Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Показатели надежности электрических сетей и пути их улучшения . 13
1.1. Анализ повреждаемости в сельских электрических сетях . .13
1.2. Аналитический обзор существующих методов определения характера и места однофазных повреждений в сельских электрических сетях . 27
1.3. Выводы . 47
ГЛАВА 2. Распознавание вида однофазного повреждения в сельских электрических сетях с учетом его характера 49
2.1. Экспериментальные исследования смещения нейтрали сети в различных эксплуатационных режимах 49
2.2. Распознавание однофазных замыканий на землю с учетом полноты замыкания 71
2.3. Распознавание однофазных замыканий на землю в сочетании с аварийным режимом воздушной линии 10 кВ 78
2.4. Выводы 82
ГЛАВА 3. Измерение расстояния до места однофазного замыкания на отключения поврежденной линии 84
3.1. Экспериментальные исследования переходных процессов при однофазных замыканиях на землю в сельских электрических сетях с различным режимом работы нейтрали 84
3.2. Измерение расстояния до места повреждения по индуктивному сопротивлению линии при переводе однофазного замыкания на землю в двойное 107
3.3. Измерение расстояния до места однофазного замыкания на землю в сети, нейтраль которой заземлена через дугогасящую катушку 123
3.4. Выводы 129
ГЛАВА 4. Селективная сигнализация однофазных повреждений в сети на шинах низшего напряжения трансформаторных подстанций 110-35/І0 кВ 131
4.1. Разработка устройства для селективной сигнализации однофазных повреждений в сельских электрических сетях 131
4.2. функциональные возможности устройства для селективной сигнализации 142
4.3. Экономический эффект от применения устройства для селективной сигнализации однофазных повреждений в сельских электрических сетях 147
4.4. Выводы 151
ГЛАВА 5. Разрушения опор с учетом характера режима однофазного замыкания на землю в сельских электрических сетях 153
5.1. Выбор параметров для оценки состояния железобетонной опоры при замыкании на землю. 153
5.2. Контроль нагрева подземной части железобетонной опоры по сетевым параметрам режима однофазного замыкания на землю 163
5.3. Рекомендации по предупреждению разрушения железобетонных опор при однофазном замыкании на землю 176
5.4. Экономический эффект от внедрения в практику эксплуатации сельских электрических сетей рекомендаций по предупреждению разрушения железобетонных опор при замыкании
на землю 178
5.5. Выводы 185
Выводы 187
- Аналитический обзор существующих методов определения характера и места однофазных повреждений в сельских электрических сетях
- Экспериментальные исследования смещения нейтрали сети в различных эксплуатационных режимах
- Экспериментальные исследования переходных процессов при однофазных замыканиях на землю в сельских электрических сетях с различным режимом работы нейтрали
- Разработка устройства для селективной сигнализации однофазных повреждений в сельских электрических сетях
Введение к работе
Мартовский (1965г.) Пленум ЦК КПСС положил начало бурному развитию электрификации сельского хозяйства нашей страны. Потребление электроэнергии в сельском хозяйстве увеличилось с 21,1 млрд.кВт.ч. (уровень 1965г.) до 118 млрд.кВт.ч. в 1982 году, т.е. почти в шесть раз. Для передачи такого количества электроэнергии потребовалось выполнить, в сравнительно короткий срок, очень большой объем работ по строительству сельских электрических сетей, протяженность которых к 1983 году превысила 3,8 млн.км / 32 /
На современном этапе все усилия работников агропромышленного комплекса направлены на реализацию Продовольственной программы/1 /, принятой майским (1982г.) Пленумом ЦК КПСС. Решения Пленума исходят из признания огромной роли в жизни страны сельского хозяйства, которое обеспечивает 28$ национального дохода / 63 /.
Принятая Продовольственная программа еще более остро ставит вопрос о дальнейшем повышении надежности электроснабжения сельских потребителей, которая продолжает оставаться недостаточной / 70,100 /, несмотря на ряд мероприятий / 2,89 / предпринимаемых эксплуатационными подразделениями, занимающихся сельской электрификацией.
Большинство сельскохозяйственных объектов получает электроэнергию по разветвленным радиальным воздушным линиям (ВЛ) напряжением 6-Ю кВ, которые, незначительно уступая по протяженности М 0,38 и 35 кВ вместе взятым, имеют 60$ / 4 / общего количества повреждений в сетях 0,38-35 кВ.
