Содержание к диссертации
Введение
1. Сравнительный анализ методов выявления элемента с замыканием на землю в трехфазных сетях среднего напряжения и в сетях посто янного оперативного тока 9
1.1. Анализ методов выявления элемента с замыканием на землю в сетях среднего напряжения с компенсацией емкостного тока 9
1.2. Анализ методов выявления элемента со сниженным сопротивлением изоляции в сетях постоянного оперативного тока 15
2. Гармонический анализ электрических величин нулевой последовательности в трехфазных сетях среднего напряжения с компенсацией емкостных токов при замыкании на землю через перемежающую ся дугу 26
2.1. Постановка задачи 26
2.2. Выбор схемы замещения трехфазной сети среднего напряжения с компенсацией емкостных токов для проведения исследований 29
2.3. Расчетные выражения для токов и напряжения нулевой последовательности 35
2.4. Расчет параметров схемы замещения через количественные характеристики сети, переходного процесса и условия горения дуги 42
2.5. Влияние количественных характеристик сети, переходного процесса и условий горения дуги на количественные характеристики спектров токов нулевой последовательности 45
Выводы 72
3. Выбор и анализ вариантов выполнения измерительного канала защиты от замыканий на землю 74
3.1 Защита с совмещенным измерительным каналом для селективной фиксации перемежающихся дуговых и устойчивых замыканий на землю 74
3.2 Защита с изменяющимися структурой и параметрами измерительного канала для селективной фиксации перемежающихся дуговых и устойчивых замыканий на землю 89
3.3 Вероятностная модель процесса перемежающегося замыкания в сети среднего напряжения с компенсацией емкостного тока 99
3.4 Исследование влияния параметров сети и дуги на вероятность неправильных действий защиты, не обладающей адаптивными свойствами к виду замыкания на землю 107
з
3.5 Исследование влияния параметров совмещенного измерительного канала для селективной фиксации перемежающихся дуговых и устойчивых замыканий на землю на вероятность неправильных действий защиты 117
3.6 Исследование влияния параметров сети и дуги на вероятность неправильных действий защиты, обладающей адаптивными свойствами к виду замыкания на землю 121
Выводы 128
4. Измерение фазы токов для выявления элемента с ослабленной изоляцией в разветвленной электрической сети путем наложения коротких синхронизированных импульсов 130
4.1. Принципиальные основы предлагаемого метода измерения фазы и структурная схема устройства 130
4.2. Выбор схемы замещения и параметров сети постоянного оперативного тока для проведения исследований 133
4.3. Исследование влияния формы и параметров импульсов на возможность фиксации заданного момента времени для измерения фазы тока в контролируемых элементах сети 140
4.4. Вероятностная оценка практической реализуемости метода фиксации заданного момента времени с использованием источника коротких импульсов 153
4.5. Обеспечение эффективности работоспособности устройства при малых переходных сопротивлениях или металлическом замыкании 156
Выводы 161
Заключение 162
Литература
- Анализ методов выявления элемента со сниженным сопротивлением изоляции в сетях постоянного оперативного тока
- Расчетные выражения для токов и напряжения нулевой последовательности
- Вероятностная модель процесса перемежающегося замыкания в сети среднего напряжения с компенсацией емкостного тока
- Выбор схемы замещения и параметров сети постоянного оперативного тока для проведения исследований
Введение к работе
Актуальность работы. Надежность работы электроустановок и потреби-елей электроэнергии в значительной степени зависит от уровня экештуата-[ии распределительных сетей различного вида. Распространенным видом лектрических сетей являются сети, в которых замыкание на землю одной тзы (в трехфазных сетях) или полюса (в сетях постоянного тока) не вызы-ают непосредственного нарушения работы потребителей. Однако такие од-офазные или однополюсные замыкания, если они не будут своевременно ыявлены и устранены, могут стать причиной развития повреждения с по-ледующим переходом в аварийное, которое требует немедленного отклю-ения оборудования.
Данная работа посвящена исследованию и усовершенствованию мето-ов и устройств для обнаружения элемента с замыканием на землю в се-яхб-10 кВ с компенсацией емкостного тока и в сетях постоянного опера-ивного тока электростанций и подстанций.
