Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Особенности в Л СЦБ и задачи исследования
1.1 Общая характеристика высоковольтной линии автоблокировки 10
1.2 Аварийные режимы работы линии В Л СЦБ 15
1.3 Методы и средства выявления и фиксации места повреждения в В Л СЦБ.. 19
1А Способы моделирования В Л СЦБ 31
1.5 Краткие сведения о программе Electronics Workbench 36
1.6 Задачи исследования 39
Глава 2 Составление и расчет параметров схемы замещения в Л СЦБ
2.1 Общая схема ВЛ СЦБ 40
2.2 Схема замещения источника питания ВЛ СЦБ 41
2.3 Схема замещения элементарного участка линии. 49
2.4 Параметры схемы замещения линии при использовании проводов марки АС ..61
2.5 Параметры схемы замещения линии при использовании проводов марки ПСО 64
2.6 Схема замещения кабельных вставок. 69
2.7 Схема замещения нагрузки линии 75
2.8 Электромагнитное влияние контактной сети 78
2.9 Выводы 115
Глава 3 Анализ факторов, оказывающих влияние на точность определения места повреждения
3.1 Постановка задачи 116
3.2 Моделирование реального участка линии . 117
3.3 Оценка погрешности программы Electronics Workbench ...121
3.4 Многофазные повреждения в ВЛ СЦБ 123
3.5 Исследование влияния дестабилизирующих факторов на точность ОМП при однофазном коротком замыкании 125
3.6 Выводы 138
Глава 4 Разработка и исследование новых методов определения места повреждения в ВЛ СЦБ
4.1 Мера по уменьшению влияния нагрузки линии на точность ОМП... 142
4.2 Метод 1 для определения места повреждения в ВЛ СЦБ 144
4.3 Метод 2 для определения места повреждения в ВЛ СЦБ 151
4.4 Метод 3 для определения места повреждения в ВЛ СЦБ 166
4.5 Определение места повреждения новыми методами при выполнении линии стальными проводами 174
4.6 Исследование предложенных методов ОМП в В Л СЦБ с использованием компьютерной модели 176
4.7 Анализ предложенных методов ОМП 182
4.8 Статистическая оценка погрешности методов ОМП 184
4.9 Предложения по технической реализации нового метода ОМП— 190
4.10 Выводы. 192
Заключение 194
Список использованных источников 195
Приложения
- Аварийные режимы работы линии В Л СЦБ
- Схема замещения источника питания ВЛ СЦБ
- Моделирование реального участка линии
- Метод 1 для определения места повреждения в ВЛ СЦБ
Введение к работе
Актуальность исследований. На современном этапе реформирования народного хозяйства страны, важнейшей задачей экономики является повышение эффективности работы всех её отраслей. В транспортном комплексе страны, в частности на железных дорогах, эти задачи могут быть достигнуты с развитием и внедрением новых, прогрессивных систем перевозок, улучшением обслуживания, эксплуатации и ремонта технических средств, автоматизации и компьютеризации процессов управления, повышением надёжности работы устройств, обеспечением безопасности движения поездов и эффективности использования потенциала железнодорожного транспорта.
Одной из важнейших задач на железнодорожном транспорте является обеспечение безопасности движения поездов, которое, в частности, связано с надёжным электроснабжением устройств высоковольтной линии сигнализации, централизации и блокировки (ВЛ СЦБ). По данным департамента электрификации и электроснабжения МПС удельный вес хозяйства электроснабжения в перекрытии сигналов достигает 16%, причём значительная доля всех повреждений приходится на В Л СЦБ /1/.
Высоковольтные линии сигнализации централизации и блокировки сооружаются воздушными, поэтому они в процессе эксплуатации подвергаются воздействию ветра, гололёда, резкого перепада температур, внутренних и атмосферных перенапряжений, а также падению деревьев на провода. Все эти явления приводят к коротким замыканиям и обрывам проводов. Около 2/3 от общего количества повреждений в системе энергоснабжения, приводящих к задержкам поездов, приходится на В Л СЦБ /1,2/. Статистические данные, полученные за последние годы эксплуатации ВЛ СЦБ на различных дистанциях железных дорог России показывают, что однофазные короткие замыкания (КЗ) на землю составляют порядка 65% от всех повреждений линии, двухфазные около 30%, а трёхфазные примерно 5% /3-5/. Аварии на ВЛ СЦБ, как и в любой другой высоковольтной линии, могут возникать в результате воздействия
5 множества случайных факторов, являющихся проявлением определённых объективных процессов. При этом необходимо обеспечить такие условия, при которых последствия каждого аварийного режима были бы незначительны, а ущерб минимальным.
