автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Разработка рекомендаций по предотвращению срабатываний микропроцессорных средств защиты и автоматики энергообъектов от замыканий в системе оперативного тока

на правах рукописи

Монаков Юрий Викторович

РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПРЕДОТВРАЩЕНИЮ СРАБАТЬЮАНИЙ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СРЕДСТВ ЗАЩИТЫ И АВТОМАТИКИ ЭНЕРГООБЪЕКТОВ ОТ ЗАМЫКАНИЙ В СИСТЕМЕ ОПЕРАТИВНОГО ТОКА

Специальность 05.14.02 - «Электрические станции и электроэнергетические

системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 8 НОЯ 2013

Москва-2013

005539899

Работа выполнена на кафедре «Электрические станции» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Гусев Юрий Павлович

кандидат технических наук, доцент, зав, кафедрой «Электрические станции» ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» Новиков Николай Леонтьевич доктор технических наук, профессор, заместитель научного руководителя -начальник отдела новых электросетевых технологий НТЦ ОАО «ФСК ЕЭС» Арсентьев Андрей Пантелеймонович кандидат технических наук, рук. отдела применения РЗА Центра Инжиниринга «ООО АББ Силовые и Автоматизированные Системы» ОАО «ВНИИР»

Защита состоится 20 декабря 2013 г. в 1630 в аудитории Г-200 на заседании диссертационного совета Д 212.157.03 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Отзывы и замечания на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. . Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан «1Ъ>

Председатель диссертационного совета Д 212.157.03 доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

На электростанциях и подстанциях растет количество ложных срабатываний микропроцессорных релейных защит.и автоматики (МПРЗА), приводящих к неоправданным отключениям силового электрооборудования, что, в конечном итоге, существенно снижает надежность энергосистем. Действующие нормативные документы не содержат требований по отстройке ДВ от замыканий на землю, замыканий с сетью переменного напряжения и от инжектируемых импульсов устройств активного поиска мест снижения сопротивления полюсной изоляции относительно земли в системе оперативного постоянного тока (СОПТ).

Одним из наиболее уязвимых мест МПРЗА являются оптронные преобразователи дискретных сигналов, далее называемые «дискретными входами» (ДВ). Энергия, необходимая для переключения ДВ МПРЗА на четыре порядка меньше, чем у электромеханических реле. В отличие от электромеханических промежуточных реле, имеющих ток срабатывания 10-50 мА и время срабатывания, измеряемое в миллисекундах, ДВ МПРЗА имеют ток срабатывания 2-5 мА и могут переключаться за микросекунды. Меньшая энергоемкость ДВ МПРЗА позволила значительно снизить выделение тепла в релейных шкафах, увеличить коммутационный ресурс управляемых контактов в цепях релейных защит. Однако практика показала, что ДВ МПРЗА уязвимы по условиям электромагнитной совместимости.

Производители МПРЗА работают над повышением помехоустойчивости ДВ, однако до настоящего времени эффективного решения не достигнуто и помехозащищенность многих типов МПРЗА не отвечает условиям эксплуатации.

Характеристики ДВ не нормируются и, следовательно, возможен их значительный разброс даже в пределах одного типа МПРЗА.

В этой связи актуальной является разработка требований к характеристикам ДВ МПРЗА, рекомендаций по их испытанию и условиям работы СОПТ.

Объектом исследования является система питания электроприемников постоянного тока электрических станций и подстанций.

Предметом исследования являются электромагнитные переходные процессы в системе питания устройств микропроцессорных релейных защит и автоматики, вызванных замыканиями на землю в системе оперативного постоянного тока, замыканиями с сетью переменного напряжения и работой устройств поиска мест снижения полюсной изоляции в системе оперативного постоянного тока относительно «земли», и их влияние на работу дискретных входов.

Целью работы является разработка рекомендаций по предотвращению ложных срабатываний дискретных входов микропроцессорных релейных защит и автоматики при замыканиях на землю в системе оперативного постоянного тока, замыканиях между элементами системы оперативного постоянного тока и сетью переменного напряжения 0,4 кВ, работе устройств поиска мест снижения сопротивления полюсной изоляции относительно «земли» в системе оперативного постоянного тока.

Задачи работы, поставленные для достижения указанной цели:

1. Систематизация и обобщение результатов ранее выполненных работ, посвященных исследованиям ложных срабатываний электромеханических релейных защит под влиянием замыканий в СОПТ, сопоставление и анализ характеристик ДВ МПРЗА известных типов на основании обзора технической документации.

2. Разработка математической модели СОПТ с ДВ МПРЗА. Разработка методики определения характеристик ДВ МПРЗА и ее апробация на нескольких устройствах. Верификация модели на основе натурных экспериментов.

3. Исследование и анализ элект ромагнитных переходных процессов при замыканиях на «землю» в СОПТ с использованием модели. Разработка рекомендаций по предотвращению ложной работы ДВ МПРЗА при замыканиях в СОПТ, в частности требований к характеристикам ДВ для повышения помехоустойчивости ДВ МПРЗА. Разработка специализированного устройства для проверки характеристик ДВ МПРЗА.

