Способ быстрого трехфазного повторного включения линий электропередач с поперечной компенсацией

(51) 02 7/26 (2006.01) 01 7/16 (2006.01) 01 9/56 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ перенапряжениями,вызванными трехфазным повторным включением линий электропередач с поперечной компенсацией. После того, как выключатель цепи размыкает линию, взаимодействие между проводимостью ЛЭП и индуктивностью средства компенсации реактивной составляющей приводит к тому, что напряжение между полюсами выключателя цепи приобретает колебательную форму. Оптимальная область повторного включения выключателя цепи соответствует области, где амплитуда колебаний напряжения между полюсами выключателя цепи является минимальной. Разработанный способ обладает высокой надежностью при определении первой минимальной области колебаний, независимо от пересечения напряжением нулевого значения. Процедура,используемая способом, также предоставляет больше времени для работы выключателя цепи, после определения оптимальной области для повторного включения за несколько циклов основной частоты. Данный способ может быть реализован в интеллектуальном устройстве управления цифрового реле трехфазного повторного включения ЛЭП для адаптивного трехфазного повторного включения линий электропередачи с поперечной компенсацией.(73) УНИВЕРСИДАДЕ ЭСТАДУАЛЬ ДЕ КАМПИНАС - ЮНИКАМП(74) Шабалина Галина Ивановна Шабалин Владимир Иванович Кучаева Ирина Гафиятовна Тусупова Меруерт Кырыкбаевна(54) СПОСОБ БЫСТРОГО ТРЕХФАЗНОГО ПОВТОРНОГО ВКЛЮЧЕНИЯ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ С ПОПЕРЕЧНОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ(57) Данное изобретение описывает способ адаптивного переключения для управления Данное изобретение описывает способ адаптивного переключения для снижения перенапряжений,вызванных трехфазным повторным включением линий электропередач с поперечной компенсацией. Этот способ определяет оптимальную область волны напряжения,позволяющую контактам выключателя быть замкнутыми в первой области минимума колебаний напряжения между контактами. Оптимальная область повторного включения выключателя цепи соответствует области, где амплитуда колебаний напряжения между полюсами выключателя цепи является минимальной. Процедура позволяет работать независимо от пересечения волной колебания нулевого значения напряжения, за счет чего происходит уменьшение времени повторного включения. Физическим явлением, ответственным за коммутационное перенапряжение в линиях электропередачи (ЛЭП), является распространение электромагнитных волн вдоль линий. Отрицательные воздействия, вызванные такими перенапряжениями, можно значительно снизить за счет управления включением и выключением контактов выключателей цепи (ВЦ) таким образом,чтобы действие выполнялось в заранее установленное оптимальное время, при этом сигналы напряжения между контактами выключателей цепи являются опорными сигналами. Для более ясного представления области использования изобретения, на фиг.1 приводится пример электрической системы в виде однолинейной схемы, включающей в себя эквивалентную электрическую систему,представленную источником питания (1), линией электропередачи (2), средством компенсации реактивной мощности (3) и выключателем цепи (4). Номинальное напряжение рассматриваемой системы составляет 500 кВ, основная частота - 60 Гц. Линия электропередачи позволяет пропускать электричество по трем фазам, указанным как фаза А, фаза В и фаза С. Смоделированный ВЦ 4 имеет три независимых узла, каждый из которых относится к одной фазе. ВЦ прерывает напряжение между источником (1) и линией (2). Шунтирующие реакторы (3) предназначены для поглощения части реактивной мкостной мощности,образуемой линиями электропередачи при работе без нагрузки или при небольшой нагрузке. Выключатель цепи (4) отделяет электрическую систему (1) от линии электропередачи (2) при разомкнутых контактах (полюсах) трех фаз. Через некоторое время контакты трех фаз повторно включаются. В момент повторного включения в напряжении сети происходят внезапные изменения с увеличением напряжения выше нормального значения, которые исчезают через несколько циклов основной частоты (переходное перенапряжение). Такие перенапряжения распространяются вдоль линий электрической системы. Трехфазное повторное включение линий электропередач является довольно частым действием в сети и может 2 привести к крайне высоким переходным перенапряжениям. Традиционный способ снижения коммутационных перенапряжений, связанных с трехфазным повторным включением, происходит за счет использования предварительно установленных резисторов, срабатывающих таким образом, что, при повторном включении ЛЭП, вспомогательные