Распространенными и хорошо зарекомендовавшими себя на практике вляются методы обнаружения элемента с замыканием на землю, основан-ые на выделении гармонических составляющих естественных или искусст-енно созданных электрических величин. Общность задачи усовершенство-ания средств для выявления элемента с замыканием на землю в этих двух вдах сетей в данном частном случае объясняется тем, что in возможных пособов решения задачи в работе рассматриваются способы, которые для воей реализации требуют знания спектров электрических величин, сопро-ождающих замыкание на землю.
В соответствии с такой постановкой задачи в данной работе проводится ііализ известных способов и средств для выявления элемента с замыканием а землю в сетях постоянного оперативного тока и в сетях с компенсацией «костного тока и предлагаются варианты для их дальнейшего развития и звершенствования.
Цель и задача исследований - усовершенствование защиты от замыка-ий на землю на основе исследования электрических процессов при пере-сжающемся дуговом замыкании в сетях среднего напряжения с компенса-ией емкостных токов с учетом их случайного характера, а также разработка етода выявления элемента со сниженным сопротивлением изоляции в раз-зтвленных сетях постоянного оперативного тока электростанций и под-ганций.
Методы исследования - математическое моделирование на базе теории іектрических цепей, теории вероятности, численных методов и их реализа-ни в виде программ на ЭВМ.
Научная новизна работы
получена связь между количественными характеристиками частотных спектров токов и напряжений в области низких частот при длительном перемежающемся дуговом замыкании в сети с компенсацией емкостного тока в зависимости от параметров сети и дуги, в том числе с учетом деионизации дугового промежутка после обрыва дуги;
дана оценка вероятности неправильных действий защиты от замыканий на землю, использующей низкочастотную часть спектра, в зависимости от параметров сети и параметров защищаемого элемента;
показана возможность выполнения защиты, адаптирующейся к виду замыкания (перемежающемуся или устойчивому), по признаку появления низкочастотных гармоник в напряжении нулевой последовательности;
показана возможность использования для решения задачи выявления элемента со сниженным сопротивлением изоляции в разветвленных сетях постоянного оперативного тока электростанций и подстанций метода, основанного на одновременном наложении на сеть синусоидального сигнала и коротких синхронизированных импульсов.
Практическая ценность работы
- математическая модель электрических процессов при перемежающих
ся дуговых замыканиях, реализованная в віще программы, может быть ис
пользована при проведении разработок в области защиты от замыканий на
землю, а также для исследования и оценки существующих устройств;
- на основе полученных результатов разработаны и используются в
электрических сетях устройства защиты с автоматическим изменением
уровня срабатывания.
К защите представляются
результаты исследования спектров токов и напряжений нулевой последовательности при перемежающихся замыканиях в сетях с компенсацией емкостного тока в области низких частот;
структурные схемы и алгоритмы действия защиты, обеспечивающей селективность при любых реальных параметрах сети и отдельных линий.
методика выбора параметров адаптивной и неадаптивной к виду замыкания защиты на основе вероятностных исследований электрических величин нулевой последовательности при всем многообразии условий горения перемежающегося дугового замыкания;
метод измерения фазы токов для выявления элемента с ослабленной изоляцией в сетях постоянного оперативного тока электростанций и подстанций, основанный на одновременном наложении на сеть синусоидального сигнала и коротких синхронизированных импульсов.
Апробация работы основные результаты работы докладывались на 3-сй научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Томск, 1997 г.); на 4-ой научно-практической конференции студентов
іспирантов и молодых ученых (Томск, 1998 г.); на научно-практической
сонференции "Экология и безопасность" (Томск 1999 г.); на 5-ой научно-
ірактической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых
Томск, 1999 г.). Публикации
. Шестакова В. В. Измерение фазы токов для выявления элемента с ослабленной изоляцией в разветвленной электрической сети путем наложения коротких синхронизированных импульсов. Труды 3-й областной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, 25-28 марта, 1997, с. 13.
L Шестакова В. В. Выбор формы и параметров импульсов для целей фиксации момента отсчета времени в любом месте разветвленной электрической сети. Труды 4-й областной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, 23-26 марта, 1998, с. 16.
