Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор состояния защиты компенсированных сетей 6-35 kb от однофазных замыканий на землю. постановка целей и задач диссертационной работы 12
1.1 Общая характеристика сетей с компенсированной нейтралью 12
1.2 Аналитический обзор принципов защиты компенсированных сетей 6-35 кВ от однофазных замыканий на землю 19
1.2.1 Принцип защиты путем контроля направления мощности НП в установившемся режиме 21
1.2.2 Принцип, основанный на контроле характеристик и параметров переходного процесса при 033 24
1.2.3 Принцип защиты путем контроля высших гармонических составляющих в токах нулевой последовательности линий 28
1.2.4 Принцип защиты с использованием дополнительных «наложенных» токов 31
1.3 Постановка целей и задач диссертационной работы 36
2 Исследование и оценка условий обеспечения устойчивости функционирования защиты от замыканий на землю, основанной на контроле пульсирующей мощности, в компенсированных сетях 6-35 KB 38
2.1 Описание нового принципа контроля однофазных замыканий на землю в сетях 6-35 кВ и алгоритма функционирования защиты от 033 38
2.2 Разработка математической модели компенсированной сети для исследования влияния на функционирование защиты от 033 различных факторов 43
2.2.1 Схема замещения распределительной сети с компенсированной нейтралью з
2.2.2 Математическое описание процессов в компенсированной сети, характеризующих функционирование новой защиты для установившегося 033 48
2.3 Исследование влияния на устойчивость функционирования защиты различных факторов 62
2.3.1 Оценка влияния на устойчивость функционирования защиты асимметрии собственных проводимостей фаз линии на землю и показателя доли емкостей фаз относительно земли 64
2.3.2. Оценка влияния несимметрии напряжений источника питания на устойчивость функционирования защиты 73
2.4 Выводы по главе 2 76
3 Исследование способов обеспечения устойчивости функционирования защиты от 033 77
3.1 Оценка величины расстройки компенсации для обеспечения устойчивости функционирования защиты 77
3.2 Исследование влияния высших гармоник на устойчивость функционирования защиты 80
3.3 Исследование влияния величины сопротивления резистора при комбинированном заземлении нейтрали на устойчивость функционирования защиты 91
3.3.1 Характеристика методик выбора резистора для комбинированного заземления нейтрали сетей 6-35 кВ 92
3.3.2 Обоснование выбора величины сопротивления резистора для комбинированного заземления нейтрали по условию обеспечения устойчивости функционирования защиты от 033 100
3.4 Рекомендации по выбору величины сопротивления резистора для селективной работы защиты от 033 107
4 Исследование характеристик защиты от 033, основанной на контроле пульсирующей мощности, в режиме перемежающихся замыканий на землю 110
4.1 Особенности и характеристика перемежающихся дуговых замыканий на землю ПО
4.2 Обоснование схемы замещения распределительной сети с компенсированной нейтралью для исследования перемежающихся 033 114
4.3 Математическое описание процессов в компенсированной сети 6-35 кВ при перемежающихся 033 118
4.4 Результаты исследований характеристик защиты от 033 при перемежающихся замыканиях на землю 128
4.5 Выводы по главе 4 135
5 Экспериментальные исследования характеристик опытного образца устройства защиты на физической модели компенсированной сети 136
5.1 Разработка опытного образца устройства защиты 136
5.2 Описание физической модели компенсированной сети 142
5.3 Результаты исследований характеристик защиты на физической модели компенсированной сети 146
5.4 Выводы по главе 5 155
Заключение 156
Список литературы 157
- Принцип защиты путем контроля направления мощности НП в установившемся режиме
- Разработка математической модели компенсированной сети для исследования влияния на функционирование защиты от 033 различных факторов
- Исследование влияния величины сопротивления резистора при комбинированном заземлении нейтрали на устойчивость функционирования защиты
- Обоснование схемы замещения распределительной сети с компенсированной нейтралью для исследования перемежающихся 033
Принцип защиты путем контроля направления мощности НП в установившемся режиме
Достоинства компенсированного заземления нейтрали: - значительное уменьшение тока замыкания на землю, за счет компенсации емкостной составляющей (при резонансной настройке ток замыкания будет определяться только нескомпенсированной активной составляющей и токами высших гармоник); - снижение скорости восстановления напряжения на дуговом промежутке после обрыва дуги; - наличие высокой вероятности самоликвидации большей части 033 (до 85%), так как при снижении скорости восстановления напряжения на дуговом промежутке становится надежнее деионизация места пробоя и, как следствие, увеличивается напряжение пробоя; - возможность работы сети с 033 до принятия мер по отключению поврежденной линии (работа сети в режиме 033 не рекомендуется); - существенно меньшие перенапряжения по сравнению с изолированной нейтралью; - существенное замедление процесса разрушения изоляции и, как следствие, снижение вероятности развития аварии;
- малые электромагнитные помехи в линиях по сравнению с изолированной нейтралью.
