автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Принципы построения и модели токовых защит электроэнергетических систем

На правах рукописи

Никитин Константин Иванович

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И МОДЕЛИ ТОКОВЫХ ЗАЩИТ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Специальность 05.14.02 - Электростанции и электроэнергетические

системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

2 О ДЕК 2012

Омск-2012

005047417

На правах рукописи

Никитин Константин Иванович

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И МОДЕЛИ ТОКОВЫХ ЗАЩИТ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Специальность 05.14.02 - Электростанции и электроэнергетические системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Омск-2012

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет».

Научный консультант: доктор технических наук, профессор кафедры

«Автоматизация и управление» Павлодарского государственного университета Клецель Марк Яковлевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор кафедры

«Электроэнергетические системы и электротехника» ФГБОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта» Горелов Валерий Павлович

доктор технических наук, профессор, декан Энергетического факультета ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет» Нагай Владимир Иванович

доктор технических наук, профессор кафедры «Автоматическое управление электроэнергетическими системами» ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В. И. Ленина» Шуин Владимир Александрович

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный

технический университет»

Защита диссертации состоится 17 января 2013 года в 15:00 на заседании диссертационного совета Д 212.178.12 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет» по адресу: 644050, г. Омск, пр-т Мира, 11, корп. 6, ауд. 340.

Тел/факс: (8-3812)65-64-92, e-mail: dissov_omgtu@omgtu.ra.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет».

Автореферат разослан « ¿i<P » /¿¿^¿A-f 2012 года

Ученый секретарь ^-зО /*S Л

диссертационного совета < ЛУ Д.С.Осипов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Токовые защиты появились более 100 лет назад. Их созданием и совершенствованием занималось большое количество специалистов всего мира, среди которых особо отметим следующих: В. А. Андреев, Е. А. Аржанников, Г. И. Атабеков, Л. В. Багинский, М. А. Беркович, А. В. Богдан, А. Б. Барзам, Р. А. Вайнштейн, В. К. Ванин, Я. С. Гельфанд, А. Д. Дроздов, А. Ф. Дьяков, А. М. Дмитренко, А. С. Засыпкин, В. И. Иванов, М. Я. Клецель, С. Л. Кужеков, Н. Ф. Марголин, В. И. Нагай, В. И. Новаш, Г. С. Нудельман,

A. И. Левиуш, Ю. Я. Лямец, Г. М. Павлов, В. В. Платонов, В. Е. Поляков,

B. А. Семенов, Л. Е. Соловьев, В. Л. Фабрикант, А. М. Федосеев, Е. П. Фигурнов, Н. В. Чернобровое, М. А. Шабад, А. И. Шалин, Э. М. Шнеерсон, В. А. Шу-ин и др. Развитие энергетики за последние 60 лет привело к тому, что и в настоящее время токовая и другие защиты от коротких замыканий (КЗ) не всегда удовлетворяют предъявляемым требованиям чувствительности и надежности, а иногда, и быстродействия. Среди основных защит распределительных сетей электроэнергетических систем малым быстродействием обладают токовые защиты шин 6-10 кВ, недостаточной чувствительностью токовые поперечные защиты параллельных линий и максимально токовые защиты мощных электродвигателей. Последний недостаток характерен и для резервных максимальных токовых и дистанционных защит линий (при КЗ за трансформатором ответвлений) а также трансформаторов (при удаленных КЗ за присоединениями, отходящими от шин их низшего напряжения, и наложении отказов защит и выключателей, которые ранее не рассматривались, а в последние 15 лет участились из-за старения оборудования). В отношении надежности тревогу вызывает статистика излишних и ложных срабатываний защит, использующих цепи напряжения, а также защит, выполненных на микропроцессорах. Для повышения надежности РЗ в России и в Европе используется простое дублирование. Однако оно, как известно, увеличивает надежность срабатывания, ухудшая несрабатывание, в то время как анализ надежности МП устройств показывает, что излишние и ложные срабатывания случаются в несколько раз чаще, чем отказы в несрабатывании. Известно, что повышения надежности несрабатывания можно добиться путем мажорирования. При этом максимальный эффект достигается, если дублирующие друг друга три комплекта имеют разные принципы действия. Однако таких апробированных защит недостаточно. Так в качестве резервных защит от междуфазных замыканий линий напряжением 220-750 кВ используется только дистанционная, а от замыканий на землю токовая нулевой последовательности. Более того, дистанционные защиты иногда (из-за наличия цепей напряжения) сами оказываются причинами развития крупных техногенных аварий, например, в США в 1996 г. и в 2003 г.

Представляется, что решение всех перечисленных проблем невозможно без создания защит на новых принципах, разработке которых и посвящена данная работа.

Исследования по теме диссертации выполнялись в соответствии с планом научно-исследовательских работ ОмГТУ, в том числе проводимых в рамках

выполнения государственных контрактов № 16.516.11.6091 от 08. 07.2011 г., № 12-08-98028/12 от 17.05.2012 г., № 14.В37.21.0332, № 7.2881Ф. Материалы диссертации соответствуют распоряжению правительства РФ № 1715-р «Об энергетической стратегии на период до 2030».

Целью диссертационной работы является разработка новых и совершенствование известных принципов построения и моделей токовых защит элементов электроэнергетических систем.

Методы исследования используют положения теоретической электротехники и релейной защиты, электрических машин, электромагнитных и электромеханических переходных процессов электроэнергетических систем, теорию комплексного переменного, математический аппарат алгебры логики.

Достоверность основных теоретических положений, методов расчета анализа, подтверждается сопоставлением расчетных, полученных экспериментально и физическим моделированием данных, а работоспособность моделей и алгоритмов - натурными испытаниями, положительным опытом применения экспериментальных образцов разработанных устройств, установленных в опытную эксплуатацию.

Научная новизна работы:

1. Разработан принцип построения логических защит шин, основанный на контроле сигналов срабатывания пусковых органов максимальных токовых защит присоединений, отходящих от шин, и определении места повреждении в зависимости от комбинаций этих сигналов.

2. Разработанная поперечная направленная дифференциальная защита, в отличие от известных основана на контроле тока нагрузки в фазах и использовании алгебры логики.

3. Для ЛЭП с ответвлениями разработаны принципы построения и алгоритмы токовых резервных защит, в отличие от известных основанные на: а) изменении уставки срабатывания в зависимости от тока нагрузки; б) сравнении приращения модуля, реактивной и ортогональных составляющих тока с соответствующими эталонными величинами; в) контроле разности модулей токов фаз; г) комбинации приращений этих модулей. Показано, что для построения резервных защит транзитных ЛЭП можно использовать принципы по а) и б), если в каждый момент времени контролировать ещё и ток их нагрузки, а для резервных защит трансформаторов - отношения сумм и разностей модулей токов фаз.

4. Предложено строить реле направления мощности, контролируя и сравнивая длительности полупериода тока в настоящий момент с предыдущим, улучшать отстройку защит от самозапуска электродвигателя за счет контроля измерения тока статора и его фазы, а также определять поврежденную опору в сетях с изолированной нейтралью за счет фиксации протекания тока нулевой последовательности по её заземляющему проводнику и передачи сигнала по радиоканалу.

5. Показано, что направленность резервных защит присоединений ОРУ 220-750 кВ можно обеспечить на основе использования первого закона Кирхгофа.

6. Предложены два способа измерения тока в фазах ЭУ для построения РЗ с помощью герконов без использования трансформаторов тока (ТТ), при которых фиксируют времена между замыканиями и размыканиями контактов, и на той же основе разработана токовая защита с зависимой выдержкой времени на герконах.

7. Предложена прогнозирующая защита, включающая резервное питание при достижении сопротивлением изоляции питающих элементов критической величины с последующим отключением рабочего источника.

8. Разработан метод сопоставления резервных защит по чувствительности путем выражения минимального тока короткого замыкания, который они могут выявить, и параметров их срабатывания через номинальный ток нагрузки.

Практическая ценность работы заключается в том, что предложенные принципы, методы и модели позволяют:

1. создать несколько типов резервных защит трансформаторов и ЛЭП с ответвлениями, удовлетворяющих требованиям чувствительности при удаленных КЗ;

2. провести сопоставительный анализ чувствительности резервных защит;

3. использовать уже существующие электромеханические или микропроцессорные защиты с ТТ и герконы без ТТ для построения быстродействующих защит напряжением 6-10 кВ;

4. исключить большинство недостатков поперечной дифференциальной токовой направленной защиты ЛЭП двух параллельных линий;

5. очень просто определять поврежденную опору в сетях с изолированной нейтралью;

6. выполнять направленные токовые защиты без использования цепей напряжения, повысить чувствительность токовых защит электродвигателей;

7. создавать резервные централизованные защиты линий электропередач 330...500 кВ, решающих, в случае положительного опыта эксплуатации, проблему эффективного мажорирования резервных защит.

Реализация результатов работы.

Широкое использование в электроэнергетике (СССР, РФ и страны СНГ) получила логическая защита шин по авторскому свидетельству № 1644287, годовой экономический эффект от внедрения одного устройство составил около 50 тыс. рублей. Были опробованы экспериментальные образцы резервных защит по авторскому свидетельству № 1383458, а наиболее чувствительный (ЗРТ-2) установлен в промышленную эксплуатацию в «Павлодарэнерго» (Каз.ССР, РК, г. Павлодар) с годовым экономическим эффектом около 100 тыс. рублей.

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке аспирантов (специальность 05.14.02), в СНГ магистров (направление 140400.68), специалистов (специальность 140211) и бакалавров (направление 140400.62) в лекционных курсах, лабораторных занятиях, курсовом

и дипломном проектировании в Омском государственном техническом университете, а также для слушателей курсов повышения квалификации инженеров-электриков электроэнергетических предприятий в Омском региональном центре повышения квалификации и профессиональной подготовки.

На защиту выносятся:

1. метод сопоставления чувствительности резервных защит с разными параметрами срабатывания;

2. принцип построения и модели логических защит шин;

3. усовершенствованная поперечная дифференциальная токовая направленная защита ЛЭП двух параллельных линий;

4. принцип определения поврежденной опоры в сетях с изолированной нейтралью;

5. принципы построения, алгоритмы и модели резервных защит линий с ответвлениями тупиковых и транзитных ЛЭП;

6. способ определения направления мощности без использования цепей напряжения и способ быстрого распознавания самозапуска по амплитуде и фазе тока;

7. принципы повышения чувствительности резервных защит линий и трансформаторов к несимметричным КЗ, основанные на оценке соотношений и разностей токов фаз;

8. алгоритмы резервных централизованных защит ЛЭП 330...500 кВ, основанные на использовании закона Киргофа и направлений мощностей;

9. способ построения прогнозирующей токовой защиты питающего элемента.

Апробация работы.