Частично отрицательные последствия столь высокой повреждаемости для потребителей устранены принятым в нашей стране режимом
работы нейтрали этих сетей. Такие однофазные повреждения как, например, замыкание на землю и обрыв провода ВЛ с одновременной "землей" в сельских электрических сетях (СЭС) 6-Ю кВ не отключаются релейной защитой и существуют продолжительное время. Однако длительное существование отмеченных режимов работы сети способствует: перерастанию однофазного замыкания на землю (ЗНЗ) в междуфазное короткое замыкание (КЗ) вследствие появляющихся перенапряжений; разрушению железобетонных опор Ш действием тока однофазного замыкания; возникновению пожаров хлебных массивов при падении проводов на землю; аварийному выходу из строя асинхронных электродвигателей из-за работы на двух фазах.
Полностью исключить повреждения изоляции воздушных линий электропередачи нельзя, поскольку большое количество находящихся в эксплуатации линейных изоляторов трудоемко профилактически испытывать. Отсутствие профилактических испытаний изоляции в СЭС приводит к снижению ее уровня и более частым пробоям изоляторов на ВЛ*. В сети 10 кВ с железобетонными опорами горение электрической дуги однофазного ЗНЗ вызывает пережог проводов Ш, например, уже при токе ЗНЗ 5 А /20/ ненормальный режим может развиться в аварийный.
Эффективным путем предупреждения перечисленных выше отрицательных последствий аварийных и ненормальных режимов работы BI является достоверное определение характера однофазного повреждения и последующее быстрое обнаружение его места на линии /33/.
Применяемые в настоящее время в СЭС релейная защита и средства автоматики не решают в полной мере указанных задач, что отмечалось на совещании в Таллине /67/. Объясняется это, с одной стороны, тем, что до недавнего времени сельскохозяйственное произ-
водство было недостаточно электромеханизированным и автоматизированным и перерывы в электроснабжении или выход из строя оборудования не приводили к срывам технологического процесса в такой мере» как это имеет место на современных сельскохозяйственных предприятиях /91/. Поэтому задача определения характера и места однофазного повреждения на воздушных линиях электропередачи раньше не являлась столь актуальной. С другой стороны, в связи с массовым внедрением железобетонных опор в практику строительства СЭС 6-Ю кВ /81/ участились случаи разрушения железобетонных опор при однофазных ЗНЗ /20,129/, даже если емкостный ток сети не превышает 10 А, как и предусмотрено Правилами /97/. Замена, например, одной опоры на линии сопровождается перерывом в электроснабжении сельскохозяйственных потребителей на 5,6 часа /86/. Возникшая проблема привела к необходимости исследования режима однофазного ЗНЗ при пробое изолятора на железобетонной опоре.
Как отмечалось /32/ на данном этапе эффективны такие мероприятия по повышению надежности работы СЭС, которые не требуют значительных капиталовложений и серьезной реконструкции сети. Выдвинутым требованиям наиболее полно удовлетворяет комплексная автоматизация сетей рассматриваемого класса напряжения /32/, которая немыслима без достоверного выявления аварийных и ненормальных режимов ВЯ и их последующего устранения'на основе быстрого нахождения места повреждения.
Целью работы является повышение надежности электроснабжения сельскохозяйственных потребителей путем достоверного выявления аварийных и ненормальных режимов BI, контроля их протекания и ускорения обнаружения места однофазного повреждения.
В диссертационной работе решаются следующие основные задачи :
— О —
Исследуются эксплуатационные показатели надежности сельских электрических сетей напряжением 6-Ю кВ и определяются пути их улучшения.
Проводятся экспериментальные исследования возможности распознавания вида однофазного повреждения по величине и длительности скачка напряжения смещения нейтрали сети.
Экспериментально исследуется целесообразность использования известных методов измерения расстояния до места однофазного замыкания на землю в сельских электрических сетях при различной полноте замыкания.
Исследуется применимость принципа измерения расстояния до места однофазного ЗНЗ по индуктивному сопротивлению участка линии на промышленной частоте.
Разрабатываются средства для контроля за аварийными и ненормальными режимами работы М на стороне низшего напряжения подстанций II0-35/I0 кВ.
Исследуется режим однофазного замыкания на землю на железобетонной опоре и разрабатываются рекомендации по предупреждению разрушения опор.
Научная новизна. Определены диапазоны напряжения смещения нейтрали сети, по которым можно распознавать аварийные и ненормальные режимы работы ВД. Новизна устройства, реализующего указанный принцип, подтверждена решением ВНИИГПЭ по заявке 3521324/24-07 о выдаче авторского свидетельства.
