Содержание к диссертации
Введение
1. Сравнительный анализ принципов выполнения и область применения токовых и токовых направ ленных защит от замыканий на землю в сетях 6 10 кв. объект и предмет исследовани 13
1.1. Режимы заземления нейтрали электрических сетей 6 - 10 кВ 13
1.2. Принципы обеспечения функционирования токовых и токовых направленных защит от замыканий на землю в условиях влияния на их работу электромагнитных переходных процессов при дуговых повреждениях 19
1.3. Классификация схем электрических сетей 6 - 10 кВ как объектов защиты от однофазных замыканий на землю 29
1.4. Параметры электрических сетей 6 - 10 кВ, влияющие на условия и область применения токовых и токовых направленных защит от однофазных замыканий на землю 37
1.5. Сравнительный анализ известных исполнений ТЗНП и ТНЗНП 43
1.6. Направление исследований 49
1.7. Выводы 49
2. Параметры переходных процессов, влияющие на функционирование токовых и токовых направ ленных защит от замыканий на землю в сетях 6 10 кв, и методы их исследования 53
2.1. Методы исследования переходных процессов при замыканиях на землю в электрических сетях
2.2. Аналитический метод исследования переходных процессов при замыканиях на землю в сетях напряжением 6-10 кВ 54
2.3. Моделирование электромагнитных переходных процессов при замыканиях на землю и коммутациях в сетях 6-10 кВ 62
2.4. Параметры токов переходного процесса при замыканиях на землю, влияющие на функционирование токовых защит 68
2.5. Фазные соотношения тока и напряжения нулевой последовательности в переходных режимах замыкания на землю 78
2.6. Выводы 83
3. Исследование динамических режимов функцио нирования токовых и токовых направленных защит от замыканий на землю методами мате матическогои физико-математического моде лирования
3.1. Постановка задачи. Обоснование методов исследования 85
3.2. Методика физико-математического моделирования динамических режимов функционирования токовых и токовых направленных защит от замыканий на землю с применением устройства типа РЕТОМ 86
3.3. Банк тестовых сигналов для исследования динамических режимов работы токовых и токовых направленных защит нулевой последовательности 90
3.4. Исследование динамических режимов функционирования токовых и токовых направленных защит методом физико-математического моделирования 99
3.5. Исследование динамических режимов функционирования токовых направленных защит методом математического моделирования 109
3.6. Исследование динамических режимов функционирования токовых направленных защит на физической модели сети 115
3.7. Выводы 116
4. Исследование и разработка алгоритмов цифровых токовых и. токовых направленных защит от замыканий на землю, обеспечивающих повышение динамической устойчивости функционирования при дуговых замыканиях на землю в сетях 6-10 кВ 119
4.1. Особенности работы цифровых измерительных органов тока 119
4.2. Исследование алгоритмов функционирования цифровых ТЗНП при дуговых прерывистых ОЗЗ : 124
4.3. Разработка и исследование способов повышения динамической устойчивости функционирования цифровых токовых направленных защит 134
4.4. Реализация разработанных алгоритмов защит от 033 для сетей с изолированной нейтралью и с высокоомным заземлением нейтрали 13 7
4.5. Выводы 141
Заключение 144
Библиографический список 149
- Принципы обеспечения функционирования токовых и токовых направленных защит от замыканий на землю в условиях влияния на их работу электромагнитных переходных процессов при дуговых повреждениях
- Моделирование электромагнитных переходных процессов при замыканиях на землю и коммутациях в сетях 6-10 кВ
- Методика физико-математического моделирования динамических режимов функционирования токовых и токовых направленных защит от замыканий на землю с применением устройства типа РЕТОМ
- Исследование алгоритмов функционирования цифровых ТЗНП при дуговых прерывистых ОЗЗ
Введение к работе
Актуальность работы. Большая часть электрической энергии распределяется потребителям через распределительные электрические сети напряжением 6
- 10 кВ. Однофазные замыкания на землю (033) являются преобладающим ви
дом повреждений в электрических сетях 6 - 10 кВ и часто являются первопричи
ной аварий, сопровождающихся значительным экономическим ущербом. Наибо
лее опасной разновидностью 033 являются дуговые перемежающиеся замыка
ния, сопровождающиеся перенапряжениями на неповрежденных фазах по всей
электрически связанной сети. Поэтому надежность электрических сетей 6-10 кВ
и электроснабжения потребителей в значительной мере зависит от технического
совершенства применяемых на объектах указанных сетей защит от 033.
В сетях 6-10 кВ, работающих с изолированной нейтралью и с заземлением нейтрали через резистор наиболее широкое применение в качестве защит от 033 получили наиболее простые и надежные токовые нулевой последовательности (ТЗНП), основанные на использовании токов нулевой последовательности промышленной частоты, а в тех случаях, когда их нельзя применить - токовые на-правленнные защиты нулевой последовательности (ТНЗНП). Электромагнитные переходные процессы, возникающие при 033, оказывают существенное влияние на устойчивость функционирования ТЗНП и ТНЗНП и приводят либо к снижению эффективности их функционирования (селективности и чувствительности), либо существенно ограничивают область их применения.