Основные положения и научные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях:

• III Всесоюзной научно-технической конференции «Техническая диагностика устройств релейной защиты и автоматики электрических систем» (Мариуполь, 1990 г.);

• Всесоюзной научно-технической конференции «Современные методы и средства быстродействующего преобразования режимных параметров энергосистем» (Челябинск, 1990 г.);

• I Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы комплексной автоматизации электроэнергетических систем на основе микропроцессорной техники» (Киев, 1990 г.);

• Всесоюзной научно-технической конференции «Современная релейная защита электроэнергетических объектов» (Чебоксары, 1991 г.);

• II Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 1997 г.)

• Третьей международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 1999 г.)

• Научно-технической конференции «Актуальные проблемы релейной защиты, противоаварийной автоматики, устойчивости и моделирования энерго-

систем в условия реструктуризации электроэнергетики», посвященной 70-летию ОРЗАУМ института «Энергосетьпроект» (Москва, 2001 г.);

• Международной научно-технической конференции «Электроэнергия и будущее цивилизации» (Томск, 2004 г.);

• XX Конференции «Релейная защита и автоматика энергосистем» (Москва, 2010 г.);

• 13th International Conference on Electromechanics, Electrotechnology, Electromaterials and Components, ICEEE-2010 (Alushta, Crimea, Ukraine 2010);

• Международной научно-практической конференции «Энершэфектив-ность» (Омск, 2010 г.)

• Ш Международной научно-технической конференции СИГРЭ «Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем». (Санкт-Петербург, 2011 г.).

Публикации и личный вклад автора. Материал диссертации опубликован в 93 печатных научных трудах (включая 14 публикаций в изданиях из списка ВАК): 11 статей в журналах и других периодических изданиях, 9 авторских свидетельств СССР, 13 патентов РФ и 10 патентов Республики Казахстан, 36 статей в сборниках научных трудов и тезисов конференций, одна монография и двух учебных пособиях. Библиографическое описание основных работ приведено в конце автореферата.

Личный вклад в публикациях в соавторстве, по материалам которых написаны главы 5, 6 и параграфы 2.1-2.3 составляет около 50 %, остальные - более 90 %.

Структура и содержание диссертации. Диссертационная работа содержит 256 страниц машинописного текста. Она состоит из введения, 7 глав, заключения, списка литературы и приложения. Список литературы содержит 209 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации с точки зрения повышения чувствительности и надежности действия релейной защиты.

Сформулированы задачи исследования, связанные с разработкой метода оценки чувствительности и принципов построения и моделей токовых защит электроэнергетических систем. Отмечены научная новизна, практическая ценность работы, описаны методы исследований и положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу существующих принципов действия релейной защиты электроустановок.

Проведен анализ основных и резервных защит линий, шин, трансформаторов, электродвигателей. Отмечены их достоинства и недостатки (Рис. 1). Результатом анализа явилось определение путей совершенствования РЗ, которые изображены на рис. 2. Для максимального повышения надежности при использовании мажорирования определены электроустановки, которые не имеют достаточного количества защит, работающих на разных принципах.

При анализе резервных защит использован предложенный метод сравнения сопоставления резервных защит по чувствительности путем представления минимальных токов 1к.мин короткого замыкания (КЗ), которые они могут выявить, и параметров их срабатывания через максимальный рабочий ток 1р,шкс нагрузки НЭП или номинальный 1ц,эу ток электроустановки (трансформатора, электродвигателя и пр.). Так для токовых защит используется известная формула для коэффициента чувствительности Кч = ^кмин ) например, для макси-

1с,з

К К

мально токовой защиты 1С З = К-1РМАКС, где К = отс сзл , К0тс, Кв, КСзп~

кв

коэффициенты отстройки, возврата реле и самозапуска нагрузки. Подставляя вместо Кч и других коэффициентов их общепринятые значения (Кч = 1,2, Ксзп= 1-5 и т.д.), имеем 1КШН =(1,4-7,0)1РМЛКС.

Для направленных защит минимального (максимального) действия, имеющих специально сформированную характеристику срабатывания чувствительность может быть оценена при условии, что характеристика представляется математическим выражением, в котором обязательно присутствует 1р,шкс.

Тогда для дистанционных защит:

Г — у Р(*Рн) ик Г

1кмин - л :т~,-'р.шкс >

Р(<Рк)ир.мин

а для токовой направленной защиты максимального действия:

г - г/(<Рн)иРМИн т

1кмин - Л |—т.-'р,макс•

/(<Рк) ик

Генераторы

I I

I

*__

I ! Л_±.

Защиты от коротких замыканий

Основные

I

1

Трансформаторы

Резервные

"I-

Линии

—

I

■ПХГ.

недостаточное количество защит с разными принципами действия

Шины

т

I

__

НШ в ПЙНОИ МЕРЕ УДОЦЛЕТЬОРШ ТРЕБОВАНИЯМ:

.............................. г" .......

чувствительности

X

...

быстродействия

надежности

Электродвигатели

Р ? 9 / /

6...24 кВ 2.5...32 МВА 40..640МВА 6. ..35 кВ ПО.,.220 кВ 330. ..750 кВ 6...35 кВ 110...750 кВ 6...10 кВ

| 1 1 1

I

ГЗ"

I !

ТТ

.-I

недостаточное использование современной элементной базы

Рис. 1 Анализ соответствия основных и резервных защит, предъявляемым требованиям. (Длинные (короткие) пунктирные линии указывают на требования, которые не в полной мере удовлетворяют основным (резервным) защитам)

ОБЪЕКТ

ИССЛЕДОВАНИЯ

ТРЕБОВАНИЯ К

РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЕ

я

ьч О

8 РЗ

н О

>> 35

И й а

а Рм

и

• я

О

и

селективность

Электромеханические н электронные устройства РЗ

Разработка принципиально новых алгоритмов

Точное моделирование электроустановок и процессов

Релейная защита

быстродействие

Реализация на современной элементной базе

Совешенствоваипе алгоритмов традиционных устройств РЗ

Информация от различных элементов электроэнергетических систем

чувствительность

Измерительные преобразователи

с малыми погрешностями

надежность

Мажорптаное резервирование

Повышение квалификации персонала

Рис. 2 Возможные направления совеошенствования РЗ

Например, анализ эллиптической характеристики срабатывания дистанционной защиты, проходящей через начало координат, позволил построить объемную (рис. 3) и контурную (рис. 4) зависимости (для (рмч — 60°; ксзп — 5).

Используя разработанный метод оценки чувствительности проведен анализ существующих резервных защит.

Во второй главе рассмотрены разработанные принципы построения и модели основных токовых защит элементов распределительных сетей напряжением 6...35 кВ.

Предложена быстродействующая логическая защита сборных шин (рис. 5) от коротких замыканий, дан алгоритм для использования, как электромеханических реле, так и микропроцессорных.

Работа защит на отключения каждого выключателей 35, 37, 38 и 39 описывается с использованием алгебры логики следующими выражениями:

035 = T8D'3 v (Tlls/T12) л T8DÜ

037 = Т10л(Til л К38 V 772л К39)Dt2 v

vT10Dt3 v(Т8vТ9)л(TllvT12)лТ10лТ9)D",

038 = Т1Ю'3 vT11aT8 ,

039 = T12Dt3 v T12 л T8 ,

где 035, 037, 038, 039 - сигналы на отключение выключателя 35, 37, 38, 39 соответствующие Т8, TIO, Til, Т12 - сигналы от токовых реле 8, 10, 11, 12; К38, К39 - сигналы от контактов реле положения «включено»; D", D'2, D° - задержки срабатывания на времена tb t2, t3. Времена задержек ti = tPT + t3An, t2 = 1ЗАщ+ +toTKJi. + t3An, t3 > t2+ t3An, где tPT - время срабатывания токовых реле; t3An - время запаса; 1ЗАщ - время действия защиты, включая время действия выходного реле; íotkji. — время отключения выключателя.

Рис. 3 Объемная зависимость чувствительности

Рис. 4 График 1КМИН =f(<pH, <рю Ipjmkc) для эллиптической характеристикой срабатывания дистанционной защиты в контурных линиях

v (Т8 a (TI 1 л К38 v Т12 л К39))Dt2,

lk'.Mim-l OIrmakc

©33 18=0 8

П 35 н>

I т I?

I секция! | секциям

№ П39

411[]п 5!1[]12 ^49

Рис. 5 Схема защищаемой сети

□

21 1'

{1 6 Г , (¡и !$

22Ч

10

12

ц

Рис. 6 Места установки герконов

Рис. 7 Длительность срабатывания геркона при разных амплитудах тока

Для защиты сборных шин и ячеек распределительных шкафов от дуговых КЗ предложена модель защиты шин без использования трансформаторов тока (ТТ), имеющая логическую схему описываемую логическими выражениями:

038 = Т1Ю'3 \/ТПлТ8

039 = Т1Ю13 V Т12 л Т8,

а места установки герконов показаны рис. 6. При этом герконы установлены вблизи шин до и после выключателей отходящих присоединений и ввода одноименных фаз на вертикалях, проходящих через центры тяжести герконов под определенным углом к токопрово-дам фаз А, В и С.

Важную роль в распределительных сетей напряжением 6...35кВ играют токовые защиты с зависимой выдержкой времени. Разработанная токовая защита на герконах, как и предыдущая, не использующая ТТ. Герконы устанавливаются в заранее рассчитанных точках на безлопастном расстоянии от токопровода. Измеряя длительность срабатывания геркона (рис. 7), определяется амплитуда тока, и с помощью сформированной и записанной в память время зависимой характеристики выбирается время срабатывания защиты.

Усовершенствован алгоритм поперечной дифференциальной токовой направленной защиты НЭП двух параллельных линий. Благодаря введению реле тока для каждой фазы, контролирующих нагрузку, и специальной логике повышена чувствительность и не используется информация от вспомогательных контактов выключателей.

Описаны разработанные алгоритмы определения поврежденного присоединения и места однофазного замыкания на землю ОЗЗ в сетях с изолиро-

ванной нейтралью. Суть одного из них (рис. 8) заключается в том, что на каждой опоре 2 установлены указатель 1 и передатчик 3.

Рис. 8 Опора ЛЭП с поврежденной изоляцией

При повреждении изолятора провод падает на траверсу, через заземляющий спуск протекает ток ОЗЗ, от которого срабатывает указатель 1, запускающий передатчик 3. Приемник 4, установленный в диспетчерском пункте 5, принимает номер поврежденной опоры. Недостаток - неспособность чувствовать повреждение, когда провод падает на землю.

В третьей главе даны принципы построения, алгоритмы и модели резервных защит ЛЭП с ответвлениями.

