Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор известных способов защиты электрических сетей 6-35 kb от однофазных замыканий на землю. постановка целей и задач диссертационной работы 10
1.1 Способ защиты от 033, основанный на контроле установившихся токов нулевой последовательности защищаемых линий 11
1.2 Способ защиты, основанный на контроле направления мощности нулевой последовательности в установившемся режиме 033 14
1.3 Способ защиты, основанный на контроле характеристик и параметров переходного процесса при 033 17
1.4 Способ защиты, основанный на контроле высших гармонических составляющих в токах нулевой последовательности защищаемых линий 20
1.5 Способ защиты, основанный на использовании дополнительных контрольных токов 23
1.6 Постановка целей и задач диссертационной работы 25
2 Аналитическое обоснование нового способа защиты от однофазных замыканий на землю распределительных сетей 6-35 kb, основанного на контроле изменений пульсирующей мощности 27
2.1 Мгновенная мощность линий распределительной сети 27
2.2 Новый принцип контроля однофазных замыканий на землю в распределительной сети 32
3 Разработка математической модели распределительной сети для исследования особенностей функционирования защиты от замыканий на землю при различных вариантах заземления нейтрали 38
3.1 Обоснование расчетной схемы распределительной сети для разработки обобщенной математической модели 38
3.2 Математическое описание процессов в сети, характеризующих функционирование новой защиты 43
3.2.1 Напряжения в сети 46
3.2.2 Распределение токов в сети 54
3.2.3 Пульсирующие мощности в сети 58
3.3 Обоснование возможности функционирования новой защиты с использованием линейных напряжений источника 63
4 Исследование и оценка влияния на успешность функционирования защиты факторов несимметрии и несинусоидальности в распределительной сети 67
4.1 Оценка влияния на функционирование защиты несимметрии напряжений источника питания 70
4.2 Оценка влияния на функционирование защиты асимметрии собственных проводимостей фаз линий сети на землю 77
4.3 Оценка влияния на успешность функционирования защиты возможной несинусоидальности источника питания 90
5 Исследование характеристик новой защиты на физической модели сети. техническая проработка структурно-функциональной схемы защиты 106
5.1 Описание физической модели распределительной сети 106
5.2 Результаты исследований характеристик защиты ПО
5.3 Исследование влияния несимметрии нагрузок защищаемых линий 115
5.5 Исследование влияния высших гармонических составляющих напряжений и токов 122
5.6 Практические рекомендации для технической проработки структурно-функциональной схемы защиты 125
5.6.1. Методика обоснования уставок и оценки чувствительности защиты 133
Заключение 137
Список литературы 139
- Способ защиты, основанный на контроле направления мощности нулевой последовательности в установившемся режиме 033
- Новый принцип контроля однофазных замыканий на землю в распределительной сети
- Математическое описание процессов в сети, характеризующих функционирование новой защиты
- Оценка влияния на функционирование защиты асимметрии собственных проводимостей фаз линий сети на землю
Введение к работе
Актуальность работы. Распределительные сети напряжением 6-35 кВ являются важным звеном современных электроэнергетических систем. От надежной работы сетей 635 кВ зависит надежная и бесперебойная работа большого числа потребителей, энергоэффективность и безопасность производства.
Наиболее частым видом повреждений в таких сетях являются однофазные замыкания на землю (ОЗЗ), доля которых может составлять 70-80 % от общего числа повреждений. Причины возникновения ОЗЗ весьма разнообразны и в ряде ситуаций ОЗЗ являются неизбежными. Если возникшее ОЗЗ не устранить своевременно, то оно, как правило, может перейти в более тяжелое по последствиям аварийное повреждение: междуфазное короткое замыкание, двойное замыкание на землю и др. Это вызовет неоправданные перерывы в электроснабжении потребителей, необходимость восстановительных ремонтов. Кроме того, ОЗЗ могут сопровождаться возникновением в сети феррорезонансных процессов, массовым повреждением изоляции оборудования, разрушением железобетонных опор воздушных ЛЭП, повышенной опасностью случайного попадания людей и животных под напряжение.
