автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Разработка комплекса средств селективной сигнализации однофазных замыканий на землю в кабельных сетях 6-10 кВ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

НОВОЧЕРКАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ГУСЕ Н КО В Алексеи Васильевич

УДК 621.31G.925

РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА СРЕДСТВ СЕЛЕКТИВНОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ В КАБЕЛЬНЫХ СЕТЯХ 6—10 кВ

Специальность 05.14.02 — Электрические станции (электрическая часть), сети, электроэнергетические системы и управление ими

Автореферат диссертации па сонскание ученой степени кандидата технических наук

Нопочеркасск 1994

Работа выполнена на кафедре «Автоматическое, управление электроэнергетическим^ ' системами» Ивановского государственного энергетического университета (ИГЭУ).

Научный руководитель —

кандидат технических паук, доцент Шуин В. А.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Гельфанд Я. С.,

кандидат технических наук, профессор Шуляк В. Г.

Ведущая организация —

Проектно-изыскательскии научно-исследовательский институт по проектированию энергетических систем и электрических сетей «Энергосетьпроект» г. Москва.

' Защита диссертации состоится « Р. . » г.

в г//, часов в аудитории 107 главного корпуса на заседании диссертационного Совета Д.063.30.01 Новочеркасского государственного технического университета (346400, г. Новочеркасск Ростовской области, ул. Просвещения, 132).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новочеркасского государственного технического университета.

Автореферат разослан «

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим направить по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного Совета.

Ученый секретарь диссертациомного Совета к. т. п., доцент

ЗОЛОТАРЕВ 11. Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Атуалъностъ теш. Первопричиной многих аварий, сопровождающихся значительным экономическим ущербом, в электрических кабельных сетях 6 - 10 кВ систем электроснабжения предприятий различных отраслей промышленности, городов и объектов сельского хозяйства являются однофазные замыкания на землю (СЗЗ). Они составляют не кепео 75Ж от общего числа электрических повреждений. От быстроты обнаружения поврежденного элемента, осуществляемого средствами защиты от 033, зависит также степень электробозопасности эксплуатационного персонала.

Эффективным способом нейтрализации негативных последствий 033 является резонансное заземление нейтрал! электрических сотой 6 - 10 кВ, однако возникающие при этом проблемы с выполнением защиты от 033 (действующей в рассматриваемых сетях, как правило, на сигнал), ограничивают область его применения. Поэтому создание эффективных способов и средств селективной сигнализации 033, обеспечивающих устойчивое функционирование при любой степени компенсации емкостного тока замыкания, является актуальны?*.

В работ© приводятся результаты исследований и разработок принципов построения и устройств сигнализации 033, основанных на контроле начальных фазовых соотношений токов и напряжений нулевой последовательности переходного процесса при 033.

Известно, что устройства селективной сигнализации 033, использующие для своего действия электрические велич!тны переходного процесса, возникающего при пробое изоляции фазы сети на землю, потенциально обладают большими возможностями, чем устройства, реагирующие на токи и напряжения установившегося pomma. К числу их преимуществ можно отнести независимость функционирования от режима заземления нейтрали сети, возможность определения поврежденного присоединения при всех видах 033 (устойчивых, кратковрэ-кзняых самоустраняющихся, прерывистых, в тон числе и чероз перемежающуюся дугу), высокое быстродействие и чувствительность, простоту"отстройки от токов небаланса и помех и др.

Цель рабеда и задачи исследовсяшя. Целью роботы является разработка принципов построения и создание комплекса технически* средств селективной сигнализации 033 в кабельных сетях S - 10 кЗ, основанных на использовании переходных процессов.

Дтя достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующий основные задачи:

1. Анализ известных способов и исполнений устройств защиты и сигнализации 033, реагирующих на электрические величины переходных процессов, с целью выбора наиболее перспективных принципов выполнения устройств сигнализации 033.

2. Теоретический анализ, математическое и физическое моделирование электромагнитных переходных процессов в компенсированных и некомпенсированных кабельных сетях 6 - 10 кВ в аспекте выбора информационных признаков для определения поврежденного присоединения при 033.

3. Экспериментальные и теоретические исследования процессов передачи переходных- токов и напряжений трансформаторами тока и напряжения нулевой последовательности и контрольными кабелями.

4. Разработка, на основе указанных выше исследований, принципов построения и практическая реализация централизованных направленных устройств сигнализации 033 (ЦНУСЗ), реагирующих на электрические величины переходного процесса.

6. Разработка принципов построения и практическая реализация централизованной системы сигнализации и регистрации 033 (ЦССЗ) на базе ЭВМ и средств микропроцессорной техники.

Ыетоды исследования. Исследования проводились с использованием методов теории электромагнитных переходных процессов в электрических системах, теории электрических цепей, методов автоматизированного моделирования и проектирования.

Научная новизна. Научная новизна выполненных исследований и разработок заключается в следухщэм:

1. Получены и исследованы аналитические решения уравнений переходного процесса при 033 в сети с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов, учитывающие как процессы разряда емкости поврежденной фазы на землю, так и процессы перезаряда емкостей неповрежденных фаз.

2. На основе теоретического анализа и моделирования на ЭВМ переходных процессов при 033 в кабельных сетях 6-10 кВ обоснованы алгоритмы функционирования направленных измерительных органов устройств сигнализации 033, основанных нз использовании начальных фазовых соотношений электрических величин переходного процесса.

3. Разработаны принципы построения централизованных направленных устройств сигнализации'однофазных замыканий на землю.

4. Разработаны принципы построения централизованной системы сигнализации и регистрации, однофазных замыканий на землю на база ЭВМ и, средств микропроцессорной техники.

Практическая ценность. Разработанный комплекс технических средств сигнализации 033, включающий централизованные направленные устройства сигнализации замыканий на землю типа "Темп-1" и "Импульс" различных модификаций, централизованную систему селективной сигнализации и регистрации 033, технические сродства проверки вторичных цепей, позволяет в основном решить проблему селективной сигнализации этого вида повреждений, обеспечивая эксплуатацию компенсированных кабельных сетей 6 - 10 кВ в оптимальном режиме резонансной настройки и том самым повышая надежность электроснабжения и электробезопасность потребителей.

