автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Методики и алгоритмы определения мест повреждений при двойных замыканиях на землю в распределительных электрических сетях среднего напряжения по значениям сопротивлений контуров аварийного режима

На правах рукописи

ХАКИМЗЯНОВ ЭЛЬМИР ФЕРДИНАТОВИЧ

МЕТОДИКИ И АЛГОРИТМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТ ПОВРЕЖДЕНИЙ ПРИ ДВОЙНЫХ ЗАМЫКАНИЯХ НА ЗЕМЛЮ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ СРЕДНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ ПО ЗНАЧЕНИЯМ СОПРОТИВЛЕНИЙ КОНТУРОВ АВАРИЙНОГО РЕЖИМА

Специальность: 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 Я ОКТ 2015

Казань 2015

005563788

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образователь пом учреждении высшего профессионального образования (ФГБОУ ВПО) «Казан cKiiii государственный энергетический университет» на кафедре «Релейная защита i автоматизация электроэнергетических систем»

Научный руководи гель: доктор технических наук, профессор

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

Официальные оппоненты: Куликов Александр Леонидович

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Электроэнергетика, электроснабжение и силовая электроника» ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева», г. Нижний Новгород

Ференец Андрей Валентинович,

кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Электрооборудование» ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева КАИ», г. Казань

Ведущая организации: Общество с ограниченной ответственностью «Науч-

но-производственное предприятие «ЭКРА», г. Чебоксары

Защита состоится 8 декабря 2015 г. в 16.00 ч. на заседании диссертационного совета Д212.079.06 при ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ» по адресу: 420015, г. Казань, ул Толстого, 15 (учебный корпус №3, ауд. 216).

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

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВП «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Ту полева - КАИ» - hu о : \v\y,'.v.k,ii-ru/scicncc4lissor. index.phtml

Автореферат разослан « 19 » октября 2015 г.

Ученый секретарь _____

диссертационного совета •■'"('" Бердников Алексей Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Наиболее распространенными повреждениями в распределительных электрических сетях (РЭС) среднего напряжения являются однофазные замыкания на землю (ОЗЗ), которые составляют около 60 80% от общего числа всех повреждений.

Продолжительная работа сети в режиме 033 может привести к появлению замыкания на землю в другой точке сети, на участке с наиболее ослабленной изоляцией. Возможны возникновения режимов двухфазного короткого замыкания на землю или двойного замыкания на землю, сопровождающиеся увеличением токов в поврежденных фазах. Для сети с изолированной нейтралью данные режимы являются аварийными, при которых требуются отключения поврежденных линий электропередачи (ЛЭП) с использованием систем релейной защиты.

Для систем релейной защиты наименее чувствительным из перечисленных видов повреждений является режим двойного замыкания на землю (ДвЗЗ). Данный режим сопровождается повышением токов в поврежденных фазах, однако значение тока ДвЗЗ обычно недостаточно для срабатывания быстродействующих токовых защит от междуфазных повреждений, максимальная токовая защита (МТЗ) имеет повышенное время срабатывания на отключение, а защиты нулевой последовательности, как правило, действуют на сигнал, оповещая дежурный персонал подстанции о возникновении ненормального режима.

В РЭС среднего напряжения процедура определения места повреждения (ОМП) является сложной задачей, которая затруднена наличием ответвлений на линиях и низкой чувствительностью регистрирующих элементов релейной защиты к замыканиям на землю. В таких сетях в основном используются технологии ОМП по параметрам аварийных режимов: токов и напряжений, по результатам которых производится определение расстояния до места повреждения. Однако такие технологии ОМП используются только для определения мест междуфазных повреждений, возникновение замыканий на землю фиксируется регистрацией токов и напряжений нулевой последовательности, а ДвЗЗ воспринимается как двухфазное короткое замыкание, что, несомненно, приводит к ошибочным решениям.

В настоящее время в РЭС среднего напряжения внедряются системы релейной защиты, осуществляющие контроль сопротивлений петли короткого замыкания при междуфазных повреждениях. Однако в известной литературе по системам релейной защиты ЛЭП не уделено достаточного внимания научно-обоснованным методическим указаниям по настройке алгоритмов выявления ДвЗЗ с определением расстояний до мест повреждений.

Задачам проектирования средств контроля сопротивлений, обнаружения мест замыканий на землю посвящены работы Я.Л. Арцишевского, Г.И. Атабекова, В.Г. Гарке, А.Л. Куликова, А.Г. Латипова, Ф.А. Лихачева, Ю.Я. Лямеца, Р.Г. Минуллина, М.Ш. Мисриханова, А.С.-С. Саухатаса, В.Л. Фабриканта, А.И. Федотова, A.B. Ференца, Г. Циглера, М.А. Шабада, А.И. Шалина, Г.М. Шалыта, Э.М. Шнеерсона, В.А. Шуина и др. Однако, анализ литературы по соответствующей тематике не позволяет получить однозначное техническое решение задачи определения мест ДвЗЗ в РЭС среднего напряжения.

Целью исследования является сокращение времени определения места повреждения при двойных замыканиях на землю для последующего восстановления и ремонта аварийных участков распределительных электрических сетей среднего напряжения.

Задача научною исследования - разработка методик и алгоритмов определения мест повреждений при двойных замыканиях на землю по значениям сопротивлений контуров аварийного режима.

Решение поставленной задачи научного исследования проводится по следующим направлениям:

• определение характера изменения тока и напряжения при ДвЗЗ в зависимости от расстояния до мест повреждений при различных комбинациях расположения второй точки замыкания относительно первой;

• разработка методик и алгоритмов определения расстояния до мест повреждений с учетом известных зависимостей изменения тока и напряжения поврежденных фаз на основании расчетов сопротивлений контуров замыкания;

• оценка погрешностей предложенных методик и алгоритмов определения расстояний до каждого из мест замыканий в зависимости от характера нагрузки и величины переходного сопротивления в местах замыканий на землю;

• обоснование критерия и предложение алгоритма определения участка повреждения при ДвЗЗ в разветвленных РЭС среднего напряжения (6-35 кВ).

