Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса и обоснование зддач исследований 8
1.1. Характеристики сельских электрических сетей и факторы, определяющие их надежность 8
1.2. Пути повышения надежности сельских электрических сетей 15
1.3. Компенсация емкостных токов однофазного замыкания на землю в сельских электрических сетях 23
1.4. Задачи исследования 28
2. Исследование параметров относительно сельских электрических сетях 29
2.1. Разработка способа измерения токов однофазного замыкания на землю в воздушных сетях 29
2.2. Оценка точности способа измерения 35
2.3. Методика и результаты измерений токов однофазного замыкания на землю в электрических сетях 6...10 кВ . 46
2.4. Вывода 53
3. Разработка и исследование способа компенсации токов однофазного замыкания на землю в электрических сетях 6...10 кВ 54
3.1. Разработка способа компенсации, основанного на введении дополнительного напряжения 54
3.2. Аналитическое исследование характеристик компенсированной сети 57
3.3. Влияние напряжения естественной несимметрии на условия компенсации 68
3.4. Вывода 72
4. Разработка и исслвдование устройств компенсации токов однофазного замыкания 75
4.1. Устройство компенсации тока однофазного замыкания на землю с конденсаторами 75
4.2. Аналитическое исследование характеристик устройства компенсации 84
4.3. Исследование переходных процессов в компенсированной сети 94
4.4. Исследование характеристик устройства компенсации..106
4.5. Вывода 113
5. Вопросы эксплуатации систем токов однофазного замыкания на землю 115
5.1. Улучшение условий электробезопасности в компенсированных сетях 115
5.2. Сигнализация однофазных замыканий на землю в компенсированных сетях 123
5.3. Технике-экономическая эффективность применения устройств токов однофазного замыкания на землю в сельских электрических сетях б...10 кВ..128
Заключение 136
Литература 138
Приложения 149
- Компенсация емкостных токов однофазного замыкания на землю в сельских электрических сетях
- Методика и результаты измерений токов однофазного замыкания на землю в электрических сетях 6...10 кВ
- Влияние напряжения естественной несимметрии на условия компенсации
- Аналитическое исследование характеристик устройства компенсации
Компенсация емкостных токов однофазного замыкания на землю в сельских электрических сетях
Применение компенсации емкостных токов однофазного замыкания на землю как средства повышения надежности электроснабжения в сельских электрических сетях не получило пока широкого распространения. Известен опыт "Краснодарэнерго" по применению в сетях 10 кВ дугогасящих реакторов с токами на 3; 6,5 и 10 А [Зб] . Практика эксплуатации установленных реакторов показала, что надежность распределительных сетей 10 кВ резко возросла. Так, в Лабинских электрических сетях годовое число длительных однофазных замыканий на землю сократилось со 178 до 19, а междуфазные короткие замыкания в период с 1975 по 1977 годы не были зафиксированы (ранее их количество достигало 27) [36] . Сокращение числа междуфазных коротких замыканий, отсутствие повреждений трансформаторов напряжения контроля изоляции после внедрения дугогасящих реакторов отмечается и в сетях трех подстанций Ленинградских электрических сетей [Зб] .
Для распределительных сетей 6...10 кВ с токами однофазного замыкания на землю до 10 А в качестве компенсирующего аппарата "Союзтехэнерго" было предложено маломощное трехфазное дугогася-щее устройство, представляющее собой трехфазный двухобмоточный пятистержневой трансформатор, обмотки высшего напряжения которого соединены в схему звезды с нулем, а обмотки низшего напряжения -в схему разомкнутого треугольника [44]. В цепь оомоток низшеег напряжения включен реактор, а стержни его магнитопровода имеют немагнитные зазоры.
Применение указанного устройства не обеспечивает компенсацию активной составляющей тока однофазного замыкания на землю, и точную настройку тока компенсации (имеются два фиксированных значения тока, например, для УДГМ 30 кВА это 3 и 5,2 А). Отмеченные существенные недостатки компенсирующего аппарата по нашему мнению предопределяют нецелесообразность применения в сельских электрических сетях, которые характеризуются значительным уровнем активной составляющей и колебаниями емкостного тока однофазного замыкания на землю.