В результате проведенных исследований установлена полнота замыкания на землю, при которой применим принцип измерения расстояния до места однофазного ЗНЗ по индуктивному сопротивлению линии на промышленной частоте. Предложено устройство для измерения рас-
стояния до места замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью защищенное авторскими свидетельствами J& 1003224 и № 1037370, а в сети с нейтралью, заземленной через дугогасящую катушку, -авторским свидетельством № 1000943.
На основании выполненных исследований получена зависимость, позволяющая для конкретной сети при возникшей полноте замыкания на землю определить допустимое время существования ненормального режима с гарантией того, что железобетонная опора не потеряет своей первоначальной прочности и не будет разрушена.
Практическая ценность. Своевременное обнаружение и контроль за ходом протекания неполного замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью на железобетонных опорах предупреждает разрушение последних и повышает безопасность оперативного персонала занятого ликвидацией повреждения.
Применение принципа измерения расстояния до места полного замыкания на землю по индуктивному сопротивлению линии позволяет ускорить процесс поиска места повреждения и этим самым уменьшает вероятность перехода ненормального режима работы сети в аварийный.
Разработанное устройство селективной сигнализации однофазных повреждений своевременным обнаружением неполнофазных режимов в сети 6-Ю кВ предупреждает перегрев асинхронных электродвигателей, а четким выявлением неполных замыканий на землю способствует успешному проведению работ по предупреждению разрушения железобетонных опор.
Внедрение результатов работы. Рекомендации по предупреждению разрушения железобетонных опор при однофазных ЗНЗ используются в практике эксплуатации на предприятиях электрических сетей РЭУ "Ростовэнерго" и в Мичуринском ПЭС
РЭУ "Тамбовэнерго". Разработанное устройство селективной сигнализации однофазных повреждений успешно прошло лабораторные испытания и внедрено в опытно-промышленную эксплуатацию в Южных электрических сетях РЭУ "Ростовэнерго".
Основные положения диссертации опубликованы в одиннадцати печатных работах /16-18,110,138-145/ и докладывались на:
совещании "Повышение надежности электроснабжения сельского хозяйства" (г.Москва, ВДНХ, сентябрь 1982г.);
научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов МИИСП (г.Москва, І98І-І983гг.);
научных конференциях по итогам НИР АЧИМЭСХ (г.Зерноград, І98І-І982 гг*);
конференции "Повышение эффективности электроснабжения сельскохозяйственных потребителей" (г.Краснодар, октябрь, 1983г.).
В первой главе приведены данные о показателях надежности сельских электрических сетей, собранные автором в РЭУ "Тамбовэнерго" и "Ростовэнерго", в сравнении с аналогичными сведениями из литературных источников. Здесь же приведен аналитический обзор методов и средств определения характера и места однофазных повреждений применительно к сетям 10 кВ.
Во второй главе на основании экспериментальных исследований в различных эксплуатационных режимах установлены диапазоны напряжения смещения нейтрали сети для наиболее распространенных аварийных и ненормальных режимов М. Показано, что при одновременном контроле значений фазных напряжений и напряжения на нейтрали сети можно распознавать однофазные повреждения в сельских электрических сетях.
- II -
Третья глава содержит результаты экспериментальных исследований переходных процессов при однофазных замыканиях на землю в сетях с различными режимами работы нейтрали при разной полноте замыкания. Предложены методы образования измерительных контуров в сети с изолированной и заземленной через дугогасящую катушку нейтралями для реализации принципа измерения расстояния до места повреждения по индуктивному сопротивлению участка М.
В четвертой главе приведена принципиальная схема устройства селективной сигнализации аварийных и ненормальных режимов Ш и описана ее работа при однофазных повреждениях. Дан расчет экономического эффекта от внедрения устройства селективной сигнализации в сельских электрических сетях.
Пятая глава отражает результаты теоретических исследований процесса протекания тока однофазного замыкания на землю через железобетонную опору. Представлено аналитическое выражение, позволяющее для конкретной электрической сети при возникшей полноте замыкания рассчитать критическую продолжительность режима неполного замыкания на землю с гарантией того, что разрушения железобетонной опоры не произойдет. Изложены рекомендации, позволяющие предупредить разрушение железобетонных опор в сетях с изолированной нейтралью при однофазных замыканиях на землю, оценена их эффективность.
