автореферат диссертации по транспорту, 05.22.09, диссертация на тему:Определение расстояния до места замыкания на землю в сетях 6-35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью

МПС РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ) ______

На правах рукописи

2 7 ОНТ ОТ

НГУЕН ВЬЕТ ХУНГ

УДК 621.316.13

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАССТОЯНИЯ ДО МЕСТА ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ В СЕТЯХ 6-35 КВ С ИЗОЛИРОВАННОЙ ИЛИ КОМПЕНСИРОВАННОЙ

НЕЙТРАЛЬЮ.

Специальность 05.22.09 - "Электрификация железнодорожного

транспорта"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1998

Работа выполнена в Московском государственном университете путей сообщения (МИИТе).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Пупынин В.Н.

Официальные оппоненты: Академик Академии транспорта РФ,

доктор технических наук, профессор Бурков А.Т;

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Чучев А.П.;

Ведущая организация: Департамент электрификации и электроснабжения (ЦЭ МПС) РФ

Защита диссертации состоится "¿2" 1998г. в

часов на заседании диссертационного совета Д114.05.07 в Московском государственном университете путей сообщения по адресу: 101475, ГСП, Москва А-55, ул. Образцова, 15, ауд.44СЗ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан " " С£МХ. 1998г.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью, просим направлять по адресу университета.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 114.05.07

д.т.н. профессор (В^йо^ Власов С.П

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Железные дороги, и прежде всего электрифицированные, наравне с другими отраслями народного хозяйства имеют в своем распоряжении и эксплуатируют большое количество сетей 6-35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью. Их нормальная эксплуатация прерывается при коротких замыканиях и, частично, при замыканиях на землю.

Как известно, одиночное замыкание на землю обычно не представляет непосредственной опасности для сети, однако возникновение второго такого же замыкания на другой фазе в любой точке сети приводит к двухфазному короткому замыканию через землю, представляющему уже достаточно серьезную аварию. По этой причине требуется как можно более быстрое обнаружение места замыкания на землю (МЗЗ) и устранение его.

К сожалению, задача не решается измерением параметров тока замыкания на землю - емкостного тока - так как в силу специфики его формирования величина и фаза тока не зависят от расстояния до МЗЗ.

В практике эксплуатации сетей 6-35 кВ в настоящее время для этой цепи используют способы и устройства, позволяющие находить МЗЗ непосредственно или косвенно по результатам измерений. Их использование требует больших затрат рабочего времени, высокой квалификации обслуживающего персонала. Другие, хотя и лишены этих недостатков, но выдают заведомо неточные результаты из-за неучета многих влияющих факторов.

Вопросам теории и созданию практических устройств для определения расстояний до МЗЗ и коротких замыканий посвящены работы советских ученых и инженеров: Г.М. Шалыта, А.П. Кузнецова, Л.А. Германа, Б.Е. Дынькина, В.Н. Пупынина, В.М. Арсентьева, В.А. Мочалова, В.А. Манухова и других.

Сказанным определяется актуальность темы диссертации.

Цель работы. Исследование возможностей нового способа определения расстояния до МЗЗ в сетях 6-35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью, предложенного проф. В.Н. Пупыниным, и разработка устройств для его практической реализации.

Методика выполнения исследований. Для решения поставленных задач принят комплексный метод исследований, включающий анализ и обобщение данных научно-технической литературы, теоретические и экспериментальные исследования. При этом широко использовались методы теории электрических цепей, математическое моделирование цепей на ПК с использованием матричных методов.

Научная новизна. В диссертации впервые решен ряд комплексных теоретических задач, посвященных проблеме определения расстояния до МЗЗ, в том числе:

• обоснован принцип действия нового устройства для определения расстояния до МЗЗ (варианты), зарегистрированного в государственном реестре изобретений 20 ноября 1997 г. N0 2096795;

• выведены основные соотношения для распределения токов в проводах измерительной схемы и показано, что оно не зависит от величины сопротивления токоограничивающего резистора и переходного сопротивления в месте замыкания на землю;

• показано, что при выборе величины тока в измерительной схеме 100 - 200 А влиянием емкостных токов на точность измерений можно пренебречь;

• разработана методика выбора параметров токоограничивающего резистора;

• разработан алгоритм и программа математического моделирования на ПК сети с изолированной или компенсированной нейтралью и измерительной схемой на испытуемой линии с учетом ее неоднородностей.

Практическая ценность. Разработанные в диссертации устройства позволяют наиболее быстро и точно (по сравнению с другими известными устройствами) определять расстояния до МЗЗ.

Разработанные методики выбора параметров узлов устройства дают возможность в самое короткое время реализовать его в металле.

Апробация работы. Основные положения, изложенные в диссертации, докладывались на Первой (г. Москва, МИИТ, 1994г.) международной научно-технической конференции, а также были обсуждены и одобрены на заседании кафедры "Энергоснабжение электрических железных дорог" (МИИТ) (январь 1998 г).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы три печатные работы.

Объем работы. Диссертация состоит из пяти глав, первой из которых является введение, заключения, списка литературы и приложений. Она содержит 164 стр., в том числе 51 рисунков и 3 таблиц. Список литературы включает 32 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе - введении - обоснована актуальность темы диссертационной работы, приводится краткий анализ состояния иследуемого вопроса, обсуждаются преимущества и недостатки существующих методов и устройств, применяемых для определения МЗЗ в сетях 6-35 кВ.

Вторая глава посвящена анализу нового косвенного способа определения расстояния до МЗЗ в сетях 6-35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралю, предложенного в 1993 г. профессором Пупыниным В.Н.