. Шестакова В. В. Исследование возможности фиксации момента отсчета времени в любой точке электрической сети с использованием источника коротких импульсов, Материалы докладов четвертого всероссийского научно-технического семинара «Энергетика, Экология, Надежность, Безопасность», Томск, 1998, с. 48.
. Вайнштейн Р. А., Юдин С. М., Шестакова В. В. Повышение селективности и помехоустойчивости защиты от замыканий на землю в электроустановках с компенсацией емкостного тока, Материалы докладов четвертого всероссийского научно-технического семинара «Энергетика, Экология, Надежность, Безопасность», Томск, 1998, с. 72.
. Вайнштейн Р. А., Шестакова В. В. Измерение фазы токов для выявления элемента с ослабленной изоляцией в разветвленной электрической сети путем наложения коротких синхронизированных импульсов // Известия ВУзов, Электромеханика, 1999, №1, с. 39-42.
. Вайнштейн Р. А., Шестакова В. В., Исследование спектров токов нулевой последовательности при перемежающихся замыканиях в сетях с компенсацией емкостного тока, Материалы докладов четвертого всероссийского научно-технического семинара «Энергетика, Экология, Надежность, Безопасность», Томск, 1998, с. 51.
. Шестакова В. В., Березницкий С. Н., Исследование гармонического состава токов при дуговом замыкании на землю и обоснование требований к измерительному органу защиты, Труды 5-й областной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, 13-15 апреля, 1999, принято к печати.
Березницкий С. Л., Вайнштейн Р. А., Шестакова В. В., Влияние нелинейности дугогасящих реакторов на процесс восстановления напряжения на поврежденной фазе после обрыва дуги; ТПУ, - Томск, 1999 г. - 11 с. - Деп. в ВИНИТИ 29.07.99, № 2486 - В99.
Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 163 страницах машинописного текста, списка литературы из 56 наименований на 5 страницах, иллюстрируется 135 рисунками.
Анализ методов выявления элемента со сниженным сопротивлением изоляции в сетях постоянного оперативного тока
Наибольшее распространение в этой группе защит получили устройства, использующие естественные высшие гармоники в токе нулевой последовательности и устройства, реагирующие на искусственно наложенные токи с частотой, отличающейся от промышленной.
Основные проблемы, решаемые при выполнении этих защит, связаны с повышением чувствительности и одновременной отстройки их от переходных процессов в сети. Устройства, использующие высшие гармоники, выполняются как на принципе абсолютного, так и относительного замера тока нулевой последовательности по линиям. При использовании принципа абсолютного замера высших гармоник обеспечить селективную работу защиты весьма затруднительно в связи с тем, что уровень высших гармоник в токе нулевой последовательности даже в одной сети может изменяться в очень широких пределах. Это объясняется тем, что появление высших гармоник связано с очень многими трудно учитываемыми факторами, такими как нелинейность характеристик намагничивания трансформаторов, нелинейность нагрузок, конфигурация сети, уровень напряжения. Кроме того, в сети возможны локальные повышения уровня гармоник в некоторых контурах из-за резонансных явлений.
Важно выделить также один фактор, оказывающий сильное влияние на уровень высших гармоник - это место замыкания. Так как одной из главных причин появления высших гармоник является потребление нагрузками несинусоидальных токов, то естественно, что искажение фазных напряжений увеличивается по мере электрического удаления места замыкания от шин станций и подстанций, где напряжение при достаточно большой мощности источника может держаться практически синусоидальным. Поэтому разница в уровнях высших гармоник при близких и удаленных замыканиях может быть значительной. Таким образом, обеспечить селективное действие защиты, использующей абсолютный замер высших гармоник затруднительно.
Значительно лучшими свойствами обладают защиты, основанные на сравнении суммарного уровня естественных высших гармоник тока нулевой последовательности по присоединениям [3,4]. Поврежденное присоединение с помощью названных устройств фиксируется по максимальному уровню высших гармоник. Такие устройства нечувствительны к колебаниям абсолютного уровня высших гармоник. Но, будучи простыми и надежными, они обладают тем эксплуатационным недостатком, что для поиска поврежденного присоединения требуется значительное время, особенно если в зону контроля входят распределительные подстанции, на которые необходим выезд оперативно-выездной бригады. При этом время существования замыкания на землю может значительно увеличиваться и даже превышать допустимое [5].