Однако необходимо учитывать, что все вышеперечисленные достоинства компенсированной нейтрали обеспечиваются только при резонансной настройке ДГР, которая поддерживается при любом изменении конфигурации и состоянии сети благодаря свойствам реактора и правильной работе автоматики управления. Именно при резонансной настройке реактора такой способ заземления нейтрали является наиболее эффективным: минимизация тока 033, максимальное подавление перенапряжений. Уже при расстройке ДГР на 1-1,5% происходит ухудшение эффективности компенсированного заземления нейтрали. Как показывает статистика [25], из 433 плавнорегулируемых реакторов в обследованных сетях всего 51,5% были оснащены работоспособными автоматическими регуляторами. Данные показатели свидетельствуют о том, что половина эксплуатируемых ДГР работают крайне неэффективно.
При существенных расстройках ДГР возможны процессы, сопровождающиеся биениями, при которых перенапряжения могут достигать существенных значений (порядка 3,4 от фазного напряжения сети), как это показано в результатах натурного эксперимента [29].
Недостатки применения ДГР: - значительное ухудшение режима при расстройке компенсации ДГР (появление режима биений напряжений, увеличение возможности возникновения перемежающихся дуговых 033, увеличение тока замыкания на землю, уменьшение количества самоустраняющихся 033); - сложные условия для обеспечения селективной работы защит от 033; - необходимость в симметрировании фазных напряжений сети минимум до степени 0,75% [29]; - наличие некомпенсированных остаточных токов, обусловленных активной составляющей тока 033 и токами высших гармоник.
Величина остаточного тока зависит от емкостной составляющей тока 033 в некотором процентном соотношении. При больших значениях емкостной составляющей тока 033 остаточный ток может иметь очень большую величину, иногда даже превышающую допустимую нормативными документами, что сводит на нет весь смысл компенсированной нейтрали.
Как вариант решения такой проблемы, возможно применение полной компенсации, при которой помимо описанной выше резонансной компенсации емкостной составляющей тока 033 производят компенсацию остаточного тока.
Существует несколько вариантов компенсации активной составляющей тока 033: с использованием добавочного напряжения, добавочного тока, широтно-импульсной модуляции (ШИМ) тока через вторичную обмотку реактора или с использованием инвертора в цепи вторичной обмотки реактора, позволяющих создавать ток, направленный навстречу активной составляющей остаточного тока. Первые два варианта были предложены Петерсеном и основаны на базе асинхронного генератора или реактора [27]. Третий вариант предполагает изменения углов отпирания тиристорных ключей.
Компенсации активной составляющей тока 033 посвящены некоторые работы В.К. Обабкова [28]. В своих работах автор подчеркивает необходимость использования в большинстве случаев ДГР, имеющего резонансную настройку компенсации, и тем более, компенсации активной составляющей. Однако в этих работах не учитывалась вторая составляющая, а именно токи высших гармоник, которые не позволяют обеспечить всегда полное подавление дуговых 033 и полную ликвидацию электро- и пожароопасных ситуаций.
