автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Совершенствование токовых защит распределительных сетей

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТОКОВЫХ ЗАЩИТ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ

Специальность 05.14.02 - «Электростанции и электроэнергетические системы»

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Новосибирск - 2009

003471591

Работа выполнена в: РГКП «Павлодарский государственный

университет им. С. Торайгырова» (Республика Казахстан) и ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Клецель Марк Яковлевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Лнзалек Николай Николаевич

кандидат технических наук, доцент Ляпнн Виктор Григорьевич

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Новосибирский государственный технический университет»

Защита состоится «18» июня 2009 г. в 11-00 часов (ауд. 227) на заседании диссертационного совета Д 223.008.01 при ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта» по адресу: 630099, г.Новосибирск, ул. Щетинкина, 33, ФГОУ ВПО «НГАВТ» (тел. (383) 222-62-35, факс (383) 222-49-76. E-mail: ngavt@ngs.ru; ese_sovet@mail.ru).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта»

Автореферат разослан «15» мая 2009 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Малышева Е.П.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Многие проблемы, стоящие перед релейной защитой распределительных сетей, решены во второй половине XX столетия. Значительный вклад в их решение внесли В.А. Андреев, Я.С. Гельфанд, A.C. Засьшкин, В.Е. Казанский, М.Я. Клецель, С.Л. Кужеков, Г.С. Нудельман, Г.М. Павлов, В.В. Платонов, В.Е. Поляков, В.А. Шуин и др. Сложность некоторых проблем и их количество были так велики, что остались и нерешённые. Так, не нашла приемлемого для эксплуатации решения задача устранения недостатков (низкая чувствительность, излишние срабатывания) поперечной токовой направленной защиты линий, из-за которых она почти перестала применяться. Не полностью решены вопросы построения защит на магниточувствительных элементах (катушки индуктивности, датчики Холла, геркояы и т.д.), не использующих трансформаторы тока (ТА). Такие защиты могут принести экономический эффект (за счёт исключения ТА) и повысить надёжность путём дублирования традиционных защит и ТА. Уже разработаны и принципы построения и измерительные органы ряда защит на герконах без ТА. Однако токовая защита с зависимой выдержкой времени на герконах не предлагалась, хотя подобные защиты с ТА нашли широкое применение.

Кроме того, в последние 10 лет возникли проблемы, вызванные значительным износом электрооборудования и начавшимся внедрением микропроцессорных защит. Одна из них - необходимость в повышении чувствительности резервных защит трансформаторов к удалённым коротким замыканиям в связи с участившимися случаями аварий из-за наложения отказов. Другая - нехватка резервных защит с разными принципами действия для применения мажорирования, считающегося наиболее эффективным способом повышения надёжности микропроцессорных защит (сигнал на отключение подаётся, если сработали хотя бы две из трёх дублирующих друг -друга защит). Дело в том, что в качестве резервных защит от коротких замыканий на землю широко апробирована только токовая защита нулевой последовательности, а от между фазных - максимальная токовая и дистанционная. К тому же, как известно, две последние в некоторых случаях не обладают требуемой чувствительностью, а наличие цепей напряжения (пуск по напряжению, обеспечение направленности) уменьшают их надёжность.

В связи с этим тема диссертации является актуальной.

Объектом исследования являются токовые защиты распределительных сетей.

Предмет исследования - разработка токовых защит линий и трансформаторов, обладающих более высоким техническим совершенством, чем традиционные.

Связь темы диссертации с общенаучными (государственными) программами и планом работы академии. Работа выполнялась в соответствии: с научными направлениями рабочей группы В5 «Релейная защита и автоматика» Международной конференции по большим энергетическим системам (СИГРЭ), с научной целевой комплексной темой

ФГОУ ВПО «НГАВТ» (Гос. регистр № 0188.0004137), раздел «Повышение уровней электромагнитной совместимости технических средств в региональных электроэнергетических системах», с основными направлениями научных исследований этой академии на 2007 - 2010 г.г. (раздел 1.10 «Разработка мероприятий и технологий по модернизации систем теплоэлектроснабжения объектов России»),

Цель работы - повышение чувствительности и надёжности токовых защит линий и трансформаторов распределительных сетей.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

- Повышение чувствительности резервных защит трансформаторов к удалённым двухфазным коротким замыканиям.