В приложении содержатся материалы о проведенном патентном поиске, протоколы и программы испытаний, вспомогательные расчеты и их программы, акты внедрения.
На защиту выносятся следующие наиболее существенные научные результаты:
I. Метод и устройство распознавания вида ненормальных и ава-
рийных режимов ВЛ по значениям фазных напряжений с учетом смещения нейтрали сети,
2. Методы создания измерительных контуров в сети с изолированной и заземленной через дугогасящую катушку нейтралями для определения расстояния до места повреждения.
3* Аналитическое выражение, позволяющее для конкретной сети при возникшей полноте замыкания на землю определить критическую продолжительность ненормального режима.
4. Рекомендации по защите железобетонных опор от разрушения при однофазном замыкании на землю.
Работа выполнена на кафедре "Электроснабжение сельского хозяйства" Московского ордена Трудового Красного Знамени института инженеров сельскохозяйственного производства имени В.П.Горячкина.
- ІЗ -
Аналитический обзор существующих методов определения характера и места однофазных повреждений в сельских электрических сетях
Большой вклад в развитие теории и практики проектирования и эксплуатации СЭС внесли работы советских ученых: И.А.Будзко, В.Ю. Гессена, Н.М.Зуля, М.С.Левина, А.Е.Мурадяна, А.А.Пястолова, В.Т. Сергованцева, А.И.Якобса и других.
Активно ведутся работы по повышению надежности электроснабжения сельских потребителей за счет их автоматизации многими организациями: "Белэнергоремналадка", ШЭСХ, МЙИСП, ПО "Союзтехэнерго", Сельэнергопроект, УСХА, ЧИМЭСХ, - а также рядом энергосистем Минэнерго СССР.
Усилиями МИИСЇЇ /13-15,37,138/ и Украинского отделения ВГПИ и НИИ "Сельэнергопроект" /121/ к настоящему времени завершены оригинальные разработки по дистанционному ОМП при междуфазных КЗ в линиях напряжением 6-Ю кВ, поэтому в настоящей работе вопросы поиска междуфазных повреждений не рассматриваются, за исключением случаев двойного замыкания на землю.
Наиболее характерные для СЭС однофазные повреждения /9/, классификация которых представлена таблицей 1.5, составляют 40-50$ от общего количества отказов в Ш напряжением 6-Ю кВ (таблица 1.3), причем половина из этих повреждений затем переходит в междуфазные КЗ.
Началу поиска любого вида повреждения должна предшествовать достоверная сигнализация о том или ином отказе в Ш. Широко применяемая на подстанциях II0-35/6-I0 кВ схема контроля изоляции сети, как это видно из таблицы 1.5, в ряде случаев не может четко и однозначно определить вид однофазного повреждения. Например, несимметричные показания киловольтметров в фазах при работе под-станционной сигнализации одинаково вероятны при неполном ЗНЗ, касании земли обоих оборванных концов провода Ш и при обрыве провода с одновременным ЗНЗ от потребителя.
Другой недостаток схемы контроля изоляции - ложная сигнализация при появлении неполнофазного режима со стороны высшего напряжения (ВН) подстанции, устраняется группой устройств /27,51, 52,107-109,147/. Устройства /27,51,52/ выявляют неполнофазный режим на стороне Ш трансформатора с использованием фильтра напряжений обратной последовательности. Аналогичная задача решается при помощи индукционных преобразователей тока /109,147/, соединенных по схеме фильтра токов обратной последовательности. Устройство /107,108/, контролирующее напряжение нулевой последовательности, кроме того дифференцированно позволяет указать причину появления несимметрии: обрыв провода М или перегорание предохранителя на стороне ВН подстанции. Однако, перечисленные выше устройства не распознают вид аварийного режима ВЯ, который возникает со стороны НН подстанции, т.е. тех однофазных повреждений, которые происходят в сети напряжением 6-Ю кВ.
Серия устройств типа УКН /21/ дифференцированно контролирует аварийные режимы работы Ш 6-Ю кВ в конце присоединения, у потребительских трансформаторных пунктов 6-10/0,38 кВ. Для передачи информации о виде повреждения на питающую подстанцию напряжением II0-35/6-I0 кВ необходим надежный канал связи, который бы не исчезал при однофазных повреждениях в линии. В разветвленных СЭС такое техническое решение контроля вида повреждения представляется экономически нецелесообразным, что в полной мере относится и к сетевым датчикам /147/.