В течение последних десятилетий накоплен большой опыт разработки и внедрения различных способов и устройств защиты распределительных сетей 6-35 кВ от ОЗЗ. Однако анализ результатов применения известных защит от ОЗЗ свидетельствует о недостаточной селективности действия и надежности устройств этих защит. Многообразие видов ОЗЗ, специфика и сложность процессов при замыканиях на землю в сетях с различными режимами заземления нейтрали предопределяют сложность задачи создания всережимной универсальной защиты от ОЗЗ. Разработке новых и совершенствованию известных защит от ОЗЗ большое внимание уделено в работах Ф.А. Лихачева, И.М. Сироты, В.М. Кискачи, Е.Ф. Цапенко, К.П. Кадомской, В.К. Обабкова, Г.А. Евдокунина, Л.И. Сарина, М.А. Шабада, А.И. Шалина, В.А. Шуина, Р.А. Вайнштейна и др. Тем не менее, практически ни одно из наиболее распространенных устройств защиты от ОЗЗ не может быть признано достаточно полно удовлетворяющим требованиям эксплуатации.
Несмотря на многообразие известных способов и устройств защиты распределительных сетей 6-35 кВ от ОЗЗ, задача создания более совершенной защиты является весьма актуальной.
Цели работы. Теоретическое обоснование возможности создания селективной защиты от ОЗЗ, основанной на контроле изменений пульсирующей мощности, для электрических сетей 6-35 кВ с различными режимами заземления нейтрали. Разработка практических рекомендаций по технической реализации структурно-функциональной схемы новой защиты.
Задачи исследования. В соответствии с поставленными целями в работе решаются следующие задачи:
исследование закономерностей изменения пульсирующей мощности защищаемых линий сети;
разработка алгоритма функционирования защиты от ОЗЗ, основанной на контроле изменений пульсирующей мощности защищаемых линий;
разработка математической модели распределительной сети, отражающей основные процессы, на которых основан предлагаемый алгоритм функционирования защиты;
оценка влияния на успешность функционирования защиты различных факторов, к основным из которых относятся: возможная несимметрия напряжений источника питания, возможная несинусоидальность напряжений источника питания, возможная естественная асимметрия собственных проводимостей на землю фаз защищаемых линий;
экспериментальная проверка работоспособности предлагаемого алгоритма защиты на физической модели распределительной сети;
разработка рекомендаций для технической реализации устройства защиты от ОЗЗ, функционирующей по предлагаемому алгоритму, с применением современной микропроцессорной элементной базы.
Объект исследования - защита распределительных сетей 6-35 кВ от ОЗЗ.
Предмет исследования - новый принцип контроля возникновения ОЗЗ в распределительных сетях 6-35 кВ.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы: методы математического и имитационного моделирования на базе теории электрических цепей и спектрального анализа с применением современных компьютерных технологий; экспериментальные исследования путем физического моделирования в лабораторных условиях. В работе использованы некоторые результаты научных трудов российских и зарубежных специалистов, материалы научно-технических конференций и семинаров.
Достоверность результатов исследования. Адекватность моделей и методов, использованных в работе, подтверждается известными фундаментальными теориями и методами исследования электрических процессов при однофазных замыканиях на землю, результатами вычислительных и натурных экспериментов.
Научная новизна работы:
впервые в области релейной защиты от ОЗЗ распределительных сетей 6-35 кВ предложено использовать новый принцип контроля возникновения замыкания на землю по изменению пульсирующей мощности трехфазных линий;
теоретически обоснован новый способ и разработан алгоритм функционирования защиты распределительных сетей от ОЗЗ, основанный на контроле изменений пульсирующей мощности;
установлено, что при возникновении ОЗЗ в распределительной сети приращение пульсирующей мощности на всех неповрежденных линиях равно нулю, а на поврежденной линии приращение пульсирующей мощности пропорционально величине общего для сети тока ОЗЗ;
установлено, что на величину пульсирующей мощности защищаемых линий оказывают влияние возможная несимметрия и несинусоидальность напряжений источника питания, возможная естественная асимметрия собственных проводимостей фаз линий на землю; сделана оценка влияния этих факторов на успешность функционирования защиты.
Практическая значимость и реализация результатов работы. Основные теоретические результаты работы использованы при разработке алгоритма и модели устройства новой защиты от ОЗЗ, основанной на контроле пульсирующей мощности защищаемых линий. Модель устройства защиты реализована на базе персонального компьютера с применением современных микропроцессорных устройств, апробирована на физической модели распределительной сети и может служить основой для разработки промышленных терминалов новой высокоэффективной защиты. Разработаны практические рекомендации для технической проработки устройства новой защиты.
