Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор существующих методов и средств выполнения защиты от замыканий на землю в электрических сетях среднего напряжения и оценка возможности их применения для сетей с комбинированным заземлением нейтрали 9
1.1. Постановка задачи 9
1.2. Защита от замыканий на землю с использованием высших гармоник в токе нулевой последовательности 18
1.3. Защита от замыканий на землю, основанная на использовании низ- кочастотных составляющих тока нулевой последовательности при перемежающихся замыканиях и наложения контрольного тока с частотой 25 Гц при устойчивых замыканиях 20
1.4. Защита от замыканий на землю основанная на использовании ак- тивной составляющей тока замыкания 27
Глава 2. Исследование спектрального состава тока нулевой последовательности с целью выполнения измерительного органа защиты от замыканий на землю 34
Глава 3. Математическая подель электрической сети с комбинированным заземлением нейтрали и модель дугового перемежающегося замыкания 66
3.1. Постановка задачи 66
3.2. Расчет параметров модели электрической сети с комбинированным заземлением нейтрали через количественные характеристики сети, переходного процесса и условия горения дуги 68
3.3. Модель дугового перемежающегося замыкания 76
3.4. Модель трансформаторов тока и напряжения нулевой последова- тельности 93
Глава 4. Основы технической реализации защиты от замыканий на землю в сети с комбинированным заземлением нейтрали 96
4.1. Вариант выполнения защиты на активной составляющей тока 96
4.2. Вариант выполнения защиты с использованием сравнения амплитуд гармоник с частотой ниже и выше промышленной 104
4.3. Исследование предлагаемых алгоритмов работы защиты с учетом вероятностного характера процессов при перемежающихся замы каниях 111
4.3.1. Постановка задачи 111
4.3.2. Защита с использованием активной составляющей тока . 121
4.3.3. Вариант с использованием сравнения амплитуд гармоник с частотой ниже и выше промышленной 133
4.3.3. Вариант с использованием отношения гармоник с частотой ниже и выше промышленной 135
Выводы 137
Заключение 138
- Защита от замыканий на землю с использованием высших гармоник в токе нулевой последовательности
- Исследование спектрального состава тока нулевой последовательности с целью выполнения измерительного органа защиты от замыканий на землю
- Расчет параметров модели электрической сети с комбинированным заземлением нейтрали через количественные характеристики сети, переходного процесса и условия горения дуги
- Вариант выполнения защиты с использованием сравнения амплитуд гармоник с частотой ниже и выше промышленной
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время подавляющее большинство распределительных электрических кабельных сетей 6-10 кВ городов и промышленных предприятий России имеют большие емкостные токи замыкания на землю и поэтому работают в режиме компенсации емкостного тока. Опыт эксплуатации таких сетей, обобщенный в ряде работ, показывает, что выполнение селективной защиты от замыканий на землю в сетях с компенсацией емкостного тока сопряжено с рядом принципиальных затруднений.
В настоящее время предложен и применяется новый режим заземления нейтрали - комбинированное заземление нейтрали, заключающийся в том, что параллельно дугогасящему реактору подключается резистор, создающий дополнительную активную составляющую тока, равную 10-20 % от суммарного емкостного тока однофазного замыкания сети. При этом имеет место эффект снижения перенапряжений возможных при отклонении настройки компенсации емкостного тока от резонансной.
Целесообразность применения того или иного режима заземления нейтрали определяется рядом факторов, среди которых важным является возможность выполнения селективной защиты от замыканий на землю. Принципиальная возможность выполнения защиты с использованием повышенной активной составляющей при устойчивых замыканиях не вызывает сомнений. Однако работоспособность такой защиты при дуговых перемежающихся замыканиях не очевидна.
В связи с этим, актуальным является проведение исследований электрических процессов при дуговых перемежающихся замыканиях в сетях с комбинированным заземлением нейтрали с целью выявления возможных признаков для выполнения селективной защиты.
Актуальность задачи усовершенствования защиты от замыканий на землю определяется также тем, что, как показали известные исследования последних лет, повышенный износ изоляционной системы распределительных кабельных сетей вызывается не только кратностью перенапряжений, но и особенно длительностью их воздействия. Это обстоятельство особенно важно, когда в одной сети эксплуатируются кабели с бумажно-масляной изоляцией и с изоляцией из сшитого полиэтилена. В связи с этим, выполнение защиты от замыканий на землю с действием не на сигнал, как принято в настоящее время, а на отключение, если это допустимо по условию потребителей, может стать реальным резервом повышения надежности распределительных кабельных сетей.