Ограничение применения в сельских электрических сетях систем компенсации емкостных токов однофазного замыкания на землю в значительной степени объясняется спецификой этих сетей, которая отмечалась ранее. Здесь необходимо применение систем, обеспечивающих компенсацию основной гармоники тока однофазного замыкания на землю, а не только его емкостной составляющей.
Известные способы компенсации тока однофазного замыкания на землю, обеспечивающие полную компенсацию первой гармоники тока замыкания, могут быть разделены на пассивный и активный [15,24]. Как показано в статье ;.Ершова A.M. и Петрова О.А. [25] пассивный способ может быть реализован с помощью: а) дополнительной емкости дС , подключаемой к отстающей фазе [37, 78, 79, 83]; б) дополнительной индуктивности л:L , подключаемой к опере жающей фазе [l5, 83, 89, 97]. К достоинствам данного способа следует отнести возможность сравнительно простой реализации в электрических сетях напряжений до 1000 В. Необходимо заметить при этом, что в условиях сельскохозяйственного производства сетей с изолированной нейтралью на указанное напряжение практически нет. Применение пассивного способа в электрических сетях б...35 кВ ограничено рядом недостатков: а) дискретностью регулирования подключаемой дополнительной емкости АС , что сказывается на точности компенсации тока одно фазного замыкания на землю; б) возможностью возникновения феррорезонансных явлений в се ти, поскольку дополнительно подключаемая индуктивность имеет, как правило, нелинейную зависимость от напряжения; в) влиянием на точность настройки дугогасящего реактора, обес печивающего компенсацию реактивной составляющей тока замыкания на землю; г) снижением надежности сети при подключении дополнительных АО илилі . Активный способ, основанный на введении дополнительного напряжения, был предложен Петерсеном [15]. Позднее рядом исследователей разработаны и реализованы устройства, использующие активный способ компенсации [24, 49, 50, 83, 103]. При этом обеспечивается возможность выполнения устройств компенсации на напряжении до 1000 в при условии введения дополнительного напряжения либо через однофазный трансформатор, либо через дополнительную обмотку ду-гогасящего реактора. Одновременно следует заметить, что регулирование величины вводимого напряжения является несложной технической задачей. В качестве недостатков рассмотренных устройств можно отметить: а) влияние устройства компенсации активной составляющей на настройку дугогасящего реактора [15]; б) сложность как самих устройств, так и обеспечения точной настройки компенсации, поскольку регулирование должно производить ся одновременно по двум каналам (реактивной и активной составля ющей) [ 15]; в) необходимость использования устройств компенсации актив ной составляющей тока однофазного замыкания на землю совместно с дугогасящими реакторами Г24, 88]. Как уже отмечалось, токи замыкания на землю в сельских сетях напряжением 6, 10 кВ не превышают, как правило, 10 А, при этом большинство сетей имеют токи замыкания на землю до 5 А. Поэтому системы компенсации емкостных токов однофазного замыкания на землю, основанные на применении дугогасящих реакторов, будут иметь низкую эффективность действия ввиду особенностей процесса замыкания на землю, связанных с неустойчивостью заземляющих дуг [20, 21]. Системы компенсации, в которых совместно с дугогасящими реакторами используются устройства компенсации активной составляющей тока однофазного замыкания на землю Гі5, 24j , сложны, что сказывается на их надежности и, следовательно, эффективности действия. Необходимо также отметить, что при возникновении однофазного замыкания на землю через место повреждения, как правило, протекает медленно затухающая апериодическая составляющая, обусловленпая действием компенсирующего аппарата, которая затягивает гашение заземляющей дуги и приводит к увеличению напряжений прикосновения и шага в переходных режимах, Выполненный анализ показывает, что для сельских электрических сетей напряжением 6,10 кВ необходима свой способ компенсации тока однофазного замыкания на землю, учитывающий особенности этих сетей. Заметим, что в сетях напряжением 35 кВ компенсация емкостных токов однофазного замыкания на землю может осуществляться с помощью известных систем компенсации, поскольку токи замыкания на землю здесь существенно больше, чем в распределительных сетях напряжением 6, 10 кВ.
