автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Методика обнаружения места повреждения при однофазных замыканиях на землю в распределительных электрических сетях напряжением 6 - 35 кВ по их частотным характеристикам

На правах рукописи

АБДУЛЛАЗЯНОВ РУСТЕМ ЭДВАРДОВИЧ

МЕТОДИКА ОБНАРУЖЕНИЯ МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ

ПРИ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЯХ НА ЗЕМЛЮ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ НАПРЯЖЕНИЕМ 6 -35 кВ ПО ИХ ЧАСТОТНЫМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 5 АПР

Казань-2013

005057956

005057956

Работа выполнена на кафедре «Электроэнергетические системы и сети» ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет».

Научный руководитель:

Федотов Александр Иванович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет», профессор кафедры «Электроэнергетические системы и сети».

Официальные оппоненты:

Андреев Николай Кузьмич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет», заведующий кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок и технологических комплексов».

Кузнецов Артем Викторович, кандидат технических наук, генеральный директор ООО НПО «Энергия», г. Казань.

Ведущая организация:

ООО Инженерный центр «Энергопрогресс», г. Казань.

Защита состоится «14» мая 2013г. в 16.00 часов на заседании диссертационного совета Д212.079.06 при Казанском национальном исследовательском техническом университете им. А.Н Туполева - КАИ по адресу: 420015, г. Казань, ул. Толстого, 15 (учебный корпус №3, ауд. 216).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КНИТУ-КАИ.

Электронный вариант автореферата размещен на сайте Министерства образования и науки РФ (www.mon.gov.ru') и на сайте КНИТУ-КАИ (www.kai.ru).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью организации, просим присылать по адресу: 420111, г. Казань, ул. К.Маркса, 10, КНИТУ-КАИ, на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан «11» апреля 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.079.06 ~—¡оЧ^-—

К.Т.Н., доцент Г Бердников A.B.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. За последние годы наблюдается устойчивый рост количества технологических присоединений в воздушных распределительных электрических сетях (РЭС). По данным ОАО «Сетевая компания», г. Казань, с 2006 по 2011 гг. оно увеличилось более, чем в 7 раз. Одновременно имеет место старение воздушных линий РЭС, которые эксплуатируются по нескольку десятков лет. Ранее принятые нормы климатических воздействий на линии электропередач задавали частоту повторяемости экстремальных величин не чаще, чем 1 раз в 10 лет. В настоящее время продолжительность наблюдения увеличена до 30 лег, что показывает: подавляющее большинство РЭС эксплуатирует линии электропередачи в условиях внешних воздействий, превышающих нормативные.

Установившиеся рыночные отношения в электроэнергетике предъявляют к поставщику электроэнергии жесткие требования к надежности электроснабжения. Учитывая, что в сетях напряжением 6-10 кВ уже более 50% воздушных линий (ВЛ) электропередачи отработали свой срок (в них происходит в среднем 26 отключений в год в расчете на 100 км) и повсеместная их реконструкция в ближайшей перспективе финансово непосильна, актуальной становится проблема быстрейшей ликвидации повреждений. Восстановление нормального режима линий требует примерно 3/4 всех трудозатрат на эксплуатацию, которые могут быть существенно снижены за счет ускорения определения мест повреждений (ОМП), наиболее частым из которых является однофазное замыкание на землю (ОЗЗ).

Известны работы таких ученых, как ГЛ. Евдокунин, К.П. Кадомская, СЛ. Кужеков, М.А. Короткевич, ФА. Лихачев, Л.И. Сарин, АА. Челазнов, В.И. Щуцкой, ГМ. Шалит, А.И. Шалин, А.И. Ширковец, ВА. Шуин и др., посвященные изучению физики процессов при 033 в сетях с изолированной или компенсированной нейтралью и разработке методов ОМП на ВЛ. Экспериментальные исследования, а также натурные измерения процессов дугового замыкания на землю, выполненные фирмой «Болид», г. Новосибирск, показали проявление в спектре напряжений на подстанциях высших гармоник повышенного уровня на частотах в килогерцовом диапазоне.

В нормальном режиме РЭС спектр гармоник, обусловленных нагрузкой и элементами сети, быстро затухает и область частот в несколько десятков килогерц и выше может оказаться предпочпттельней для идентификации ОЗЗ как менее зашумленная. Именно в этой области частот наблюдается проявление волновых свойств ВЛ РЭС, что открывает новые возможности построения систем ОМП на основе выделения в спектре напряжений «резонансных» частот, соответствующих четверти длины волны — именно при этом условии происходит увеличение тока и напряжения соответствующей частоты.

Объектами исследования являются воздушные линии электропередачи распределительных электрических сетей напряжением 6 - 35 кВ древовидной топологии.

Предметом исследования выступают диагностические признаки наличия дуговых ОЗЗ на воздушных линиях электропередачи РЭС напряжением 6 - 35 кВ и их связь с расстоянием до места повреждения.

Цель исследования состоит в повышении надежности электроснабжения потребителей РЭС путем сокращения времени обнаружения мест ОЗЗ.

Задача исследования. Разработка методики обнаружения мест однофазных замыканий на землю на воздушных линиях электропередачи.

Задача исследования решается в следующих направлениях:

1. Анализ и оценка существующих признаков диагностики повреждений ВЛ электропередачи РЭС.

2. Исследование волновых свойств ВЛ РЭС 6-35 кВ на «резонансных»

частотах.

3. Обоснование целесообразности использования частотных характеристик ВЛ для обнаружения места ОЗЗ.

4. Разработка методики расчета расстояния до места ОЗЗ на ВЛ электропередачи по <фезонансным» частотам и проверка её достоверности на основе математических экспериментов.

Теоретическая и методологическая основа исследования базируется на использовании методов математического моделирования электрических сетей в сертифицированных программных продуктах Ма11аЬ и БшшНпк, теории электрических цепей, теории установившихся и переходных процессов в электрических сетях, опубликованных экспериментальных данных по однофазным замыканиям на землю.

Личный вклад автора заключается в разработке основных теоретических положений диссертации. В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежат постановка и формализация задач, разработка теоретических и методических положений, математических моделей и методов, реализация алгоритмических решений и анализ результатов.

Научная новшна исследования заключается в следующем.

Показано, что воздушные линии электропередачи РЭС напряжением 6 - 35кВ при воздействии дуговых замыканий на землю могут рассматриваться как длинные линии, при этом в области «резонансных» частот частотных характеристик допустимо использовать математическую модель линии без потерь актвной мощности.

Установлены закономерности изменения частотных характеристик в зависимости от расстояния до места подключения источника высших гармоник и режимных параметров электропередачи.

Предложено использование частотных характеристик относительно напряжений прямой, обратной и нулевой последовательностей на концах электропередачи для идентификации однофазного замыкания на землю и выявления места повреждения.

Разработана методика построения ЧХ относительно любой точки приложения источника высших гармоник в РЭС.

Практическая значимость работы заключается в том, что на основе дистанционных устройств учета электроэнергии будет реализована система выявления в РЭС фидера с ОЗЗ и определения на нём поврежденного участка. Тем

самым существенно сокращается время обнаружения мест повреждения, а также негативное воздействие на сеть перенапряжений, провоцируемых перемежающейся дугой.

Достоверность результатов и выводов исследования подтверждается применением апробированных моделей электропередачи, использованием общепринятых физических допущений в отношении моделирования линий электропередачи, использованием теоретических и экспериментальных данных других авторов и сопоставлением с ними полученных результатов.