При переводе защиты от замыканий на землю с действием на отключение к ней должны предъявляться более высокие требования в части чувствительности и селективности. С учетом того, что защита от замыканий на землю является массовым устройством, она должна также быть достаточно простой по техническому исполнению и по требованиям к ее эксплуатации.
Эти задачи в определенной степени могут быть решены на базе использования для выполнения защиты повышенной активной составляющей и проведения исследований электрических процессов, направленных на обеспечение
правильной работы такой защиты как при устойчивых, так и при перемежающихся замыканиях на землю.
При выполнении работы автор использовал известные результаты исследований в области режимов заземления нейтрали и защиты от замыканий на землю, выполненных Ф.А. Лихачевым, К.П. Кадомской, Г.А. Евдокуниным, Л.И. Сариным, Ю.В. Целебровским, И.М. Сиротой, В.А. Шуиным, А.И. Левиу-шем, В.Г. Алексеевым, В.М. Кискачи, А.И. Шалиным и др.
Цель работы и задачи исследования. Целью работы является выявление признаков, позволяющих выполнить селективную защиту от замыканий на землю в сети с комбинированным заземлением нейтрали, на основе исследования электрических процессов при устойчивых и перемежающихся дуговых замыканиях.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:
Анализ существующих методов и средств выполнения защиты от однофазных замыканий на землю в условиях применения комбинированного заземления нейтрали.
Исследование закономерностей изменения электрических величин нулевой последовательности при дуговых перемежающихся замыканиях для целей разработки защиты от замыканий на землю.
Разработка математической модели электрических процессов при дуговых перемежающихся замыканиях в электрической сети с комбинированным заземлением нейтрали, включая модели трансформаторов тока и напряжения нулевой последовательности.
Разработка алгоритмов выполнения защит от однофазных замыканий на землю, при которых может обеспечиваться правильная работа защиты при устойчивых и перемежающихся дуговых замыканиях.
Исследование предложенных алгоритмов построения защит для сети с комбинированным заземлением нейтрали с учетом вероятностного характера процессов при дуговом перемежающемся замыкании.
Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы математического моделирования на базе теории электрических цепей, спектрального анализа, теории вероятности и математической статистики с применением возможностей современных компьютерных технологий.
Достоверность результатов. Модели и методы, используемые автором, основаны на элементах теории электрических цепей. Полученные результаты согласуются с известными теориями электрических процессов при дуговых замыканиях и данными, полученными непосредственно при замыканиях в существующих электрических сетях.
Научная новизна. В работе содержатся следующие новые научные результаты:
1. Установлено, что в сетях с компенсацией емкостного тока и сетях с комбинированным заземлением нейтрали при дуговых перемежающихся замыканиях в токе нулевой последовательности поврежденной линии амплитуды гармоник с частотой ниже промышленной больше амплитуд гармоник с частотой выше промышленной, а в неповрежденной линии наоборот.
Выявлено, что при переходе к комбинированному заземлению нейтрали при перемежающихся дуговых замыканиях амплитуды низкочастотных гармоник в токе нулевой последовательности неповрежденной линии, при прочих равных условиях снижаются, благодаря более полному стеканию избыточных зарядов за время между двумя соседними пробоями изоляции.
Выявлены области частот, в которых совмещаются условия работы защиты, использующей повышенную активную составляющую тока, при устойчивых и перемежающихся замыканиях.
Практическое значение и реализация результатов работы.
Полученные результаты исследования электрических процессов при перемежающихся дуговых замыканиях и предложенные способы обработки величин нулевой последовательности могут быть основой для выполнения защиты от замыканий на землю в сетях с комбинированным заземлением нейтрали.
Математическая модель электрической сети среднего напряжения, дополненная моделью дугового перемежающегося замыкания и моделями измерительных трансформаторов тока и напряжения нулевой последовательности, может быть использована для дальнейших исследований, направленных на усовершенствование устройств защиты от замыканий на землю.
Результаты исследований переданы на предприятие «ПНП БОЛИД» для использования.