Способ основывается на измерении токов в проводах линии с МЗЗ, с помощью которых и специального устройства собирается измерительная схема, обеспечивающая возможность проведения

опыта ограниченного короткого замыкания через МЗЗ. При этом расстояние до МЗЗ определяется по зафиксированным значениям токов /] и /2 и длине линии Ь (см. рис. 1)

Для сборки схемы и проведения опыта необходимо:

• на короткое время (5 - 7 мин.) отключить поврежденную линию;

• подключить фазу линии с МЗЗ 4 в ее начале (точка 3) и в конце (точка 6) к другой, неповрежденной фазе этой линии 5;

• за освободивщимся полюсом выключателя 2 между ним и землей включить токоограничивающий резистор 10;

• включить выключатель 2 и провести опыт ограниченного короткого замыкания через МЗЗ, замеряя токи по участвующим в измерениях фазам линии 5 и 4, соответственно 11 и 12.

• на основании вычислений или же по вспомогательным графикам определить расстояние х до МЗЗ.

Исследование возможностей предложенного способа показывает, что для однородной линии без учета влияния поперечных проводимостей и емкостей (междуфазных и на землю) соотношение, определяющее расстояние до МЗЗ, находится из уравнения равновесия, написанного для рис. 1,6 на основании закона Кирхгофа для напряжений:

¡¡¿Ь + ¡2?ц-2Х - - *) + -х)- '¡¡г,^ - л) =

где: - полное собственное сопротивление провода фазы (4 или 5), Ом / км\

- взаимоиндуктивное сопротивление между фазами линии, Ом / км\ Л - полная длина линии с МЗЗ, км.

Из (1) получаем: х = -. 7/ . , (2)

'/ + 12

Рис. 1 Новый способ определения расстояния до МЗЗ: приципиальная схема а) и вывод соотношений в измерительной схеме б).

откуда видно, что точность определения х не зависит ни от величины переходного сопротивления 7 в МЗЗ, ни от величины сопротивления ограничивающего резистора 10, поскольку их значения в (2) не входят. Более того, точность определения х не зависит и от частоты тока, а значит и формы напряжения, используемого при измерениях. Это означает, что токи /, и /2 одинаковы по форме и

отличаются лишь величиной и, следовательно, вместо и /2 в (2) можно подставлять и их мгновенные значения, замереные для одного и того же момента времени (например амплитуды токов 11пах и 12мах) . их средние значения за любой полу период / 1ф и 12ф, или же действующие значения токов /у и 12■ По указанным причинам рассматриваемый способ может быть использован, очевидно, и в случае замыкания на землю через перемежающуюся дугу.

Теоретическая оценка влияния на точность измерения расстояния до МЗЗ емкостных токов проводилась только с учетом токов, замыкающихся через емкость фаз на землю и в пренебрежении влиянием токов, замыкающихся через междуфазные емкости. По этой причине ограниченный ток к.з., стекающий в землю через переходное сопротивление ¿пер, (см. рис. 2) имеет

составляющую замыкающуюся через емкости фаза-земля

проводов неповрежденных фаз линий и составляющую замыкающуюся через провод фазы не участвующей в измерениях.

¡к = [Ь + Ь) = ¡к + ¡к + ¡к (3)

Составляющие /д и /я создают электромагнитные поля, которые вызывают Э.Д.С. в проводах измерительной схемы, участвующих в процессе измерения, что влияет на токораспределение в них и, тем самым вносит погрешность в определение расстояния до места замыкания на землю по формуле (2).

Показано, что влиянием составляющей /я можно пренебречь, из-за удаленности смежных линий.

Влиянием тока Гк пренебречь уже нельзя, так как провод, по которому ток 1Н возвращается на подстанцию, расположен в непосредственной близости от проводов 1 и 2 (фаз А и В), участвующих в измерении.

СБА

б)

о од I 10 100

Рис. 2 К оценке влияния емкостных токов на точность определения расстояния до МЗЗ: поясняющая схема а) и кривая абсолютной погрешности измерений б).

Магнитное поле этого тока вызывает в проводах измерительной схемы Э.Д.С., изменяющую токораспределение в них.

В диссертации получено выражение для абсолютной погрешности

влияния тока I

к-

5 = 25

!С(х = 0Г\^С-2

/У|2Г - Z¡_21

(5)

где ^1-2 > 2с-2 " взаимоиндуктивные сопротивления

между проводами 1-2, С-1 и С-2 соответственно, Ом / км\

г - собственное сопротивление провода фазы линии, Ом / км;

IС( х=0) = ¡К ■

Например, для линии сети 10 кВ длиной 25 км, выполненной проводами А-70, размещенными в горизонтальной плоскости, без транспозиции, на высоте 7,5 м над землей, с расстоянием между средней и крайними фазами 1м, между крайними - 2 м, причем для измерения используется средняя и крайная фазы линии, получаем расчетное выражение для обсолютной погрешности

1.39 „,

5 =

I,

Функция представлена на рис. 2,6.

Так как для измерений предполагается использовать значение тока / > 100А, то из рис 2,6 следует, что влияние на погрешность измерений составляющей тока /к ничтожно.

В диссертации предпринята попыка теоретически оценить погрешность измерения в неоднородной линии, а вернее, в линии состоящей из п-однородных участков разной длины с разными параметрами. Путем сопоставления формул, выведенных для случаев, когда линия образована из двух, трех и четырех однородных участков с разными параметрами, удалось найти закономерность и построить обобщающую формулу для линии из п-однородных участков при МЗЗ на любом из них:

/ г '7 /-а-/

гк-2м м

]-п-1 ■, г -г + 2

>а !А+1 В ?-к'?-М

¡А 1к+1г2гп ( 1А \ г^г,

I- —

(6)

где: п - количество однородных участков линии.

У - номер однородного участка линии от У = О до У = (к - 1) включительно;

и

к - номер однородного участка, где рассматривается

замыкание на землю; j - номер однородного участка линии от ] - к до (п - I) включительно.

