Спосіб швидкого трифазного автоматичного повторного включення ліній електропередачі з поперечною компенсацією

Реферат: Запропонований адаптивний спосіб комутації для боротьби з перенапругами при трифазному автоматичному повторному включенні ліній електропередачі (ЛЕП) з поперечною компенсацією. Після того як автоматичний вимикач (АВ) відключає лінію, взаємодія між поперечною повною провідністю ЛЕП й індуктивністю індуктивної реактивної компенсації призводить до того, що напруга між полюсами АВ приймає коливальну форму (биття). Оптимальна область для автоматичного повторного включення АВ відповідає області, в якій амплітуда напруги биття між полюсами АВ мінімальна. Розроблений спосіб забезпечує високу надійність при визначенні першої області мінімальної напруги биття незалежно від перетинання нуля напругою. Крім того, ця процедура дозволяє мати більший запас часу на спрацьовування АВ, оскільки виявлення оптимальної області для автоматичного повторного включення одержується заздалегідь за кілька циклів основної частоти. Цей спосіб повинен реалізовуватися у логіці керування цифрового реле трифазного автоматичного повторного включення ЛЕП, що дасть нове цифрове реле для адаптивного трифазного автоматичного повторного включення для ліній електропередачі з поперечною компенсацією. UA 101071 C2 (12) UA 101071 C2 UA 101071 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ОБЛАСТЬ ВИНАХОДУ Фізичне явище, відповідальне за комутаційні перенапруги в лінії електропередачі (ЛЕП) - це поширення по лініям електромагнітних хвиль. Негативні наслідки, спричинені цими перенапругами, можна значно зменшити шляхом керування розмиканням й замиканням контактів автоматичних вимикачів (АВ) таким чином, що ця операція здійснюється при заданій оптимальній синхронізації з узяттям як опірний сигнал електричних сигналів напруги між контактами автоматичних вимикачів. Для того щоб проілюструвати галузь винаходу, на однолінійній схемі на фіг. 1 показаний приклад електроенергетичної системи, представленої ідеальним джерелом 1, лінією електропередачі 2, компенсацією реактивної потужності 3 й автоматичним вимикачем 4. Ця примірна система має номінальну напругу 500 кВ й основну частоту 60 Гц. Лінія електропередачі дозволяє передавати енергію по її трьох фазах, позначених як фаза А, фаза В і фаза С. Змодельований АВ 4 має три незалежні команди, кожна з яких пов'язана із фазою. АВ перериває струм між електричною системою 1 і лінією 2. Реактори 3 поперечної компенсації призначені для поглинання частини реактивної ємнісної потужності, що генерується лініями електропередачі, коли вони працюють в режимі холостого ходу або при низькому навантаженні. Автоматичний вимикач 4 ізолює електричну систему 1 від лінії електропередачі 2, коли контакти (полюси) трьох фаз розімкнені. Через деякий час контакти трьох фаз автоматично повторно замикаються. В момент автоматичного повторного включення відбуваються різкі зміни напруги мережі з виникненням напруг, вищих за нормальні, і які зникнуть через кілька циклів основної частоти (перехідні перенапруги). Ці перенапруги поширюються по лініям електричної системи. Трифазне автоматичне повторне включення ліній електропередачі представляє собою дуже часту операцію у мережі й може викликати украй серйозні перехідні перенапруги. Традиційний метод зменшення комутаційних перенапруг, що викликаються трифазним автоматичним повторним включенням, полягає у використанні резисторів попереднього включення, який здійснюється таким чином, що при автоматичному повторному включенні ЛЕП спочатку допоміжний контакт підключає резистор попереднього включення послідовно з ЛЕП. При такому підключенні резистора напруга, що інакше подавалася б в лінію, розподіляється між лінією і резистором, і перехідні перенапруги, які залежать від напруги, що подається в лінію, є набагато меншими. Через невеликий проміжок часу основний контакт АВ замикається, шунтуючи резистор і подаючи в лінію повну напругу. Це рішення, хоча й ефективне, має той недолік, що потребує більших витрат на впровадження й технічне обслуговування. Негативні наслідки, спричинені комутаційними перенапругами, можна значно зменшити шляхом керування замиканням контактів АВ таким чином, що ці операції здійснюються у задані оптимальні моменти з узяттям у якості опірного сигналу значення напруги між контактами автоматичного вимикача. При трифазному автоматичному повторному включенні контакти вимикача повинні замкнутися, коли напруга між ними є мінімальною. Цей момент часу варіює