Повышение надежности кабельно-воздушных линий электропередачи путем организации интеллектуального автоматического повторного включения

Появление кабельно - воздушных линий электропередач (КВЛ) 110 кВ и выше предъявляет новые требования к устройствам релейной защиты и автоматики (РЗА) линий электропередачи (ЛЭП). Одной из наиболее актуальных является проблема реализации автоматического повторного включения (АПВ), то или иное решение которой значительно влияет на надежность и эффективность функционирования КВЛ. В ряде стран используется как неселективное АПВ, так и селективное. Предлагается интеллектуальный способ АПВ КВЛ на основе волновых методов, позволяющий повысить надежность РЗА КВЛ.

Способ предполагает введение специальной процедуры распознавания волновых портретов повреждений как на кабельном,так и на воздушном участке ЛЭП.

• Куликов А.Л., д.т.н., доцент, профессор кафедры ЭЭиСЭ НГТУим Р.Е. Алексеева
• Пелевин П.С.,аспирант, ассистент кафедры ЭЭиСЭ НГТУ им Р.Е. Алексеева
• Лоскутов А. А., к.т.н., доцент кафедры ЭЭиСЭ НГТУ им Р.Е. Алексеева

ВВЕДЕНИЕ

Долгое время в энергетике для организации освещения и подачи электричества к конечным потребителям использовались в основном высоковольтные воздушные линии (ВЛ). Однако в настоящее время в крупных городах растет число кабельно-воздушных линий (КВЛ). Причиной этому является необходимость переноса некоторых ВЛ под землю, а также невозможность возведения новых высоковольтных ВЛ в современной городской среде. Поскольку капитальные затраты при строительстве высоковольтных кабельных линий (КЛ), как правило, больше, чем ВЛ той же длины, то все чаще ЛЭП делают смешанной, комбинируя несколько воздушных и кабельных линий на одном протяженном участке. Однако в то время как снижаются капитальные затраты, возникает ряд проблем, связанных с эксплуатацией КВЛ в нормальных и аварийных условиях. При этом актуальной задачей является обеспечение функций автоматического повторного включения (АПВ) КВЛ.

Как известно, АПВ ЛЭП является элементом повышения надежности электропередачи, однако на КВЛ применение функции АПВ без контроля поврежденного участка (неселективное АПВ КВЛ) может привести к дополнительному ущербу в случае повреждения на кабеле. При применении неселективного АПВ КВЛ положительный эффект снижения времени отключения ЛЭП нивелируется появлением вероятности включения КВЛ под напряжением при поврежденном кабеле. Таким образом неселективное АПВ КВЛ не позволяет в полной мере повысить надежность электропередачи.

Необходимо применение селективного АПВ КВЛ, при котором перед циклом АПВ определяется поврежденный участок КВЛ и при повреждении на кабеле АПВ блокируется. Таким образом, целью статьи является анализ существующих рабочих методов селективного АПВ КВЛ и оценка перспектив их применения.

Рис. 1. Классификация методов селективного АПВ КВЛ

Дистанционные — основанные на удаленных (дистанционных) измерениях контролируемых сигналов по одному или двум концам КВЛ и определении расстояния от места измерений до места повреждения или основанные на непосредственном определении поврежденного участка [6–5]. Дистанционные методы включают:

пассивные:

• односторонние [4, 5];
• двусторонние или многосторонние, например, при большом числе ответвлений ЛЭП (как будет показано далее, возможно использование измерений как с синхронизацией времени [6], так и без синхронизации [7]);

активные [8]

Рассмотрим особенности различных методов АПВ КВЛ и выполним сопоставительный анализ.

КЛАССИФИКАЦИЯ СПОСОБОВ АПВ КВЛ

В настоящее время разработано достаточное количество различных научных способов определения поврежденного участка КВЛ и выполнения селективного АПВ КВЛ, что позволяет выделить два вида по принципу действия (рисунок 1): дифференциальные и дистанционные.