Указанного недостатка лишено централизованное устройство [6], производящее также относительный автоматический замер высших гармоник устойчивого замыкания на землю. Для исключения ложного срабатывания защиты при внешнем замыкании (шины, неохваченные присоединения и т.д.) в устройство введен порог по чувствительности, пропорциональный абсолютной величине высших гармоник в напряжении нулевой последовательности и заведомо больший уровня гармоник на самом большом присоединении при внешнем замыкании.
В Германии нашли применение устройства, реагирующие на искусственную реактивную составляющую тока замыкания [7]. Способ заключается в том, что при возникновении замыкания на землю с выдержкой времени, достаточной для затухания переходного процесса, происходит шунтирование вторичной обмотки дугогасящего реактора индуктивным сопротивлением. В Германии также используется устройство [8], реагирующее на пятую гармонику. Селективность этих защит зависит от уровня и спектра высших гармоник, от степени компенсации емкостного тока сети, при изменении которой возможна неправильная работа защиты.
Особую группу устройств защиты от замыканий на землю представляют устройства, использующие для своей работы токи, искусственно накладываемые на сеть. Частота наложенного тока выбирается такой, чтобы она отсутствовала в естественном гармоническом составе тока нулевой последовательности устойчивого замыкания, например, ток с частотой 0.5 Гц, 12.5 Гц , 25 Гц или 100 Гц. Искусственная составляющая тока получается с помощью подключения к дополнительной обмотке дугогасящего реактора нелинейных элементов или специального источника. При замыкании на землю контрольный ток протекает в основном только по поврежденному присоединению и фиксация его производится с помощью абсолютного замера контрольного тока, выделенного с помощью фильтров.
Как показывает опыт эксплуатации, защиты, ориентированные только на фиксацию устойчивых замыканий, как правило, плохо работают при перемежающемся дуговом замыкании. Это объясняется различным характером изменения электрических величин нулевой последовательности при названных разновидностях замыкания на землю, что и затрудняет возможность совмещения в одном устройстве защиты функции селективной фиксации как устойчивых, так и перемежающихся дуговых замыканией с использованием только естественных информационных признаков повреждения. В то же время электрические величины при замыкании на землю зависят от многих случайных факторов и изменяются случайным образом от замыкания к замыканию.
В отличие от защит, реагирующих на параметры устойчивого замыкания, данные защиты, могут быть выполнены с более высоким быстродействием. Они обладают потенциальной возможностью фиксировать как п.д.з., так и устойчивое замыкание на землю.
Принцип действия таких защит основан на сравнении амплитуд свободных токов в защищаемых присоединениях. Основанием для выполнения защит на этом принципе является то обстоятельство, что в разветвленной сети амплитуда свободного тока поврежденного присоединения всегда больше, чем амплитуда свободного тока неповрежденного присоединения и, следовательно, эта особенность свободных токов может служить отличительным признаком поврежденной линии.
Основными элементами таких устройств являются запоминающие и сигнальные элементы (ЗЭ и СЭ) - по числу линий на подстанции, а также шаговый распределитель (ШР), пусковой орган (ПО) и генератор импульсов (ГИ). В одной из разработок [12] запоминающий элемент представляет собой конденсатор, подключенный через двухполупериодный выпрямитель к трансформатору тока нулевой последовательности, установленному на кабельной линии.
При пробое изоляции запоминающий элемент фиксирует напряжение, пропорциональное максимальной амплитуде броска тока нулевой последовательности. Поврежденное присоединение фиксируется после опроса всех запоминающих элементов путем выделения элемента с максимальным напряжением. Другие конкретные реализации этого принципа отличаются практически только элементной базой. В большинстве случаев используются полупроводники, а в работе [13] устройство реализовано на ферромагнитных сердечниках с прямоугольной петлей гистерезиса.
Несомненным достоинством этих устройств является их принципиальная не критичность к изменяющимся в широком диапазоне параметрам переходного процесса. Эти устройства могут правильно работать как при перемежающемся дуговом, так и при длительном устойчивом замыкании.