Реализация результатов работы. Разработанные устройства типа "Темп-1" и "Импульс" внедрены в АО Ивзнерго, Владимирэнерго, Костромаэнэрго, Башкирэнерго, Нижновэнерго, на предприятиях различных отраслей промышленности. Всего в эксплуатации находится около 100 комплектов устройств, рассчитанных на подключение до 16 присоединений каждый. Опыт эксплуатации подтвердил высокую эффективность разработанных устройств селективной сигнализации 033. Централизованная система сигнализации и регистрации 033 на базе ПЭВМ IBM PC/AT внедряется на Светогорском ЦБК.

Устройства демонстрировались на всесоюзной (ВДНХ-1986 г.) И международной (Инторэлектро-1993 г.) выставках.

Апробация рабош. Результаты работы докладывались и обсуждались на всесоюзных и республиканских научно-технических конференциях и семинарах: "Программируемые устройства релейной защиты и автоматики энергосистем"■ (г. Рига, .1QB6 г.), "Оньгг применения средств технической диагностики и ' контроля .за состоянием электроэнергетического оборудования" (г'. Суздаль, 1086 г.), "Техническая диагностика устройств релейной защиты и автоматам-! электрические систем" (г. Мариуполь, 1990 г.), "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (г. Иваново, 198Б, 1987, 1991, 1992, 1894 г.г.), "Проблемы комплексной автоматизации электроэнергетических систем на основе микропроцессорной техники" (г. Ктав, 1990 г.), "Современная релейная защита электроэнергетических объектов" (г. Чебоксары, 1991 г.), "Устройства преобразования информации для контроля и управления в энергетике" (Харьков, 1992 г.), "Релейная защита и автоматика энергосистем" (г. Новочеркасск, 1692 г.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 16 печатных работ. Материалы диссертации отражены тэга» в 10 отчетах по научно-исследовательским работам кафедры "Автоматическое управление эле'строэнергетическими системами" ИГЭУ.

Структура, и ооьея рабсилы. Диссертация состоит из введения, 5 глаз и заключения, изложенных на 164 страницах машинописного текста, содержит 49 иллюстраций, 4 таблицы, список литературы из 137 наименований, 7 приложений на 41 странице. Общий объем работы составляет 212 страниц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены общая цель работы и направление исследований, перечислены решаемые задачи, отражены научная новизна и практическая ценность полученных результатов, пояснена структура работы.

В первой главе проводится анализ существующих принципов и исполнений устройств защиты от замыканий на землю, основанных на использовании электрических величин переходного процесса, с целью выбора наиболее перспективных принципов выполнения устройств сигнализации 033. На основе анализа показано, что наиболее универсальными по принципу действия являются направленные устройства, реагирующие на начальные фазовые соотношения токов и напряжений волновой .или среднечастотной стадии переходного процесса.

Во второй главе приведены аналитические решения уравнений переходных процессов при 033, включении линий под напряжение и результаты их исследования для компенсированных и некомпенсированных кабельных сетей 6-10 кВ. Исследования переходных процессов при включении линий под напряжение представляют интерес ввиду того, что возникающий при этом переходный процесс характеризуется близостью формы и параметров тока и напряжения нулевой последовательности к входным сигналам защиты при СЗЗ. Полученные решения устанавливают в явной форме зависимости тока и напряжения нулевой последовательности переходного процесса и их компонент (разрядных и зарядных) от основных влияющих на переходный процесс факторов (потери в контуре нулевой последовательности, удаленность 033 от тин, наличие смещения нейтрали сети и начального тока в дугогася-щам реакторе (ДГР) в момент пробоя изоляции и др.).

В качества объекта анализа в.работе используется радиальная кабельная сеть С 10 1сВ. Схема замещении сети показана на рис. 1*

Для указанной схемы о' использованием метода симметрич-

Примочаш». Возможность применения указанной даухчастотной схемы замещения для приближенною количественного анализа переходных процессов при 033 обосшшчна Шумным В,А.

»аЦь«в

31а

Сил

с--

X

-/УГУ—I—^

По8рг*81нк«)| Ьл

«»' ЛП/-Л ,-- Кя

-рСн1

ИГ~Т~

_пгул_|—рд

Ьп п

-гт_(—¡Ля

_лпл_|—^

С"с

Сне

Сое

I

гЧ-х

Сое

г»?ЩУ»» «1С-»

Рис. 1 Схема замещения радиальной кабельной сета 6 - 10 кВ.

ных составляющих и метода наложения получены аналитические выражения для расчета принувденной и свободных составляющих тока и напряжения нулевой последовательности при 033, включая свободные составляющие, определяемые смещением нейтрали сети им(0) и током в ДГР Ьдгр(0> в момент пробоя изоляции фазы.

В сети с изолированной неОщхиъм для напряжения нулевой Последовательности ио при ненулевых начальных условиях (им(0)>г0) и ц(4) = г/„з1п(м4-ир) из его мы рис. 1 в операторной форма получим

<«созр+рз1п?>)<ра+ (¡4 > а ра+

Д(р)(р + № )

- «N(0)«,

<1)

где Д<р> = р"* + оф + <¡4 + Ясй? )р + ейо'р + <4®*; »

Р Д<Р)

=■ 2У*50;

С-1 = Сос+Сол» £-2 = 0,Б[Соа+^'2л+3(Смс+Сил)31 1н = 31л+Еэ; Г^ = 21ц; Я^-ЗДл+^ 'ЗЙ'п; <*=/?,/£,; а, = 1 /Б, ; а, 1 ; Кс=1+С, /С, .

Для случая "малых потерь" в контуре ну.тавой последовательности частоты и докрэмэнты затухания свободных составляющих переходного процесса «V и оь определяются из решения уравнения Д(р) = о.

«р.

■(1/

+

5р.

«р,.з- «"а —т

и, + я, + <2/'с - 4)»1»2; (2)

(3)

Лс»? )

2(3а>р, а - «а

По пайданнмм значения« «Р. э и ег. э с использованием теоремы рэавджопия гюлу'чэно режшие уравнения переходного продасса при 033 д*я напряжения чулрр^й последовательности ио<£).