На защиту выносятся следующие положения.

Математическая модель воздушной линии электропередачи распределительной электрической сети напряжением 6-35 кВ как длинной линии в режимах воздействия дуговых однофазных замыканий на землю.

Целесообразность использования частотных характеристик, снимаемых на концах электропередачи, для выявления поврежденного фидера по «резонансным» частотам.

Закономерности изменения частотных характеристик при 033 в различных точках РЭС для прямой, обратной и нулевой последовательностей напряжений в зависимости от места повреждения.

Методика построения ЧХ относительно любой точки приложения источника высших гармоник в РЭС древовидной структуры.

Апробация работы: П Молодежная научн. конф. «Тинчуринские чтения», Казань, 2007; ХШ и XIV Межпунар. научн.-техн. конф. студентов и аспирантов. МЭИ, 2007,2008; XV «Туполевские чтения» Межпунар. научн. конф., Казань, 2007; IX симпозиум «Электротехника 2030 Перспективные технологии электроэнергетики», Московская область, 2007; Межпунар. научн.-техн. конф. «ЭНЕРГЕТИКА - 2008: Инновации, решения, перспективы», Казань, 2008; Ш Молодежная научн. конф. «Тинчуринские чтения», Казань, 2008; Республиканский конкурс научных работ студентов и аспирантов на соискание премии им. Н.ИЛобачевского, Казань, 2008; XVI Всероссийская научно-методической конференции «Фундаментальные исследования и инновации в национальных исследовательских университетах», СП6ГТ1У, 2012; VIII Всеросс. научн.-техн. конф. «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике», Чебоксары, ЧТУ, 2012; VTn Mezinárodní védecko — praktícká konference «Vznik modemí védecké - 2012», Praha, 2012; Ш Межпунар. научн.-техн. конф. «Электроэнергетика глазами молодежи», Екатеринбург, УрФУ, 2012.

Результаты проведенных в рамках диссертационной работы исследований внедрены в филиале ОАО «Сетевая компания» Приволжские электрические cerra. Также результаты исследований внедрены в учебный процесс кафедры Электроэнергетические системы и сети «Казанский государственный энергетический университет».

Публикации: по теме диссертации опубликовано 17 научных работ, в том числе 3 статьи в журналах из перечня рекомендуемых ВАК МОиН РФ.

Структура работы: диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений и списка литературы. Общий объем диссертации 184 страниц, в том числе 73 рисунка, список литературы из 108 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задача исследования, научная новизна и практическая ценность полученных результатов, определены положения, выносимые на защиту.

В первой главе показана возможность использования высших гармоник напряжений, возникающих при ОЗЗ в РЭС, для выявления факта повреждения и исследуется проявление волновых свойств ВЛ, способствующих идентификации поврежденного участка электропередачи.

В сетях напряжением 110-750 кВ токи замыкания на землю имеют высокий уровень, многократно превышающий уровень рабочих токов. При этом емкостная проводимость ВЛ практически не оказывает влияния на их значения. В связи с этим допускается использование упрощенных П-образных схем замещения для аварийных режимов электрических сетей без учета поперечных проводимостей. В РЭС при воздействием дуги при возникновении 033 генерируются высшие гармоники частотой несколько килогерц и выше, для которых уже недопустимо пренебрежение поперечными проводимостями ВД т.к. на этих частотах начинают проявляться волновые свойства электропередачи. В диссертации показано, что в режимах ОЗЗ необходимо учитывать для токов нулевой последовательности не только изменение погонной индуктивности ВД но и принимать во внимание уменьшение погонной емкостной проводимости в сравнении с проводимостью прямой последовательности.

Усиление высших гармоник в режиме ОЗЗ хорошо видно на спектрограммах, полученных в натурных экспериментах фирмой «Болид», рис. 1 и 2.

I

I 0.7Ю

I-

г 0.200

[ 1 л

шли 1 .

1Ш, ..<.,11,^11

1

, и .1)1/1,1 ...............

8 101214 16 18 20 22 24 26 28 Э032 34 3б384а42 444648505254565в60£

Ношргармониш ■ *

I 8 Ш1:М1Б18202 24 26 2й 30 32 343б38«]4:М4£48га52545в58£йе2 64ебБ870 Номр гаримим

Рис. 1. Гармонический анализ Рис. 2. Гармонический анализ

напряжения ВЛ в нормальном режиме напряжения однофазного металлического

замыкания фазы на землю

Эксперименты также показали, что если в режиме ОЗЗ имеют место «биения», то усиление ВГ также имеет место (рис. 3 и 4), откуда следует что спектральный анализ весьма надежный инструмент по выявлению ОЗЗ.

12,00

I 130

I

I 1.0(1

х

I

5 050

Щ!

» 10 И II 13 14 15 К 17 1« 19 20 21 2 23 24 25 35 27 2» 2« № 31 32 33 Номер гармоники

Рис. 3 Спектральный состав тока ОЗЗ в минимумы его биения

1»

пЦл дД^Д^т^ЦЩ^! ! II! 11111111», 11, .Г;

9 10II 1МН4 151& 17 II1« » И И 3 » 8 К !7 » М Ж И Н Я И И » XI » » « Ношр гармония

Рис. 4 Спектральный состав тока ОЗЗ в максимумы его биения

Математическое моделирование участка РЭС в режиме ОЗЗ (рис. 5), выполненное А.Г. Лапшовым в среде 8ипиНпк, показало, во-первых, что ВГ могут фиксироваться на стороне 0,4 кВ трансформаторных подстанций; во-вторых, проявляет себя усиление ВГ на определенных частотах; в-третьих, имеет место связь между уровнем ВГ на «резонансных» частотах и местом ОЗЗ, что иллюстрируется на рис. 6 и 7.

0.4 кВ

0,4 кВ

0,4 кВ

Рис. 5. Принципиальная схема электропередачи 10 кВ РЭС

Осциллограф 1

16 17 II 19 20 21 Номер высшей гармоники

— ОсимляогмФ!

К-Осииллогр»Ф2

— ОсикляогоМЗ

— Осциляогрк»*

15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 23

^ Номер высшей гармоники

Рис. 6. Частотный анализ электропередачи при ОЗЗ на первом ответвлении

Рис. 7. Частотный анализ электропередачи при ОЗЗ на втором ответвлении

Анализ показывает, что при изменении ответвления с ОЗЗ максимальную амплитуду показывает тот осциллограф, на ответвлении с которым произошло замыкание. Принципиально важно, что измерение уровня ВГ на модели выполнялось на стороне 0,4кВ каждой ТП.

Тот факт, что ВГ, генерируемые дугой ОЗЗ на стороне 6 - 35 кВ воздушных линий РЭС, проявляют себя на стороне 0,4 кВ понижающих подстанций, делает возможным использование относительно дешевой низковольтной аппаратуры для измерения и обработки напряжений ВГ. Уместно заметать, что реализуемый в настоящее время принцип оценки места ОЗЗ по уровню ВГ начальной часта спектра тока требует установки трансформаторов тока на стороне высшего напряжения каждой ТП.

Таким образом, ВГ несут вполне достаточную информацию, во-первых, о наличии наиболее опасного вида ОЗЗ — дугового; во-вторых, могут усиливаться, что позволяет их выделить на фоне ВГ, обусловленных нагрузкой и нелинейным влиянием на ПКЭ электрооборудования.

Во второй главе рассмотрены частотные характеристаки электропередачи в симметричных режимах её работы и исследованы закономерности их изменения под воздействием различных факторов.