Объектами исследования являются воздушные ЛЭП РЭС среднего напряжения с односторонним питанием.

Предметом исследования являются методы определения мест повреждений воздушных ЛЭП РЭС среднего напряжения при ДвЗЗ.

Теоретическая и методологическая основа исследования базируются на использовании теоретических основ электротехники, теории установившихся и переходных процессов в электрических сетях, методов моделирования распределительной сети электроэнергетической системы в программных комплексах Mat-lab Simulink и Real Time Digital Simulator (RTDS).

Научная новизна исследования заключается в следующем:

- разработана методика и на ее основе предложен алгоритм определения расстояний до мест двойных замыканий на землю на одной линии, позволяющий определить расстояния до мест повреждений путем использования средств контроля сопротивлений, включенных на фазные токи и напряжения отходящих линий (в режиме нагрузки, близкой к холостому ходу);

- разработана методика и алгоритм определения расстояний до мест двойных замыканий на землю на разных линиях, позволяющий определить расстояния до мест повреждений путем использования средств контроля сопротивлений, включенных на фазное напряжение и ток нулевой последовательности отходящих линий (в режиме нагрузки, близкой к холостому ходу);

- произведена оценка влияния величины и характера нагрузки, а также влияния переходного сопротивления в местах замыканий на расчеты средств контроля сопротивлений, позволяющая уточнить расстояния до каждого из мест замыканий;

- выявлен критерий определения мест ДвЗЗ в РЭС 6-35 кВ с ответвлениями и на его основе предложен алгоритм, позволяющий определять поврежденный участок

электрической сети на основании измерений уровня напряжений обратной последовательности на стороне 0,4 кВ потребителей.

Практическая значимость работы заключается в том, что разработанные методики и алгоритмы определения расстояния до мест повреждений при ДвЗЗ позволят сократить время ОМП для последующего восстановления и ремонта аварийных участков РЭС. Использование уровня напряжений обратной последовательности на стороне 0,4 кВ для реализации алгоритмов ОМП позволяет отказаться от установки дорогостоящих высоковольтных трансформаторов напряжения.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Методика и алгоритм определения расстояний до мест ДвЗЗ на одной линии, позволяющий определить расстояния до мест повреждений путем использования средств контроля сопротивлений, включенных на фазные токи и напряжения отходящих линий (в режиме нагрузки, близкой к холостому ходу).

2. Методика и алгоритм определения расстояний до мест ДвЗЗ на разных линиях, позволяющий определить расстояния до мест повреждений путем использования средств контроля сопротивлений, включенных на фазное напряжение и ток нулевой последовательности отходящих линий (в режиме нагрузки, близкой к холостому ходу).

3. Оценка степени влияния величины и характера нагрузки, а также переходного сопротивления в местах замыканий на предлагаемые методики и алгоритмы определения расстояний до мест ДвЗЗ.

4. Критерий и алгоритм определения поврежденного участка электрической сети при ДвЗЗ в распределительных сетях напряжением 6-35 кВ с ответвлениями.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: IV Международная научно-техническая конференция «Электроэнергетика глазами молодежи-2013» (г. Новочеркасск, 2013), VIII открытая молодежная научно-практическая конференция «Диспетчеризация и управление в электроэнергетике» (г. Казань, 2013), XXII конференция «Релейная защита и автоматика энергосистем - 2014» (г. Москва, 2014), научно-практическая конференция «Релейная защита и автоматизация энергосистем: новые решения и технологии» в рамках Международной специализированной выставки «Электрические сети России - 2014» (г. Москва, 1-5 декабря 2014), III Международная научно-практическая конференция «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем России» в рамках специализированной выставки «Релавэкспо-2015» (г. Санкт-Петербург, 21-24 апреля 2015).

Результаты диссертационной работы внедрены в практику на предприятии ООО «Научно-производственное объединение «Энергия» (г. Казань) и используются при проектировании релейной защиты систем электроснабжения и расчетах параметров аварийного режима.

Работа подготовлена в процессе выполнения НИР ((Методы повышения надежности электроснабжения и качества электроэнергии в распределительных электрических сетях», задание №2014/448 на выполнение государственных работ в сфере научной деятельности в рамках базовой части государственного задания Минобрнауки России.

Предложенные методики и алгоритмы определения расстояний до мест ДвЗЗ защищены 3-мя патентами РФ на изобретения.

Соответствие диссертации научной специальности. Диссертация соответствует специальности 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы. Представленные в ней результаты, отвечают следующим пунктам паспорта специальности:

- п.1 Развитие общей теории электротехнических комплексов и систем, изучение системных свойств и связей, физическое, математическое, имитационное и компьютерное моделирование компонентов электротехнических комплексов и систем.

- п.4 Исследование работоспособности и качества функционирования электротехнических комплексов и систем в различных режимах, при разнообразных внешних воздействиях.

Основные результаты н выводы диссертации изложены в 15 публикациях, в том числе 4 статьи опубликованы в журналах, включенных в перечень ВАК. Предложенные методики и алгоритмы определения расстояний до мест двойных замыканий на землю защищены 3 патентами на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, двух приложений. Общий объем работы составляет 131 страницы: 115 страниц основного текста, 10 страниц библиографического списка (82 наименования), 6 страниц приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы ее цель, задача и направления ее решения, раскрывается научная новизна и практическая значимость исследования, характеризуются способы, приводятся данные об апробации и внедрении результатов исследования в практику.

В первой главе проведен анализ особенностей замыканий на землю в РЭС среднего напряжения. Отмечено, что продолжительная работа в режиме ОЗЗ может привести к возникновению замыкания на землю во второй точке сети.

Из возможных повреждений следует выделить режим ДвЗЗ. Вторая точка замыкания на землю может возникнуть в любой точке сети, как на поврежденной ОЗЗ линии, так и на другой отходящей линии. Данному режиму характерно увеличение тока в линии, однако его значение, как правило, недостаточно для срабатывания быстродействующих токовых защит от междуфазных повреждений, МТЗ имеет увеличенное время срабатывания на отключение, а защиты нулевой последовательности, как правило, действуют на сигнал, оповещая дежурный персонал подстанции о возникновении ненормального режима.