Следует отметить, что направленные селективные устройства сигнализации /112,124/, указывающие поврежденную линию при однофазном ЗНЗ, не могут фиксировать и различать другие виды однофазных повреждений, в частности разрыв провода в фазе Ш.
В свете изложенного приобретает остроту вопрос о выполнении достаточно простого и надежного устройства сигнализации аварийных и ненормальных режимов ВЯ с размещением его на шинах напряжением 6-Ю кВ питающих подстанций.
Следующим этапом процесса ОМІ, после определения вида однофазного повреждения в электрической сети, является поиск места повреждения на трассе ВД,
Самый простой и надежный метод поиска повреждений - это обход трассы поврежденной линии с визуальным ее осмотром. При обходе линии можно определить ярко выраженные механические повреждения, такие как обрыв вязки провода, разрыв провода М, разрушение изолятора, выпадение крюка из тела опоры и т.п. Для сокращения времени поиска, как правило, используются различные транспортные средства. Однако, при неблагоприятных погодных условиях ОМП затягивается, а при сложных нарушениях линейной изоляции, например, пробой фарфорового изолятора, визуальным осмотром обнаружить поврежденное место не удается.
Существенное сокращение времени и трудозатрат на отыскание мест однофазного ЗНЗ дает использование специальных переносных приборов, принцип действия которых основан на фиксации параметров электромагнитного поля, образуемого при протекании по линии составляющей нулевой последовательности тока ЗНЗ. По имеющимся в литературе данным /30/ в некоторых случаях время поиска сокращается до 2 часов, а производительность труда при ОМП увеличивается в 5 раз.
Экспериментальные исследования смещения нейтрали сети в различных эксплуатационных режимах
Исследования смещения нейтрали в сетях напряжением 6-35 кВ содержатся в ряде работ /8,73-75,85,93,114,117/. В /8,75,114/ смещения нейтрали сети рассматриваются с позиций перенапряжений при однофазных ЗНЗ, работа /117/ посвящена определению значений естественной несимметрии по измеряемым фазным напряжениям применительно для сети с изолированной нейтралью» Метод /117/ нельзя использовать, когда ненормальный режим сопровождается искажением равностороннего треугольника векторов линейных напряжений, например, в случае одновременного разрыва провода в фазе линии и ЗНЗ одного из оборванных концов от потребителя.
Способ определения характера повреждения, принцип действия которого основан на сравнении фазных сдвигов между составляющими прямой и обратной последовательности напряжений электрической сети /93/, оказывается неработоспособным при однофазных ЗНЗ из-за отсутствия составляющих обратной последовательности. Более близкими к исследуемой проблеме являются положения /73, 85/, согласно которым всякое отклонение напряжения нулевой последовательности от значения естественной несимметрии следует рассматривать либо как признак ухудшения сетевой изоляции /85/, либо как появление в сети "прочей несимметрии" /73/. Целью настоящего раздела является установление значений напряжения смещения нейтрали в СЭС, характерных для наиболее распространенных однофазных повреждений ВЛ напряжением 10 кВ. Следует отметить, что частично (для однофазных ЗНЗ и разрывов провода ВЛ) аналогичные исследования проводились /74/ в электрических сетях напряжением 35 кВ. Для достижения поставленной цели с января 1982г. по февраль 1983г. на подстанции "Зерновая" 220/110/35/10 кВ Южных электрических сетей "Ростовэнерго" в разомкнутом треугольнике трансформатора напряжения типа НТМИ-Ю находился постоянно включенный в работу самопишущий вольтметр Н-390. Аналогичный эксперимент проводился с февраля по июль 1983г. на подстанции "Мечетка-П" 35/10 кВ того же предприятия электрических сетей. Сведения об объектах, на которых осуществлялся эксперимент, представлены в таблице 2.1.
Работа самописца контролировалась ежедневно дежурным персоналом, а диаграммные ленты расшифровывались при замене в соответствии с записями оперативного журнала. С учетом скорости движения диаграммной ленты восстанавливалось время возникновения аварийного или ненормального режима в сети.
Зафиксированные события имели достаточно хорошее совпадение с журнальными данными (лишь иногда всплеск кривой напряжения смещения нейтрали на диаграммной ленте имел расхождение с записью в журнале на 10-15 минут) Погрешность измерения напряжения нулевой последовательности определялась классом точности прибора, который составлял 1,5.