К В Л СЦБ предъявляются повышенные требования по бесперебойности питания сигнальных точек. Вот почему особо важное значение имеет быстрота восстановления нормального энергоснабжения при повреждении. Нередко большую часть времени при аварийно-восстановительных работах занимает определение места повреждения (ОМП), причём некоторые виды однофазного повреждения, например пробой фарфорового изолятора, визуальным способом определить практически невозможно 161.
Продолжительность каждой аварии зависит от времени, необходимого для определения места повреждения, времени, затраченного ремонтной бригадой на дорогу к месту повреждения, и времени, требуемого на ликвидацию аварийной ситуации. Статистический анализ эксплуатации В Л СЦБ показывает, что на поиск места повреждения затрачивается в среднем до 57% от общего времени ликвидации повреждения /4,5/. Следовательно, для уменьшения среднего времени восстановления требуется быстро обнаружить место повреждения в линии. Наиболее приемлемые на сегодняшний день способы ОМП основаны на измерении параметров аварийного режима (ПАР) работы линии.
Теоретическим и практическим исследованиям, направленным на повышение точности определения места повреждения в линиях электроснабжения, посвящено немалое количество научных работ. Значительный вклад в развитие различных аспектов современной теории ОМП внесли: Айзенфельд А.И., Аржанников Е.А., Арсентьев В.Н., Арцишевский Я.Л., Бадёр М.П., Бочев А.С., Быкадоров А.Л., Быкадоров В.Ф., Герман Л.А., Дынькин Б.Е., Жарков Ю.И., Корсаков Г.М., Кузнецов А.П., Марквардт К.Г., Мочалов В.А., Нгуен В.Х., Платонов В.В., Пупынин В.Н., Тептиков Н.Р., Фигурнов Е.П., Шалыт Г.М., Шубин Е.И. и другие /4-23/.
Несмотря на большое число выполненных работ до сих пор сохраняются значительные трудности при обнаружении места однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) в сетях с изолированной нейтралью. Этот вид повреждений является наиболее частым, и в то же время наиболее сложным для анализа. Электрические параметры аварийного режима высоковольтной линии при однофазном замыкании на землю не несут информации о месте повреждения, поэтому в /9,14,18/ предложено этот вид повреждений переводить в однофазное короткое замыкание путём замыкания на землю нулевой точки трансформатора или какой-либо из неповреждённых фаз. Однако, и при этом имеется целый ряд факторов, которые оказывают существенные влияния на точность определения места повреждения.
Существующие на сегодняшний день методы и средства ОМП в линиях электропередачи при двух- и трёхфазных замыканиях хорошо отработанными позволяют с достаточной быстротой и точностью определить место повреждения /9,10,17,19,20,22/. В то же время, несмотря на большое число выполненных работ /9,12-16,18,21,24/ до сих пор сохраняются значительные трудности при обнаружении однофазного замыкания на землю. Это объясняется влиянием таких факторов, как распределённая однофазная нагрузка линии, её несимметричное подключение к фазам линии, нелинейное сопротивление проводов, переходное сопротивление в месте повреждения, наличие кабельных вставок, и электромагнитное влияние контактной сети.
Некоторые из этих факторов количественно оценены в работах /9,14,18/. Другие, например, такие как влияние переходного сопротивления, несимметрия нагрузки, электромагнитное влияние контактной сети и другие количественных оценок не имеют, и в то же время оказывают очень большое влияние на точность определения места повреждения.
В настоящей работе осуществлено комплексное исследование наибольшего числа влияющих факторов, и предложены новые способы для определения места повреждения при однофазных замыканиях на землю в ВЛ
7 СЦБ. Приведено научное обоснование этих способов и на основе методов математической статистики оценена степень их точности.
Тема диссертации была признана актуальной для российских железных дорог, и для её выполнения автору был предоставлен кандидатский грант МПС РФ.
Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка и научный анализ новых методов определения места однофазного замыкания на землю в В Л СЦБ, обладающих повышенной точностью.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
составлена и обоснована схема замещения ВЛ СЦБ;
проведены исследования сопротивления проводов марки АС и ПСО;
составлена компьютерная модель линии В Л СЦБ с использованием программы Electronics Workbench (EWB);
проведено исследование методов Z, X и петлевого метода при многофазных и однофазном коротком замыкании на компьютерной модели типового участка линии ВЛ СЦБ;
оценена степень влияния различных дестабилизирующих факторов на точность ОМП существующими методами;
разработаны и исследованы три новых метода ОМП в ВЛ СЦБ, точность которых определялась с помощью метода статистической оценки результатов эксперимента;
проведены испытания на реальной линии ВЛ СЦБ.
