Введение к работе
Актуальность проОлеяы. Большая часть электрической энергии распределяется потребителям через сети среднего напряжения 3-35 кв. Однофазные замыкания на землю (033) являнтгся преобладающим видом повреждений в сетях 3-35 KB (75-90 от общего числа электрических повреждений) и часто являются первопричиной аварий, сопровождающихся значительным экономическим ущербом и создающих опасность поражения эксплуатационного персонала электрическим тонок. Одним из наиболее эффективных средств борьбы с негативными, последствиями 033 в сетях 3-35 кВ является резонансное заземление нейтрали (компенсация емкостных токов замыкания на землю). Однако недостаточное техническое совершенство существующих защит от 033 снижает эффективность компенсации емкостных токов и надежность работы компенсированных сетей, ограничивая возможности расширения области применения резонансного заземления нейтрали. Поэтому повышение технического совершенства устройств селективной сигнализации и защиты от 033 (в дальнейшем устройств защиты от 033) электрических сетей среднего напряжения, работающих с компенсацией емкостного тока, является актуальной проблемой, имеющей важное народно-хозяйственное значение.
Подтверждением актуальности и одновременно сложности указанной проблемы может служить, в частности, большое число публикаций, разработок и предложения в части защит от 033 для компенсированных сетей. Исследования и разработки ведутся в трех направлениях, основанных на использовании для действия устройств защиты от 033 соответственно высших гармоник установившегося тока 31о и напряжения 3Uo нулевой последовательности, "наложенных токов" непромышленной частоты и электрических величин переходного процесса, возникающего в момент пробоя изоляции фазы на землю. Значительный вклад в решение проблемы в СССР внесли Попов И.Н., Сирота И.М., Кискачи в:М.
В данной работе обобщаются результаты исследований и разработок, выполненных под руководством и при непосредственном участии автора, связанных с поиском решений указанной проблемы, основанных на использовании для действия защиты от 033 переходных процессов. Следует отметить, что исследования электромагнитных переходных процессов, возникавших при 033, имеют также важное значение для повышения технического совершенства устройств защиты от этого вида повреждения, основанных на использовании высших
гармоник установившегося режима замыкания и "наложенных токов".
Исследования и разработки устройств защиты от 033, использу-пользующих для действия электрические величины переходного процесса, в РФ и других странах (ФРГ, Франции, Польше, Болгарии и др.) проводятся в течение многих лет (в Германии с 30-х годов -- Н. Neugebauer, в СССР с 40-х годов - Попов И.Н.). Однако большинство известных разрайоток и предложений имеют ограниченную область использования либо вообще не получили практического применения. Анализ указанных работ и исследований показал, что при решении рассматриваемой проблемы возникает комплекс теоретических и практических задач, без решения которых создание устройств защиты от 033, обладающих высоким техническим совершенством, и их эффективное внедрение в компенсированных сетях 3-35 кВ невозможны.
Работа выполнена автором в Ивановском государственном энергетическом университете. Ее отдельные разделы выполнялись в соответствии с комплексными научно-техническими программами ГКЖ СССР О.Ц. 026 "Автоматизация управления техническими процессами, производствами, машинами, станками и оборудованием с применением ЭВМ и микро-ЭВМ" (1980-85 г.г.), 0.01.11^.03 "Разработать и внедрить новые метода и технические решения в области межотраслевых проблем промышленной энергетики" (1986-1990 г.г.), 0.В0.03 "Создать новые и развить действующие системы автоматизированного проектирования и автоматизированные системы научных исследований" (1986--90 г.г.), ОТНП 01.01.03 "О мерах по развитию диагностического оборудования и сооружений электростанций и сетей Минэнерго СССР" (1986-90 г.г.). Межвузовской НТП 1.13 "Автоматизация проектирования" (1991-95 г.г.), заказами отраслевых министерств и отдельных предприятий.
Целью работ является развитие методов и средств анализа переходных процессов при 033 в электрических сетях 3-35 кВ, углубленные исследования особенностей соотношений электрических величин электромагнитных переходных процессов при 033, создание на этой основе устройств защиты от замыканий на землю, обладающих высоким техническим совершенством.
Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи.
1. Обоснование методического подхода, разработка критериев и Математических моделей для оценки технической эффективности завит от 033, основанных на использовании переходных процессов.
-
Экспериментальные и теоретические исследования электромагнитных переходных процессов при 033 в электрических сетях, работающих с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостного тока, в аспекте вьбора оптимальных принципов построения зашит от этого вида повреждения.
-
Развитие методов, разработка математических моделей, алгоритмов автоматизированного моделирования на ЭВМ электромагнитных переходных процессов в электрических системах.
-
Разработка комплекса программных средств имитационного моделирования электромагнитных переходных процессов в электрических системах для повышения эффективности решения задач многовари-' антного анализа и разработки сложных устройств релейной защиты (УРЗ), в частности, устройств зашиты от 033, основанных на использовании переходных процессов.
