можно, измеряя мгновенные значения фазных токов и напряжений со стороны участка линии без короткого замыкания.
2. Место разрыва фазы определяется, когда сумма токов прямой, обратной и
нулевой последовательностей будет равна нулю при моделировании участка линии гиперболическими уравнениями длиной от нуля до длины всей линии.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и субъекта РФ -Республики Саха (Якутия) № 18-48-140 010.
Библиографический список
1. Арбузов Р.С., Овсянников А.Г. Современные методы диагностики воздушных линий электропередачи. Новосибирск: Наука, 2009. 136 с.
2. Кудрявцев Д.М., Мисриханов М.Ш., Куликов А.Л. Определение места повреждения ЛЭП СВН с помощью фазовых методов // Повышение эффективности работы энергосистем. Труды ИГЭУ. Вып. IX. М.: Энергоатомиздат, 2009. 572 с.
3. Suslov K.V., Solonina A.S., Smirnov А.Б. A new way of receiving primary information on electric power system state 2011 IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Europe conference. (ISGT Europe), 2011.
4. Suslov K.V., Solonina N.N., Smirnov A.S. Improving the reliability of operation Microgrids. 2012 IEEE International Energy Conference and Exhibition ENERGYCON (Italy, 9-12 September 2012). Florence, 2012.
5. Goudarzi M., Vahidi B., Naghizadeh R.A., Hosseinian
5.H. Improved fault location algorithm for radial distribution systems with discrete and continuous wavelet analysis // International Journal of Electrical Power & Energy Systems. 2015. Vol. 67. P. 423-430.
6. Gururajapathy S.S., Mokhlis H., Illias H.A., Fault location and detection techniques in power distribution systems with distributed generation // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2017. Vol. 74. P. 949-958.
7. Saha M.M., Izykowski J., Rosolowski E. Accurate location of faults on seriescompensated lines with use of two-end unsynchronised measurements. In: Proc of the 9th Int Conf on Developments in Power System Protection DPSP, IEE CP536. 2008. P. 338-343.
8. Rosolowski E., Izykowski J., Saha M.M. et al. Accurate transmission line fault location using two-terminal data without time synchronization. Prz Elektrotech (6). 2009. Р. 170-174.
9. Ластовкин В.Д. Диагностика ВЛ 110-220 кВ под рабочим напряжением. Определение мест обрыва фазы // Новости электротехники. 2010. № 2 (62). С. 28-32.
10. Вишняков Е.П., Ильин А.В., Швайковский М.А. Диагностика обрыва фазы линии электропередачи под напряжением // Труды военно-космической академии им. А.Ф. Можайского. 2017. № 656. С. 114-118.
11. Пат. № 2 644 974, Российская Федерация, МПК G01R 31/08 (2006.01). Способ определения места разрыва фазы на воздушной линии электропередачи с одновременным коротким замыканием в месте разрыва; заявитель и патентообладатель Н.С. Буря-нина, Ю.Ф. Королюк, Е.В. Лесных, К.П. Васильева; за-явл. 17.07.2016; опубл. 15.02.2018. Бюл. № 5.
12. Clarke E. Circuit Analysis of A-C Power Systems. New York: Wiley, 1943. Vol. I. Symetricaland Related Components. 564 p.
13. Chen K, Huang C.,He J. Fault detection, classification and location for transmission lines and distribution systems: a review on the methods // High Voltage, 2016, Vol. 1, Issue. 1, P. 25 - 33.
14. Teng J.-H., Huang W.-H., Luan S.-W. Automatic and Fast Faulted Line-Section Location Method for Distribution Systems Based on Fault Indicators // IEEE Transactions on Power Systems. 2014, Vol. 29, Issue. 4. P. 1653-1662.
References
1. Arbuzov R.S., Ovsjannikov A.G. Sovremennye metody diagnostiki vozdushnyh linij jelektroperedachi [Modern diagnostic methods of overhead transmission lines]. Novosibirsk: Nauka Publ., 2009, 136 p. (In Russian).