При первоначальном включении самопишущего вольтметра напряжение нулевой последовательности составило: 0,5$ Ucp на подстанции "Зерновая" и 1,4$ Ucp - на подстанции "Мечетка-П" (где Ucp-фазное напряжение нормального режима). Разница в значениях напряжений естественной несимметрии объясняется тем, что сеть подстанции "Зерновая" лучше симметрирована за счет отходящих кабельных линий. На рис. 2.1 приведен фрагмент смещения напряжения нейтрали сети на подстанции "Зерновая" при первоначальном включении прибора Н-390.
Наличие напряжения нулевой последовательности в обмотке разомкнутого треугольника НТМИ в нормальном режиме работы сети объясняется тем, что отходящие от подстанции М были выполнены на железобетонных опорах и имели относительно земли разные высоты подвеса фазных проводов, йшють верхнего провода по отношению к земле была меньше соответствующих емкостей нижних проводов /131/. В канале нулевой последовательности емкостные сопротивления фаз сети являются нагрузками для питающего трансформатора.
В течение года напряжение естественной несимметрии на подстанции "Зерновая" плавно отклонялось от своего первоначального значения в пределах Qt2/o Uqp . Причем замечено, что осенью напряжение несимметрии несколько снижается, а весной - возрастает.
Данные отклонения свидетельствуют о влиянии на величину напряжения несимметрии в сети значения активной проводимости изоляторов в фазах М. Осенью, при выпадении частых атмосферных осадков происходило самоочищение поверхностей изоляторов линий, поэтому токи утечки слабо влияли на напряжение естественной несимметрии. Весной - напротив, в южных районах страны велись массовые полевые работы (сев сельскохозяйственных культур, подкормка озимых хлебов при помощи авиации и т.п.), которые способствовали за-грязнению поверхностей изоляторов ВЛ, что и приводило к увеличению напряжения несимметрии в сети /20/.
Влияние электрической нагрузки, присоединенной к сети через потребительские трансформаторы, на величину естественной несимметрии рассматриваемых подстанций проявлялось следующим образом. На подстанции "Мечетка-П" за полгода наблюдений при изменении нагрузки сельскохозяйственных потребителей никаких бросков напряжения нулевой последовательности в нейтрали сети замечено не было, за исключением случаев, о которых речь пойдет ниже. От подстанции "Зерновая", кроме потребителей сельскохозяйственного назначения, получали электроэнергию коммунально-бытовые и промышленные предприятия. В часы максимальных нагрузок производилась разгрузка энергосистемы путем отключения части промышленных потребителей. При этом, в нейтрали сети наблюдалось резкое изменение напряжения нулевой последовательности, значение которого доходило до 0,4% 1Г р . Характерный для описанного случая фрагмент изменения напряжения естественной несимметрии представлен на рис. 2,2.
Наличие бросков напряжения нулевой последовательности при ограничении электрической нагрузки на подстанции "Зерновая" и отсутствие таковых на диаграммных лентах с подстанции "Мечетка-Н" объясняется тем обстоятельством, что погашение нагрузки производилось отключением кабельных линий, по которым осуществлялось электроснабжение потребителей. Таким образом, причиной увеличения напряжения нулевой последовательности в сети следует считать не изменение потребительской нагрузки как таковой, а отключение кабельных линий, которые симметрировали фазные емкости сети относительно земли. Аналогичные броски напряжения смещения нейтрали сети имели место и при отключении от шин подстанции конденсаторных батарей, применявшихся для компенсации реактивной мощности.
Экспериментальные исследования переходных процессов при однофазных замыканиях на землю в сельских электрических сетях с различным режимом работы нейтрали
Трудности, связанные с изучением переходных процессов при однофазных ЗНЗ непосредственно в реальной сети, вынуждают многих исследователей ограничиваться косвенными методами и прежде всего математическим /57/ или физическим /59/ моделированием. Однако применение указанных методов требует практического подтверждения как основных результатов, так и достоверности некоторых исходных данных. Поэтому непосредственное исследование переходных процессов в действующих сетях, на наш взгляд, более предпочтительно.
Несмотря на бытовавшее мнение /115/ о том, что со времени исследований физической сущности однофазного ЗНЗ Петерсеном В. (1916г.), последующие исследования не дали ничего нового, большой объем экспериментальных осциллографирований однофазных ЗНЗ был осуществлен в нашей стране Джуварлы Ч.М. /41/, Беляковым Н.Н. /24/ и Лихачевым Ф.А. /75-77/. Перечисленные работы посвящены в основном исследованию перенапряжений, возникающих при однофазных ЗНЗ в сетях с изолированной и заземленной через дугогасящую катушку нейтралями.