Таким образом, выявление режима ДвЗЗ в РЭС среднего напряжения является актуальной научно-технической задачей, которая позволит выполнять пусковые органы релейной защиты с возможностью определения поврежденных линий, а также расстояний до каждого из мест замыканий, что безусловно, приведет к сокращению времени поиска и восстановления поврежденного участка (снижение ущербов ог перерывов электроснабжения).

Во второй главе предлагаются методики и алгоритмы определения расстояний до мест повреждений при ДвЗЗ. Анализируются два варианта размещения точек замыкания на землю: обе точки расположены на одной линии; точки расположены на разных линиях, отходящих от шин распределительного устройства среднего напряжения.

Реализация предлагаемых методик и алгоритмов достигается особым подключением СКС к измерительным цепям тока и напряжения, при котором расчетное сопротивление было пропорциональным расстояниям до каждого из мест повреждений.

Для определения особой схемы подключения СКС к измерительным цепям тока и напряжения, необходимо выполнить следующие задачи:

1) определить изменения фазных токов и напряжений при ДвЗЗ в зависимости от расстояния до мест повреждений при различных комбинациях расположения второй точки замыкания относительно первой;

2) определить расстояния до мест повреждений с учетом известных зависимостей изменения тока и напряжения поврежденных фаз путем вычисления сопротивления контуров замыкания.

При расчете тока ДвЗЗ приняты следующие допущения:

1) трехфазные элементы электроэнергетической системы, входящие в расчетную схему, принимаются симметричными;

2) нагрузка имеет высокое сопротивление, поэтому ее влияние на аварийный ток исключается;

3) значения сопротивлений прямой и обратной последовательности ЛЭП

принимаются одинаковые (= 22л);

4) не учитывается поперечная емкость воздушных ЛЭП.

Рассмотрим аварийный режим, когда точки замыкания находятся на одной отходящей линии (рис. 1, а).

г~\ ТА

П'

Л1 III I

:—4—{

1 А^ Ф I

5 и

гул

©

4

ФАиС

_4_

ЛФ.в

а

Б

Рис. 1. Схема сети напряжением 10 кВ при двойном замыкании на землю: а - на одной линии, б — на разных линиях

Расчеты значений тока и напряжения при ДвЗЗ на одной линии выполняются по трехфазной схеме замещения в аварийном режиме (рис. 2), где Ед, Ев,_Ес, -ЭДС питающей системы; 2\ с - эквивалентное сопротивление прямой последовательности системы; 7|л - сопротивление прямой последовательности участка ЛЭП до первого места повреждения; 2'ол, 2']л, Тгл ~ сопротивления нулевой, прямой и обратной последовательности участка линии между повреждениями; -сопротивления нагрузки ЛЭП; Яп\, К „г - переходные сопротивления в месте замы-

каний; Я3 - сопротивление земли, учитывающее растекание тока замыкания; /¡к, 12К - расстояния до мест ближнего и дальнего замыканий на землю; ТА1-ТАЗ - измерительные трансформаторы тока; ТУ - измерительный трансформатор напряжения; СКС - средство контроля сопротивления.

Общая формула расчета тока ДвЗЗ выглядит следующим образом:

/ = з_^А ~Ев____.

где п = 2олуд/21луд ~ соотношение удельных сопротивлений нулевой и прямой последовательности ЛЭП.

Е» 2..

П\ 'г-^а

]-1_иЬ->1 ч-{ц""...............Ъ—I-1_!_

1 НУр гг-у1..._. Нр-....гур-гр

. I 1

2'ол 2\я 2'гл

Рис. 2. Схема замещения сети в режиме ДвЗЗ ф. А на расстоянии /и и ф. В на расстоянии /г.

Напряжения поврежденных фаз в месте установки СКС (на шинах подстанции) рассчитаны по следующим выражениям:

Ш = С&л + Дш+ЯЗ), (2)

4(?0луд + 2^1луд)-(/2к-/1кМп2]. (3)

—В = ¿дв ' лВ + з луд + луд)

Определение расстояния до мест повреждений предлагается осуществить СКС, включенным на фазный ток и фазное напряжение относительно земли. В этом случае расчетные сопротивления 7ф на СКС должны принять значения, пропорциональные расстояниям до мест повреждений:

(4)

1ф

— =----¿1л+Яп1+«з>

-ф -дв

Как видно из выражения (4), полное сопротивление на СКС 2ф, подключенного к фазному напряжению Щ и фазному току /ф поврежденной линии, зависит также и от активных переходных сопротивлений в месте замыкания. Влияние активных переходных сопротивлений в контуре замыкания исключается путем выделения реактивной составляющей сопротивления А'ф](2) по следующему выражению:

' ^2(/ф,(21)+1пг(/ф1(2))

(5)

где: Яе(Х/ф|(2)), 1т({/ф[(2)), Яе(/ф1(2)), 1т(/ф 1(2)) - реальные и мнимые составляющие фазного тока и напряжения поврежденных фаз.

Расстояние до ближнего места повреждения /]К определяется по меньшему значению реактивного сопротивления поврежденных фаз Лф. Например, если расчетное сопротивление первого контура Лф] меньше Лф2, то именно оно и оказалось ближним. В этом случае расстояние до ближнего места повреждения /|к будет найдено как:

где ^1Луд ~ удельное индуктивное сопротивление прямой последовательности ЛЭП. Расстояние до второй точки замыкания на землю /2к определяется с учетом:

где Лолуд - удельное индуктивное сопротивление нулевой последовательности ЛЭП.