Компенсация высших гармоник в токе 033, при которой используется параллельно подключенные к ДГР пропускающие или запирающие фильтры, была также предложена в 1926 г. Петерсеном.
Однако необходимо понимать, что полное отсутствие остаточного тока крайне нежелательно по ряду причин: длительное сохранение опасных потенциалов, так как свободные колебания не затухают; отсутствие сигналов для селективной работы защит от 033.
Конструктивно ДГР делятся на несколько типов (рисунок 1.2): - реакторы со ступенчатым регулированием (ЗРОМ, РЗДСОМ, GEUF, Trench), регулирование которых осуществляется вручную при выведенном из эксплуатации реакторе путем переключения отпаек; - плунжерные реакторы с регулируемым зазором (РЗДПОМ производства ПК «ХК Электрозавод», ЦРМЗ «Мосэнерго», РДМР и др. или аналогичные западного производства ZTC, GEUF, Trench, ASR и т.п.), регулирование которых осуществляется автоматически в рабочем режиме путем регулирования воздушного зазора; - реакторы с подмагничиванием: с продольным подмагничиванием, с поперечным подмагничиванием, с продольно-поперечным подмагничиванием (РДП, КДР, РУОМ, РЗДУОМ, РОУ, ЦКБ «Энергоремонт»), регулирование которых осуществляется изменением постоянного тока подмагничивания.
Разработка математической модели компенсированной сети для исследования влияния на функционирование защиты от 033 различных факторов
При определенных значениях 7а, Ур, та, trip, т.е при определенных соотношениях модулей показателя асимметрии собственных проводимостей фаз и собственных емкостных токах на землю поврежденной и неповрежденной линий, характерных только для воздушных линий, защита от 033, основанная на контроле пульсирующей мощности, может оказаться на границе устойчивости функционирования. Об этом свидетельствует тот факт, что на некоторой области значений коэффициентов та и nip величина Аі а для поврежденной линии будет меньше АРпр для неповрежденной линии. Из этого следует, что коэффициент чувствительности защиты будет меньше 1, что не допустимо для нормальной работы защиты.
Необходимо отметить, что полученные результаты характерны для, условий, которые были приняты критичными. При этом под критичными подразумеваются те условия, при которых значения приращения пульсирующей мощности на поврежденной линии будут минимальны, а на неповрежденной линии - максимальны: сеть преимущественно состоит из воздушных линий, резонансная настройка компенсации, ёъ = 0,02, рак - 274, активная проводимость ДГР равна 1% от реактивной проводимости реактора.
Согласно (2.65) минимальный коэффициент чувствительности защиты при относительном принципе сравнения приращений мощности, будет равен 0,02 при (Ja=(jp= 0,\2;та = 0,25;пір = 0,5 с учетом принятых критичных условий.
Тогда согласно условию (2.6) Кч будет существенно меньше 1,25. Это означает, что защита от 033 может не обладать достаточной селективностью в смешанных сетях с компенсированной нейтралью при критичных условиях.
В связи с этим была проведена оценка устойчивости функционирования защиты от 033 в зависимости от асимметрии собственных проводимостей фаз поврежденной и неповрежденной линий на землю (рисунок 2.8) при резонансной настройке компенсации, с/Е = 0,02, (рак = 274, активной проводимости ДГР, равной 1% от реактивной проводимости реактора, та - 0,25; т0 = 0,5. Рисунок 2.8 -Зависимость Кч от оа и о
На основании полученных результатов (рисунок 2.8) можно определить границы устойчивости функционирования защиты от 033: модули показателей асимметрии собственных проводимостей поврежденной и неповрежденной линий, при которых защита будет селективно работать независимо от количества линий и степени расстройки компенсации, должны быть не более 0,034. При значениях тА 0,0075, регламентируемых ПУЭ, защита будет однозначно
определять поврежденную линию. Кроме того, это означает, что для сетей, содержащих преимущественно кабельные линии, что в большинстве случаев характерно для сетей с компенсированной нейтралью, защита от 033 будет работать селективно. В других случаях, защита от 033 может оказаться на границе устойчивости функционирования. 2.3.2 Оценка влияния несимметрии напряжений источника питания на устойчивость функционирования защиты
В описанных выше исследованиях принималось, что напряжения источника питания являются симметричными. Однако в реальных условиях возможна различная несимметрия этих напряжений.
