Введение к работе
Актуальность темы диссертации. За последние годы наблюдается устойчивый рост количества технологических присоединений в воздушных распределительных электрических сетях (РЭС). По данным ОАО «Сетевая компания», г. Казань, с 2006 по 2011 гг. оно увеличилось более, чем в 7 раз. Одновременно имеет место старение воздушных линий РЭС, которые эксплуатируются по нескольку десятков лет. Ранее принятые нормы климатических воздействий на линии электропередач задавали частоту повторяемости экстремальных величин не чаще, чем 1 раз в 10 лет. В настоящее время продолжительность наблюдения увеличена до 30 лет, что показывает: подавляющее большинство РЭС эксплуатирует линии электропередачи в условиях внешних воздействий, превышающих нормативные.
Установившиеся рыночные отношения в электроэнергетике предъявляют к поставщику электроэнергии жесткие требования к надежности электроснабжения. Учитывая, что в сетях напряжением 6-Ю кВ уже более 50% воздушных линий (ВЛ) электропередачи отработали свой срок (в них происходит в среднем 26 отключений в год в расчете на 100 км) и повсеместная их реконструкция в ближайшей перспективе финансово непосильна, актуальной становится проблема быстрейшей ликвидации повреждений. Восстановление нормального режима линий требует примерно 3/4 всех трудозатрат на эксплуатацию, которые могут быть существенно снижены за счет ускорения определения мест повреждений (ОМП), наиболее частым из которых является однофазное замыкание на землю (ОЗЗ).
Известны работы таких ученых, как Г.А. Евдокунин, КП. Кадомская, СЛ. Кужеков, М.А. Короткевич, Ф.А. Лихачев, Л.И. Сарин, А.А. Челазнов, В.И. Щупкой, Г.М. Шалыт, А.И. Шалин, А.И. Ширковец, В.А. Шуин и др., посвященные изучению физики процессов при ОЗЗ в сетях с изолированной или компенсированной нейтралью и разработке методов ОМП на ВЛ. Экспериментальные исследования, а также натурные измерения процессов дугового замыкания на землю, выполненные фирмой «Болид», г. Новосибирск, показали проявление в спектре напряжений на подстанциях высших гармоник повышенного уровня на частотах в килогерцовом диапазоне.
В нормальном режиме РЭС спектр гармоник, обусловленных нагрузкой и элементами сети, быстро затухает и область частот в несколько десятков килогерц и выше может оказаться предпочтительней для идентификации ОЗЗ как менее зашумленная. Именно в этой области частот наблюдается проявление волновых свойств ВЛ РЭС, что открывает новые возможности построения систем ОМП на основе выделения в спектре напряжений «резонансных» частот, соответствующих четверти длины волны - именно при этом условии происходит увеличение тока и напряжения соответствующей частоты.
Объектами исследования являются воздушные линии электропередачи распределительных электрических сетей напряжением 6 - 35 кВ древовидной топологии.
Предметом исследования выступают диагностические признаки наличия дуговых ОЗЗ на воздушных линиях электропередачи РЭС напряжением 6 - 35 кВ и их связь с расстоянием до места повреждения.
Цель исследования состоит в повышении надежности электроснабжения потребителей РЭС путем сокращения времени обнаружения мест ОЗЗ.
Задача исследования. Разработка методики обнаружения мест однофазных замыканий на землю на воздушных линиях электропередачи.
Задача исследования решается в следующих направлениях:
-
Анализ и оценка существующих признаков диагностики повреждений ВЛ электропередачи РЭС.
-
Исследование волновых свойств ВЛ РЭС 6-35 кВ на «резонансных» частотах.
-
Обоснование целесообразности использования частотных характеристик ВЛ для обнаружения места ОЗЗ.
-
Разработка методики расчета расстояния до места ОЗЗ на ВЛ электропередачи по «резонансным» частотам и проверка её достоверности на основе математических экспериментов.
Теоретическая и методологическая основа исследования базируется на использовании методов математического моделирования электрических сетей в сертифицированных программных продуктах Matlab и Simulink, теории электрических цепей, теории установившихся и переходных процессов в электрических сетях, опубликованных экспериментальных данных по однофазным замыканиям на землю.