Методика и результаты измерений токов однофазного замыкания на землю в электрических сетях 6...10 кВ
Измерение емкостного тока однофазного замыкания на землю в сельских электрических сетях напряжением б, 10 кВ может быть осуществлено косвенным методом, основанным на подключении к од ной и той же фазе двух групп конденсаторов, и измерении при этом соответствующих напряжений. Выполненные аналитические исследова ния позволили обосновать способ измерения и вывести формулы для расчета емкости сети относительно земли и емкостного тока однофазного замыкания на землю на основании данных измерений. 2. Проведена оценка погрешностей данного способа измерения, которая позволила установить, что максимальная погрешность, обусловленная неучетом активного сопротивления изоляции фаз се ти относительно земли, не превышает 0,22% (при А/ 1,5 и d 0,05). Если же пренебречь изменением фазных напряжений за время производства измерений, то можно совершать ошибку, изменяющую истинный результат более чем на 100%. 3. Разработанный способ измерения емкости сети относительно земли и емкостного тока однофазного замыкания на землю применим в сетях с коэффициентом успокоения не более 0,22. При этом обусловливается методическая ошибка, не превышающая 5%, значения же отношения jJ не должны находиться в пределах 2 4 J 4- 5. 4. Разработана методика и приведены результаты измерений емкостных токов однофазного замыкания на землю в сельских электрических сетях напряжением б, 10 кВ. Выявлено, что в РЭУ "Челяб-энерго" 91,6% сельских сетей имеют емкостные токи однофазного замыкания на землю до 5 А. Установлено, что значения емкостного тока подчиняются логнормальному распределению, при этом математическое ожидание емкостного тока однофазного замыкания на землю составило 1,85 А.
Согласно приведенным ранее данным сельские электрические сети напряжением б, 10 кВ характеризуются относительно большой величиной напряжения естественной несимметрии (до 5% [40, 69] ) и токами замыкания на землю, не превышающими, как правило, 5 А. При этом уровень активной составляющей тока однофазного замыкания на землю существенно больше, чем в сетях промышленных предприятий.
Неустойчивость горения заземляющих дуг, наличие значительной активной составляющей в токе однофазного замыкания на землю делают неэффективными известные системы компенсации емкостных токов. Учитывая важность ограничения возможных напряжений прикосновения и шага, а также обеспечения сохранности железобетонных опор, необходимо компенсировать не только реактивную, но и активную составляющие тока однофазного замыкания на землю.
