Контроль и регистрация параметров электроэнергетической системы при переходном процессе в режиме реального времени

Российский  национальный комитет Международного Совета

по  большим электрическим системам высокого напряжения

 

ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный  энергетический

университет имени В.И. Ленина» 

 

Кафедра электрических систем

 

 

 

 

 

 

 

ПИСЬМЕННЫЙ  ПЕРЕВОД 

научно-технического теста для участия в конкурсе переводчиков научно-

технической литературы Молодежной секции РНК СИГРЭ 

 

 

 

 

Выполнила: (студентка гр.4-24)

                                                                                                                 Разина Полина Михайловна

 

 

 

 

 

 

 

Иваново, 2013

 

Контроль и регистрация параметров электроэнергетической системы при переходном процессе в режиме реального времени (B3-101)

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ

Традиционные трансформаторы тока и напряжения оказались высокоэффективными в сложившейся практике их применения в электроэнергетической системе. В большинстве этих методов используются измерения параметров в зависимости от промышленной частоты без учета переходных процессов, проходящих за более короткий период времени. Однако оптические устройства имеют большую пропускную способность и имеют возможность сообщать о характеристиках возникшего переходного процесса в режиме реального времени. Эта статья рассматривает вопросы перспективы в сфере стандартов измерения, признанной производительности оптических приспособлений и перспективы настройки  контрольно-измерительных приборов для наилучшей фиксации параметров переходного процесса и его анализа.

Электроэнергетические переходные процессы (ПП) охватывают широкий спектр сигналов, начиная от явлений, которые длятся несколько наносекунд, например, в быстродействующих переходных процессах на закрытых распределительных устройствах с элегазовой изоляцией (ЗРУ), до импульсов в несколько миллисекунд, возникающих в системах электропередачи высокого напряжения.  Грозовые перенапряжения (период волны 1.2/50 мс/мс) и восстанавливающееся напряжение переходного режима связаны с перебоями тока короткого замыкания в тех же пределах.

В данной статье указан пример использования  оптических измерительных преобразователей для измерения параметров переходных процессов с использованием стандартных регистраторов, работающих на частоте менее 100 кГц, то есть 100 000 выборок в секунду (В/с). Устройство предполагает использование оптических ТН и ТТ с многоканальным выходом в зоне контакта для обеспечения соответствия между приборами, работающими на частоте менее 5 кГц, и другой аппаратурой, охватывающей диапазон частот до нескольких МГц. Это прибор позволяет рационально использовать оптические измерительные преобразователи для поддержания должной защиты, учета, записи параметров и качества электроэнергии, а также предоставлять возможность для развития качественно новых широко-частотных приборов (определение места короткого замыкания (КЗ) при помощи бегущей волны, оценка переходных процессов при коммутации и измерение переходного восстанавливающегося напряжения). Это устройство также обеспечивает безошибочное отслеживание координат точки на кривых тока и напряжения, тем самым дает преимущество статических характеристик оптического преобразователя путем измерения захваченного заряда на ЛЭП и конденсаторных блоках.

 

 

 

КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ

Диапазон частот - Волоконно-оптическая линия связи - Высокая частота- Измерительный преобразователь- Оптический измерительный преобразователь- Качество электроэнергии- Реагирующие коммутации- Контроль в реальном времени- Сверхвысокое напряжение- Переходный процесс

 

 

 

1. ВВЕДЕНИЕ

Стандартные трансформаторы тока и  напряжения по сути своей являются аппаратами промышленной частоты с ограниченной возможностью либо невозможностью проводить измерения сверхбыстрых переходных процессов. Однако оптические устройства имеют эту возможность фиксировать параметры ПП в режиме реального времени по мере их возникновения [1]-[4]. ПП в электроэнергетической системе охватывают широкий спектр частот: от постоянного тока до нескольких сотен МГц [5]. Быстрые ПП в ЗРУ, также как и грозовые перенапряжения с субмикросекундным временем установления импульса, как раз и являются теми параметрами, которые должны быть измерены в электроэнергетических системах высокого напряжения. Отдельные коммутационные перенапряжения при передаче электроэнергии, а также переходное восстанавливающееся напряжение, связанные с перебоями тока КЗ, возникают при более длинном промежутке времени перехода сигнала, достигающего нескольких сотен микросекунд. 