контакты сначала подключают последовательно предварительно установленный параллельно с ЛЭП резистор. Установка резистора приводит к тому, что напряжение, которое могло воздействовать на линию, разделяется между линией и резистором, а переходные перенапряжения,зависящие от напряжения, применяемого в линии, становятся намного меньше. Через небольшой промежуток времени замыкается основной контакт ВЦ, что приводит к короткому замыканию резистора и подаче полного напряжения на линию. Данное решение, хотя и является эффективным, имеет недостаток в связи с высокими затратами по реализации и обслуживанию. Отрицательные воздействия,вызванные коммутационными перенапряжениями,можно значительно снизить за счет управления замыканием контактов ВЦ таким образом, чтобы действия выполнялись в заранее установленное оптимальное время, при этом напряжение между контактами выключателей является опорным сигналом. При трехфазном повторном включении контакты выключателя должны замыкаться, если напряжение между ними является минимальным. Этот момент времени изменяется в зависимости от конфигурации сети и может быть определен алгоритмом с учетом сигналов напряжения,измеренных между контактами ВЦ. Реализация данного решения имеет преимущество в том, что сигнал напряжения между контактами ВЦ имеет волнообразную форму(колебание) из-за взаимодействия между волновой проводимостью линии и индуктивностью шунтирующих реакторов. Следовательно, имеется оптимальная область волны напряжения для повторного замыкания контактов выключателя цепи, соответствующая области, в которой амплитуда колебаний напряжения является минимальной. В настоящее время для управления перенапряжениями во время повторного включения трехфазных линий электропередачи, как правило,используется предварительно установленный резистор, который, хотя и является эффективным,но имеет низкую надежность и высокую совокупную стоимость производства и обслуживания ВЦ. В журнале(Контролируемое включение линий электропередачи,компенсированных шунтирующим реактором. Часть 1. Разработка устройства управления включением) описано устройство управления, определяющее первую область минимальной амплитуды колебаний,направляющее команду на замыкание контактов выключателя цепи в следующей аналогичной области. Согласно данному способу, сначала получаются сигналы напряжения со стороны линии и источника питания. Эти сигналы отслеживаются во временном интервале (как правило, это период основной частоты), и это предоставляет первый набор данных. Эти данные сохраняются, после чего регистрируется следующий набор данных. Оба набора сравниваются между собой. В случае отличий наборов данных, регистрируется третий набор данных и т.д. После достижения равенства между двумя наборами данных,устанавливается периодичность сигналов и определяется область минимума. Согласно вышеуказанному способу,оптимальные моменты повторного включения соответствуют прохождению напряжения через нуль на малых периодах амплитуды колебаний напряжения между контактами ВЦ. Следовательно,этот способ сначала устанавливает предшествующую область минимальной амплитуды и направляет команду на замыкание контактов ВЦ в следующей аналогичной области. Данный способ не является идеальным в связи с тем, что включение будет иметь место только после первой области минимальной амплитуды, что приведет к увеличению времени простоя. Кроме того, снижение перенапряжения имеет меньшее значение, когда включение происходит на последующих областях минимальной амплитуды,что делает его аналогичным способу,использующему предварительно установленный резистор. Американский патент 5,361,184 предоставляет последовательный адаптивный контроллер для управления выключателем цепи или другого коммутирующего устройства для устранения переходного напряжения в распределительной линии, вызванного включением и выключением ВЦ. Адаптивное устройство компенсирует изменения по времени срабатывания ВЦ в соответствии с воздействием окружающих факторов. Трансформатор напряжения выдает опорный сигнал, относящийся к пересечению нулевого значения сигнала напряжения. Компаратор фазового перехода сравнивает опорный сигнал со временем переходного процесса при замкнутом выключателе, образуя сигнал, указывающий на необходимость совершения адаптивной корректировки. Подобным образом,при размыкании выключателя цепи, трансформатор тока образует опорный сигнал, сравниваемый с временным интервалом для определения перехода при разомкнутом выключателе цепи. Корректирующее адаптивное устройство производит компенсацию времени,которая соответственно изменяется с учетом изменения реагирования ВЦ, износа и погодных условий. При последующем включении или выключении