Дифференциальные способы — определяющие поврежденный участок путем измерения сигналов по концам контролируемых зон (участков) [1–3]. Существуют дифференциальные методы:

• основанные на контроле токов в фазах [1, 2];
• основанные на контроле токов в экранах кабелей [3].

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ АПВ КВЛ

Дифференциальные методы основаны на сравнении сигналов (как правило токов) по концам участков КЛ или ВЛ (рисунки 2а-б–4а-б). К данному классу относится способ определения поврежденного участка кабельно-воздушной линии методом сравнения токов по концам изолированных кабельных участков КВЛ [1]. Применены датчики тока, установленные на кабельно-воздушных переходах ЛЭП. Датчики тока подключаются к трансформаторам тока (ТТ) и передают информацию о токах по специальному каналу связи на главное устройство, установленное на подстанции (ПС) или комплексной трансформаторной подстанции (КТП).

В [2] применено решение, основанное на использовании специальных оптических датчиков тока, основанных на эффекте Фарадея. Данные датчики последовательно соединяются волоконно-оптической линией с электронно-оптическим устройством на ПС. Главное устройство таким образом измеряет дифференциальный ток кабельного участка и определяет внешнее или внутреннее повреждение.

Иным дифференциальным способом является контроль тока в экранах кабеля, при этом используются трансформаторы тока, устанавливаемые на заземлителях экранов кабелей [3]. Вторичный сигнал ТТ подается на измерительное устройство, которое передает параметры сигнала по волоконно-оптической линии связи на центральное устройство системы селективного АПВ.

Преимуществом дифференциальных методов АПВ КВЛ можно назвать высокую точность обнаружения источника проблемы и определения поврежденного участка (обеспечение практически абсолютной селективности АПВ КВЛ), и применимость для большого числа конфигураций КВЛ. Основные недостатки связаны прежде всего с необходимостью установки дополнительного оборудования как на ПС, так и в месте кабельно-воздушного перехода (ТТ, датчики тока, устройства сбора и передачи информации), организации специального канала связи, что является дорогим решением. Как будет показано далее, число необходимого оборудования прямо пропорционально зависит от числа кабельных цепей КВЛ. Надежность данных технических решений снижается с ростом КЛ участков, а технико-экономические затраты на работу людей: монтаж, наладку и обслуживание увеличиваются. Также на переходном пункте (ПП) может потребоваться организация электрики для питания собственных нужд и обогрева, что приводит к существенному усложнению и удорожанию оборудования ЛЭП.

ДИСТАНЦИОННЫЕ МЕТОДЫ АПВ КВЛ

Дистанционные методы АПВ КВЛ по своему принципу действия характеризуются тем, что измерения контролируемых сигналов осуществляются не на концах КЛ или ВЛ участков, а по концам КВЛ на ПС. По типу контролируемых сигналов дистанционные методы классифицируются на пассивные (рисунки 2в-д–4в-д) и активные (рисунки 2е и 4е). В пассивных методах контролируются естественные токи и напряжения переходного процесса при повреждении КВЛ (например, [4–6]).

При этом решение о поврежденном участке может приниматься по рассчитываемому расстоянию до места повреждения (МП) или путем применения специальных алгоритмов распознавания поврежденного участка [5]. К активным методам относятся такие, при которых в линию или в отдельный ее участок посылаются специальные сигналы (как правило высокочастотные), а контроль поврежденного участка осуществляется через параметры искусственного сигнала (наличие, отсутствие, энергия сигнала и т.д.).

Для простейшей реализации одностороннего дистанционного пассивного принципа можно использовать измерительные органы (ИО) релейной защиты (РЗ) с относительной селективностью. Данный способ обладает рядом существенных недостатков, основным из которых является блокирование АПВ на большой части воздушных участков ввиду необходимости отстройки уставок срабатывания ИО из-за их недостаточной точности.

Другим способом, позволяющим исключить указанные недостатки, является использование методов контроля волновых переходных процессов и волнового определения места повреждения (ОМП) [5, 6], имеющих большую точность.