- Устранение недостатков поперечной направленной дифференциальной защиты параллельных линий.

- Разработка токовой защиты с зависимой выдержкой времени на герконах без трансформаторов тока.

- Разработка способа защиты линий от однофазных коротких замыканий на землю.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в диссертации использовались фундаментальные положения теоретических основ электротехники, релейной защиты, теории надёжности, электрических машин, алгебры логики и теории релейных устройств. Проводилось математическое и физическое моделирование. Вычисления выполнены в среде МаШетайса 5,0, синтез и тестирование алгоритмов функционирования логической части защит - в САПР МАХ+РЬШ И.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: выбранными методами исследований, общепринятыми уровнями допущений при математическом описании явлений; обоснованностью исходных посылок, вытекающих из фундаментальных законов естественных наук; достаточным объёмом выполненных исследований; практической реализацией разработанных устройств; получением 6 патентов (4 -Российской Федерации, 2 - РеспубликиКазахстан).

Научная новизна.

На основе использования аппарата алгебры логики и теории релейных устройств разработан и запатентован более совершенный алгоритм функционирования поперечной направленной дифференциальной защиты линий, чем известные.

Предложен и запатентован способ повышения чувствительности резервных защит трансформаторов к двухфазным коротким замыканиям, основанный на оценке выявленных соотношений разностей и сумм токов фаз.

Разработан и запатентован способ выявления однофазных коротких замыканий, основанный на оценке отношения модулей максимального тока в фазах линии к минимальному, а также этого отношения на стороне низшего напряжения повышающего трансформатора с соединением обмоток У/А, питающего линию.

Представлены модели и методы расчёта уставок и чувствительности защит от несимметричных коротких замыканий, реагирующих на соотношения токов.

Создана и запатентована токовая защита на герконах без трансформаторов тока с зависимой характеристикой, определяющая выдержку времени по длительности замкнутого состояния контактов геркона.

Практическая ценность работы.

Предложенный в работе алгоритм функционирования поперечной направленной защиты линий позволяет повысить чувствительность традиционной защиты, исключить излишние срабатывания при сложных видах повреждений и не использовать вспомогательные контакты выключателей.

Резервные защиты трансформаторов, реализующие способ повышения чувствительности путём оценки соотношения токов фаз, Moiyx реагировать на удалённые двухфазные короткие замыкания с минимальными токами ^кмш S; (0,19 — 0,33) 1Н, где 1н - номинальный ток нагрузки.

Запатентованные защиты линий от однофазных коротких замыканий обеспечивают выявление токов /0 >(0,16-1,1)/я.

Разработанное токовое реле на герконах позволяет реализовать защиту с зависимой выдержкой времени, не используя трансформаторы тока.

К защите представляются:

- способ повышения чувствительности резервных защит трансформаторов к двухфазным коротким замыканиям и оценка их чувствительности;

- алгоритм функционирования поперечной направленной защиты линий;

- способ защиты линий от коротких замыканий на землю;

- принцип построения и устройство токовой защиты с зависимой выдержкой времени на герконах без трансформаторов тока.

Реализация результатов работы. Разработанное устройство токовой защиты с зависимой выдержкой времени без трансформаторов тока внедрено в промышленную эксплуатацию в сетях системы электроснабжения насосной станции ТОО «Павлодарводоканал» (Казахстан). Годовой экономический эффект от внедрения составляет около 10 тыс. рублей при сроке окупаемости менее 3 лет.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: XIV международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г.Москва, 2008г.), XII международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электрические материалы и компоненты» (Украина, г.Алушта, 2008г.), республиканской научно-технической конференции «II Чтения Ш. Шокина» (Казахстан, г.Павлодар, 2006г.), двух международных научных конференциях молодых учёных, студентов и школьников «VII Сатпаевские чтения» и «VIII Сатпаевские чтения» (Казахстан, г.Павлодар, 2007г., 2008г.), международной научно-технической конференции «Энергосистема: исследование свойств, управление, автоматизация» (г.Новосибирск, 2009г.), заседаниях научных семинаров кафедры «Автоматизация и управление» Павлодарского государственного университета

им. С.Торайгырова (Казахстан, г.Павлодар, 2008г.) и кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Омского государственного технического университета (г.Омск, 2009г.), заседаниях постоянно действующего научно - технического семинара кафедры «Электроэнергетические системы и электротехника» ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта» (г.Новосибирск, 2009г.).