Разработанная математическая модель распределительной сети 6-35 кВ может быть использована для исследований, направленных на усовершенствование известных и разработку новых способов защит от ОЗЗ, а также в практике расчета и проектирования систем релейной защиты и автоматики.
Результаты исследований, полученные в работе, используются в учебном процессе кафедры Электрификации и автоматизации горных предприятий Пермского национального исследовательского политехнического университета при изучении ряда учебных дисциплин, при выполнении научно-исследовательских работ, а также при курсовом и дипломном проектировании.
Основные положения, выносимые на защиту:
теоретическое обоснование возможности создания новой защиты распределительных сетей 6-35 кВ от ОЗЗ, основанной на контроле изменений пульсирующей мощности защищаемых линий;
структурно-функциональная схема реализации нового способа защиты от ОЗЗ;
математическая модель распределительной сети 6-35 кВ, учитывающая основные факторы и процессы, определяющие характер и закономерности изменений пульсирующей мощности, контролируемой для целей защиты, применительно к различным режимам заземления нейтрали;
результаты исследований и оценка влияния на успешность функционирования защиты от ОЗЗ факторов несимметрии и несинусоидальности в распределительной сети, полученные путем вычислительных и натурных экспериментов;
практические рекомендации для технической проработки устройства защиты от ОЗЗ, основанной на контроле пульсирующей мощности, с применением современной микропроцессорной элементной базы.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских, и региональных научно-технических конференциях: Международная научно-техническая конференция Проблемы рационального природопользования (г. Пермь, 2007, 2008 г.г.); Международная научно-техническая конференция «Нефтегазовое и горное дело» (г. Пермь, 2009 г.); Международная научно-техническая конференция «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (г. Иваново, 2011 г.); научный симпозиум «Неделя горняка» (г. Москва, 2011 г.); Всероссийская научно-техническая конференция «Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий» (г. Уфа, 2007 г.); Всероссийская научно-техническая конференция «Инновационная энергетика» (г. Пермь, 2009, 2011 г.г.); Всероссийская научно-практическая конференция (с международным участием) «Федоровские чтения» (г. Москва, 2010 г.); Всероссийская научно- техническая конференция (с международным участием) «Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий» (г. Екатеринбург, 2011 г.).
Результаты работы экспонировались на выставках: XIII Московский международный Салон изобретений и инновационных технологий «Архимед» (г. Москва, 2010 г.); 13-я межрегиональная специализированная выставка технологий и оборудования для нефтяной, газовой и химической промышленности «Нефть. Газ. Химия» (г. Пермь, 2011 г.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 11 печатных работ, в т.ч. 3 работы в изданиях списка ВАК РФ, получен 1 патент на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 79 наименований. Общий объем работы составляет 146 страниц и содержит 39 рисунков и 1 таблицу.
Способ защиты, основанный на контроле направления мощности нулевой последовательности в установившемся режиме 033
В электрических сетях напряжением 6-35 кВ применяются различные способы и основанные на них устройства защиты от 033. Их многообразие объясняется, прежде всего, различными, применяемыми в этих сетях, режимами заземления нейтрали: изолированная и компенсированная нейтрали [47, 48]. Кроме того, в последнее время широко распространен режим заземления нейтрали через резистор, а также комбинированное заземление нейтрали [10, 13, 21, 23, 26, 27, 28, 57].
Целесообразность применения того или иного режима заземления определяется рядом факторов, среди которых важным является возможность выполнения селективной защиты от 033.
Известные способы и устройства защиты распределительных сетей 6-35 кВ от 033 характеризуются специфическими особенностями. До настоящего времени, несмотря на многочисленные проведенные исследования и разработки, ни один из известных способов не является универсальным для применения в сетях с любым режимом заземления нейтрали. Например, по данным [6] в России на 80 % подстанций рассматриваемого класса напряжения селективная защита от 033 отсутствует. Эффективность защит, эксплуатируемых на остальных 20 % подстанций, низка и по данным исследований ОРГРЭС не превышает трех баллов по пятибалльной шкале. Таким образом, в настоящее время задача совершенствования известных и разработки новых защит сетей 6-35 кВ от 033 является весьма актуальной.