Рассмотрена самонастраивающаяся токовая защита, сущность которой заключается в том, что ток срабатывания защиты 1с,з от ступени к ступени изменяется в зависимости от тока нагрузки линии 1Ид. Защита состоит из п ступеней, каждая из которых имеет пусковые (ПО) и измерительные (ИО) органы. Их токи срабатывания равны:

г _ Iк мин т _т Кч

1С3.1 - > 1 П,1 - JC3.i ■ —jT ~ 1 TP,МАКС

т _ к мин + (I tij-i -1тр,мин f ++2-1 к.мин • (I n.i-i -¡гг.мин ) • cos2 Дф

сз,/----,

Кч

где /сз /, /сз , - токи срабатывания ИО 7-ой, /-ой ступени защиты; Inj - токи срабатывания ПО 7-ой, i-ой ступени защиты; 1Тр,мин, 7тр.макс ~ номинальный ток трансформатора наименьшей и наибольшей мощности ЛЭП; 1к,мин ~ минимальный ток со стороны высшего напряжения трансформатора наименьшей мощности при КЗ за ним; А<р = <рк -<р„- разность углов векторов токов КЗ и нагрузки.

Чувствительность защиты задается минимальным коэффициентом чувствительности (Кч = 1,2), одинаковым для всех ее ступеней. Для работы защиты необходимо, чтобы выполнялись следующие условия:

> J^ Рмлкс¥ JPMAK<^ -(IpmKC-ITpMHIi)siti Лр+(IpMAK(rlTPMHH)cosAeP

!КМИН „

К'

Для реактированных линий целесообразно использовать защиту, основанную на оценке приращений модуля тока, отстраиваемую от приращения тока ^7нгмлх при включении максимально возможной нагрузки, которая должна

быть меньше минимального тока короткого замыкания. Ток срабатывания защиты 1с,з - К0тсКсзп'А1нгмлх-

Защита способна чувствовать КЗ при выполнении соотношений

AI кз > ¡c.3 > А1НГ,

где А1нгмах - приращение при включении максимально возможной нагрузки (или номинального ток трансформатора А1тр,шкс с наименьшей мощностью); AI¡a - приращение тока при КЗ.

Минимальный ток КЗ, на который реагирует устройство

iк мин = к • ai тр. макс

Поскольку ток КЗ за трансформатором ответвления носит реактивный характер (<рк ~ 85°), то защита, реагирующая на приращение реактивной составляющей тока имеет повышенную чувствительность. Её ток срабатывания и чувствительность, соответственно, записываются так:

1с,з = Котс'Ксзп'ЫЩн AItpmakc, Iк.мин ~ К • sin (рцА1ТРМАКС Наивысшую чувствительность имеет защита, реагирующая на приращение вектора тока, структурная схема которой показана на рис. 9, где ИПТ и ИПН -измерительные преобразователи тока и напряжения; АЦП — аналого-цифровой преобразователь с двумя цифровыми выходами Re(I) и Im(I); СР1 и СР2 - первый и второй сдвиговые регистры каналов активного и реактивного тока; ВЫЧ1 и ВЫЧ2 - первый и второй вычитатели каналов активного и реактивного тока; CCI и СС2 - первая и вторая схема сравнения каналов активного и реактивного тока; БУ - блок уставок с двумя цифровыми выходами Re(I) и Im(I); ИЛИ1 и ИЛИ2 - первый и второй логические элементы «ИЛИ» и «ИЛИ-НЕ»; В1 и В2 -первый и второй элементы задержки времени; И1, И2 и ИЗ - первый, второй и третий логические элементы «И»; OB 1 и ОВ2 - первый и второй одновибрато-ры (расширители импульсов); ГТИ - генератор тактовых импульсов; ИО - исполнительный орган.

Принцип действия основан на том, что вычисляются ортогональные составляющие тока каждой фазы, и в каждый момент времени в вычитателях ВЫЧ1 и ВЫЧ2 происходит вычитания между текущими значениями токов 1иж и предшествующими 1пред в линии п тактов назад

Re(AI) ^ Re(ITEK ) - Re( 1ПРЕД ) Im(AI) = Im(ITEK ) - Im( 1ПРЕД ) At n • Tpju At n • Tfjjf

Причем Тгги - tj — tj.i, где Трти - время, равное периоду импульсов формирователя тактовых импульсов (так как формирователь тактовых импульсов синхронизируется от напряжения системы, то Тгги ~ I/f= 1/50 = 0,02 с), a n■ Тгги - время, в течение которого сдвиговые регистры полностью обновляют свою информацию. Величины приращений токов линии Im(I) и Re(I) в каждый момент времени /, сравниваются в схемах сравнения CCI и СС2 с сигналами блока уставок БУ. Таким образом, устройство вычисляет вектор приращения тока линии. В нормальном режиме вектор приращения мал по величине и не попадает в область срабатывания, которая была предварительно вычислена и записана в блок уставок БУ, устройство не срабатывает. Чувствительность устройства зависит от модели защищаемой электроустановки (ЛЭП с ответвле-

ниями), которая фиксируется в защите в виде характеристики срабатывания защиты. Для ее определения рассмотрены граничные условия приращения при КЗ (металлического и через дугу) за трансформатором со всеми возможными доаварийными режимами работы: 1 и 2 - холостой ход нагрузки трансформатора с металлическим КЗ и через дугу; 3 - режим максимальной активной нагрузки с металлическим КЗ; 4 - режим максимальной активной нагрузки с КЗ через дугу; 5 и 6 — режимы максимальной реактивной нагрузки с металлическим КЗ и с КЗ через дугу. В соответствии с расчетом была построена характеристика срабатывания защиты (рис. 10).

iMLL

к юмерагаьяым органам фи В и С

з пего, отключения

ИСП

ст юнпт «включении южна управлении ВВ j—;

Рис. 9 Структурная схема защиты, реагирующей на приращение вектора тока

-jl, o.e.

О 1,0 2,0

Рис. 10 Векторы приращения тока КЗ

и характеристика срабатывания защиты

Оси диаграммы приведены в относительных единицах к номинальному току наименьшего трансформатора.

Наибольшую трудность для обеспечения дальнего резервирования защит представляют транзитные ЛЭП с ответвлениями, так как передаваемая транзитная мощность может быть в несколько раз больше 1к,мин- Для решения поставленной задачи предлагается защита, принцип работы которой основан на нахождении разности токов, протекающих через TAI и ТА2 разных концов линии с помощью каналов связи. В каждом полукомплекте защиты АК1 и АК2 вычисляются, соответственно Iaki=Li~L. Iak2=Lt-Ii• Найденные токи - это ток нагрузки ответвлений линии. Для реализации необходимо, чтобы с одного полукомплекта защиты в другой осуществлялась постоянная передача следующей

информации: о величине и фазе тока, протекающего через трансформаторы тока, о состоянии выключателя, о работе АПВ.

Такая же информация принимается с другого полукомплекта. Дальнейшая обработка полученного тока 1Ак1 (1лк2) производится аналогично, рассмотренным выше защитам, т.е. используются адаптивные или самонастраивающиеся принципы.

В четвертой главе описаны разработанные блокировки, основанные на анализе токов, не использующие напряжения для обеспечения селективности и чувствительности защит.

Использование нескольких входных цепей понижает надежность защиты, как и при подключении большого количества устройств к трансформатору напряжения ТУ, он перегружается, могут сработать его защитные устройства и отключить вторичные цепи напряжения, к тому же он выходит из допустимой точности работы. Для исключения таких недостатков предложен способ работы ОНМ с одной входной токовой величиной. Реализация способа возможна вследствие того, что электромагнитные переходные процессы в электроэнергетических системах протекают (в течение 1-2 периодов промышленной) значительно быстрее, чем электромеханические переходные процессы (в течение 5-20 периодов промышленной частоты и более). По данному способу разработаны структурная схема и алгоритм блокирующего органа направления мощности. Его суть заключается в том, что сформированный опорный сигнал определяют путем запоминания продолжительности предыдущего периода тока, а изменения угла в каждый период вычисляют как разницу между сформированным опорным сигналом (запомненная длительность предыдущего периода тока) и продолжительностью текущего периода тока. Условиями для срабатывания защиты являются: А1ХУ1, Л1<1у2, 1л>1с,з, где /у/ и 1у2 - первая и вторая уставки времени, соответствующие углам и сруг\ 1Л — ток линии; 1с.з — ток срабатывания защиты. На приведенных диаграммах (рис. 11, рис. 12) представлены сигналы основных возможных режимов ЛЭП, которые позволяют лучше понять работу защиты:

а) Включение маломощного трансформатора ответвления в рабочем режиме, при котором возникает малое приращение тока [Т1 и угла нагрузки (рш- Возникает незначительное приращение между продолжительностью предыдущего периода *„_/ и текущего /„, А1 = /„-/ - /„. Условия сравнения сигналов с уставками АК1у1, АК(у2,1л<1с,з■ Защита ЛЭП не срабатывает.

б) Включение мощного трансформатора ответвления с индуктивной нагрузкой в рабочем режиме (рис. 11), при котором возникает небольшое приращение тока 1т2 и большое приращение угла <рн2- Условия сравнения сигналов с уставками /1/>/у/, М<1у2, ¡л^с.з- Защита ЛЭП также не срабатывает.

в) В режиме КЗ в зоне действия защиты (рис. 12) происходит значительные приращения угла срл.ю и амплитуды [л.га тока. Выполняются все условия для срабатывания защиты А1>1У/, А1<1у2,1>1с.з■ Защита отключает ЛЭП.

г) В режиме КЗ вне зоны действия защиты («за спиной»), с большим приращением <рл,к2 и со значительным увеличением амплитуды тока 1л,кг- Выполняются условия А01у1, А/>1у2, 1л > ¡с.з, но срабатывания защиты не произойдет из-за условия несрабатывания (¿1/>*у}).

1л.н 1оим

1т:

\7

1п-1

2я

1„-д1

Фн2

Ф, рад юнм

5к

ЛСПу|

»пИ

6х

<(>. рад

Рис. 11 Диаграмма рабочего режима с большим приращением угла нагрузки

Рис. 12 Диаграмма в режиме КЗ в точке К1 в зоне действия защиты

Предложены блокировки, способные распознать самозапуск (пуск) асинхронных электродвигателей от КЗ до его окончания по изменениям амплитуды тока и его фазы, которые позволяют уменьшить время действия защиты.

Разработаны четыре методики расчета изменения амплитуды тока и его фазы в зависимости от скольжения, проведены эксперименты для подтверждения достоверности математического моделирования. По результатам построен график (рис. 13).

Рис. 13 Графики зависимостей различных методик и экспериментальный изменения фазы от скольжения асинхронного двигателя

Выведена упрощенная эмпирическая формула

(8,6 + 902^)

<Р = -

для расчета изменения фазы.

(1 + 11,9-з)

Разработана структурная схема устройства и алгоритм для реализации на микроконтроллере (рис. 14).