Громоздность зависимостей, получаемых в случаях, когда пытаются учесть неоднородность продольных и поперечных параметров линии, приводит к выводу о необходимости прибегнуть к математическому моделированию на ПК.

Предлагаемый способ определения расстояния до МЗЗ проверялся на линии 10 кВ "Волгоградтрансгаза", питающей катодные станции газопровода, летом 1994 г. Эксперимент проводился следующим образом.

Измерительная ячейка, выполненная по схеме рис. 4 и изготовленная ЛЭМЗ, была смонтирована в ЗРУ п/ст. "Фролово" и включена последовательно с ячейкой фидера испытуемой линии.

Выходы от трансформаторов тока измерительной ячейки 13, 14, 15, равно как и выходы от трансформатора напряжения подстанции, вводились в схему микропроцессорного запоминающего устройства (статического осциллографа), фиксирующего токи и напряжения по фазам измерительной ячейки в процессе проведения эксперимента. Сам эксперимент проводился следующим образом: на испытуемой линии имитировалось замыкание на землю, для чего фаза линии в заданной точке соединялась с арматурой опоры или спуском от ее заземления, после чего и собиралась измерительная схема соответствующими переключениями в измерительной ячейке и соединением проводов фаз на линии. Затем ключом управления включался выключатель, который через 0,35 сек. отключался. Массив замеренных значений токов и напряжений, зафиксированый в запоминающем устройстве, по проводной линии передавался на ПЭВМ, где данные обрабатывыались и распечатывались в виде осциллограмм токов и напряжений по фазам линий, используя

которые и устанавливалось расстояние до места замыкания на землю.

Рис. 3 Напряжения и токи в проводах измерительной схемы, записанные и обработанные микропроцессорным устройством при экспериментальной проверке нового способа определения расстояний до МЗЗ на п/ст "Фролово".

На рис. 3 показана одна из осцилограмм, соответствующая случаю, когда иммитировалось замыкание на землю, находящееся на расстоянии 10 км от фактического начала линии. По величинам токов, вычисленных ПЭВМ и указанных на осциллограмме, применяя формулу (1) было найдено

л: = 2.15—--— = 10.2 км.

31 + 61

Эта величина с большой точностью соответствует истинной величине расстояния до МЗЗ, равного 10 км.

В третьей главе рассмотрены вопросы, связанные с разработкой устройств для определения расстояния до МЗЗ,

применительно к РУ-10 кВ действующих районных, распределительных и тяговых подстанций.

Для выполнения устройства предпочтительно использовать ячейки того же типа, какой использован на подстанции (ячейки прислонного или выкатного типа).

В диссертации сформулированы основные положения, которым должны соответствовать разрабатываемые устройства:

• устройство должно быть одно на все РУ-10 кВ, причем схемно и конструктивно оно должно быть выполнено таким образом, чтобы можно было быстро и оперативно использовать его на любой из отходящих линий РУ-10 кВ;

• в качестве выключателя, через который дозированно по времени производится подача в собранную измерительную схему измерительного тока, могут быть использованы как специальные выключатели, входящие в схему и конструкцию разрабатываемого устройства, так и выключатели самих линий, на которых производится отыскание МЗЗ;

• устройства могут выполняться в стационарном и мобильном вариантах.

В диссертации проанализировано несколько эскизных вариантов выполнения устройств, в том числе базовый вариант устройства из двух ячеек прислонного типа, показанный на рис. 4.

Устройство 1 (см. рис. 4) образовано комплексом из двух ячеек - ячейки питания 2 и ячейки переключений и измерений 3.

В составе ячеек 2 и 3:

4, 8 - трехполюсные разъединители с нормально-разомкнутыми (5, 6, 9, 10) и нормально-замкнутыми (7, 11) контактами;

12 - микропроцессорное устройство для записи или же для записи и обработки информации (вычисления расстояния до МЗЗ);

13,14,15 - прецизионные трансформаторы тока;

16 - переносный кабель для подключения устройства к любой питающей линии подстанции;

■ш-

Г»

и

"1 г

и

12

I I '¿к1 ^ > \

'1x1" 4x1"

ч

и

13

20

ш

I-

шь 1'Я

15

10

18

16

Рис. 4. Схема устройства для определения расстояния до МЗЗ.

17 - струбцины, которыми кабель крепится к выводам питающей линии;

18 - токоограничивающий бетэловый резистор;

19 - кабельная вставка между ячейками 2 и 3;

20 - схема управления выключателем;

21 - резервная защита ячейки питания.

Использование ячеек устройства в РУ-10 кВ подстанции показано на рис. 5, где на каждой отходящей питающей линии предусмотрены места 22 подключения струбцин 17 переносного кабеля 16.

При определении расстояния до МЗЗ с помощью предлагаемого устройства сборка измерительной схемы (см. рис. 1,6) производится в ячейке переключений и измерений 3 включением трехфазных разъединителей 4 ипи 8, причем разъединитель 4 включается когда замыкание на землю зафиксировано на фазах А или С, а разъединитель 8, если замыкание на землю зафиксировано на фазах В или С. Одновременное включение разъединителей 4 и 8 недопустимо, поэтому они блокированы между собой (на схеме рис. 4 не показано), Отсоединяемой фазой, к которой при включении

разъединителей присоединяется токоограничивающий резистор, всегда является фаза С.

Рис. 5. Пример РУ-10 кВ, оборудованного устройством для определения расстояния до МЗЗ.

Величины токов по фазам, участвующим в измерении, фиксируются в статической памяти микропроцессорного устройства 12, подключенного к трансформаторам тока 13, 14 и 15. Данные измерений могут быть изъяты для производства вычислений, или же и сами вычисления расстояния до МЗЗ производятся этим микропроцессорным устройством.