К числу известных способов защиты распределительных сетей от 033, применяемых как в России, так и за рубежом, относятся [5, 12, 44, 63, 66, 68, 72]: - способ защиты, основанный на контроле появления напряжения нулевой последовательности; - способ, основанный на контроле действующих значений установившихся токов нулевой последовательности линий; - способ защиты путем контроля направления мощности нулевой последовательности в установившемся режиме; - способ, основанный на контроле характеристик и параметров переходного процесса при 033; - способ защиты путем контроля высших гармонических составляющих в токах нулевой последовательности линий; - способ защиты с использованием дополнительных «наложенных» токов, частотой отличной от промышленной; - комбинированные способы защиты и их модификации.
Первый из перечисленных способов может обеспечивать лишь неселективную сигнализацию о возникновении ОЗЗ в распределительной сети. Чтобы выявить поврежденное присоединение, как правило, необходимо производить поочередное отключение и включение линий данной секции шин вплоть до исчезновения сигнала о замыкании на землю. На сложных подстанциях это сопряжено с большим временем поиска и опасностями, возникающими при 033.
Ниже приводится характеристика основных способов защиты от 033, применяемых в распределительных сетях 6-35 кВ, отмечаются особенности этих способов и возможности обеспечения селективной сигнализации или отключения при возникновении 033.
В распределительных сетях 6-35 кВ с изолированной и резистивно-заземленной нейтралью этот способ защиты нашел наиболее широкое применение. Наличие токов нулевой последовательности в этих сетях яв ляется достоверным признаком возникновения режима 033. Для селективного выявления поврежденной линии необходимо одновременно осуществлять контроль токов нулевой последовательности на всех защищаемых линиях распределительной сети.
Контроль токов линий производят с помощью специальных трансформаторов тока нулевой последовательности (ТТНП) или с помощью фильтров тока нулевой последовательности (ФТНП). Второй вариант удобен для воздушных ЛЭП, не имеющих кабельной вставки на выходе выключателя линии, где обычно устанавливают ТТНП. Кроме того, в варианте с ФТНП обычные измерительные трансформаторы тока требуется устанавливать в трех фазах, при этом ток нулевой последовательности линии определяется как результат геометрического суммирования /0 = 1/3(ІА +ЇВ+ІС), где ЇА, Ів, Іс - токи фаз линии. Для обеспечения селективной работы защиты от 033 способом контроля токов нулевой последовательности наиболее важным является вопрос обоснования и выбора уставок. Необходимо учитывать, что на всех неповрежденных линиях сети контролируемые для целей защиты сигналы пропорциональны собственным токам нулевой последовательности линий при 033 Іцдс- На поврежденной линии контролируемый сигнал пропорционален суммарному току замыкания в электрически связанной сети за вычетом собственного тока нулевой последовательности поврежденной линии, т.е. пропорционален величине (/QJ -- ОЛС) [1 4, 61]. Для селективной работы защиты требуется соблюдать два условия:
Новый принцип контроля однофазных замыканий на землю в распределительной сети
Линейные токи любой линии распределительной сети, контролируемые для целей защиты, в нормальном режиме работы (до ОЗЗ) согласно схеме замещения (рис. 3.2) складываются из линейных токов нагрузки линии и токов проводимостей фаз линии на землю соответственно комплексы линейных токов нагрузки и токов на землю линии в нормальном режиме работы сети.
Токи на землю линии зависят от фазных напряжений сети относительно земли и проводимостей фаз линии на землю. В нормальном режиме работы сети для этих токов можно записать
Для отображения обобщенного случая изменения пульсирующей мощности защищаемых линий будем считать, что в момент 033 нагрузки линий могут измениться.
При замыкании фазы на землю ток соответствующей фазы поврежденной линии возрастет на величину тока 033. Кроме того, изменение фазных напряжений относительно земли вызовет изменение токов на землю соответственно комплексы линейных токов на грузки и токов на землю неповрежденной линии В при 033 в сети.
Для определения тока 033 расчетную схему замещения распреде лительной сети (рис. 3.2) представим в виде, показанном на рис. 3.4.