При работе вблизи воздушных линий напряжением б, 10 кВ крупногабаритных машин и механизмов сельскохозяйственного назначения возможно касание одной из фаз сети. Это создает условия для поражения электрическим током людей, эксплуатирующих указанные машины или механизмы. Возникновение однофазных замыканий на землю через железобетонные опоры может привести к поражению электрическим током, обусловленным шаговым напряжением, как людей так и животных. Данные о величинах емкостных токов однофазных замыканий на землю (2.3) позволяют определить по формуле (3.3) наиболее вероятные токи через тело человека (или животного) в случае контакта с одной из фаз сети. Для jc = 1,87 А и сі =0,05 этот ток будет равен 1,61 и 1,76 А в зависимости от напряжения сети (6 или 10 кВ). В области минимальных значений емкостного тока однофазного замыкания на землю ( Jc = 0,1 А табл.2.1) ток через тело человека будет равен 0,1 А (для сети напряжением 6 кВ). Полученные токи представляют опасность для живого организма [99]. Для электрических сетей с током замыкания на землю менее 5...10 А с целью повышения их надежности и уровня электробезопас 56 ности был разработан способ компенсации, основанный на введении дополнительного напряжения в сеть ГбЗ, 65] . На рис.3.1 приведена схема, поясняющая данный способ. При возникновении однофазного замыкания на землю одной из фаз сети к нейтрали трансформатора сети подключается цепочка, состоящая из последовательно соединенных дополнительного источника напряжением Ua конденсатора амкостью С а и иезистора а сктивным сопротивлением л , с помощью которых в месте замыкания на землю создается компенсируй ток. Фаза напряжения дополнительного источника определяется, главным образом, поврежденной фазой сети, а величина указанного напряжения, превышающая фазное напряжение, зависит от значения емкостей С д. а 1С . На рис.3.2, а приведена упрощенная однофазная схема замеще ния, поясняющая способ компенсации, а на рис.3.2, б - соответст вующая ей векторная диаграмма. Из этих рисунков видно, что через место замыкания протекает ток однофазного замыкания на землю I (основная гармоника), определяемый напряжением #ри параметрами сети ZC и у . ри подключении дополнительного источника напря жением Ua Vcp с #С - цепочкой йэлементы ы а , Ra.) через зес то замыкания будет протекать компенсирующий ток 1К , равный по величине 7- и противоположный по направлению. При правильном вы боре параметров остаточный ток I0 = .1 будет равен ну лю, т.е. обеспечивается полная компенсация основной гармоники то ка замыкания на землю.
Влияние напряжения естественной несимметрии на условия компенсации
При военикновении однофазного замыкания на землю, например, фазы А на первичной и вторичной обмотках трансформатора 12, возникают напряжения нулевой последовательности - соответственно Ua и Uo&
Блок выбора фазы БВШ обеспечивает выбор, а блок БПФ - подключение фазы А трансформатора ТЗ ко вторичной обмотке трансформатора Т2 . При этом напряжение Ua вторичной обмотки трехфазного трансформатора синфазно с напряжением Was. » если их рассматривать по отношению к точке и/ , но направлено встречно ему, если рассматривать замкнутую цепь. Напряжение Ua Was. по величине, поэтому оно обусловит в замкнутой цепи емкостно-активный ток, протекающий через конденсатор и резистор С -цепочки.
Этот ток, трансформируясь в электрическую сеть, окажется встречно направленным и будет компенсировать ток однофазного замыкания на землю. При правильно выбранных параметрах конденсатора, резистора и установленной величине напряжения ток основной частоты через место замыкания протекать не будет.
На период замыкания блок выбора фазы БВф блокирует работу источника оперативного тока ИОТ и обеспечивает запоминание блоком памяти БП величины емкости сети относительно земли.
Однако разработанному устройству присущ ряд недостатков. Во-первых, это ограничение области применения, поскольку в сетях с токами замыкания на землю 5...10 А и более емкость конденсаторов С -цепочек должна быть большой, и во-вторых, недостаточный диапазон регулирования тока компенсации.
С целью устранения отмеченных недостатков, а также повышения надежности электрической сети и улучшения условий электробезопасности в ней, было разработано с участием автора устройство компенсации тока однофазного замыкания на землю [бб] , функциональная схема которого приведена на рис.4.2.
Б нормальном режиме работы сети блок формирования команд БШК включает блок демпфирования Щ и одновременно блокирует работу источника оперативного тока. Для измерения емкости сети относительно земли Ш кратковременно отключает блок демпфирования (либо подключает параллельно вторичной обмотке трансформатора Та сопротивление соответствующей величины). При этом дается разрешение на работу источника оперативного тока, с помощью которого в сеть вводят оперативный ток.
Частота включения ИОТ зависит от разветвленности схемы сети, частоты переключения линий и может быть принята равной 5-Ю раз в сутки. Время включения ИОТ не превышает 3-5 секунд. Вероятность совпадения работы ИОТ и возникновения при этом в электрической сети однофазного замыкания на землю практически равна нулю.