ВЦ срабатывает с учетом скомпенсированного времени таким образом, что он включается при пересечении напряжением нулевого значения, тем самым сводя к минимуму переходной процесс в распределительной линии. Сдвиг по фазе может быть использован для управления отключением ВЦ в соответствии с сигналом трансформатора напряжения. Подобным образом, американский патент 5,627,415 также относится к технике управления перенапряжением, который сначала рассматривает пересечение нулевого значения сигналом напряжения после обнаружения сигнала включения/выключения, вызывая серию заранее установленных и приспособленных шагов для снижения или устранения перенапряжения после включения/выключения линии сверхвысокого напряжения. Для управления перенапряжением в линиях электропередачи американский патент 5,629,869 предусматривает интеллектуальный выключатель цепи или коммутирующее устройство, включающее в себя три отдельных компьютеризированных устройства, включая устройство контроля за состоянием (УКС) (40), устройство контроля за выключателем (УКР) (50) и синхронное устройство контроля (СУК) (60). УКС (40) обеспечивает подробную диагностику путем контроля за основными компонентами,относящимися к надежности выключателя цепи или коммутационного устройства. Интерактивный анализ,выполняемый УКС,предоставляет информацию,способствующую облегчению требуемого обслуживания и выявления приближающегося отказа. УКР (50) представляет собой программируемую систему с функциями самодиагностики и дистанционной связи. Устройство заменяет традиционные электромеханические средства управления,используемые в средствах управления ВЦ или коммутационного устройства. СУК(60) обеспечивает одновременный контроль за устройствами связи при включении и выключении выключателей цепи. Выполняемый процесс управления снижает влияние изменения во время переходного процесса системы и износ ВЦ. Интеллектуальный выключатель цепи или коммутационное устройство улучшает работу системы и обслуживание оборудования. Данное изобретение описывает способ управления перенапряжениями во время повторного включения линий электропередачи с поперечной компенсацией. Данное изобретение функционирует на основании способа предварительного выявления оптимальной области напряжения для срабатывания выключателя цепи, тем самым, позволяя ему включаться при первом минимальном напряжении между контактами выключателя после времени задержки. Данный способ позволяет учитывать разброс параметров ВЦ и их диэлектрические свойства во время процесса включения в связи с тем, что область минимума колебаний больше по размеру нескольких циклов основной частоты. Данный способ может быть реализован с использованием цифрового реле для управления быстрым трехфазным повторным включением линий электропередач с поперечной компенсацией. Фиг.1 представляет однолинейную схему электрической системы. Фиг.2 демонстрирует форму сигнала напряжения между контактами выключателя цепи (фазы А,В, С) линии электропередачи с 90 поперечной компенсацией. Круг указывает на минимальную область колебания амплитуды. Фиг.3 представляет блок-схему для контролируемого повторного включения линий электропередачи с поперечной компенсацией. Фиг.4 представляет волнообразный график напряжения между контактами выключателя цепи для фазы А. Фиг.5 представляет график среднеквадратического значения напряжения между контактами выключателя цепи. Фиг.6 представляет график, указывающий на момент отключения выключателя цепи. Фиг.7 представляет график участков роста и спада отфильтрованного сигнала после отключения выключателя цепи. Фиг.8 представляет график с указанием первого полуцикла. Фиг.9 представляет график продолжительности первого полуцикла отфильтрованного сигнала. Разработанный способ в данном изобретении предназначен для оптимизации времени повторного включения трехфазного выключателя цепи для снижении амплитуд перенапряжения. Следовательно, выключатель цепи можно быстрее подключить сеть, тем самым, снижая время прерывания передачи энергии. Данное изобретение заблаговременно устанавливает оптимальный момент срабатывания ВЦ при трехфазном повторном включении, тем самым позволяя включать ВЦ при первом колебании напряжения после срабатывания защиты. Изобретение позволяет учитывать разброс параметров ВЦ и их диэлектрические характеристики во время подключения в связи с тем, что область минимума колебаний напряжения больше, чем один цикл основной частоты. Процедура, реализованная в описанном способе,обеспечивает более высокую надежность при определении предшествующего периода колебаний напряжения независимо от пересечения волной напряжения нулевого значения. Кроме того, данная процедура предоставляет больше времени