Устойчивость функционирования устройств релейной защиты в условиях влияния электромагнитных переходных процессов принято называть динамической устойчивостью функционирования (Шнеерсон Э.М.). Динамическая устойчивость функционирования ТЗНП обеспечивается, как правило, «загрублением»
- увеличением тока срабатывания защиты по сравнению с требуемым по услови
ям отстройки от устойчивых внешних 033 (Сирота И.М.). Однако это приводит
к уменьшению чувствительности ТЗНП (а также и ТНЗНП) в несколько раз, и
ограничению области ее возможного применения.
Исследования, обосновывающие требуемую степень «загрубления» для обеспечения динамической устойчивости функционирования ТЗНП и ТНЗНП, насколько известно автору, не проводились. Поэтому разработки и исследования в этом направлении актуальны.
Целью работы является исследование и разработка способов и средств повышения динамической устойчивости функционирования токовых и токовых направленных защит электрических сетей 6-10 кВ, работающих с изолированной нейтралью или с высокоомным заземлением нейтрали через резистор.
Основные задачи, решаемые в работе. Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие основные задачи:
Анализ особенностей и условий применимости ТЗНП и ТНЗНП на различных объектах электрических сетей 6-10 кВ. Сравнительный анализ известных исполнений ТЗНП и ТНЗНП на различной элементной базе.
Аналитическое решение уравнений переходного процесса при 033 с использованием упрощенной модели сети 6-10 кВ с изолированной нейтралью для приближенной оценки параметров и характеристик переходных токов, влияющих на функционирование ТЗНП и ТНЗНП.
Разработка математических моделей электрической сетей 6 -10 кВ для исследования на ЭВМ переходных процессов при 033 с учетом распределенного
характера параметров линий и комплексного моделирования динамических режимов функционирования системы «Электрическая сеть 6-10 кВ - ТЗНП (ТНЗНП)».
Исследование параметров и характеристик переходных токов при 033 в электрических сетях 6-10 кВ, влияющих на селективность и устойчивость функционирования ТЗНП и ТНЗНП с использованием аналитического решения и моделирования на ЭВМ.
Исследование динамических режимов функционирования различных исполнений ТЗНП и ТНЗНП с использованием методов математического, физико-математического для оценки условий селективности и устойчивости их функционирования при внешних и внутренних дуговых прерывистых 033 в электрических сетях 6 -10 кВ и разработка методов и средств их повышения.
Разработка, исследование на математических моделях и реализация алгоритмов функционирования цифровых исполнений ТЗНП и ТНЗНП, обеспечивающих высокую динамическую устойчивость.
Основные методы научных исследований. Для решения поставленных задач использовались методы теории электротехники, электромагнитных переходных процессов в электроэнергетических системах (ЭЭС), математического, физического и физико-математического моделирования с применением программно-аппаратного комплекса для исследования и наладки устройств релейной защиты и автоматики (УРЗА) типа РЕТОМ.
Научную новизну работы представляют:
Аналитическое решение уравнений переходного процесса при 033 в сетях 6-10 кВ с изолированной нейтралью в а, Д О-составляющих.
Математические модели электрических сетей 6-10 кВ, учитывающие распределенный характер параметров линий и другие влияющие факторы, и комплексные математические модели системы «Электрическая сеть - ТЗНП (ТНЗНП)».
Результаты исследований параметров и характеристик переходных процессов при 033, влияющих на функционирование ТЗНП и ТНЗНП.
Методика физико-математического моделирования динамических режимов функционирования реальных исполнений ТЗНП и ТНЗНП, использующая разработанный банк тестовых сигналов в формате COMTRADE-осциллограмм и программно-аппаратный комплекс типа РЕТОМ.
Результаты экспериментальных исследований динамических режимов функционирования различных исполнений ТЗНП с измерительными органами тока (ИОТ) на различной элементной базе.
Алгоритмы функционирования цифровых ТЗНП и ТНЗНП, обеспечивающие высокую динамическую устойчивость при дуговых прерывистых 033.
Достоверность и обоснованность результатов, полученных автором обеспечивается корректным использованием классической теории электрических цепей и теории электромагнитных переходных процессов в ЭЭС, сходимостью результатов, полученных аналитическим методом и на физических и математических моделях с данными исследований, выполненными другими авторами и опубликованными в литературных источниках, большим объемом экспериментальных испытаний реальных исполнений ТЗНП и ТНЗНП.
Соответствие паспорту специальности.
Соответствие диссертации формуле специальности: в соответствии с формулой специальности 05.14.02 -«Электрические станции и электроэнергетические системы» (технические науки): в диссертационной работе объектом исследований являются электрические сети напряжением 6-10 кВ
систем промышленного, городского и сельскохозяйственного назначения, предметом исследований - особенности и параметры переходных процессов при 033 в сетях 6-10 кВ, работающих с изолированной нейтралью или с высокоомным заземлением нейтрали через резистор, влияющие на эффективность функционирования защит от данного вида повреждений, методы и средства повышения их технического совершенства.