Публикации. Результаты исследований нашли отражение в 16 научных трудах, в том числе: 3 статьи по перечню ВАК, 4 патента Российской Федерации, 2 патента Республики Казахстан, 7 статей в периодических научных изданиях. В публикациях в соавторстве личный вклад соискателя составляет не менее 50%, за исключением патента ГШ 2333584 С1, где личный вклад около 33%.

Личный вклад. Основные научные результаты и положения, изложенные в диссертации, постановка задач и методы их решения разработаны и получены автором самостоятельно.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав и заключения, изложенных на 126 страницах машинописного текста. Содержит 38 рисунков, 5 таблиц, список использованных источников из 83 наименований и 6 приложений.

Основное содержание диссертационной работы

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель и основные задачи работы. Отражены научная новизна и практическая ценность. Указаны методы исследований и положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены традиционно применяемые токовые защиты линий и трансформаторов распределительных сетей. Проанализированы недостатки максимальной токовой, направленной, дистанционной защит, а также защит линий и трансформаторов, основанных на разности токов в фазах. Показано, что при удалённых коротких замыканиях (КЗ) в ряде случаев они обладают недостаточной чувствительностью.

Рассмотрены недостатки поперечной дифференциальной защиты линий. Акцентируется внимание на том, что известные способы их устранения не совершенны.

Проанализированы защиты без трансформаторов тока, использующие магнитоуправляемые контакты - герконы. Показана актуальность разработки токовой защиты с зависимой выдержкой времени на герконах.

Во второй главе предложен способ повышения чувствительности резервных токовых защит трансформаторов, основанный на оценке отношений различных комбинаций токов фаз со стороны высшего напряжения.

Известно, что при двухфазном КЗ за трансформатором с соединением обмоток Y/A (ТР У/Д) ток в одной из фаз на стороне высшего напряжения превышает по абсолютному значению токи в других фазах в два раза (если не учитывать влияние нагрузки). Однако при таком КЗ в неповреждённой фазе обычно протекает ток, величина которого зависит от мощности и характера нагрузки, а в повреждённых фазах ток нагрузки накладывается на токи КЗ, и

это соотношение не выполняется. Вместе с тем, оно навело на мысль использовать значительную разницу в токах фаз для построения резервной защиты, например выявлять двухфазные КЗ по отношению абсолютных значений максимального из токов фаз к минимальному [1]. С учётом погрешностей трансформаторов тока - Si и измерительных органов защиты - е2, а также допустимой несимметрии фазных токов в рабочем режиме - е3, условие срабатывания такой защиты можно записать следующим образом [1]

1 ~ £] ^ l + \Lilm |

где Imax (Imin) ~ максимальный (минимальный) из токов фаз А, В, С, Ihm -максимальный ток нагрузки.

Величина с, может меняться от 0,01 при номинальном токе до 0,1 в режиме самозапуска, когда в нагрузке преобладают электродвигатели с большими пусковыми токами. Приняв (в соответствии с существующими нормами) £i=0,l, е2=0,01-0,05, е3=0,05-0,1, получим

(2)

где кГр - граничный коэффициент, равный 1,5-1,8.

В нормальном режиме, а также при самозапуске, токи в фазах приблизительно равны по величине, и условие (2) не выполняется.

Оценка чувствительности защиты проводилась по известной методике, когда минимальный ток \т двухфазного КЗ, на который она может реагировать, выражается через номинальный ток 1н нагрузки TP: = k-IH, где k - кратность минимального тока КЗ к 1Н. Чтобы найти токи в фазах А, В, С со стороны высшего напряжения TP при удалённом двухфазном КЗ, например между фазами В и С, предварительно найдём их на стороне низшего напряжения, используя метод наложения и считая токи нагрузки симметричными

ил=1„^, Lt^lJ^+k-lJ^l = (3)

где фц - угол между током и напряжением неповреждённой фазы А при максимальной нагрузке, срк - угол между током двухфазного КЗ и междуфазным напряжением Еис.