Наблюдаемые в последние годы массовые выходы из строя измерительных трансформаторов напряжения типа НТМИ-10 вследствие однофазных ЗНЗ /76/, а также отсутствие формальных оснований требовать от проектных организаций заземления нейтрали сети через дугогасящие устройства при токах ЗНЗ до 10 А, заставило ряд энергосистем страны искать более дешевые и доступные методы защиты трансформаторов НТМИ. Суть одного из методов /92/ заключается в изменении режима нейтрали сети путем включения между нулевой точкой обмоток высшего напряжения трансформатора собственных нужд и землей дополнительного сопротивления. По данным /92/ в Краснодарской энергосистеме более половины всех секций напряжением 6-Ю кВ (192 секции) подстанций с токами однофазного ЗНЗ до 3 А эксплуатируется именно в таком режиме. Положительный опыт эксплуатации СЭС с отмеченным выше режимом работы нейтрали необходимо учитывать при выборе метода ОМП в таких сетях.
Кроме того, трансформатор напряжения типа НТМИ на сегодняшний день является единственным аппаратом, выпускаемом серийно, без которого невозможна автоматизация процесса измерения расстояния до места повреждения с гарантированной точностью. Поэтому от эксплуатационной надежности НТМИ во многом зависит успешность поиска мест повреждения в сети. Настоящие исследования имеют следующие цели: 1. Сформулировать требования к выбору метода ОМП при однофазных ЗНЗ в сетях с различными режимами работы нейтрали. 2. Оценить погрешность, вносимую измерительным трансформатором напряжения типа НТМИ на результат измерения при различной полноте замыкания. 3. Установить закономерности изменения переходного сопротивления в месте однофазного ЗНЗ в ненормальном режиме. 4. Выяснить влияние режима работы нейтрали сети на эксплуатационную надежность трансформатора НТМИ при различной полноте замыкания. Исследования переходных процессов, сопровождающих однофазные ЗНЗ в сети напряжением 10 кВ, выполнялись осциллографированием приборами типа Н-700 и H-II5. Эксперименты проводились в соответствии с программой (Приложение 3) на подстанции "Гомля" 110/10 кВ Полоцкого ПЭС "Ейтебскэнерго" и подстанции "ОПХ ВНИИПТИМЭСХ" НО/ 10 кВ Южного ПЭС "Ростовэнерго". Характеристики сетей 10 кВ указанных подстанций на момент проведения экспериментальных исследований представлены таблицей 3.1.
Таблица 3.1 Сведения об объекте Для исключения влияния на переходный процесс работы коммутационных аппаратов искусственное замыкание осуществлялось следующим образом, К токопроводу одной из фаз в соответствии с рекомендациями /102/ прикреплялся металлический рог длиной 0,3-0,5 м из отрезка алюминиевой шины, конец которой изгибался в виде полукольца. Сквозь полукольцо пропускался кусок капроновой лески диаметром 0,8 мм, за свободный конец которого прикреплялся заземленный проводник. После этого, заземленный проводник за свободный конец лески вручную подтягивался к находящейся под напряжением шине до перекрытия с последней на гибкий проводник. Затем, как правило, конец капроновой лески перегорал и проводник падал на землю, восстанавливая нормальный режим работы сети.
Иммитирование перемежающегося дугового ЗНЗ производилось на специально изготовленном роговом промежутке (рис. 3.1), включенном последовательно с трансформатором тока в рассечку, между гибким проводником и заземлителем. Дуга возбуждалась при помощи плавких перемычек из медных проволок диаметром 0,05-0,1 мм после того, как гибкий проводник касался металлического рога.
Неполное замыкание на землю через большое переходное сопротивление устраивалось следующим образом. Гибкий проводник изолировался от земли в месте падения посредством диэлектрического коврика. Изолированный провод длиной 25-30 м присоединялся одним концом последовательно с трансформатором тока к гибкому проводнику, а другим - к отрезку провода марки А-35, произвольным образом брошенного на землю. Режим однофазного ЗНЗ вызывался подтягиванием гибкого проводника за свободный конец лески до соприкосновения с металлическим рогом, находившимся под напряжением.