Примером пассивного метода АПВ КВЛ на основе волнового ОМП, адаптированного для работы на КВЛ, является способ с использованием двусторонних синхронизированных измерений [6] (рисунки 2в–4в). Рассчитанное расстояние до места повреждения используется для оперативного принятия решения о запрете или разрешении цикла АПВ. Недостатком решения является необходимость использования волоконно-оптической линии связи и устройств точной синхронизации времени.

Рассчитанное расстояние до места повреждения используется для принятия решения о запрете или разрешении цикла АПВ. Недостатком решения является необходимость использования волоконно-оптической линии связи и устройств точной синхронизации времени.

АПВ КВЛ на основе контроля переходных процессов

Из курса лекций по электродинамике известно, при КЗ на ЛЭП в месте повреждения происходит быстрый разряд, порождающий резкое изменение напряжения в месте КЗ. Таким образом начинается первая стадия электромагнитного переходного процесса, связанная с распространением электромагнитных волн вдоль проводов ЛЭП от места повреждения и называемая волновым процессом.

Ввиду неоднородности КВЛ, а главным образом из-за наличия кабельно-воздушных переходов, при распространении по КВЛ электромагнитных волн возникают многократные переотражения и в контролируемых сигналах появляются дополнительные высокочастотные составляющие. Данные составляющие содержат в себе информацию как о поврежденном участке КВЛ, так и о месте повреждения. Проведенные исследования на имитационных моделях [5] показали, что характер протекания электромагнитных переходных процессов, в частности волновых процессов, при повреждениях на разных участках КВЛ существенно отличается (рисунок 5). Это делает возможным определение поврежденного участка КВЛ путем распознавания (или классификации) сигналов тока и напряжения переходного процесса.

Таким образом, перспективны методы дистанционного пассивного АПВ КВЛ на основе контроля переходных процессов. Причем возможно использование как односторонних измерений по одному концу КВЛ (рисунки 2г–4г), так и многосторонних несинхронизированных измерений по двум [7] и более (в случае КВЛ сложной конфигурации с ответвлениями на воздушных участках) концам КВЛ (рисунки 2д–4д). При этом стандартные методы волнового ОМП (например, [9]) не применимы. Целесообразна разработка специальных алгоритмов оценки сигналов и автоматизированного распознавания поврежденного участка для селективного АПВ КВЛ.

В случае применения односторонних измерений требуются более сложные процедуры расшифровки и распознавания сигнала [5] по сравнению с многосторонними, позволяющими использовать относительно простую обработку сигнала. Однако многосторонние методы требуют использования каналов связи между подстанциями и КТП. Таким образом, преимуществом односторонних методов является снижение числа оборудования в схеме АПВ КВЛ до одного устройства (не считая измерительные преобразователи), а недостатком является повышенная вычислительная нагрузка алгоритмов цифровой обработки. Стоит отметить, что последний недостаток не является критичным в настоящее время, ввиду развития производства и непрерывного роста вычислительных мощностей элементов промышленной автоматизации.

На основе применения указанного выше принципа были разработаны ряд алгоритмов определения поврежденного участка, относящиеся к дистанционным пассивным методам АПВ КВЛ. Одним из таких алгоритмов является способ АПВ КВЛ, использующий односторонние измерения и основанный на применении принципа распознавания образов [5]. Сущность метода заключается в цифровой фильтрации сигналов тока или напряжения переходного процесса и формировании волнового портрета (рисунок 5). Данный волновой портрет затем сравнивается с эталонными портретами, полученными заранее с применением имитационного моделирования повреждений на КВЛ. При этом используется корреляционная обработка сигналов [5].

Другим методом, основанным на контроле электромагнитного волнового процесса, является способ на основе двусторонних несинхронизированных измерений [7]. Принцип работы данного метода основан на простом факте, знакомом каждому специалисту по электрике, что электромагнитная волна, распространяясь от места повреждения по ЛЭП с неоднородными участками (такими, как КВЛ), претерпевает дополнительное затухание, связанное с рассогласованностью волновых сопротивлений разных участков. В зависимости от поврежденного участка КВЛ и места повреждения электромагнитные волны претерпевают различное затухание на пути к ПС и месту измерения. Поэтому, измерив и оценив амплитуду фронта волнового сигнала по концам ЛЭП, можно косвенно определить поврежденный участок. В соответствии с предложенной реализацией способа вычисляется отношение сигналов токов или напряжений по двум концам КВЛ, что позволяет практически селективно определить поврежденный участок [7].