Переходный ток 1а определяется из выражения

¿0= - с, ано/аь. <4)

Для сети с компенсацией елкостшх токов получены следующие операторные уравнения:

а р(»СОЗ^+рв1ш)(р2+Ма ) р[ (1Х-о£) (р2+<4 )+Р«1 (Яс~1 ) 5

Ыо (р)=УтИ, -——-—г-г--+Кц(0)-

Д(р)(р + <0 } Д(р)

з .

Ьагр (0) {рШ)[р +иа )+р«, (Кс-1 )

<Б>

С< Л(р)

, , ,, <МСОй^рз1пр){ра+<4)(ра-и%)

4о(Р)=^т«1С,--а-а-г- - 1дгР (0)-——-— +

Д{р)(р + «с ) Д(р)

(4 (ра+«а )+рс»? (р2+й^ )+рс4«4 (Хс-1 )

+ им(0)С<--—---, <6)

Мр)

*, > 3 4 » , а а „з, а , а а, ГДЭ Д(р) = р + с<р + р(«з+«, + ) + о(р («а + »з ) +

+ р[<4<4 + (Кс -1 }«1«» + + «¡¡4<4; <7)

- 1/ЬдгрС,; С,, <4, <4. - то же, что и в <1).

Частоты и декременты затухания свободных составляющих переходного процесса определяются (как и для сети с изолированной нейтралью) из решения уравнения Д(р) =0:

«р, 3 =

/2

4 а , 2 а , а а

««р, э - «р, з(«а + «1) + «а«а

бр, 3= о( ——а-—а-—а-а—.;' а .-а—а———_ . а а-а а ! (9)

5«Р, з («а+йз+Кс«4 )+»<«з + (Кс:-1 )«1 «з+«а«з

' 2 2 «а«з

еА » <* -а-з----Т-Г-. (10)

. С0ч«а + (Кс - 1)«,»! + «а»а

С использованием теоремы разложения из выражений (6) и (6) получены аналитические решения для напряжения ио(*)и тока io{t).

Аналогичным способом получены аналитические решения уравнений дареходного процесса при включении линий под напряжение.

•На рис. 2 представлены примеры расчета по полученным выражениям переходных токов и напряжений, их разрядной и зарядной компонент при 033 в компенсированной сети (рис 2,а) и при включении шрвой фазы линии под напряжение (рис 2,6).

Анализ полученных решений показал, что в общем случае невозможно разделить зарядную и разрядную стадии электромагнитного переходного процесса при 033. По этой причине для действия защиты

Рис. 2. Расчет переходного процесса по аналитическим выражениям: а) 033 в компенсированной сети (пунктиром показаны кривые соответствующих величин при отключенном ДГР);

О) включение первой фазы выключателя линии (¡/ном=6 кВ, £л=1 км).

от 033, предпочтительнее использовать полные токи переходного процесса 1а и напряжения На, а не их отдельные составляющие.

Установлено, что в сетях с изолированной нейтралью начальные фазовые соотношения между переходными напряжением и током нулевой последовательности могут йьггь нарушены за счет смещения нейтрали сети в режиме, предшествующем пробою изоляции.

В компенсированных сетях причиной искажений начальных фазовых соотношений между 1А> и может быть как смещение нейтрали сети, так и ненулевое значение тока ДГР в момент пробоя изоляции.

Исследования показали, что некритичность направленных устройств защиты от 033, реагирующих на токи и напряжения переходного процесса, к указанным искажениям начальных фазовых соотношения мрагат быть обеспечена при использовании в качестве поляризующей величина производной нэпряшпия нулевой последовательности.

Установлено, что при малых потерях в контуре нулевой последовательности емшштуды разрядной и зарядной составляющих напряжения нулевой последовательности в кабельных сотях практически равны. При увеличении потерь отношение амплитуд разрядной и зарядной составляющих напряжения нулевой последовательности увеличивается. Поэтому расчет переходного процесса при 033 без учета процесса разряда поврежденной фазы может привести к значительным (до 100 и более процентов) погрешностям в оценке амплитуд заряд-пых составляющих переходного напряжения и тока.

Электромагнитный переходный процесс при включении линии под напряжение по своей формо и параметрам аналогичен переходному процессу при 033, что позволяет использовать его для проверки правильности подключения входных цепей устройств защиты от 033 к трансформаторам тока и напряжения нулевой последовательности и упростить наладку и эксплуатацию разрабатываемых устройств.

Третья глава посвящена вопросам применения методов математического и физического моделирования для исследования электромагнитных переходных процессов при 033, при включении кабельных линий под напряженке, а также для анализа функционирования разработанных устройств сигнализации 033 в условиях, близких к реальным.

Полученные в главе 2 аналитические выражения найдены с использованием упрощенной двухчастотной схемы замещения кабельной сети для случая -"малых" потерь в контуре нулевой последовательности, что не отражает в полной мере характера протекания переходных процессов при 033 в реальных кабельных сетях. Поэтому полученные аналитическими методами результаты проверены с использованием более сложных и точных моделей кабельной сети, позволяющих, в частности, участь "большие" потери в контуре нулевой последовательности, распределенный характер параметров линий, рассмотреть особенности сложных видов 033 (например, прерывистых, в том числе и перемежающихся), более детально исследовать переходные процессы при коммутационных переключениях в сети. Исследования переходных процессов при 033 и при включении линия под напряжение проводились с применением средств вычислительной техники (использовалась разработанная в ИГЭУ система моделирования МИК.АЛ) и методов физического моделирования.

Для математического моделирования переходных процессов при ■ 033 и при включении линий иод напряжение использовалась схема замещения кабельной сети 6 - 10 кВ, показанная на рис. 3 и состоящая из генерирующего источника, эквивалентированной сети, линии с выключателем и ключом 033 в конце линии. Выключатель 0 и ключ 033 КБ управляются пофазно, что обеспечивает практически любую последовательность коммутационных переключений в моделируемой сети. Поврежденная линия представлена Т - образной схемой замощения.

Анализ переходных процессов при сложных видах 033 в кабельных сетях 6 - 10 кВ с учетом распределенного характера поврежденной и неповрежденных линий проводился с использованием автоматизированной физической модели кабельной, сети.