Рис. 14 Алгоритм блокировки защиты для ускоренного распознавания самозапуска

В пятой главе рассмотрены принципы построения предлагаемых резервных защит линий и трансформаторов, основанных на оценке соотношений и разностей токов фаз.

При КЗ между фазами В и С (К™) за трансформаторами ответвлений, через ТТ протекают токи (рис. 15, а), если трансформатор имеет группу соединения Y/Y:

Ьл = hi > Itb = 1к,в +1н> hc = 1(к,с + hi и если - Y/Д. (рис. 15, б):

I -1 +1(2) Т - Т + Т(2) 1 -Та- 71<2> та +1кл ' 1тв ~1н +1кл ' 1тс -jh +z1kà

где 1тл, 1тв. 1тс - токи, протекающие через ТТ фаз А, В, С линии; I(B2>, I(c2>, I(K2J -

токи КЗ в фазах В и С (А) при К(В2С> за трансформатором с соединением обмоток Y/Y (Y/A).

На основе анализа выражений JZt>î| — [Zr»|> |Zra|_|-rc|> построены

зависимости (рис. 16) 1Кмин от cos<pH при <рк=85° и 1н=1р,шкс (при 1н=1р,млкс значение ¡кмин максимально), 1(2) и 3(4) - для измерительных органов, фиксирующих разность токов фаз Au В с 1Сз = 0,12 1р,макс и 1с.з = 0,241р,Шкс, когда трансформаторы ответвлений имеют группу соединений Y/Д (Y/Y); 5(6) и 7(8) - для ИО фаз В и С; 9(10) и 11(12) - для ИО фаз С и А. Заштрихованные зоны между частями кривых 1,9 и 3,11 (2,6 и 4,8) показывают область изменения чувствительности защиты к двухфазным КЗ в зависимости от тока небаланса 1НБ = (0,1-0,2)1Р¿их. Из рис. 16

видно, что при наличии на ответвлениях трансформаторов со схемой Y/Y -1(кмт =(0,12-0,35) 1РМАХ, со схемой Y/A - 1КМИН = (0,14-0,37)1РМАХ.

Рис. 15 Векторная диаграмма при КЗ между фазами В и С за трансформаторами с группой соединения: а) У/У - 0; б) У/Л - 11

Что касается чувствительности к трехфазным КЗ, то для части защиты, реагирующей на приращение модуля тока,

к = = \1т.т\-\1н,п\ 1с,з 1-с.з где А1К — приращение тока при КЗ с ¡к,мин, 1т,т — ток, протекающий через трансформаторы тока (наихудший случай 1ПП = 1р,шх)-

Другая предлагаемая резервная защита линий основана на определении разности сигналов между наибольшим 1шкс фазным током и наименьшим 1шт-

1выч = /макс — 1мин, (между максисилектором и миниселекто-ром, пропорциональных токам фаз 1шкс и 1мин и сравнении результата с специально сформированным опорным сигналом). Далее значение минимальной величины увеличивается в полтора раза - (2 1,51ШН, и сравнивается с полученной от жд>„ и 1ИБ при Квс для ИО разных раннее разницей. Если 1ВЫЧ >1,5 1ШН, то фаз и трансформаторов с группами на вход РВ подается сигнал на отключе- соединений У/А (1,3, 5,7, 9, 11) ниеЛЭП. и У/У (2,4,6, 8, 10,12)

0,6 0,8 cos(pH Рис. 16 Зависимости 1к.минИр.шкс

Описана разработанная резервная защита ЛЭП от двухфазных КЗ за трансформаторами ответвлений, реагирующая на комбинации приращений разностей токов фаз. Принцип действия которой определяется разностью векторов токов фаз А и В, В и С, С и А, затем из этих разностей вычитаются разности векторов токов фаз предыдущего режима (за время tnp до момента измерения, tnp=0,l с). Полученные в итоге токи 1ав, Ьс, 1сл также вычитаются друг из друга (рис. 17). В результате вычислений токи в измерительном органе реле защиты будут:

,д _6-Ifc - 3-IHTP у _3-1К-3-1НТР

1 р--. 1 р --,

flj-p Wjy

где Ip и Ip - токи при КЗ за трансформатором с соединением обмоток Y/A и У/У соответственно; ¡н.тр - ток нагрузки трансформатора, на котором произошло КЗ.

Рис. 17 Векторная диаграмма токов 1р при двухфазном КЗ за трансформатором с соединением обмоток Y/Д

Чувствительность защиты трансформаторов с соединением обмоток Y/A и Y/Y соответственно оценивается на уровне ¡к мин = ~ 0,2) ■ 1НЛ и 1кмин=(0,2-0,5)-1н.л.

. Поставленная задача разработки резервных защита трансформатора из-за их недостаточного количества была решена созданием защиты, оценивающей отношения разностей и сумм модулей токов фаз. В измерительных органах та-

\1А-1В\ \1ц-1с\ \1с-1а\ кои защиты формируются сигналы ~—р^—и bt—а расчет её

\LB+Lc\ \1с + Ц \1а + 1в\ чувствительности дал величину =0,161н.

Шестая глава посвящена разработке алгоритмов резервных централизованных защит линий электропередач 330.. .500 кВ.

Разработаны алгоритмы централизованных защит ЛЭП (рис. 18) на основе методики контроля суммы и величин токов присоединений (в соответствии с законом Кирхгофа). Представлены неравенства и логические функции, описывающие условия срабатывания защит для распределительных устройств со схемами четырехугольника и шестиугольника.

Рис. 18 Резервная защита на примере схемы четырехугольника

Согласно предложенной методу чувствительность защит, построенных по данному принципу равна 1Кзмин = IJIhmakc-

В седьмой главе дан обзор некоторых возможных принципов построения токовых защит. Рассмотрены вопросы создания прогнозирующей защиты. Основой для ее создания стали законы старения диэлектриков. Предполагая, что срок службы электроустановки при «нормальных условиях» равен то, можем вычислить ее срок службы тс, при воздействии каждого фактора: kT\Tdt - термического (Т), kE\Edt - электрического (Е), kB\Bdt - влаги (В), ки \ И dt - различных излучений (И), км\Mdt - механического (М).

Учитывая комплексное воздействие на изоляцию электроустановки от всех вышеуказанных факторов, исходя из здравого смысла, можно записать выражение для срока службы изоляции

*■« = Ч-кт-ТГ-тт-kE-ZE-rE-кв -ъв-тв-ки- • ти-км ■ ЦМ-тм,

где к^ кв, ки, км и тт. тЕ, тв, щ тм - масштабирующие коэффициенты и времена элементарных воздействий, учитывающие степень влияния амплитуды факторов Т, Е, В, И, М

Имеется возможность фиксировать микровоздействия во время нормальной эксплуатации электроустановок, чтобы в дальнейшем судить о качестве изоляции и прогнозировать появление повреждения из-за накопления «устало-

сти». Дополнительным параметром, помогающим прогнозировать момент повреждения, является измерение сопротивления изоляции.

Кроме учета анализа физических процессов разрушений изоляции был проведен статистический анализ более чем 2500 отказов (рис. 19) кабельных ЛЭП на основании данных «ОМСКЭЛЕКТРО» за три года.

Так как полная информация о причинах повреждений, длине и типе кабеля, времени безаварийной работы не всегда была известна, то анализ пришлось проводить без этих данных. Учитывалась сезонная компонента и ежемесячный уровень осадков. Анализ осуществлялся при помощи спектрограммы Фурье, с предварительным определением тренда.

После вычисления величины сезонной компоненты и расчета ошибок была построена модель прогнозирования:

F — Т + S ±Е,

где F - прогнозируемое значение числа повреждений; S - сезонная компонента, S = - 5,801 ■ М2+81,214 - М-232,04-, Т- тренд, Т= 58,143; М- номер месяца года; Е - ошибка модели, Е- ±11,5.

1Ь. ... . .

12'

11С 10<

79 90 79 86 64 81

62 67 67 70 70 63

44 38 41 44 45 38« 45 46 48

19 17 30 22 — 26 28 22 23

12 13

8 8 S: S S R

llHlf

$НН888888888888оо5о

HMUlHIfiiHSHlH

ooooEsoosaaass

liiunuiiiii

Рис. 19 Исходный временной ряд, представляющий собой табулированное помесячно значение числа повреждений кабельных ЛЭП за период с января 1999 г. по июнь 2002 г.

Реальное значение числа повреждений — 106. Несмотря на то, что объем статистических данных недостаточен из-за малого временного интервала наблюдений, и погрешность расчета составляет более 6 %.

В соответствии с вышеизложенными теоретическими предпосылками на рис. 20 изображена подстанция с двумя секциями шин и с устройством прогнозирующей релейной защиты, а также в1, С2 - питающие системы; <31, (^3 -вводные выключатели; С?В - секционный выключатель; <35 - <38 - выключатели отходящих присоединений; У/2 - кабельные ЛЭП; ДТ, ДН, ДВ, ДМ и ДИ -

интеграторы единичных увеличенных воздействий тока, напряжения, влажности, деформаций и излучения соответственно; СИ - сумматор-интегратор; У -память уставок; СС - схема сравнения; 3 - элемент «задержки». Защита до повреждения включает секционный выключатель С?В, а затем отключает выключатели рабочего источника питания (^1 и (¿3.

Рис. 20 Структурная схема устройства ПРЗ

В нормальном режиме работы, когда никаких влияний отрицательных факторов на изоляцию электроустановки минимально, интегратор увеличивает результат за счет ГТИ. Когда этот результат превысит величину уставки, задаваемой в памяти уставок У, поступит сигнал на включение секционного выключателя С>В, а через определенную задержку времени за счет элемента 3, после включения С^В происходит отключение выключателя рабочего ввода С|1. Таким образом, переключение производится без перерыва питания, что важно для некоторых видов потребителей, например синхронных двигателей. Для объективной информации в защите желательно использовать дополнительные датчики - температуры, светового излучения (в случае прямого воздействия солнечного света на изоляцию), радиации и пр. Кроме того, для правильной работы в сумматор-интегратор прогнозирующей защиты записывается продолжительность службы кабельной ЛЭП, текущее дата (сезон года) и время. Во время работы в памяти сумматоре-интеграторе прогнозирующей защиты учитываются перегрузки, повышения внешней температуры и другие вышеуказанные параметры для вычисления износа изоляции кабеля.

Рассмотрены возможные принципы построения защит. Проведен анализ чувствительности для защит:

- реагирующих на величины активной мощности (или проводимости) 1к,мин =(5,7—13,2)1РМЛКС, реагирующих на реактивную составляющую мощности (или проводимости) 1к,мин =(0,7—3,4)1Р,шкс;

- действующих на приращение мощности и проводимости

¡кмин = (0>5—2,2)1р,млкс» при выполнении защиты направленной (специально сформированной характеристики срабатывания) предпочтительней защита, реагирующая на приращение проводимости;

- реагирующих на приращение сопротивления для линий с ответвлениями, имеющей нелинейную зависимость приращений от конкретного режима ЛЭП (в режиме холостого хода возникает неопределенность в математическом описании измерительного органа защиты, поэтому ее создание имеет определенные сложности).

