Введение к работе
Актуальность работы. В электроэнергетической системе наиболее разветвленную структуру представляют электрические распределительные сети 6-10 кВ. Распределительные устройства (РУ) 6-10 кВ выполняются, в основном, в закрытых помещениях или изолированных камерах, то есть являются закрытыми электроустановками. Комплектуются такие электроустановки ячейками различных типов - закрытыми (комплектные распределительные устройства (КРУ), камеры секционированные одностороннего обслуживания (КСО) и др.), которые выполнены в отдельных шкафах с полным или частичным разделением основных отсеков и огражденными - ячейки старого типа, с фасадной и тыльной стороны которых установлено только сетчатое ограждение для защиты обслуживающего персонала от прикосновения. Особенностью электроустановок со специализированным электрооборудованием, установленным в камерах (трансформатор собственных нужд, реактор и др.) являются большие габаритные размеры при отсутствии внутренних перегородок.
Основной проблемой эксплуатации КРУ является их ограниченная по времени протекания тока термической стойкости локализационная способность (1 с.) при коротких замыканиях (КЗ) через электрическую дугу (ДКЗ), что обусловлено малыми габаритными размерами ячеек. Для огражденных ячеек свойственно быстрое перемещение электрической дуги на шины, обусловленное отсутствием перегородок. Данные особенности таких электроустановок определяют особые требования к их релейной защите: быстродействие на уровне 5-50 мс; абсолютная селективность (воздействие на коммутационные аппараты разного уровня в зависимости от исполнения защиты и электроустановок); высокая чувствительность.
Для электроустановок камерного типа, например, питающей сети дуговой сталеплавильной печи возможно появление ДКЗ на вводах питающего трансформатора. При этом его максимально-токовые защиты, как правило, не чувствительны к такому повреждению из-за сопоставимости токов нормального и аварийного режимов. На таких объектах в настоящее время не предусмотрена установка специальной защиты от ДКЗ.
С учетом того, что в энергосистеме и на промышленных предприятиях в эксплуатации находится большое количество РУ различных типов, которые не оборудованы специальной защитой от ДКЗ, а установленные устройства морально и физически изношены, то разработка устройств релейной защиты от ДКЗ, удовлетворяющих современным требованиям является актуальной задачей и требует уточнения основных информационных признаков такого повреждения и разработки на их основе новых алгоритмов функционирования защит.
Актуальность данной проблемы также подтверждается п.1.12.5 приказа РАО «ЕЭС России» №120 от 01.07.1998 г. «О мерах по повышению взывопожа-робезопасности энергетических объектов», п.5.4.19 Правил технической эксплуатации электрических станций и сетей РФ, в которых определена необходимость установки быстродействующих защит от ДКЗ в КРУ.
Представленные в диссертации результаты получены в Южно-Российском государственном техническом университете (НПИ) при выполнении работ в рамках комплексной научно-технической программы «Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов и повышение эффективности работы электроэнергетических систем», гранта 2006 г. Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002-2006 гг.» и гранта №4998р/7247 от 30 марта 2007 г. программы Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере «СТАРТ-07» 2007-2008 г.
Цель работы. Разработка быстродействующей высокочувствительной релейной защиты с абсолютной селективностью закрытых электроустановок 0,4-10 кВ от коротких замыканий, сопровождающихся электрической дугой.
Для достижения целей работы, решались следующие задачи;
• анализ и оценка наиболее перспективных алгоритмов функционирования релейной защиты закрытых электроустановок напряжением 0,4-10 кВ от повреждений, сопровождающихся открытой электрической дугой;
• экспериментальное и теоретическое исследование режимов ДКЗ в электрической сети 6(10)/0,4 кВ;
• экспериментальное и теоретическое исследование световых полей в закрытых распределительных устройствах (ЗРУ) с общим внутренним пространством, с огражденными и закрытыми ячейками с целью определения чувствительности дуговой защиты;
• разработка алгоритмов функционирования и практическая реализация оптико-электрического многоканального устройства релейной защиты от ДКЗ.
Методы исследований.
Поставленные задачи решались с применением общих положений теории электротехники, теории светотехники, теории подобия и моделирования, натурных экспериментов, математического и физического моделирования с использованием аналитических и численных методов расчетов с применением ЭВМ.