Показано, что при разработке методики использования ЧХ воздушных линий РЭС для выявления повреждений (в виде ОЗЗ) необходимо учитывать ряд существенных отличий от методики идентификации дефектов в сосредоточенных объектах (электрических машинах). Первая особенность заключается в заранее неизвестной точке приложения источника высших гармоник к объекту. Вторая особенность — это неизвестный спектральный состав самого источника. Следующее отличие — доступность для измерений ЧХ нескольких точек на электропередаче по разным симметричным составляющим напряжений. Наконец, влияние на форму ЧХ внешних факторов: текущего уровня тока КЗ на шинах центра питания (ЦП), топологии РЭС на момент снятая ЧХ, величины нагрузки понижающих подстанций.

При этом принципиально необходимо отказаться от общепринятых схем замещения ВЛ напряжением 6 — 35 кВ с сосредоточенными параметрами и перейти к описанию ВЛ на основе теории длинных линий, т.к. уже в области нескольких килогерц начинают проявляться волновые свойства линии.

Принятая схема замещения трехфазной электропередачи представлен на рис. 8, где источник напряжения е(п) имеет в общем случае произвольную частоту кратности п по отношению к промышленной частоте. Понизительная подстанция с трансформатором Г подключена к линии длиной / через выключатель Q. На высоких частотах пренебрежем влиянием активных сопротивлений на частоту, соответствующую максимуму напряжения на конце электропередачи. Запишем волновые уравнения электропередачи:

Üi = cos(nßl)Ü2 + jzc sin(nßl)i2, /, = cos

(1)

где р - коэффициент изменения фазы при промышленной частоте сети, ~с — волновое сопротивление линии, п—номер гармоники.

и.

б)

Рис. 8. Принципиальная схема электропередачи а и схема замещения б

Напряжение С/г будет максимальным, когда напряжение и2, рис. 86, достигает наибольшей величины. Поскольку аналитические выражения для передаточной функции ¡У2 несколько проще, чем если бы записывались относительно й^, то и далее будем оперировать величиной напряжения (У2, подразумевая, что на самом деле измерения производятся со стороны обмотки низшего напряжения трансформатора, т.е. напряжения и2. При учете питающей сети и нагрузки (хп =х+х() получаем ЧХ электропередачи

Е

1 хк

х,

Максимальному значению напряжения соответствует частота, определяемая из уравнения

соэМ)- Ьт(п/31)

ИХ,

(2)

на конце электропередачи

пхк / г с — 2С / пх„

(3)

При отключенной нагрузке на конце электропередачи (:„-><») оценим влияние внутреннего сопротивления источника на её ЧХ. «Резонансная» частота (её номер) находится из уравнения

(4)

пхк

Рассмотрен численный пример: электропередача длиной 30 км на напряжении 10 кВ выполнена проводом АС-95/16 имеет следующие параметры: источник: ге= 0,01 Ом; Ц, =0,01 Гн; ВЛ: г0 = 0,306 Ом/км; ¿0=4,13х10~3 Гн/км; С0 = 9,756x10"' Ф/км. Её волновые параметры 347,8 Ом;

/3 = сос^Ц)С„ =0,0010659 1/км. Расчет по уравнению (4) дает следующий результат:

пр = 38,5; что соответствует частоте 1925 Гц. На рис. 9 приведена ЧХ, полученная на

модели электропередачи в среде БипиПпк, где ВЛ моделировалась как линия с распределенными параметрами.

Видно, что на «резонансной» частоте напряжение на конце электропередачи в сравнении с напряжением источника повысилось больше, чем на порядок, а сама «резонансная» частота составила 1895 Гц, что показывает: переход от реальной В Л к её представлению линией без потерь активной мощности обусловил ошибка в расчетах менее 1,6 %. Если же пренебречь сопротивлением источника, то получим пр = 49,12; что соответствует частоте 2456 Гц и обусловливает ошибку 29,6%.

ец зооооо т-

н 280000

£ 240000 | ^ 220000

3000 3500 4000 Частота. Гц

Рис. 9. Частотная характеристика электропередачи

Рассмотрим влияние уровня токов КЗ на шинах ЦП на «резонансные» свойства ЧХ. Пусть нагрузка на конце электропередачи отключена (г„ —>оо). Тогда «резонансу» соответствует выполнение условия

пр, о.е. 160

140

120

100

80

60

40

5 10 15 20 25 30 /, км

Рис. 10. Зависимость «резонансной» частоты от длины ВЛ

На рис. 10 представлено решение уравнения (4) при изменении длины электропередачи для различных значений тока КЗ.

Кривая 1 соответствует току КЗ 20 кА, кривая 2 - току КЗ 10 кА, кривая 3 - току КЗ 5 кА, кривая 4 - току КЗ 1,84 кА. Пунктирная кривая соответствует предельному случаю (бесконечный ток КЗ на шинах ЦП).

На рис. 11 представлены графические зависимости кратности «резонансной» частоты пр от индуктивного сопротивления нагрузки (включая трансформатор подстанции), выраженного в относительных единицах.

300

250

200

150

100

50

1-5 км

/=10 км

/=15 км /=20 км

/=25 км /=30 км

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 ц,о.е. Рис. 11. Влияние нагрузки на «резонансную» частоту, ц = хп / zc

Анализ графиков, рис. 11, показывает, что в сетях напряжением 10 кВ только при значениях ц<0,15, совершенно не характерных для сельских потребителей, следует учитывать влияние нагрузки на «резонансную» частоту электропередачи.

При поперечном включении источника напряжения нулевой последовательности (НП) как начало, так и конец электропередачи должны считаться разомкнутыми, т.к. отсутствуют пути для протекания токов НП. Напряжение НП может быть измерено на шинах ЦП, где установлены измерительные трансформаторы с вторичной обмоткой, выполненной по схеме «разомкнутый треугольник». Комплексная частотная характеристика начального участка электропередачи будет определяться следующим выражением:

соя(л/?/2)н——бш (п/312)

пх„

(и/?/,)+-^-8т(иД ) соз(л/?/2)+-^зт(л/?/2)

+У>» + Л

—— сое (л/?/,)+—8т(я/?/,)

пхк гс

--сое (и/?/2)+—зт(л/?/2)

сое (п/}1г )

и*.

Для схемы рис. 12 рассчитаны ЧХ по формуле (6) и сравнены с полученными на математической модели в среде БшшИпк, отличие «резонансных частот не превысило 8,8%. На рис. 13 приведены ЧХ по напряжениям НП при смещении вдоль линии источника ВГ на 7,5 км, 15 км и 22,5 км. Принято, что электропередача напряжением 10 кВ длиной 30 км, выполненная проводами АС-95/16, имеет

следующие параметры по НП: г^ =974 Ом; р(0) =0,0013325 1/км, контактное

сопротивление г/,-1 кОм.

--

¿(1)(1) ¿г(0)

п>

~7ТГ

М0) 2

Рис 12. Принципиальная схема моделируемой сети

180 160 140 120 100 80 60 40 20 о

о

5000 10000 15000 20000

_ I, Гц

25000

Рис. 13. Частотные характеристики НП для начала электропередачи

Численные расчеты «резонансных» частот подтверждают допустимость перехода к математической модели ВЛ на высоких частотах как к линии без потерь активной мощности и для напряжений нулевой последовательности. Таком образом, при построении частотных характеристик для распределительных электрических сетей напряжением 6 — 35 кВ необходимо использовал» математические модели линий электропередачи, представляемых как длинные линии. Использование допущения о возможности перехода от общих уравнений длинной линии к частным, описывающим линию без потерь активной мощности, облегчает расчеты и обеспечивает на частотах более 1 кГц приемлемую точность (ошибка в пределах нескольких процентов).