Несимметрия источника питания может оказывать влияние на контролируемые сигналы, поэтому целесообразно рассмотреть влияние фактора несимметрии напряжений на устойчивость функционирования защиты от 033.
С учетом несимметрии линейных напряжений источника питания выражение для коэффициента чувствительности защиты от 033 вместо (2.65) будет иметь вид: увеличивать/уменьшать Кчяа 9%. Даже при наименьшем значении коэффициента чувствительности защита от 033 будет обеспечивать устойчивое функционирование в компенсированных сетях, содержащих только кабельные линии. Аналогичные расчеты были проведены для компенсированной сети, содержащей преимущественно воздушные линии. В этом случае, наименьшее значение Кч = 0,0142 будет при ср = 90 для принятых критичных условий.
На основании проведенных исследований установлено, защита от 033 будет достоверно определять поврежденную линию среди других линий компенсированной сети, содержащих только кабельные линии, даже при критичных условиях.
Также установлено, что наиболее неблагоприятными условиями для работы защиты от 033 будут: сеть содержит преимущественно воздушные линии; резонансная настройка компенсации; йъ - 0,02; єи2 = 0,04; (plJ2 = 90; ok - 0,12; (pak = 274; активная проводимость ДГР равна 1% от реактивной проводимости реактора; та = 0,25; тр = 0,5. При таких наиболее неблагоприятных условиях защита от 033, основанная на контроле пульсирующей мощности, не будет характеризоваться устойчивостью функционирования, т.е. не сможет обеспечивать достоверное определение поврежденной линии.
В связи с этим целесообразно рассмотреть способы обеспечения устойчивости функционирования защиты от 033, в первую очередь путем преднамеренной расстройки компенсации и учета наличия высших гармоник токов и напряжений сети.
Исследование влияния величины сопротивления резистора при комбинированном заземлении нейтрали на устойчивость функционирования защиты
Выбор величины сопротивления резистора для комбинированного заземления нейтрали необходимо проводить с учетом наиболее неблагоприятных условий, при которых значения помех илАиф(с1+ „mjC co и илАіУф(сі+j) yрШрС со будут наибольшими. Значения проводимостей при вычислении /ост учитывались комплексной величиной ккомб, с учетом параметров ДГР и трансформатора ТрП. Далее задача сводилась к отысканию таких значений проводимостей gN = — (то есть значений RN), при которых коэффициент чувствительности имел значения не менее Кч 1,25 по (2.5) при наиболее неблагоприятных факторах.
В соответствии с описанной выше методикой оценки влияния величины сопротивления резистора, необходимой для обеспечения устойчивости функционирования защиты от 033, были проведены расчеты с целью определения влияния на величину nN модуля показателя асимметрии проводимостей фаз линий на землю dj и общего для сети емкостного тока 033 Icz- При этом варьировался модуль показателя асимметрии проводимостей фаз линий на землю в пределах от 0 до 0,12; варьировалась величина общего емкостного тока 033 сети от 30 до 100 А, что соответствует реальным условиям работы электрических сетей 6-35 кВ с компенсированной нейралью.
По результатам проведенных расчетов построены зависимости nN от емкостного тока 033 сети Ics (рисунок 3.10) и модуля показателя асимметрии проводимостей фаз линий на землю \&\ (рисунок 3.11). величину сопротивления резистора, обеспечивающую желаемую чувствительность защиты при неизвестной величине максимальной асимметрии проводимостей фаз линий на землю (рисунок 3.10) и в случае, если это величина является известной (рисунок 3.11).