работы ВЦ после выявления минимальной области на нескольких предварительных циклах основной частоты. Основным преимуществом разработанного способа является значительное снижение уровней перенапряжения при повторном включении по сравнению с другими способами благодаря замыканию контактов выключателя цепи при возникновении первого минимума колебания напряжения. Описанный способ должен быть закодирован в цифровом реле для трехфазного 4 повторного включения линий электропередачи,предусматривающем новую адаптивную процедуру трехфазного повторного включения в соответствии с кодом реле, который ранее повторно включал линию на основе времени задержки, и работающем совместно с предварительно установленным резистором. Описанный способ приводит к обновлению кода цифрового реле. После возникновения сбоя в линии электропередачи устройство защиты отключает три фазы, изолируя участок, где произошел сбой. В связи с тем, что большинство сбоев, влияющих на работу линии электропередачи,являются временными,то после установления предварительного заданного времени, устройство защиты повторно включит закрытый участок линии для обеспечения непрерывности подачи электроснабжения. Когда ВЦ включает ЛЭП с нулевой нагрузкой,мкостный ток приостанавливается у пересечения с нулевым значением в каждой фазе. При этом напряжение линии будет максимальным, сохраняя захваченный заряд на линии, который является разным на всех фазах. У первой прерванной фазы напряжение может увеличиться в 1.3 раза, а если захваченный заряд не будет отведен трансформатором или реактором, то линия останется заряженной в течение продолжительного периода времени. Если линию повторно включить до отвода захваченного заряда, а полюса выключателя цепи сомкнуть, когда напряжение системы находится в противоположной полярности относительно напряжения линии, то переходное перенапряжение может быть очень высоким. В случае отсутствия заземленного оборудования,отвод захваченного заряда в линии без нагрузки является очень медленным,зависит от климатических условий и происходит путем протекания заряда через гирлянды изоляторов. Поэтому линия остается заряженной практически максимальным напряжением в течение продолжительного периода времени после прерывания тока, т.е. это время составляет примерно 2-5 минут для полной разгрузки линии и может достичь 15 минут при очень засушливых погодных условиях. В случае повторного включения линии при таких условиях, перенапряжение в приемном конце линии может достичь очень высоких значений, что может привести к отрицательным последствиям, таким как снижение срока службы оборудования, понижение качества подачи электрической энергии электрической сетью,а также применение рабочих ограничений,ограничивающих эксплуатацию. В случае использования линии электропередач с поперечной компенсацией, степень компенсации имеет важное влияние на форму сигнала напряжения по полюсам ВЦ. Благодаря контуру,образованному поперечным входом линии электропередач и индукцией реакторов, напряжение между полюсами выключателя цепи во время повторного включения характеризуется колебательной формой. Колебания образуются изза того, что напряжения на каждом полюсе имеют различные частоты, в частности, частота источника питания с одной стороны выключателя цепи и естественная частота компенсируемого оборудования и поперечного входа линии с другой стороны выключателя цепи. Период колебаний зависит от степени компенсации линии. Отток заряда, удерживаемого линией, образует снижение амплитуды напряжения со стороны линии во времени. Отток представляет собой функцию фактора качества реактора с поперечной компенсацией. В результате чего, со временем снижается максимальная амплитуда колебаний напряжения, а минимальная амплитуда колебаний напряжения увеличивается. Согласно этим условиям, оптимальной областью повторного включения ВЦ является первый минимум напряжения между областью колебаний выключателя цепи, как это указано на фиг.2 кругом,где отражена первая минимальная область колебаний. Разработанный способ быстрого трехфазного повторного включения линий электропередачи с поперечной компенсацией замыкает полюсы ВЦ при первом минимуме напряжения между областью колебаний выключателя цепи. С этой целью был разработан алгоритм, подробно описанный ниже,заблаговременно устанавливающий оптимальное время повторного включения. Данный способ был внедрен и оценен при помощи моделирующего инструмента/. Для реализации синхронизации процедур коммутации используется язык,предусматривающий динамическое взаимодействие сво время исполнения. Это делает возможным моделирование управления коммутирующими устройствами, необходимое для разработки данного способа. Процедурапозволяет