Соответствие диссертации области исследования специальности: отраженные в диссертации научные положения соответствуют области исследования специальности 05.14.02-«Электрические станции и электроэнергетические системы» (технические науки), а именно:
п. 6 «Разработка методов математического и физического моделирования в электроэнергетике» паспорта специальности 05.14.02 -«Электростанции и электроэнергетические системы» (технические науки) соответствуют полученное автором аналитическое решение уравнений переходных процессов при 033 в сетях 6-10 кВ, работающих с изолированной нейтралью; разработанные автором с использованием современных методов и средств моделирования модели электрических сетей 6-10 кВ для исследования переходных процессов при 033 и динамических режимов функционирования ТЗНП и ТНЗНП; методика физико-математического моделирования динамических режимов функционирования комплексной системы «Электрическая сеть - ТЗНП (ТНЗНП)», а также результаты исследований переходных процессов при дуговых 033 в сетях 6-10 кВ, выполненных с применением разработанных моделей и методики;
п. 9 «Разработка методов анализа и синтеза систем автоматического регулирования, противоаварийной автоматики и релейной защиты в электроэнергетике» соответствуют результаты исследований динамических режимов функционирования ТЗНП и ТНЗНП электрических сетей 6-10 кВ, выполненных с использованием методов математического и физико-математического моделирования; полученные на их основе уточненные оценки области применения указанных защит от 033; предложения по совершенствованию методики расчета уставок при проектировании ТЗНП; результаты исследований и разработок алгоритмов функционирования цифровых ТЗНП и ТНЗНП, обеспечивающих повышение динамической устойчивости их функционирования.
Практическую ценность работы представляют:
Результаты статистического анализа данных по системам промышленного и городского электроснабжения, позволяющие оценить области возможного применения ТЗНП и ТНЗНП на различных объектах электрических сетей 6-10 кВ, работающих с изолированной нейтралью.
Оценки параметров электрических величин переходного процесса при 033 в сетях 6-10 кВ, влияющих на селективность и устойчивость функционирования защит от данного вида повреждений, которые должны учитываться при разработках микроэлектронных и микропроцессорных исполнений ТЗНП и ТНЗНП.
Банк тестовых сигналов в формате COMTRADE-осциллограмм для экспериментальных исследований динамических режимов функционирования ТЗНП и ТНЗНП с применением программно-аппаратного комплекса типа РЕТОМ.
Результаты экспериментальных исследований динамических режимов функционирования различных исполнений ТЗНП, позволяющие уточнить методику проектирования указанных защит и расширить область их применения.
Алгоритмы функционирования цифровых ТЗНП и ТНЗНП, обеспечивающие повышение динамической устойчивости функционирования указанных защит при дуговых 033, которые могут быть использованы при разработке мик-
ропроцессорных устройств релейной защиты для присоединений 6-10 кВ.
Внедрение результатов исследований. Рекомендации по выбору уставок по току срабатывания различных исполнений ТЗНП, разработанные на основе исследований динамических режимов их функционирования, используются в проектных организациях (Институт «Энергопроект» - филиал ОАО «Энергострой-М.Н.», г. Иваново, ОАО «Ивэлектроналадка», г. Иваново). Разработанные алгоритмы функционирования цифровых ТЗНП реализуются в разрабатываемом совместно ООО НПП «АЛИМП» (г. Н. Новгород) и ИГЭУ микропроцессорном централизованном многофункциональной системе контроля состояния электрических распределительных сетей 6 - 10 кВ.
Основные положения, выносимые на защиту:
Аналитическое решение уравнений переходного процесса при 033 в а, Д О-составляющих.
Математические модели электрических сетей 6-10 кВ для исследования электромагнитных переходных процессов при всех разновидностях 033.
Результаты исследований параметров и характеристик переходных токов 033 в сетях 6-10 кВ, влияющих на функционирование ТЗНП и ТНЗНП.
Результаты экспериментальных исследований динамических режимов функционирования различных исполнений ТЗНП и ТНЗНП.
Новые алгоритмы цифровых ТЗНП, обладающие повышенной динамической устойчивостью функционирования при дуговых прерывистых 033.
Личный вклад автора заключается в постановке цели и конкретных задач исследования, статистическом анализе схем электрических сетей 6-10 кВ; получении аналитического решения уравнений переходного процесса при 033; разработке математических моделей электрических сетей 6-10 кВ для исследования на ЭВМ параметров и характеристик переходных токов; разработке комплексных математических моделей «Электрическая сеть - ТЗНП (ТНЗНП)» для исследовании динамических режимов их; экспериментальном исследовании различных исполнений ТЗНП и ТНЗНП при дуговых прерывистых 033; разработке и исследовании на математических моделях алгоритмов функционирования цифровых исполнений ТЗНП и ТНЗНП, обеспечивающих повышение динамической устойчивостью их функционирования.