На рис. 3.4 обозначены: 1А1Р ІвІр IcLp линейные токи первичной обмотки ТрП в режиме 033; (3)S - вез)!» Іс{з)і. " суммарные токи на землю всех линий сети в режиме 033; 1 - ток через заземляющий элемент нейтрали в режиме 033.
Согласно схеме замещения (рис. 3.4) для тока замыкания фазы на землю можно записать 13 \ A(3)Z 1B(3)Z 1C(3)Z 2N I относительная величина суммарной активной проводимости фазы сети на землю. а(САї + Свъ + Ccz) (ОСФХ Т.е. величина тока 033 в таком случае зависит от фазного напряжения источника питания и суммарной полной проводимости фазы сети на землю. Это соответствует общепринятому упрощенному подходу в расчетах величины тока ОЗЗ. изменения комплексов фазных напряжений относительно земли, обусловленные возникновением в сети 033. Выражения для приращений пульсирующей мощности линий (3.40) и (3.41) содержат составляющую, обусловленную возможным изменением величин нагрузок линий при 033: - на поврежденной линии а АРщн)а = иААІА(Н)а+ивАІВ{Н)а+исАІС(Н)а; (3.42) - на неповрежденной линии /? П(Н)В = U А А{Н)Р + U В В(Н)Р + С С(Н)В- (3.43)
Роль этой составляющей для функционирования защиты может оказаться неоднозначной, т.к. возможное изменение нагрузки линии при 033 согласно (3.40) и (3.41) может обусловливать как увеличение, так и уменьшение величины приращения пульсирующей мощности, используемой для целей защиты. В реальных условиях работы распределительных сетей изменение нагрузки линии в момент возникновения 033 весьма маловероятно. Тем не менее, вопрос влияния возможного изменения нагрузки на переменную составляющую мощности требует дополнительного анализа и специального рассмотрения.
В случае, когда величины нагрузок линий до и после 033 остаются неизменными (ІА1){Н) =ІА{нр Івін) =Ів(Н) сІн)= ан)) ДО1 комплексов приращений пульсирующей мощности линий можно записать: - для поврежденной линии а М па = iYAaUAMJA{3) + YBaUBAUB(3) + YCaUcAUC{3)) + UJf; (3.44) - для неповрежденной линии Р ЬРпр = YAPUAAUA{3) + YBBUBAUB{3) + YcpUcAUC{3). (3.45) Если не учитывать некоторое искажение фазных напряжений линий относительно земли из-за падения напряжения на их продольных сопротивлениях, то можно считать, что разность фазных напряжений для смежных фаз всегда равна линейному напряжению ЇЇ -ЇЇ =Г/(1) -Г/(І) =її основании этого для разностей фазных напряжений, фигурирующих в выражениях (3.44) и (3.45), можно записать А(З) - &UB{3) = UC{3). Т.е. изменение фазных напряжений относительно земли, обусловленное возникновением в сети 033, одинаково для трех фаз. Это обстоятельство для дальнейшего анализа приращений пульсирующей мощности целесообразно характеризовать общим показателем изменения фазных напряжений при 033. Обозначим этот показатель как некоторое изменение фазных напряжений
Конкретный режим заземления нейтрали в сети характеризуется, как отмечалось выше, комплексной величиной Я в общем для (3.48) и (3.49) показателе АЇЇФ{3), а также в составляющей приращения пульсирующей мощности на поврежденной линии, обусловленной током 033. Комплексная величина Я согласно (3.11) зависит от проводимости элемента заземления нейтрали сети YN. Эту проводимость для общности решения задачи можно представить в виде эквивалентной проводимости при комбинированном способе заземления нейтрали (рис. 3.5).
Следует отметить, что показатель Д/ф(3) всегда отличен от нуля, т.к. возникновение в сети 033 всегда обусловливает изменение фазных напряжений относительно земли. С учетом этого из (3.49) следует, что для неповрежденной линии Р причинами появления приращения пульсирующей мощности при 033.в сети являются несимметрия источника питания и естественная асимметрия собственных проводимостей линии на землю. Из (3.48) видно, что на поврежденной линии а приращение пульсирующей мощности обусловлено такими же причинами, но главным образом оно зависит от общего для данной сети тока однофазного замыкания на землю
Это подтверждает возможность применения способа защиты, основанного на контроле пульсирующей мощности. Обоснование возможности функционирования новой защиты с использованием линейных напряжений источника При практической реализации защиты от 033, основанной на контроле пульсирующей мощности защищаемых линий, целесообразно вместо фазных напряжений источника питания, измеряемых относительно изолированной нейтрали трехфазной системы, использовать междуфазные (линейные) напряжения. В этом варианте функционирования защиты ее устройства можно будет подключать к имеющимся на подстанциях измерительным трансформаторам напряжения непосредственно.