Указанное устройство по схеме рис. 4 выполнено в макетном образце Люберецким электромеханическим заводом МТС (ЛЭМЗ), и, как уже было сказано выше, испытано на 10 кВ линии

Волгоградтрансгаза в 1994 г. Результаты испытаний самые положительные.

Способ и устройство защищены патентами РФ.

Особое место в 3-ей главе отведено выбору типа и мощности токоограничивающего резистора устройства 18.

По многим причинам, из которых главные - малая стоимость и конструктивная готовность - предпочтение отдано бетэловому резистору, который должен удовлетворять следующим требованиям:

• иметь сопротивление, ограничивающее ток до определенного значения;

• быть достаточно мощным, чтобы выдержать рассеяние энергии при 2 - 3 кратных повторных опытах;

• обладать минимальной индуктивностью и обеспечивать стабильность электрических параметров в эксплуатации.

Вначале констатируется, что желая выбрать наименьший по объему и стоимости резистор, следует стремиться выбрать его с максимально допустимым сопротивлением.

Однако яйно, что увеличение сопротивления резистора уменьшает ток в измерительной схеме. Этот ток не может быть слишком малым, измеряемым единицами Ампер, так как в этом случае он оказывается соизмеримым с емкостным током и это сразу же скажется на точности измерений.

С другой стороны ясно, что этот ток не может быть и слишком большим, измеряемым тысячами Ампер, так как в условиях эксперимента это может привести к пережогам проводов в месте замыкания на землю и, тем самым, усугубит аварию.

В диссертации на основании работ С.Д. Соколова найдено, что величина измерительного тока 100 - 200 А при времени его протекания до 0,5 с безопасна для проводов высоковольных линий, вплоть до провода марки А-35.

При максимальном значении тока 200А и времени измерения

= (минимальное время задержки выключателя с учетом

времени затухания апериодических составляющих) в резисторе, в процессе одного измерения, будет выделяться энергия:

Лв = и ■ I ■ tm = 10000 ■ 200 ■ 0,4 = 0,8.10б Дж ;

На основании специальных исследований Л.И. Врублевского было установлено, что условиям надежной работы даже при 4-16 кратном включении без выдержки времени удовлетворяет типовой бетэловый резистор типа РШ.

В четвертой главе рассмотрено математическое моделирование на ПК сетей 6-35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью и измерительной схемой для проведения машинных опытов ограниченного короткого замыкания с целью определения расстояния до МЗЗ.

Указывается, что математическая модель на ПК позволяет достаточно точно учесть факторы, которые приемами обычных инженерных расчетов учесть невозможно. Например, моделирование легко позволяет учесть неодинаковость поперечных и продольных параметров фаз линии сети, влияние параллельных смежных линий сети на процесс токораспределения в измерительной схеме испытуемой линии, влияние остающихся неотключенными нагрузок (например, неотключенных первичных обмоток трансформаторов в линии СЦБ), параметров переходного и ограничивающего сопротивлений и т. п.

В основу моделирования положен программный пакет, составленный на алгоритмическом языке Borland Pascal, имитирующий работу трехфазной линии при МЗЗ на одной из фаз этой линии и собранной измерительной схеме (см. рис. б.а).

В системе уравнений (7) приведены основные соотношения между входными и выходными параметрами, которые положены в основу матричного описания измерительной схемы.

На схеме показано разделение пассивной части линии на четыре основных участка с входными и выходными параметрами. Каждый блок рассчитывается отдельно. Блок 1 представляет собой

шестиполюсник, который учитывает влияние на процесс в измерительной схеме смежных линий. Учет смежных линий производится путем подключения к каждой фазе сети сосредоточенной емкости, равной суммарной емкости проводов одинаковых фаз всех смежных линий, причем емкость фазы В разнесена на две половинные емкости, подключенные к фазам измерительной схемы В1 и В2, а емкость фазы С подключена параллельно ограничивающему сопротивлению. Это сделано для удобства вычисления матричным способом.

и„ = - Ес

иап = и0 + Еа = 1сп-гс - Ес + Еа

иЬщ = и^ = = ио + Еь = 1СП-2С. - Ес + Еь (7

и« = и0 + Ес = 1сп2с

иап + иЬп + = о

'ап + 'ьп1 + 'ьп2 + 'сп = 0

><* = о

= иьк2

'ьк1 + 'ьк2 = О

Блоки 2 и 4 моделируют исследуемую линию от начала до места короткого замыкания и от места короткого замыкания до конца линии соответственно. Для этого вся линия делится на участки и состоит из множества шаговых шестиполюсников, количество которых зависит от шага квантования (10м, 50м, 100м и т.д. в зависимости от необходимой точности вычислений).

Для простоты и удобства вычислений каждый шаговый шестиполюсник делится на элементарные шестиполюсники (рис. 6,6), первоначальные электрические параметры которых рассчитываются отдельно.

-е-

El)

Блок! _ Б/ток 2т

Un!

а)

1Ьп1

Ее Uco Ico üba

•щ

Т

1

¡brg

CcIfiiJl гл. Ссм.п^

Л.к 11.^2

-V

МгазЬ

т

1 —г

cabT С ас"

I О j ... -

, 0СЬсТ

Мш Ьс Мщас

Са

Zab

"ОС

ГГТ "CbTCrT

¿be

т

б)

Элем. Элем, ш-к 2 Элем, ш-к 3 Элем, ш-к 4 Элем.ш-к 5

шестншлиснкк 1

Рис. 6 Математическая модель на ПК сети 10 кВ с изолированной нейтралью и измерительной схемой на одной из линий: схема замещения а) и элементарные шестиполюсники б).

При необходимости моделирования неотключающихся нагрузок, например, ветвей намагничивания трансформаторов, используется элементарный шестиполюсник, представляемый поперечными сосредоточенными активно-индуктивными сопротивлениями гаЬ, гЬс

и

Расчет ведется матричным способом: каждый элементарный шестиполюсник описывается квадратной матрицей шестого порядка, которые перемножаются и определяют матрицу шагового шестиполюсника, затем перемножением матриц шаговых

шестиполюсников определяют матрицу основного шестиполюсника и т.п.