В третьей главе изучены ЧХ электропередач при однофазном поперечном подключении к линии источника высших гармоник.

Дуговое замыкание фазы линии на землю можно интерпретировать как поперечная однофазная несимметрия электропередачи, обусловленная включением источника высших гармоник. Преобразование исходных волновых уравнений длинной линии в установившемся режиме к уравнениям относительно прямой, обратной и нулевой последовательностей показывает, что, как и для линий с сосредоточенными параметрами, уравнения баланса напряжений могут составляться для каждой из последовательностей в отдельности. При этом волновые параметры линии по НП изменяются вследствие увеличения погонной индуктивности хо и уменьшения погонной ёмкости . В результате волновое сопротивление линии по НП возрастает более чем в 2,5 раза, а коэффициент изменения фазы — примерно на 30%, что необход имо учитывать при построении ЧХ.

Получены уравнения для каждой последовательности отдельно:

С/(1'2'°>=со5(«р(1'2'°)/12>/(1-2'0>-ну41'2,0)85п(/)р(1,2,0)/12)/(1,2,0) -

(1,2,0)

^с

(7)

где верхние индексы отвечают номеру последовательности. При этом волновые сопротивления гс и коэффициенты изменения фазы р одинаковые только для прямой и обратной последовательностей:

г(»=ги =

ГГ~ (0) ,-

¡V' -II \•р(1)=р(2)р(0)=^^ ■ 1/0 )Уо

Для схемы электропередачи, рис 12, где подключение источника ВГ принято только к фазе «я», справедлива комплексная схема замещения, рис. 14, где каждый её фрагмент, относящийся к ВЛ, описывается волновыми уравнениями вида (7). На рис. 15 представлена преобразованная схема замещения рассматриваемого режима электропередачи, для которой при смещении источника высших гармоник к концу электропередачи {¡2 ->0) имеем

Рис. 14. Комплексная схема замещения электропередачи

Рис. 15. Преобразованная схема замещения электропередачи

Если же источник смещается к началу электропередачи (/, —> 0), то .(1) .(2) . .(0)

В предельных случаях, когда внутреннее сопротивление системы равно нулю, а трансформатор нагрузочной подстанции отключен, получаем

;<1> = ¿(2)

'1

Г'

Полученная схема замещения (рис. 15), позволяет построил, частотные характеристики в зависимости от выбранной точки наблюдения параметров режима электропередачи по выбранной последовательности напряжений. В общем случае ЧХ по НП относительно начала электропередачи описывается следующим выражением

Ф(0) =_!_ ю\

1 , / ¿0Ы0 л(0),.(0) д(2).(2) -СО) -СО) ^ "

21 2 ^ 1 2 , 2\ 2 ^ г1

СОь{«р(0)/^ 1+ .(0)^0) * ¿«+¿(1) + ¿(('»¿(О) ¿(2)

В частном случае, когда внутреннее сопротивление системы равно нулю, а трансформатор нагрузочной подстанции отключен, получаем

^(0) __1_7_^-

1 / (0) / 25!пМ,)со5М2)5тМ(0У) ^• (10) ^ 'V дсо5{пП)а>5{пр(0%)со*(п/31)) Анализ ЧХ показывает, что «резонансные» частоты одинаковые как для напряжений ПП и ОП, так и для напряжений НП. Этот результат важен в том отношении, что эти частоты можно выделять на стороне 0,4 кВ, где нет возможности в измерении напряжений НП. Также важно и для измерений частот на шинах ЦП: облегчается их выделение именно по напряжению НП, тле на шинах 6 — 10 —35 кВ всегда устанавливаются трансформаторы напряжения, оснащаемые обмоткой низшего напряжения, соединенной по схеме «разомкнутый треугольник».

На рис. 16 приведены ЧХ для случая, когда однофазный источник ВГ подключен в середине ВЛ к фазе «а».

1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10

> Напряжение, В, начало линии —О—Напряжение, В, конец линии

Рис. 16. Частотные характеристики электропередачи

Измерения производились по напряжениям нулевой последовательности на концах электропередачи. Обе ЧХ, как это и должно быть, совпадают. Первый локальный максимум ЧХ, рис. 16, объясняется вторым сомножителем знаменателя выражения (10).

Обобщая результаты исследования, на рис. 17 построены зависимости кратности «резонансных» от уровня тока КЗ на шинах ЦП для двух крайних положений источника ВГ в диапазоне от 1 кА до 20 кА, который характерен для подстанций РЭС.

Рис. 17. Кратности «резонансных» частот

На рис. 17 приняты следующие обозначения: цифрами 1, 2, 3 обозначены электропередачи длиной ВЛ соответственно 10 км, 20 км и 30 км. Сплошные линии графиков относятся к режиму поперечного однофазного включения источника ВГ в начале ВЛ; пунктирные линии — режим подключения источника ВГ в конце ВЛ По оси абсцисс отложены значения тока трехфазного КЗ на шинах ЦП, характеризующего внутренне сопротивление питающей сети. Анализ полученных графиков показывает следующее.

Чем выше ток КЗ на шинах ЦП, тем выше «резонансные» частоты ВЛ, при этом возрастает частотный диапазон, в который укладываются «резонансные» частоты при подключении источника ВГ к промежуточным точкам ВЛ. Также данный частотный диапазон возрастает с уменьшением длины ВЛ. Т.е. самым плохим с точки зрения определения расстояния до места повреждения является вариант длинной электропередачи при низком токе КЗ на шинах ЦП. Так, для ВЛ длиной 30 км при токе КЗ на шинах ЦП равным 2 кА в частотный диапазон укладываются 7 гармоник; для этой же линии при токе КЗ 15 кА—15 гармоник.

При удалении источника высших гармоник от шин центра питания «резонансная» частота снижается; с увеличением тока КЗ на шинах центра питания «резонансная» частота растет. При этом, чем больше длина электропередачи и чем

выше ток КЗ, тем менее чувствительна «резонансная» частота к этим параметрам. Для повышения чувствительности измерений необходимо использовать информацию, поступающую с конца электропередачи.

В четвертой главе предложена методика математического описания РЭС для построения частотных характеристик.

В предыдущих главах были рассмотрены одиночные линии электропередачи. Поскольку в РЭС такой случай представляется как исключение, необходимо методику построения частотных характеристик в общем случае, когда на любой из линий РЭС древовидной структуры задается произвольная точка поперечного подключения источника ВГ, а измерения уровня напряжений выполняются на шинах также произвольно выбранной подстанции (включая и шины ЦП). Специфика математического описания РЭС в данном случае заключается в том, что существующие промышленные программы расчета рабочих и аварийных режимов РЭС основываются на узловых уравнениях, к которым привязаны базы данных, системы телемеханики, обеспечивающие координацию расчетных схем с реально существующими на текущий момент времени.

Для интеграции методологии построения ЧХ в существующие программные разработки необходимо перейти от волновых уравнений ВЛ к П-образным схемам замещения с сосредоточенными параметрами, что осуществимо с помощью следующих уравнений связи (с их коррекцией на рассматриваемую последовательность)

¿1 =Щ +]Х\ У\ =С| + ]В\ =—хкщ~,

¿С 2

где у —коэффициентраспространения волны.