Расчетные выражения для токов и напряжения нулевой последовательности
Приведенные выше выражения для токов и напряжений позволяют исследовать с помощью ЭВМ перемежающееся дуговое замыкание в компенсированной сети. Последовательность расчета при любых значениях параметров, входящих в упомянутые выражения, должна быть следующая: - задается время расчета (до 3-4с); - задается начальное пробивное напряжение Unp нач и при необходимости значения AU и кд, учитывающие возрастание пробивного напряжения за счет изменения электрической прочности дуги с каждым последующим пробоем по (2.22); - по заданным количественным характеристикам сети и переходного процесса определяются параметры R3 ,L3 ,RN ,LN ,C0; - по формулам (2.5, 2.6) рассчитываются корни и определяется вид переходного процесса в схеме на рис. 2.4 а; - для принятого пробивного напряжения в момент времени tK определяется скачок напряжений на емкостях прямой, обратной и нулевой последовательностей, вызванный перераспределением зарядов (рис.2.3) по уравнению (2.3); - рассчитывается переходный процесс зарядки емкости и индуктивно-стей в схеме (рис. 2.4 а) до принятого момента погасания дуги tpK(npH одном из переходов тока із(і) через ноль) по (2.7 - 2.12); - для момента времени tpK определяются мгновенные значения для тока iN(tpK) и напряжения Uco(tpK) и принимаются за независимые начальные условия в схеме разряда в контуре LN,RN,G ; - рассчитывается переходный процесс разряда емкости по (2.14 - 2.21) до момента времени tk+i, когда напряжение на разомкнутом ключе S (рис. 2.4 б) восстановится до заданного напряжения пробоя; - для момента времени tk+i определяются мгновенные значения для тока ім(1к+і) и напряжения Uco(tK+i) и принимаются за независимые начальные условия для схемы зарядки (рис. 2.4 а);
Далее процесс повторяется циклически в течение заданного времени расчета. Таким образом, в схемах рис. 2.4 а и 2.4 б очевидно наличие обратной связи: на работу ключа оказывают влияние как процессы, происходящие в схеме заряда, так и разряда. Расчеты показали, что периодизация процесса обычно наступает в течение 1ой - 2 х секунд, после чего в схеме устанавливается квазистационарный процесс замыкания - размыкания ключа, имитирующего возгорание и погасание дуги.
Расчет параметров схемы замещения через количественные характеристики сети, переходного процесса и условия горения дуги
Одной из специфических особенностей расчета любых электрических сетей является очень большое разнообразие их параметров. Исходя из этого очевидного факта представляется наиболее оптимальным не задание конкретных параметров схем замещения (рис. 2.4 а, б), а расчет их через общепринятые характеристики сети, таких как: суммарный емкостный ток, расстройка компенсации, коэффициент демпфирования, а также через количественные характеристики переходного процесса: частоту зарядного тока, декремент затухания. Для определения возможного реального диапазона изменения всех упомянутых факторов, влияющих на процесс дугового замыкания, были использованы статистические данные, полученные путем автоматического осциллографирования в реальных сетях [37].
Рассмотрим некоторые примеры расчета параметров схем замещения рис. 2.4 а и 2.4 б. Емкость нулевой последовательности С0 определяется по величине емкостного тока замыкания на землю: 1ст= Св, (2.23) где ю - промышленная частота. Следовательно, суммарную емкость сети рассчитать по формуле: I л/3 С0=Ьр-. (2.24) В реальных сетях практически всегда имеет место отклонение от условия точной компенсации. Степень отклонения от точной компенсации характеризуется расстройкой компенсации v, которая определяется следующим образом: у = ыА (2.25) причем IN=E.- -,Ic=E.3flCe. (2.26) При точной компенсации ток в дугогасящем реакторе IN равен емкостному току сети 1с и, следовательно, v = 0. При IN Ь имеет место перекомпенсация (v 0), а при IN Ic имеет место недокомпенсация (v 0).