Таким образом, методика определения расстояний до мест повреждений при ДвЗЗ на одной линии выглядит следующим образом*:

1) измерение значений фазных токов и напряжений ЛЭП, отходящих от шин распределительного устройства напряжением 6-35 кВ;

2) вычисление значений сопротивлений поврежденных контуров отношением фазного напряжения к фазному току линии по выражению (4);

3) выделение реактивной составляющей сопротивлений поврежденных контуров по выражению (5);

4) определение расстояний до ближнего и дальнего места замыканий на землю по минимальному и максимальному значениям реактивных сопротивлений по выражениям (6-7).

Проверка предложенной методики и алгоритма проведена с помощью моделирования рассматриваемого аварийного режима в программном пакете Ма/ЬаЬ БипиПпк, в котором смоделирована схема, представленная на рис. 1, а. Параметры схемы следующие: система 5 имеет отношение Х/Я = 0.6/0.1, длина линии \У1 1 км, Ш - 12 км. Удельные активные и индуктивные сопротивления прямой (обратной) и нулевой последовательности линии: А"|луд = 0.37 Ом/км, АоЛуД = 1.57 Ом/км, Я1луд = 0.57 Ом/км, Колул = 0.72 Ом/км, влияние «земли» учтено сопротивлением /?3 = 10 Ом, переходные сопротивления в местах замыканий приняты равными 0 Ом. В момент времени =0,1 с сымитировано замыкание на землю ф. А линии IV! на расстоянии 1 км, а в момент времени ь = 0,3 с - замыкание на землю ф. В этой же линии на расстоянии 6 км. В качестве нагрузки ЛЭП использовано высокоомное сопротивление, имитирующее холостой ход работы сети (мощность нагрузки 35 кВА).

/1к-*ф1/*|луд.

(6)

¡2К= + 3(Хф2 -^ф|)/(АГ0луд+2ДГ|луд),

(7)

* Алгоритм запускается по сигналу защиты от ОЗЗ

-7-

В результате проведенных расчетов аварийного режима (при заданных расстояниях до мест повреждений) получено: амплитуда тока ДвЗЗ равна 907 А, напряжений поврежденных фаз А и В равны 9,6 кВ и 5,1 кВ. Полученные значения параметров аварийного режима подтверждены осциллограммами и векторными диаграммами тока и напряжения, анализ которых проведен в приложении FastView 4.2 (ООО «НТЦ «Механотроника»).

С помощью программы FastView 4.2 возможно проведение анализа сопротивлений фазных и междуфазных сопротивлений контуров замыкания, определенных по классическим методикам. Изменения сопротивлений фазных Zа, Z-,, Ze и междуфазных Zaь, Zbc, Zca контуров при однофазном и двойном замыкании на землю представлены в табл. 1.

Таблица I. Сопротивления расчетных контуров в нагрузочном режиме, ОЗЗ и ДвЗЗ

Расчетные контура сопротивлений Сопротивления расчетных контуров при нагрузочном режиме, ОЗЗ и двойном замыкании на землю на одной линии, Ом

К ■^лв Хн Лдв

¿,1,033 2,ьдв 2000 1560 7,1 1900 -600 2,3

Zbl' Zhc033 Zb^B 2000 2000 2,2 1900 1900 14,7

/„orí Z„ дв 2000 140 12,2 1900 -1500 -10,1

Z, Z.,033 Z.vlU 2000 9,2 10,5 1900 -0,9 0,4

Zh Zb033 Zb.'lFl 2000 1400 3,7 1900 1600 4,2

Z Zt033 Zl-ДВ 2000 1800 1200 1900 1200 1000

Нагрузочный режим сети характеризуется равенством значений сопротивлений всех контуров: (2000 + ^900) Ом, что соответствует величине сопротивления нагрузки.

Выявлено, что анализ междуфазных контуров отходящей линии позволяет определить замкнувшуюся фазу. Возникновение ОЗЗ не привело к изменению сопротивления только того междуфазного контура, который не связан с замкнувшейся фазой (ВС).

Моделированием ОЗЗ выявлены изменения сопротивлений фазных контуров: наибольшее изменение зафиксировано у контура поврежденной ф. А в результате глубокого снижения напряжения поврежденной фазы (до 58,5 В). Однако это сопротивление не пропорционально расстоянию до места замыкания, что не позволяет определить место повреждения.

При последующем замыкании на землю ф. В сопротивления фазных и междуфазных контуров уменьшились. Было выявлено, что реактивные сопротивления фазных контуров А и В пропорциональны расстояниям до мест замыканий. Подставив значения реактивных сопротивлений контуров А и В в формулы (6-7), определены расстояния до ближнего и дальнего места замыкания - 1 и 6 км, что и было задано моделью.

Из выше указанного следует, что поведение фазных и междуфазных контуров позволяет определить возникновение режима ДвЗЗ с указанием замкнувшихся фаз.

Реактивные сопротивления фазных контуров позволяют определять расстояния до ближнего и дальнего мест повреждений в случае двойного замыкания на землю.

Проведен анализ поведения СКС, реагирующего на двойные замыкания на землю. Результаты расчетов сопротивлений СКС при ДвЗЗ приведены в табл. 2. Реактивные сопротивления измерительного органа определены по формуле (5).

Реактивные сопротивления поврежденных контуров ф. А и В оказались равными

Лфд = 0,4 Ом и ЛфВ = 4,2 Ом. Определение расстояний до мест замыканий по формулам (6-7) дает основание утверждать о достоверности теоретических расчетов:

/1 к = 0,4/0,37= 1,1 км, /2к= 1,1 +3-(4,2 -0,4)/(1,57 + 2-0,37) = 6км.

Расстояние до ближнего места замыкания на землю определено с погрешностью 10%.

Из полученных результатов расчета получено, что реактивные сопротивления контуров поврежденных фаз, определенные по (5), пропорциональны расстояниям до каждого из мест повреждений.

Анализ результатов модельных исследований установил, что значения сопротивлений фазных контуров позволяют определить расстояния до ближнего и дальнего мест замыкания при двойном замыкании на землю одной ЛЭП.

При моделировании режима двухфазного короткого замыкания на землю было выявлено, что определение расстояния до места повреждения возможно также и по реактивным сопротивлениям междуфазных контуров.