Принимая коэффициент трансформации защищаемого трансформатора равным единице, приведём токи (3) к стороне еш высшего напряжения. Для

y y

трансформатора со схемой соединения обмоток Y/Y (TP Y/Y) токи lka, Lkb, Lkc в фазах А, В, С равны токам (3). Для TP Y/Д - ¿Акл = -^(Lka ~Lkb)- Токи

Lkb, Lkc записываются аналогично ¿ка-

Подставляя максимальный и минимальный из токов ¿'кл, Lkb, Lkc > а также Lka > Lkb , Lkc в условие срабатывания (2), принимая фк=б0° и решая

полученные уравнения относительно к, получим, что при кГР=1,5, в интервале coscpH=(0,l-l) для ТР Y/Y защита способна реагировать на ток двухфазного КЗ /i?Lv>(0,45-1,1)/*. а для ТР У/Д >(1,4-0,5) 1Н. Как известно, МТЗ

способна выявлять токи >(1,45-7,2)/я, а дистанционная защита со смещённой круговой характеристикой - if^ > (0,6 - 5,2)/я.

Реализация защиты может быть осуществлена на выпускаемых промышленностью полупроводниковых элементах (рисунок 1) [9] или программно. При этом необходимо учитывать следующее:

1 На ряде трансформаторов броски намагничивающего тока (БНТ) при включении их на холостой ход, несмотря на затухание в течение времени работы резервной защиты, могут привести к её излишнему срабатыванию, так как не исключается, что ток в одной из фаз значительно превысит ток в другой. На таких трансформаторах необходимо дополнить защиту одной из известных блокировок от БНТ.

2 Принципиально возможно выполнение условий срабатывания защиты в несимметричных режимах, вызванных посадкой напряжения на питающих шинах при близких двухфазных КЗ на соседних присоединениях или в головном участке сети. Избежать этого можно путём ввода реле направления мощности обратной последовательности (НМОП), запрещающего действие защиты в этих режимах.

Структурная схема защиты [9] представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Структурная схема устройства резервной защиты трансформатора

Устройство работает следующим образом: напряжения на выходах трансреакторов 1, 2, 3, пропорциональные токам фаз А, В, С, через выпрямители 4, 5, 6 подаются на максиселекгор 7 и миниселектор 8. Напряжения Umax и Umin на их выходах пропорциональны, соответственно, IImaxI и |Imin|. Усилитель 9 увеличивает Umin в 1,5-1,8 раза, компаратор 10 сравнивает UMAX и (1,5-1,8)UM1N. При двухфазном КЗ первое напряжение превышает второе, компаратор подаёт сигнал на элемент И 11. Если нет

сигналов на входах элемента Ш1И-НЕ 14, то запускается реле 12 времени, и через 1,5 - 3 секунды исполнительный орган 13 даёт команду на отключение защищаемого ТР. В режиме симметричной нагрузки, а также при самозапуске, токи в фазах приблизительно равны, условие (2) не выполняется, компаратор 10 сигнала не выдаёт, реле 12 не работает.

Структурная схема алгоритма функционирования рассматриваемой защиты для её программной реализации приводится в диссертации.

На основе анализа соотношения токов в фазах при двухфазных КЗ за ТР Y/A разработан алгоритм, заключающийся в сравнении отношений разностей токов фаз с граничным коэффициентом к£Р, который является своеобразной уставкой защиты. Срабатывание происходит, если выполняется хотя бы одно из условий

\^1А>Кр {ki^u (4)