Очевидно, что выражение для расстройки компенсации можно представить в следующей форме: v = i-—4-7г = 1-4, (2.27) coLN3coC0 со где со02 = , - резонансная частота колебательного контура RN,LN,C0. При использовании дугогасящего реактора со ступенчатым регулированием индуктивности и при отсутствии средств непрерывного контроля за настройкой компенсации и может достигать значения ±20%. Современные средства компенсации емкостного тока - плавнорегулируемые дугогасящие реакторы с автоматической настройкой - обеспечивают поддержание и на уровне нескольких процентов. По ПУЭ допускается отклонение от точной настройки дугогасящего реактора ±5%. Из (2.27) следует, что сосредоточенная индуктивность LN может быть определена по формуле:
Активную составляющую тока замыкания, обусловленную утечками изоляции сети и потерями в дугогасящем реакторе, принято характеризовать безразмерной величиной d, которая называется коэффициентом демпфирования или коэффициентом успокоения:
В данной работе были проведены расчеты токов переходного процесса при широком разнообразии параметров схемы. Результаты расчета показали, что влияние дугогасящего реактора на переходный ток замыкания i3(t) незначительно. Это объясняется тем, что индуктивность дугогасящего реактора LN намного больше эквивалентной индуктивности контура замыкания L3 и постоянная времени контура RN,LN,C0 намного меньше постоянной времени контура R L Co. Поэтому для упрощения расчета величин Кэ,Ьэ через заданные характеристики переходного процесса (частота свободных колебаний, декремент колебаний) возможно перейти от характеристического уравнения третьего порядка (2.5) к квадратному уравнению.
Вероятностная модель процесса перемежающегося замыкания в сети среднего напряжения с компенсацией емкостного тока
Такой случай, когда при соответствующем подборе параметров сети и дуги частота пробоев установилась равной 12.5 Гц, представлен на рис. 3.15. Спектры тока нулевой последовательности и спектры сигнала на выходе фильтров, как видно из рис. 3.15 а, б, в, г, содержат составляющую с частотой 25 Гц, которая имеет наибольшую амплитуду на выходе фильтра.
На рис. 3.15 д, е показаны результирующие сигналы на выходе фильтров защиты на поврежденной и неповрежденных линиях, а также порог срабатывания, определяемый контрольным сигналом от источника с частотой 25 Гц. Очевидно, что в этом случае будут иметь место неселективные действия защиты на неповрежденной линии.
Реальная возможность ухудшения работы защиты из-за появления гармоник с частотами близкими к 25 Гц может быть оценена путем рассмотрения большого числа реализаций перемежающихся дуговых замыканий с последующей оценкой вероятности неселективной работы. Такая оценка приведена ниже в п.3.2.
На этом этапе очевидно, что причиной возможного неселективного действия защиты является наличие в составе измерительного канала полосового фильтра с резонансной частотой 25 Гц и сравнительно высоким коэффициентом усиления. Как было указано выше, наличие полосового фильтра в измерительном канале защиты необходимо для усиления сигнала, соответствующего контрольному току при устойчивом замыкании, амплитуда которого ограничена по техническим причинам. Следовательно, возможным способом повышения чувствительности защиты и сведения к минимуму вероятности отказов и ложных срабатываний является усовершенствование ее структурной схемы. Поэтому далее рассматриваются другие варианты выполнения защиты.
Варианты структурных схем измерительного канала защиты для фиксации перемежающихся дуговых и устойчивых замыканий на землю
Возможны различные технические решения по выполнению устройства защиты от замыканий на землю, позволяющие сохранить высокую чувствительность устройства к устойчивому замыканию наряду с высокой вероятностью правильных действий при перемежающихся дуговых замыканиях. К числу таких решений относятся варианты выполнения защиты, в которых предусматривается либо отдельные каналы для фиксации перемежающихся и устойчивых замыканий, либо автоматическое изменение чувствительности в зависимости от вида замыкания.
В любом случае для обеспечения функционирования защиты необходимо иметь надежный признак, с помощью которого можно отличить перемежающееся замыкание от устойчивого. В качестве такого признака предлагается использовать напряжение нулевой последовательности (напряжение на Со в схеме замещения на рис. 2.4 б). При устойчивом замыкании это напряжение содержит составляющую промышленной частоты и нечетные гармоники с частотой 250, 350 и т.д. Гц. При перемежающемся замыкании напряжение нулевой последовательности, так же как и ток, будет содержать гармоники с частотой ниже 50 Гц. Таким образом, признаком, по которому можно отличить устойчивое замыкание от перемежающегося, является существенное отличие гармонического состава напряжения нулевой последовательности, а именно - появление в нем низкочастотных гармоник при перемежающемся замыкании.