В устройстве предусмотрена возможность согласования работы ЕЖ с системой телемеханики, если последняя имеется в электрической сети. В этом случае после подачи сигнала по каналам телемеханики на включение или отключение какого-либо коммутационного аппарата ШК дает разрешение на работу источника оперативного тока.
При введении оперативного тока устройство измеряет емкость сети относительно земли. Для этой цели служит измерительный орган ИО, на один вход которого подается напряжение с трансформатора напряжения НГМИ, а на другой - ток с трансформатора тока ТТ2 . На выходе ИО появляется сигнал, пропорциональный проводимости фаз сети относительно земли, который подается на первый вход БП, работающего в нормальном режиме сети как усилитель с коэффициентом усиления, равным I. Этот сигнал передается на первый вход преобразователя сигнала ПС.
В нормальном режиме сети генератор, находящийся в преобразователе сигнала, вырабатывает синхронизирующие импульсы, необходимые для правильного функционирования самого ПС. При появлении однофазного замыкания на землю этот генератор блокируется и синхронизирующие импульсы поступают от трансформатора тока ТТ1.
Сигнал от Ш является задающим Ujy. Преобразователь сигнала определяет такое положение ответвлений в блоке переключения ответвлений БПО и состояние ключей /f/... к!с, при котором ток кмм--пенсации равняется первой гармонике тока однофазного замыкания на землю. При изменении параметров сети относительно земли в нормальном режиме (например, при увеличении проводимости) возникает рассогласование между сигналом задания Щаа Ш и сигналом обратной связи Нос ПС. В результате этого преобразователь сигнала ПС обеспечит переключение ответвлений вторичной обмотки трансформатора Т2 в сторону их уменьшбния. Если при этом сигнал обратной связи Нос ПС будет отличаться от сигнала Hiag. при переключении на минимальное число ответвлений, тогда происходит подключение следующей ЯС -цепочки, а ответвления устанавливаются на макаимальное число витков. Далее процесс повторяется до наступления равенства Ща„ =zioc с определенной точностью (±I...2%), Таким образом, при регулировании тока компенсации переключения осуществляются в следующем порядке:
При возникновении однофазного замыкания на землю, например, замыкания фазы А на землю, блок формирования команд ЪШ блокирует работу источника оперативного тока и подает сигнал на блок памяти БП на запоминание параметров изоляции фаз сети относительно земли. При этом выходной сигнал блока памяти остается неизменным (до исчезновения замыкания). Блок выбора фазы БВФ обеспечивает выбор, а блок подключения фазы БПФ - подключение фазы А трансформатора ТЗ ко вторичной обмотке трансформатора Т2 .
На первичной обмотке трансформатора Т2 появляется напряжение Ца , которое больше напряжения нейтрали.
Аналитическое исследование характеристик устройства компенсации
В нормальном режиме сети генератор Г вырабатывает сигналы частотой J0n » которые подаются на вход избирательного усилителя ИУ, настроенного на эту частоту. На выходе ИУ имеет место максимальный сигнал частоты 40п » который выпрямляется, сглаживается и сравнивается с величиной уставки компаратора. Этот сигнал превышает уставку компаратора, и исполнительный орган обесточен.
При замыкании какой-либо фазы защищаемого присоединения на землю в сети появляется выпрямленный ток, создаваемый с помощью диода V и резистора R , содержащий переменную и постоянную составляющие. Постоянная составляющая, протекая через место замыкания, благодаря эффекту подмагничивания приводит к уменьшению индуктивности обмотки трансформаторного датчика тока, что вызывает увеличение частоты генератора. Это обусловливает резкое уменьшение величины выходного сигнала избирательного усилителя, который становится меньше уставки компаратора. Последний воздействует на исполнительный орган, который указывает поврежденное присоединение.