Величина сопротивления резистора, при которой будут соблюдаться названные выше критерии устойчивости функционирования защиты от 033, одновременно не должна противоречить известному условию (критерию) выбора резистора для комбинированного заземления нейтрали, обеспечивающего ограничение перенапряжений в сети согласно (3.19). Зависимости, характеризующие nN при выполнении этого критерия, показаны на графиках как
случаи б) на рисунке 3.10 и рисунке 3.11.
Результаты исследований показали, что выбор резистора для обеспечения устойчивости функционирования новой защиты от 033 при любых условиях не будет противоречить известным критериям выбора резистора для комбинированного заземления, так как зависимость nN, определяющая условие ограничения перенапряжений в сети, находится выше аналогичных зависимостей nN для новой защиты.
Например, для принятых выше наиболее неблагоприятных условиях и токе 033 в сети порядка 50 А величина сопротивления резистора для ограничения перенапряжений будет составлять около 480 Ом. Для обеспечения селективной работы новой защиты - 730 Ом, что не противоречит первому критерию.
При величине резистора RN = 480 Ом (по условию ограничения перенапряжений) Кч защиты от 033, основанной на контроле пульсирующей мощности, будет порядка 2, что безусловно позволит селективно определять поврежденную линию среди других линий распределительной сети при устойчивых замыканиях на землю.
В проведенных исследованиях (рисунок 3.10) и (рисунок 3.11) принималось, что сеть состоит только из двух одинаковых линий. Однако такое в реальности применяется крайне редко и только для особо ответственных объектов. Поэтому целесообразно рассмотреть влияние показателя доли емкостей фаз относительно земли к-ои тк линии на величину сопротивления резистора при комбинированном заземлении нейтрали.
Для этого были построены зависимости RN от емкостного тока 033 сети и показателя доли емкостей фаз относительно земли А-ой линии (рисунок 3.12).
При проведении расчетов (рисунок 3.12) принималась наибольшая величина асимметрии собственных проводимостей фаз линий на землю ( т =0,12).
Величины показателя тк варьировалась от 0,12 до 0,5. Это связано с тем фактом, что при тк 0,12 защита от 033, основанная на контроле пульсирующей мощности, будет обладать достаточной устойчивостью функционирования и без дополнительного применения резистора.
Рекомендации по выбору величины сопротивления резистора для селективной работы защиты от ОЗЗ По результатам расчетов установлено, что nN не зависит от величины емкостного тока 033. Однако необходимо учитывать, что величина Zp, от которой зависит показатель величины тока через резистор по отношению к величине тока реактора, зависит от тока замыкания на землю. Следовательно, величину і унадо подбирать для каждой сети (каждого Icz, т.е. Zp).
На основании полученных результатов разработаны рекомендации по выбору величины резистора для комбинированного заземления нейтрали по условию гарантированного обеспечения достаточной чувствительности и, следовательно, селективной работы новой защиты от 033:
На основании рисунка 3.10 для обеспечения устойчивости функционирования защиты от 033 значение nN должно быть равно 0,1. В соответствии с этим, можно определить величину резистора для комбинированного заземления нейтрали по условию обеспечения достаточной чувствительности:
Обоснование схемы замещения распределительной сети с компенсированной нейтралью для исследования перемежающихся 033
Для подтверждения работоспособности новой защиты от 033 в компенсированных сетях, основанной на принципе контроля приращений пульсирующей мощности, был разработан лабораторный образец микропроцессорного устройства защиты. Фотографии образца устройства приведены в Приложении Б.
Устройство защиты основывается на применении контроллера реального времени CompactRIO 9075, модулей аналогового ввода N19215 и N19205, модуля цифрового вывода N1 9476. Особенностью данного контроллера является возможность построения информационно-измерительной системы реального времени на базе ПЛИС {FPGA Xilinx Spartan-6 LX25), которая значительно увеличивает быстродействие защиты за счет детерминированного во времени исполнения алгоритма, а также комплексной обработки и анализа данных в реальном времени. Необходимость использования системы реального времени вызвана пожеланиями автора обеспечить жесткие требования по быстродействию работы защиты. Функциональная схема опытного образца устройства приведена на рисунке 5.1.