Дистанционные активные методы АПВ КВЛ

К дистанционным активным методам можно отнести способ АПВ КВЛ с индуцированием наложенного сигнала в экран кабеля [8] (рисунки 2е, 4е). Согласно данному способу к экрану кабеля со стороны здания подстанции через специальный индуктивный трансформатор подключается генератор высокочастотных (ВЧ) колебаний. В экран индуцируется сигнал на выбранной частоте кратных высших гармоник. Таким образом на экране кабеля образуется наложенное электрическое колебание. В нормальном режиме функционирования КВЛ и при внешних (вне кабельного участка) повреждениях отсутствует контур для протекания тока, и наложенное напряжение вне экрана кабеля практически не индуцируется. Напротив, при повреждении изоляции кабеля и замыкании токопроводящего сердечника кабеля на экранирующий проводящий слой наложенное колебание распространяется на поврежденную фазу и может быть измерено на подстанции устройством РЗА (при этом необходима достаточно высокая частота дискретизации АЦП устройства, например, 80–256 отсчетов на период промышленной частоты).

Стоит отметить, что с увеличением частоты наложенного колебания сопротивление внешней системы увеличивается, поэтому целесообразно измерять напряжение наложенного сигнала вместо тока. При этом частота сигнала ограничивается полосой пропускания ТН и частотой дискретизации цифрового устройства РЗА.

Из недостатков данного способа можно отметить необходимость постоянного использования специального генератора и ограничение по конфигурации КВЛ (только группа «КЛ-ВЛ» и «КЛ-ВЛ-КЛ»).

СОПОСТАВЛЕНИЕ СХЕМНЫХ РЕШЕНИЙ АПВ КВЛ

Для сравнения методов АПВ КВЛ с точки зрения надежности технического решения целесообразно рассмотреть соответствующие схемные решения АПВ КВЛ. Поскольку оценка надежности алгоритмов определения поврежденного участка затруднительна и зависит от учета частных случаев и вероятностей их событий, то оцениваться способы АПВ КВЛ будут по сочетанию элементов, составляющих схемное решение АПВ КВЛ. Для проведения такой оценки на рисунках 2–4 изображены схемные решения АПВ КВЛ для трех конфигураций КВЛ:«КЛ+ВЛ», «ВЛ+КЛ+ВЛ», «КЛ+ВЛ+КЛ». На рисунках 2–4 показаны дифференциальные методы АПВ КВЛ (а, б) и дистанционные: пассивные (в, г, д) и активный (е).

Данные методы АПВ КВЛ приведены на рисунках в порядке их описания в тексте данной работы. При этом в случае конфигурации КВЛ «ВЛ+КЛ+ВЛ» дистанционный активный метод [8] нецелесообразно применять ввиду сложности организации передатчика на КЛ–ВЛ переходе, отстоящем от ПС.

На рисунках 2–4 приняты следующие обозначения: ДТ — датчик тока (устройство измерения, обработки и передачи сигнала); У — основное устройство АПВ КВЛ; ЛС — линия связи; П — передатчик (генератор наложенного сигнала); ТС — трансформатор специального сигнала; СВ — устройство синхронизации времени.

Запишем выражения вероятности безотказной работы для схемных решений АПВ КВЛ (рисунки 2а-е–4а-е). При этом считаем, что с точки зрения надежности элементы схемы соединены последовательно. Также допускаем, что элементы независимы по отказам. Тогда для схем рисунков 2а-е–4а-е можно записать выражения (1–3). Для конфигурации КВЛ «КЛ+ВЛ»:

Анализируя рисунки 2–4 и выражения (1–3), можно заметить, что количество оборудования при дифференциальных методах, а также вероятность отказа больше, чем при дистанционных, если принять вероятность безотказной работы однотипных элементов одинаковыми. Также можно заметить, что в случае дистанционных методов АПВ КВЛ (рисунки 2в-д–4в-д), за исключением активного метода АПВ КВЛ с индуцированием сигнала в экран кабеля (рисунки 2е–4е), число элементов не изменяется при увеличении числа кабельных участков. Напротив, в случае дифференциальных методов (рисунки 2а-б–4а-б) число оборудования растет пропорционально числу кабельных участков, а вероятность безотказной работы снижается.