Анализ изменений пульсирующей мощности линий применительно к данному варианту можно проводить по методике, изложенной выше. При этом надо учитывать, что контролируемые для целей защиты линейные токи всех линий остаются прежними.
Математическое описание процессов в сети, характеризующих функционирование новой защиты
По результатам моделирования установлено, что дополнительная переменная мощность, обусловленная высшими гармониками напряжений и токов (кривые 2 на рис. 4.17), содержит гармонические составляющие с частотами от 100 до 1300 Гц (с шагом 100 Гц). Наиболее выраженными из них являются гармоники частотой от 200 до 700 Гц. Уровень этих гармоник по отношению к пульсирующей мощности, обусловленной основными составляющими напряжения и тока 033 (кривые 1 на рис. 4.17), изменяется в диапазоне от 23 до 44 % - для случая, представленного на рис. 4.17а, и от 47 до 88 % - для случая, представленного на рис. 4.176.
При этом с ростом уровня гармоник действующее значение результирующей переменной составляющей мощности поврежденной линии увеличивается. Например, для случаев, представленных на рис. 4.17, это увеличение по отношению к действующему значению переменной составляющей мощности поврежденной линии при отсутствии высших гармоник составило 17 и 35 %. Причем, по сравнению с нормальным режимом работы сети, высшие гармоники напряжений источника питания рассматриваемых порядков обусловили при возникновении 033 увеличение на поврежденной линии действующего значения переменной составляющей мощности в 12 и 14 раз.
Таким образом, можно сделать вывод, что с ростом уровня гармоник приращение переменной составляющей мощности поврежденной линии, контролируемое для целей защиты, увеличивается. Кроме того, установлено, что величина приращения переменной составляющей мощности существенно зависит от спектра гармонических составляющих напряжений и токов. На рис. 4.18 в качестве примера приведены расчетные зависимости отношения приращения результирующей переменной составляющей мощности АР к аналогичной величине при отсутствии высших гармоник АРП от коэффициента Ки, ,. Эти зависимости характеризуют количественное влияние отдельных гармоник напряжений источника питания
Из рис. 4.18 видно, что с ростом номера гармоники напряжений величина приращения переменной составляющей мощности увеличивается. При этом необходимо отметить, что в ряде случаев несинусоидальность напряжений может обусловливать незначительное уменьшение величины полезного для защиты сигнала. Например, при наличии в напряжениях источника только 5-й гармоники, уровень которой не превышает нормально-допустимого значения (Ки{5) 4%), уменьшение полезного сигнала может составить всего около 2 %. Это обстоятельство объясняется следующим образом. Действующее (эффективное) значение переменной составляющей мощности поврежденной линии с учетом (4.19) можно представить в виде: - в нормальном режиме работы сети где РПа, Pjjl - действующие значения пульсирующей мощности поврежденной линии в нормальном режиме работы сети и в режиме 033;
Р (доп)а Р (доп\а Действующие значения дополнительной переменной составляющей мощности поврежденной линии, обусловленной высшими гармониками, в нормальном режиме работы сети и в режиме 033;
Если считать, что в нормальном режиме работы сети переменная составляющая мощности обусловлена только высшими гармониками напряжений и токов (РПа =0), то на основании (4.33) и (4.34) для приращения переменной составляющей мощности, контролируемого защитой, можно записать
Например, в рассматриваемом для 5-й гармоники случая, представленного на рис. 4.18, при Кщ5,=2,5% отношения Р,доп)а /Р = 0,042, Р (доп)а1 п1 =0,207, т.е. условие (4.36) не выполняется. В результате наблюдается уменьшение приращения результирующей переменной составляющей мощности. Чтобы исключить возможное отрицательное влияние высших гармоник на полезный для защиты сигнал, приращение мощности целесообразно вычислять как разность квадратов действующих значений переменной составляющей мощности
Результаты проведенных исследований показывают, что несинусоидальность напряжений источника питания существенно влияет на характер сигналов, контролируемых защитой. Однако в сетях, где собственные проводимости фаз линий на землю симметричны (например, кабельные линии), контролируемые приращения мощности линий при ОЗЗ даже при наличии несинусоидальности на всех неповрежденных линиях сети будут равны нулю (кроме некоторых возможных фоновых помех). Только на поврежденной линии контролируемый сигнал будет наибольшим. Таким образом, наличие высших гармоник способствует увеличению полезного сигнала защиты и повышает селективность ее действия.