\Lb-LC\ ' \Lc-L\ ' \L-L\ ГР' w

где 1д, Ib, le - токи в фазах A, В, С на стороне высшего напряжения ТР. Величина коэффициента крр определяется по допустимой несимметрии фазных токов в безаварийных режимах, с учётом погрешностей 6] и е2. Если наибольший и наименьший вектора токов в фазах А, В, С по амплитуде будут отличаться на 20 % (Ia=Ih, Ib=0,9Ih, Ic=UIn)> что в несколько раз превосходит величину предельно допустимой несимметрии по ПУЭ, то наибольшее из отношений (4) равно 1,1. Поэтом}' примем крр~\,\-кзлп = \,\л,\а\>2, где k3An - коэффициент запаса. В нормальном режиме, когда токи нагрузки приблизительно одинаковы, значения рассматриваемых отношений равны 1, условия срабатывания не выполняются. Отметим, что это так и в режиме самозапуска, поскольку токи JHM сокращаются.

При двухфазном КЗ (например между фазами В и С) за трансформатором (без учёта влияния нагрузки), учитывая погрешности £] и е2, результат одного из отношений (4) более чем в 20 раз превосходит граничный коэффициент к^Р, что свидетельствует о высокой чувствительности защиты.

Анализ всевозможных соотношений токов фаз показал, что при двухфазных КЗ за ТР Y/Y, максимальный результат принимают отношения модулей разности двух токов к модулю их суммы [5]. По аналогии с (4), сравнение происходит с граничным коэффициентом кУгр для ТР Y/Y. В безаварийном режиме, когда амплитуды векторов токов отличаются на 20%, с учётом погрешностей б] и е2, максимальное из рассматриваемых отношений принимает значение 1,73. Тогда для кггр получим к*ГР =\,13-кмп = 1,73■ 1,1 ~2,0. При КЗ за трансформатором, например между фазами В и С, с учетом погрешностей Sj и е2, максимальное из отношений равно 19, что значительно превышает граничный коэффициент к1гр.

Структурные схемы и алгоритмы функционирования защит, реализующих данные соотношения, приведены в диссертации.

Выше рассмотрены наиболее информативные соотношения для построения на их основе резервных защит трансформаторов, использующие отношения разностей и сумм двух токов. Дальнейший анализ выявил эффективные соотношения, оперирующие тремя фазными токами

\La -Lb\ т' \L-Lc\ m' \Lc-L\ m' (5) где кгрз - граничный коэффициент, выбираемый по условиям отстройки от несимметрии в безаварийных режимах. Срабатывание защиты происходит при выполнении любого из условий. Если в безаварийных режимах наибольший и наименьший вектора токов в фазах А, В, С по амплитуде будут отличаться на 20%, с учётом погрешностей С] и е2, максимальное из рассматриваемых отношений принимает значение 0,17. Тогда кГрз=0,17-кзАп::= 0,19.

При двухфазном КЗ за трансформатором максимальное из выражений (5), при учёте погрешностей трансформаторов тока, принимает значение 17, что, практически, на два порядка превышает кГР3.

Структурная схема алгоритма функционирования рассматриваемой защиты для реализации в программном виде представлена на рисунке 2. Мгновенные токи iA(t), iB(t), ic(t) фаз А, В, С проходят цифровую фильтрацию, после чего находятся соответствующие им комплексы Ia, Ie, 1с- Затем каждое из соотношений (5) находится и сравнивается с кГР3. Дальнейшая работа ясна из схемы 2 и изложенного выше относительно БН'Г и НМОП (программная реализация их известна и на рисунке 2 не показана). ОВ - орган выдержки времени tCP.

В работе выполнен сравнительный анализ чувствительности резервных защит, реализующих предложенные соотношения (2, 4, 5), с фильтровой, а также защитами трансформаторов и линий, реагирующими на разность модулей токов фаз. Все они так или иначе отстраиваются от токов небаланса, вызванных несимметрией токов в различных режимах. Величина токов небаланса (или граничных коэффициентов для предложенных в работе защит), вызванных несимметрией токов нагрузки из-за отклонения по амплитуде одного из них, определяется теоретически. Для этого в трёхфазной системе токов вектор одной фазы (например фазы А) изменяется в относительных единицах, второй - остаётся неизменным, а третьей - получается как отрицательная сумма первых двух

Г — 7* ,Л<Рн) г , „Дся-120") / — —( I 4-1 \

—на ~ * та >lhb-l'e > -ж _ \llia + Lhb ) , (Р)