Методика исследования. В основу работы положены теоретические и экспериментальные исследования, выполненные автором в период 2000 - 2003 годов. В работе использованы методы расчета и преобразования электрических цепей с взаимными индуктивностям, методы анализа уравнений электромагнитного поля, методы компьютерного моделирования, математические методы обработки научных результатов и натурные эксперименты на действующем участке ВЛ СЦБ.
8 Научная новизна:
разработана уточнённая методика составления и расчета параметров схемы замещения ВЛ СЦБ;
разработана уточнённая методика расчета параметров схемы замещения кабельной вставки при однофазных и многофазных повреждениях в воздушной линии;
разработана методика учёта электрического и магнитного влияния контактной сети в компьютерной модели В Л СЦБ;
разработана компьютерная модель ВЛ СЦБ с учётом характерной неоднородности линии и влияния различных дестабилизирующих факторов;
- оценено влияние различных дестабилизирующих факторов на точность
ОМП методами Z и X, а также петлевым методом;
разработаны, исследованы и запатентованы три новых метода определения места повреждения в ВЛ СЦБ;
разработана методика расчета удаленности места однофазного короткого замыкания по параметрам аварийного режима для предложенных методов.
Достоверность научных положений и выводов. Изложенные в работе результаты подтверждены строгостью теоретического обоснования, сопоставлением результатов аналитического расчета с данными, полученными в результате компьютерного моделирования, а также результатами экспериментальных исследований.
Практическая ценность работы. Разработана универсальная компьютерная модель ВЛ СЦБ, которая может быть адаптирована для любого реального участка и позволяющая моделировать различные режимы работы линии. Такая модель была принята Дорожной электротехнической лабораторией СКЖД для практического применения. Разработаны новые методы ОМП, которые обладают повышенной точностью, что позволяет значительно сократить время отыскания места повреждения, повысить тем
9 самым устойчивость электроснабжения автоблокировки, и, как следствие, обеспечить повышение безопасности движения поездов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на:
59-й научно - теоретической конференции профессорско-преподавательского состава РГУПС (Ростов-на-Дону, 2000 г.);
- на 2-й международной отраслевой научно-технической конференции
"Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта, и роль
молодых ученых в их решении" (Ростов - на - Дону, 2000 г.);
на 61-й научно — теоретической конференции профессорско — преподавательского состава РГУПС (Ростов - на — Дону, 2002 г.);
на 5-й Международной научно-технической конференции «Новые технологии управления движением технических объектов» Новочеркасск 2002;
на Всероссийском конкурсе имени академика И.И.- Воровича среди молодых учёных и специалистов на лучшую работу по фундаментальным и прикладным проблемам современной техники. Ростов — на — Дону 2002 г. (диплом лауреата конкурса);
на 62-й научно — теоретической конференции профессорско — преподавательского состава РГУПС (Ростов — на - Дону 2003 г.);
на 3-й Международной научно-практической конференции «Современные энергетические системы и комплексы, и управление ими» (г. Новочеркасск 2003 г.);
- на Всероссийской научно — технической конференции «Проблемы и
перспективы развития железнодорожного транспорта» (Екатеринбург 2003 г.).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ, включая патент РФ с тремя независимыми пунктами.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Работа содержит 204 страницы основного текста, 4 таблицы, 60 рисунков, список использованных источников из 117 наименований и приложения на 78 страницах.
Аварийные режимы работы линии В Л СЦБ
Воздушные линии являются наиболее повреждаемым элементом электрической системы. Характерными повреждениями ВЛ СЦБ являются: пережоги, повреждения и обрывы проводов и тросов, механические повреждения деревянных опор, повреждения изоляторов и многие другие факторы ведущие к аварийной ситуации.
Согласно статистическим данным наиболее повреждаемым элементом ВЛ СЦБ являются провода — ежегодно 1,51-1,74 отказа на 100 км эксплуатационной длины III. Причинами повреждения проводов является их схлёстывание при сильном ветре, обрывы, набросы, повреждения из-за падения деревьев. Следующим по значимости уязвимым элементом являются кабельные вставки, причиной повреждения которых является выход из строя концевых мачтовых муфт /1,4,5/.
Кроме того, повреждения происходят из-за недостаточной эффективности профилактических испытаний, которые не приводят к своевременному выявлению дефектов изоляции. Причиной отказа ВЛ СЦБ могут являться повреждения однофазных трансформаторов типа ОМ, Трансформаторы выходят из строя, вследствие попадания влаги внутрь корпуса, за счёт перекрытия изоляции при грозовых и коммутационных перенапряжениях. Помимо этого они выходят из работы и по причине снижения уровня масла в баке трансформатора. Также наблюдаются случаи повреждения и изоляторов трансформатора.