Научная новизна работ соискателя:
1- Уточненная классификация способов идентификации ДКЗ в закрытых электроустановках напряжением 0,4-10 кВ.
2. Новые алгоритмы функционирования быстродействующих оитико-элсктрических устройств релейной защиты ЗРУ, адаптированные к их конструктивным особенностям и режиму работы.
3. Методика оценки чувствительности дуговых защит ЗРУ с общим внутренним пространством, с огражденными и закрытыми ячейками с учетом влияния затенений и многократных отражений светового потока, излучаемого электрической дугой.
4. Математическая модель питающей сети 6(10)/0,4 кВ с учетом нестационарного характера горения аварийной электрической дуги и шунтирующего влияния нагрузки.
Практическая значимость работы.
1. Определены зоны оптимальной установки и ориентация оптических датчиков в закрытых электроустановках напряжением 0,4-10 кВ (общим внутренним пространством, с огражденными и закрытыми ячейками) по критерию максимальной чувствительности.
2. Разработано быстродействующее многоканальное устройство дуговой защиты ячеек ЗРУ 6-10 кВ, прошедшее натурные испытания в электрической сети 6/0,4 кВ и внедрено в эксплуатацию на подстанциях филиала ОАО «МРСК-Юга»-«Ростовэнерго».
3. Разработана методика проверки чувствительности оптической защиты от ДО для ЗРУ с общим внутренним пространством и оборудованного огражденными ячейками от источника излучения ограниченной мощности.
Основные результаты, выносимые на защиту:
1. Новые алгоритмы функционирования быстродействующих оптико-электрических устройств релейной защиты ЗРУ, учитывающие их конструктивные особенности и режимы работы.
2. Методика оценки чувствительности дуговых защит в закрытых электроустановках напряжением 0,4-10 кВ с учетом влияния затенений и многократных отражений светового потока, излучаемого электрической дугой.
3. Математическая модель питающей сети 6(10)/0,4 кВ с учетом нестационарного характера горения аварийной электрической дуги и шунтирующего влияния нагрузки.
4. Структурные и принципиальные схемы многоканальных оптико-электрических устройств защиты ячеек ЗРУ 6-10 кВ.
Реализация результатов работы:
Быстродействующие многоканальные устройства дуговой защиты типа РДЗ-017М внедрены в эксплуатацию на подстанциях филиала ОЛО «МРСК Юга»-«Ростовэнерго». На устройство типа РДЗ-017М получен сертификат соответствия № РОСС RU.AE81. Н02104 Органа по сертификации продукции и услуг ООО «Южный центр сертификации и испытаний» («000 ЮГ-ТЕСТ»). Устройство защищено патентами РФ и отмечено дипломами на выставках ВВЦ РФ «Релейная защита и автоматика энергосистем» (г. Москва, 2006, 2008 г.г.), «Элек-троПромЭкспо» (г. Ростов-на-Дону, 2006- 2009 г.г.).
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке специалистов по специальности 14020365 «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем» и магистров по направлению 551700 «Электроэнергетика» (в лабораторных занятиях и дипломном проектировании),
Апробация работы Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на Всероссийском конкурсном отборе инновационных проектов аспирантов и студентов по приоритетному направлению программы «Энергетика и энергосбережение» (г. Томск, 2006 г.), на Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2006 г.), Международных выставках-конференциях «Релейная защита и автоматика» (г. Москва, 2006, 2008 г.г.), «Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем» (г. Москва, 2009 г.), на научно-технических конференциях «Энергосбережение, энергетическое оборудование и системы технической диагностики» (г. Ростов-на-Дону, 2005-2008 г.г.), семинарах РАН «Кибернетика электрических систем» по тематике «Электроснабжение промышленных предприятий» и «Диагностика электрооборудования» (г. Новочеркасск, 2005-2008 г.г.), на научных сессиях ЮРГТУ (НПИ) (г. Новочеркасск, 2004-2008 г.г.). Публикации.
По результатам работы опубликовано: 7 статей в изданиях, рекомендуемых ВАК, 11 публикаций в межвузовских сборниках и периодических изданиях. Получены два патента на полезную модель РФ.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, 10 приложений. Объем пояснительной записки составляет 200 страниц текста, 103 рисунка, 9 таблиц, 19 страниц приложений.