залежно від конфігурації мережі й може визначатися алгоритмом, залежним від сигналів напруги, виміряних між контактами АВ. Реалізація цього рішення використовує перевагу того факту, що хвиля напруги між контактами АВ має коливальну форму (биття) через взаємодію між поперечною повною провідністю лінії й індуктивністю реакторів поперечної компенсації. Отже, є оптимальна область у хвилі напруги для автоматичного повторного включення автоматичного вимикача, яка відповідає області, в якій амплітуда биття напруги є мінімальною. ВІДОМІ ТЕХНІЧНІ РІШЕННЯ Натепер для боротьби з перенапругами під час трифазного автоматичного повторного включення ліній електропередачі, як правило, використовується резистор попереднього включення, причому хоча метод і є ефективним, він має низьку надійність на додаток до високої сукупної вартості виготовлення й технічного обслуговування АВ. В публікації IEEE Transactions on Power Delivery on April 1997: "Controlled Closing on Shunt Reactor Compensated Transmission Lines. Part I: Closing Control Device Development" описується пристрій керування, який ідентифікує першу область мінімальної амплітуди биття й посилає команду замкнути автоматичний вимикач в наступній подібній області. Відповідно до цього способу, по-перше, одержують сигнали напруги на лінійному боці й на боці подачі. Ці сигнали контролюють упродовж проміжку часу (зазвичай упродовж періоду основної частоти), одержуючи перший набір даних. Ці дані зберігають, а потім одержують новий набір даних. Обидва набори даних порівнюють між собою. Якщо ці два набори даних не 1 UA 101071 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 однакові, одержують третій набір даних і т.д. Коли знаходять еквівалентність між двома наборами даних, періодичність сигналів завершують, і ідентифікують область мінімуму. Відповідно до вищезазначеного способу, оптимальні моменти, які необхідно врахувати для автоматичного повторного включення, відповідають перетинанню нуля напруги в періоди низької амплітуди биття напруги на АВ. Отже, за цим способом спочатку ідентифікують область мінімальної амплітуди, що передує, а в наступній подібній області посилають команду замкнути АВ. Цей спосіб не є адекватним, бо включення відбудеться лише після першої області мінімальної амплітуди, що припускає триваліший час відключення лінії. Крім того, зменшення перенапруги є нижчим, якщо включення відбувається в наступних областях мінімальної амплітуди, що робить його характеристики схожими до способу резистора попереднього включення. У патенті США № 5361184 описується послідовний адаптивний контролер, призначений для керування автоматичним вимикачем або іншим комутаційним пристроєм з метою усунути перехідні процеси у розподільній лінії, спричинені замиканням і розмиканням АВ. Цей адаптивний пристрій компенсує зміни часової характеристики АВ через старіння і вплив зовнішніх умов. Трансформатор напруги видає опірний сигнал, пов'язаний з перетинанням нуля форми хвилі напруги. Схема фазового компаратора порівнює опірний сигнал із часом, коли був створений будь-який перехідний процес при замиканні вимикача, видаючи сигнал, який вказує на необхідність адаптивного регулювання. Аналогічним чином, при розмиканні автоматичного вимикача, трансформатор струму видає опірний сигнал, який порівнюється з проміжком часу для перехідного процесу, який необхідно виявити, при розмиканні автоматичного вимикача. Регулювальна адаптивна схема забезпечує часову компенсацію, яка належним чином змінюється, щоб враховувати зміни часової характеристики АВ, у тому числі через знос і погодні умови. При наступному розмиканні або замиканні АВ спрацьовує у відповідно компенсований час, тобто, він замикається, коли напруга перетинає нуль, а розмикається, коли струм перетинає нуль, мінімізуючи таким чином будь-який перехідний процес у розподільній лінії. Для керування розмиканням АВ за сигналом, виданим трансформатором напруги, може використовуватися кут зсуву фаз. Аналогічним чином, патент США № 5627415 також відноситься до способу боротьби з перенапругами, в якому враховують перше перетинання нуля сигналом напруги після виявлення сигналу розмикання / замикання, ініціюючи низку заданих й синхронізованих стадій, щоб зменшити або усунути перенапругу після розмикання / замикання вимикача у лінії зверх високої напруги. Ще в одному патенті з цього предмету, боротьба з перенапругами в лініях електропередачі, - патенті США № 5629869, описується інтелектуальний автоматичний вимикач або комутуючий