Проведен сравнительный анализ защит по чувствительности. На рис. 21 показаны токи 1к3 мин у которые способны выявлять защиты, реагирующие на параметры:

1 - ток, мощность и проводимость (необходимо отметить, что такой разброс 1к,шн=(1,45-7)1Рмакс связан величиной ксзп - 1—5, а в один пункт попали защиты с разными принципами действия при условии, что для защит дальнего действия при КЗ величина и меняется в пределах допускаемой величины, т. е. ±5 %);

2 - реактивная составляющая мощности (1к,мин=(0,4-2,2)1р,шкс);

3 - ток обратной последовательности {1кмин=(0,15-1,5)1РШКС)\

4 - напряжение обратной последовательности (1к,мин~(1.0-500)1РшксУ,

5 - мощность обратной последовательности {1к.мин=Ф,2-13)1р.шксУ,

6 - сопротивление с характеристикой с центром в начале координат (1кмин~ (1.45-7)1рШксУ,

I - сопротивление с эллиптической характеристикой (Iк,мин=(0,2- 7)1 р^кс);

8 — сопротивление с круговой характеристикой (1к.мин~(0,3-10)1Ршкс)\

9 -сопротивление с треугольной и трапецеидальной характеристиками (/кмин-(0,2-1 0)1рмакс)\

10 - разности модулей токов фаз (1к,мин=(0,14-0,44)1р,шксУ,

II - ток с самонастройкой {¡кмин=(0,38-1,2)1Р ШКСУ,

12 - ток с самонастройкой реактивную составляющую,

{!кмин-(0,2-1,2)1ршкс);

13 - приращение модуля тока {1КШ,,=(0,22-2, ¡5)1РМЛКсУ

14 - приращение мощности, проводимости и сопротивления (1кмин=(0,5-2,2)1ршкс У,

15 — приращение реактивной составляющей тока (/к,мин~(0,12-2,4)1р^шксУ,

16 - приращение вектора тока (1кмин -(0,05-5,5)1р_шкс);

17 - комбинации приращений разностей токов фаз (1к,мин=(0,1-0,5)1р_шкс)'■>

18 - отношения сумм и разностей модулей токов фаз Скмин=(0,1б-1,0)1р.шкс);

' К.МИН А

Рис. 21 Сравнительный анализ чувствительности

Приведенный анализ показывает, что традиционные дистанционные защиты способны отключать 1к,мин ~ 0,2Ь,млкс> если можно не учитывать самозапуск двигательной нагрузки, а при учете - лишь 1КхМин 5 0,61РМАКС. В ряде случаев 1к,мин оказываются значительно меньшими.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе решены задачи создания новых и совершенствования известных принципов построения токовых защит элементов электроэнергетических систем для обеспечения чувствительности и возможности использования мажорирования, внедрение которых имеет важное хозяйственное значение и вносит значительный вклад в развитие страны.

Результаты работы сводятся к следующему:

1. Разработаны принципы построения логических защит шин, позволяющие получить простые и чувствительные к дуговым замыканиям устройства, как с трансформаторами тока, так и без них на герконах.

2. Усовершенствована поперечная направленная дифференциальная защита двух параллельных линий, которая, в отличие от традиционных, отстраивается только от токов небаланса при внешних КЗ, правильно функционирует при сложных видах повреждений и не использует вспомогательные контакты выключателей.

3. Предложены принципы построения и созданы модели резервных токовых защит ЛЭП с ответвлениями, способных самонастраиваться, а также защит, оценивающих приращения модуля, его реактивной составляющей и вектора тока. Для последней созданы специальные характеристики срабатывания. Разработан алгоритм функционирования продольной дифференциальной резервной

токовой защиты транзитной ЛЭП с ответвлениями, реагирующей на приращение тока и его аварийные составляющие. Эти защиты дают возможность выявлять минимальные токи ¡к,мин короткого замыкания за трансформаторами ответвлений в диапазоне от 0,051Ршкс ДО 0,61рмакс {Iр.макс - максимальный рабочий ток).

4. Предложены принципы построения реле направления мощности без цепей напряжения и блокировки, позволяющей улучшить отстройку защит от самозапуска электродвигателя за счет контроля изменения тока статора и его фазы, а также способ определения поврежденной опоры в сетях 6-35 кВ, при котором фиксируют протекание тока нулевой последовательности по её заземляющему проводнику и передают сигнал по радиоканалу.

5. Разработаны принципы построения и модели резервных защит линий от двухфазных КЗ за трансформаторами ответвлений на основе контроля разности модулей токов фаз и комбинации приращений этих модулей. Защиты, построенные по этим принципам, не уступают по чувствительности фильтровым и могут быть использованы при мажорировании.

6. Показано, что направленность резервных защит присоединений ОРУ 220-750 кВ можно обеспечить на основе использования первого закона Кирхгофа. Это позволяет получать защиты без цепей напряжения. Разработаны алгоритмы и модели резервных централизованных защит таких ОРУ на сравнении знака мощности. Все защиты по этим принципам выявляют 1кмин =1,41р.млкс и по чувствительности не уступают максимальным токовым с пуском по напряжению.

7. Предложены два способа измерения тока для РЗ в фазах электроустановки с помощью герконов без использования трансформаторов тока, при которых фиксируют времена между замыканиями и размыканиями контактов. На основе этих способов могут быть созданы защиты, дублирующие основной комплект при мажорировании, и сэкономлены медь и сталь, как например, разработанная токовая защита с зависимой выдержкой времени.

8. Предложена прогнозирующая защита, позволяющая включить резервное питание при достижении сопротивлением изоляции питающих элементов критической величины с последующим отключением рабочего источника, что исключает перерыв питания.

9. Разработан метод, по которому проведена сопоставительная оценка чувствительности известных, разработанных и гипотетических резервных защит. Оказалось, что самой чувствительной из традиционных является дистанционная направленная (она выявляет 1к,мин >0,6 1ршкс)> а из разработанных - реагирующая на приращение вектора тока с созданной характеристикой -(/кмин >0,051р,шкс), причем многие из них чувствительнее дистанционной и не используют цепи напряжения.

10. В качестве резервных защит трансформаторов целесообразно использовать разработанные защиты, реагирующие на разности модулей токов фаз и отношения сумм и разностей модулей токов фаз. Это дает возможность выявлять далекие КЗ, к которым не чувствительны традиционные защиты, и использовать предлагаемые при мажорировании.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Никитин, К. И. Совершенствование поперечной направленной защиты линий / М. Я. Клецель, К. И. Никитин, А. С. Стинский // Промышленная энергетика. - 2008.-№ 5. - С.20-24.

2. Никитин, К. И. Оценка возможности применения трехтрансформаторных фильтров в схемах защиты и сигнализации от замыканий на землю в сетях 6-35 кВ / К. И. Никитин, В. А. Бурчевский, П. А. Черкай, Е. В. Петрова // Сб. науч. тр. -вып. № 6. - Новосибирская государственная академия водного транспорта (Иртышский филиал). - Омск, 2008. - С. 14-19.

3. Никитин, К. И. Резервная токовая направленная защита линий ОРУ 330750 кВ / М. Я. Клецель, К. И. Никитин, А. С. Стинский, К. Т. Шахаев // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - Новосибирск, НГАВТ. - вып. № 2, - 2009. - С.355-358.

4. Никитин, К. И. Построение резервных защит линий электропередач с использованием первого закона Кирхгофа / М. Я. Клецель, К. И. Никитин, А. С. Стинский, К. Т. Шахаев // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока, Новосибирск, НГАВТ, вып.№ 1,2010. С. 309-312.

5. Никитин, К. И. Анализ изменения фазы тока асинхронного двигателя при его пуске, эксперимент и синтез устройства релейной защиты (1 часть) // Омский научный вестник. - 2011. - № 1 (97). - С.107-112.

6. Никитин, К. И. Алгоритм определения поврежденного присоединения и места ОЗЗ в сети с изолированной нейтралью и его реализация // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока, Новосибирск, НГАВТ, вып. № 1, 2011. С. 247-250

7. Никитин, К. И. Анализ изменения фазы тока асинхронного двигателя при его пуске, эксперимент и синтез устройства релейной защиты (2 часть) // Омский научный вестник. - 2011. - № 3 (103). - С. 167-170.

8. Никитин, К. И. Опережающий автоматический ввод резерва собственных нужд электрических станций и подстанций / В. Н. Горюнов, К. И. Никитин, М. М. Сарычев // Омский научный вестник. - 2011. - № 3 (103). - С.211-213.

9. Никитин, К. И. Пусковой орган для резервных защит линий электропередачи напряжением 220-750 кВ / Н. М. Зайцева, М. Я. Клецель, К. И. Никитин, К. Т. Шахаев // Электро. - 2012. - № 1 . - С.26-27.

10. Никитин, К. И. Токовый принцип определения направления мощности для релейной защиты / К. И. Никитин // Омский научный вестник. - 2012. - № 2 (108). - С.229-233.

11. Никитин, К. И. Токовый принцип определения поврежденного присоединения и места однофазного замыкания в сети с изолированной нейтралью / К. И. Никитин, Л. В. Владимиров, Е. Н. Еремин, К. В. Хацевский // Омский научный вестник. - 2012. -№ 2 (108). - С.234-236.

12. Никитин, К. И. Опережающее автоматическое включение резерва / К. И. Никитин, М. М. Сарычев, В. Д. Степанов, Е. Н. Еремин, К. В. Хацевский // Омский научный вестник. - 2012. - № 2 (108). - С.237-238.

13. Никитин, К. И. Защита линий, выявляющая короткие замыкания за маломощными трансформаторами её ответвлений / Н. М. Зайцева, М. Я. Клецель,

К. И. Никитин, К. С. Таронов, О. А. Сидоров // Омский научный вестник. - 2012. -№2(108).-С. 209-211.

14. Никитин, К. И. Алгоритм направленной защиты с одним входным токовым сигналом / К. И. Никитин, В. В. Грисько, Д. Е. Маруськин // Фундаментальные исследования. - 2012. - № 9 (часть 2) - С. 398-403.

Публикации в других изданиях:

15. Никитин, К. И. Самонастраивающаяся токовая защита / М. Я. Клецель, К. И. Никитин, В. Е. Поляков // Изв. Вузов. Сер. Энергетика. - 1989. - №9. -С.44-46.

16. Никитин, К. И. Адаптивная резервная токовая защита тупиковых линий с ответвлениями / А. В. Богдан, М. Я. Клецель, К. И. Никитин // Электричество. -

1991. -№2. - С.61-54.

