Prace Naukowe Instytutu Energoelektryki Politechniki Wroclawskiej 99 Seria: Monografie 32 Miroslaw Lukowicz Metody wykrywania zwarc wysokooporowych w napowietrznych liniach elektroenergetycznych Oficyna Wydawnicza Politechniki Wroclawskiej Wroclaw 2013
Spis tresci Wykaz oznaczen 5 1. Wstep 7 2. Cel i zakres pracy 17 3. Automatyka zabezpieczeniowa napowietrznych linii elektroenergetycznych 19 4. Czynniki determinujace czulosc zabezpieczen elektroenergetycznych linii przesylowych 27 4.1. Wplyw konstrukcji linii elektroenergetycznej na czulosc automatyki zabezpieczeniowej.. 28 4.2. Wplyw przekladników na czulosc automatyki zabezpieczeniowej 30 4.3. Czulosc zabezpieczen kierunkowych linii elektroenergetycznych 32 4.4. Czulosc zabezpieczen odleglosciowych linii elektroenergetycznych 34 4.5. Czulosc zabezpieczen róznicowopradowych linii elektroenergetycznych 36 4.5.1. Czlony róznicowe pradów fazowych 37 4.5.2. Czlony róznicowe skladowych symetrycznych 38 4.5.3. Prady pojemnosciowe linii elektroenergetycznych 38 5. Metody poprawy czulosci róznicowopradowych zabezpieczen linii elektroenergetycznych 41 5.1. Wprowadzenie 41 5.2. Konwencjonalne zabezpieczenie róznicowe linii elektroenergetycznych 42 5.3. Zabezpieczenia róznicowopradowe linii elektroenergetycznych wykorzystujace wielkosci wzgledne 46 5.4. Charakterystyka dzialania zabezpieczenia róznicowego linii elektroenergetycznej na plaszczyznie a 47 5.5. Inne kierunki rozwoju zabezpieczen róznicowych linii 51 6. Estymacja opóznienia transmisji danych dla potrzeb cyfrowych róznicowopradowych zabez pieczen linii przesylowych 53 6.1. Wprowadzenie 53 6.2. Wplyw opóznienia cyfrowej transmisji danych na zabezpieczenia róznicowopradowe linii elektroenergetycznych 55 6.3. Metody kompensacji opóznienia transmisji danych 57 6.4. Nowy algorytm kompensacji opóznienia transmisji danych 60 6.4.1. Estymacja pozornego opóznienia katowego fazorów pradowych 60 6.4.2. Praktyczne podejscie do kompensacji pozornego opóznienia fazowego 62 6.5. Kompensacja pozornego opóznienia fazowego ocena dokladnosci metody 63 6.5.1. Dzialanie algorytmu przy wyborze poprawnej wartosci B\ 64 6.5.2. Skutecznosc kompensacji przy nieprecyzyjnie obranej wartosci Bt 68 6.6. Aktualizacja kata kompensacyjnego 69 6.6.1. Zmiana kanalu transmisji danych 70 6.6.2. Zwarcia 71 6.6.3. Jednoczesne zajscie zwarcia i zmiany opóznienia kanalu 71
146 6.7. Podsumowanie 71 7. Czule zabezpieczenia admitancyjne elektroenergetycznych linii przesylowych 73 7.1. Wprowadzenie 73 7.2. Algorytm wykrywania zwarc wysokooporowych glówna idea 73 7.2.1. Kryterium dzialania 73 7.2.2. Algorytm decyzyjny 75 7.2.3. Poprawa dokladnosci pomiaru wielkosci kryterialnej 76 7.3. Warunki badania algorytmu 77 7.3.1. Model analizowanego systemu 77 7.3.2. Analizowane przypadki zwarciowe 77 7.3.3. Modelowanie wysokooporowych doziemnych zwarc lukowych 78 7.4. Wyniki badan algorytmów ALGA i ALGB 80 7.4.1. Dzialanie algorytmów w stanie przedzwarciowym 80 7.4.2. Badanie wielkosci kryterialnych w stanie ustalonym zwarcia 81 7.5. Analiza dzialania algorytmów podczas zwarc z lukiem przerywanym 84 7.5.1. Analiza w dziedzinie czasu 84 7.5.2. Szacowanie czulosci algorytmów 86 7.6. Wyznaczanie napiecia sredniego na linii o parametrach rozlozonych 89 7.7. Wyznaczanie napiecia sredniego na linii z odczepem aktywnym 90 7.8. Podsumowanie 92 8. Algorytmy wykrywania zwarc wysokooporowych w sieciach rozdzielczych 93 8.1. Wprowadzenie 93 8.2. Zalozenia falkowego algorytmu wykrywania zwarc doziemnych 95 8.3. Modelowanie zjawisk zwarciowych w ATPEMTP 100 8.4. Stosowane modele lukowych zwarc wysokooporowych w sieciach sredniego napiecia 102 8.4.1. Model dwudiodowy 102 8.4.2. Model dwurezystorowy 103 8.4.3. Model opracowany dla potrzeb badan 104 8.5. Neuronowy algorytm decyzyjny 107 8.6. Podsumowanie 111 9. Neuronalny detektor zwarc wysokooporowych w sieciach rozdzielczych z wielokrotnie uzie mionym przewodem neutralnym 113 9.1. Wprowadzenie 113 9.2. Algorytm wykrywania zwarc wysokooporowych z liniowa filtracja neuronalna 114 9.2.1. Algorytm neuronalny imitujacy pomiar mocy chwilowej harmonicznych sygnalów zabezpieczeniowych (ALGI) 116 9.2.2. Algorytm uczenia sztucznej sieci neuronowej 118 9.2.3. Algorytm neuronalny imitujacy pomiar mocy czynnej harmonicznych sygnalów zabezpieczeniowych (ALGII) 119 9.2.4. Model sieci SN wielokrotnie uziemionej 120 9.2.5. Przygotowanie SSN 123 9.2.6. Testy dzialania algorytmów na podstawie danych z symulacji komputerowych 123 9.2.7. Testy dzialania algorytmu zasilanego sygnalami z wymuszonych zwarc wysoko oporowych w rzeczywistej wielokrotnie uziemionej sieci SN 128 9.3. Podsumowanie 130 10. Wnioski 131 Literatura 135 Streszczenie w jezyku angielskim 143