пристрій, який містить три окремі комп'ютеризовані блоки, у тому числі блок 40 контролю технічного стану (БКС), блок 50 керування вимикачем (БКВ) і блок 60 синхронного керування (БСК). БКС 40 видає докладний діагноз, контролюючі ключі, пов'язані з надійністю автоматичного вимикача або комутуючого пристрою. Онлайновий аналіз, виконуваний БКС, забезпечує інформацію, яка полегшує проведення технічного обслуговування відповідно до потреби й ідентифікацію внутрішньої відмови. БКВ 50 представляє собою систему, що програмується, із самодіагностикою й дистанційними комунікаціями. Цей блок заміняє звичайні електромагнітні органи керування, традиційно використовувані в керуванні АВ або комутуючими пристроями. БСК 60 забезпечує одночасне керування для комутуючих пристроїв для розмикання й замикання автоматичних вимикачів. Здійснювані процеси керування мінімізують вплив перехідного варіювання системи і зносу АВ. Інтелектуальний автоматичний вимикач або комутуючий пристрій покращує роботу системи і технічне обслуговування устаткування. СТИСЛИЙ ОПИС ВИНАХОДУ Метою цього винаходу є опис способу боротьби з перенапругами під час автоматичного повторного включення ліній електропередачі з поперечною компенсацією. Пропонується спосіб ідентифікації заздалегідь оптимальної області на напрузі для комутації автоматичного вимикача з уможливленням його замикання при першій мінімальній напрузі між контактами автоматичного вимикача після захисту часом безструмової паузи. Спосіб дозволяє враховувати дисперсію і діелектричну характеристику АВ під час операції замикання, оскільки область мінімального биття є більшою за кілька циклів основної частоти. Цей спосіб має бути реалізованим у цифровому реле для керування швидким трифазним автоматичним повторним включенням ліній електропередачі з поперечною компенсацією. СТИСЛИЙ ОПИС ФІГУР Фіг. 1 представляє собою однолінійну схему електричної системи. 2 UA 101071 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Фіг. 2 показує форму хвилі напруги між контактами автоматичного вимикача (фази А, В, С) лінії електропередачі з 90 %-ою поперечною компенсацією. Колом вказана область биття з мінімальною амплітудою. Фіг. 3 представляє собою блок-схему для керованого автоматичного повторного включення лінії електропередачі з поперечною компенсацією. Фіг. 4 представляє собою графік форми хвилі напруги на контактах автоматичного вимикача для фази А. Фіг. 5 представляє собою графік середньоквадратичного значення напруги на контактах автоматичного вимикача. Фіг. 6 представляє собою графік, що ідентифікує момент, коли автоматичний вимикач розмикається. Фіг. 7 представляє собою графік з моментами підсилення і затухання відфільтрованого сигналу після розмикання автоматичного вимикача. Фіг. 8 представляє собою графік з ідентифікацією першого півциклу. Фіг. 9 представляє собою графік часу тривалості першого півциклу відфільтрованого сигналу. ДОКЛАДНИЙ ОПИС ВИНАХОДУ Спосіб, розроблений у цьому винаході, має на меті оптимізувати час трифазного автоматичного повторного включення автоматичних вимикачів при одночасному зменшенні амплітуд перенапруг. Таким чином, автоматичний вимикач може замикатися скоріше, скорочуючи час переривання передачі енергії. Відповідно до цього винаходу, заздалегідь ідентифікують оптимальний момент для комутації АВ в операції трифазного автоматичного повторного включення, уможливлюючи замикання АВ при першому битті напруги після включення захисту часом безструмової паузи. Модель дозволяє враховувати дисперсію й діелектричну характеристику АВ під час операції замикання, оскільки область мінімальної амплітуди биття напруги більша за один цикл основної частоти. Процедура, виконувана в описаному у цьому документі способі, забезпечує більшу надійність при визначенні періоду биття напруги, що передує, незалежно від перетинання нуля хвилею напруги. Крім того, ця процедура дозволяє мати більше часу на спрацьовування АВ, оскільки виявлення мінімальної області відбувається заздалегідь за кілька циклів основної частоти. Основна перевага використання розробленого способу полягає у значному зниженні рівнів перенапруги при операції автоматичного повторного включення у порівнянні до інших способів через замикання автоматичного вимикача при першому мінімумі биття напруги. Описаний у цьому документі спосіб повинен кодуватися в цифровому реле для трифазного автоматичного повторного включення ліній електропередачі, який втілює нову адаптивну процедуру трифазного автоматичного повторного включення в коді