Апробация результатов исследований. Результаты исследований докладывались и обсуждались на Региональной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Энергия-2009», «Энергия-2010» и «Энергия-2011» в ИГЭУ (Иваново), на XV и XVII Международной конференции «Бенардосовские чтения» в ИГЭУ (Иваново, 2009, 2011 гг.), на Международной научно-технической конференции СИГРЭ «Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем» (Москва, 2009 г., Санкт -Петербург, 2011г.), на конференции лауреатов конкурса научных работ студентов «Знания молодых ядерщиков - атомным станциям» (Обнинск, 2009 г.), на Международном научно-техническом семинаре «Электрические сети России 2009» (Москва), на XX конференции «Релейная защита и автоматика энергосистем 2010» (Москва), на XVI и XVII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика» в МЭИ (ТУ) (Москва, 2010, 2011гг.) и на международном научном семинаре имени Ю.Н. Руденко «Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики» на тему «Проблемы надежности существующих и перспективных систем энергетики и методы их решения» (Решма, Иваново, 2011 г.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 25 работ, в том числе 1 монография, 4 научных статьи в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень рекомендуемых изданий ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 126 наименований и 3 приложений. Основной текст включает 162 стр., 85 илл.
Принципы обеспечения функционирования токовых и токовых направленных защит от замыканий на землю в условиях влияния на их работу электромагнитных переходных процессов при дуговых повреждениях
Резонансное заземление нейтрали через ДГР (компенсация емкостного тока ОЗЗ) в соответствии с требованиями [8] должна применяться во всех случаях, когда суммарный емкостный ток/с электрической сети превышает указанные выше предельные для режима изолированной нейтрали значения.
Резонансное заземление нейтрали через ДГР большинство специалистов считает наиболее эффективным методом уменьшения вероятности возникновения и ограничения кратности перенапряжений в сетях 6-Ю кВ при повторных пробоев изоляции до значений #„«2,5 [44 - 48, 50, 61 - 64 и др.]. Исследования, проведенные в ИГЭУ [65, 66] показали, что в сетях 6 - 10 кВ сложной конфигурации систем промышленного и городского электроснабжения при резонансном заземлении нейтрали кратности перенапряжений, измеренных в месте ОЗЗ и в конце достаточно протяженных линий, на поврежденной и неповрежденных фазах в некоторых случаях могут существенно превышать кратности перенапряжений, измеренных на шинах, достигая значений#„ 3,5 4,0, однако вероятность возникновения таких перенапряжений мала [65, 66].
При резонансной настройке ДГР остаточный ток ОЗЗ в месте повреждения содержит только некомпенсируемые активную еоставляющую, высшие гармоники и свободные составляющие тока переходного процесса. Активная составляющая в компенсированных сетях обычно составляет 2 - 7% от 1сЕ [4, 45, 46, и др.]. Доля высших гармонических составляющих в остаточном токе ОЗЗ может составлять от единиц до 10 и более процентов от IcS. При суммарном емкостном токе сети 1сЕ = 200...300 А и более остаточный ток ОЗЗ даже при резонансной настройке ДГР может достигать 20...30 А и более, что превышает предельные по условиям самогашения дуги тока замыкания зна 16 чения. Поэтому при больших значениях 1сЕ (сотни ампер) компенсация емкостного тока 033 не всегда дает ожидаемый эффект. В подобных случаях целесообразно деление сети на электрически не связанные части.
Высокоомноо маземление нейтрали через резистор. В зарубежной практике принято различать два варианта заземления нейтрали электрических сетей среднего напряжения через резистор; высокоомное и низкоом-ное. При высокоомном заземлении нейтрали сопротивление RN заземляющего резистора выбирается из условия [45, 48, 67 и др.]: RN=(l-2)Xc, (1.1) где Хс1= l/ф. „OMIICZ - емкостное сопротивление сети по отношению к земле. Высокоомное заземление нейтрали через резистор позволяет уменьшить максимальные кратности перенапряжений, измеренные на шинах, на поврежденной фазе до 1,5, на неповрежденных фазах - до 2,4-2,5, а также, в отличие от резонансного заземления нейтрали через ДГР, ограничить максимальные кратности перенапряжений, измеренные в месте 033 и в удаленных от шин точках сети до значений 2,7-2,8 [65,.66].