Математическую модель генерирующего источника для сети с

,ДЛ>, Источник пи.-паиия

Шпсьрежденцов Вихш-\

Поареясленная линия

Часть сети , чапель' I звена

-г

Ж заеиа

! 1 еа ¿» №. I . - ¡-З-^Л/Й Ь/2 ' Л Л I 'оу-гу-ц_^ с ¡VI г-—г Сш

Ш з&оио . КлтЩ

Сое вес

Бис. 3 Трэзфазная стама вэнзщопия элакгриадскоЯ кзйальнсЯ сата 6-10 кВ с шячэм КЗ и Бмслкатагви в линии для иатанатичзскаго кодалярованшт пэрз-ходаых процессов пря 033 к волочении линий под напряженна.

изолированной нейтралью (рис. 3) можно записать в следующем ввде еЛ= Д„з1п(со£+?>)

е„= £„з1п(и£+ф-2я/3) . _ (И)

ес= £msln(uUy+2x/3l

На основании второго закона Кирхгофа для схемы, приведенной на рис.. 3, получим

dtM/Üt = 1/1и(еЛ - iAiR„ - Uai + Un) "

dial/di = 1/Ln<e„ - £щ/?и - Uei + Un) • <12)

dici/dí = 1/Ln(ec - ¿ciftii - ÜC1 + u«) .

В системе уравнений (12) tu, - напряжение нулевой последовательности, которое определяется из выражения

Un = Uo= 1/3(UA1+U01 + lie,)- (13)

С использованием первого и второго законов Кирхгофа для сети о изолированной'нейтралью, получены дифференциальные уравнения (в матричной форме) для токов гг, ь и напряжений u,, и2.

UÍ = Со1* [¿1,-2- (Сс ж Ц )]; (14)

= [MJ^.j- (¡Ra* П,)3; (15)

с;'ж [М2.3- (Сл ж QJL,)]; (16)

ni = [L¿1* [Ц,- (IRK * Я,-)], (17^

где (U,, 1*2 - матрицы производных фазных напряжений щ и u,; C¿, Сл - обратные матрицы емкостей неповрежденной части сети и поврежденной линии; М1 , Aüj-з - разности матриц фазных токов i, , ía и ¿а, ; €с, Сл - матрицы проводимостей неповрежденной части сети и поврежденной линии; (U, , -матрицы фазных напряжений и, И На; 22 > И3 - матрицы производных фазных токов ¿л, £3; ¡Ц,, ÍÜ - обратные матрицы индуктивностей поврежденной лш1ии с учетом состояний контактов выключателя Q и ключа 033 KS, разность матриц напряжений it, и i¡a; Ka, - матрицы сопротивлении с учетом состояний контактов выключателя Q и ключа 033 KS; Па, Па - матрицы фазных токов первого и третьего звеньев поврежденной линии.

Ток нулевой последовательности в поврежденной линии определяется из выражения:

¿О = 1/3(1д2 + £„2 + £сг). (18)

На рис. 4 приведены примеры расчетов переходных процессов по математической модели кабельной сети.

Анализ переходных процессов при сложных видах 033, при 033 вблизи шин и в сетях, содержащих кабельные лшии малой протяженности, удобнее проводить на физической модели кабельной сети. В

а)

б)

Рис. 4. Рзсчот переходного процесса в кабельной сети с изолированной нейтралью: а) - при однофазном замыкании на землю (сеть с Уном - 6 кВ, 1С£ » 30 А, - 1000 м, ?>э - 5°, /?„ - 1 СМ.): в) -при включении кабельной линии .длиной 1000 м под нппршешго (расчет дот сети с 17„ом = 6 .чБ, 1С£ = 30 А).

последнем случае проще учитывать распределенный характер параметров линий. В работе использовалась физическая модель кабельной сети, с приемлемой точностью отражающая как волновую, так и срзд-нечастотную стадии переходного процесса при 033 и учитывающая распределенный характер параметров поврежденной и неповрежденных линий.. Модель использовалась для уточнения критериев определения поврежденного присоединения в условиях, приближенных к реальной электрической кабельной сети, а также для проверки работоспособности принципов выполнения и разработки мор, обеспечивающих высокую устойчивость функционирования создаваемых устройств.

Общая структурно-принципиальная схема физической модели кабельной сети 6 - 10 кВ приведена на рис. Б.

Моделирование кабельных линий с учетом распределенного характера их параметров основано на представлении трехфазной однородной линии цепочечной схемой, состоящей из однотипных трехфазных элементов, соответствующих Т-образной схеме замещения линии. Каждый блок "ЛИНИЯ" включает по пять указанных элементов. Пара-мэтры элементов 8-полюсника (элементы 1 - Б на рис. 4) выбраны из условия их эквивалентности отрезку кабельной линии сечением 70-120 ш2 и длиной 20 (или 100) метров. Соединяя блоки "ЛИНИЯ" последовательно, можно получить модель линии необходимой длины. Блоки "ТРЕХФАЗНАЯ ЕМКОСТЬ" (С) применяются для упрощенного моделирования удаленных участков сети, для которых допустимо не учитывать распределенный характер параметров их элементов.

Для выделения составляющих нулевой последовательности, а также для подключения к модели сети входных цепей разрабатываемых устройств сигнализации 033 в модели использовались реальные трансформаторы тока ТА различных типов (ТЗ, ТЗР, ТЗЛ, ТЗЛМ, ТЗРЛ) И трансформатор напряжения ТУ типа НТМИ-6-66. Учитывая недостаточный уровень напряжения на вторичной обмотке, соединенной в разомкнутый треугольник, на выходе ТУ включен усилитель с широкой полосой пропускания частот (0-80 кГц). В модели сети предусмотрена возможность получения напряжения Зио без ТУ и усилителя. Для этого используется фильтр напряжения Зио на резисторах R* и

Для моделирования 033 в состав модели кабельной сети введен управляемый однофазный бесконтактный 1слюч 033 и разработана специальная цифровая система управления им. Система управления позволяет получить перемежающуюся дугу с частотой повторения "клевков земли" 1 раз в полупериод - 1 раз в 255 периодов и обеспечивает диапазон регулирования фазы в пределах 0°- ЗбСК aro позво-

'Лимия 1"

Элемент I

:r_T—QyYYViíNjniTiJlJ — ,__•

Ключ 033

Рис. 5. Структурно-принципиальная схема физической модели кабельной сети.