По методике описания режима электрической сети относительно узловых потенциалов поперечные проводимости принято замещать источниками тока и объединять их с нагрузкой, что упрощает математическое описание сложных схем. В случае решения задачи построения ЧХ такой подход неприемлем, т.к. изменение частоты непосредственно влияет на значения емкостной проводимости, и узловые уравнения должны быть записаны в следующем виде

№]=И-№1 с")

где — диагональная матрица узловых поперечных проводимостей; [/] — матрица токов нагрузки; \Уи ]—классическая матрица узловых проводимостей.

Матрица узловых поперечных проводимостей \уп ] может быть формируется из диагональных матрица поперечных проводимостей каждой ветви, исходя из П-образной схемы замещения:

'ГЦ

О

О

О о

КК о

о

й02/2

о о

^ом'м

где ¿о/т - погонная емкостная проводимость, /дгт - длина соответствующего тя-го участка В Л из числа всей ветвей М.

Если в число ветвей входит, например трансформатор, где не учитывается наличие потерь в ветви намагничивания, то соответствующая проводимость в матрице (11) имеет нулевое значение.

Далее находятся две матрицы:

М=Ммл4 и И=N1^М-

Тогда

[^НМ^Й (13)

На рис. 18 представлены в общем виде схемы замещения РЭС с произвольно выделенным узлом N+1 (последний номер) и подключением источника ВГ в рассечку линии по номером т. Очевидно, что в результате образуется новая линия, которой присвоен последний номер М+1.

к :т N+1 ¿М+1

Рис. 18. Схема замещения линии с дополнительным источником

На рис. 19 представлен в структурном виде принцип формирования новой матрицы соединений на основе уже имеющейся для нормального режима РЭС.

к

[м]=...

I

N

0 [0]

1

[0]

-1 [0]

о

т М+1

1 "... о •• 0"

- [0] .. [0]

к ... 1 •• 0

... [0] .. [0]

1 ... о ■• -1

... [0] •• [0]

N ... 0 •• 0

N+1 ... _1 1

Рис. 19. Формирование новой матрицы соединений

На рис. 20 приведен принцип формирования новой матрицы сопротивлений. Аналогичным образом формируется и новая матрица проводимостей.

¿1 0 •• 0 •• 0" ¿оА 0 0 0

0 ¿2 •• 0 •• 0 0 ^02^2 0 0

[¿1 _ ... ... =>

0 0 " ¿т •• 0 0 0 ¿0 А 0

0 0 •• 0 0 0 0 ''' м^м.

2 1 0 •• 0 •• 0 0 " 0 0 - 0 0

0 ¿2 •• 0 •• 0 0 0 ¿02/2 0 - 0 0

=> ¿т •• 0 0 = ¿оХ - 0 0

0 0 •• 0 •• 2М+1 0 0 0 0 ••• ¿0 лЛ 0

0 0 •• 0 •• 0 2М+1_ 0 0 0 0 ¿оХ

Рис. 20. Формирование новой матрицы сопротивлений

В результате записывается новая система узловых уравнений, дополненная одним узлом и одной ветвью:

"Ы' "И"

рк+1. .JN+\.

(14)

Если пренебречь нагрузкой, то в записанной системе уравнений (10) воспользуемся первой строкой, в которой правая часть равна нулю. После чего получаем набор ЧХ относительно любой подстанции:

[г™ КМ^ЛЛИК+1 => М= Р 1. (15)

да-1

Рис. 21. Результирующая схема замещения для ПП

о'

Рис. 22. Комплексная схема замещения электропередачи с резисгивным заземлением нейтрали

В несимметричных режимах, когда источник ВГ подключен к одной фазе, принцип формирования узловых уравнений не меняется, добавляются схемы замещения для обратной и нулевой последовательностей, рис. 21.

В работе также рассмотрено влияние резисгивного заземления нейтрали на ЧХ РЭС. На рис. 22 представлена соответствующая результирующая схема замещения при установке резисгивного заземления Луу на шинах ЦП. Схема замещения (рис. 22) демонстрирует, что при высокоомном заземлении нейтрали, когда значение сопротивления Л дг несколько килоом (а может быть и выше), влияние контактного сопротивления Rg на общее сопротивление снижается.

В первой главе было отмечено, что перемежающаяся дуга дает большой разброс в фазовых соотношениях между током и напряжением НП, что делает бесперспективным построение диагностики В Л на этом принципе.

Рис.23. ЧХ линии с нагрузкой при Лдг =40 Ом Рис.24. ЧХ линии с нагрузкой при Лдг =1000 Ом

Как показывает рис. 23, низкоомиое заземление нейтрали не меняет вид ЧХ для электропередачи с разземленной нейтралью (рис. 16).

При высокоомном заземлении нейтрали (рис. 24), наблюдается изменение ЧХ при подключении нагрузки в сравнении с режимом холостого хода, при этом отмечается рост напряжений НП (рис. 24), также подтверждается заключение, что напряжения НП являются надежным индикатором 033.

Для разветвленной электрической сети частотные характеристики РЭС должны определяться относительно шин 0,4 кВ каждой потребительской подстанции Их взаимное сопоставление позволяет определиться с участком ОЗЗ. По полученным аналитическим выражениям можно уточнить место замыкания, варьируя на «резонансной» частоте длину электропередачи в пределах выделенного участка. Частотные характеристики симметричного режима могут использоваться при введении в нейтраль резистивного заземляющего трансформатора специальной катушки для наложения на промышленную частоту в сети тестового сигнала В этом случае все параметры схемы замещения должны вводиться только для нулевой последовательности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Однофазные замыкания на землю в электрических сетях с изолированной нейтралью представляют серьёзную угрозу для надежного и качественного электроснабжения потребителей. Задачей мониторинга текущего режима является быстрейшее выявление признаков наличия ОЗЗ, установления фидера, на котором возникло повреждение, расчетным образом ограничение аварийного участка в РЭС с древовидной топологией и также расчетным образом вычисление расстояния до точки замыкания на землю.

В качестве индикатора ОЗЗ предложено использование спектра частот в области нескольких десятков килогерц, возникающих в сети при появлении дугового 033. В спектре частот тока и напряжения промышленных и бытовых нагрузок сельских электрических сетей в этом диапазоне практически отсутствуют высшие гармоники. За счет волновых свойств воздушных линий электропередачи в килогерцовом диапазоне частот возможно усиление напряжений высших гармоник, когда от источника до конца электропередачи укладывается четверть длины волны. Это свойство длинных линий можно использовал, как для индикации наличия повреждения, так и для расчета расстояния до места033.

Частотные характеристики линий электропередачи в несимметричных режимах могут использоваться по любой из последовательностей в зависимости от возможностей измерений. На передающем конце электропередач предпочтительней использование напряжений нулевой последовательности высших гармоник для обнаружения факта наличия ОЗЗ, а также токов нулевой последовательности высших гармоник для выявления поврежденного фидера. При этом не требуется установка дополнительного высоковольтного оборудования, т.к. в центрах питания всегда устанавливаются измерительные трансформаторы напряжения (нулевая последовательность напряжений измеряется в обмотке «разомкнутый треугольник») и в большинстве случаев измерительные трансформаторы тока нулевой последовательности. Последние обеспечивают лучшее воспроизведение высших гармоник, если не имеют стального сердечника (т.н. катушка Роговского).

Для определения поврежденного участка необходимо иметь информацию о спектральном составе высших гармоник по каждой из потребительских подстанций, которая снимается со стороны 0,4 кВ этих подстанций. Д ля передачи информации используются узлы учета электроэнергии с беспроводным каналом связи.