4. Исследование электромагнитных переходных процессов при замыканиях между сетями СОПТ и переменного напряжения 0,4 кВ и при работе автоматических устройств поиска мест снижения сопротивления полюсной изоляции в СОПТ. Подтверждение корректности полученных в расчетно-экспериментальном исследовании результатов результатами натурных экспериментов. Синтез рекомендаций к условиям эксплуатации ДВ МПРЗА, в частности к контролю напряжений полюсов СОПТ относительно «земли» и настройкам устройств автоматического поиска мест снижения сопротивления полюсной изоляции относительно «земли».

Методы исследования

Решение поставленных задач проводилось посредством теоретических расчетов и проведения серий натурных экспериментов. Расчеты производились с помощью метода математического моделирования на основе системы обыкновенных дифференциальных уравнений. Для исследования переходных процессов в СОПТ использовалась специализированная программа ЕМТР-ЯУ. Эксперименты производились на физической модели и на действующей электроустановке.

Научная новизна

В диссертации получены следующие новые научные результаты:

1. Разработана математическая модель СОПТ с ДВ МПРЗА и компьютерная модель, отличающиеся от ранее известных тем, что учитывают режективный импульс ДВ и содержат логику работы современных ДВ устройств МПРЗА. Компьютерная модель позволяет исследовать влияние замыканий полюсов сети постоянного тока на землю, влияние случайных

гальванических связей между СОПТ и сетью переменного напряжения 0,4 кВ, влияние работы устройств поиска мест снижения сопротивления полюсной изоляции относительно земли на работу ДВ МПРЗА.

2. Разработаны методика и алгоритм определения характеристик ДВ МПРЗА, а также специализированное устройство, позволяющие комплексно оценить характеристики ДВ МПРЗА на соответствие требованиям разработанного стандарта ОАО «ФСК ЕЭС».

3. Разработаны рекомендации по повышению помехозащищенности ДВ МПРЗА от замыканий на «землю» в СОПТ посредством высокоомного резистивного заземления отрицательного полюса СОПТ.

Достоверность научных положений диссертационной работы обусловлена обоснованностью принятых допущений и удовлетворительным совпадением результатов расчетов с результатами натурных экспериментов.

Практическое значение:

1. Разработана модель СОПТ с ДВ МПРЗА, позволяющая проводить расчетные эксперименты, направленные на изучение влияния переходных процессов в СОПТ на работу ДВ МПРЗА. Результаты исследования использованы при разработке стандарта организации ОАО «ФСК ЕЭС» содержащего требования к характеристикам ДВ МПРЗА, позволяющие снизить возможность ложного срабатывания ДВ и не препятствующие приборам поиска поврежденного присоединения локализовать место снижения сопротивления изоляции присоединения за ДВ.

2. Разработан диагностический прибор для определения характеристик ДВ МПРЗА как в лабораторных условиях, так и на действующих подстанциях.

3. Разработана методика определения характеристик ДВ МПРЗА, используемая при аттестации электрооборудования в ОАО «ФСК ЕЭС».

Положения, выносимые на защиту:

1. Модель СОПТ с подключенным ДВ МПРЗА, позволяющая проводить расчетные эксперименты для выявления влияния переходных процессов в СОПТ на работу ДВ МПРЗА.

2. Требования к характеристикам ДВ МПРЗА, позволяющие снизить вероятность ложной работы ДВ МПРЗА при замыканиях в СОПТ.

3. Рекомендации по отстройке ДВ МПРЗА от ложных срабатываний из-за работы устройств автоматического поиска мест снижения сопротивления полюсной изоляции СОПТ относительно «земли».

Реализация результатов работы.

1. Разработанные требования к ДВ МПРЗА реализованы в стандарте организации ОАО «ФСК ЕЭС»;

2. Методика испытаний ДВ внедрена в ОАО «ФСК ЕЭС» и используется производителями МПРЗА;

3. Разработанный диагностический прибор используется для проведения испытаний ДВ МПРЗА.

Апробация результатов работы

Работа была апробирована на пятнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (МЭИ (ТУ), 26-27 февраля, г. Москва, 2009 г.), Шестнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика (МЭИ (ТУ), 25-26 февраля, г. Москва, 2010 г.), на международной научно-практической конференции и выставке «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем России» (РЕЛАВЭКСПО-2012, 17-20 апреля 2012, г. Чебоксары).

Публикации. По результатам исследований было опубликовано шесть печатных работ, в том числе одна статья в журнале «Известия вузов. Электромеханика», входящем в перечень журналов ВАК РФ.

Личный вклад соискателя. Разработка требований к характеристикам ДВ на основании расчетно-теоретического исследования по работе ДВ при замыканиях на землю в СОПТ[1,3,5], требования к работе устройств контроля изоляции и поиска «земли» [2]. Экспериментальное подтверждение результатов расчетно-теоретического исследования [4,5]. Разработка методики испытания ДВ МПРЗА на соответствие характеристик стандарту [6].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, состоящего из 50 наименований источников. Основной текст диссертации изложен на 124 страницах, включает 45 рисунков и 11 таблиц. Общий объем диссертации, включая приложения, составляет 124 страницы.