Разработка устройства для селективной сигнализации однофазных повреждений в сельских электрических сетях
При имитации полного ЗНЗ, когда фаза напряжения Ub составила 180 (рис. 3.7), переходный процесс протекал без появления свободных колебаний тока ЗНЗ. Через 0,1 сек., при фазе напряжения Ufe примерно 80, произошло повторное замыкание, которое сопровождалось свободными колебаниями тока однофазного ЗНЗ с частотой порядка 200 Гц. В дальнейшем (см. рис. 3.7) полное замыкание переросло в дуговое однофазное ЗНЗ. Изменения кривых фазных напряжений сети, напряжения нулевой последовательности, а также кривой тока ЗНЗ при полном и дуговом однофазном ЗНЗ аналогичны соответствующим изменениям тех же параметров в сети с изолированной нейтралью.
Уровень намагничивающих токов, протекающих через обмотки НТіМИ, в установившемся режиме полного ЗНЗ в сети с заземленной через активное сопротивление сопротивление нейтралью ниже, чем в сетях с изолированной и заземленной через дугогасящую катушку нейтралью. В сети с изолированной нейтралью (рис. 3.2) и с дуго-гасящей катушкой (рис. 3.5) намагничивающий ток был равен 0,1 А, а при рассматриваемом режиме работы нейтрали сети - 0,06 А (рис. 3.7). Следует однако отметить, что броски намагничивающего тока в обмотке "неповрежденных" фаз НГМИ при переходных процессах в сети с активным сопротивлением в нейтрали не устраняются. Особенно высоких значений броски намагничивающего тока достигают в момент восстановления нормального режима работы сети. Намагничивающий ток в нейтрали трансформатора собственных нужд составил 0,3 А, что свидетельствует о частичном шунтировании обмоток НТМИ (ток 10 - 0,05 А) в канале нулевой последовательности (см. рис. 3.7).
Осциллограмма неполного однофазного ЗНЗ в сети, с заземленной активным сопротивлением нейтралью, зафиксирована при высоком переходном сопротивлении в месте повреждения, равном 6,5 кОм (рис. 3.8). Переходный процесс в токе ЗНЗ протекает апериодически, в кривой тока замыкания установившегося режима явно выражено присутствие третьей гармоники. На наличие гармоники указывает и тра-пециидальный вид кривых напряжения нулевой последовательности (см. рис. 3.8).
Переходное сопротивление в месте ЗНЗ стабильно в течение не менее 2-3 секунд от момента возникновения замыкания. Токи намагничивания в обмотках НТМИ и трансформатора собственных нужд имеют низкие значения. При этом, в кривой изменения тока намагничивания нет опасных для изоляции обмоток трансформатора бросков. Резюмируя результаты экспериментальных исследований, можно сделать следующие предварительные выводы: 1. Режим нейтрали сети практически не оказывает никакого влияния на характер протекания переходного процесса при однофазных ЗНЗ с точки зрения измерения расстояния до места повреждения. 2. Определение расстояния до места однофазного замыкания на землю по параметрам режима ЗНЗ методически выполнимо для полного и в некоторых случаях для дугового ЗНЗ. Измерение расстояния до места неполного ЗНЗ осуществить по параметрам режима ЗНЗ на промышленной частоте невозможно. 3. В связи с необходимостью распознавания однофазных ЗНЗ по видам при измерении расстояния до места повреждения следует разработать устройство для определения характера однофазного повреждения. 4. В результате экспериментальных исследований установлено, что угловая и амплитудная погрешности измерительного трансформатора напряжения НТМИ-10 при однофазных ЗНЗ незначительны и могут не приниматься во внимание при разработке ДИ. 5. Анализ полученных осциллограмм показал, что значение пе-реходного сопротивления в месте повреждения стабильно в течение первых двух секунд с момента появления полного или неполного ЗНЗ. 6. Распределенная емкость заземленной фазы сети по мере увеличения переходного сопротивления в месте повреждения оказывается расшунтированной, в результате этого ток однофазного ЗНЗ, фиксируемый на шинах подстанции, может значительно отличаться от тока, протекающего в месте замыкания. 7. С точки зрения эксплуатационной надежности измерительного трансформатора НТМИ-10 при однофазных ЗНЗ в сети с изолированной нейтралью наиболее опасны дуговые замыкания. Кроме этого, самоустраняющиеся при любой полноте замыкания в сети с изолированной и заземленной через активное сопротивление нейтралью опасны для изоляции обмоток НТМИ бросками токов намагничивания в момент восстановления нормального режима. Частое повторение таких ЗНЗ (например, касание фазы ВЛ деревом или контакт оборванного шлейфа М с телом опоры и т.п.) может стать причиной повреждения измерительного трансформатора.