ляет имитировать пробои изоляции фазы на землю как при максимальном напряжении на поврежденной фазе, так и при прохождении фазного напряжения через нулевое значение.

На рис. 6. приведены осциллограммы различных видов 033, полученные на физической модели кабельной сети, и осциллограмма тока 3¿0 и напряжения 3и^ при включении кабельной линии иод нэп-ряжение (сеть 10 кВ Костромской ТЭЦ-2).

Исследования переходных процессов при 033 и включении линий под напряжение с использованном математической и физической моделей кабельной сети 6 - 10 кВ подгвердили основные вывода, характеризующие особенности амплитудных и начальных фазовых соотношений переходных токов и напряжений, установленные на основе теоретического анализа и, прежде всего, эффективность способа определения поврежденного присоединения, основанного на сравнении начальных знаков dtua/dt и ia (способ предло/.он Шуиным В.А.).

Сравнение кривых тока ia и напряжения иа, полученных на основе теоретического анализа, расчетов на математической модели, экспериментальных исследований на физической модели кабельной сети и, при проведении экспериментов в реальных кабельных сетях 6-10 кВ (см. например, рис.2., рис.-4., рис.6) показывает достаточно точное совпадений параметров переходных процессов между собой.

Использование методов математического и физического моделирования для исследования переходных процессов значительно сократило сроки доводки и внедрения разработанных устройств.

оз.со в ял 2з оо е

+00.00 МС 20.00 МКС

V ^ЛМ Л

а)

¡ООО. МБ пир 2000. МВ ♦0020. ММ 1000. КС

в) .е) Рис, 6. Переходные процессы при 033 (осциллограммы получены на физической модели кабельной сети) и при включении линии под напряжение (кабельная сеть 10 кВ Костромской ТЭЦ-2): а - однократный самоустранившийся пробой изоляции; б- перемежающееся дуговое 033; б - устойчивое 033 в сети с изолированной нейтралью: г - ток 31а и напряжения Зг/о при включении кабельной линии под напряжение.

В четвертой главе решаются задачи, связанные с выбором принципов построения импульсных реле направления мощности (ИРМ) для кабельных сетей 6 - 10 кВ, реагирующих на электрические величины переходного процесса, исследуются процессы передачи переходных токов и напряжений фильтрами тока и напряжения нулевой последовательности, контрольными кабелями, рассмотрены вопросы практической реализации централизованных направленных устройств сигнализации 033 типа "Темп-1" и "Импульс".

На рис. 7 приведена упрощенная структурная схема устройства сигнализации 033, включающего импульсное роле направления мощности (ИРМ), пусковой орган (ПО), схему совпадения И.

В работ© исследуются свойства ИРМ, реагирующих на следующие соотношения начальных знаков величин

ел = й**сгк<,/ сгИ; (16)

еа = (20)

с,

е2 •

ЗМо •

На сиг-нал

ила отключений

Рис. 7. Структурная схема направленного устройства защиты от 033.

Показано, что при использовании для контроля направления мгновенной мощности нулевой последовательности начальных знаков тока ¿о и производной сйЛо/сгг переходного процесса при 033 преимуществом в части чувствительности по первичному току, устойчивости функционирования при малых значениях подведенных величин при простоте выполнения обладают схемы ИРМ, использующие принцип одновременной фиксации с перемножением знаков сравниваемых величин.

Исследования процессов передачи переходных токов и напряжений фильтрами тока и напряжения нулевой последовательности, контрольными кабелями показывают, что трансформаторы напряжения (ТН) и длинные контрольные кабели могут вносить искажения в начальные фазовые соотношения электрических величин переходного процесса при передаче сигналов по вторичным цепям защиты от 033. Наиболее простым способом отстройки ИРМ от этих искажений является ограничение верхней частоты рабочего диапазона частот до значений <Б0 кГц. Кабальные трансформаторы тока нулевой последовательности (ТТНП) даже при максимальных значениях частоты переходных токов не искажают начальных фазовых соотношений переходных токов ¿а.

Результаты, полученные при исследовании переходных процессов при 033, процессов передачи сигналов во вторичных цепях, при анализе накопленного опыта по созданию устройств защиты и сигнализации 033, положены в основу разработаного в середине 80-х годов централизованного направленного устройства сигнализации 033 типа "Тешь Iм. С учетом до подайте льных-исследований и опыта эксплуатации ЦНУСЗ "Темп-1" в начало 90-х годов разработан модифицированный вариант ЦНУСЗ -"Импульс". Оба устройства предназначены для селективной сигнализации 033 (устойчивых, самоустраняющихся, через перемежающуюся дугу) в кабельных сетях 6 - 10 кВ с любой степенью компенсации емкостных токов замыкания на землю. В основу ЦНУСЗ "Импульс" положены следующие принципы: • - контроль направления мгновенной мощности нулевой последовательности о использованием производной переходного напрпмгания нулевой последовательности ФиоА*£;

- использование для действия ЦНУСЗ полных токов нулевой

последовательности в рабочем диапазоне частот, ограниченном верхней частотой 25 - 30 кГц;

- централизованное выполнение устройства;

- синхронная фиксация с перемножением начальных знаков контролируемых величин аис/аг и токов £0 во всех присоединениях защищаемого объекта в момент возникновения 033;

- фиксация начальных знаков контролируемых величин по факту появления броска переходного тока, превышающего ток срабатывания, в любом из подключенных к ЦНУСЗ присоединений;

- согласование частотных характеристик и чувствительности каналов £0 и сгко/сИ;

- отстройка от возможных искажений начального знака Шо/йЬ, обусловленных" влиянием тока дугогасящого реактора компенсированной сети в момент, предшествующий пробою изоляции, по току и по времени срабатывашш;

- отсройка от режимов, не связанных с 033 в контролируемой сети (коммутационных переключений, внешних междуфазовых КЗ и др.X с помощью пускового органа, включенного на напряжение 31}0 и отстроенного от указанных режимов по порогу и времени срабатывания;