17. Никитин, К. И. Анализ чувствительности резервных защит распределительных сетей энергосистем / М. Я. Клецель, К. И. Никитин // Электричество. -

1992. - №2. - С.19-23.

18. Никитин, К. И. Резервная защита линий, реагирующая на разность модулей токов фаз и их приращения / М. Я. Клецель, К. И. Никитин // Электричество. - 1993. - №10. - С.23-26.

19. Никитин, К. И. Уточнение уставки срабатывания дистанционной защиты // Омский научный вестник. -1998. - №5. -С.92-94.

20. Никитин, К. И. Алгоритм для повышения чувствительности резервных защит линий / М. Я. Клецель, К. И. Никитин, К. С. Таронов // Омский научный вестник. - 2005. - №1 (30). - С.146-148.

21. Никитин, К. И. Универсальный алгоритм функционирования направленной дифференциальной защиты линий / М. Я. Клецель, К. И. Никитин, А. С. Стинский // Омский научный вестник. - 2006. - декабрь, № 9 (46). -С.121-123.

22. Никитин, К. И. Алгоритм функционирования резервной защиты линий с повышенной чувствительностью к несимметричным коротким замыканиям / К. И. Никитин, А. С. Стинский, К. Т. Шахаев // Омский научный вестник. - 2007. -№ 3 (60). - С.72-74.

23. Никитин, К. И. Вычисление зоны срабатывания токовой защиты, реагирующей на приращение вектора тока // Омский научный вестник. - 2007. - № 3 (60). - С.74-77.

24. Никитин, К. И. Возможные направления совершенствования релейной защиты / К. И. Никитин, О. А. Сидоров, А. А. Вырва, М. М. Сарычев // Омский научный вестник. - 2009. - № 1 (77). - С.130-133.

25. Никитин, К. И. Реле на герконах с обратнозависимой времятоковой характеристикой / М. Я. Клецель, К. И. Никитин, А. С. Стинский, М. Т. Токомбаев // Омский научный вестник. - 2009. -№ 1 (77). - С.139-142.

Методические пособия и монографии:

26. Никитин, К. И. Релейная защита систем электроснабжения : конспект лекций. - Омск.: ОмГТУ, 2006. - 116 с.: ил. - 200 экз.

27. Никитин, К. И. Физические процессы в электрических аппаратах: Учебное пособие / Никитин К. И., Варфоломеева А. С., Леньков Ю. А., Кургузов Н. Н.,

Кургузова JI. И.. - Омск: ОмГТУ, 2007. - 212 с. : ил. - 300 экз. -ISBN 978-5-8149-0505-6.

28. Никитин, К. И. Принципы построения, алгоритмы и модели токовых защит электроэнергетических систем: Монография. - Омск: ОмГТУ, 2012. - 240 с. : ил. - 100 экз. - ISBN 978-5-8149-1260-2.

Авторские свидетельства, патенты на изобретения и свидетельства на программы для ЭВМ:

29. А. с. 1383458 СССР, МКИ5 Н02Н 3/08,7/26. Устройство с диагностикой для резервной защиты ЛЭП / А. В. Богдан, М. Я. Клецель, К. И. Никитин (СССР). -№ 396175/24; заявл. 28.10.85 ; опубл. 15.07.1991.- 8 е.: ил.

30. А. с. 1510662 СССР, МКИ5 Н02Н 7/26. Устройство для резервной защиты от междуфазного короткого замыкания трехфазной электроустановки / М. Я. Клецель, К. И. Никитин (СССР). - № 4271504/24; заявл. 29.06.87. - 3 е.: ил.

31. А. с. 1607039 СССР, МКИ5 Н02Н 3/08, 7/22. Устройство для защиты сборных шин и ячеек распределительных шкафов от дуговых коротких замыканий / М. Я. Клецель, А. Н. Метельский, В. В. Мусин, К. И. Никитин, В. М. Шаггохин (СССР). - № 4623939/24-07; заявл. 21.12.88 ; опубл. 15.11.90, Бюл. № 42- 3 е.: ил.

32. А. с. 1644287 СССР, МКИ5 Н02Н 7/26. Устройство для централизованной токовой защиты сети / Г. Е. Болгарцев, М. Я. Клецель, К. И. Никитин, В. М. Шатохин (СССР). - № 4352486/07 ; заявл. 30.12.87 ; опубл. 23.04.91, Бюл. № 15.-3 е.: ил.

33. А. с. 1653059 СССР МКИ5 Н02Н 3/08. Устройство для резервной защиты тупиковой линии с ответвлениями от междуфазных коротких замыканий / М. Я. Клецель, К. И. Никитин, В. Е. Поляков (СССР). - № 4624661/07 ; заявл. 26.12.88 ; опубл. 30.05.91, Бюл. № 20. - 4 е.: ил.

34. А. с. 1686569 СССР, МКИ5 Н02Н 3/08. Устройство для токовой защиты линии электропередачи с ответвлениями / М. Я. Клецель, К. И. Никитин (СССР). -№ 4474579/07; заявл. 20.06.88 ; опубл. 23.10.91, Бюл. № 39. - 5 е.: ил.

35. А. с. 1686570 СССР, МКИ5 Н02Н 3/08. Устройство для токовой защиты от междуфазного короткого замыкания трехфазной электроустановки с АПВ / М. Я. Клецель, К. И. Никитин, В. В. Челпаченко (СССР). - № 4649155/07 ; заявл. 13.02.89; опубл. 23.10.91, Бюл. № 39. - 4 е.: ил.

36. А. с. 1715169 СССР, МКИ5 Н02Н 3/08, 7/22. Устройство для токовой защиты от междуфазного короткого замыкания трехфазной электроустановки / А. В. Богдан, Н. Г. Монасгыренко, К. И. Никитин (СССР). - № 3894055/07 ; заявл. 13.05.85.-4 е.: ил.

37. А. с. 1728914 СССР, МКИ5 Н02Н 3/08, 7/22. Устройство для резервной токовой защиты тупиковой линии с ответвлениями от междуфазного короткого замыкания / М. А. Копбаев, К. И. Никитин (СССР). - № 4638583/07 ; заявл. 16.01.89; опубл. 23.04.92, Бюл. № 15. - 8 е.: ил.

38. Пат. 1808160 СССР, МКИ5 Н02Н 3/08. Устройство токовой защиты электроустановки от коротких замыканий / М. Я. Клецель, А. Г. Кошель, А. Н. Мегельский, К. И. Никитин, В. В. Челпаченко ; заявитель и патентообладатель Павлодарский индустриальный инветитут. - № 4638583/07 ; заявл. 29.06.90 ; опубл. 07.04.93, Бюл. №13.-3 е.: ил.

39. Пат. 2168824 Российская Федерация, МКИ7 Н02Н 3/10, 3/38. Способ токовой защиты электроустановки от коротких замыканий / К. И. Никитин,

Е. К. Никитин, Т. С. Стрижак ; заявитель и патентообладатель Омский государственный технический университет. - № 99125091/09 ; заявл. 29.11.99 ; опубл. 10.06.2001, Бюл. № 16. - 4 е.: ил.

40. Пат. 2174690 Российская Федерация, МКИ7 G01R 31/08, 3/38. Способ определения поврежденного присоединения и места однофазного замыкания в сети с изолированной нейтралью / В. В. Авданин, К. И. Никитин, В. Ю. Тупуреин ; заявитель и патентообладатель Омский государственный технический университет. - № 99120522; заявл. 28.09.99 ; опубл. 10.10.2001, Бюл. № 28.-4 е.: ил

41. Предварительный пат. № 15211 Республика Казахстан, МПК7 G01R 31/34. Устройство диагностики эксцентриситета ротора электрической машины / А. Н. Новожилов, К. И. Никитин, О. А. Андреева, М. П. Воликова ; заявитель и патентообладатель Павлодарский государственный университет. - № 2003/0717.1 ; заявл. 29.05.2003 ; опубл. 15.12.2004, Бюл. № 12. - 4 е.: ил.

42. Пат. 2244994 Российская Федерация, МПК7 Н02Н 3/38. Способ определения направления мощности токовых защит / К. И. Никитин ; заявитель и патентообладатель Омский государственный технический университет.

№ 2003120761/09; заявл. 07.07.2003 ; опубл. 20.01.2005, Бюл. № 2. -4 е.: ил.

43. Пат. 2261509 Российская Федерация, МКИ7 Н02Н 3/26. Устройство для резервной защиты линии с ответвлениями / М. Я. Клецель, К. И. Никитин, К. С. Таронов, В. Ш. Гибадулина ; заявитель и патентообладатель Омский государственный технический университет. - № 2004111389/09 ; заявл. 14.04.2004 ; опубл. 27.09.2005, Бюл. № 27. - 7 е.: ил.

44. Предварительный пат. № 19635 Республика Казахстан, МКИ7 Н02Н 3/08. Способ защиты линий от коротких замыканий на землю / М. Я. Клецель, К. И. Никитин, А. С. Сгинский, К. Т. Шахаев, Д. С. Шеломенцев ; заявитель и патентообладатель Павлодарский государственный университет. - №2006/0756.1 ; заявл. 30.06.2006; опубл. 16.06.2008, Бюл. №6.-4 е.: ил.

45. Предварительный пат. № 19637 Республика Казахстан, МКИ7 Н02Н 3/08. Устройство токовой защиты с зависимой выдержкой времени на герконах / М. Я. Клецель, К. И. Никитин, А. С. Стинский, М. Т. Токомбаев ; заявитель и патентообладатель Павлодарский государственный университет. - №2006/1355.1 ; заявл. 04.12.2006; опубл. 16.06.2008, Бюл. № 6. - 9 е.: ил.

46. Пат. 2321126 Российская Федерация, МКИ7 Н02Н 3/26. Устройство резервной защиты линии для сетей с заземленной нейтралью / К. И. Никитин, А. С. Стинский, К. Т. Шахаев, Д. С. Шеломенцев ; заявитель и патентообладатель Омский государственный технический университет. - № 2006130587/09 ; заявл. 24.08.06 ; опубл. 27.03.2008, Бюл. №9.-4 е.: ил/

47. Пат. 2333584 Российская Федерация, МКИ7 Н02Н 3/08. Устройство токовой защиты с зависимой выдержкой времени на герконах / М. Я. Клецель, К. И. Никитин, А. С. Стинский, М. Т. Токомбаев ; заявитель и патентообладатель Омский государственный технический университет. - № 2007102388/09 ; заявл. 22.01.07; опубл. 10.09.2008, Бюл. № 25. - 11 е.: ил.

48. Пат. 2353039 Российская Федерация, МКИ7 Н02Н 7/04. Устройство резервной токовой защиты трансформатора со схемой соединения обмоток Y/Y / М. Я. Клецель, К. И. Никитин, А. С. Стинский, Н. М. Зайцева ; заявитель и патентообладатель Омский государственны технический университет.