Если принять, что при высокоомном заземлении нейтрали ток замыкания на землю не должен превышать предельных значений, принятых для сети с изолированной нейтралью, то при RN = XcZ суммарный емкостный ток сети должей быть в л/2 раз меньше, чем для сети с изолированной нейтралью. Поэтому область применения высокоомного режима заземления нейтрали будет еще более ограничена (по значению 1сЕ), чем режима изолированной нейтрали. По мнению многих специалистов за рубежом и в России применение высокоомного режима заземления нейтрали целесообразно прежде всего в сетях с UH0M = 6 - 10 кВ при значениях 1с1 не более 5... 10 А [7, 44]. К таким сетям относятся, в частности, большинство воздушных сетей 6 - 10 кВ, непротяженные кабельные шахтные, карьерные сети, сети торфоразработок и др. 1.1.5 Комбинированное заземление нейтрали через ДГР и высоко-омный резистор. Для обеспечения селективности и устойчивости функционирования ТЗНП в компенсированных сетях 6 - 10 кВ последние частот эксплуатируют с большими расстройками компенсации. При расстройках компенсации от 15 % до 30 % кратности дуговых перенапряжений могут достигать значений Кп = 2,8-3,0 [68], что с точки зрения ограничения перенапряжений делает применение ДГР неэффективным. Для снижения перенапряжений при больших расстройках компенсации в [44] предложено применять комбинированное заземление нейтрали через ДГР и высокоомный резистор. Сопротивление RN заземляющего резистора, подключаемого параллельно ДГР, в этом случае выбирается из условия [44, 68]; Следует отметить, что иселедования, проведенные в ИГЭУ, не выявили существенного дополнительного резиетора на максимальные кратности перенапряжений при дуговых 033 [65, 66]. Низкоомноо заземление нейтрали через резистор. При низкоом-ном заземлении нейтрали через резиетор минимальное значение тока 033 в месте повреждения ограничивается двумя условиями: полное исключение возможности возникновения наиболее опасных дуговых перемежающихся 033 (за счет прожигания изоляции током 033); обеспечение устойчивости функционирования простых токовых защит нулевой последовательности от 033 во всех режимах работы сети. Основным недостатком низкоомного заземления нейтрали является возможность существенного увеличения числа отключений элементов сети из-за переходов кратковременных самоустраняющихся (при других режимах за 18 земления нейтрали) пробоев изоляции в устойчивые повреждения [69, .70]. Поэтому применение низкоомного заземления нейтрали целесообразно только в тех сетях, где допустимо (с учетом уровня электрического и технологического резервирования, степени автоматизации распределительных сетей и технологических процессов) отключение любого элемента еети.
В Роесии режим заземления нейтрали, близкий к низкоомному, применяется, в сетях 6 кВ еобственных нужд ТЭС и АЭС [52 - 56]. При применении низкоомного заземления нейтрали проблемы защиты от 033 эффективно решаются иепользованием ТЗНП.
Следует отметить, что применение указанного режима заземления нейтрали приводит к увеличению числа отключений ответетвенных электродвигателей еобетвенных нужд, т.е. к снижению надежноети работы энергоблока [69, 70].
Общая оценка и области возможного применения различных режимов заземления нейтрали сетей 6 - 10 кВ. Большинство специалистов в России и других странах считает целесообразным максимально ограничить область применения режима изолированной нейтрали. Однако несмотря на преимущества и все более широкое применение резонансного заземления нейтрали, область применения изолированной нейтрали в сетях 6 - 10 кВ в России остается достаточно большой. Расширяется область также область применения высокоомного заземления нейтрали в сетях с 1сХ = 5-Ю А [5, 44, 49 - 51, 60, 71 -75]. Низкоомное заземление нейтрали, как было отмечено выше, в России получило ограниченное применение.
В еетях 6 - 10 кВ, работающих с изолированной нейтралью или с выеоко-омным заземлением нейтрали через резистор, в качестве защиты от 033 наиболее широкое применение получили токовые и токовые направленные защиты нулевой последовательности (ТЗНП и ТНЗНП) [11 -13 и др.].
Моделирование электромагнитных переходных процессов при замыканиях на землю и коммутациях в сетях 6-10 кВ
Краткая историческая справка об асследованиях переходных процессов при ОЗЗ. В России (СССР) интерес к исследованиям электромагнитных переходных процессов при 033 появился в конце 50-х годов в связи с широким внедрением в электрических сетях среднего напряжения 3-35 кВ режима изолированной нейтрали и резонансного заземления нейтрали через ДГР и первыми разработками защит от данного вида повреждений, основанных на использовании электрических величин переходного процесса для повышения их селективности и чувствительности. Необходимость исследования электромагнитных переходных процессов при ОЗЗ в сетях среднего напряжения, как было показано выше, определяется еще и тем, что они оказывают значительное влияние на функционирование защит от данного вида повреждений, основанных на использовании различных составляющих установившегося режима замыкания на землю. Учитывая сложность электромагнитных переходных процессов при ОЗЗ, предпочтение отдавалось экспериментальным исследованиям в действующих сетях и на физических моделях [4, 6, 101, 102 и др.]. Эти исследования послужили основой для разработки теоретических методов анали-за и методов математического моделирования на ЭВМ переходных процессов при ОЗЗ в электрических сетях среднего напряжения, в т.ч. и в сетях 6-10 кВ.
В настоящее время, учитывая ограниченные возможности физического моделирования, и в связи с созданием эффективных универсальных систем математического моделирования (например, MATLAB с пакетом расширения SIMULINK [17, 18]), а также специализированных программ моделирования электромагнитных переходных процессов в ЭЭС [7, 103, 104 и др.] основным методом исследования переходных процессов при 033 в сетях среднего напряжения стало имитационное моделирование на ЭВМ.