Таким образом в результате описанных выше расчетов удается определить параметры основных матриц, в состав которых входят (см. рис. 6,а):

• матрицы самих участков ЛЭП, в том числе и с неотключенной нагрузкой (блоки 2 и 4);

• матрица, описывающая однофазное К.З. на землю (блок 3);

• матрица влияния смежных линий (блок 1), которая задается путем подключения сосредоточенных фазных емкостей на землю в начале линии.

После формирования, каскадного соединения и расчета основных матриц вся измерительная схема с коротким замыканием на землю оказывается представленой в виде одного шестиполюсника, который описывается единой матрицей комплексных коэффициентов, связывающей начальные и конечные параметры линии и который является моделью измерительной схемы.

Зависимость между начальными. и конечными параметрами при этом описывается системой уравнений:

иа„ = А11-иак+А121ак+А13'иЬк,+А,41Ьк,+А,5иьк2+А16-1ьк2 'ап - А21иак+А22-1ак+А23-иьк1+А24-1ьк1+А25-иьк2+А2б-1ьк2 = Аз,'иак+Аз2'1ак+А3з-иЬк1+Аз4'1ьк1+Аз5-иьк2+Азе'1ьк2 'ьп1 = А41иак+А42'1ак+А43иьк1 +А441Ьк, +А45-иьк2+А46- 1ьк2 ^ьпг = А51-иак+А52-1ак+А5з'иьк)+А54-1ьк1+А55-иьк2+А56'1ьк2 'ьпг = А61-иак+А62-1ак+А63иьк1+А64-1Ьк1+Аб5иЬк2+А6в1Ьк2

(8)

Приведя систему уравнений (8) к соответствующему, удобному для матричного исчисления виду, решаем ее матричным способом (9).

— — — -1 — —

1» А„ А12 А,з А„ А,5 А1в Е.-Е.

А21 А^ Агэ А24 А25 Ага 0

'ъп2 = Аз, Азг А33 А34 АЗ5 Азе X Е0-Ес

и* А„ А42 А«з А44 А.5 А« 0

Ц* А,, А5г АИ А$4 А55 А^ Еь-Ес

и А., Ыг А$з Аы АИ А«в 0

—. .— — _ _

В результате этого последнего расчета, выполняемого программой (Raw_Sin.exe), вычисляются токи и напряжения в начале и конце линии при коротком замыкании в заданной точке. Программа способна отразить эту информацию в любом виде (цифровом или графическом, если речь идет о зависимости токов и напряжений от времени , как, например, это показано на рис. 3.

Примеры расчетов зависимостей

■".г

на математической

модели представлены на рис. 7 и 8.

Результаты расчетов записываются в файле Smeg.txt.

Рис. 7 Пример зависимости отношения токов ^у, в проводах

' 2

измерительной схемы от относительного расстояния до места

короткого замыкания при неоднородной линии с учетом влияния емкостей исследуемой и смежных линий.

Рис. 8 Сравнительные зависимости отношений токов 1от

относительного расстояния до места короткого замыкания.-^ при

разных частотах тока, используемого при измерениях, с учетом влияния емкости исследуемой и смежных линий.

Опыт работы с моделью показал, что ее использование крайне просто и эффективно, особенно' если уже подготовлена соответствующая база данных.

В пятой главе рассматриваются вопросы оценки экономической эффективности использования устройств для определения расстояния до МЗЗ в сетях 6-35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью.

Показано, что такое устройство несомненно эффективно на притрассовых 10 кВ линиях газопроводов. Эффективность его использования на подстанциях промышленных сетей зависит в большой мере от количества отходящих линий, а на продольных ЛЭП ж.д. и линиях СЦБ - еще и от размеров движения.

Заключение

1. Теоретически и экспериментально на математической модели с использованием ПК исследован новый простой способ косвенного

определения расстояния до МЗЗ в сетях 6-35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью, показана его высокая точность.

2. Показано, что с некоторыми погрешностями способ применим также и в случае замыкания на землю с перемежающейся дугой.

3. Обоснована и выбрана величина тока в измерительной схеме (100-200 А) и допустимое время его протекания (0,3 - 0,5 с). Для фиксации тока такой величины и длительности предложено использовать статический осциллограф в виде микропроцессорного запоминающего устройства, на которое могут возлагаться и вычислительные функции для определения расстояния до МЗЗ.

4. Разработаны и проанализированы варианты устройств по предлагаемому способу и даны рекомендации по их практическому осуществлению.

5. Обоснован и произведен выбор параметров токоограни-чивающего резистора устройства. Показано, что предпочтение следует отдать бетэловому резистору.

6. Разработана и апробирована математическая, с использованием ПК, модель сети с изолированной или компенсированой нейтралью и измерительной схемой на одной из линий. Ее основное назначение - получение первоначальных

- Ь /А

расчетных зависимостей — = 'I— для конкретных линии при

/ 2 \ Ь/

использовании предложенного способа и разработанных устройств для определения расстояния до МЗЗ в сетях 6-35 кВ.

7. Результаты опытной проверки способа на линии 10 кВ Волгоградтрансгаза, проведенные летом 1994г., показали, что погрешность способа при автоматической фиксации токораспределения по проводам (фазам) измерительной схемы микропроцессорным запоминающим устройством (статическим осциллографом) достаточно мала и по данным многочисленных экспериментов не превышает 3% от длины линии.

Основные положения диссертации отражены в следующих

1. Пупынин В.Н., Нгуен В.Х. Патент Ыо 2096795 на изобретение "Устройство для определения расстояния до места однофазного замыкания на землю в сетях 6-35 кВ электрических систем с изолированной или компенсированной нейтралью (варианты)".