Наличие эталонных частотных характеристик по каждой подстанции облегчает определение места повреждения по экспериментальным данным.

Данная методика предлагается для реализации в виде алгоритмов на базе приборов учёта электроэнергии с функциями анализа показателей качества электроэнергии.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Абдуллазянов Р.Э. Математическая модель электропередачи напряжением 635кВ при поперечном включении источника высших гармоник/ Р.Э. Абдуллазянов // Известия ВУЗов. Проблемы энергетики. -№1-2,2013. - С. 69-73.

2Абдуллазянов Р.Э. Частотные характеристики электропередачи распределительной электрической сети/ А.И. Федотов, ЮЛ. Солуянов, Р.Э. Абдуллазянов // Известия ВУЗов. Проблемы энергетики. -№9-10,2011. -С. 176-181.

3. Абдуллазянов Р.Э. Работа электропередачи распределительной элеюрической сети напряжением 6-10 кВ в режиме длинной линии/ С.Н. Зарипова, АЛ. Федотов, Р.Э. Абдуллазянов // Известия вузов. Проблемы энергетики. - 2012, №1-2.-С.75-81.

Публикации в других изданиях

4. Абдуллазянов Р.Э. Особенности идентификации повреждений воздушных электролиний / Р.Э. Абдуллазянов, Э.И. Лукин, Г.В. Тарасова // Материалы докладов П Молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения». В 4 т.; - Т. 1.-Казань: Казан, гос. энерг. ун-т, 2007- С. 68-69.

5. Абдуллазянов Р.Э. Влияние ВЧ помех на прохождение импульсов локационного зондирования / Р.Э. Абдуллазянов, И.Э. Лукин, Г.В. Тарасова // Материалы докладов П Молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения». В 4 т.;—Т. 1 -Казань: Казан, гос. энерг. ун-т, 2007.—С. 65-66.

6. Абдуллазянов Р.Э. Виды ВЧ помех в воздушных линиях электропередачи при локационном зондировании / И.Э. Лукин, Г.В. Тарасова, Р.Э. Абдуллазянов, Э.Ф. Хакимзянов // Тринадцатая международная научная техническая конференция студентов и аспирантов: Тез. Докл. В 3-х т. —М.: Издательский дом МЭИ, 2007. Т.1- С 393-394.

7. Абдуллазянов Р.Э. Автоматизация определения места повреждения в линиях электропередачи локационным методом / Р.Э. Абдуллазянов, Э.И. Лукин, Г.В. Тарасова, И.Ю. Иванов, Э.Ф. Хакимзянов // XV Туполевские чтения: Международная научная конференция: Материалы конференции. Том IV. Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та. 2007. - С. 262-265.

8. Абдуллазянов Р.Э. Помеховая обстановка в высокочастотных каналах линий электропередачи / Р.Э. Абдуллазянов, Р.Г. Минуллин // Сборник тезисов IX симпозиума «Элеюротехника 2030 Перспективные технологии электроэнергетики». — Московская область.-2007.-С. 198-199.

9. Абдуллазянов Р.Э. Ограничение провалов напряжения в системах промышленного электроснабжения / ЭЮ. Абдуллазянов, Р.Э. Абдуллазянов, БА. Забелкин, А.И. Федотов //Труды Международной научно-технической конференции «ЭНЕРГЕТИКА - 2008: Инновации, решения, перспективы». - Казань: Изд-во КГЭУ, 2008.-С. 40-45.

10. Абдуллазянов Р.Э. Энергосберегающие решения для электроснабжения предприятий нефтехимического комплекса / Р.Э. Абдуллазянов // Мат. Ш-й Международной научно-технической конференции «Тинчуринские чтения», Казань, 2008. Т. 1.- Казан, гос. ун-т. - С.49-50.

11. Абдуллазянов Р.Э. Методика внедрения информационной системы для автоматизации процесса технического обслуживания и ремонта оборудования в элекгросетевой компании / Р.Э. Абдуллазянов // Четырнадцатая Международная научно-технической конференции студентов и аспирантов: Тез. Докл. В 3-х т. —М.: Издательский дом МЭИ, 2008. Т. 1 .-С. 349-350.

12. Абдуллазянов Р.Э. Условия экономической эффективности ввода и реконструкции электропередач и подстанций с учетом ущерба от недоотпуска электроэнергии / Р.Э. Абдуллазянов // Сборник материалов Республиканского конкурса научных работ студентов и аспирантов на соискание премии им. Н.И Лобачевского. В 3 томах. Том Ш. - Казань, 2008,- С. 422423.

13. Абдуллазянов Р.Э. Частотные характеристики воздушной линии / А.И. Федотов, Р.Э. Абдуллазянов, ГБ. Вагапов // Труды 16-й Всероссийской научно-

методической конференции «Фундаментальные исследования и инновации в национальных исследовательских университетах».- Т2,2012 - С. 133-135.

14. Абдуллазянов Р.Э. Особенности формирования уравнений режима распределительной электрической сети при построении её частотных характеристик / Р.Э. Абдуллазянов, А .И. Федотов // Мат. УШ Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике», Чебоксары. 2012.-С. 267-269.

15. Абдуллазянов Р.Э. Особенности моделирования режимов однофазных замыканий на землю / Р.Э. Абдуллазянов // Materiâly VIII mezinârodni vëdecko -praktickâ konference «Vznik moderni vëdecké - 2012». - Dfl 18. Technické vëdy. Modemi informaCni technologie: Praha. PubKshing House «Education and Science» s j.o -112 stran.-C 56-61.

16. Абдуллазянов Р.Э. Моделирование физических процессов в сетях 6(10)кВ при возникновении замыканий на землю / Г.В. Баталов, Р.Э. Абдуллазянов, М.З. Нургалиев // Научные труды Ш международной научно-технической конференции: сборник статей. В 2 т. Екатеринбург: УрФУ, 2012. Т. 2. -С. 346-350.

17. Абдуллазянов Р.Э. Частотные характеристики распределительной элегарической сети напряжением 6-10 кВ / А.И. Федотов, Р.Э. Абдуллазянов // Научные труды Ш международной научно-технической конференции: сборник статей. В 2 т. Екатеринбург: УрФУ, 2012. T. 1.-С.113-117.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Печ. л. 1,25. Усл. печ. л. 1,16. Уч.-изд. л. 1,02. _Тираж 100. Заказ А 177_

Типография КНИТУ-КАИ. 420111, Казань, К. Маркса, 10

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201358349

АБДУЛЛАЗЯНОВ РУСТЕМ ЭДВАРДОВИЧ

МЕТОДИКА ОБНАРУЖЕНИЯ МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ

ПРИ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЯХ НА ЗЕМЛЮ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ НАПРЯЖЕНИЕМ 6 - 35 кВ ПО ИХ ЧАСТОТНЫМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ

Специальность 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н. Федотов А.И.

Казань - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕМ

1. ОДНОФАЗНЫЕ ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ

1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ВИДОВ 033.......................................

1.2. ОСОБЕННОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ РЕЖИМОВ ОЗЗ.........

1.3. ВЫСШИЕ ГАРМОНИКИ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ

В РЕЖИМЕ ОЗЗ ВОЗДУШНОЙ ЛИНИИ...........................................

1.4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ

ОЗЗ В РЭС НА ВЫСШИХ ГАРМОНИКАХ........................................

1.5. ИНФОРМАЦИОННЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ТЕРМИНАЛОВ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ И СИСТЕМ УЧЕТА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ПО РАСПОЗНАВАНИЮ МЕСТА ОЗЗ

1.5.1. Микропроцессорные терминалы РЗ................................