Основные положения, выносимые на защиту:
В сетях с компенсацией емкостного тока и в сетях с комбинированным заземлением нейтрали при дуговых перемежающихся замыканиях в токе нулевой последовательности поврежденной линии амплитуды гармоник с частотой ниже промышленной больше амплитуд гармоник с частотой выше промышленной, а в неповрежденной линии наоборот.
При перемежающихся дуговых замыканиях переход к комбинированному заземлению нейтрали приводит к снижению амплитуд низкочастотных гармоник в токе нулевой последовательности неповрежденной линии благодаря более полному стеканию избыточных зарядов за время между двумя соседними пробоями изоляции.
Возможность выявления поврежденной линии при дуговых перемежающихся замыканиях, основанная на формировании среднего значения произведения мгновенных значений напряжения и тока нулевой последовательности в полосе частот, близкой к промышленной частоте.
Возможность выявления поврежденной линии при дуговых перемежающихся замыканиях, основанная на сравнении суммы квадратов амплитуд гармоник с частотами ниже и выше промышленной.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Электрические станции», научно-техническом совете Электротехнического института Томского политехнического университета (г. Томск, 2007, 2008, 2009 гг.); на международной научно-практической конференции «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2007 и 2008 г.г.); на пятой всероссийской научно-технической
конференции «Ограничение перенапряжений. Режимы заземления нейтрали. Электрооборудование сетей 6-35 кВ» (г. Новосибирск, 2008 г.).
Публикации. По направлению диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ, в том числе: 3 работы в рецензируемых изданиях по перечню ВАК; 1 работа в сборнике научных трудов, 5 работ - материалы всероссийских и международных конференций; 1 работа депонирована в ВИНИТИ.
Объем и структура работы.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 106 наименований и приложений. Общий объем диссертации - 208 страниц, в том числе: рисунков - 113, таблиц-75.
Защита от замыканий на землю с использованием высших гармоник в токе нулевой последовательности
Во-первых, отметим, что на работу устройств использующих высшие гармоники, переход на комбинированное заземление нейтрали не будет оказывать существенного влияния, так как токи высших гармоник замыкаются через емкости сети относительно земли, проводимость которых в области высоких частот намного больше проводимости дугогасящих реакторов и подключенного параллельно заземляющего резистора.
Наиболее известными устройствами, использующими естественные высшие гармоники, являются устройства, описанные в [28, 29, 30]. Естественные высшие гармоники для выполнения защиты используются как в устройствах, построенных на принципе замера абсолютного значения токов, так и в устройствах относительного замера, когда поврежденное присоединение выявляется по наибольшему току высших гармоник. Принцип абсолютного замера обладает тем известным недостатком, что затруднительно выбрать определенный порог срабатывания устройств, устанавливаемых на линиях, так как уровень гармонических составляющих в сети может изменяться в широких пределах при изменении нагрузки, включении и отключении отдельных элементов сети и.т.п. [31, 32, 33, 34, 35].
Устройства относительного замера, в принципе, можно применить и в разветвленных сетях радиальной структуры при соответствующем согласовании выдержки времени. Такие устройства для обеспечения селективности по последовательным участкам в разветвленной радиальной сети могут применяться как на промежуточных подстанциях, так и на распределительных пунктах. Однако и в этом случае невозможно полностью исключить влияние изменения абсолютного уровня высших гармоник в сети. Это объясняется тем, что на подстанциях где все линии не повреждены, устройство относительного замера выберет как поврежденную одну из линий с наибольшим током. Для того, чтобы исключить такое ошибочное действие защиты необходимо привлекать дополнительный признак, которым по нашему мнению, может быть только абсолютная величина тока высших гармоник линии питающей подстанцию. Именно это обстоятельство может сделать затруднительным использование принципа относительного замера для выполнения селективной защиты в разветвленной сети.
Что касается функционирования устройств на принципе относительного замера высших гармоник в токе нулевой последовательности при дуговых перемежающихся замыканиях, то этот принцип вполне работоспособен, так как спектр токов при таком виде замыкания занимает широкую полосу частот, в том числе содержит и высокие частоты.
В целом аналогичными свойствами с точки зрения применения в сетях с комбинированным заземлением нейтрали обладает и защита одновременно использующая характерные особенности переходных емкостных токов и естественные высшие гармоники [36].
В связи с развитием и все более широким применением микропроцессорных устройств релейной защиты метод относительного замера уровня высших гармоник в токе нулевой последовательности может быть реализован путем передачи и обработки сигналов от отдельных микропроцессорных терминалов в АСУ высшего уровня [37, 38, 39].