Определенную долю в отказах ВЛ СЦБ занимают предохранители типа ПКН. Они часто взрываются І за счёт грозовых перенапряжений и при попадании влаги внутрь корпуса. Немалую часть отказов в работе высоковольтных линий автоблокировки составляют повреждения разъединителей, опор и изоляторов линии. Помимо вышеперечисленных причин возникновения аварийного режима работы ВЛ СЦБ имеет место небрежность в работе и ошибочные действия обслуживающего персонала и другие факторы.
Процентное соотношение факторов приводящих к возникновению аварийной ситуации не снижается до нуля, а напряжения неповреждённых фаз оказываются больше фазного, но меньше междуфазного. В этом случае и напряжение нулевой последовательности получается меньше фазного напряжения.
Повышение напряжения на неповреждённых фазах при однофазных замыканиях требует выбора изоляции оборудования на большую величину. Известны случаи повреждений оборудования при однофазных замыканиях на землю и, в частности, трансформаторов напряжения. С другой стороны, работа сети с повышенным напряжением может привести к повреждению других фаз, что вызывает двухфазное или трёхфазное КЗ или замыкание на землю двух фаз в разных точках.
Ёмкостный ток, при замыкании на землю в момент погасания дуги при прохождении тока через нулевое значение, вызывает повышение напряжения и повторное зажигание дуги. Повышение напряжения достигает четырёх-пятикратного значения по сравнению с номинальным и может обусловить появление перемежающей дуги. Длительное воздействие перенапряжений на изоляцию (например, кабельных линий) может привести к ионизации и тепловому пробою её в любой точке сети /29,30/.
Ёмкостные токи при замыканиях на землю в определённых условиях могут оказать мешающие действия на цепи автоблокировки, когда частота указанного тока совпадает с частотой сигнального тока рельсовой цепи. Токи однофазного замыкания на землю проходят через путевые дроссель - трансформаторы, и могут вызвать ложное срабатывание путевого реле СЦБ. Кроме того, они оказывают мешающее влияние на вблизи проходящие воздушные линии связи. В реальных условиях ток замыкания на землю равен 0,5 - 2 А и соизмерим или даже меньше нагрузки.
Некоторые виды однофазного повреждения ВЛ СЦБ сопровождаются появлением переходного сопротивления. Величина переходного сопротивления зависит от вида повреждения линии и может колебаться в пределах 1-100 Ом, а в отдельных случаях достигает 104 Ом /14/.
При междуфазных коротких замыканиях вблизи тяговых подстанций токи достигают величины 100-120 А, и зависят от вида замыкания. С увеличением расстояния от тяговой подстанции до места повреждения эти токи уменьшаются, за счёт возрастания сопротивления линии. Величина тока КЗ в ВЛ СЦБ при максимальной длине зоны 25км находится в интервале 8 - 60А. Для фидерной зоны 50км минимальный ток КЗ составляет порядка 5 - 5,5А.
В высоковольтных линиях электропередач при возникновении аварийного режима необходимо достаточно точно определить место повреждения. Для этого используют различные методы и средства ОМП.
Разнообразие видов и характера повреждений, а также структуры и условий работы электрических сетей не позволяют получить какой-либо универсальный метод определения места повреждения. Некоторые методы ОМП требуют в момент измерения отключения линии и посылки зондирующего сигнала (локационный метод).
В настоящее время существуют следующие способы определения места повреждения в высоковольтных линиях: - дистанционный; - локационный; - топографический. Дистанционные методы ОМП основаны на измерении действующих или мгновенных значений параметров аварийного режима. Чаще всего в качестве ПАР используются токи и напряжения нулевой или обратной последовательности, измеренные по концам или с одной стороны повреждённой высоковольтной линии. В настоящее время все существующие дистанционные методы ОМП в ВЛ СЦБ можно разделить на две группы: Методы, для ОМП которыми измеряются ПАР контура фаза-земля (метод Z, метод X). 1. Методы, для ОМП которыми измеряются ПАР контура фаза-фаза (так называемый петлевой метод). Рассмотрим существующие дистанционные методы ОМП более подробно. На рисунке 1.2 показана общая схема ОМП первой группы методов (метод Z, метод X). На рисунке 1.2 приняты следующие обозначения: 1 - фаза с повреждённой изоляцией; 2,3 - фазы с неповреждённой изоляцией; 4 - трёхфазный источник питания линии; 5 — трёхфазный выключатель; 6 — разъединитель трёхфазный; 7,8,9 — коммутационные аппараты; 10 —трансформатор напряжения; 11,12,13 —трансформаторы тока; 14 — устройство ОМП. При ОМП методами Z или X определяется фаза с повреждённой изоляцией. Далее линия отключается от источника питания 4 с помощью трёхфазного выключателя 5, после чего замыкается с помощью коммутационного аппарата 9 либо нейтраль питающего трансформатора, либо с помощью коммутационных аппаратов 7 или 8 одна из неповреждённых фаз линии. После этого включается трёхфазный выключатель 5, и с помощью трансформатора напряжения 10 и трансформаторов тока 11, 12, 13 измеряются параметры аварийного режима работы линии. Расстояние до места повреждения в линии определяется по известному алгоритму с помощью устройства ОМП 14.