2.1.2. Имитационное моделирование на ЭВМ является наиболее мощным средством количественного анализа переходных процессов при ОЗЗ. Однако большое число факторов, влияющих на форму и значения информационных параметров электрических величин переходного процесса, и широкий диапазон изменения многих из них приводят к тому, что с применением метода имитационного моделирования можно проанализировать лишь ограниченную часть из практически бесконечного числа расчетных вариантов, соответствующих конкретным сочетаниям влияющих факторов. Эффективность имитационного моделирования на ЭВМ можно существенно повысить, если из множества влияющих факторов и их сочетаний предварительно приближенными аналитическими методами выделить основные влияющие факторы и определить требуемый диапазон их изменения. Поэтому наилучшим методом исследования электромагнитных переходных процессов при ОЗЗ в сетях 6-10 кВ представляется сочетание аналитических методов решения рассматриваемой задачи на основе упрощенных моделей электрической сети и метода имитационного моделирования на ЭВМ.
О подходах к выбору системы координат для получения аналитических решений уравнений переходного процесса при ОЗЗ. Аналитическим исследованиям переходных процессов при ОЗЗ в электрических сетях среднего напряжения посвящено множество работ [4, 6, 7, 102, 105 - 111 и др.]. Существенный вклад в развитие аналитических методов исследования электромагнитных переходных процессов внесли ученые России и стран СНГ: Сирота И.М. [106, 107, др.], Шуляк В.Г. [108, 109 др.], Дударев Л.Е. [6, ПО, др.], Шуин В.А. [7, 101, 105, др], Попов И.Н., Лачугин В.Ф. [112], Вайнштейн Р.А., Головко СИ. [113, 114], Цапенко Е.Ф. [115]. Из зарубежных исследований следует отметить работы проф. Pundt Н. [116].
При исследованиях электромагнитных переходных процессов в трехфазных электрических цепях практическое применение получили 3 основных подхода к решению задач аналитическими методами [117, 118, 119 и др.]: 1. Аналитическое решение в фазных координатах а, в, с. 2. Аналитическое решение в симметричных координатах прямой, обратной и нулевой последовательностей [118, 119 и др.]. 3. Аналитическое решение в а, Д 0 координатах [например, 117].
Исследование переходных процессов при несимметричных повреждениях в фазных составляющих представляет собой громоздкую задачу из-за необходимости совместного решения уравнений Кирхгофа для токов и напряжений всех фаз. Сложность непосредственного определения фазовых токов и напряжений определяется тем обстоятельством, что в общем случае несимметричных процессов уравнения какой-либо одной фазы содержат токи и напряжения всех фаз. Поэтому обычно расчет переходных процессов в трехфазных цепях производится не в фазовых переменных, а в симметричных составляющих или в а, р, о составляющих, обладающих тем свойством, что система уравнений переходных процессов в этих переменных распадается на уравнения, каждое из которых содержит неполное количество переменных. Преимуществом такого подхода является возможность получения рещения для составляющих нулевой последовательности щ и ц, на использовании которых основаны большинство устройств защиты от ОЗЗ.
Применение метода симметричных составляющих для аналатического решения уравнений переходного процесса при ОЗЗ. Аналитические решения для тока io и напряжения щ нулевой последовательности при 033 можно получить для упрощенной модели (схемы замещения) электрической сети. В работах Шуина В.А. [7, 10, 105] показано, что для получения аналитического рещения, пригодного для приближенных количественных оценок параметров переходного процесса при 033, модель сети, кроме принужденной составляющей промыщленной частоты, должна учитывать наличие в токах и напряжениях двух основных свободных составляющих: разрядной, связанной с разрядом емкостей поврежденной фазы, и зарядной, связанной с дополнительным подзарядом емкостей неповрежденных фаз, и все основные факторы, влияющие на форму и амплитуду свободных составляющих. Указанным требованиям в достаточной степени отвечает т.н. двухчастотная схема замещения радиальной сети 6-10 кВ (рис. 2.1), предложенная в [7, 105].
В [7, 105] приведены аналитические решения для тока i0 и напряжения и0 нулевой последовательности при 033, полученные для схемы по рис. 2.1 в симметричных составляющих. В решение в фазных координатах для упрощенной одночастотной схемы замещения, не учитывается разрядная составляющая тока переходного процесса.
Решение в симметричных составляющих не позволяет получить аналитические выражения для напряжений и токов неповрежденных фаз, что мо 57 жет потребоваться для оценки перенапряжений при дуговых прерывистых 033, определения поврежденной фазы, места 033 и некоторых других задач, связанных с повышением эффективности режима заземления нейтрали сети, защиты и автоматики, действующей при данного виде повреждений.
Учитывая это, представляет интерес аналитическое решение уравнений переходного процесса при 033 в несимметричных а, /?, -составляющих [например, 117], позволяющее вычислять не только составляющие нулевой последовательности, но и фазные составляющие токов и напряжений.