В канале напряжения нулевой последовательности при расчетах трансформатор напряжения принимается идеальным и учитывается только коэффициентом трансформации. Это вполне допустимо, так как при использовании аппаратуры, выполненной на электронной базе, можно обеспечить практически режим холостого хода трансформатора напряжения, кроме того, в данном случае канал по напряжению выполняет логическую функцию, а именно: определяет есть или нет в напряжении нулевой последовательности гармоники с частотой ниже промышленной. Следовательно, можно считать достаточным для выполнения этого канала двух фильтров: фильтра низкой частоты и режекторного фильтра.
Одним из возможных вариантов выполнения защиты адаптивной к виду замыкания является выполнение ее устройства, состоящим из трех каналов: 1 канал - предназначен для фиксации перемежающегося дугового замыкания на основе измерения амплитуд гармоник низкой частоты, 2 канал - для фиксации устойчивых замыканий на основе измерения амплитуды контрольного тока с частотой 25 Гц, 3 канал - на который подается напряжение нулевой последовательности (3Uc0), предназначен для блокировки второго канала по факту появления гармоник низкой частоты.
Так как и в первом и во втором каналах осуществляется выделение низкочастотных гармоник с помощью фильтров низкой частоты и подавление гармоники с частотой близкой к 50 Гц с помощью режекторных фильтров, то они выполнены общими. Поэтому три канала можно свести к двум: 1 канал предназначен для фиксации перемежающихся дуговых и устойчивых замыканий, - 2 канал, на который подается напряжение нулевой последовательности, предназначен для выведения полосового фильтра по факту появления гармоник низкой частоты в напряжении нулевой последовательности. При выведении полосового фильтра осуществляется также автоматическое изменение порога срабатывания защиты.
Как показали расчеты, в основной 1 канал необходимо ввести дополнительно еще один фильтр низкой частоты второго порядка, так как при исключении ПФ для фиксации перемежающегося дугового замыкания не удается обеспечить эффективное подавление гармоник с частотами близкими к 50 Гц.
С учетом всех перечисленных замечаний структурная схема принимает следующий вид (рис. 3.16). РФ Рис. 3.16. Блок- схема измерительного канала защиты с автоматической блокировкой полосового фильтра при перемежающемся замыкании
Другим вариантом выполнения защиты может быть схема, представленная на рис.3.17, в которой также предусмотрен отдельный канал, предназначенный для выявления факта возникновения перемежающегося замыкания по факту появления гармоник низкой частоты в напряжении нулевой последовательности и канал для фиксации перемежающихся и устойчивых замыканий.
Выбор схемы замещения и параметров сети постоянного оперативного тока для проведения исследований
В рассматриваемой защите признаком, по которому отличается устойчивое замыкание от перемежающегося, является существенное отличие гармонического состава напряжения нулевой последовательности в том и в другом случае. Для выявления факта возникновения перемежающегося дугового замыкания по этому признаку в структурной схеме защиты предусмотрен отдельный канал, на который подается напряжение нулевой последовательности (рис. 3.16). Для определения уровня срабатывания этого канала необходимо определить возможный диапазон амплитуд гармоник на его выходе.
Для этой цели на данном этапе необходимо получить гистограммы распределения плотности вероятности амплитуд напряжения нулевой последовательности на выходе канала, предназначенного для выявления факта возникновения перемежающегося замыкания. Амплитуды напряжения нулевой последовательности при этом пересчитываются к масштабу напряжения на разомкнутом треугольнике измерительного трансформатора напряжения, исходя из того, что при металлическом замыкании на землю это напряжение равно 100 В. При практической реализации входное напряжение, подаваемое на фильтры этого канала (фильтр низкой частоты и режекторный фильтр), должно быть уменьшено настолько, чтобы фильтры, выполненные на операционных усилителях, работали в линейном режиме. Это приведет только лишь к пропорциональному уменьшению напряжения по оси абсцисс рассчитанных гистограмм, без изменения их вида.