Эта статья рассматривает вопросы  перспективы в сфере стандартов измерения, признанной производительности оптических приспособлений и структуры  будущих методов измерения,  обеспечивающих фиксацию ПП для создания инновационной  системы защиты энергосистем и ее дальнейшего анализа. Следующий раздел дает общее представление об измерении ПП в электроэнергетической системе, включая требования диапазона частот и некоторые важные условия. Раздел 3 содержит в себе обзор технических характеристик датчиков тока и напряжения, конкретизируя способы оптимизации применения оптических преобразователей для измерения сигнала ПП по всему спектру частот и амплитуд. Раздел 4 дает возможность на примерах рассмотреть принципы работы оптических и традиционных преобразователей в месте установки оборудования, обращая внимание на различные ограничения и перегрузки в измерительной цепи. В разделе 5 рассматривается структура измерительных приборов и аппаратов, использующих оптические трансформаторы для измерения напряжения и тока в нормальном режиме работы и синхронного учета параметров ПП. В разделе 6 подводятся итоги и выводы наших исследований.

 

2. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ  В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ

Переходные процессы напряжения и  тока охватывают широкий спектр амплитуд и частот. В данном случае рассматриваются как внешние КЗ, возникающие в случае удара молнии, так и внутренние КЗ, возникающие при коммутационных переключениях. При коммутации важным является быстрое срабатывание повторного включения цепи при отключенном токе КЗ, само отключение тока КЗ и отключение индуктивной и емкостной нагрузки.

В целях испытания контроля изоляции напряжение грозового импульса, как  известно, имеет период волны 1.2/50 мс/мс [5]. На деле так называемая вспышка молнии обусловлена разрядным током между облаками и землей. Бросок тока становится напряжением при взаимодействии с волновым сопротивлением «ударного» оборудования. В теме этой статьи импульсы грозового разряда едва ли представляют большой интерес, за исключением, может быть, специфических методов, требующих данного наблюдения.

Коммутационное перенапряжение характеризуется  стандартным периодом волны 250/2500 мс/мс  [5]. Но это не тот период, который мы себе представляем, на самом деле это относится к минимальной пробивной способности воздушных зазоров различных форм [5]. Коммутационные перенапряжения возникают в результате включения автомата защиты цепи при различных напряжениях, отличных от нуля. Например, при однофазном КЗ на землю и трехфазном  мгновенном расцеплении некомпенсированной линии нагрузка распределяется по двум неповрежденным фазам. При повторном включение падение напряжения в худшем случае может составлять 2В, что приводит к коммутационным перенапряжениям в 3В. Обычно, для снижения перенапряжений используют меры по урегулированию, например, использование замыкающего сопротивления, ограничители перенапряжения (ОПН) или управляемые или замедленные замыкания [6]. Реальная амплитуда и период волны зависят от ряда следующих показателей: длина и конфигурация линии, степень компенсации, меры по урегулированию, и могут быть изучены только при возможности детального моделирования и локальных измерений.

Вопрос отключения КЗ достоин большого внимания. Один или несколько выключателей срабатывают для прерывания пути прохождения тока КЗ. Напряжение выключателя восстанавливает заданное положение с помощью переходного восстанавливающегося напряжения под названием ПВН. ПВН имеет как частотную составляющую, зависящую от рабочего заземления и типа КЗ, так и колебательную составляющую, которая может быть как затухающей, так и демпфированной, что может привести в результате к бегущей волне [7]. Также, результирующий ток КЗ имеет постоянную составляющую, затухающую со скоростью, определяемой структурой сети. Постоянную времени ПП точно вычислить довольно сложно, а иметь возможность определить величину постоянной составляющей является важной задачей.

ПП при подключенных шунтирующих  батареях конденсатора или реакторах  имеют более локальный характер, нежели системные явления. (Однако подключение батареи конденсаторов на одной станции может иметь негативные последствия на удаленной станции). Самым неблагоприятным с точки зрения перенапряжения является одновременное повторное восстановление на двух фазах. Как правило, ОПН служит для уменьшения амплитуды броска напряжения [8]. Шунтирующий реактор является тяжелой нагрузкой для выключателей [9]. Повторное появление разряда само по себе наносит вред выключателям, а повторное перенапряжение - реакторам. Для систем высокого и сверхвысокого напряжения эти вопросы решаются с помощью управляемых переключений [10] .

Так называемые сверхбыстрые ПП являются уникальными для ЗРУ. Они возникают в случае работы разъединителя. Сверхбыстрые ПП зависят от параметров системы, и никаких методов их стандартизации, как в случае с грозовыми и коммутационными перенапряжениями, не было разработано. Они всего лишь имеют место быть [5]. Однако на ЗРУ ультравысокого напряжения используются вводные сопротивления для уменьшения таких ПП.

Ряд приблизительных частот сигналов перенапряжения, обсуждаемых выше, сведен в таблицу 1. Стоит отметить, что возможны возникновения более  медленных кратковременных перенапряжений, которые мы не будем учитывать.  