Проведенное сопоставление и оценка методов АПВ КВЛ видится достаточной для предварительного вывода о том, что именно дистанционные методы АПВ КВЛ представляют наибольшую перспективу для их дальнейшего развития. Поскольку они требуют меньших затрат, а также представляются более надежными с точки зрения схемной реализации. Стоит также отметить, что развитие волновых методов АПВ и ОМП КВЛ позволяет в дальнейшем использовать алгоритмы оценки сигналов для внедрения в перспективные волновые устройства РЗА.

ЛОГИКА СЕЛЕКТИВНОГО ДИСТАНЦИОННОГО АПВ КВЛ

Реализовать АПВ КВЛ возможно, используя существующие микропроцессорные терминалы релейной защиты и автоматики с функциями автоматики управления выключателем совместно с устройством АПВ КВЛ. При этом логика работы устройства АПВ КВЛ может быть организована как показано на рисунке 6.

Логика работы АПВ КВЛ предусматривает возможность использования как алгоритмов определения поврежденного участка, так и алгоритмов, позволяющих определить место повреждения. Выбор осуществляется переключением режимов работы. Рассчитываемое место повреждения (МП) подается на входы элементов сравнения (рисунок 6), где проверяется непопадание места повреждения в зону блокирования АПВ (элементы сравнения и элемент «И»), задаваемую уставками: уставка начала первой зоны блокирования (УЗБ1_Н) и уставка конца первой зоны блокирования (УЗБ1_К).

Далее сигнал подается на элемент «ИЛИ», на который также подаются сигналы, соответствующие попаданию места повреждения в другие зоны блокирования (при нескольких кабельных участках). При повреждении кабельного участка или попадании места повреждения хотя бы в одну зону блокирования выдается сигнал о блокировании АПВ.

Разработанная структура логики формирования управляющих сигналов АПВ КВЛ является универсальной и позволяет использовать любые алгоритмы оценки сигнала, позволяющие определить место повреждения или поврежденный участок КВЛ.