Распределение плотности вероятности амплитуд напряжений на выходе канала, предназначенного для выявления факта возникновения перемежающегося дугового замыкания, сеть с автоматической плавной настройкой дугогасящего реактора, 1С2= 100 А
Так как напряжение нулевой последовательности не зависит от емкостного тока сети эти расчеты можно сделать только для одного конкретного случая. Соответствующие гистограммы, полученные для сети с суммарным емкостным током 100 А с ручной и автоматической настройкой компенсации, приведены на рис. 3.59, 3.60 соответственно. Из данных рисунков следует, что порог срабатывания канала, предназначенного для выявления факта возникновения перемежающегося замыкания, может быть установлен на уровне 10 В в сетях с ручной ступенчатой настройкой дугогасящего реактора и 15 В в сетях с автоматической плавной настройкой дугогасящего реактора.
Аппроксимация гистограмм распределения плотности вероятности амплитуд напряжений на выходе измерительных каналов защиты, обладающей адаптивными свойствами к виду замыкания, нормальными законами
Также как и в предыдущем случае, при использовании защиты, не обладающей адаптивными свойствами к виду замыкания на землю, все полученные гистограммы имеют вид, позволяющий аппроксимировать их нормальными законами распределения (3.15).
Аппроксимация расчетных гистограмм нормальными законами позволяет вычислить вероятность неселективных действий защиты (при внешних замыканиях), вероятность отказов (при внутренних замыканиях), а также суммарную вероятность неправильных действий защиты.
Распределение плотности вероятности амплитуд напряжений на выходе измерительного канала защиты при внешнем и внутреннем повреждении, аппроксимированных нормальными законами
На примере сети с ручной настройкой компенсации на рис. 3.61 - 3.63 показаны распределения плотности вероятности амплитуд напряжений на выходе измерительного канала защиты при внешнем и внутреннем повреждении, аппроксимированных нормальными законами, и пороги срабатывания защиты. Выбор порога срабатывания при технической реализации метода обусловливается условиями эксплуатации сети и отдельных линий. При расчете порог срабатывания назначался из условия равенства вероятностей неселективных действий и отказов защиты.
Приведенные зависимости свидетельствуют, что при применении автоматического изменения уровня срабатывания в зависимости от вида замыкания вероятности неселективных действий и отказов защиты практически равны нулю, даже в предельном случае (рис. 3.63).
Разработанная методика по исследованию гармонического состава электрических величин, сопровождающих замыкание на землю в трехфазных сетях, была использована также для исследования предложенного в данной работе метода выявления элемента с замыканием на землю в сетях постоянного оперативного тока.
В главе 1 указывались достоинства и недостатки фазочувствительного метода выявления поврежденного элемента в сети постоянного оперативного тока, который заключается в наложении на сеть тока низкой частоты и последующего измерения фазового сдвига между током контролируемого элемента и напряжением на полюсах сети, что позволяет выделить активную составляющую тока, пропорциональную проводимости изоляции относительно земли. Наличие повреждения в контролируемом элементе определяется по факту превышения активной составляющей тока заданного значения [29].
Как было указано выше, серьезным недостатком метода при проведения контроля во многих элементах сети является необходимость непосредственного многократного присоединения контрольного устройства к полюсу сети, что может быть причиной дополнительных повреждений, например, межполюсного короткого замыкания или попадания под напряжение оператора, производящего измерения.
В данной работе предлагается решение [51], которое позволяет существенно упростить эксплуатацию устройства и повысить безопасность работы персонала, за счет устранения непосредственных подключений к полюсу сети. Предлагаемое решение реализуется наложением на контролируемую сеть кроме синусоидального тока, как в [29], коротких импульсов, синхронизированных с моментом перехода через ноль напряжения на полюсах сети (рис. 4.1). Эти импульсы выделяют в токе контролируемого элемента и измеряют фазовый сдвиг, определяемый разностью времени между появлением короткого импульса и переходом через ноль синусоидального тока контролируемого элемента.
Предпосылкой для использования предлагаемого способа является то обстоятельство, что продольная индуктивность присоединений сети весьма мала и поэтому ток короткого импульса будет замыкаться через эквивалентную емкостную проводимость контролируемого присоединения. При этом ожидается, что существенного сдвига фронтов импульса во времени относительно первоначальных не произойдет.