Таким образом, предлагаемая методика ОМП позволяет определить расстояния до мест ДвЗЗ на одной ЛЭП путем использования СКС. включенного на фазный ток и фазное напряжение отходящих линий.

Перейдем к рассмотрению более сложного для распознавания аварийного режима, когда точки замыкания на землю находятся на разных отходящих линиях (рис. 1, б).

Для реализации методики ОМП при ДвЗЗ проанализируем однолинейную электрическую схему РЭС 10 кВ (рис. 1, б) и ее трехфазную схему замещения в режиме ДвЗЗ фаз А и В на разных участках сети (рис. 3), где £д, Ец, - ЭДС питающей системы; 2ГС - эквивалентные сопротивления системы; ТУ - измерительный трансформатор напряжения; ТА1-ТА6 - измерительные трансформаторы тока отходящих линий; £'\л\, ¿ЧлЬ 2[ 0л1 - сопротивления прямой, обратной и нулевой последовательности до места повреждения первой отходящей линии; 2'|л2> 2'2я2, Гол2 - сопротивления прямой, обратной и нулевой последовательности до места повреждения второй отходящей линии; ¿п!> Т^о - сопротивление соответствующих фаз отходящих линий; - сопротивления нагрузки ЛЭП; Д„|, Л„2 - пере-

Таблица 2. Сопротивления СКС

при ДвЗЗ на одной линии

Д X щ Л)

2иК 10,5 0,4 10,5 2,2°

2b.lv 3,7 4,2 5,9 48,6"

1700 700 10,92 22,4°

ходные сопротивления в мссте замыкании; Л, - сопротивление земли; СКС1, СКС2 - средства контроля сопротивления отходящих линий.

С учетом представленных схем, ток ДвЗЗ /д„ может быть определен как:

- = 3/„. (8)

621С+71ЛУД-(/1К+/2К).(« + 2)+ЗЛП1+ЗЛП2+ЗЛ3

Напряжения поврежденных фаз в месте установки СКС (на шинах подстанции) определены выражениями

(9) (10)

ТА6 2, Рис. 3. Трехфазная схема замещения сети в режиме двойного замыкания на землю

Исходя из полученных зависимостей изменения тока и напряжения аварийного режима, СКС для определения расстояния до мест повреждений следует подключить к фазному напряжению и току нулевой последовательности отходящих линий:

-ф! ~ТТ~~-Тг--—11лI —0л 1 + "п 1

3/() 3/0

(П)

¿ф2 -

3/

3/(1

■ (12)

-Ю-

Влияние активных сопротивлений исключено выделением реактивных составляющих сопротивления Хф\ и А'ф2:

„ 1т(^ф1(2))- Re(3/0|(2))- Im(3/0i(2))- Re^/,^)

ХфК2)= КеЧз/„1(2))+1ш2(3/оц2)) " ( }

где: Re(3/oi(2)), Im(3/oi(2)), Re(L^>i(2)X 1тЩф1(2)) - реальные и мнимые составляющие токов нулевой последовательности и фазных напряжений поврежденных линий.

Определение расстояний до мест замыканий на землю /]к и hK произведено с учетом полученных значений реактивных сопротивлений поврежденных фаз Хф1(2):

'1к = ЗХф]/(Аол1уд + 2ХШуд), (14)

¡2к = ЗХф2 / (Х0„2уа + 2Х1л2уд), (15)

где: Холуя ^1луд - удельные индуктивные сопротивления прямой и нулевой последовательности поврежденных ЛЭП.

Таким образом, методика определения расстояний до мест повреждений при ДвЗЗ на разных линиях выглядит следующим образом":

1) измерение значений фазных напряжений и токов нулевой последовательности ЛЭП, отходящих от шин распределительного устройства напряжением 6-35 кВ;

2) вычисление значений сопротивлений поврежденных контуров отношением фазного напряжения к току нулевой последовательности линий по выражениям (11-12);

3) выделение реактивной составляющей сопротивлений поврежденных контуров по выражению (13);

4) определение расстояний до мест замыканий на землю по значениям реактивных сопротивлений по выражениям (14-15).

Проверка предложенной методики и алгоритма осуществлена в программной среде MatLab Simulink, в которой смоделирована электрическая сеть напряжением 10 кВ (рис. 1, б) с теми же параметрами схемы, что и в предыдущем случае моделирования. В момент времени t\ = 0,1 с смоделировано замыкание на землю ф. А линии W1 на расстоянии 1 км, в момент времени 12 = 0,3 с - замыкание на землю ф. В линии W2 на расстоянии 6 км.

В результате проведенных расчетов аварийного режима (при заданных расстояниях до мест повреждений) амплитуда тока ДвЗЗ оказалась равной 881 А (амплитуда тока в модели равна 884 А).

Изменения сопротивлений фазных и междуфазных сопротивлений контуров замыкания, определенных по классическим методикам, представлены в табл. 3.

Нагрузочный режим сети характеризуется равенством значений сопротивлений всех контуров: Z= (2000 + j 1900) Ом, что соответствует величине сопротивления нагрузки.

Как и в предыдущем случае, возникновение 033 не привело к изменению сопротивлений междуфазных контуров, не связанных с поврежденной фазой. Следовательно, анализ междуфазных контуров отходящих-линий позволяет опреде-

' Алгоритм запускается по сигналу защиты от ОЗЗ

-11-

лить не только замкнувшуюся фазу, но и поврежденную линию. В представленном случае изменению подверглись только сопротивления контуров 7аы и 7са\, тогда как сопротивления остальных анализируемых междуфазных контуров остались неизменными. Данные изменения свидетельствуют о повреждении ф. А на линии IV!.

