Введение к работе
Актуальность темы. Повышение надежности распределительных электрических сетей 6-Ю кВ непосредственным образом связано с повышением надежности электроснабжения городов и промышленных предприятий и поэтому является важной народно-хозяйственной задачей. Однофазные замыкания на землю (033) являются в этих сетях преобладающим видом электрических повреждений и часто сопровождаются значительным экономическим ущербом. Поэтому эффективность функционирования устройств защиты от 033 в значительной мере определяет надежность работы электрических сетей 6-Ю кВ.
Зашиты от 033 выполняются реагирующими на токи и напряжения нулевой последовательности ;"о и «о. Целесообразность использования составляющих нулевой последовательности для действия зашиты от 033 определяется тем, что в симметричной трехфазной системе они отсутствуют в рабочих режимах и при междуфазных коротких замыканиях (КЗ) а появляются только при 033 и других повреждениях, связанных с землей. Такое выполнение защит от 033 обеспечивает значительное повышение эффективности их функционирования.
Все 033 в электрических сетях можно разделить на несколько разновидностей: устойчивые, дуговые прерывистые, однократные самоустраняющиеся пробои изоляции фазы сети на землю. Устойчивые 033 имеют место при надежной гальванической связи поврежденной фазы с землей и характеризуются наличием в токах /0 и напряжении щ только принужденных составляющих промышленной частоты и высших гармоник. Неустойчивые 033 - основной вид замыканий на землю, характеризуются прерывистой формой тока »о, в котором преобладают свободные составляющие переходного процесса, возникающего при пробое изоляции. В отличие от разновидностей КЗ (трехфазное, двухфазное и др.) разновидности 033 существенно отличаются по форме и значениям электрических величин, подводимых к измерительным органам устройств защиты от этого вида повреждений. В сетях 6-Ю кВ, работающих с изолированной нейтралью или с заземлением нейтрали через резистор, для действия защиты от 033, как правило, используют составляющие промышленной частоты токов и напряжения нулевой последовательности, в компенсированных сетях - высшие гармонические составляющие, электрические величины переходного процесса, «наложенные токи» непромышленной частоты.
Для контроля токов /о в защитах от 033 в сетях 6-Ю кВ, как правило, применяются специальные трехфазные кабельные электромагнитные трансформаторы тока, называемые трансформаторами тока нулевой последовательности (ТТНП). Существенными недостатками кабельных ТТНП, применяемых в настоящее время в защитах от 033, являются:
большие токовые погрешности (50 % и более в режимах трансформации малых токов нулевой последовательности);
С Петербург _,>/»
оэ tooTW '/-!
большие угловые погрешности (до 45- 60 в режимах трансформации малых токов нулевой последовательности);
значительные токи небаланса во вторичной цепи ТТНП как в симметричных рабочих режимах, так и при междуфазных КЗ без земли.
Выпускаемые промышленностью ТТНП во многих случаях существенно ограничивают техническое совершенство (селективность и устойчивость функционирования) защиты от 033 линий, электродвигателей и генераторов. Указанные сложности с обеспечением эффективности функционирования защиты от 033 значительно возрастают на объектах, подключенных к шинам через 4-5 и более параллельных ниток кабеля, например, таких как генераторы, работающие на сборные шины, мощные электродвигатели, линии связи между центрами питания систем электроснабжения промышленных предприятий.
Таким образом, повышение технического совершенства первичных преобразователей тока нулевой последовательности для защит от 033 электрических сетей 6-Ю кВ является актуальной задачей.
Одним их перспективным направлений в создании новых измерительных преобразователей тока является создание измерительных преобразователей тока на базе магнитотранзисторов (МТ). Принцип их действия основан -на законе полного тока. Контур из п МТ, охватывающий проводник с первичным током, обеспечивает дискретную реализацию закона полного тока. При этом интеграл заменяется суммой п слагаемых, каждое из которых пропорционально величине магнитной индукции в месте установки МТ. Преобразователь такого типа обеспечивает измерение как постоянного, так и переменного тока в широком спектре частот, что принципиально важно для защит от 033, использующих для своего действия составляющие промышленной частоты, высшие гармонические составляющие, токи переходного процесса при 033 или «наложенные токи».
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка преобразователя тока нулевой последовательности (ПТНП) нового типа, основанного на использовании закона полного тока, реализуемого контуром из магнитотранзисторов.