Схема замещения источника питания ВЛ СЦБ
Воздушная линия электропередачи В Л СЦБ с напряжением 6 или 10 кВ получает питание от трехфазного двухобмоточного повышающего трансформатора ТСЦБ мощностью 160, 100, или 63 кВ А Схема соединения обмоток таких трансформаторов Л./Х.-12. Нулевая точка вторичных обмоток при этом не заземлена. Первичная обмотка этого трансформатора присоединена к шинам собственных нужд тяговой подстанции с напряжением 0,4/0,23 кВ. В свою очередь шины собственных нужд получают питание от понижающего двухобмоточного трансформатора ТСН мощностью от 100 до 400 кВА с соединением обмоток Л,/Х-12. На тяговых подстанциях постоянного тока первичную обмотку ТСН подключают к шинам распределительного устройства 10 или 35 кВ, на тяговых подстанциях переменного тока - к шинам распределительного устройства 27,5 кВ.
Тяговые подстанции присоединяются к энергосистеме (ЭС) достаточно длинными линиями с напряжением 110-220 кВ, которое понижается затем до 27,5 или 10 кВ понизительными (тяговыми) трансформаторами. При этом от выводов тяговой подстанции до выводов ТСЦБ происходит тройная трансформация напряжения в условиях, при которых трансформаторы ТСН и ТСЦБ имеют мощность на два порядка меньше мощности тягового трансформатора.
Такие особенности позволяют считать без сколько-нибудь заметной погрешности, что первичная обмотка трансформатора ТСН подключена к источнику бесконечной мощности ЭС, а периодическая составляющая тока короткого замыкания в ВЛ СЦБ во времени не изменяется /4,5/.
Таким образом упрощенная схема питания В Л СЦБ может быть представлена в виде, приведенном на рисунке 2.2. При трёхфазном КЗ К 3) на выводах трансформатора ТСЦБ установившееся значение модуля тока короткого замыкания определяется по формуле /45/: где Е,, Ел — фазная и линейная ЭДС источника питания ЭС; активное и индуктивное сопротивления фазы схемы питания. Удобно все параметры схемы замещения приводить к напряжению ВЛ СЦБ. Поскольку сопротивления трансформаторов ТСН и ТСЦБ достаточно велики, то сопротивления цепей, связывающих ЭС с ТСН и ТСН с ТСЦБ можно 43 не учитывать. В соответствии с /46,47/ не учитываются также токи намагничивания трансформаторов. ST ном - номинальная мощность трансформатора, МВ-А; Индуктивное сопротивление фазы трансформатора равно, Ом: Объединяя последовательно соединённые сопротивления в каждой фазе, получаем результирующие сопротивления фазы источника питания: Рисунок 2.3 - Схема замещения источника питания ВЛ СЦБ Выражению (2.6) соответствует схема замещения, приведённая на рисунке 2.3, в которой ЕА, Ев, Ее — фазные ЭДС источника питания. Эти ЭДС равны по модулю Е, и сдвинуты друг относительно друга на 120 эл. При двухфазном КЗ К(2) токи КЗ на выводах В Л СЦБ определяют с использованием метода симметричных составляющих /45-47/. Модуль тока двухфазного КЗ вычисляют по формуле /45,46/ где Я12,Х1Е - результирующие активное и индуктивное сопротивления схемы замещения прямой последовательности; RZZ X2T. - результирующие активное и индуктивное сопротивления схемы замещения обратной последовательности. Известно, что для трансформаторов, автотрансформаторов, воздушных линий, кабелей и реакторов сопротивления прямой и обратной последовательности одинаковы и равны сопротивлениям в нормальном симметричном режимах /45/. Применительно к рассматриваемой схеме питания выражение (2.7) примет вид:
Этому выражению также соответствует схема замещения, приведённая на рисунке 2.3. Эта же схема замещения источника питания справедлива и для нормального режима работы ВЛ СПБ. Для обнаружения места ОЗЗ по параметрам аварийного режима необходимо замкнуть на землю либо одну из неповреждённых фаз вторичной обмотки трансформатора /9/, либо её нулевую точку /14/. В первом случае однофазное замыкание на землю переводится в режим двойного короткого замыкания на землю (/Qg /), во втором случае — в режим однофазного короткого замыкания на землю (К 1 ) /37,46/. Поскольку ВЛ СЦБ является линией с односторонним питанием, то при двойном коротком замыкании на землю токи нулевой последовательности через источник питания не протекают /37/. Поэтому, схема замещения источника питания, приведенная на рисунке 2.3, пригодна для моделирования и такого режима. Иначе дело обстоит при однофазном коротком замыкании на землю. Схема питания в этом случае приобретает вид, приведенный на рисунке 2.4 Известно, что в схеме обмоток трансформатора Ж/Ж с заземлённой нулевой точкой (в таком режиме оказывается трансформатор ТСЦБ) токи нулевой последовательности могут протекать лишь в том случае, если со стороны первичной обмотки в питающей сети есть еще одна заземлённая нулевая точка /45,46,49/. В схеме на рисунке 2.4 такая точка есть — это нулевая точка вторичной обмотки ТСН. В таком случае сопротивление нулевой последовательности трансформатора ТСЦБ определяется так же, как сопротивление прямой (обратной) последовательности по формулам (2.2), (2.3) и (2.4). Через обмотки с соединением Ж/Ж токи нулевой последовательности проходить не могут. Точнее, эти токи проходят по вторичным обмоткам с заземлённым нулем, а в первичную проходить не могут /45,46/. Поэтому сопротивление трансформатора ТСН при однофазном КЗ имеет другое значение. Поскольку токи нулевой последовательности из вторичной обмотки трансформатора в первичную не проходят, то это означает, что ток однофазного КЗ из вторичной обмотки в первичную трансформируется не полностью. В результате неполной компенсации магнитодвижущих сил (ампер-витков) в трансформаторе появляются дополнительные магнитные потоки. В схеме замещения трансформатора это отражается таким образом, что сопротивление первичной обмотки оказывается соединённым последовательно с сопротивлением ветви намагничивания. Это приводит к значительному увеличению сопротивления трансформатора /48/. В общем виде ток однофазного короткого замыкания равен: Полные результирующие сопротивления схемы замещения различных последовательностей представим в виде:где Щ сн тсн " активная и индуктивная составляющая полного сопротивления трансформатора ТСН при однофазном коротком замьпсании. Далее примем: тсн = тсн + RTCH » X = Хтсн + XJCH (2-13) где RTCH TCH " значения добавок активной и индуктивной составляющих сопротивления трансформатора ТСН, на которые увеличивается сопротивление этого трансформатора по сравнению с другими режимами. В этом случае вместо выражения (2.13) получаем:
Моделирование реального участка линии
В качестве объекта исследования был выбран участок ВЛ СЦБ Кореновск — Краснодар Северо - Кавказской железной дороги. Участок является типовым, с характерными для линий ВЛ СЦБ признаками неоднородности. Этот участок В Л СЦБ 10 кВ выполнен с применением сталеалюминевых проводов марки АС-35. Длина участка, с учётом перегонов составляет 52 км. Нагрузка и все её параметры были использованы в соответствии с картами секционирования службы электроснабжения СКЖД.
Гц участка Кореновск - Краснодар осуществлено к шинам собственных нужд через повышающий трансформатор ТСЦБ. Параметры схемы замещения элементарного участка ВЛ СЦБ Кореновск — Краснодар, рассчитывались по формулам из п.2.2., и приведены в таблице 3.1. В качестве элементарного участка линии был принят участок протяжённостью 100м, схема замещения которого показана на рисунке 2.7. Элементарные участки между точками присоединения нагрузки объединялись в блоки, каждый из которых содержал модель воздушной или кабельной линии ВЛ СЦБ разной длины.