№ 2004111389/09; заявл. 09.01.08 ; опубл. 20.04.2009, Бюл. № 11. - 3 е.: ил.

49. Инновационный пат. № 19637 Республика Казахстан, МКИ7 Н02Н 3/26. Устройство резервной защиты линии для сетей с заземленной нейтралью / К. И. Никитин, А. С. Стинский, К. Т. Шахаев, Д. С. Шеломенцев ; заявитель и патентообладатель Павлодарский государственный университет. - № 2008/0057.1 ; заявл. 18.01.2008 ; опубл. 16.02.2009, Бюл. №2.-4 е.: ил.

50. Инновационный пат. № 20856 Республика Казахстан, МКИ7 Н02Н 3/36. Устройство для защиты двух параллельных линий с отдельными выключателями / М. Я. Клецель, К. И. Никитин, Т. Ш. Ким, А. С. Стинский ; заявитель и патентообладатель Павлодарский государственный университет. - № 2008/0058.1; заявл. 18.01.2008; опубл. 16.02.2009, Бюл. №2.-4 е.: ил.

51. Инновационный пат. № 20857 Республика Казахстан, МКИ7 Н02Н 7/04. Устройство резервной токовой защиты трансформатора / Н. М. Зайцева, М. Я. Клецель, К. И. Никитин, С. Стинский ; заявитель и патентообладатель Павлодарский государственный университет. - № 2008/0065.1 ; заявл. 18.01.2008 ; опубл. 16.02.2009, Бюл. №2.-5 е.: ил.

52. Инновационный пат. № 20858 Республика Казахстан, МКИ7 Н02Н 7/22. Устройство централизованной резервной защиты присоединений схемы шестиугольника / М. Я. Клецель, К. И. Никитин, С. Стинский, К. Т. Шахаев ; заявитель и патентообладатель Павлодарский государственный университет. -№ 2008/0063.1 ; заявл. 18.01.2008 ; опубл. 16.02.2009, Бюл. № 2. - 14 е.: ил.

53. Инновационный пат. № 21041 Республика Казахстан, МКИ7 Н02Н 7/04. Устройство резервной токовой защиты трансформатора со схемой соединения обмоток У/У / Н. М. Зайцева, М. Я. Клецель, К. И. Никитин, С. Стинский ; заявитель и патентообладатель Павлодарский государственный университет. -№ 2008/0061.1; заявл. 18.01.2008 ; опубл. 16.03.2009, Бюл. №3.-6 е.: ил.

54. Инновационный пат. № 21149 Республика Казахстан, МКИ7 Н02Н 7/04. Устройство защиты присоединений схемы четырехугольника ОРУ 220-750 кВ / М. Я. Клецель, К. И. Никитин, С. Стинский, К. Т. Шахаев, С. В. Липкина ; заявитель и патентообладатель Павлодарский государственный университет. -№ 2008/0349.1; заявл. 31.03.2008; опубл. 15.04.2009, Бюл. № 4. - 13с.: ил.

55. Инновационный пат. № 21240 Республика Казахстан, МКИ7 <2011* 19/30. Способ измерения тока / М. Я. Клецель, К. И. Никитин, М. Т. Токомбаев, А. Б. Жантлесова; заявитель и патентообладатель Павлодарский государственный университет. - № 2008/0064.1 ; заявл. 18.01.2008 ; опубл. 15.05.2009, Бюл. № 5. -5с.: ил.

56. Пат. 2361228 Российская Федерация, МКИ7 Н02Н 3/26. Способ определения места однофазного замыкания в сети с изолированной нейтралью / К. И. Никитин, П. А. Черкай, В. К. Федоров, А. А. Якубович ; заявитель и патентообладатель Омский государственный технический университет.

№ 2007119766/28; заявл. 28.05.07; опубл. 10.07.2009, Бюл. № 19. - 4 е.: ил.

57. Пат. 2363084 Российская Федерация, МКИ7 Н02Н 7/22, 3/08. Устройство централизованной резервной защиты присоединений схемы шестиугольника / М. Я. Клецель, К. И. Никитин, А. С. Стинский, К. Т. Шахаев; заявитель и патентообладатель Омский государственный технический университет.

№ 2007119766/28 ; заявл. 09.01.08 ; опубл. 27.07.2009, Бюл.№ 21. -4 е.: ил.

58. Пат. 2377579 Российская Федерация, МКИ7 С0№19/30. Способ измерения тока / М.Я. Клецель, Никитин К.И., М.Т. Токомбаев, А.Б. Жантлесова ; зая-

витель и патентообладатель Омский государственный технический университет. -№ 2008100795/28 ; заявл. 09.01.08 ; опубл. 27.12.2009, Бюл. № 36. - 7 е.: ил.

59. Пат. 2397499 Российская Федерация, МКИ7 вОШ 19/30. Способ измерения тока в проводнике с помощью герконов / К. И. Никитин, В. Н. Горюнов, М. Я. Клецель, М. Т. Токомбаев, П. Н. Майшев ; заявитель и патентообладатель Омский государственный технический университет. - № 2008120069/28 ; заявл. 20.05.08; опубл. 20.08.2010, Бюл. № 23. - 4 е.: ил.

60. Пат. 2422841 Российская Федерация, МКИ7 <ЖК 31/08. Адаптивный способ определения поврежденного присоединения и места однофазного замыкания в сети с изолированной нейтралью / К. И. Никитин ; заявитель и патентообладатель Омский государственный технический университет. - №2008120069/28 ; заявл. 30.03.09; опубл. 27.06.2011, Бюл. № 28. - 5 е.: ил.

61. Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ № 2007612975. Программное обеспечение к лабораторной работе «Трансформаторы напряжения» / И. И. Полежаев, К. И. Никитин ; заявитель и патентообладатель Омский государственный технический университет. Зарегистрировано 04.06.2007.

62. Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ № 2007613852. Программное обеспечение по дисциплине «Релейная защита и автоматика систем электроснабжения» / Ю. К. Рыбасов, К. И. Никитин ; заявитель и патентообладатель Омский государственный технический университет. Зарегистрировано 04.06.2007.

63. Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ № 2008610172. Программное обеспечение по дисциплине «Электрические аппараты» / А. С. Варфоломеева, К. И. Никитин ; заявитель и патентообладатель Омский государственный технический университет. Зарегистрировано 09.01.2008.

Печатается в авторской редакции

Компьютерная верстка О.Н. Савостеевой

Подписано в печать 23.11.12. Формат 60><84 Vi6. Бумага офсетная. Отпечатано на дупликаторе. Усл. печ. л. 2,0. Уч.-изд. л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ 650.

Издательство ОмГТУ. 644050, г. Омск, пр. Мира, 11; т. 23-02-12 Типография ОмГТУ

УДК 621.316.925(075) ББК 31.27-05я73 Н62

Омский государственный технический университет

На правах рукописи

05201350441

Никитин Константин Иванович

«ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И МОДЕЛИ ТОКОВЫХ ЗАЩИТ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ»

Специальность 05.14.02 - Электростанции и электроэнергетические системы

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант Доктор технических наук, профессор

Клецель М.Я.

Омск 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................6

Характеристика работы..............................................................................................8

Перечень используемых сокращений.....................................................................17

Глава 1. Некоторые проблемы релейной защиты электроэнергетических систем .....................................................................................................................................19

1.1 Релейная защита и требования, предъявляемые к ней................................19

1.2 Недостатки основных защит..........................................................................21

1.2.1 Защит с абсолютной селективностью........................................................21

1.2.2 Основные защиты с относительной селективностью...............................30

1.3 Недостатки резервных защит.........................................................................36

1.4 Сравнение защиты по чувствительности......................................................39

1.5 Возможные направления совершенствования релейной защиты..............61

1.6 Выводы и постановка задачи.........................................................................69

Глава 2......................................................................................................................71

2.1 Способы выявления КЗ безТТ на герконах..................................................71

2.2 Защита электроустановок с зависимой выдержкой времени на герконах 78

2.3 Герконовая защита сборных шин и ячеек распределительных устройств

6.. .35 кВ от дуговых коротких замыканий.........................................................90

2.4 Модель логической защиты шин от дуговых коротких замыканий с использованием ТТ...............................................................................................93

2.5 Поперечная дифференциальная токовая направленная защита ЛЭП двух параллельных линий..............................................................................................98

2.6 Устройства для определения поврежденного присоединения и места однофазного замыкания......................................................................................105

2.6.1 Алгоритм определения поврежденного присоединения........................105

2.6.2 Определения места однофазного замыкания..........................................109

2.7 Выводы...........................................................................................................110

Глава 3. Принципы построения, алгоритмы и модели адаптивных резервных

защит ЛЭП с ответвлениями..................................................................................112

3.1 Самонастраивающаяся токовая защита......................................................112

3.2 Защита, основанная на оценке приращения модуля тока.........................117

3.3 Защита, реагирующая на приращение реактивной составляющей тока. 125

3.4 Построение защит, реагирующих на приращение вектора тока..............131

3.4.1 Защита, реагирующая на приращение вектора тока...............................131

3.4.2 Определение характеристики срабатывания...........................................133

3.5 Алгоритм функционирования продольной дифференциальной резервной токовой защиты транзитной линии...................................................................135

3.6 Выводы...........................................................................................................139

Глава 4. Блокировки токовых защит для обеспечения селективности и чувствительности....................................................................................................141

4.1. Устройство блокировки по направлению мощности без цепей напряжения...........................................................................................................141

4.1.1 Анализ переходных процессов в ЛЭП при изменении режимов..........141

4.1.2 Структурная схема устройства и принцип ее действия.........................148

4.1.2 Реализация токовой направленной защиты на микроконтроллере.......151

4.2 Устройство блокировки для быстрого распознавания самозапуска по амплитуде тока....................................................................................................153

4.3 Устройство блокировки для быстрого распознавания пуска и самозапуска

по амплитуде тока и его фазе.............................................................................157

4.3.1 Постановка задачи......................................................................................157

4.3.3 Эксперименты.............................................................................................157

4.3.4 Разработка алгоритма работы защиты.....................................................160

4.4 Выводы...........................................................................................................163

Глава 5 Резервные защиты линий и трансформаторов, оценивающие соотношения и разности токов фаз.......................................................................165

5.1 Разность модулей токов фаз, как основа для построения защиты линий от двухфазных замыканий.......................................................................................165

5.2 Разность модулей токов фаз, как основа для построения защиты линий от коротких замыканий на землю...........................................................................174

5.3 Защита ЛЭП от двухфазных КЗ за трансформаторами ответвлений, реагирующая на комбинации приращений разностей токов фаз...................176

5.4 Защита трансформатора, оценивающая отношения сумм и разностей модулей токов фаз...............................................................................................183

5.5 Выводы...........................................................................................................189