производить более гибкое моделирование таким образом, чтобы состояние электрической системы можно было динамически изменять во время моделирования при помощи программ (или моделей), встроенных в процедуры. Разработанный алгоритм по реализации способа контролируемого включения линий электропередачи при повторном включении трех фаз подробно приведен на блок- схеме на фиг.3. По этой схеме предоставлены следующие разъяснения Напряжения электрической системы непрерывно контролируются трансформаторами напряжения. Что касается процедуры моделирования, то в способе используются фактические напряжения системы, однако для реализации в защитном оборудовании (реле) будут использоваться пониженные значения,преобразованные трансформаторами напряжения. Кроме того, хотя система и является трехфазной,для алгоритма требуется напряжение всего одной фазы, которое направляет сигнал для срабатывания трехфазного повторного включения. Используя вольтметр, имеющийся в ,производится измерение напряжения со стороны источника питания и со сторон линии. Таким образом, можно определить форму волны напряжения между разомкнутыми контактами выключателя цепи (фиг. 4).При помощи цифровой обработки возможно получить среднеквадратичное значение напряжения между полюсами выключателя цепи (фиг. 5), что осуществляется впри помощи заранее определенной функции. Затем сигнал обрабатывается электронным фильтром.Далее отфильтрованный сигнал опробуется при помощи компаратора, встроенного в ,который сравнивает два введенных уровня, тем самым, позволяя определить момент отключения выключателя цепи (фиг. 6).Далее устанавливаются моменты увеличения и спада отфильтрованного сигнала после открывания выключателя цепи (фиг. 7).Генерируется сигнал, который принимается за единицу во время первого полуцикла и имеет отрицательное значение после первого полуцикла(фиг. 8).При помощи этих результатов возможно рассчитать продолжительность первого полуцикла отфильтрованного сигнала (фиг. 9).В конечном счете, копируется значение данного полуцикла, позволяющее определить продолжительность периода колебаний. После размыкания контактов выключателя цепи,время повторного включения подлежит корректировке с учетом более высокого значения,которое может составлять 60 сек. В момент выполнения установления логического сигнала полупериода направляется команда для замены времени повторного включения на установленный период колебаний. Определение оптимального времени включения получается за несколько периодов частот сети, тем самым, позволяя производить дополнительную корректировку, в случае необходимости, с учетом распределения полюсов и диэлектрических характеристик выключателя цепи. Оптимальная область трехфазного повторного включения состоит из нескольких циклов основной частоты. Поэтому предлагаемый способ имеет достаточно много времени для выполнения корректировки, в случае необходимости. Указанное изобретение не ограничивается вышеприведенным описанием и специалисты в данной области понимают, что можно реализовать различные изменения его формы и деталей, не отходя от указанной сущности изобретения,приведенной для облегчения понимания, и оно не может быть реализовано без использования указанной концепции изобретения. Характеристика указанного изобретения определяется признаками,приведенными в формуле. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ быстрого трехфазного повторного включения линий электропередач с поперечной компенсацией, отличающийся тем, что он включает нижеприведенные этапы- калибровка реле для корректировки времени повторного включения после размыкания линии,обычно до более высокого значения- измерение напряжения между контактами выключателя цепи при помощи трансформаторов напряжения- определение среднеквадратичного значения напряжения между полюсами выключателя цепи- фильтрование среднеквадратичного значения для устранения высоких гармоник- определение момента отключения выключателя линии определение первого полуцикла отфильтрованного сигнала- определение продолжительности первого полуцикла отфильтрованного сигнала- определение продолжительности цикла колебаний и- корректировка времени повторного включения,установкой его равным времени периода колебаний. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что более высокое значение времени повторного включения обычно составляет 60 сек. 3. Способ по п.п. 1-2, отличающийся тем, что среднеквадратичное напряжение определяют по напряжению между полюсами выключателя цепи по данному сигналу определяют первый полуцикл колебаний и рассчитывают оптимальное время повторного включения. 4. Способ по п.п. 1-3, отличающийся тем, что предпочтительно в нем используют цифровое реле.