В таблице 3.2 представлены номера блоков и протяжённость моделируемых ими участков ВЛ СЦБ. Кабельные вставки обозначены KB, параметры схемы замещения которых приведены в Приложении Б. На реальной линии подключение нагрузок осуществляется неравномерно по всей протяжённости линии, поэтому для удобства моделирования целесообразно представить её отдельной подсхемой. На рисунке 3.1 однофазная и трёхфазная нагрузки представлены отдельными блоками (подсхемами). Каждая подсхема содержит схему замещения, значения которой приведены в Приложении Б. На рисунке 3.2 эти блоки показаны как ОМ и ТМ соответственно. На рисунке 3.2 показан фрагмент схемы замещения ВЛ СЦБ, составленный с использованием программы Electronics Workbench. Соединив каскадно все блоки, каждый из которых содержит схему замещения элементарного участка определённой протяженности, получаем соответствующую длину реального участка ВЛ СЦБ Кореновск-Краснодар. При моделирования однофазного короткого замыкания, нейтраль питающего трансформатора соединяется с землёй. Короткое замыкание с переходным сопротивлением моделируется активным сопротивлением (элемент R на рисунке 3.2). Моделирование кабельных вставок аналогично моделированию элементарного участка линии. Схема замещения кабельной вставки показана на рисунке 2.14. Параметры схемы замещения кабельной вставки выполненной кабелем марки АСБ - 3x50 при однофазном и многофазном коротком замыкании приведены в Приложении Б. В модели высоковольтной линии кабельная вставка представлена в виде отдельного многополюсника (на рисунке 3.3 блок KB 100т.), содержащего схему замещения, и включенного в рассечку воздушной линии.
Стоит отметить, что на реальном участке линии ВЛ СЦБ Кореновск — Краснодар имеются две кабельные вставки протяжённостью 100 м, и одна -протяжённостью 400 м.
В качестве источника питания в модели использован идеальный генератор переменного напряжения. В каждой фазе ВЛ СЦБ установлено по такому генератору с действующим значением фазного напряжения Ю/л/З кВ и частотой 50 Гц. Начальные фазы синусоидального сигнала у этих генераторов сдвинуты на 120, таким образом, что в фазе А фазовый угол генератора будет 240, в фазе В 120, в фазе С 0 (рисунок 3.4). Значения сопротивлений ТСН и ТСЦБ приведены в Приложении Б.
Имея схемы замещения отдельных элементов ВЛ СЦБ можно составить её полную модель. Такая модель представлена на рисунке 3.5. 3.3 Оценка погрешности программы Electronics Workbench Процесс моделирования в программе Electronics Workbench сводится к следующему. После запуска моделирования данные моделируемой схемы считываются программой (с экрана монитора), затем компоненты заменяются их математическими моделями и составляется система линейных, нелинейных или дифференциальных уравнений по методу, аналогичному методу узловых потенциалов. Далее система уравнений (матрица) преобразуется в две треугольные — нижнего и верхнего уровней, после чего для нахождения корней применяется метод Ньютона-Рафсона /41/. Погрешность моделирования программы задается командой RELTOL расположенной в меню Analysis. Эта команда отвечает за относительную ошибку моделирования, влияющую на сходимость решения и скорость моделирования. В /41/ для моделирования рекомендуется устанавливать значение этой ошибки в пределах 10 -ПО . Однако с увеличением точности значительно замедляется процесс (скорость) моделирования. Поэтому при выборе точности моделирования принималось компромиссное значение команды RELTOL, по умолчанию равное 10 . Рисунок 3.6 — Погрешность моделирования программы Electronics Workbench Для оценки погрешности моделирования ВЛ СЦБ с использованием программы Electronics Workbench, моделировалось однофазное короткое замыкание при значениях переходного сопротивления равных 1,10, 50, 100 Ом и при глухом коротком замыкании. При этом из модели исключалась нагрузка линии и ёмкостные связи. В этом случае при ОМП методом X погрешность измерения должна равняться нулю, т.к. этот метод не зависит от переходного сопротивления. Таким образом, существующая при этом погрешность ОМП методом X и есть погрешность программы Electronics Workbench. На рисунке 3.6 представлены кривые, соответствующие различным значениям переходного сопротивления.
Погрешности моделирования программы Electronics Workbench составляют от 0,02 % при глухом коротком замыкании, до 0,5% при дальних КЗ и переходном сопротивлении 100 Ом. Эту погрешность можно охарактеризовать как инструментальную /98/. Поскольку эта погрешность имеет закономерный характер в дальнейшем, при моделировании, она вычиталась из полученных значений погрешности ОМП.