Методика физико-математического моделирования динамических режимов функционирования токовых и токовых направленных защит от замыканий на землю с применением устройства типа РЕТОМ
Оценки максимальных перенапряжений, измеренных на шинах, для модели сети 6 - 10 кВ по рис. 2.7, практически точно совпадали с результатами, полученными другими исследователями для аналогичных условий [например, 4, 45, 62]: в сетях с изолированной нейтралью максимальные перенапряжения на неповрежденных фазах при дуговых прерывистых 033 по теории Петерсена достигали значений 3,8 - 4,01/ф.ш, при 033 по теории Петерса и Слепяна- 3,5 - 3,6/ф.т (например, рис. 3.2, 3.3), в сетях с заземлением нейтрали через резистор перенапряжения на неповрежденных фазах имели значения порядка 2,4 - 2,5 Щ,т.
Таким образом, математическое моделирование дуговых прерывистых 033 с использованием моделей электрических сетей среднего напряжения, созданных в системе MATLAB, позволяет получить достаточно точные оценки величин переходных напряжений, а следовательно, и переходных токов.
Расчетные условия для исследования динадических режимов функционирования ТЗНП и ТНЗНП при внешних дуговых прерывистых ОЗЗ. Предварительный анализ показал, что при внешних ОЗЗ переходный ток в неповрежденном присоединении имеет максимальное значение при следующих расчетных условиях: 1) электрическая сеть 6-Ю кВ содержит только кабельные линии (волновые сопротивления кабельных линий (КЛ) значительно меньше волновых сопротивлений воздушных линий (ВЛ), поэтому амплитуды бросков переходного тока при дуговых перемежающихся ОЗЗ в кабельных сетях больше, чем в воздушных или смешанных); 2) неповрежденное присоединение представляет собой КЛ наибольшей возможной длины, выполненной кабелем наибольшего возможного сечения (частота разрядных колебаний уменьшается с увеличением длины КЛ, волновые сопротивления каналов «фаза- фаза» и «фаза - земля» уменьшаются с увеличением сечения кабеля); 3) отношение собственного емкостного тока неповрежденного присоединения 1с собс к суммарному емкостному току сети /СЕ максимально (увеличивается зарядная составляющая тока переходного процесса в неповрежденной линии); 4) ОЗЗ на шинах защищаемого объекта, металлическое (переходное сопротивление в месте повреждения равно нулю); 5) время полного затухания свободных составляющих в токах переходного процесса при ОЗЗ не превышает 3-5 мс [4-7 и др.]; 6) дуговое перемежающееся ОЗЗ имеет характер, соответствующий модели Петерсена или модели Петерса и Слепяна [4, 45, 62]; 7) при ОЗЗ по модели Петерсена гащение дуги может происходить не при первом (классическая теория Петерсена), а при последнем переходе через нуль среднечастотной (зарядной) составляющей тока переходного процесса; 8) в ТЗНП используется ТТНП с неразъемным сердечником типа ТЗЛМ (близкие характеристики имеют также ТТНП типа ТЗ и ТЗЛ [122]). В электрических кабельных сетях 6 - 10 кВ по условиям допустимой потери напряжения длины наиболее протяженных КЛ не превышают 5-8 км при сечении жил не более 240 мм . При формировании тестовых сигналов для исследования условий несрабатываний ТЗНП при внешних дуговых прерывистых 033 принято, что максимальная длина КЛ равна 8 км при сечении жил кабеля не более 240 мм , а собственный емкостный ток неповрежденного присоединения не превышает 25-30% от значения суммарного емкостного тока сети ICL [123], однако в отдельных случаях отношение /ссобс/ ICL может превышать указанные значения.
Банк тестовых сигналов для исследования условий несраба тывания исполнений ТЗНП и ТНЗНП при внешних дуговых прерыви стых ОЗЗ. Для приведенных выше основных расчетных условий и парамет ров КЛ на математической модели сети рис. 2.7 получены тестовые сигналы для исследования динамических режимов функционирования ТЗНП, выпол ненной с применением наиболее часто используемых в качестве ПОТ типов реле: электромагнитных реле типа РТ-40/0,2 и РТ-40/0,6, электронного реле типа РТЗ-50, микроэлектронного реле РТЗ-51.
Полученные методам математического моделирования тестовые сигналы преобразовывались в сигналы в COMTRADE-формате.
На рис. 3.4, 3.5 в качестве примера приведены основные формы тестовых сигналов, использовавшиеся для решения рассматриваемой задачи.
Тестовые сигналы тока (б) и напряжения (а) нулевой последовательности при дуговом перемежающемся 033 по теории Петерсена для исследования динамических режимов функционирования ТНЗНП Для ТЗНП с измерительными органами тока, выполненными на электромеханической элементной базе (например, с использованием наиболее широко применяемыми в схемах ТЗНП реле тока типа РТ-40) в качестве условия эквивалентности указанных сигналов может быть принято равенство их действующих (эффективных) значений на интервале времени существования токов переходного процесса. Применимость такого подхода обосновывается тем, что для электромеханических реле воздействующей величиной является действующее значение входного тока. Результаты экспериментальных исследований подтвердили, что ток срабатывания реле (эффективное значение) практически не зависит от частоты, незначительно увеличиваясь в области достаточно высоких частот от 1 кГц и выше.