Опытный образец позволяет контролировать до пяти отходящих от секции шин присоединений. При необходимости путем реконфигурации системы возможен контроль десяти отходящих присоединений. Блок входных трансформаторов напряжения и блок преобразователей тока обеспечивают гальваническую развязку входных цепей и согласование уровней сигналов измерительных трансформаторов напряжения и тока сети с требуемыми уровнями и типами входных сигналов для модулей опытного образца устройства N19215 и N19205.
Модуль цифрового вывода N19476 формирует сигнал о возникшем 033 на конкретной защищаемой линии сети. В соответствии с этим загорается одна из сигнальных ламп HL 1-5. Кроме того, предусмотрена передача сигнала к цепям отключения выключателей. Лампа HL «РАБОТА» сигнализирует о состоянии работы алгоритма защиты от 033 в зависимости от режима индикации: постоянное свечение светодиода означает нормальную работу алгоритма; отсутствие свечения - ошибку в работе алгоритма; прерывистый режим свечения - состояние алгоритма в режиме ожидания.
Устройство с помощью порта Ethernet 10/100BASE(либо интерфейса RS-232) позволяет обеспечивать построение СД-Ш-системы для удаленного управления, сбора данных о состоянии устройств, информации о возникновении 033, мониторинга и диспетчеризации аварийных событий. При примененном относительном принципе сравнения контролируемых приращений мощности в устройстве путем соответствующего набора числа модулей N1 9205 непосредственно для конкретной подстанции можно обеспечить контроль всех отходящих от секции шин линий.
Применение модулей аналогового ввода с используемой частотой дискретизации обусловлено необходимостью регистрирования с достаточно большой степенью достоверности высших гармоник токов и напряжений сети, а также переходных процессов, происходящих в сети при возникновении 033. Частота дискретизации модулей N19215 и N19205 намного превышает значение 6400 Гц, что считается достаточным для учета характерных электромагнитных процессов в распределительных сетях согласно теореме Котельникова-Шеннона [75, 76] и рекомендациям стандарта COMTRADE [77].
При необходимости прямого управления цепями отключения выключателей максимальный выходной ток модуля дискретного вывода N1 9476 можно увеличить до 1,5 А путем параллельного соединения в группы выходных каналов DO для каждой линии.
Благодаря малому времени выполнения операций в элементной базе устройства защиты и большой частоте дискретизации модулей возможно создание быстродействующей эффективной защиты от 033. Ожидаемое минимальное время срабатывания будет составлять tcp3 0,024с. Это должно обеспечивать вполне достоверное определение поврежденной линии в компенсированной сети даже при неустойчивых кратковременных замыканиях на землю.
Общий вид интерфейса устройства защиты от 033 представлен на рисунке 5.2.
При возникновении 033 загорается индикатор, соответствующий поврежденной линии. Кнопкой «Запуск» запускается алгоритм функционирования защиты. Кнопкой «Сброс» осуществляется сброс случайных ошибок, которые могут возникать при функционировании защиты.
Перед вводом в эксплуатацию опытный образец устройства защиты требуется предварительно настроить путем его подключения к компьютеру со специальным программным обеспечением через порт Ethernet 10/100BASE- Т. Специальное программное обеспечение было разработано в среде «LabVIEW 2013». В процессе настройки устройства должны быть выполнены следующие операции: - задается количество защищаемых линий; - задается уставка пускового органа защиты (по умолчанию эта величина равна 25 В); - задаются коэффициенты трансформации для всех трансформаторов тока защищаемых линий; - задаются периоды интегрирования для вычисления среднего значения мгновенной мощности, действующего значения напряжения нулевой последовательности и квадрата действующего значения переменной составляющей мгновенной мощности (по умолчанию периоды интегрирования равны 0,02 сек; 0,02 сек и 0,1 сек соответственно);