В диссертационной работе решаются следующие задачи:
анализ режимов заземления нейтрали электрических сетей 6-Ю кВ и принципов выполнения защит от 033 для определения требований к первичным преобразователям тока нулевой последовательности;
экспериментальное исследование технических характеристик современных типоисполнений трехфазных кабельных ТТНП и их влияния на техническое совершенство защит от 033 на различных принципах;
исследование электромагнитного поля трехфазного кабеля 6-Ю кВ при однофазных замыканиях на землю;
расчет электромагнитного поля кабельной оболочки при протекании по ней токов 033 и вихревых токов, являющийся базовым при разработке конструкции первичного преобразователя тока нулевой последовательности на МТ;
определение и оценка электромагнитной составляющей фазовой погрешности преобразователя тока нулевой последовательности на МТ;
разработка основ конструирования преобразователя на базе магни-тотранзисторных датчиков и создание макетного образца ПТНП;
температурные и токовые испытания макетного образца магнитот-ранзисторного преобразователя тока нулевой последовательности.
Работа выполнялась в соответствии с программой РАО ЕЭС России ОНТП 04., задание 03.03.06: договор № Ф-7003 "Разработать, испытать и установить в опытную эксплуатацию магнитотранзисторные преобразователи тока класса напряжения до 10 кВ. '\
Результаты работы были использованы в хоздоговорной работе № 12250162 "Исследование и разработка микропроцессорной защиты от замыканий на землю с использованием магнитотранзисторного преобразователя тока нулевой последовательности".
В завершающей части исследование выполнялось при финансовой поддержке в форме гранта Министерства образования Российской Федерации. Шифр гранта ТО2-01.5-1186. Тема НИР «Волновые процессы в системах протяженных неэквипотенциальных заземлителей».
Научная новизна работы заключается в следующих основных положениях:
Выполнен анализ магнитного поля, создаваемого токами в жилах кабеля, оболочке и обратном проводе при учете обусловленных ими вихревых токов в оболочке и на этой основе разработана методика конструктивного расположения магнитотранзисторных датчиков на контуре ПТНП.
Разработана методика оценки электромагнитной составляющей фазовой погрешности ПТНП на МТ.
Разработана полевая модель процесса растекания тока замыкания с оболочки кабеля и соответствующая ей модель в форме цепи с распределенными параметрами.
Практическая значимость результатов исследования. Применение разработанного магнитотранзисторного преобразователя тока нулевой последовательности позволяет повысить техническое совершенство защиты от 033 линий, электродвигателей и трансформаторов и за счет этого надежность работы электрических сетей 6-Ю кВ.
Разработанные модели, методика и результаты специальных расчетов электромагнитного поля кабельной оболочки и основы конструирования пер-
вичных преобразователей тока нулевой последовательности на базе МТ могут быть использованы при создании преобразователей тока для защит от 033 других объектов, например, генераторов, подключенных к сборным шинам шинопроводом, линий с однофазными кабелями и др., на которых не могут быть применены однокабельные ТТНП.
Достоверность и обоснованность результатов обеспечена использованием . современной вычислительной техники, методов математического моделирования электромагнитного поля кабельной оболочки на основе уравнений Максвелла, Гельмгольца, теории цепей с распределенными параметрами и физического моделирования преобразователя тока нулевой последовательности. Достоверность теоретических и расчетных результатов подтверждена экспериментальными исследованиями и стендовыми испытаниями рабочего образца.
Авторзащищает:.
Математическую модель преобразователя, являющуюся основой для расчетного определения конструктивных параметров ПТНП на МТ.
Методику и результаты специальных расчетов электромагнитного поля кабельной оболочки в системе кабель - преобразователь тока нулевой последовательности.
Результаты экспериментальных испытаний магнитотранзисторного преобразователя тока нулевой последовательности.
Апробация работы .Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на: VII, VIII и X Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника, энергетика», Москва, МЭИ, (2001 г., 2002 г., 2004 г.); Международных научно-технических конференциях «Состояние и перспективы развития электротехнологии», Иваново, ИГЭУ, (IX Бенардосовские чтения, 1999 г., X Бенардосовские чтения, 2001 г., XI Бенардосовские чтения, 2003 г.); на заседаниях кафедр «Электрические системы» и «Автоматическое управление ЭЭС» ИГЭУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 статей и тезисов докладов на Международных научно-технических конференциях и семинарах, в том числе 5 без соавторов.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Диссертация содержит 201 страницу машинописного текста, включая 63 рисунка, 14 таблиц, список литературы из 192 наименований, приложения на 30 страницах.