В первой главе «Исследование ложных срабатываний релейных защит и характеристик ДВ МПРЗА» произведен обзор известных работ, посвященных исследованию ложной работы МПРЗА и рекомендуемых путей решения этой проблемы. При рассмотрении методик оценивалась возможность использования представленных подходов к моделированию СОПТ. В рассмотренных работах не учтен спектр возможных повреждений СОПТ, исследования посвящены сложно локализуемому замыканию на землю между управляющим контактом и ДВ МПРЗА. Замыкания в других точках СОПТ, влияние емкостей сети и работа устройств автоматического поиска мест снижения сопротивления полюсной изоляции относительно «земли» исследованы не в полной мере или не освещены в рассмотренных работах.

Проведено сопоставление характеристик существующих ДВ МПРЗА с целью определения принципов действия и подтверждения предположения об отсутствии унификации среди производителей МПРЗА. Подтверждена теоретическая возможность срабатывания некоторых из представленных ДВ даже в нормальном режиме работы СОПТ. Наличие импульса режекции и задержки срабатывания ДВ способствует исключению такого срабатывания.

Для разработки математической и компьютерной модели ДВ были исследованы основные принципы построения схемотехники ДВ. На основании

результатов исследования схемотехники ДВ МПРЗА, были разработаны схемы для создания режективного импульса ДВ, использованные в компьютерной модели.

Таким образом, систематизированы и обобщены результаты известных работ, посвященных ложным срабатываниям релейных защит при замыканиях в СОГГГ, систематизированы и проанализированы данные по характеристикам ДВ МПРЗА и параметрам устройств поиска «земли».

Во второй главе «Разработка математической модели СОПТ с ДВ МПРЗА, ее реализация и верификация» проанализирована работа ДВ МПРЗА и разработана математическая модель СОПТ с подключенным ДВ. Разработан логический алгоритм, описывающий работу современных ДВ (рис. 1), позволяющий создать модель для оценки возможности ложной работы ДВ при замыканиях в СОПТ, работе устройств автоматического поиска мест снижения полюсной изоляции относительно земли и при появлении гальванической связи с сетью переменного напряжения 0,4 кВ. Описана модель СОПТ посредством систем дифференциальных уравнений. На основе полученных уравнений и логической части математической модели разработана компьютерная модель, реализованная в программной среде ЕМТРЯУ.

Подтверждение адекватности модели ДВ осуществлялась согласно результатам натурных испытаний нескольких МПРЗА, проведенных в лабораторных условиях. Приведены результаты экспериментов по определению каждого из параметров ДВ для МПРЗА различных производителей. Сопоставлены характеристики ДВ МПРЗА предоставленные различными производителями между собой и с экспериментально полученными данными. По результатам испытаний было подтверждено предположение об отсутствии унификации характеристик и параметров ДВ различных производителей. Были выявлены несоответствия между паспортными данными некоторых устройств и экспериментально полученными значениями.

Для проверки корректности расчетов на модели, результаты были сопоставлены с соответствующими результатами математических расчетов.

Таким образом, разработана адекватная модель СОПТ с подключенным ДВ МПРЗА, проверенная расчетами и экспериментами.

В третьей главе «Исследование влияния переходных процессов при замыканиях на землю в СОПТ на работу ДВ МПРЗА» рассмотрены исследуемые расчетные события в СОПТ. Показана возможность срабатывания ДВ, в нормальном режиме работы СОПТ ввиду несимметрии напряжений полюсов сети относительно «земли». Выявлены основные влияющие на возможность ложного срабатывания ДВ факторы. Исследованы переходные процессы при замыканиях в трех точках СОПТ, см. рис. 2.

В ходе исследования, было предположено, что срабатывание ДВ при замыканиях между отрицательным полюсом СОПТ и «землей», точка К2 на рис. 1, ложное срабатывание униполярного ДВ не возможно при любых начальных условиях. Данная гипотеза была подтверждена расчетными экспериментами, проведенными на компьютерной модели. Тем самым подтверждена необходимость выполнения ДВ униполярными для исключения возможности ложной работы при данном виде замыканий.

+

Рис. 2. Схема замещения СОПТ упрощенная, с подключенным ДВ и основные

расчетные точки

Замыкание положительного полюса СОПТ на «землю», точка К1 на рис. 2, приводит к ложной работе ДВ при определенных начальных условиях. Первым условием является несимметрия напряжений полюсов СОПТ относительно «земли» в предшествующем замыканию режиме. Также влияющим фактором является емкость участка сети между УК и ДВ относительно земли. Перезаряд этой емкости определяет скорость снижения напряжения на ДВ ниже значений напряжения срабатывания. Эта скорость и время задержки срабатывания данного ДВ и определяют, вызовет ли помеха ложное срабатывание ДВ. Были проведены серии расчетных экспериментов. По результатам анализа этих экспериментов было выявлено, что снижение напряжения на ДВ при задержке на срабатывание 5 мс происходит при максимальной емкости С3 равной 6 мкФ. Для задержки на срабатывание 10 мс, максимальное значение емкости Сз составит 11 мкФ.

Замыкание на участке сети УК - ДВ на землю, точка КЗ на рис. 2, приводит к ложной работе ДВ при предшествующей несимметрии напряжений полюсов СОПТ относительно «земли», при определенном соотношении емкостей полюсов СОПТ относительно «земли» и времени задержки на срабатывание ДВ. Например, при емкостях 5 мкФ на полюс, ложно сработают ДВ с задержкой на срабатывание менее 13 мс. Данные расчеты показывают на необходимость контроля несимметрии напряжений полюсов СОПТ относительно «земли».