где 1нд, 1нВ, 1нс - вектора токов фаз А, В, С на стороне низшего напряжения трансформатора, - амплитуда вектора Lv (приведенная к 1Н). Токи на стороне высшего напряжения ТР Y/Y и ТР Y/A определяются как описано выше. Токи небаланса для известных защит и граничные коэффициенты для предложенных найдены при одинаковом для всех значении 1,2 путём подстановки полученных токов в фазах (являющихся функциями от /*[4) на

стороне высшего напряжения защищаемого трансформатора в условия срабатывания. Чувствительность каждой защиты определялась также как и защиты, реализующей условие (2).

'л(') '«{')'< (')

Рисунок 2 - Структурная схема алгоритма функционирования резервной защиты трансформатора

Графические решения полученных уравнений ^.иы = Л/' / (С05<Ри) приведены на рисунке 3 (при построении кривых не учитывалось возможное уменьшение 1н при уменьшении совсрц, что даёт запас по величине выявляемого тока Штриховыми линиями показаны зависимости для известных

защит. Из рисунка следует, что несколько большей чувствительностью из рассмотренных обладает защита, фиксирующая отношения сумм и разностей токов трёх фаз и, для специфичных нагрузок с малым сояорн, защита, основанная на оценке отношения разностей и сумм токов.

Рисунок 3 - Сравнительный анализ чувствительности разработанных и известных резервных защит трансформаторов. Зависимости приведены для следующих защит: токовой обратной последовательности - 1, реагирующей на разность модулей токов фаз - 2 и на разность векторов токов - 3, на отношение разностей токов - 4, на отношение разностей и сумм токов - 5, на отношение сумм и разностей трёх токов - 6

В третьей главе синтезирован алгоритм функционирования поперечной дифференциальной защиты линий, дающий возможность устранить её недостатки; предложены защиты линий от однофазных КЗ; разработана токовая защита с зависимой выдержкой времени на герконах без трансформаторов тока. Алгоритм функционирования [2,10] поперечной дифференциальной защиты линий строится на основе анализа информации, получаемой от пусковых реле (отстраиваемых теперь только от токов небаланса) и органов направления мощности традиционной защиты, которая дополняется реле, контролирующими ток в каждой фазе обеих линий и отстраиваемых от их

токов холостого хода. Условия срабатывания формулируются в виде словесного алгоритма и записываются аналитически в символах алгебры логики [2]

О, 74 ^М^+ТеМ2^ +ТСМ2С¥2¥} ■ (7)

1\ +Тд +7^2 =т\-т1 +Т\ -Тд +тхс-т1 Л-Т\Т\ТХС-

тъ=тл-та +т1 -тв +тс -'гс г4 = 7л+тв +

где О1 (02) - сигналы на запуск выходного реле, действующего на отключение первой (второй) линии; ТА, Тв, Тс - сигналы о срабатывании пусковых реле тока, соответственно, фаз А, В, С; МА\ Мв', Мс1 (МА2, Мв2, Мс2) - сигналы о повреждении на первой (второй) линии, выдаваемые реле направления мощности двухстороннего действия, включенными на разность токов фаз А, В, С и напряжения ивс, иСА, Плп соответственно; Тд1, Тв', Тс' и ТА2, Тв2, Тс2 -сигналы от контрольных токовых реле о наличии тока в фазах А, В, С первой и второй линии. Они, как и все остальные символы, принимают значение логической 1 при наличии соответствующего сигнала и значение логического О при отсутствии.

Защиты, логическая часть которых выполняется по выражениям (7), позволяют исключить излишние срабатывания и не использовать вспомогательные контакты выключателей. Повышение чувствительности достигается за счёт отстройки пусковых органов только от токов небаланса при внешнем трёхфазном КЗ.

Устройство [4], реализующее логические выражения (7), может быть выполнено на микропроцессорной элементной базе или на логических элементах любой природы. Опытный образец выполнен в виде программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС семейства МАХ70008) [12].