Глава 6. Алгоритмы резервных централизованных защит линий электропередач 330...500 кВ.............................................................................................................191

6.1 Алгоритмы централизованных защит, использующие закон Кирхгофа. 191

6.2 Алгоритмы резервных централизованных защит на сравнении знака мощности..............................................................................................................196

6.2.1 Алгоритм защиты присоединений схемы четырехугольника...............196

6.2.2 Алгоритм защиты присоединений схемы шестиугольника..................203

6.3 Модели резервных централизованных защит............................................205

6.6 Выводы...........................................................................................................212

Глава 7. Возможные принципы построения токовых защит..............................213

7.1 Прогнозирующая защита..............................................................................213

7.1.1 Определение срока службы изоляции......................................................213

7.2.2 Структурная схема устройства прогнозирующей защиты....................218

7.3 Возможные принципы построения защит...................................................220

7.3.4 Сопоставление рассматриваемых зашит по чувствительности............230

7.3.5 Сопоставление по чувствительности новых защит и некоторые пути ее дальнейшего повышения....................................................................................232

7.4 Выводы...........................................................................................................235

Заключения..........................................................................................................236

Библиографический список................................................................................239

-{'•Г » Ч«Г '1 I- ■■ ! I

ПРИЛОЖЕНИЕ А...................................................................................................262

ПРИЛОЖЕНИЕ Б....................................................................................................265

ПРИЛОЖЕНИЕ В....................................................................................................270

ПРИЛОЖЕНИЕ Г....................................................................................................273

ПРИЛОЖЕНИЕ Д...................................................................................................281

ПРИЛОЖЕНИЕ Е....................................................................................................295

ВВЕДЕНИЕ

С увеличением энерговооруженности потребителей возросла выработка электроэнергии, но принципиальной технической реконструкции электроэнергетики за последние два десятилетия не производилось. За это время произошло несколько серьезных техногенных аварий в энергетике с большим экономическим ущербом и с человеческими жертвами, анализ которых показал, что одним из факторов их предотвращающих могли стать своевременно усовершенствованные устройства релейной защиты (РЗ) и автоматики электроэнергетических систем. На данном этапе развития техники и технологий РЗ не всегда соответствует современному уровню развития электроэнергетики в плане жестких требований чувствительности, быстродействия и надежности.

Релейная защита - одна из областей техники, в которой моделируется защищаемый объект, а результаты такого моделирования аппаратно или программно используются в устройстве в виде уставок и специальных характеристик срабатываний. Поэтому от точности описания, учета всех процессов защищаемого объекта зависит качество защиты, его свойства. Это значительно усложняет принцип работы РЗ. В настоящее время современные технологии позволяют проектировать и использовать алгоритмы любой сложности, из-за чего РЗ начинает обладать новыми функциями и свойствами такими, как повышенная чувствительность и быстродействие, адаптивность и др. Это позволяет в первую очередь осуществить принципы дальнего резервирования РЗ для большинства электроустановок. Однако производители при проектировании не используют все возможности и в основном совершенствуют технические характеристики устройств, связанные с электромагнитной совместимостью, эргономикой, малыми габаритами и потреблением. Практически большинство производителей повторяют алгоритмы действия РЗ, которые были отработаны и реализованы на индукционных, электромеханических и полупроводниковых устройствах. Они консервативно относятся к предлагаемым новым принципам действия защит.

VIII » Я |»1 I »'8 (МИ С |1

, 1,1 / г

В плане повышения надежности, кроме использования функциональной и тестовой диагностики, в России и за рубежом все шире используется концепция построения РЗ по традиционной многоступенчатой структуре, но работающей по мажоритарному принципу (предложенная еще в прошлом веке) с дополнительными параллельными двумя (как минимум) каналами, состоящими из подобных многоступенчатых структур. Такая концепция регулярно озвучивается на конференциях и семинарах СИГРЭ, а также она отражена в материалах МЭК-61850.

Таким образом, использование уже известных, но не используемых принципов работы устройств РЗ, и разработка новых алгоритмов может значительно повысить устойчивость безотказной работы энергетики в целом, уменьшить количество аварий.

Характеристика работы

Актуальность. Токовые защиты появились более 100 лет назад. Их созданием и совершенствованием занималось большое количество специалистов всего мира, среди которых особо отметим следующих: В. А. Андреев, Е. А. Аржанников, Г. И. Атабеков, Л. В. Багинский, М. А. Беркович, А. В. Богдан, А. Б. Барзам, Р. А. Вайнштейн, В. К. Ванин, Я. С. Гельфанд, А. Д. Дроздов, А. Ф. Дьяков, А. М. Дмитренко, А. С. Засыпкин, В. И. Иванов, М. Я. Клецель, С. Л. Кужеков, Н. Ф. Марголин, В. И. Нагай, В. И. Новаш, Г. С. Нудельман, А. И. Левиуш, Ю. Я. Лямец, Г. М. Павлов, В. В. Платонов, В. Е. Поляков, В. А. Семенов, Л. Е. Соловьев, В. Л. Фабрикант, А. М. Федосеев, Е. П. Фигурнов, Н. В. Чернобровов, М. А. Шабад, А. И. Шалин, Э. М. Шнеерсон, В. А. Шуин и др. Развитие энергетики за последние 60 лет привело к тому, что и в настоящее время токовая и другие защиты от коротких замыканий (КЗ) не всегда удовлетворяют предъявляемым требованиям чувствительности и надежности, а иногда, и быстродействия. Среди основных защит распределительных сетей электроэнергетических систем малым быстродействием обладают токовые защиты шин 6-10 кВ, недостаточной чувствительностью токовые поперечные защиты параллельных линий и максимальные токовые защиты мощных электродвигателей. Последний недостаток характерен и для резервных максимальных токовых и дистанционных защит линий (при КЗ за трансформатором ответвлений) а также трансформаторов (при удаленных КЗ за присоединениями, отходящими от шин их низшего напряжения, и наложении отказов защит и выключателей, которые ранее не рассматривались, а в последние 15 лет участились из-за старения оборудования). В отношении надежности тревогу вызывает статистика излишних и ложных срабатываний защит, использующих цепи напряжения, а также защит, выполненных на микропроцессорах. Для повышения надежности РЗ в России и в Европе используется простое дублирование. Однако оно, как известно, увеличивает надежность срабатывания, ухудшая несрабатывание, в то время как анализ надежности МП устройств показывает, что излишние и лож-

ные срабатывания случаются в несколько раз чаще, чем отказы в несрабатывании. Известно, что повышения надежности несрабатывания можно добиться путем мажорирования. При этом максимальный эффект достигается, если дублирующие друг друга три комплекта имеют разные принципы действия. Однако таких апробированных защит недостаточно. Так в качестве резервных защит от междуфазных замыканий линий напряжением 220-750 кВ используется только дистанционная, а от замыканий на землю токовая нулевой последовательности. Более того, дистанционные защиты иногда (из-за наличия цепей напряжения) сами оказываются причинами развития крупных техногенных аварий, например, в США в 1996 г. и в 2003 г.

Представляется, что решение всех перечисленных проблем невозможно без создания защит на новых принципах, разработке которых и посвящена данная работа.

Исследования по теме диссертации выполнялись в соответствии с планом научно-исследовательских работ ОмГТУ, в том числе проводимых в рамках выполнения государственных контрактов № 16.516.11.6091 от 08. 07.2011 г., № 12-08-98028/12 от 17.05.2012 г., № 14.В37.21.0332, № 7.2881Ф. Материалы диссертации соответствуют распоряжению правительства РФ № 1715-р «Об энергетической стратегии на период до 2030».

Целью диссертационной работы является разработка новых и совершенствование известных принципов построения и моделей токовых защит элементов электроэнергетических систем.

Методы исследования используют положения теоретической электротехники и релейной защиты, электрических машин, электромагнитных и электромеханических переходных процессов электроэнергетических систем, теорию комплексного переменного, математический аппарат алгебры логики.

Достоверность основных теоретических положений, методов расчета анализа, подтверждается сопоставлением расчетных, полученных эксперименталь-

& \ | < »К.т.Й'Ип ,4 i

У<,',">"<1 -¡м

но и физическим моделированием данных, а работоспособность моделей и алгоритмов - натурными испытаниями, положительным опытом применения экспериментальных образцов разработанных устройств, установленных в опытную эксплуатацию.

Научная новизна работы:

1. Разработан принцип построения логических защит шин, основанный на контроле сигналов срабатывания пусковых органов максимальных токовых защит присоединений, отходящих от шин, и определении места повреждении в зависимости от комбинаций этих сигналов.

2. Разработанная поперечная направленная дифференциальная защита, в отличие от известных основана на контроле тока нагрузки в фазах и использовании алгебры логики.

3. Для ЛЭП с ответвлениями разработаны принципы построения и алгоритмы токовых резервных защит, в отличие от известных основанные на: а) изменении уставки срабатывания в зависимости от тока нагрузки; б) сравнении приращения модуля, реактивной и ортогональных составляющих тока с соответствующими эталонными величинами; в) контроле разности модулей токов фаз; г) комбинации приращений этих модулей. Показано, что для построения резервных защит транзитных ЛЭП можно использовать принципы по а) и б), если в каждый момент времени контролировать ещё и ток их нагрузки, а для резервных защит трансформаторов - отношения сумм и разностей модулей токов фаз.

4. Предложено строить реле направления мощности, контролируя и сравнивая длительности полупериода тока в настоящий момент с предыдущим, улучшать отстройку защит от самозапуска электродвигателя за счет контроля измерения тока статора и его фазы, а также определять поврежденную опору в сетях с изолированной нейтралью за счет фиксации протекания тока нулевой последовательности по её заземляющему проводнику и передачи сигнала по радиоканалу.

5. Показано, что направленность резервных защит присоединений ОРУ 220-750 кВ можно обеспечить на основе использования первого закона Кирхгофа.

6. Предложены два способа измерения тока в фазах ЭУ для построения РЗ с помощью герконов без использования трансформаторов тока (ТТ), при которых фиксируют времена между замыканиями и размыканиями контактов, и на той же основе разработана токовая защита с зависимой выдержкой времени на герконах.

7. Предложена прогнозирующая защита, включающая резервное питание при достижении сопротивления изоляции питающих элементов критической величины с последующим отключением рабочего источника.

8. Разработан метод сопоставления резервных защит по чувствительности путем выражения минимального тока короткого замыкания, который они могут выявить, и параметров их срабатывания через номинальный ток нагрузки.

Практическая ценность работы заключается в том, что предложенные принципы, методы и модели позволяют:

1. создать несколько типов резервных защит трансформаторов и ЛЭП с ответвлениями, удовлетворяющих требованиям чувствительности при удаленных КЗ;

2. провести сопоставительный анализ чувствительности резервных защит;

3. использовать уже существующие электромехани