- блокировка элементов оперативной памяти ЦНУСЗ при каждом их срабатывании и синхронизация их возврата в исходное состояние с моментом возврата пускового органа по напряжению 3¡70;

- обеспечение высокой помехоустойчивости ЦНУСЗ с использованием комплекса мер, включающего- автоматическое стирание любой информации, записанной в элементы оперативной памяти, пьред каж--дой новой записью, при доблокировке элементов памяти после возврата ПО, при восстановлении напряжения питания поело его глубокой посадки или полного исчезновения и др.;

- возможность работы ЦНУСЗ в двух режимах: с запоминанием всех поврежденных присоединений в интервале времени между срабатыванием устройства и квитированием показаний световых индикаторов или с запоминанием только последнего гювревдэнного присоеда-нешш в указанном интервало времени;

- возможность получения от контактного выхода как общего населективного сигнала о срабатывании ЦНУСЗ (по напряжению 3170>, так и общего ^/элективного сигнала при 033 только в зонэ действия устройства (на подключенных к ЦНУСЗ присоединениях);

- тестовый контроль работоспособности основных блоков.

Функционально-структурная схема централизованного направленного устройства сигнализации 033 "Импульс" привалена на рис. в.

Устройства "Темп - 1" и "Импульс" внедрены в элоктричесгак кабельных сетях 6 - 10 кВ ряда энергосистем и предприятий различных отраслей промышленности. В эксплуатации находится около 100 комплектов указанных устройств емкостью на 16 присоединений каждый. Опыт эксплуатации устройств дал положительные результаты.

11 яг-ля ехаВа посвящена разработав принципов построения и практической реализации централизованной системы сигнализации и регистрации 033 на базе ЭВМ и средств микропроцессорной техники. Показано, что технико-экономическую эффективность централизованных систем сигнализации 033 можно повысить за счет программной реализации нескольких способов опроделон. ч поврежденного присоединения, автоматизации процессов регистрации, обработки и хранения информации.и тестовых проверок системы.

Использование ЭВМ и средств микропроцессорной техники дяя долей сигнализации и регистрации 033 позволяет, кромо определения поврежденного присоединения, получить и дополнительную информацию, сопутствующую 033: дату и время события, характер замыкания (самоустранившееся, перемежающееся, устойчивое), число пробоев изоляции, интервалы времени между возникновением самоустранившв-госл 033 и последующим пароходом его п устойчивое 033 или иенля-

фазовое КЗ и т.д. Эта информация может использоваться для диагностики состояния изоляции злементов сети, при анализе последствий 033, в научных целях для получения статистических данных о том, какая часть кратковременных пробоев изоляции через какие интервалы времени приводит к аварийному отключению присоединения.

Задача создания централизованной системы сигнализации и регистрации 033 может быть решена с помощью специально предусмотренной для этой цели ЭВМ или (учитывая действие на сигнал) с использованием ЭВМ, работающей в составе различных автоматизированных систем (например, АСУ ТП электростанции, системы электроснабжения и т.п.). Последнее, очевидно! предпочтительнее с экономической точки зрения.

Первый вариант централизованной системы сигнализации и регистрации 033 выполнен на базе микро-ЭВМ "Электроника - 60".

В модифицированном варианте ЦССЗ с целью упрощения согласования информационных и технических аспектов обмена данными между внешними устройствами системы и ЭВМ с учетом приоритетов задач и типов используемых ЭВМ, решения проблем распределения ресурсов -управляющей ЭВМ и взаимодействия ЦССЗ с другими подсистемами АСУ в состав внешних устройств ЦССЗ введен специализированный микропроцессорный контроллер сбора информации (МКСИ), выполняющий одновременно функции логической части системы сигнализации 033. Использование контроллера делает ЦССЗ более универсальной и позволяет ей работать практически с любым типом управляющей ЭВМ, имеющей последовательный или параллельный порт ввода - вывода.

Основными задачами системы сигнализации и регистрации 033 являются: определение поврежденного присоединения при 033, накопление информации и ведение "архива" повреждений, выдача протоколов работы системы и опенка правильности ее поведения. Эти задачи распределены между тремя видами устройств: управляющей ЭВМ, контроллером (МКСИ) и внешними устройствами системы - измор1Ггельными преобразователями аналоговых сигналов (КПАС), разработанными па базе ЦНУСЗ "Импульс". Упрощенная структурная схема такой системы показана на рис. 9.

В состав ИПАС входят 16 идентично выполненных каналов тока 10 (схемы формирования СФ, - СФ16), каналы напряжения ио (СФ,7) и его производной (¡Ио/йЬ (СФ1В), пусковой орган (ПО) и блок стирания и синхронизации (БСС). Информация о начальных знаках контролируемых величин (до момента считывания ее в память МКСИ) хранится в элементах оперативной памяти (01Ъ - ОГЦ в ).

К другим ¡¡УПРАВЛЯЮЩАЯ ЭВЛ| утройетвал т><

КАНАЛ СВЯЗИ Ц

Кх О ТхИ

На сигнал "Срабатывание ЦССЗ"

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ КОНТРОЛЛЕР СБОРА ИНФОРМАЦИИ

I носи реального врелени\

|энергонезависимое 03У\

} ог?«+1077-,

Зт-^т

од,;

¿о

оп^

Фг

00

¿о

«Ч6

тт—+т

од,;

0/7,,

и*

С»,,

| бсс }:

и'О

С®, в

НПАС

п о

эС....... • ЗЬо\ Б ЗИо

от защищаемого объект.

Оп ¡енотах "Квитирование"'

Рис. 9. Упрощенная структурная схема ЦССЗ с встроенным мгасропроцоссориым контроллером сбора информации.

Микропроцессорный контроллер сбора информации выполнен на основе однокристалльной микро-ЭВМ типа К1816ВЕ31 и обеспечивает:

- ввод дискретной информации от ИПАС по 64 каналам;'

- проверку на достоверность и обработку входной информации;

- определение относительного времени события;

- определение поврежденного присоединения с использованием трех способов (сравнение начальных знаков ФЛа/йЬ и ¿0» "о и ¿о и токов 1а между собой);

- контроль и сигнализацию исправности основных функциональных элементов ИПАС;

- вывод дискретных сигналов по 8 каналам для управления режимами работы ИПАС;

- хранение информации об 033 в оперативном запоминающем устройстве до момента передачи ее в управляющую ЭВМ;

- передачу накопленной информации в управляющую ОВМ (по запросу от последней) по двухпроводному каналу связи;

Контроллер может использоваться и в других системах для сбора дискретной информации и передате ее по каналам связи.