Ввиду того, что в нормальном режиме сети на выходе избирательного усилителя имеется максимальный сигнал, то при любом повреждении в цепях устройства и исчезновении этого сигнала происходит фиксация нарушения. Благодаря этому выполняется самоконтроль исправности устройства.
Однако наличие магнитной связи между входной величиной (оперативным током) и устройством сигнализации ухудшает ряд характеристик этого устройства. Во-первых, необходим специальный трансформаторный датчик тока, во-вторых, увеличивается время срабатывания устройства.
Устранение отмеченных недостатков с обеспечением селективности действия может быть достигнуто построением устройств сигнализации однофазных замыканий на землю по способу, предложенному с участием автора [79] (А.с. СССР JP 445959). На рис.5.5 дана схема, иллюстрирующая предложенный способ. Ко вторичной (дополнительной) обмотке однофазного согласующего трансформатора последовательно подключены резистор /6 и ключ Н . Ключ Н. , коммутируя цепь при возникновении однофазного замыкания, создает импульсы тока частоты J (рис.5.б), превышающей промышленную частоту в два или более раз. Эти импульсы модулируются активной составляющей тока однофазного согласующего трансформатора, передаются в сеть и присутствуют в токе замыкания на землю, протекающем через место повреждения. Часть тока частоты протекает и через емкости неповрежденных присоединений. При увеличении частоты J- ток, обусловленный этими емкостями, может стать значительным и оказать влияние на работу устройства. В связи с этим необходимо ограничивать рабочую частоту импульсов, вводимых в сеть.
Ток замыкания, протекая через обычный трансформатор тока нулевой последовательности 771 , создает на его вторичной обмотке напряжение, подаваемое на вход избирательного усилителя ИУ. Избирательный усилитель ИУ выделяет колебания частотой / и усиливает их до необходимого уровня. Далее это напряжение демодулиру-ется демодулятором %Г и на исполнительный орган ИО поступает напряжение промышленной частоты. Последнее позволяет в качестве исполнительного органа применять обычные реле промышленного изготовления. Достоинством данного способа является повышенная отстройка от слагаемых тока замыкания на землю как основной частоты, так и высших гармоник даже при их значительном уровне, Можно отметить, что и при внедрении систем компенсации тока однофазного замыкания на землю имеются возможности осуществления селективной сигнализации поврежденных присоединений, в частности, на основе предлагаемых автором способа и устройства, реализующего этот способ. Применение устройств компенсации тока однофазного замыкания на землю позволяет получить как экономический, так и социальный эффект. Экономический эффект обусловлен предотвращением повреждений электрооборудования и элементов электрической сети при возникновении однофазных замыканий на землю, уменьшением недоотпуска электроэнергии, что, в свою очередь, предотвращает нарушение электроснабжения сельскохозяйственного производства и соответственно потери сельскохозяйственной продукции. Социальный эффект связан с сокращением необходимости применения ручного труда, а также с улучшением условий электробезопасности. Следует заметить, что улучшение условий электробезопасности кроме социального обеспечивает и определенный экономический эффект [54]. Рассмотрим более подробно составляющие экономического эффекта, Возникновение однофазного замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью приводит к: 1) появлению перенапряжений во всей электрически связанной сети, что может обусловливать повреждение высоковольтного оборудования (в сельских сетях, в частности, трансформаторов типа НТМИ) [48]: 2) ухудшение механических характеристик железобетонных опор, по которым протекает то однофазного замыкания [7]; 3) перегоранию фазных проводов, что часто сопровождается выходом из строя трехфазных асинхронных двигателей напряжением 0,4 кВ [7, ЗІ] ; 4) недоотпуску электроэнергии. Это связано, в частности, с поиском места 033, необходимостью в некоторых случаях локализации места 033 и т.п. [77] . Недоотпуск же электроэнергии вызывает нарушение сельскохозяйственного производства. Оценим экономическую эффективность применения предлагаемого устройства компенсации. Согласно "Методике..." годовой экономический эффект определяют по экономии приведенных затрат и рассчитывают по формуле [47].