Разработаны рекомендации по оптимизации параметров ДВ МПРЗА для снижения вероятности ложного срабатывания ДВ при замыканиях на «землю» в СОПТ. Сводка требований приведена в таблице 1. Была разработана методика для испытания ДВ, внедренная ОАО «ФСК ЕЭС».

Таблица 1

Требования к характеристикам ДВ МПРЗА

Наименование параметра Нормативное значение Минимально допустимое значение Максимально допустимое значение

Общие требования

Внутреннее сопротивление входной цепи в дежурном режиме, кОм 40 40

Параметры импульса режекции

Начальный ток импульса, мА - 30 -

Продолжительность импульса, мс - 10 -

Напряжение запуска очищающего импульса, В 143 143 ■ 154

Напряжение выключения очищающего импульса, В 143

Параметры переключения дискретного входа

Напряжение гарантированного запуска таймера задержки, В 170 158 170

Напряжение сброса таймера задержки, В 154 143 154

Продолжительность задержки переключения дискретного входа, мс 5 5 20

Напряжение возврата ДВ в исходное состояние, В 143 132 143

Для контроля соответствия параметров ДВ МПРЗА изложенным требованиям разработан специализированный прибор. Данное устройство позволяет проверить параметры ДВ за минимальное число итераций с высокой точностью. Проведена апробация устройства в ходе испытаний новых ДВ МПРЗА компании ABB согласно предложенной методике.

Таким образом, было исследовано влияние замыканий на «землю» в СОПТ на возможность ложных срабатываний ДВ МПРЗА, и на основании

результатов сформированы требования к параметрам ДВ, разработана методика и прибор для их контроля.

В четвертой главе «Исследование влияния устройств активного поиска мест снижения сопротивления полюсной изоляции СОПТ на работу ДВ МПРЗА» выполнено исследование влияния на работу ДВ МПРЗА замыканий между СОПТ и сетью переменного напряжения 0,4 кВ, работы устройств автоматического поиска мест снижения сопротивления полюсной изоляции СОПТ. Проведено исследование влияния заземления СОПТ на возможность ложной работы ДВ и предложены пути исключения ложных срабатываний при замыканиях на «землю» в СОПТ.

Замыкание между СОПТ и сетью переменного напряжения 0,4 кВ приводят к ложной работе ДВ при определенных начальных условиях. Определяющими условиям являются несимметрия напряжений полюсов СОПТ относительно «земли» до замыкания и емкости СОПТ. При замыкании между сетью переменного напряжения и положительньм полюсом СОПТ ложное срабатывание ДВ происходит при емкости участка УК - ДВ 1 мкФ и более, несимметрии напряжений, соответствующей отношению сопротивлений изоляции положительного полюса СОПТ к отрицательному относительно земли 5/2. При замыкании между отрицательным полюсом СОПТ и сетью переменного напряжения 0,4 кВ ложное срабатывание ДВ не возможно при любых начальных условиях, т.к. снижение напряжение на ДВ ниже напряжения срабатывания происходит менее чем за 2 мс. При замыкании между участком сети УК - ДВ и сетью переменного напряжения 0,4 кВ ложное срабатывание ДВ происходит при емкостях общего участка СОПТ 1 мкФ и более при любых соотношениях напряжений полюсов СОПТ относительно «земли».

Устройства автоматического поиска мест снижения полюсной изоляции СОПТ относительно «земли» могут вызвать ложное срабатывание ДВ МПРЗА при определенном соотношении амплитуды инжектируемого тока и емкостей СОПТ. Например, при амплитуде тестового импульса равной 20 мА происходит гарантированное срабатывание ДВ, при емкостях сети до 1 мкФ и равных

напряжениях полюсов СОПТ относительно «земли». Увеличение емкости до 5 мкФ при прочих равных условиях исключает ложную работу ДВ. Сделан вывод о необходимости корректной настройки устройств автоматического поиска мест снижения полюсной изоляции СОПТ относительно «земли» в соответствии с емкостью сети.

Заземление средней точки СОПТ позволяет уменьшить область значений несимметрии напряжений полюсов сети относительно «земли», однако не позволяет полностью исключить возможность ложного срабатывания ДВ при замыканиях на «землю» в СОПТ. На рис. 3 приведена группа кривых, соответствующих изменению напряжения на ДВ в зависимости от сопротивления заземляющего резистора. Кривые различаются абсолютными значениями сопротивлений изоляции полюсов СОПТ относительно «земли», при постоянном соотношении. Верхняя граница рабочей области определяется напряжением срабатывания ДВ, 165 В на диаграмме. Левая граница определяется минимальным сопротивлением заземляющего резистора. Из рисунка видно, что при равных значениях заземляющего резистора и минимально-допустимого значения сопротивления изоляции полюса ни одна кривая не проходит через область допустимых значений, белый цвет на диаграмме.

Рис. 3. Зависимость напряжения на ДВ от сопротивления заземляющего резистора Ю с учетом сопротивлений утечек полюсов сети.

Заземление отрицательного полюса СОПТ позволяет решить проблему ложных срабатываний ДВ МПРЗА при замыканиях на землю в СОПТ. Из представленной на рис. 4 зависимости видно, что при значениях заземляющего сопротивления и сопротивления полюсной изоляции не менее 200 кОм напряжение на ДВ остается в области допустимых значений.