В электрических сетях с компенсацией емкостного тока накоплен довольно большой опыт эксплуатации защиты от замыканий на землю, основанной на использовании низкочастотных гармоник, порождаемых дуговым перемежающимся замыканием [40, 41, 42]. При устойчивом замыкании действие защиты обеспечивается за счет наложения на сеть вспомогательного тока с частотой 25 Гц путем последовательного включения в объединенную со стороны заземления цепь дугогасящих реакторов (рис. 1.4).
Исследование спектрального состава тока нулевой последовательности с целью выполнения измерительного органа защиты от замыканий на землю
Возможные признаки, позволяющие выявить поврежденную линию при перемежающихся замыканиях в сетях с компенсацией емкостных токов и комбинированном заземлении нейтрали, могут содержаться в количественных и качественных особенностях спектров токов нулевой последовательности. За основу для исследования спектров токов нулевой последовательности при перемежающихся замыканиях примем упрощенную трехфазную схему замещения электрической сети, представленную на рис. 2.1. В обозначениях на схеме р - доля емкости фазы выделенной линии от суммарной емкости сети. Принятая схема замещения принципиально позволяет рассматривать процессы на различных стадиях дугового перемежающегося замыкания.
В процессе перемежающегося замыкания периодически следуют друг за другом стадия горения дуги, когда одна фаза соединена с землей и бестоковая стадия (отсутствие тока в месте повреждения) после погасания дуги. В момент очередного пробоя изоляции на стадии горения дуги имеют место переходные процессы разряда емкости поврежденной фазы и дозаряда емкостей неповрежденных фаз. После погасания дуги в бестоковую паузу избыточные заряды, возникшие при горении дуги, стекают через сопротивление нейтрали. Обозначения токов расшифрованы в подписи к рис. 2.1. Причем токи, обусловленные емкостью выделенной линии рСф, обозначены стрелками с чертой посередине, а токи обусловленные емкостью всей оставшейся сети стрелками без черты. Очень существенно, сделанное ранее наблюдение, заключающееся в том, что при замыкании на выделенной линии, токи протекающие в месте установки защиты (сечение 1-1) на стадии горения дуги и на стадии стекания избыточных зарядов имеют одинаковое направление, а при внешнем замыкании эти токи имеют противоположное направление [50,51,52,53].
Реальное соотношение количественных характеристик эквивалентного контура разряда емкости поврежденной фазы, дозаряда емкостей неповрежденных фаз и контура стекания избыточных зарядов таковы, что с достаточной точностью эти процессы можно рассматривать независимо друг от друга.
Переходный процесс разряда емкости поврежденной фазы определяется параметрами контуров, образованных индуктивностью и активным сопротивлением одной фазы линии сети. Индуктивность этих контуров, особенно в кабельных сетях, имеет малую величину и поэтому резонансная частота контура разряда составляет от нескольких десятков до нескольких сотен кГц. При такой частоте из-за сильного проявления поверхностного эффекта в проводящих элементах на пути возврата тока замыкания эквивалентное активное сопротивление получается настолько большим, вследствие чего переходный ток разряда имеет апериодический характер [27].
Токи дозаряда емкостей неповрежденных фаз замыкаются через источники питания, например, питающий сеть трансформатор. Индуктивность на пути тока дозаряда может быть значительно больше индуктивности на пути тока разряда. Поэтому резонансная частота контура дозаряда может быть значительно ниже и составлять несколько кГц. При такой частоте протекающий процесс имеет характер затухающих колебаний [27].
Таким образом, принимаем, что процессы разряда емкости поврежденной фазы и дозаряда емкостей неповрежденных фаз описываются дифференциальными уравнениями второго порядка. Для разрядного контура корни характеристического уравнения вещественные отрицательные Pi 2 0, а для дозарядного контура комплексно-сопряженные с отрицательной вещественной частью:
Как известно, вещественная часть корня (5Д) есть коэффициент затухания, а коэффициент при мнимой части - частота свободных колебаний [58].
Интенсивность протекания переходных процессов разряда и дозаряда, а именно амплитуды токов при прочих равных условиях, определяются соответственно напряжением на поврежденной фазе в момент пробоя изоляции (зажигание дуги) и разностью начального и конечного (принужденного) напряжений на неповрежденных фазах. Причем известно, что если не учитывать влияние междуфазных емкостей, то разность начального и конечного напряжений на неповрежденных фазах равна напряжению на поврежденной фазе в момент пробоя [27].