-
Разработка оптимальных принципов построения устройств селективной сигнализации и защиты от 033 для электрических сетей, работающих с компенсацией емкостных токов.
-
Разработка и внедрение комплекса технических средств селективной сигнализации и защиты от 033 для компенсированных электрических сетей.
Теоретические результат и новизна:
-
Предложены комплексные показатели селективности, устойчивости функционирования и технического совершенства защит от 033. Разработаны математические модели для оценки влияния фиксации кратковременных самоустраняющихся пробоев изоляции на показатели надежности электрической сети и для комплексной оценки эффективности режима заземления нейтрали и-защиты от 033.
-
Экспериментально исследован характер влияния процесса разряда поврежденной фазы на значения, начальные фазовые и амплитудные соотношения электрических величин переходного процесса и обоснованы способы учета этого влияния при выборе принципов построения устройств защиты от 033.
-
Обоснованы условия, при которых сложный волновой переходный процесс при 033 может рассматриваться как электромагнитный переходный процесс в двухчастотной схеме замещения.
-
Получены аналитические решения уравнений электромагнитных переходных процессов при 033 в сети с изолированной нейтралью, и при 033 в компенсированной сети, устанавливающие в явной форме соотношения между основными компонентами переходных токов и напряжений и их зависимости от основных влияющих факторов.
- б -
-
Предложен метод получения аналитических решений уравнений переходного процесса при 033 в электрических сетях сложной конфигурации.
-
Предложен метод моделирования электромагнигных переходных процессов в трехфазных электрических цепях с коммутационными аппаратами, основанный на применении непрерывно- дискретных уравнений состояния. Разработаны непрерывно-дискретные математические модели, учитывающие состояния фаз коммутационных аппаратов и их изменение во времени, для основных элементов электрических систем и алгоритм формирования по ним непрерывно-дискретных уравнений исследуемого электроэнергетического объекта.
-
Теоретически и на основе исследований на модельных задачах обоснованы принципы применения метода даскретного моделирования для анализа электромагнитных переходных процессов в электрических системах.
-
Обоснованы принципы построения, разработана структура автоматизированной системы моделирования электромагнитных переходных процессов в электрических системах для решения задач анализа и разработки устройств релейной защиты.
-
Предложены и теоретически обоснованы принципы построения Измерительных органов централизованных устройств сигнализации 033 (ЦУСЗ) по способу сравнения амплитуд переходных токов в присоединениях. Получен критерий применимости устройств защиты по данному способу. Разработана методика выбора оптимальных параметров настройки вторичных преобразотелей переходных токов для расширения области применения указанных ЦУСЗ.
10. Предложены, теоретически и экспериментально обоснованы
принципы построения централизованных направленных устройств се
лективной сигнализации 033 (ЦНУСЗ).
11. Разработаны принципы построения централизованной системы сигнализации 033 (ЦССЗ) на базе ПЭВМ и микропроцессоров.
12. Предложен принцип построения комплексной направленной защиты от 033, основанной на использовании электрических величин переходного провеса и высших гармоник.
Оршаптесиая ценность работы состоит в следующем:
1. Разработанные критерии и модели для оценки технической и технико-экономической эффективности зашит от 033 и режимов заземления нейтрали могут быть использованы проектными организациями для обоснования проектных решений.
2." На основе экспериментальных исследований и аналитических
решений уравнения переходного процесса при 033 выявлены причины возможных нарушений селективности и устойчивости функционирования устройств зашиты от замыканий на землю, использующих различные способы определения поврежденного присоединения, обоснованы и предложены способы и принципы построения устройств, обладающих повышенным техническим совершенством.
-
Разработанные математические модели, реализующие метод непрерывно-дискретного и дискретного моделирования для основных элементов электрических систем, могут быть применены в программах моделирования на ЭВМ электромагнитных переходных процессов.
-
Разработано математическое, программное, лингвистическое обеспечение двух версий автоматизированного диалогового комплекса имитационного моделирования электромагнитных переходных процессов в электрических системах (МЭП.РЗ), реализующих соответственно методы непрерывно-дискретного и дискретного моделирования электрических цепей. Программный комплекс имитационного моделирования МЭП.РЗ может быть использован для решения задач анализа и разработки УРЗ, для создания банков входных сигналов УРЗ, в установках физико-математического моделирования входных воздействий УРЗ, а также для построения автоматизированных обучающих систем,
-
Разработан и внедрен в эксплуатацию комплекс устройств сигнализации и защиты от 033 для компенсированных сетей, включаю-ющий щгсз типа "Феррит", ЦНУСЗ типа "Темп-1", "Импульс", ЦССЗ на базе ПЭВМ и микропроцессоров и автономное направленное устройство зашиты от 033 <УЗЗН). Разработанные устройства обеспечивают возможность комплексного решения проблемы зашиты от 033 в компенсированных сетях.