реле, що раніше повторно включали лінію, основуючись на часі безструмової паузи, працюючи разом із резистором попереднього включення. Описаний спосіб дасть в результаті нове цифрове реле. Після виникнення пошкодження у лінії електропередачі, захист відключає три фази, ізолюючи пошкоджену ділянку. Оскільки більшість пошкоджень, що справляють вплив на лінії електропередачі, не є постійними, після попередньо встановленого часу захист повторно включить відключену ділянку лінії, що гарантувати безперервність подачі електроенергії. Якщо АВ відключає лінію в режимі холостого ходу, ємнісний струм переривається при перетинанні нуля у кожній фазі. Коли це відбудеться, лінійна напруга матиме своє максимальне значення, залишаючи у лінії захоплений заряд, який не є однаковим в усіх фазах. У першій перерваній фазі напруга може досягати 1,3 pu, і якщо захоплений заряд не буде відведений трансформатором або реактором, лінія залишатиметься зарядженою упродовж тривалого часу. У випадку автоматичного повторного включення лінії до того, як захоплений заряд стече, і замикання полюсів автоматичного вимикача, коли напруга системи має полярність, протилежну напрузі ЛЕП, перехідна перенапруга може бути дуже високою. У разі відсутності устаткування, підключеного на землю, зниження захопленого лінією заряду відбувається дуже повільно, залежить від кліматичних умов й відбувається через протікання заряду по гірляндах ізоляторів. Таким чином, після переривання струму лінія залишається зарядженою з практично максимальною напругою упродовж тривалого часу, приблизно 2-5 хвилин, потрібного для повного розряду лінії, причому у дуже сухих умовах цей час може досягати 15 хвилин. Якщо автоматичне повторне включення лінії в таких умовах, перенапруги на приймальному кінці лінії можуть досягати дуже високих значень, що може спричинити негативні наслідки, такі, як скорочення терміну служби устаткування, погіршення 3 UA 101071 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 якості енергії, що постачається електроенергетичною системою, і накладення операційних обмежень, що запобігають деяким маневрам. У випадку лінії з поперечною компенсацією реактивної потужності ступінь компенсації справляє важливий вплив на форму хвилі напруги між полюсами АВ. Через коло, що утворюється поперечною повною провідністю лінії й індуктивністю реакторів, напруга між полюсами автоматичного вимикача під час автоматичного повторного включення характеризується коливальною формою (биттям). Це биття генерується, оскільки напруги на кожному полюсі мають різні частоти, зокрема, частоту мережі системи на одному боці автоматичного вимикача і власну частоту устаткування з компенсацією і поперечну повну провідність на іншому боці автоматичного вимикача. Період биття залежить від ступеня компенсації лінії. З часом стік захопленого лінією заряду призводить до зменшення амплітуди напруги на боці лінії. Цей стік залежить від добротності реактора поперечної компенсації. Як результат, із часом максимальна амплітуда биття напруги зменшується, а мінімальна амплітуда биття напруги збільшується. Виходячи з цих умов, оптимальною областю для автоматичного повторного включення АВ була б перша мінімальна напруга в області биття автоматичного вимикача, як показано на фіг. 2 червоним колом, яким виділена перша область мінімального биття. У розробленому способі швидкого трифазного автоматичного повторного включення ліній електропередачі з поперечною компенсацією полюси АВ замикають при першій мінімальній напрузі в області биття автоматичного вимикача. З цією метою був реалізований алгоритм, докладно описаний нижче, за допомогою якого заздалегідь ідентифікують оптимальний час для автоматичного повторного включення. Спосіб був реалізований й оцінений за допомогою інструменту моделювання - програмного комплексу PSCAD/EMTDC (автоматизоване проектування електроенергетичних систем / електромагнітні перехідні процеси, включаючи постійний струм). Для реалізації програм синхронізуючої комутації, які уможливлювали динамічну взаємодію упродовж часу виконання із самим PSCAD, використовується мова функції моделі безперервної системи (CSMF) програмного комплексу PSCAD. Це дозволило змоделювати керування комутаційними пристроями, що було потрібним для розробки способу. Програма CSMF уможливлює гнучкіші моделювання, завдяки чому стан енергосистеми під час моделювання можна динамічно змінювати за допомогою програм (або моделей), реалізованих у цих стандартних програмах. Розроблений алгоритм реалізації