«д-в

Рис. 4. Зависимость напряжения на ДВ от сопротивления заземляющего резистора Л5 с учетом сопротивлений утечек полюсов сети.

Проверка достоверности полученных расчетным путем результатов осуществлялась сопоставлением с результатами соответствующих натурных экспериментов. Натурные эксперименты проводились на специально разработанной физической модели СОПТ. Принципиальная схема физической модели представлена на рис. 5. Физическая модель позволяет регулировать сопротивления изоляции и емкости относительно земли общей части СОПТ и отдельно взятых присоединений. Возможно подключение внешних измерительных устройств, устройств контроля изоляции и устройств автоматического поиска мест снижения сопротивления полюсной изоляции относительно «земли». Сопоставление результатов расчетов на компьютерной модели показали погрешность относительно результатов проведенных на физической модели менее 3,5%.

I - ---

Рис. 5. Принципиальная схема физической модели СОПТ

Таким образом, было исследовано влияние способов заземления СОПТ на возможность ложных срабатываний ДВ МПРЗА при замыканиях на «землю» в СОПТ, предложено использовать резистивное заземление отрицательного полюса для исключения ложных срабатываний, разработана физическая модель СОПТ, позволившая подтвердить натурными экспериментами, сделанные ранее выводы.

Заключение

Приведены основные научные и практические результаты, представляющие законченную работу, решающие актуальную научно-техническую задачу по разработке рекомендаций предотвращающих срабатывание МПРЗА при замыканиях в СОПТ на основе сфо рмированных требований к ДВ МПРЗА, методики их испытаний, исследования влияния заземления СОПТ и устройств автоматического поиска мест снижения сопротивления полюсной изоляции СОПТ относительно земли. Обобщенно результаты работы состоят в следующем:

1. На основании анализа литературы и опыта эксплуатации установлено, что замыкания на землю в СОПТ могут приводить к ложной работе МПРЗА. Основными влияющими факторами являются емкости сети

постоянного тока, параметры ДВ МПРЗА и способ заземления СОПТ. Ни в одной из рассмотренных работ не учитывалось влияние устройств контроля изоляции и устройств поиска мест снижения полюсной изоляции относительно земли в СОПТ на работу ДВ.

2. Разработана математическая модель СОПТ с ДВ МПРЗА и компьютерная модель в программном комплексе ЕМТР-ЛУ, позволяющая оценить влияние замыканий на землю и других повреждений в СОПТ на работу ДВ. Достоверность математической модели была подтверждена экспериментальным путем на натурных электроустановках. По результатам экспериментов сопоставлены характеристики ДВ МПРЗА различных производителей, показано отсутствие унификации параметров.

3. На основании результатов расчетно-экспериментальных исследований разработаны рекомендации к характеристикам ДВ МПРЗА, позволяющие снизить вероятность ложной работы ДВ МПРЗА при переходных процессах вызванных замыканиями на землю в СОПТ. Полученные рекомендации к параметрам ДВ внедрены в практику в виде стандарта ОАО «ФСК ЕЭС».

4. Разработана методика испытаний ДВ МПРЗА. Методика используется ОАО «ФСК ЕЭС» для аттестации МПРЗА.

5. Разработан и изготовлен специальный диагностический прибор, успешно прошедший опытную эксплуатацию, для оценки соответствия характеристик ДВ МПРЗА требованиям стандарта ОАО «ФСК ЕЭС».

6. Исследовано влияние высокоомного резистивного заземления СОПТ на работу ДВ МПРЗА, определены случаи, когда заземление позволяет исключить ложные срабатывания ДВ МПРЗА при замыканиях на «землю» в СОПТ.

7. Разработана физическая модель сети постоянного тока, на которой были проведены эксперименты по замыканию на «землю» в СОПТ. Экспериментально подтверждена эффективность разработанных рекомендаций по оптимизации параметров ДВ МПРЗА. Расхождение результатов,

полученных при расчетах на модели и при натурных экспериментах, не превысило 5%.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Гусев Ю.П., Монаков Ю.В. Предотвращение срабатываний дискретных входов микропроцессорных релейных защит при замыканиях на землю в системах оперативного постоянного тока// Известия вузов. Электромеханика. 2013, №1. - с. 81-83.

2. Гусев Ю.П., Монаков Ю.В. Испытание устройств контроля изоляции цепей оперативного постоянного тока электрических станций и подстанций // Шестнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и .энергетика». Москва: МЭИ (ТУ), 2010. Т.З - с. 422-423.

3. Гусев Ю.П., Монаков Ю.В., Чо Г.Ч. Работа дискретных входов микропроцессорных релейных защит при кондуктивных помехах в системах оперативного постоянного тока // сборник тезисов и докладов «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем России» (РЕЛАВЭКСПО-2012,17-20 апреля 2012, г. Чебоксары)

4. Арцишевский Я.Л., Гусев Ю.П., Мельников A.A., Монаков Ю.В., Чо Г.Ч. Экспериментальное определение характеристик дискретных входов микропроцессорных терминалов релейной защиты // «Энергоэксперт» №2, Москва, 2011 - с. 68 - 75

5. Гусев Ю.П., Монаков Ю.В., Чо Г.Ч. Предотвращение срабатываний дискретных входов микропроцессорных релейных защит при замыканиях на землю в системах постоянного оперативного тока. // «Энергоэксперт» №5, Москва, 2011 - с.70 - 77

6. Гусев Ю.П., Монаков Ю.В. Методика испытаний дискретных входов микропроцессорных релейных защит // «Энергоэксперт» №3, Москва, 2013-с. 46-50

Подписано в печать /5. !i< %Dlbc. Тир. П.л.