ВЫВОДЫ

1. Проведена классификация способов селективного АПВ КВЛ по принципу действия, также рассмотрены конкретные технические решения. На основе проведенного сравнительного анализа можно заключить, что дифференциальные способы АПВ КВЛ могут быть использованы при конфигурациях КВЛ «КЛ-ВЛ» и «КЛ-ВЛ-КЛ» с кабельными участками средней и небольшой длины. Для конфигураций КВЛ, при которых кабельные участки отстоят от ПС, применение дифференциальных методов нецелесообразно, за исключением частных случаев, когда дистанционные методы могут быть малоэффективны.
2. Дистанционные методы являются более универсальными и могут применяться в большинстве вариантов конфигураций КВЛ. При этом активный дистанционный метод целесообразно использовать только при конфигурациях КВЛ «КЛ-ВЛ» и «КЛ-ВЛ-КЛ». В случае относительно коротких участков некоторые односторонние пассивные дистанционные методы АПВ КВЛ могут быть неэффективными, поэтому в таких проектах перспективно применение двусторонних методов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Догадкин Д., Марин Р., Ширшова Е.,Исмуков Г., Куликов А., Линт М., Подшивалин А. Устройство автоматического повторного включения кабельно-воздушных линий электропередачи мегаполисов // ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение, 2016, № 5(38). С. 114–119.
2. Оптическая система идентификации повреждения на смешанных линиях электропередачи. Патент на изобретение WO2015033001 (A1). Optical system for identifying faults in mixed power transmission lines. Дата подачи заявки: 04.09.2013. Опубликовано: 12.03.2015.
3. Система селективного блокирования автоматического повторного включения на комбинированных кабельно-воздушных линиях электропередачи. Патент на изобретение RU2669542 (C1). Дата подачи заявки: 12.01.2018. Опубликовано: 11.10.2018.
4. Способ автоматического повторного включения кабельно-воздушной линии электропередачи. Патент на изобретение RU 2658673 (C1). Дата подачи заявки: 26.09.2017. Опубликовано: 22.06.2018.
5. Куликов А.Л., Лоскутов А.А., Пелевин П.С. Алгоритм идентификации поврежденного участка на кабельно-воздушных линиях электропередачи на основе распознавания волновых портретов // Электричество, 2018, № 3. С. 11–17.
6. Kasztenny B., Guzman A., Man-gapathirao V. Mynam, and Titiksha Joshi. Locating faults before the breaker opens – adaptive autoreclosing based on the location of the fault / 44th Annual Western Protective Relay Conference, October 2017, pp. 1-15.
7. Куликов А.Л., Пелевин П.С., Лоскутов А.А. Метод автоматического повторного включения на кабельно-воздушных ЛЭП с использованием двусторонних измерений // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2019, № 4. С. 81–90.
8. Способ автоматического повторного включения кабельно-воздушной линии электропередачи. Патент на изобретение RU 2663413 (C1). Дата подачи заявки: 29.08.2017. Опубликовано: 06.08.2018.
9. Schweitzer E.O., Guzman A., Mynam M.V., Skendzic V. Locating Faults by the Traveling Waves They Launch / 67th Annual Conference for Protective Relay Engineers, College Station, TX, USA, March 2014, pp. 1-16.REFERENCES

1. Dogadkin D., Marin R., Shirshova E., Ismukov G., Kulikov A., Lint M., Podshivalin A. Autorecloser of cable overhead transmission lines in metropolises // ELEKTROENERGIYA. Peredacha i raspredeleniye [ELECTRIC POWER. Transmission and Distribution], 2016, no. 5 (38), pp. 114–119. (In Russian)
2. Opticheskaya sistema identifi katsii povrezhdeniya na smeshannykh liniyakh elektroperedachi [Optical system for identifying faults in mixed power transmission lines]. Patent no. WO2015033001 (A1) Optical system for identifying faults in mixed power transmission lines. Date of application: 04.09.2013. Published: 12.03.2015.
3. Selective blocking of autoreclosing in combined cable-overhead transmission lines. Patent for invention RU2669542 (C1). Date of application: 12.01.2018. Published: 11.10.2018.
4. A way to perform autoreclosing of a cable-overhead transmissionline. Patent for invention RU 2658673 (C1). Date of application: 26.09.2017. Published: 22.06.2018.
5. Kulikov A.L., Loskutov A.A., Pelevin P.S. Algorithm of fault location detection in cable-overhead transmission lines based on wave profile recognition // Elektrichestvo [Electricity], 2018, no. 3, pp. 11–17. (In Russian)
6. Kasztenny B., Guzman A., Man-gapathirao V. Mynam, and Titiksha Joshi. Locating faults before the breaker opens – adaptive autoreclosing based on the location of the fault / 44th Annual Western Protective Relay Conference, October 2017, pp. 1-15.
7. Kulikov A.L., Pelevin P.S., Loskutov A.A. Method of autoreclosing in cable-overhead transmission lines by using two-end measurements // Trudy NGTU imeni R.E.Alekseeva [Proc. of NNSTU n.a. R.E. Alekseev], 2019, no. 4, pp. 81–90. (In Russian)
8. A way to perform autoreclosing of cable-overhead transmission line. Patent for invention RU 2663413 (C1). Date of application: 29.08.2017. Published: 06.08.2018.
9. Schweitzer E.O., Guzman A., Mynam M.V., Skendzic V. Locating Faults by the Traveling Waves They Launch / 67th Annual Conference for Protective Relay Engineers, Col-lege Station, TX, USA, March 2014, pp. 1-16.

Оригинал статьи: Повышение надежности кабельно-воздушных линий электропередачи путем организации интеллектуального автоматического повторного включения