Программное обеспечение ЦССЗ выполняет следующие функции:

- прерывание программы с более низким приоритетом и запуск МОИ при срабатывании пускового органа по напряжению 3иа ИПАС;

- ввод и проверку на достоверность входных данных;

- определение времени возникновения 033;

- определение поврежденного присоединения;

- вывод на печатающее устройство или видеотерминал сообщений персоналу о поврежденном присоединении;

- ведение и анализ "архива" информационных данных об 033 в контролируемой сети;

- периодические тестовые проверки работоспособности ЦССЗ и вывод сообщений об обнаруженных неисправных блоках.

Применение ЦССЗ наиболее эффективно в территориально концентрированных кабельных сетях 6-10 кВ на объектах, где не требуется действие защиты от 033 на отключение. Рассмотренный вариант ЦССЗ внедряется в кабельной сети 10 кВ системы электроснабжения Свето-горского целлюлозно-бумажного комбината.

Опыт эксплуатации ЦНУСЗ "Томп-1" и "Импульс" показал, что -подавляющая часть неправильных срабатываний в начальный период эксплуатации связана с ошибками монтажа и, прежде всего, с ошибками в полярности включения вторичных обмоток ТТНП и ТН. Для упрощения и ускорения наладсси устройств в процессе ввода в эксплуатацию разработаны методика и технические средства наладки, включающие комплект блоков тока 360 и блок производной Ои^/М специального исполнения с раздольной фиксацией знаков сравниваемых' величин. Высокая чувствительность и частотные харз;стеристики указанных блоков, рассчитанные на уровень и спектр свободных составляющих пароходного процесса, возникающего при коммутации линий, обеспечивают возможность быстрой проверки полярности включения вторичных обмоток ТТНП и ТН одновременно для всех присоединений защищаемой секцш при включении под напряжение одной та линий.

В пршаъзпипх приведены принципиальные схемы основных функциональных блокоп физической модели кабельной сети и ЦНУСЗ "Импульс", расчет ожидаемого годового экономического эффекта от внедрения разработанных устройств сигнализации 033, акты.внедрения результатов работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализ известных способов и исполнений устройств защиты и сигнализации ОРЗ дая кабельных сетой 6-10 кВ, освованнкых на

использовании электрических величин переходного процесса, .показал, что наиболее универсальными являются направленные устройства, реагирующие па начальные фазовые соотношения токов и напряжений волновой или среднечастотной стадии переходного процесса.

2. Получены аналитические решения уравнений переходного процесса при 033 для сотой с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов, устанавливающие в явной форме особенности начальных фазовых соотношений между полным током и напряжением нулевой последовательности переходного процесса, их компонентами (разрядными и зарядными) и зависимости начальных фазовых соотношений от основных, влияющих на переходный процесс, факторов.

3. На основе исследования полученных аналитических решений установлено, что начальные фазовые соотношения между переходным током и напряжением нулевой последовательности могут быть нарушены за счет влияния ненулевых начальных условий и потерь в контуре нулевой последовательности. Показано, что некритичность направленных устройств защиты и сигнализации 033 к влиянию указанных факторов как в сетях с.изолированной нейтралью, так и в сетях с компенсацией емкостных токов можно обеспечить при использовании для их действия начальных фазовых соотношений между ¿а и (Шо/сИ.

4. Разработаны математическая и автоматизированная физическая модели электрической кабальной сети 6-10 кВ для имитационного моделирования электромагнитных переходных процессов при 033 и коммутационных - переключениях в сети. Исследования электромагнитных переходных процессов с использованием указанных математической и физической моделей кабельной сети повышенной сложности и точности подтвердили основные выводы, характеризующие особенности амплитудных и начальных фазовых соотношении переходных токов и напряжений, установленные аналитическими методами на основе упрошенной двухчастотной схемы замощения кабельной сети.

Б. На основе теоретического анализа, математического и физического моделирования переходных процессов при разданных видах 033 и коммутационных переключениях в сети, исследований процессов передачи переходных токов и напряжении ТТНП, ТН и контрольными кабелями предложены и обоснованы принципы построения централизованных направленных устройств сигнализации 033, обладающих высокой устойчивостью функционирования и помехоустойчивостью. Разработанные принципы реализованы в ЦНУОЗ тит "Томп-Г' и "Импульс".

6. Показано, что ¡1{фвктивпосгь цонгрализовапных устройств сигнализпции 033 можно повысить зэ сч<чт программной реализации

нескольких способов определения поврежденного присоединения, автоматизации процессов регистрации, обработки, хранения информации и тестовых проверок системы с использованием для этих целой ЭВМ и средств микропроцессорной техники. Разработаны принципы построения централизованной системы сигнализации 033 на базе микро-ЭВМ "Элоктроника-60" и IBM-совместимых ПЭВМ.

7. Разработан микропроцессорный контроллер сбора дискретной информации для использования в системе сигнализации и регистрации 033. Контроллер может использоваться и в других системах.

8. Разработана методика и технические средства проверки правильности включения вторичных цепей разработанных устройств при включении одной из кабельных линий под напряжение.

9. Разработанные устройства "Темп-1" и "Импульс" (около 100 комплектов емкостью на 16 присоединений каждый) внедрены в ряде энергосистем, на предприятиях различных отраслей промышленности. Опыт эксплуатации устройств дал положительные результаты. Внедрение разработанных устройств только на предприятиях цэллюлозно-бумаиной промышленности дало экономический эффект более 453 тыс. руб. (в ценах 1980 г.), ЦССЗ внедряется в кабельной сети 10 кВ системы электроснабжения Светогорского ЦБК.

. ОСНОВ!!ЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ!