Полиграфический центр МЭИ, Красноказарменная ул.,д.13

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ»

04201450140

На правах рукописи

Монаков Юрий Викторович

РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПРЕДОТВРАЩЕНИЮ СРАБАТЫВАНИЙ

МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СРЕДСТВ ЗАЩИТЫ И АВТОМАТИКИ ЭНЕРГООБЪЕКТОВ ОТ ЗАМЫКАНИЙ В СИСТЕМЕ ОПЕРАТИВНОГО ТОКА

Специальность 05.14.02 - «Электрические станции и электроэнергетические

системы»

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Гусев Ю. П.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ................................................................................................................2

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................4

1. Исследование ложных срабатываний релейных защит, и характеристик ДВ МПРЗА...........................................................................................................................14

1.1. Применение ДВ на электрических подстанциях...........................................14

1.2. Характеристики ДВ..........................................................................................21

1.3. Схемотехнические решения ДВ МПРЗА.......................................................25

1.4. Влияние методов и средств поиска мест снижения полюсной изоляции относительно земли на работу ДВ...........................................................................27

Выводы по главе:.......................................................................................................32

2. Разработка математической модели СОПТ с ДВ МПРЗА, ее реализация и верификация...................................................................................................................34

2.1. Разработка математической модели...............................................................34

2.2. Реализация модели СОПТ с ДВ МПРЗА в ЕМТР ЯУ..................................38

2.3. Экспериментальное определение характеристик ДВ МПРЗА....................47

2.4. Верификация модели..........................................................................:.............63

Выводы по главе:.......................................................................................................66

3. Исследование влияния переходных процессов при замыканиях на землю в СОПТ на работу ДВ МПРЗА.......................................................................................67

3.1. Исследуемые расчетные события в СОПТ....................................................67

3.2. Определение основных влияющих факторов................................................70

3.3. Разработка рекомендаций по оптимизации параметров ДВ........................80

3.4. Разработка средств и методики контроля параметров ДВ в процессе эксплуатации МПРЗА................................................................................................85

Выводы по главе:.......................................................................................................89

4. Исследование влияния способа заземления СОПТ на работу ДВ МПРЗА......91

4.1. Замыкания между элементами СОПТ и сетью переменного напряжения. 91

4.2. Расчетное исследование процессов, вызванных работой устройств контроля изоляции и поиска земли в СОПТ...........................................................96

4.3. Влияние способа заземления СОПТ на работу ДВ.......................................99

Резистивное заземление средней точки СОПТ.....................................................100

Заземление отрицательного полюса СОПТ..........................................................103

4.4. Исследование переходных процессов в СОПТ на физической модели ... 107

Выводы по главе:.....................................................................................................116

Заключение..................................................................................................................118

Библиографический список.......................................................................................120

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

На электростанциях и подстанциях растет количество ложных срабатываний микропроцессорных релейных защит и автоматики (МПРЗА), приводящих к неоправданным отключениям силового электрооборудования, что, в конечном итоге, существенно снижает надежность энергосистем. Действующие нормативные документы не содержат требований по отстройке ДВ от замыканий на землю, замыканий с сетью переменного напряжения и от инжектируемых импульсов устройств активного поиска мест снижения сопротивления полюсной изоляции относительно земли в системе оперативного постоянного тока (СОПТ).

Одним из наиболее уязвимых мест МПРЗА являются оптронные преобразователи дискретных сигналов, далее называемые «дискретными входами» (ДВ). Энергия, необходимая для переключения ДВ МПРЗА на четыре порядка меньше, чем у электромеханических реле. В отличие от электромеханических промежуточных реле, имеющих ток срабатывания 10-50 мА и время срабатывания, измеряемое в миллисекундах, ДВ МПРЗА имеют ток срабатывания 2-5 мА и могут переключаться за микросекунды. Меньшая энергоемкость ДВ МПРЗА позволила значительно снизить выделение тепла в релейных шкафах, увеличить коммутационный ресурс управляемых контактов в цепях релейных защит. Однако практика показала, что ДВ МПРЗА уязвимы по условиям электромагнитной совместимости.

Производители МПРЗА работают над повышением помехоустойчивости ДВ, однако до настоящего времени эффективного решения не достигнуто и помехозащищенность многих типов МПРЗА не отвечает условиям эксплуатации.

Характеристики ДВ не нормируются и, следовательно, возможен их значительный разброс даже в пределах одного типа МПРЗА.

В этой связи актуальной является разработка требований к характеристикам ДВ МПРЗА, рекомендаций по их испытанию и условиям работы СОПТ.

Объектом исследования является система питания электроприемников постоянного тока электрических станций и подстанций.