1.5.2. Системы учета электроэнергии с дистанционной передачей данных.......................................................................

1.6. ВЫВОДЫ.....................................................................

2. ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ В СИМЕТРИЧНЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ

2.1. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОДИНОЧНОЙ ВОЗДУШНОЙ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ В СИММЕТРИЧНЫХ РЕЖИМАХ

2.1.1. Особенности подхода к получению ЧХ воздушных линий электропередачи.........................................................................

2.1.2. Режим симметричного включения источника ВГ..............

2.1.3. Влияние сопротивлений системы и нагрузки на «резонансную» частоту...............................................................

2.2. ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛИНИИ ПРИ ПОПЕРЕЧНОМ ВКЛЮЧЕНИИ ИСТОЧНИКА ВЫСШИХ ГАРМОНИК

2.2.1. Математическая модель электропередачи.......................

2.2.2. Уравнения электропередачи при поперечном включении источника напряжения прямой последовательности........................

2.2.3. Частотные характеристики ВЛ для напряжений прямой последовательности....................................................................

2.2.4. Поперечное включение источника напряжения нулевой последовательности....................................................................

2.2.5. Численный пример......................................................

2.3. ВЫВОДЫ......................................................................

3. ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ В УСЛОВИЯХ ОДНОФАЗНОЙ ПОПЕРЕЧНОЙ НЕСИММЕТРИИ

3.1. УРАВНЕНИЯ ДЛИННОЙ ЛИНИИ ОТНОСИТЕЛЬНО ПРЯМОЙ, ОБРАТНОЙ И НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ.........

3.2. ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ПРИ ОДНОФАЗНОМ ПОПЕРЕЧНОМ ПОДКЛЮЧЕНИИ К ЛИНИИ ИСТОЧНИКА ВЫСШИХ ГАРМОНИК.............................................

3.2.1. Схемы замещения электропередачи относительно прямой, обратной и нулевой последовательностей и их параметры.................

3.3.2. Частотные характеристики по нулевой последовательности.....................................................................

3.2.3. Частотные характеристики по прямой и обратной последовательностям..................................................................

3.3. ВЫВОДЫ.....................................................................

4. ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ НАПРЯЖЕНИЕМ 6 - 10 КВ

4.1. ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЭС В СИММЕТРИЧНЫХ РЕЖИМАХ ПРИ ПОПЕРЕЧНОМ ВКЛЮЧЕНИИ ИСТОЧНИКА ВЫСШИХ ГАРМОНИК.................................................................

4.1.1. Специфика математического описания РЭС для построения частотных характеристик............................................ 121

4.1.2. Методика формирования узлового уравнения при наличии поперечных проводимостей в П-образной схеме замещения ВЛ.......... 123

4.1.3. Формирование уравнений для расчета ЧХ относительно любой точки в РЭС..................................................................... 126

4.2. ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЭС ПРИ ПОПЕРЕЧНОМ ВКЛЮЧЕНИИ ИСТОЧНИКА ВЫСШИХ ГАРМОНИК В ОДНОЙ ФАЗЕ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ....................................................... 134

4.3. ВЛИЯНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ РЕЗИСТИВНОГО ЗАЗЕМЕЛЕНИЯ НА ЧХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ............,..................... 142

4.4. ВЫВОДЫ..................................................................... 152

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................. 154

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ......................... 156

ПРИЛОЖЕНИЯ.................................................................. 170

ВВЕДЕНИЕ

В электросетевом комплексе страны наибольшей протяженностью обладают распределительные электрические сети напряжением 6-35 кВ, доля которых превышает 75%. Они являются связующим звеном между региональными электрическими сетями и потребителями электроэнергии. Более полумиллиона понижающих подстанций, установленных в этих сетях, обеспечивают питанием нагрузки на напряжении 0,4 кВ. В отличие от промышленности, повышение удельного электропотребления в бытовом и мелкомоторном секторе свидетельствует о развитии современных технологий: большем количестве электроприборов, облегчающем условия жизни людей, электрификации технологических процессов в животноводстве и сельском хозяйстве.

Одновременно с тенденцией повышения энергонасыщенности, в районных электрических сетях (РЭС) потребителями предъявляются все более жесткие требования к обеспечению нормативных показателей качества электроэнергии (ПКЭ), задаваемых [25]. Если по сверхнормативным отклонениям напряжения в протяженных РЭС нормативные требования могут быть успешно выполнены за счет установки современных устройств его продольного регулирования, то однофазные замыкания на землю (ОЗЗ) именно в силу большой протяженности воздушных линий представляют серьезную проблему. Они провоцируют перенапряжения, которые в конечном счете приводят к выходу из строя электрооборудования у потребителей. Т.е. ОЗЗ негативно сказываются на надежности электроснабжения.

По данным ОАО «Сетевая компания», г. Казань, доля ОЗЗ в общем количестве повреждений РЭС, составляет 70%, рис. В.1.

■ Однофазные замыкания

□ Короткие замыкания

Рис. В.1. Диаграмма аварийных повреждений в РЭС

Аналогичная ситуация и в других регионах, где электрические сети выполнены голыми алюминиевыми проводами. Переход на самонесущие изолированные провода в сетях 6 - 35 кВ и изолированные провода в сетях 35 кВ существенно снижает показатели аварийности РЭС, в том числе и по причинам ОЗЗ. По причине высокой стоимости таких проводов данный путь повышения надежности электроснабжения может рассматриваться как перспективный, реализуемый в новом строительстве, но не как решение сегодняшнего дня, учитывая требуемые колоссальные затраты на массовую реконструкцию воздушных линий РЭС в силу их огромной протяженности.

В связи с этим в эксплуатации электросетевого комплекса ставится задача не столько предотвращения ОЗЗ, сколько быстрейшего определения места повреждения (ОМП). Эта является наиболее сложной, а часто и наиболее длительной технологической операцией по восстановлению поврежденных участка или элементов электросети. Даже верховые осмотры не всегда позволяют найти следы перекрытия изоляторов в воздушных линиях электропередачи. Иногда, особенно при неустойчивых

повреждениях, вообще не остается на трассе следов перекрытия и протекания токов замыкания [49]. Как вынужденное решение может считаться отключение фидеров с 033 устройствами релейной защиты (РЗ), что стало применяться в последнее время для электроснабжения ответственных потребителей, когда в сочетании с низкоомным резистивным заземлением нейтрали и микропроцессорными терминалами РЗ появилась возможность идентификации поврежденной линии.

Актуальность решения проблемы быстрейшего обнаружения и ликвидации ОЗЗ обусловливается старением воздушных линий РЭС, которые эксплуатируются по нескольку десятков лет. Ранее принятые нормы климатических воздействий на линии электропередач задавали частоту повторяемости экстремальных величин не чаще, чем 1 раз в 10 лет. В настоящее время продолжительность наблюдения увеличена до 30 лет, что показывает: подавляющее большинство РЭС эксплуатирует линии электропередачи в условиях внешних воздействий, превышающих нормативные. При этом в сетях напряжением 6-10 кВ уже более 50% воздушных линий электропередачи отработали свой срок. В них происходит в среднем 26 отключений в год в расчете на 100 км воздушных или кабельных линий [20]. По данным ОАО «Сетевая компания», г. Казань, трудозатраты на восстановление нормального режима линий составляют примерно 3/4 всех трудозатрат на эксплуатацию и наибольшей составляющей трудозатрат на восстановление является поиск места повреждения.