Таблица 3. Сопротивления расчетных контуров в нагрузочном режиме, ОЗЗ и ДвЗЗ

Расчетные контура сопротивлений Сопротивления расчетных контуров при нагрузочном режиме, ОЗЗ и двойном замыкании на землю разных линий, Ом

д„ ^ОЗЗ Л,. хи Хгт хдв

Дня 2аЫ033 7аыДВ 2000 1560 14,3 1900 -607 5,4

2ьс1 •^ьыОЗЗ 7ьс1ДВ 2000 2000 2000 1900 19 00 1900

2са1033 £Са1ДВ 2000 140 13 1900 -4,2 -10

гЛ2033 £,Ь2ДВ 2000 2000 14,3 1900 1900 5,4

¿Ьс2 ¿Ьс2033 7ЬС2ДВ 2000 2000 1,5 1900 1900 15,3

2са2озз 7са2ДВ 2000 2000 2000 1900 1900 1900

га1озз 2а]ДВ 2000 9,2 7,1 1900 -0,9 -1,8

/ыОЗЗ 7ыДВ 2000 1400 -10 1900 1600 -0,23

7С[Озз 7с]дв 2000 1800 11,2 1900 1200 14,4

7а2 7а2033 7а2ДВ 2000 -19,4 -12,5 1900 19,2 13

гЬ2озз 2000 4400 3,4 1900 850 2,2

Ха озз 7с2дв 2000 1400 -11,3 1900 4700 -14,6

Моделированием 033 подтвердило характер изменения сопротивлений фазных контуров: наибольшее изменение фиксируется у контура поврежденной фазы А в результате глубокого снижения напряжения (до 58 В). Однако сопротивление фазного контура не пропорционально расстоянию до места замыкания, что не позволяет определить место повреждения.

Следовательно, возникновение 033 приводит к изменению сопротивлений фазных и межфазных контуров на всех присоединениях, анализ которых позволяет определить поврежденную линию и замкнувшуюся фазу.

Отмечено, что поведение фазных и междуфазных контуров позволяет определить возникновение режима ДвЗЗ на разных линиях с определением поврежденных линий с указанием замкнувшихся фаз. Однако, ни одно расчетное сопротивление контуров не пропорционально расстоянию до мест замыканий как при 033, так и при ДвЗЗ.

Произведен анализ поведения СКС, реагирующего на ДвЗЗ. Результаты расчетов сопротивлений СКС при ДвЗЗ приведены в табл. 4. Реактивные сопротивления измерительного органа определены по формуле (13).

Таблица 4. Сопротивлении СКС

я X И

10,6 0,77 10,63 4°

-3,7 -4,6 5,9 231°

-2,2 10,7 10,92 102°

-10,6 -0,77 10,63 184°

3,7 4,6 5,9 51°

2,2 -10,7 10,92 282°

Значения расчетных реактивных сопротивлений поврежденных фаз ^b2dv оказались пропорциональными расстояниям до мест замыканий №л1уд/3 + 2Х!л1уд/3 = 0,77):

lw = X*JUCmJi + 7ХШуЛ) = 0,77/0,77 = 1 км, /дк = A-b2Jv/(X0„lyj/3 + Л|Уд/3) = 4,6/0,77 = 6 км.

При этом значения векторов сопротивлений Zaidv = (Ю,6 + j0,77) Ом, Zb2dv = (3,7 + j4,6) Ом располагаются в I квадранте, Zc i jv - (-2,2 + j 10,7) Ом во II, а вектора Za2dv, Zbl<J\ и Zc2dv являются зеркальными отображениями контуров Zaldv, Zb2dv И Zcldv-

Отсюда следует, что реактивные сопротивления контуров поврежденных фаз, рассчитанных при ДвЗЗ, пропорциональны расстояниям до каждого из мест повреждений, а вектора поврежденных контуров располагаются в первом квадранте комплексной плоскости.

Таким образом, предлагаемая методика ОМП позволяет определять расстояния до мест ДвЗЗ на разных ЛЭП путем использования СКС, включенных на фазные напряжения и токи нулевой последовательности отходящих линий.

Указанные методики и алгоритмы определения расстояний до мест ДвЗЗ были подтверждены результатами, полученными в программно-аппаратном комплексе Real Time Digital Simulator (RTDS).

В третьей главе произведена модельная оценка влияния величины и характера нагрузки, а также переходного сопротивления в местах замыканий на землю на расчеты реактивных сопротивлений СКС. Для этого к ЛЭП подключены нагрузка активного (Р), активно-индуктивного (P+jQ) характера мощностью 2,5 МВ-А (100%), 1,75 МВ-А (70%), 1,25 МВ-А (50%). В модели произведена имитация ДвЗЗ, возникшего на разных линиях, а переходные сопротивления в местах замыканий приняты равными 0 Ом.

В ходе проведения модельных испытаний было установлено, что величина и характер нагрузки практически не оказывают влияния на расчеты сопротивлений СКС, реагирующего на ДвЗЗ (табл. 5). При этом погрешность ОМП не превысила 15%.

Учет переходных сопротивлений в местах замыканий на землю приводит к изменению параметров аварийного режима. При моделировании переходные сопротивления были приняты в диапазоне 10-50 Ом. Мощности нагрузки линии принимались равными 2,5 и 0,63 МВА. По расчетам сопротивлений были оценены погрешности ОМП (рис. 4).

Таблица 5. Замеры сопротивлений СКС, реагирующего на ДвЗЗ, в зависимости ог характера нагрузки н ее мощности_

100% 70% 50%

p P+iQ P P+jQ P P+iO

R X R X R X R ЛГ R X R X

■^aldv 10,6 0,8 10,8 0,76 10,7 0,8 10,7 0,76 10,7 0,8 10,7 0,76

Zbklv -3,7 -5,2 -4 -5,1 -3,7 -5 -4 -5 -3,7 -5 -3,8 -4,9

Zt | Jv -2,7 10,6 -2,6 10,7 -2,5 10,6 -2,5 10,7 -2,5 10,6 -2,5 10,7

-10,7 -0.8 -10,8 -0,74 -10,7 -0,8 -10,7 -0,74 -10,7 -0,8 -10,7 -0,75

3,7 5,2 4 5,1 3,7 5 4 5 3,7 5 3,9 4,9

2,7 -11 2,6 -10,8 2,5 -10,6 2,5 -10,7 2,5 -10,6 2,5 -10,7

Было выявлено, что переходные сопротивления и мощность нагрузки влияют на погрешности ОМП. Так, максимальная погрешность наблюдается при мощности нагрузки в 2,5 МВА и переходном сопротивлении 50 Ом - 73%, которая обусловлена влиянием нагрузки на ток повреждения. В данном случае сопротивление переходного сопротивления Д„ = 50 Ом оказалось большим сопротивления нагрузки 7„ = 40 Ом, что привело к изменению соотношения токов, протекающих в месте замыкания, и токов, замыкающихся через сопротивление нагрузки.