2. Kudrjavcev D.M., Misrihanov M.Sh., Kulikov A.L. Opredelenie mesta povrezhdenija LJeP SVN s pomoshhju fazovyh metodov [Determining failure location on the ultra-high voltage transmission line by means of phase methods]. Povyshenie jeffektivnosti raboty jenergosistem [Improving operation efficiency of power systems]. Trudy IGEU [Proceedings of Ivanovo State Power Engineering University]. Issue IX. Moscow: Jener-goatomizdat Publ., 2009, 572 p. (In Russian).
3. Suslov K.V., Solonina A.S., Smirnov A.S. A new way of receiving primary information on electric power system state 2011 IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Europe conference. (ISGT Europe), 2011.
4. Suslov K.V., Solonina N.N., Smirnov A.S. Improving the reliability of operation Microgrids. 2012 IEEE International Energy Conference and Exhibition ENERGYCON (Italy, 9-12 September 2012). Florence, 2012.
5. Goudarzi M., Vahidi B., Naghizadeh R.A., Hosseinian
5.H. Improved fault location algorithm for radial distribution systems with discrete and continuous wavelet analysis // International Journal of Electrical Power & Energy Systems. 2015, vol. 67, pp. 423-430.
6. Gururajapathy S.S., Mokhlis H., Illias H.A., Fault location and detection techniques in power distribution systems with distributed generation // Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2017, vol. 74, pp. 949-958.
7. Saha M.M., Izykowski J., Rosolowski E. Accurate location of faults on series-compensated lines with use of two-end unsynchronised measurements. In: Proc of the 9th Int Conf on Developments in Power System Protection DPSP, IEE CP536. 2008, pp. 338-343.
8. Rosolowski E., Izykowski J., Saha M.M. et al. Accurate transmission line fault location using two-terminal data without time synchronization. Prz Elektrotech (6). 2009, pp. 170-174.
9. Lastovkin V.D. Diagnostics of 110-220 kV overhead line under operating voltage. Determination of phase failure location. Novosti jelektrotehniki [Electrical engineering news], 2016, no. 2 (62), pp. 28-32. (In Russian).
10. Vishnjakov E.P., Il'in A.V., Shvajkovskij M.A. Diagnostics of the power line under voltage phase break. Trudy voenno-kosmicheskoj akademii im. A.F.
Mozhajskogo [Proceedings of the Mozhaisky Military Space Academy], 2017, no. 656, pp. 114-118. (In Russian).
11. Burjanina N.S., Koroljuk Ju.F., Lesnyh E.V., Vasil'eva K.P. Sposob opredelenija mesta razryva fazy na vozdushnoj linii jelektroperedachi s odnovremennym korotkim zamykaniem v meste razryva [Determination method of phase failure location on an overhead power transmission line with a simultaneous short circuit at the phase break]. Patent RF, no. 2 644 974, 2016.
12. Clarke E. Circuit Analysis of A-C Power Systems.
New York: Wiley, 1943, vol. I, Symetricaland Related Components, 564 p.
13. Chen K, Huang C.,He J. Fault detection, classification and location for transmission lines and distribution systems: a review on the methods. High Voltage, 2016, vol. 1, Issue. 1, pp. 25-33.
14. Teng J.-H., Huang W.-H., Luan S.-W. Automatic and Fast Faulted Line-Section Location Method for Distribution Systems Based on Fault Indicators. IEEE Transactions on Power Systems. 2014, vol. 29, Issue. 4, pp. 1653-1662.
Критерии авторства
Бурянина Н.С., Королюк Ю.Ф., Лесных Е.В., Суслов К.В. заявляют о равном участии в получении и оформлении научных результатов и в равной мере несут ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Authorship criteria
Buryanina N.S., Korolyuk Yu.F., Lesnykh E.V., Suslov K.V. declare equal participation in obtaining and formalization of scientific results and bear equal responsibility for plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