2. Нгуен В.Х. Определение расстояния до места однофазного замыкания на землю в сетях 6-35 кв электрических систем с изолированной или компенсированной нейтралью при неоднородной линии. Деп. в ВНИИТЭИ, Ыо 6126-жд97.

3. Пупынин В. Н., Нгуен В. X. Схемная и аппаратная реализация нового метода определения расстояния до места замыкания на землю в электрических сетях 6-35 кв с изолированной или компенсированной нейтралью. Деп. в ВНИИТЭИ, N0 6127-жд97.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАССТОЯНИЯ ДО МЕСТА ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ В СЕТЯХ 6-35 КВ С ИЗОЛИРОВАННОЙ ИЛИ КОМПЕНСИРОВАННОЙ

НЕЙТРАЛЬЮ.

Специальность 05.22.09 - Электрификация железнодорожного

транспорта

работах:

НГУЕН ВЬЕТ ХУНГ

Объем печ. л. 5~ Заказ N0 37-8-

Подп. к печати 02,.07.93. Формат бумаги 60x90 )А& Тираж 90 экз.

Типография МИИТ, 101475, ГСП4, Москва, А-55, ул. Образцова, 15

/ у/

Министерство путей сообщения РФ Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ)

На правах рукописи

Нгуен В. X.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАССТОЯНИЯ ДО МЕСТА ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ В СЕТЯХ 6-35 КВ С ИЗОЛИРОВАННОЙ ИЛИ КОМПЕНСИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ.

Специальность: УДК 621.316.13 Электрификация железных дорог

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Научный руководитель: Проф. Пупынин В. Н.

Москва - 1998

Оглавление

1. Введение......................................................................................... 3

2. Анализ нового способа определения расстояния до места замыкания на землю.......................................................................... 14

3. Разработка устройств для определения расстояния до места замыкания на землю, применительно к РУ-10 кВ действующих районных, распределительных и тяговых подстанций.................... 43

4. Математическое моделирование на ПК измерительной схемы для проведения опыта ограниченного короткого замыкания с целью определения расстояния до места замыкания на землю в

сети с изолированной или компенсированной нейтралью.............. 75

5. Экономическая эффективность использования предлагаемых новых устройств для определения расстояния до МЗЗ.................. 100

6. Приложения:................................................................................... 109

6.1. Приложение № 1. Определение расчетных сопротивлений испытательной схемы........................................................................ 109

6.2. Приложение № 2. Программный комплекс ввода и обработки замеров токов короткого замыкания в ЛЭП 10 кВ........................... 111

6.3. Приложение №3. Акт испытаний устройства дистанционного

определения повреждений на вдольтрассовых ЛЭП -10 кВ............ 117

6.4 Приложение № 4. Тексты файлов программного пакета для математического моделирования на ПК измерительной схемы испытуемой линии, собираемой для определения расстояния до

МЗЗ в сети с изолированной или компенсированной рейтралью... 120

7. Использованные источники........................................................... 185

1. Введение

Железные дороги, и прежде всего электрифицированные, наравне с другими отраслями народного хозяйства имеют в своем распоряжении и эксплуатируют большое количество сетей 6-35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью. Их нормальная эксплуатация прерывается при коротких замыканиях и, частично, при замыканиях на землю.

Как известно, одиночное замыкание на землю обычно не представляет непосредственной опасности для сети, однако возникновение второго такого же замыкания на другой фазе в любой точке сети приводит к двухфазному короткому замыканию через землю, представляющему уже достаточно серьезную аварию. По этой причине требуется как можно более быстрое обнаружение места замыкания на землю (МЗЗ) и устранение его.

К сожалению, задача не решается измерением параметров тока замыкания на землю - емкостного тока - так как в силу специфики его формирования величина и фаза тока не зависят от расстояния до МЗЗ, а определяется суммарной длиной и типом линий, подключенных к сборным шинам 6-35 кВ подстанции [1,2].

Указанные особенности сетей 6-35 кВ практически исключают возможность применения для них методов и средств определения МЗЗ, используемых в сетях более высокого напряжения.

Вопросам теории и созданию практических устройств для определения расстояний до МЗЗ и коротких замыканий посвящены работы советских ученых и инженеров: Г.М. Шалыта, А.П. Кузнецова, Л.А. Германа, Б.Е. Дынькина, В.Н. Пупынина, В.М. Арсентьева, В.А. Мочалова, В.А. Манухова и других.

В практике эксплуатации сетей 6-35 кВ для отыскания МЗЗ в настоящее время используют способы и устройства, позволяющие находить МЗЗ непосредственно или косвенно по результатам измерений [2-7]. Использование первых требует больших затрат рабочего времени, высокой квалификации обслуживающего персонала. Другие, хотя и лишены этих недостатков, но выдают заведомо неточные результаты из-за неучета многих влияющих факторов.

Для непосредственных измерений в практике используются у устройства типа "ПОИСК-1", "ВОЛНА", "ВОЛНА-М" и "ЗОНА". Они являются переносными токовыми приборами, работающими на основе измерения составляющих высших гармоник в токе замыкания на землю.

Их использование предполагает обязательность обхода всей линии, на которой зафиксировано замыкание на землю, от начала ее и до конца. Это требует много времени, сопряжено с утомительной для персонала и весьма затруднительной в недоступных местах (в сельской местности, на болотах и пр.) работой, требующей большого внимания и сосредоточенности, вследствие невысокой чувственности аппаратуры.