Рис. 4. Погрешности определения мест ДвЗЗ при переходных сопротивлениях в диапазоне 0-50 Ом при различных мощностях нагрузки

Таким образом, уменьшение мощности нагрузки потребителей и значения переходных сопротивлений способствует к снижению погрешности ОМП. В большинстве случаев, мощность потребителей в распределительных сетях 6-10 кВ численно равна 0,63 МВА. При этом реактивные сопротивления поврежденных контуров при ДвЗЗ будут равны A'aldv = 0,63 Ом (/1к = 0,82 км - 18%), ^'b2dv = 5,6 Ом (Лк- ■= 7,3 км - 21%) с учетом переходного сопротивления 50 Ом.

В четвертой главе выявлен критерий и предложен алгоритм определения поврежденного участка при ДвЗЗ в разветвленных РЭС среднего напряжения. В программном комплексе MatLab Simulink был смоделирован режим ДвЗЗ в электрической сети, состоящей из одного ответвления. Имитируется аварийный режим в различных комбинациях положения второй точки замыкания относительно первой. В качестве примера произведен анализ аварийного режима - двойного замыкания на землю ф. А и ф. В на расстоянии 1 и 6 км (рис. 5).

Анализ полученных осциллограмм параметров аварийного режима показал, что контроль напряжения обратной последовательности на стороне 0,4 кВ потребителей позволяет определить участок сети со второй точкой замыкания на землю.

Напряжение обратной последовательности будет выше у потребителя поврежденного участка сети по сравнению с потребителями на неповрежденных участках. Расчетным способом была построена эпюра изменения напряжения обратной последовательности на разных участках сети (рис. 5) при ДвЗЗ в указанных точках.

Согласно проведенным расчетам, уровень напряжения обратной последовательности на стороне 0,4 кВ потребительских подстанций ПСЯ, ПСй равен 44 и 29 В, что подтверждается результатами моделирования. Коэффициент несимметрии по обратной последовательности К,и при ДвЗЗ достигает значений 13,5 и 23,5% соответственно, что делает предлагаемый алгоритм чувствительным.

Используя полученную методику расчета, возможно вычисление параметров режима ДвЗЗ в различных участках сети с целью повышения точности определения мест замыканий на землю.

Таким образом, критерием определения поврежденного участка сети при двойных замыканиях на землю является выражение:

¿/2-1 = тах(^2-ь ^2-2. где ОЧ-; ~ напряжение обратной последовательности на шинах подстанции с поврежденной линией, Ь'2-ь 2, ••■^2-11 ~ совокупность напряжений обратной последовательности на шинах подстанций 1 - п.

Для реализации алгоритма определения поврежденного участка при ДвЗЗ необходима установка на понижающих подстанциях интеллектуальной системы, позволяющей определять участок сети с замыканием на землю. Следует отметить, что данная система может быть интегрирована в существующую систему автома-

1 тированного технического учета электроэнергии. Данные особенности позволят максимально удешевить процесс создания и эксплуатации предлагаемой системы.

В приложении 1 представлены блок-схемы алгоритмов определения расстояния до мест повреждений при ДвЗЗ, а также приведена поясняющая схема подключения устройства ОМП при ДвЗЗ.

В приложении 2 представлены графики изменения коэффициента несим-метрпи по обратной последовательности подстанций №5078, №1025 (Арский РЭС филиала ОАО «Сетевая компания» Приволжские электрические сети).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана методика определения расстояний до мест двойных замыканий на землю на одной линии и на ее основе предложен алгоритм, позволяющий определять расстояния до мест повреждений путем использования средства контроля сопротивления цифрового терминала релейной защиты, включенного на фазный ток и фазное напряжение отходящих линий.

2. Разработана методика определения расстояний до мест двойных замыканий на землю на разных линиях и на ее основе предложен алгоритм, позволяющий определять расстояния до мест повреждений путем использования средства контроля сопротивления цифрового терминала релейной защиты, включенного на фазное напряжение и ток нулевой последовательности отходящих линий.

3. Предлагаемые методики и алгоритмы позволяют сократить время ОМП в РЭС при ДвЗЗ практически без серьезных финансовых вложений, поскольку в некоторых случаях практическая реализация данных алгоритмов возможна путем дополнительного программирования уже имеющихся в эксплуатации микропроцессорных терминалов релейной защиты.

Обоснованные в работе схемы подключения СКС к измерительным цепям тока и напряжения соответствуют требованию пропорциональности сопротивления расстоянию до места повреждения в режиме ДвЗЗ в РЭС среднего напряжения.

4. Нагрузка, подключенная к линиям электропередачи РЭС, приводит к изменению параметров аварийного режима, что сказывается на значениях расчетных сопротивлений средств контроля. Погрешность определения расстояний до мест повреждений при мощности нагрузки 2,5 МВА не превышает 15%. При этом погрешность ОМП уменьшается при меньшей мощности нагрузки.

Переходные сопротивления в местах замыканий на землю приводят к изменению параметров аварийного режима, что оказывает влияние на значения сопротивлений средств контроля. Изменение соотношения токов повреждения и токов нагрузки при ДвЗЗ приводит к увеличению погрешности определения расстояний до мест повреждений свыше 70% (при мощности нагрузки 2,5 МВА и переходном сопротивлении 50 Ом). С учетом средней мощности нагрузки распределительных сетей в 0,63 МВА при переходном сопротивлении 50 Ом погрешность определения расстояния до мест замыканий на землю не превышает 20%.