Таким образом, для переходных токов разряда емкости поврежденной фазы и дозаряда емкостей неповрежденных фаз имеют место соответственно следующие выражения: где ip - ток контура разряда емкости поврежденной фазы; ід - ток контура дозаряда емкостей неповрежденных фаз; кп - коэффициент, определяющий долю тока протекающего в месте установки защиты (сечение 1-1). При замыкании на защищаемой линии кп = 1 - (3, а при замыкании в сети (на других линиях) kn = 3; Unp - пробивное напряжение в месте замыкания, В; tnp - текущее время в момент пробоя.
Кривые мгновенных значений токов разряда и дозаряда сопоставлены на рис. 2.2 из которого видно, что когда процесс разряда практически заканчивается, процесс дозаряда находится в начальной стадии. Рис. 2.2. Сопоставление переходных токов разряда емкости поврежденной фазы (ip) и дозаряда емкостей неповрежденных фаз (ід) и принужденного тока (іоо) в выделенной линии с р = 0,2 при ипр=Ефт,
Разрядная составляющая тока естественно не содержит принужденной составляющей, а принужденная составляющая в контуре дозарядного тока определяется долей остаточного установившегося тока замыкания, протекающего по выделенной линии с емкостью РСф.
Расчет параметров модели электрической сети с комбинированным заземлением нейтрали через количественные характеристики сети, переходного процесса и условия горения дуги
Расчет параметров модели электрической сети с комбинированным заземлением нейтрали через количественные характеристики сети, переходного процесса и условия горения дуги
Специфической особенностью расчета любой схемы электрической сети является большое разнообразие ее параметров. В действительности электрические процессы, имеющие место в реальных электрических сетях при замыкании на землю, очень сложны и отличаются большим многообразием даже в одной сети. Это объясняется тем, что большинство замыканий может происходить через перемежающуюся дугу, которая может существовать длительное время. Кроме того, количественные и качественные характеристики электрических величин определяются многообразием случайных факторов. Исходя из этого, представляется наиболее очевидным задание параметров электрической схемы через ее расчет с использованием таких общепринятых характеристик электрической сети, как: суммарный емкостной ток, расстройка компенсации, коэффициент демпфирования, а также характеристик переходного процесса: частоту тока разряда емкости поврежденной фазы и доза-ряда емкостей неповрежденных фаз и коэффициенты затухания этих токов. Для определения возможного диапазона изменения всех упомянутых факторов, влияющих на процесс дугового перемежающегося замыкания были использованы данные, полученные в реальных сетях [27].
Вариант выполнения защиты с использованием сравнения амплитуд гармоник с частотой ниже и выше промышленной
В качестве примера, рассмотрим расчет параметров схемы замещения кабельной сети с комбинированным заземлением нейтрали с суммарным емкостным током замыкания на землю 50 А и номинальным напряжением 10 кВ [62, 63].
Одними из главных требований, предъявляемых к любой математической модели, является простота ее реализации на базе современных средств вычислительной техники, а также способность модели отражать влияние воздействующих на нее факторов, как всей их совокупности, так и каждого фактора в отдельности.
Представим модель трехфазной схемой замещения, состоящей из источника питания, в виде симметричной системой электродвижущих СИЛ ЄД, eg, Є, и двух отходящих от шин линий. Заранее условимся считать одну из линий с емкостью Cj выделенной защищаемой линией, а второй линией с емкостью равной 1 — С будем моделировать оставшийся участок электрической сети. Введем условные обозначения и обозначим элементы сети, относящиеся к первой линии, индексом 1, а элементы принадлежащие второй линии обозначим индексом 2. Место установки защиты на защищаемом присоединении показано сечением 1-1.
Примем, что емкость выделенного присоединения составляет 20 % от емкости всей сети. Это вполне реально, так как распределительные сети участков городов и крупных промышленных предприятий имеют большую протяженность и как следствие обладают высоким емкостным током. Для нашего примера емкость выделенного присоединения выраженная в относительных единицах равна Cj = 0,2 от суммарной емкости сети, а емкость второй линии включающей-остальные элементы сети, и обозначенной.за 1-С , равна 0,8.