Для управления платой и реализации устройств защиты линий сети от 033 использовалась среда разработки лабораторных виртуальных приборов Lab VIEW [55, 58, 78]. Разработанная программа позволяла осуществлять все необходимые действия по сбору данных, их обработке в соответствии с алгоритмом работы защиты и анализу полученных результатов.
На рис. 5.2 приведены структурные блок-схемы модулей программы, реализующих пусковой орган и вычислительно-логический блок защиты. Работа пускового органа (рис. 5.2а) основана на контроле мгновенного значения напряжения нулевой последовательности сети и вычислении на интервале измерения (кратного полупериоду промышленной частоты) его действующего значения. При превышении вычисленного значения величины заданной уставки формировался выходной сигнал логической единицы, свидетельствующий о факте возникновения в сети ОЗЗ.
Модуль, реализующий вычислительно-логический блок защиты (рис. 5.26), работал следующим образом. По мгновенным значениям измеряемых напряжений и токов трех фаз в результате математических операций вычислялся квадрат действующего значения переменной составляющей мгновенной мощности линии. Сигнал, пропорциональный вычисленному значению мощности поступал в модуль памяти устройства. В качестве управляющего сигнала этого модуля использовался выходной сигнал пускового органа защиты.
В нормальном режиме работы сети с помощью модуля памяти осуществлялось непрерывное запоминание входного сигнала в виде квадрата действующего значения переменной составляющей мгновенной мощности линии. При этом выходной сигнал модуля был численно равен значению входного сигнала. В момент фиксации 033 в сети запоминание входного сигнала приостанавливалось и на выходе модуля памяти сохранялся сигнал величиной, равной запомненному значению мощности в нормальном режиме работы. Ммммм
Оценка влияния на функционирование защиты асимметрии собственных проводимостей фаз линий сети на землю
Как показал спектральный анализ, наиболее выраженными гармониками результирующей переменной мощности являлись 6, 18, 22, 49, 51, 53 и 55 гармоники, уровень которых составлял «50 -60% от пульсирующей мощности 100 Гц.
На рис. 5.12 приведены осциллограммы переменной составляющей мгновенной мощности поврежденной и неповрежденной линий при возникновении в сети 033.
Как видно из рис. 5.12а при возникновении в сети 033 переменная составляющая мгновенной мощности неповрежденной линии не изменилась и обусловлена теми же причинами, что и в нормальном режиме работы.
На поврежденной линии (рис. 5.126) результирующий сигнал переменной составляющей мощности значительно увеличился. Это обуслов-ленно прежде всего увеличением основной составляющей частотой 100 Гц в результате протекания тока 033. Также можно увидеть, что дополнительная составляющая увеличилась по сравнению с нормальным режимом работы сети.
Составляющие переменной мощности при замыкании в сети фазы на землю: а) - неповрежденная линия; б) — поврежденная линия; 1 — результирующая слагаемая; 2 — пульсирующая слагаемая частотой 100 Гц; 3 — дополнительная слагаемая, обусловленная высшими гармониками.
Таким образом, результаты, полученные в ходе проведения исследований на физической модели сети, подтверждают основные выводы, сделанные при математическом моделировании, и позволяют считать, что на основе нового принципа контроля возникновения 033 можно создать высокоэффективную защиту от замыканий на землю для распределительных сетей 6-35 кВ.