5. В работе было выявлено, что контроль напряжения обратной последовательности на стороне 0,4 кВ потребителей позволяет определять режим ДвЗЗ на линиях с ответвлениями. У потребителя поврежденного участка напряжение об-

ратной последовательности будет выше по сравнению с потребителями на неповрежденных участках сети.

Для реализации алгоритма определения поврежденного участка при ДвЗЗ необходима установка интеллектуальной системы, которая интегрируется в существующую систему автоматизированного технического учета электроэнергии.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в ведущих рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Хакимзянов Э.Ф. Определение расстояния до мест повреждений при двойных замыканиях на землю на разных линиях электропередачи сети с малыми токами замыкания на землю / Э.Ф. Хакимзянов, Р.Г. Мустафин, А.И. Федотов, Р.Г. Исаков // Энергетика Татарстана. - 2014. - № 4. - С. 84-88

2. Хакимзянов Э.Ф. Выявление режима однофазного замыкания на землю на основе измерения сопротивления петли замыкания / Э.Ф. Хакимзянов, Р.Г. Мустафин, А.И. Федотов, Г.В. Вагапов // Известия вузов. Проблемы энергетики. - 2014. -№11-12.-С. 107-113.

3. Хакимзянов Э.Ф. Определение расстояний до мест двойных замыканий на землю на линии электропередачи распределительной сети среднего напряжения /

3.Ф. Хакимзянов, Р.Г. Мустафин, А.И. Федотов // Известия вузов. Проблемы энергетики. - 2015.-№ 3-4. - С. 132-137.

4. Хакимзянов Э.Ф. Определение расстояния до мест повреждений при двойных замыканиях на землю одной линии электропередачи в сетях с малыми токами замыкания на землю / Э.Ф. Хакимзянов, Р.Г. Мустафин, Д.А. Глухов, B.C. Романов // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: технические науки. - 2015. - № 2. - С. 115-120.

Патенты на изобретения

5. Патент РФ № 2557375. Способ определения расстояния до мест замыканий на землю на двух линиях электропередачи в сетях с малыми токами замыкания на землю / Мустафин Р.Г., Хакимзянов Э.Ф. - Заявл. № 2014117831/28, 29.04.2014. Опубл. 20.07.2015. Бюл .№20.

6. Патент РФ № 2558265. Способ определения расстояния до мест двойных замыканий на землю на линиях электропередачи в сетях с малыми токами замыкания на землю / Мустафин Р.Г., Хакимзянов Э.Ф. - Заявл. № 2014117832/28, 29.04.2014. -Опубл. 27.07.2015. Бюл .№21.

7. Патент РФ № 2558266. Способ определения расстояния до мест замыканий на землю на двух линиях электропередачи в сетях с малыми токами замыкания на землю / Мустафин Р.Г., Хакимзянов Э.Ф., Исаков Р.Г. - Заявл. № 2014117834/28, 29.04.2014. - Опубл. 27.07.2015. Бюл .№20.

Публикации в других изданиях

8. Хакимзянов Э.Ф. Поведение измерительных органов дистанционной защиты в распределительной сети 10 кВ при металлических замыканиях на землю / Э.Ф. Хакимзянов, Р.Г. Исаков, А.Х. Абдрахманов // Научные труды IV международной

научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи», 2013. Т2. С. 203-207.

9. Хакимзянов Э.Ф. Поведение измерительных органов сопротивления при замыканиях на землю в распределительной сети / Э.Ф. Хакимзянов, Р.Г. Исаков, А.Х. Абдрахманов, А.Ф. Шарифуллин // Материалы докладов VIII открытой молодежной научно-практической конференции «Диспетчеризация и управление в электроэнергетике», 2013. - С. 140-146.

10. Хакимзянов Э.Ф. Поведение измерительных органов сопротивления при двойных замыканиях на землю в распределительных сетях 6-35 кВ / Э.Ф. Хакимзянов, Р.Г. Исаков // Релейная защита и автоматизация. - 2014. - №1 (14). - С. 18-21.

11. Хакимзянов Э.Ф. Поведение измерительных органов сопротивления в распределительных сетях с малыми токами замыкания на землю / Э.Ф. Хакимзянов, Р.Г. Исаков // Сборник докладов XXII конференции «Релейная защита и автоматика энергосистем». - 2014. — С. 90-94.

12. Хакимзянов Э.Ф. Измерительный орган сопротивления, выявляющий двойное замыкание на землю в распределительных сетях 6-35 кВ / Э.Ф. Хакимзянов, Р.Г. Мустафин, Р.Г. Исаков // Релейная защита и автоматизация. - 2014. - №3 (16).

С. 29-35.

13. Хакимзянов Э.Ф. Реализация алгоритмов выявления замыканий на землю в распределительных сетях / Э.Ф. Хакимзянов, C.B. Куксов // Материалы докладов IX открытой молодежной научно-практической конференции «Диспетчеризация и управление в электроэнергетике». - 2014. - С. 216-219.

14. Хакимзянов Э.Ф. Определение расстояний до мест двойных замыканий на землю / Э.Ф. Хакимзянов, Р.Г. Мустафин, А.И. Федотов, Р.Г. Исаков // Релейщик. -2015,- №1. - С. 22-25.

15. Хакимзянов Э.Ф. Определение расстояния до мест двойных замыканий на землю в распределительных сетях среднего напряжения / Э.Ф. Хакимзянов, Р.Г. Мустафин, А.И. Федотов, Р.Г. Исаков // Сборник тезисов докладов III международной научно-практической конференции «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем России». - 2015. - С. 18-20.

Подписано к печати 08.10.2015 г. Формат 60x84/16

Гарнитура «Times» Вид печати РОМ Бумага офсетная

Физ. печ. л. 1,25 Усл. печ. л. 1,16 Уч.-изд. л. 1,2

Тираж 100 экз._Заказ №4960_

Издательство Казанского государственного энергетического университета 420066, Казань, Красносельская, 51