1. Гусанков A.B., Шуин В.А., Чухин A.M., Лебедев О.В. Комплекс средств гтя централизованной сигнализации замыканий на землю в компенсированных кабельных сетях 6-10 кВ // Тез. докл. научно -техн. конф., посвящ. 25-летию ВНИИР. - Чебоксары, ВНИКР, 1936. -о. 17 - 13.

2. Гусенков A.B., Тебедев О.В., Чухин A.M., Шуин В.А. Централизованная система сигнализации и регистрации кратковременных и устойчивых замыканий на землю на базе микро - ЭВМ "Электроника -60" // Релейная запита и автоматика электрических систем. Рига: Ршюкий политехш.тоокий. ш-т, 18Э7. - с. БО - Б9.

3. Гусенкоз A.B., Шуин .В.А., Зимин В.В. Программное обеспечение централизованной системы сигнализации замыкания на землю на база микро-ЭВМ "Электроника - 60" // Тез. докл. Всесоюзной научно - техн. конф. "Современное состояние, проблемы и перспективы энергетики и технологии в эяергостроении (III Бенэрдосовские чтения)". -Иваново, Ивановский энерг. иа - т 1897. - с. 112.

4. Гусенков A.B., Шуин В.А. Комплексная централизованная

система сигнализации замыкании на землю на база микро-ЭВМ // Тез. докл. I Всесоюзной научно-техн. конф. "Проблемы комплексной автоматизации электроэнергетических систем па основе микропроцессорной техники.- Киев, ин-т эл. динамики АН УССР, 1690.- с. 168-173.

Б. Гусенков A.B., Соколов А.Е., Шуин В.А. Централизованная система сигнализации замыканий на землю на базе микро - ЭВМ с встроенными средствами диагностирования // Тез. докл. III Всесоюзной научно - техн. конф. "Техническая диагностика устройств релейной запиты и автоматики электрических систем". - Мариуполь, Мариупольск. металлург, ин-т 1990. - с. 69 - 70.

6. Гусенков A.B., Шуин В.А., Соколов А.Е. Принципы выполнения и устройства защиты и сигнализации замыканий на землю в компенсированных кабельных сетях // Тоз. дом. Всесоюзной научно-техн. конф. "Современная релейная защита элеотроэнергетических объектов". - Чебоксары: Чувашек, гос. ун-т. -1991. с.70 - 72.

7. Гусенков A.B., Шуин В.А. Централизованная система сигнализации однофазных замыканий на землю на база микро-ЗВМ // Информационный листок № 446-91. - Иваново, Ивановск. ЦНТЙ, 1991,- 4 с.

8. Гусенков A.B., Шуин В.А. Централизованное направленное устройство сигнализации однофазных замыканий на землю "Импульс" // Информационный листок )£ 465-91. - Иваново, Ивановский ЦНТИ, 1891. - 6 с.

9. Гусенков A.B., Шуин В.А. Аппаратное и программное обеспечение централизованной системы сигнализации замыканий на землю на базе микро-ЭВМ // Тез. докл. международной научно-техн. конф.' "Состояние и перспективы развития электротехнологии (V Бонардо-сбвскиа чтения)". - Иваново, Ивановск. энерг. ин-т 1991. -.С. 35.

10. Гусенков A.B., Шуин В.А. Применение микро-ЭВМ для сигнализации замыканий на землю в кабельных сетях 6-10 кВ // Энергетик. - 1991, № 8. - с. 22 - 23.

11. Гусенков A.B. Расширение функциональных возможностей централизованных устройств сигнализации однофазных замыкания па землю // Известия вузов. Электромеханика. - 1092, ¡53. - с.97.

12. Гусенков A.B. Микропроцессорный контроллер сбора информации централизованной системы сигнализации однофазных замыкашй на землю в кабельных сетях 6 - 10 кВ // Тез. докл. международной научно - техн. конф. "Состояиио и перспективы развития элегстро-техпологии (VI Бонардосовскш чтения)". - Иваново, Ивановск. энерг. ин-т 1992. - с. 22.

13. Гусенков A.B., Шуин В.А., Дроздов А.К, Цантрэдизованноо

направленное устройство сигнализации однофазных замыканий на землю "Импульс"// Электрические станции. -1933, № 9 - с. 53 - 57.

14. Гусенков A.B., Шуин В.А., Мурзин А.Ю., Курицын Н.И. Устройства сигнализации и за топы от однофазных замыканий на землю в компенсированных кабельных сетях 6-10 кВ // Энергетическое строительство. - 1993, №10. - с. 35 - 30.

15. Гусенков A.B., Шуин В.А. Математическая модель для оценки влияния фиксации кратковременных самоустраняющихся замыканий па землю на эффективность режима заземления нейтрали кабелыгых сетей 6 - 10 кВ // Тез. докл. международной научно - технической конференции "Состояние и перспективы развития электротехнологии (VII Бенардосовскиа чтения)". - Иваново, Ивановский государственный энергетический университет 1894. - С. 60.

Личный вклад автора. Основные научные результаты диссертационной работы, полученные автором: разработка математической модели кабельной сета 6 - 10 кВ, разработка структуры и практическая реализация физической модели кабельной сети и автоматизированной системы управления ею; результаты математического и физического моделирования электромагнитных переходных процессов при 033 и включении линий под напряжение; схемо-техническая реализация и решение теоретических и практических задач внедрения ЦНУСЗ типа "Темп-1" и "Импульс"; разработка программного обеспечения ЦССЗ, схемотехническая реализация ЦССЗ; разработка микропроцессорного контроллера сбора информации и от - программного обеспечения; разработка и внедрение методики и комплекса технических средств для упрощения наладки и проверки правильности подключения вторичных цепей разработанных устройств сигнализации 033 при включении линий под напряжение. В части методов получения аналитических решений переходных процессов при 033 и результатов их исследования, основных принципов построения ЦНУСЗ и ЦССЗ авторские права распределены поровну с научным руководителем диссертационной работы Шуиным В.А.

Подписано к печати 19.07.94 г. Формат бумаги 60x84 I/I6. Печ.л. Т,5. Усл.п.л. 1,39. Тираж 100 пкз. Заказ 2044/р..

Типогргфт ГУК ПК Минтотнерго PS, г.Иваново, ул.Ермака,4]