Предметом исследования являются электромагнитные переходные процессы в системе питания устройств микропроцессорных релейных защит и автоматики, вызванных замыканиями на землю в системе оперативного постоянного тока, замыканиями с сетью переменного напряжения и работой устройств поиска мест снижения полюсной изоляции в системе оперативного постоянного тока относительно «земли», и их влияние на работу дискретных входов.

Целью работы является разработка рекомендаций по предотвращению ложных срабатываний дискретных входов микропроцессорных релейных защит и автоматики при замыканиях на землю в системе оперативного постоянного тока, замыканиях между элементами системы оперативного постоянного тока и сетью переменного напряжения 0,4 кВ, работе устройств поиска мест снижения сопротивления полюсной изоляции относительно «земли» в системе оперативного постоянного тока.

Задачи работы, поставленные для достижения указанной цели:

1. Систематизация и обобщение результатов ранее выполненных работ, посвященных исследованиям ложных срабатываний электромеханических релейных защит под влиянием замыканий в СОПТ, сопоставление и анализ характеристик ДВ МПРЗА известных типов на основании обзора технической документации.

2. Разработка математической модели СОПТ с ДВ МПРЗА. Разработка методики определения характеристик ДВ МПРЗА и ее апробация на нескольких устройствах. Верификация модели на основе натурных экспериментов.

3. Исследование и анализ электромагнитных переходных процессов при замыканиях на «землю» в СОПТ с использованием модели. Разработка рекомендаций по предотвращению ложной работы ДВ МПРЗА при замыканиях в СОПТ, в частности требований к характеристикам ДВ для повышения

помехоустойчивости ДВ МПРЗА. Разработка специализированного устройства для проверки характеристик ДВ МПРЗА.

4. Исследование электромагнитных переходных процессов при замыканиях между сетями СОПТ и переменного напряжения 0,4 кВ и при работе автоматических устройств поиска мест снижения сопротивления полюсной изоляции в СОПТ. Подтверждение корректности полученных в расчетно-экспериментальном исследовании результатов результатами натурных экспериментов. Синтез рекомендаций к условиям эксплуатации ДВ МПРЗА, в частности к контролю напряжений полюсов СОПТ относительно «земли» и настройкам устройств автоматического поиска мест снижения сопротивления полюсной изоляции относительно «земли».

Методы исследования

Решение поставленных задач проводилось посредством теоретических расчетов и проведения серий натурных экспериментов. Расчеты производились с помощью метода математического моделирования на основе системы обыкновенных дифференциальных уравнений. Для исследования переходных процессов в СОПТ использовалась специализированная программа ЕМТР-ЯУ. Эксперименты производились на физической модели и на действующей электроустановке.

Научная новизна

В диссертации получены следующие новые научные результаты:

1. Разработана математическая модель СОПТ с ДВ МПРЗА и компьютерная модель, отличающиеся от ранее известных тем, что учитывают режективный импульс ДВ и содержат логику работы современных ДВ устройств МПРЗА. Компьютерная модель позволяет исследовать влияние замыканий полюсов сети постоянного тока на землю, влияние случайных гальванических связей между СОПТ и сетью переменного напряжения 0,4 кВ, влияние работы устройств поиска мест снижения сопротивления полюсной изоляции относительно земли на работу ДВ МПРЗА.

2. Разработаны методика и алгоритм определения характеристик ДВ МПРЗА, а также специализированное устройство, позволяющие комплексно оценить характеристики ДВ МПРЗА на соответствие требованиям разработанного стандарта ОАО «ФСК ЕЭС».

3. Разработаны рекомендации по повышению помехозащищенности ДВ МПРЗА от замыканий на «землю» в СОПТ посредством высокоомного резистивного заземления отрицательного полюса СОПТ.

Достоверность научных положений диссертационной работы обусловлена обоснованностью принятых допущений и удовлетворительным совпадением результатов расчетов с результатами натурных экспериментов.

Практическое значение:

1. Разработана модель СОПТ с ДВ МПРЗА, позволяющая проводить расчетные эксперименты, направленные на изучение влияния переходных процессов в СОПТ на работу ДВ МПРЗА. Результаты исследования использованы при разработке стандарта организации ОАО «ФСК ЕЭС» содержащего требования к характеристикам ДВ МПРЗА, позволяющие снизить возможность ложного срабатывания ДВ и не препятствующие приборам поиска поврежденного присоединения локализовать место снижения сопротивления изоляции присоединения за ДВ.

2. Разработан диагностический прибор для определения характеристик ДВ МПРЗА как в лабораторных условиях, так и на действующих подстанциях.

3. Разработана методика определения характеристик ДВ МПРЗА, используемая при аттестации электрооборудования в ОАО «ФСК ЕЭС».

Положения, выносимые на защиту:

а) Модель СОПТ с подключенным ДВ МПРЗА, позволяющая проводить расчетные эксперименты для выявления влияния переходных процессов в СОПТ на работу ДВ МПРЗА.

б) Требования к характеристикам ДВ МПРЗА, позволяющие снизить вероятность ложной работы ДВ МПРЗА при замыканиях в СОПТ.

в) Рекомендации по отстройке ДВ МПРЗА от ложных срабатываний из-за работы устройств автоматического поиска мест снижения сопротивления полюсной изоляции СОПТ относительно «земли».

Реализация результатов работы.