Представляет интерес зависимость первичного тока срабатывания ТЗНП с измерительным органом тока на электромеханической элементной базе от частоты. На рис. 3.6 приведены полученные экспериментально зависимости первичного тока срабатывания /сз от частоты/ТЗНП, выполненной с ТТНП типа ТЗЛМ и реле тока типа РТ-40/0,6 и РТ-40/0,2.
Исследование алгоритмов функционирования цифровых ТЗНП при дуговых прерывистых ОЗЗ
Частотный фильтр по схеме рис. 4.7 обеспечивает также защиту входных цепей от импульеных перенапряжений и помех.
В микропроцессорных терминалах могут быть реализованы различные функции защиты от 033, основанные как на иепользовании составляющих промышленной частоты, так и высших гармоник или электрических величин переходного процесеа. Для дейетвия защит от ОЗЗ, основанных на использовании высших гармоник, рабочий диапазон частот лежит в пределах от 150 до 650 Гц [123]. В [30] показано, что основная энергия еигнала переходного процесса при 033 в сетях 6-10 кВ сосредоточена в диапазоне частот до 2 - 4 кГц.
С учетом этого входной частотный фильтр по схеме рис. 4.7 должен обеспечивать пропускание сигналов (с допустимым затуханием), необходимых для работы как ТЗНП и ТНЗНП, так и защит, основанных на использовании высших гармоник или электрических величин переходного процесса, а также приемлемую степень затухания высокочастотных составляющих переходного процесса. Расчеты и экспериментальная проверка показали, что этим требованиям, в первом приближении, удовлетворяет ЛС-фильтр низких частот (рис. 4.7) с постоянной времени т =RC =0,5..1 мс.
Использование входного аналогового фильтра с указанными параметрами позволяет значительно уменьшить влияние момента первой выборки на замер цифрового ИОТ в переходном режиме 033 (рис. 4.8, 4.9).
Из осциллограмм рис. 4.8 и 4.9 можно видеть, что входной аналоговый частотный фильтр с указанными параметрами не обеепечивает полную отстройку ТЗНП от влияния свободных составляющих переходного тока: на ин 128 тервале времени еущеетвования тока переходного процесса среднеквадратич-ное и средневыпрямленное значения существенно превышает последнее в установившемся режиме ОЗЗ.
О чувствительности цифровых ТЗНТ при внутренних дуговых прерывистых ОЗЗ. ПгжЯпер » 1 и указанных параметрах фильтра обеспечиваются оптимальные условия с сточки зрения отстроенности от внешних дуговых перемежающихся 033 и чувствительностью при внутренних устойчивых повреждениях. Однако с улучшением отстроенности от внешних дуговых ОЗЗ уменьшается чувствительность к внутренним дуговым 033. Поэтому представляет интерес оценка возможностей цифровых ТЗНП в части фиксации внутренних дуговых повреждений.
В [4] показано, что наиболее опасный характер имеют дуговые прерывистые ОЗЗ с интервалами между повторными пробоями не превышающими 40 -50 мс (именно такие ОЗЗ называют, как правило, дуговыми перемежающимися). Поэтому в качестве требования по обеспечению приемлемой чувстви-тельности при дуговом прерывистом ОЗЗ можно принять требование сохранения устойчивости функционирования при указанном характере ОЗЗ.
Как известно, гашение заземляющей дуги при дуговых прерывистых ОЗЗ может произойти как при первом, так и при последующих переходах через ноль переходного тока ОЗЗ. Условия, при которых возможно гашение дуги и возникновения дуговых прерывистых ОЗЗ, установлены в теории Н.Н. Белякова; пик гашения на поврежденной фазе не должен превышать значений 1800 В [121].
Для оценки чувствительности цифровых ТЗНП при указанных выше условиях было выполнено моделирование дуговых внутренних ОЗЗ в соответствии с теорией Н.Н. Белякова (рис. 4.10, 4.11).
Из рис. 4.10, 4.11 можно видеть, что при указанных выше параметрах фильтров и интервалах между повторными пробоями 40 мс среднеквадратичное и средневыпрямленное значения уменьшаются по сравнению с последними в установившемся режиме ОЗЗ. Кратность снижения зависит от параметров сети и удаленности точки ОЗЗ от шин источника питания. Для среднеквадратичных значений кратность снижения составляет 2-3, а для средневыпрям 131 ленных - 4 - 5 и практически не зависит от числа выборок. Это означает, что ТЗНП сохранит работоспособность при внутренних дуговых ОЗЗ если ее расчетная чувствительность в режиме устойчивого 033 минимум в 2 - 3 раза выше, чем минимально требуемая по ПУЭ. Из приведенных осциллограмм видно также, что ТЗНП с ИОТ, реагирующими на средневыпрямленное значение, будут обладать при дуговых ОЗЗ меньшей чувствительностью, чем ТЗНП с ИОТ, реагирующими на среднеквадратичные значения.