Реализация результатов работы. ЦУСЗ типа "Феррит" внедрены в АО йвэнерго, Челябэнерго, Сумэнерго, Архэнерго, на ряде предприятий лесной и целлюлозно-бумажной промышленности. Всего в эксплуатации находится более 20 комплектов ЦУСЗ "Феррит" емкостью от 25 до 100 присоединений.
ЦНУСЗ типа "Темп-1" и "Импульс" внедрены в АО йвзнерго, Кос-тромаэнерго, Башкирзнерго, Владимирзнерго, Нижновэнерго, Киров-знерго, на предприятиях лесной, целлюлозно-бумажной, нефтеперерабатывающей и других отраслей промышленности. В настоящее время в эксплуатации находится более 60 комплектов ЦНУСЗ "Іємп-l" и "Импульс" емкостью на 16 присоединений каждое. Производство указанных ЦНУСЗ для предприятий лесной и целлюлозно-бумажной промышленности организовано МСУ ТПО "Союзлесмонта«" (в настоящее время
АП T3JMA, г. Москва), для предприятий энергосистем и других отраслей промышленности - на базе экспериментального производства ИГЭУ. Экономический эффект от внедрения разработанных устройств сигнализации 033 только на предприятиях лесной и целлюлозно-бумажной промышленности составил 645,0 тыс. руб. <в ценах 1980 г.).
Устройства "Феррит", "Темп-1", "Импульс" экспонировались на ВДЮС, Центральной выставке HTIM, международных выставках (г. Москва, 1976, 1931, 1986, 1991 г.г.), награждены бронзовой медалью ВДНХ, медалью центральной выставки НТТМ.
ЦССЗ на базе ПЭВМ внедряется в настоящее время в сети 10 кВ системы электроснабжения ПО "Светогорск". Три опытных образца УЗЗН установлены в эксплуатацию в сети 6 кВ Костромской ТЭЦ-2.
Разработанный программный комплекс имитационного моделирования электромагнитных переходных процессов в электрических системах МЭП.РЗ применялся для решения задач, возникающих на различных этапах разработки устройств защиты от 033.
Достоверность результатов подтверждена сопоставлением результатов расчетов и моделирования с результатами исследований и испытаний на физических моделях, натурных экспериментов в действующих электроустановках, а также объемом внедрения и накопленным положительным опытом эксплуатации разработанных устройств сигнализации и защиты от 033.
Основные положения, которые бшюсятся на защиту:
1. Критерии и модели для оценки технической эффективности устройств защиты от 033, основанных на использовании электрических величин переходного процесса, методика оценки технико-экономической эффективности режимов заземления нейтрали и защиты от 033 сетей 3-35 кВ.
'2. Аналитические решения уравнений переходных процессов при 033 в компенсированных и некомпенсированных сетях.
-
Результаты экспериментальных исследований, теоретического анализа и моделирования на ЭВМ электромагнитных переходных процессов при 033 в аспекте обоснования принципов построения защит от этого вида повреждений.
-
Метод формирования непрерывно-дискретных уравнений состояния трехфазных электрических цепей с коммутационными элементами, непрерывно-дискретные и дискретные математические модели злемен-
' тов электроэнергетических систем, алгоритмы и программный комп-. леке имитационного моделирования электромагнитных переходных процессов в электрических системах.
5. Принципы построения измерительных органов ПУСЗ по способу сравнения амплитуд переходных токов в присоединениях, методика оптимизации параметров настройки вторичных преобразователей тока для расширения области применения указанных устройств.
-
Способ, принципы построения и реализация централизованных и автономных направленных устройств защиты от 033, основанных на использовании электрических величин переходного процесса, для компенсированных и некомпенсированных электрических сетей.
-
Способы, принципы построения и реализация централизованной системы сигнализации 033 на базе ПЭВМ и микропроцессоров для компенсированных и некомпенсированных электрических сетей.
Публикации и апробация. Содержание работы нашло отражение в 71 печатной работе автора, в т.ч. в 1 брошюре, 7 авторских свиде-детельствах, 26 статьях, в 18 тезисах докладов международных и всесоюзных научно-технических конференция, в 19 тезисах докладов республиканских научно-технических конференций и семинаров и научно-технических конференция ИГЭУ (ИЭИ). Содеркание работы отражено также в 33 отчетах по НИР, зарегистрированных в ВНТИЦ, в которых автор являлся руководителем.
Основные результаты проведенных исследований обсуждались на международных, всесоюзных, республиканских научно- технических конференциях и семинарах, итоговых научно-технических конференциях ИГЭУ (ИЭИ), заседании секции релейной защиты электроэнергетических систем при ГКНТ СССР.
Структура и объел диссертации. Работа включает введение, 7 глав, заключение, список литературы и приложения, содержащие отдельные математические выкладки и материалы, относящиеся к внедрению результатов. Основной материал изложен на 291 стр. машинописного текста. Работа включает также 118 рисунков и 17 таблиц. . Список литературы состоит из 366 наименований.
Похожие диссертации на Теория и практическая реализация защит от однофазных замыканий на землю, основанных на использовании переходных процессов, для электрических сетей 3-35 кВ