Практические рекомендации для технической проработки структурно-функциональной схемы защиты На рис. 5.13 приведена структурная схема микропроцессорного устройства защиты распределительных сетей 6-35 кВ от 033, основанной на контроле пульсирующей мощности. Устройство предназначено для защиты одной или нескольких отходящих от секции шин присоединений и состоит из следующих основных функциональных блоков [18, 37, 50]: - блок аналоговых входов; - блок дискретных входов; - цепи выборки и запоминания; - мультиплексор; - аналого-цифровой преобразователь (АЦП); - микропроцессор (МП); - оперативное запоминающее устройство (ОЗУ); - постоянное запоминающее устройство (ПЗУ); - блок управления; - системный интерфейс; - блок логических входов / выходов; - блок выходных реле. Блок аналоговых входов служит для ввода сигналов от измерительных трансформаторов напряжения и трансформаторов тока. Этот блок представляет собой набор промежуточных трансформаторов напряжения и тока (ПТН и ПТТ) и обеспечивает согласование уровня входных сигналов с внутренними цепями устройства, а также гальваническое разделение входных цепей.
Для преобразования сигнала с входных аналоговых цепей в цифровой код служит цифровой измерительный орган защиты, включающий: АЦП, мультиплексор для переключения каналов АЦП и устройства выборки и хранения для удержания постоянного уровня входного сигнала в течение времени преобразования.
Для обеспечения высокой точности преобразования входного сигнала разрядность АЦП должна составлять не менее 12 бит.
С учетом того, что частота высших гармонических составляющих в контролируемых напряжениях и токах при возникновении в сети 033 может достигать нескольких кГц, частоту дискретизации АЦП, согласно теореме Котельникова-Шеннона [3, 62] и рекомендациям стандарта СОМRADE [77], целесообразно выбирать не менее 6400 Гц (128 выборок за период промышленной частоты).
Также необходимо учесть, что в реальных условиях высокочастотные составляющие напряжений и токов при 033 в сети зависят от многих факторов и, как правило, имеют случайный характер. Таким образом, чтобы избежать искажения преобразованных сигналов в результате наложения спектров, в устройстве защиты должен быть предусмотрен фильтр высокочастотных составляющих с частотами выше половины частоты дискретизации АЦП (антиалиасинговый фильтр) [18]. В общем случае этот фильтр может быть выполнен в виде обычного аналогового RC-фильтра 1 порядка в выходной цепи каждого ПТН и ПТТ блока аналоговых входов.
Блок дискретных входов предназначен для ввода в устройство вспомогательной логической информации, которая может использоваться в функционально-логической части защиты: сигналы о состоянии вспомогательных контактов выключателей, сигналы от других устройств РЗиА, сигналы разрешения / запрета действия защиты и др.
Дискретные входы целесообразно выполнить свободно программируемыми в виде оптоэлектронных преобразователей, обеспечивающих гальваническую развязку внутренних цепей устройства защиты от внешних входных сигналов.
Работой вычислительно-логической системы устройства защиты управляет модуль микроконтроллера, содержащий в общем случае: универсальный МП, ОЗУ, ПЗУ, интерфейсы местной связи и связи с верхним уровнем АСУ ТП, сторожевой таймер для функции самодиагностики устройства.
Микроконтроллер должен выполнять следующие основные функции: - обработку измеряемых величин в соответствии с алгоритмом работы защиты; - обработку входных дискретных сигналов и формирование выходных управляющих сигналов (блок логических входов / выходов); - управление функционально-логической схемой устройства; - управление интерфейсами связи; - осциллографирование входных сигналов, регистрацию текущих и аварийных событий с привязкой к часам реального времени. Для управления подключенным оборудованием (выключателями защищаемых линий) и цепей сигнализации служит блок выходных силовых и сигнальных реле, обладающих достаточно высокой коммутирующей способностью. 128 Конфигурирование и отображение текущего состояния защиты осуществляется с помощью блока управления, устанавливаемого на лицевой панели устройства и содержащего: - клавиатуру, обеспечивающую ввод (изменение) уставок защиты, программирование дискретных вводов / выводов, корректировку календаря и часов реального времени, проведение контрольных проверок исправности устройства и др; - графический мини-дисплей, предназначенный для отображения сообщений защиты, а также как вспомогательное средство при всех операциях, выполняемых с помощью клавиатуры; - стандартный интерфейс связи с компьютером (RS232, RS485 или USB) для технического обслуживания устройства. При этом в блоке управления возможно применение современной сенсорной панели, позволяющей объединить функции дисплея и клавиатуры.