Метод 1 для определения места повреждения в ВЛ СЦБ
На основании проведённых в п.4.1 исследований был предложен метод 1 для ОМП в В Л СЦБ /102-104/. Принцип метода поясняется схемой, приведённой на рисунке 4.2. На рисунке 4.2 приняты следующие обозначения: 1 — первая фаза линии электропередачи с повреждённой изоляцией в точке К на удалении к от трёхфазного источника питания; неповреждённой изоляцией; 4 - трёхфазный источник питания; 5 — выключатель трёхфазный; 6,7 - соответственно первая и вторая заземляющие перемычки; 8 - разъединитель трёхфазный; 9,10 - дополнительные перемычки (коммутирующий аппарат); 11 - источник однофазного переменного напряжения; 12 - ограничивающее сопротивление; 13 - трансформатор тока; 14 - трансформатор напряжения. При замыкании на землю в точки К провода первой фазы с повреждённой изоляцией при ОМП методом 1 последовательно осуществляют следующие операции: 1. Определяется первая фаза линии с повреждённой изоляцией, при помощи трёх вольтметров, подключённых к трансформатору напряжения; 2. Линия отключается от источника питания известным образом с помощью трёхфазного выключателя 5; 3. Размыкается питающий конец провода второй и третьей фазы с неповреждённой изоляцией с помощью коммутационного аппарата 8; 4. Перемыкаются между собой накоротко провода второй и третьей фазы возле источника питания и на известном расстоянии на противоположном конце линии с помощью перемычек 6 и 7; 5. Соединяются перемычки 6 и 7 с землёй в начале линии и на известном расстоянии в конце линии. 6. Замыкается на землю нулевая точка питающего трансформатора с помощью коммутационного аппарата 10; 7. Замыкается коммутационный аппарат 9; 8. Измеряются параметры аварийного режима работы линии; 9. С помощью вычислительно-измерительного комплекса (ВИК) определяется расстояние до места однофазного замыкания на землю по формуле: где U - напряжение между фазой с повреждённой изоляцией и землёй; /} - ток повреждённой фазы линии; ф - фазовый угол между U и 1Х; Коэффициенты А и В, учитывающие конструктивную особенность линии, определяются из выражений: где xl- индуктивная составляющая удельного сопротивления прямой последовательности 1 км линии; z23 - модуль удельного сопротивления контура «эквивалентный провод двух фаз-земля»; а2з - аргумент удельного сопротивления контура «эквивалентный провод двух фаз-земля»; zM — модуль удельного сопротивления взаимоиндукции между двумя контурами «провод-земля»; ам - аргумент удельного сопротивления взаимоиндукции между двумя контурами «провод-земля»; L — расстояние от начала до конца линии. Повышение точности ОМП предложенным методом 1 достигается за счёт следующих факторов:отключение проводов 2 и 3 от источника питания приводит к отключению всех однофазных нагрузок линии, подключённых между проводами 1 и 2,2 и 3, 3 и 1, что полностью исключает составляющую нагрузок в фазных токах; - отключение проводов 2 и 3 от источника питания и соединение их с землёй по концам линии существенно снижает составляющую поперечной ёмкостной проводимости в фазных токах; - отключённые от источника питания и соединенные с землёй в начале и в конце линии провода 2 и 3 выполняют роль экранирующего провода, и поэтому существенно снижают электромагнитное влияние контактной сети; 147 - перемыкание проводов 2 и 3 в начале и конце линии и использование указанной последовательности операций полностью исключает влияние электрической дуги или переходного сопротивления в месте повреждения. Другой способ обеспечения питания линии при ОМП методом 1 показан на рисунке 4.6, где в качестве источника питания линии может использоваться, к примеру, испытательный трансформатор 11. Сопротивление 12 предназначено для уменьшения тока при близких коротких замыканиях. Для обоснования предложенного метода 1 рассмотрим расчетную схему замещения линии ВЛ СЦБ с замыканием на землю фазы 1 в точке К, и с отключёнными от трёхфазного источника питания фазами 2 и 3, замкнутыми на землю в начале и конце линии, приведённую на рисунке 4.3. При этом фазы 2 и 3 оказываются соединёнными параллельно. Известно, что два контура «провод-земля» могут быть заменены одним контуром «эквивалентный провод двух фаз - земля» /88/. Из-за транспозиции проводов линии электропередачи индуктивное влияние тока \\ фазы 1 с повреждённой изоляцией на провода фаз 2 и 3 одинаково, поэтому сопротивление z_zs контура «эквивалентный провод двух фаз-земля» равно z s =0.5-(zi +zM). 148 Расчётная схема, в которой провода 2 и 3 заменены эквивалентным 23, приведена на рисунке 4.4. Рассмотрим два контура, первый из которых включает источник 4, провод 1, место замыкания К, землю и снова источник 4, а второй - это контур «эквивалентный провод двух фаз - земля». Для них справедливы следующие уравнения в соответствии со вторым законом Кирхгофа Полученные выражения (4.15) и (4.16) аналогичны выражениям (4.1) и (4.2), что доказывает справедливость предложенных выражений. Метод 1 останется работоспособным, если на землю замкнуть не две, а только одну фазу с неповреждённой изоляцией (вторую или третью). Однако точность определения к при этом снижается. При замыкании на землю только одной фазы с неповреждённой изоляцией в формуле (4.15) для определения А надо заменить Z23 на zi и ог2з на