способу керованого включення ліній електропередачі під час трифазного автоматичного повторного включення докладно пояснюється з посиланнями на блок-схему, показану на фіг. 3: - Напруги електроенергетичної системи безперервно контролюють трансформаторами напруги (ТН). Задля цілей моделювання у цьому способі маніпулюють фактичними напругами системи, але для реалізації у захисному устаткуванні (реле) будуть використовувати зменшені величини, перетворені ТН. Крім того, хоча система є трифазною, алгоритм потребує напругу лише однієї фази, яка посилає сигнал на трифазне автоматичне повторне включення. - За допомогою вольтметра, наявного в PSCAD, виміряють напругу на боці системи і напругу на боці лінії. Таким чином, можна визначити форму хвилі напруги між розімкненими контактами АВ (фіг. 4). - За допомогою цифрової обробки можна одержати середньоквадратичне значення напруги між полюсами автоматичного вимикача (фіг. 5), що здійснюють у PSCAD через попередньо визначену функцію. Потім цей сигнал оброблюють електронним фільтром. - Далі відфільтрований сигнал відбирають за допомогою компаратора, наявного в PSCAD, яким порівнюють два вхідні рівні, що дозволяє ідентифікувати момент розмикання автоматичного вимикача (фіг. 6). - Потім ідентифікують моменти збільшення й зменшення відфільтрованого сигналу після розмикання автоматичного вимикача (фіг. 7). - Генерують сигнал, який має значення, що дорівнює одиниці упродовж першого півциклу і від'ємне значення після першого півциклу (фіг. 8). - За цими результатами можна розрахувати тривалість першого півциклу відфільтрованого сигналу (фіг. 9). - Насамкінець, значення цього півциклу подвоюють і одержують тривалість періоду биття. Після розмикання контактів автоматичного вимикача час автоматичного повторного включення повинен бути відкоригованим на високе значення, яким можуть бути 60 секунд. В момент, коли логічний сигнал ідентифікації півперіоду завершений, подається команда на заміну часу автоматичного повторного включення ідентифікованим періодом биття. 4 UA 101071 C2 5 10 Ідентифікація оптимального часу замикання одержується заздалегідь за кілька періодів частоти мережі, що уможливлює додаткове коригування у разі потреби через розсіяння полюсів і діелектричні характеристики автоматичного вимикача. Оптимальна область для трифазного автоматичного повторного включення складається з кількох циклів основної частоти, і відтак при використанні пропонованого способу є тривалий час для здійснення коригувань і регулювань, якщо у них виникне потреба. Описаний у цьому документі спосіб не обмежується цією конкретизацією, і фахівцям у даній області стане зрозуміло, що можливі різноманітні зміни його форми і деталей у межах визначених сутності й об'єму винаходу, щоб сприяти розумінню, і не може бути реалізованим без відхилення від описаної винахідницької концепції. Обмежувальні характеристики об'єкту цього винаходу пов'язані з формулою винаходу цього документу. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 20 25 30 35 1. Спосіб адаптивного трифазного швидкого автоматичного повторного включення, що застосовують до ліній електропередачі з поперечною компенсацією, який відрізняється тим, що включає наступні стадії, на яких: - калібрують реле, щоб відрегулювати час автоматичного повторного включення до типово високого значення після відключення лінії; - виміряють напругу між контактами автоматичного вимикача за допомогою трансформаторів напруги (ТН); - одержують середньоквадратичне значення напруги між полюсами автоматичного вимикача; - середньоквадратичне значення фільтрують, щоб видалити вищі гармоніки; - ідентифікують момент розмикання автоматичного вимикача; - ідентифікують перший півцикл відфільтрованого сигналу; - ідентифікують тривалість першого півциклу відфільтрованого сигналу; - визначають тривалість періоду биття та - регулюють час автоматичного повторного включення, встановлюючи його дорівнюючим часу періоду биття. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що як типове високе значення використовують 60 секунд. 3. Спосіб за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що середньоквадратичну напругу биття одержують з напруги на автоматичному вимикачі; за цим сигналом визначають перший півцикл биття і розраховують оптимальний час автоматичного повторного включення. 4. Спосіб за пп. 1-3, який відрізняється тим, що реалізують переважно у цифровому реле. 5 UA 101071 C2 6 UA 101071 C2 7 UA 101071 C2 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8