Таблица 1 Ряд перенапряжений и  соответствующего времени восстановления

Вид перенапряжения	Время восстановления, мс
Грозовые Коммутационные ПВН Переключения реактивной нагрузки Сверхбыстрые ПП	0,1                        -                             20 20                         -                          5000 2                                                     -1400 0,5                                                       -5 0,003-0,1

 

 

 

 

 

 

 

 

3. ОПТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ  НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА

В отличие от традиционных проволочных  и/или емкостно-связанных измерительных  трансформаторов оптические преобразователи  являются линейными устройствами в  отношении частоты и амплитуды  сигнала [1]-[4]. Следовательно, они могут  использоваться для измерения напряжения и тока в большом диапазоне  частот и амплитуд. Тем не менее, как и в любых других устройствах, существуют некоторые ограничения его работы, что в свою очередь требует некой оптимизации в методах измерения сигналов. К примеру, при измерении высокочастотных сигналов с помощью оптического ТТ (трансформатора тока) из стекловолокна мы должны убедиться, что время прохождения света через чувствительное волокно значительно меньше периода  электрического (токового) сигнала. В ссылке [1] подробно рассматривается вопрос «выходного сигнала», а также чувствительность оптического ТТ с различными чувствительными волоконными лентами, используемыми для измерения частоты сигнала тока (см. график 1 из [1]). Когда частота сигнала увеличивается (а период снижается), чувствительность трансформатора возрастает. Как следует из опыта, для гарантирования качественного измерения сигнала длина оптического чувствительного элемента должна быть в большей степени на порядок меньше длины волны измеряемого сигнала. Например, при частоте сигнала ПП 5 МГц, длина чувствительного элемента должна быть менее 2 метров.

Ссылка [1] также разъясняет вопросы  оптимизации длины чувствительного  элемента, количества витков и амплитуды и частоты измеряемых сигналов. Оптимальным сочетанием является стандартный оптоволоконный ТТ с чувствительным элементом, длинной 3 метра, и 4 витками, используемый для измерения токов до 15 кА и 6 МГц [1] .

Еще одним важным фактором, который  следует рассмотреть при использовании  оптических преобразователей, является уровень шумов на выходе сенсорной  системы. Отношение сигнал-шум может негативно воздействовать на качество измерения. Таким образом, сенсорная система должна создаваться так, чтобы обеспечивать надлежащий уровень сигнал-шум. Это есть ключевой момент использования широкополосных оптических ТТ на большом диапазоне токов. Существует множество источников шума в измерительных приборах как оптических, так и неоптических. Для стандартного оптического ТТ главным шумом является электрический [11]. В общем случае, это - шум  равномерно амплитудно-частотного спектра с распределением Гаусса, со временем достигающего нуля. Гауссовский шум в оптическом ТТ имеет среднеквадратичное отклонение в 0.2 витков/√Гц. Например, уровень шума (со стандартным отклонением 1 сигма) для 20-виткового оптического ТТ  с пропускной способностью 10 кГц равен 1А первичного тока, то есть используя прибор для измерения тока в 1000А при частоте 60-50Гц, отношение сигнал-шум на выходе оптического ТТ будет около 1000:1 или 60 дБ. Еще один пример: уровень шума для 4-виткового оптического ТТ с пропускной способностью 1МГц равен 50А первичного тока , в результате это дает уровень сигнал-шум 100:1 (40дБ) при измерении тока в 5 кА.

График 1 Зависимость чувствительности оптического ТТ от частоты при различной длине чувствительного элемента L [1]

В измерительной системе с оптическими  ТН и ТТ чувствительные элементы составляют лишь часть измерительной цепи. Очень  важно разрабатывать полноценную  структуру измерительной системы, включая оптический измерительный  элемент, его сопутствующую электронику  и записывающие устройства с надлежащими  характеристиками. Преимущество оптических сенсорных элементов (помимо линеаризованной характеристики на всем диапазоне частот и амплитуд) состоит в том, что один сенсорный элемент может работать в комбинации с несколькими различными алгоритмами обработки сигналов и выходными интерфейсами на сенсорном электронном корпусе для обеспечения синхронных измерений. Например, в статье [1] описывается двуканальный оптоволоконный ТТ, где один выход используется для измерения постоянного тока (от нескольких ампер до нескольких десятков), а другой выход- переменного тока частотой 50-60 Гц около 3000А. Каждый выход имеет разный уровень сигнал-шум, чувствительность (оценивается коэффициентом трансформации) и пропускной способностью, тогда как исходный вариант сенсора был одноканальный. Таким образом, используя оптические ТТ при измерении ПП в ЭЭС, мы можем обойтись одним сенсорным элементом в измерительной цепи по многим причинам, включая четкость сигнала, надежность системы и оптимизация затрат. В разделе 5 детально рассматриваются схемы использования оптических сенсорных систем для записи ПП, а также использования сенсора в нормальном режиме работы и в качестве защитного аппарата.