В отличии от вышеуказанных переносных приборов, устройство "ПАУЗА", разработанное группой инженеров под руководством Тарасова А. И. в СКТБ ВКТ Мосэнерго в конце 1985 г. [3], работает по принципу зондирования воздушных ЛЭП по высокочастотному тракту или проводу ВЛ и измерением временного интервала t между посылкой зондирующего и приемом отраженного импульса напряжения. По времени Ь можно определить расстояние до МЗЗ используя расчетную формулу:

/ = (1.1)

где V - скорость распространения импульсов напряжения по воздушной линии электропередачи.

Таким образом устройство "ПАУЗА" предназначено для дистанционного определения расстояния до МЗЗ на линиях 35 кВ и выше с помощью измерительных приборов и расчетов.

По паспортным данным погрешность опредления расстояния до МЗЗ устройством "ПАУЗА" составляет ± 2%, однако очевидно это справедливо только для ЛЭП и ВЛ напряжением свыше 35 кВ, поскольку точность измерения сильно зависит от однородности самой линии, точнее от волнового сопротивления линий. Это последнее очень существенно меняется при ЛЭП и ВЛ с меньшим напряжением, например при ВЛ 10 кВ, за счет их разветвлений и отпаек. Следует также отметить что, определение места однофазного замыкания по высокочастотному тракту легко применимо на тех линиях, где уже есть высокочастотная обработка фаз линии, то есть где установлены высокочастотные заградители, что как правило имеется у линий с напряжением 35 кВ и выше.

При отсутствии же высокочастотной обработки фаз линии (например у ВЛ 10 кВ) устройство "ПАУЗА" может быть применено для определения места однофазного замыкания по методу "набросом". Для этого нужно провести работы по следующему порядку:

• отключить и заземлить просматриваемую ВЛ с двух сторон;

• соединить провод телескопической штанги с клемой ВЛ или "Линия" защитного фильтра (ЗФ) или с шинкой от него;

• произвести "наброс" - навесить штангу на провод отключенный и заземленной ВЛ;

• снять заземление с ВЛ со стороны просмотра, снять заземление с проводки ЗФ;

• включить устройство "ПАУЗА" и начать считывать цифровые показания расстояния до МЗЗ, фиксируя наиболее часто повторяющиеся показания табло;

• выключить устройство;

• заземлить ВЛ со стороны просмотра, заземлить проводку

ФЗ;

• перенести штангу на другую фазу ВЛ;

• далее повторяются все вышеуказанные процедуры по всем фазам.

По сути работы метод "набросом" займет много времени за счет ручных переключений и подготовок. Результат определения места однофазного замыкания зависит от опыта обслуживающего персонала. Кроме того следует учесть, что при определении места однофазного замыкания в самом устройстве "ПАУЗА" заложена программа расчета расстояния по формуле (1.1), где заранее принята скорость V = 295км / мс. На самом же деле скорости распространения импульсов в каждой линии разные и зависят от удельного волнового сопротивления самой линии, проводимости земли и т.п. что говорит о дополнительной погрешности определения расстояния до МЗЗ.

Следует отметить, что при неустойчивом повреждении (нет металлического короткого замыкания и в месте повреждения горит перемежающаяся дуга, пробой на дерево и другое...) поиск места однофазного замыкания будет неуспешным. При просмотре по высокочастотному тракту, в случае узкополостных фильтров присоединения, большого затухания на линии, возможны неустойчивые показания или показания большой длины измеряемой ВЛ.

В работе "Определение расстояния до места однофазного замыкания в сетях с изолированной нейтралью" [4] предлагается

устройство и расчет, с помощью которых определяется не только поврежденная линия, но и расстояние до места однофазного замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью (см. рис. 1.1).

го

Рис. 1.1 Устройство для определения расстояния до места однофазного замыкания в сетях с изолированной нейтралью, предложенное Винницким политехническим институтом [4].

При появлении однофазного замыкания на землю фазочувствительной орган защиты КУ2 и блок сигнализации 4 осуществляет аварийную сигнализацию с указанием линии, на которой произошло однофазное замыкание на землю (по признаку появления тока и напряжения нулевой последовательности). Снижение напряжения на поврежденной фазе приведет к срабатыванию соответственно одного из пороговых элементов фаз 5, 6, 7 и соответствующего выходного реле (одного из К\/8, КУ9,

КУЮ). Вследствие этого с выхода соответствующего согласующего трансформатора (одного из 11, 12, 13) будет подано значение тока замыкания на землю 13 в измерительный блок 16, а с выхода измерительного трансформатора напряжения 3 - значение остаточного напряжения поврежденной фазы иПф в измерительный

блок 14. Одновременно блок 15 измеряет угол сдвига а между напряжением поврежденной фазы ипф и током однофазного

замыкания на землю 13. Значения показаний блоков 14, 15, 16 записываются персоналом для проведения вычислений по определению расстояния до МЗЗ по формуле приведенной на рис. 1.1, где:

и пф " остаточное напряжение поврежденной фазы, В;

13 - ток замыкания на землю поврежденной фазы, А;

ХП - индуктивное сопротивление контура от шин подстанции до МЗЗ, Ом;

Х0 - удельное (погонное) сопротивление контура "провод-земля", Ом/км.

Здесь следует отметить, факторы, которые будут существенно влиять на точность измерения, и, тем самым, создадут большую погрешность при расчете расстояния до МЗЗ.

Вот эти факторы:

• Большая погрешность измерительных трансформаторов тока и напряжения при малых значениях измеряемых токов и напряжений;

• Неопределенность индуктивного сопротивления контура "провод-земля".

• Недостаточность времени для фиксации персоналом показаний измерительных приборов на блоках 14, 15 и 16.

Рассмотрим более подробно второй из названных факторов, влияющих на погрешность расчета - неопределенность индуктивного сопротивления контура "провод-земля".

При замыкании одного провода на землю ток протекает по поврежденной фазе от шины к МЗЗ и возвращается через емкости между неповрежденными фазами и землей самой линии с МЗЗ и других линий (см. рис. 2.3). Чем больше количество соседних линий, тем меньшая доля тока возвращается по фазам В и С поврежденной линии.