fundamentals Contents List of symbols 5 1. Introduction 7 2. Aim and scope of the monograph 17 3. Protection ofoverhead transmission and distribution lines 19 4. Factors influencing sensitivity of transmission line protection 27 4.1. Impact of line structure on sensitivity of protection system 28 4.2. Impact of instrument transformers on sensitivity of protection system 30 4.3. Sensitivity of power line directional protection 32 4.4. Sensitivity of power line distance protection 34 4.5. Sensitivity of power line differential protection 36 4.5.1. Phase differential protection 37 4.5.2. Symmetrical currents differential protection 38 4.5.3. Capacitive charging currents of power lines 38 5. Differential protection sensitivity enhancement methods 41 5.1. Introduction 41 5.2. Conventional current differential protection of feeders 42 5.3. Current differential protection of feeders based on relative components 46 5.4. aplane current differential protection of feeders 47 5.5. Other optional developments of current differential protections 51 6. Data transmission channel delay estimation for current differential line protection 53 6.1. Introduction 53 6.2. Impact of digital data transmission delay on line differential protection 55 6.3. Methods ofdata transmission delay compensation 57 6.4. New algorithm for data transmission delay compensation 60 6.2.1. Estimation of apparent phase shift of current phasors 60 6.2.2. Practical approach to apparent phase shift compensation 62 6.5. Channel delay compensation method accuracy 63 6.5.1. Evaluation of estimation accuracy for correct value ofbj 64 6.5.2. Evaluation of estimation accuracy for incorrect value of B\ 68 6.6. Compensation angle update method 69 6.6.1. Change of the transmission channel 70 6.6.2. Faults in the feeder 71 6.6.3. Simultaneous change of the transmission channel delay and fault in the feeder 71 6.7. Summary 71 7. Sensitive admittance protection of transmission lines 73 7.1. Introduction 73 7.2. HIF detection algorithm 73
148 7.2.1. Decision criterion 73 7.2.2. Decision making algorithm 75 7.2.3. Enhancement of decision criterion measurement 76 7.3. Method investigation conditions 77 7.3.1. Modeled power system 77 7.3.2. Fault cases 77 7.3.3. HIFsmodeling 78 7.4. Research outcomes for ALGA and ALGB 80 7.4.1. Prefault operation 80 7.4.2. Operation in the steady postfault state 81 7.5. Algorithm performance for intermittent arcing faults 84 7.5.1. Investigations for time domain operation 84 7.5.2. Sensitivity of algorithm estimation 86 7.6. Mean voltage estimation for line with distributed parameters 89 7.7. Mean voltage estimation for teed lines 90 7.8. Summary 92 8. Method of HIF detection in distribution grids 93 8.1. Introduction 93 8.2. Brief foredesign of wavelet based earth fault detection algorithm 95 8.3. Fault conditions modeling in EMTP 100 8.4. ModelsofHIF 102 8.4.1. Twodiode model 102 8.4.2. Tworesistor model 103 8.4.3. Model developed for the investigation purposes 104 8.5. Neuron based decision making algorithm 107 8.6. Summary 111 9. ANN based HIF detection methods for multigrounded neutral distribution systems 113 9.1. Introduction 113 9.2. Algorithm with linear filtration based on ANN 114 9.2.1. ANN based algorithm imitating measurement of instantaneous power of protection auantities (ALGI) 116 9.2.2. ANN training algorithm 118 9.2.3. ANN based algorithm imitating measurement of active power of protection auan tities (ALGII) 119 9.2.4. Model of multigrounded neutral distribution system 120 9.2.5. ANNtrainings 123 9.2.6. Tests of detection algorithms with the use of data from EMTP models 123 9.2.7. Tests of detection algorithms with the use of data from staged faults 128 9.3. Summary 130 10. Conclusions 131 References 135 Summary in English 143