1. Разработанные требования к ДВ МПРЗА реализованы в стандарте организации ОАО «ФСК ЕЭС»;

2. Методика испытаний ДВ внедрена в ОАО «ФСК ЕЭС» и используется производителями МПРЗА;

3. Разработанный диагностический прибор используется для проведения испытаний ДВ МПРЗА.

Апробация результатов работы

Работа была апробирована на пятнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (МЭИ (ТУ), 26-27 февраля, г. Москва, 2009 г.), Шестнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика (МЭИ (ТУ), 25-26 февраля, г. Москва, 2010 г.), на международной научно-практической конференции и выставке «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем России» (РЕЛАВЭКСПО-2012, 17-20 апреля 2012, г. Чебоксары).

Публикации. По результатам исследований было опубликовано шесть печатных работ, в том числе одна статья в журнале «Известия вузов. Электромеханика», входящем в перечень журналов ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, состоящего из 50 наименований источников. Основной текст диссертации изложен на 124 страницах, включает 45 рисунков и 11 таблиц.

В первой главе произведен обзор известных работ, посвященных исследованию ложной работы МПРЗА и рекомендуемых путей решения этой проблемы. При рассмотрении методик оценивалась возможность использования

представленных подходов к моделированию СОПТ. В рассмотренных работах не учтен спектр возможных повреждений СОПТ, исследования посвящены сложно локализуемому замыканию на землю между управляющим контактом и ДВ МПРЗА. Замыкания в других точках СОПТ, влияние емкостей сети и работа устройств автоматического поиска мест снижения полюсной изоляции относительно земли исследованы не в полной мере или не освещены в рассмотренных работах.

Проведено сопоставление характеристик существующих ДВ МПРЗА с целью определения принципов действия и подтверждения предположения об отсутствии унификации среди производителей МПРЗА. Подтверждена теоретическая возможность срабатывания некоторых из представленных ДВ даже в нормальном режиме работы сети. Наличие импульса режекции и задержки срабатывания ДВ способствуют исключению такого срабатывания.

Для разработки математической и компьютерной модели ДВ были исследованы основные принципы построения схемотехники ДВ. На основании результатов исследования схемотехники ДВ МПРЗА, были разработаны схемы для создания режективного импульса ДВ, использованные в компьютерной модели.

Во второй главе проанализирована работа ДВ МПРЗА и разработана математическая модель СОПТ с подключенным ДВ. Разработан логический алгоритм, описывающий работу современных ДВ, позволяющий создать модель для оценки возможности ложной работы ДВ при замыканиях в СОПТ, работе устройств автоматического поиска мест снижения полюсной изоляции относительно земли и при появлении гальванической связи с сетью переменного напряжения 0,4 кВ. Описана модель СОПТ посредством систем дифференциальных уравнений. На основе полученных уравнений и логической части математической модели разработана компьютерная модель, реализованная в программной, среде ЕМТР ЯУ. Адекватность разработанной модели ДВ подтверждена результатами натурных испытаний нескольких МПРЗА, проведенных в лабораторных условиях. Приведены результаты серий

экспериментов по определению каждого из параметров ДВ для МПРЗА различных производителей. Сопоставлены характеристики ДВ МПРЗА предоставленные различными производителями между собой и с экспериментально полученными данными. По результатам испытаний было подтверждено предположение об отсутствии унификации характеристик и параметров ДВ различных производителей. Были выявлены несоответствия между паспортными данными некоторых устройств и экспериментально полученными значениями.

Для проверки адекватности компьютерной модели посредством нее были проведены расчеты и аналогичные им расчеты на математической модели. Сопоставление результатов показало погрешность не более 5%. Сделаны выводы об адекватности модели в ЕМТР ЯУ математической модели.

В третьей главе рассмотрены исследуемые расчетные события в СОПТ. Показана возможность срабатывания ДВ, в нормальном режиме работы СОПТ ввиду несимметрии напряжений полюсов сети относительно «земли». Выявлены основные влияющие на возможность ложного срабатывания ДВ факторы. Исследованы переходные процессы при замыканиях в трех точках СОПТ.

В ходе исследования, было предположено, что срабатывание ДВ при замыканиях между отрицательным полюсом СОПТ и «землей» ложное срабатывание униполярного ДВ не возможно при любых начальных условиях. Данная гипотеза была подтверждена расчетными экспериментами, проведенными на компьютерной модели. Тем самым подтверждена необходимость выполнения ДВ униполярными для исключения возможности ложной работы при данном виде замыканий.

Замыкание положительного полюса СОПТ на «землю» приводит к ложной работе ДВ при определенных начальных условиях. Основными влияющими факторами являются несимметрия напряжений полюсов СОПТ относительно «земли» в предшествующем замыканию режиме и емкость участка сети между УК и ДВ относительно земли. Несимметрия напряжений определяет возможность превышения напряжения срабатывания на ДВ в момент замыкания. Значение

емкости участка сети между УК и ДВ определяет скорость снижения напряжения на ДВ ниже значений напряжения срабатывания. Эта скорость и время задержки срабатывания данного ДВ и определяют, вызовет ли помеха ложное срабатывание

ДВ.

Замыкание на участке сети УК - ДВ на землю приводит к ложной работе ДВ при предшествующей несимметрии напряжений полюсов СОПТ относительно «земли», при определенном соотнош