Индуктивное сопротивление фазы линии (например фазы А) зависит не только от значения тока, протекающего в ней, но и от значения токов, протекающих в других фазах той же линии 1В, /с. Таким образом, изменение значений токов 1В, 1С вызывает изменение замеряемого индуктивного сопротивления фазы А. Это же относится и к определению удельного индуктивного сопротивления фазы Х0, которое также зависит от количества подключенных линий к общей шине подстанции. Итак, значения Хп и Х0 в расчетной формуле на рис. 1.1 [4] для данного МЗЗ неоднозначны.

В городских разветвленных кабельных сетях с компенсированной нейтралью задача определения места повреждения на землю решается несколько в другом плане [5]. Из-за частого продольного секционирования такой сети задачу отыскания места повреждения облегчает предварительное определение участка между секционирующими разъединителями, где произошло замыкание на землю. Для этой цели авторы [5] предлагают оснастить сеть датчиками аварийного тока (1, см. рис. 1.2,а) и соответствующей схемой сигнализации (см. рис. 1.2,6). Датчики срабатывают, если в месте их установки по линии протекает ток

нулевой последовательности. Последовательным отключением участков сети добиваются условий, при которых датчики перестают срабатывать и, тем самым, определяют поврежденный участок. Для повышения чувствительности датчиков индуктивность компенсирующего реактора 2 на время измерений шунтируют активным сопротивлением 3 соизмеримой величины. Для связи при измерениях используют радиопередающие устройства. Однако, как следует из описания, этот метод не решает проблемы в целом и для протяженных воздушных линий не применим.

В [8] предлагается метод определения расстояния до места однофазного замыкания на землю на линиях ВЛ СЦБ.

Суть предлагаемого метода поясняет рис. 1.3. После того как установлено наличие на линии однофазного замыкания на землю приступают к определению расстояния до МЗЗ. Для этого с помощью контактора МК 310 Б-М предлагается на время соединить нуль трансформатора СЦБ с землей, вследствие чего однофазное замыкание на землю превратится в однофазное К. 3. через МЗЗ. По мнению авторов измеряя напряжение поврежденной фазы относительно земли и ток в поврежденной фазе можно найти сопротивление петли К.З. и по нему приближенно определить расстояние до МЗЗ.

Погрешность, которые дает этот метод определяются тем, что:

• В цепи петли К.З. включается переходное сопротивление в МЗЗ, наличие которого дважды влияет на точность замеров, так как увеличивает напряжение петли К. 3. и уменшает ток в цепи К.З.

• На величину замера значительное влияние оказывает неоднородность линии - например наличие кабельных вставок.

• Ток в цепи ничем не ограничивается, что опасно для ВЛ СЦБ, так как в этом случае в МЗЗ возможен пережог провода линии.

Рис. 1.2 Селективная сигнализация поврежденного участка в городских сетях 10 кВ, предложенная Винницким политехническим институтом [5].

В 80-е годы с использованием указанного метода заводом МЭЗ выпускалась аппаратура типа АОП-1 [9,10]. Однако от ее использования на линии быстро отказались по указанным выше причинам и поскольку погрешность определения расстояния до МЗЗ достигла 100% длины линии.

Рис. 1.3 Метод определения расстояния до места однофазного замыкания на землю на линиях ВЛ СЦБ, разработанный ПКБ ЦЭ МПС [9, 10].

Подводя итог сказанному выше можно сделать вывод, что задача относительно быстрого и точного определения МЗЗ в сетях с изолированной или компенсированной нейтралью до сих пор не имеет своего удоволетворительного решения. Как представляется, рассмотренный ниже новый способ определения расстояния до МЗЗ, предложенный в 1993 году проф. Пупыниным, детально проанализированный в настоящей диссертации и устройства по способу, разработанные в ней же и запатентованные [2] решают эту задачу.

Практическое использование разработанных устройств предполагает получение некоторой предварительной информации.

Должен быть зафиксирован факт наличия в сети замыкания на землю. Такой информацией обслуживающий персонал подстанции обычно располагает, так как сети с изолированной нейтралью объязательно оборудованы устройствами сигнализации замыкания на землю (реле напряжения, подключенное к выходу ФННП, образованного обмотками трансформатора напряжения, включенными по схеме разомкнутого треугольника), устройствами фиксирующими значения фазных напряжений (например вручную переключаемым вольтметром, измеряющим фазные напряжения, позволяющим установить замкнувшуюся фазу) и, наконец, питающие линии оборудуются максимальными токовыми направленными защитами нулевой последовательности, позволяющими определить линию с замкнувшейся на землю фазой. Подстанции сети с компенсированной нейтралью, где при большой степени компенсации емкостного тока трудно обеспечить четкую работу направленной защиты нулевой последовательности, дополнительно оборудуются устройствами, шунтирующими дугогасящую катушку резистором в момент появления замыкания на землю, что способствует стабилизации работы защиты.

Если указанные информация получена, то применение разработанных в диссертации устройств просто, эффективно и быстро приводит к желаемой цели - определению расстояния до места замыкания на землю.

2. Анализ нового способа определения расстояния до места замыкания на землю

2.1. Описание способа, его теоретическое обоснование и приципиальная реализация.

В 1993 г. профессором Пупыниным В.Н. был предложен косвенный способ определения расстояния до места замыкания на землю в сетях 6-35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью, основаная идея которого поясняется рис. 2.1.

Пусть зафиксировано наличие замыкания на землю, определены линия и фаза, где оно дислоцировано (как правило это легко обеспечивается существующими защитами подстанций). Тогда для определения расстояния до места замыкания на землю (МЗЗ) предлагается провести опыт ограниченного короткого замыкания через МЗЗ в специально соби