Таким образом, при отсутствии достаточных инвестиционных возможностей в реконструкцию существующих воздушных линий электропередачи (ЛЭП) на первое место выходит организация текущего мониторинга их состояния с функцией определения расстояния до места повреждения по параметрам аварийного режима. В изучении физики процессов при ОЗЗ и решении этой проблемы ОМП принимали участие многие видные научные и инженерно-технические работники, например,

такие как Евдокунин Г.А., Кадомская К.П., Кужеков С.Л., Короткевич М.А., Лихачев Ф.А., Сарин Л.И., Челазнов A.A., Щуцкой В.И., Шалыт Г.М., Шалин А.И., Ширковец А.И., Шуин В.А. и др. Предложен ряд методов ОМП, но в целом можно констатировать, что многообразие видов ОЗЗ не позволяет отдать предпочтение какому-либо одному методу, и ситуация складывается аналогично принципам выполнения релейной защиты, где один объект защищается устройствами РЗ, реагирующими на различные признаки проявления аварийного режима. Если учесть, что РЭС имеют сложную топологию, где могут быть реализованы различные способы заземления нейтрали, влияющие на уровень токов ОЗЗ и характер возникающих при этом переходных процессов, то следует признать необходимость в разработке комплекса методов ОМП, основанных на распознавании самого факта ОЗЗ и определении его местонахождения по различным режимным параметрам.

Одним из перспективных направлений является использование высших гармоник, возникающих в электрической сети при зажигании дуги ОЗЗ. В настоящее время уже имеется практическая реализация устройств ОМП на основе оценки уровня высших гармоник начальной части спектра. Поскольку в нормальном режиме в РЭС спектр гармоник, обусловленных нагрузкой и элементами сети, быстро затухает, область частот в несколько десятков килогерц и выше может оказаться предпочтительней как менее зашумленная. Если же учесть, что именно в этой области частот наблюдается проявление волновых свойств воздушных линий (ВЛ) электропередачи РЭС, то открываются возможности построения систем ОМП на основе выделения частот, соответствующих четверти волны - именно при этом условии происходит увеличение тока и напряжения соответствующей частоты, которое можно условно назвать «резонансным».

Дополнительные возможности по решению задачи ОМП открываются расширяющимся применением в РЭС автоматизированных систем учета

электроэнергии с беспроводной передачей данных. Исследования, выполненные Латиповым А.Г., показали, что при 033 в РЭС высшие гармоники проявляют себя и на стороне 0,4 кВ понижающих подстанций. Тем самым снимается проблема в установке дорогостоящего высоковольтного оборудования для подключения измерительных устройств записи параметров аварийного режима с последующим выделением признаков 033. За счет микропроцессорной обработки спектрограмм на каждой подстанции, по каналу связи устройств учета электроэнергии можно передать в ограниченном объеме требуемую информацию в центр питания и на её основе также автоматически установить поврежденный участок сети. В настоящее время совершенно не изучены волновые свойства ВЛ в РЭС применительно к виду их частотных характеристик и их привязке к месту расположения высокочастотного сигнала.

Цели и задачи исследования. Целью данного исследования является разработка метода определения ОЗЗ на В Л в РЭС, основанного на использовании частотных характеристик электропередач в условиях заранее неизвестного расположения источника высокочастотного сигнала.

Объектами исследования являются воздушные линии электропередачи распределительных электрических сетей напряжением 6 - 35 кВ древовидной топологии.

Предметом исследования выступают диагностические признаки наличия дуговых ОЗЗ на воздушных линиях электропередачи РЭС напряжением 6 - 35 кВ и их связь с расстоянием до места повреждения.

Теоретическая и методологическая основа исследования базируется на использовании методов математического моделирования электрических сетей в сертифицированных программных продуктах Ма^аЬ и 81шиНпк, теории электрических цепей, теории установившихся и переходных процессов в электрических сетях, опубликованных экспериментальных данных по однофазным замыканиям на землю.

Личное участие автора исследования заключается в разработке всех основных теоретических положений диссертации. В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежат постановка и формализация задач, разработка теоретических и методических положений, математических моделей и методов, реализация алгоритмических решений и анализ результатов.

Научная новизна исследования заключается в следующем.

Показано, что воздушные линии электропередачи РЭС напряжением 6

- 35кВ при воздействии дуговых замыканий на землю могут рассматриваться как длинные линии, при этом в области «резонансных» частот частотных характеристик допустимо использовать математическую модель линии без потерь активной мощности.

Установлены закономерности изменения частотных характеристик в зависимости от расстояния до места подключения источника высших гармоник и режимных параметров электропередачи.

Предложено использование частотных характеристик относительно напряжений прямой, обратной и нулевой последовательностей на концах электропередачи для идентификации однофазного замыкания на землю и выявления места повреждения.

Разработана методика построения ЧХ относительно любой точки приложения источника высших гармоник в РЭС.

Практическая значимость работы заключается в том, что на основе внедряемых в РЭС дистанционных устройств учета электроэнергии может быть создана система определения поврежденных участков электропередачи

— обрывов и ОЗЗ. Тем самым резко сокращается время обнаружения мест повреждения, а также негативное воздействие на сеть перенапряжений, провоцируемых перемежающейся дугой.

Достоверность результатов и выводов исследования подтверждается применением апробированных моделей электропередачи, использованием

общепринятых физических допущений в отношении моделирования линий электропередачи, использованием теоретических и экспериментальных данных других авторов и сопоставлением с ними полученных результатов.

На защиту выносятся следующие положения.

Математическая модель воздушной линии электропередачи распределительной электрической сети напряжением 6-35 кВ, как длинной линии в режимах воздействия дуговых однофазных замыканий на землю.

Целесообразность использования частотных характеристик, снимаемых на концах электропередачи, для выявления поврежденного фидера по «резонансным» частотам.

Закономерности изменения частотных характеристик при ОЗЗ в различных точках РЭС для прямой, обратной и нулевой последовательностей напряжений в зависимости от места повреждения.

Методика построения ЧХ относительно любой точки приложения источника высших гармоник в РЭС древовидной структуры.

1. ОДНОФАЗНЫЕ ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ И МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ

1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ВИДОВ ОЗЗ

В отличие от однофазных коротких замыканий на землю на воздушных линиях (ВЛ) электропередачи в сетях с эффективно заземленной нейтралью номинальным напряжением 110 кВ и выше, где ток в поврежденной линии в 10 и более раз превышает ток её нагрузки и служит ярко выраженным признаком аварийного режима, в электрических сетях напряжением 6 - 35 кВ токи ОЗЗ варьируются в широких пределах, но превышать ток нагрузки могут только при условии применения низкоомного резистивного или индуктивного заземления нейтрали. В обычных условиях изолированной нейтрали их уровень существенно зависит от схемы РЭС - от суммарной длины линий электропередачи , достигая (в зависимости от сечения проводов) величины 10 - 20 А для = 30 - 50 км, что существенно меньше токов рабочего режима магистрали и может быть сопоставимо на отпайках от магистрали РЭС с токами нагрузки.

Отдельные случаи применения низкоомного заземления нейтрали не получили широкого распространения, т.к. теряется основное преимущество сети с изолированной нейтралью: сохранение рабочего режима при наличии повреждения. Если учесть, что до 70% всех повреждений в РЭС приходится именно на ОЗЗ, то данное преимущество является серьезным фактором в пользу выбора режима нейтрали либо изолированного, либо заземленного через высокоомный резисто