Личный вклад автора заключается в разработке основных теоретических положений диссертации. В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежат постановка и формализация задач, разработка теоретических и методических положений, математических моделей и методов, реализация алгоритмических решений и анализ результатов.
Научная новизна исследования заключается в следующем.
Показано, что воздушные линии электропередачи РЭС напряжением 6 - 35кВ при воздействии дуговых замыканий на землю могут рассматриваться как длинные линии, при этом в области «резонансных» частот частотных характеристик допустимо использовать математическую модель линии без потерь активной мощности.
Установлены закономерности изменения частотных характеристик в зависимости от расстояния до места подключения источника высших гармоник и режимных параметров электропередачи.
Предложено использование частотных характеристик относительно напряжений прямой, обратной и нулевой последовательностей на концах электропередачи для идентификации однофазного замыкания на землю и выявления места повреждения.
Разработана методика построения ЧХ относительно любой точки приложения источника высших гармоник в РЭС.
Практическая значимость работы заключается в том, что на основе дистанционных устройств учета электроэнергии будет реализована система выявления в РЭС фидера с ОЗЗ и определения на нём поврежденного участка Тем
самым существенно сокращается время обнаружения мест повреждения, а также негативное воздействие на сеть перенапряжений, провоцируемых перемежающейся дугой.
Достоверность результатов и выводов исследования подтверждается применением апробированных моделей электропередачи, использованием общепринятых физических допущений в отношении моделирования линий электропередачи, использованием теоретических и экспериментальных данных других авторов и сопоставлением с ними полученных результатов.
На защиту выносятся следующие положения.
Математическая модель воздушной линии электропередачи распределительной электрической сети напряжением 6 - 35 кВ как длинной линии в режимах воздействия дуговых однофазных замыканий на землю.
Целесообразность использования частотных характеристик, снимаемых на концах электропередачи, для выявления поврежденного фидера по «резонансным» частотам.
Закономерности изменения частотных характеристик при ОЗЗ в различных точках РЭС для прямой, обратной и нулевой последовательностей напряжений в зависимости от места повреждения.
Методика построения ЧХ относительно любой точки приложения источника высших гармоник в РЭС древовидной структуры.
Апробация работы: П Молодежная научн. конф. «Тинчуринские чтения», Казань, 2007; ХШ и XIV Междунар. научн.-техн. конф. студентов и аспирантов. МЭИ, 2007,2008; XV «Туполевские чтения» Междунар. научн. конф., Казань, 2007; IX симпозиум «Электротехника 2030 Перспективные технологии электроэнергетики», Московская область, 2007; Междунар. научн.-техн. конф. «ЭНЕРГЕТИКА - 2008: Инновации, решения, перспективы», Казань, 2008; Ш Молодежная научн. конф. «Тинчуринские чтения», Казань, 2008; Республиканский конкурс научных работ студентов и аспирантов на соискание премии им. НИЛобачевского, Казань, 2008; XVI Всероссийская научно-методической конференции «Фундаментальные исследования и инновации в национальных исследовательских университетах», СПбТПУ, 2012; VHI Всеросс. научн.-техн. конф. «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике», Чебоксары, ЧТУ, 2012; VTQ Mezinarodni vedecko - prakticka konference «Vznik moderni vedecke - 2012», Praha, 2012; HI Междунар. научн.-техн. конф. «Электроэнергетика глазами молодежи», Екатеринбург, УрФУ, 2012.
Результаты проведенных в рамках диссертационной работы исследований внедрены в филиале ОАО «Сетевая компания» Приволжские электрические сети. Также результаты исследований внедрены в учебный процесс кафедры Электроэнергетические системы и сети «Казанский государственный энергетический университет».
Публикации: по теме диссертации опубликовано 17 научных работ, в том числе 3 статьи в журналах из перечня рекомендуемых ВАК МОиН РФ.
Структура работы: диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений и списка литературы. Общий объем диссертации 184 страниц, в том числе 73 рисунка, список литературы из 108 наименований.