В соответствии с третьей задачей, поставленной в диссертации, разработана токовая защита с зависимой выдержкой времени на герконах [7]. Геркон является дискретным измерительным преобразователем, замыкающим свои контакты при превышении напряжённости магнитного поля, создаваемой током в проводнике, величины Нср срабатывания. Как показано на рисунке 4, о величине тока 1](1) можно судить по времени 1>!Лм1 замкнутого состояния контактов геркона. При увеличении амплитуды тока ^(О до 12(1), время увеличивается с 13ам1 Д° Ьамз- На рисунке 4 1Ср и 1Воз - токи срабатывания и возврата геркона.

В сетях 6-10 кВ достаточно иметь информацию о токах в двух фазах защищаемой электроустановки, то есть использовать два геркона (для фаз А и С). Располагать их необходимо на безопасном расстоянии так, чтобы на каждый действовало магнитное поле только одной фазы.

Перед установкой каждого геркона в точку с расчетными координатами необходимо построить зависимость 1т=^зАм) (1га - искомая амплитуда тока в фазах электроустановки) в лабораторных условиях, поместив его вдоль оси

катушки, по которой пропускается переменный ток с амплитудой . Ток 1т определяется по формуле

(8)

где - коэффициенты, полученные с помощью элементарной геометрии

из закона Био - Савара - Лапласа для определения напряженности поля от тока в проводнике, V/ - число витков, 1К - длина катушки. На основе опытов для различных получаем зависимость !т = /(¡Ш{).

/ад4 / 1 1 / 1 1 1 1\ ! 1 V

1 1, <шп и 1 11— Л ' —и Сигнал с МК при 1, (/) /

^ Сигнал с МК при /, (/)

Рисунок 4 - Способ измерения амплитуды тока в фазе по времени замкнутого состояния контактов геркона

Разработанное устройство должно обеспечивать ¡в = /(/т), где 1В - выдержка времени. Время определяется путём отсчёта количества № импульсов опорной частоты. Каждому значению N1 (а следовательно и току 1т) соответствует выдержка времени 1в, заложенная в памяти устройства в виде характеристики 1П=Г(№).

В нормальном режиме контакты геркона разомкнуты, 1ЗЛМ=0, устройство не действует. При возникновении КЗ ток в повреждённых фазах увеличивается, вызывая срабатывание одного или двух герконов в каждом полупериоде промышленной частоты на время 1ЗАм=*кз- Счётчик подсчитывает количество № импульсов опорной частоты за время 1ЗАМ=1КЗ, Данные со счётчика записываются в ОЗУ, дешифратор определяет соответствующую числу № величину выдержки времени 1:в. Таймер начинает отсчитывать импульсы с периодом 0,01 сек, и как только данные на его выходе будут равны значению ^ произойдёт отключение выключателя защищаемой электроустановки. Счётчик начинает новый отсчёт времени 1ЗАМ спустя 0,01 сек после окончания предыдущего. Если за это время КЗ отключится другими защитами, то отсчёт покажет 1ЗАМ=0, и устройство вернётся в исходное состояния, обнулив таймер. Устройство внедрено на насосной станции ТОО «Павлодарводоканал» в 2008 г.

Последняя нз поставленных в диссертации задач решается следующим образом: предложен способ защиты линий от КЗ на землю [6,8], основанный на оценке соотношения токов 1да, 1дв, Г\с на стороне низшего напряжения питающего линию повышающего ТР Y/Д. Если отношение максимального из них к минимальному превышает заданную величину, через выдержку времени подаётся сигнал на отключение выключателя. Условие срабатывания такой защиты записывается в виде неравенства (2). В нормальном режиме оно выполняться не будет, поскольку абсолютные значения токов 1да, 1дв, 1дс приблизительно равны друг другу. При однофазном КЗ на линии, например фазы А, токи 1да и L,c значительно превышают ток 1дв. Условие (2) выполняется, через выдержку времени защита срабатывает.

При максимальной несимметрии токов, вызванной двухфазными КЗ на соседних присоединениях (при их наличии), когда из-за глубокой посадки напряжения разница между амплитудами токов в фазах может достигнуть 50%, возможно излишнее срабатывание защиты. Чтобы этого избежать, необходимо использовать сигнал от реле направления мощности ггулевой последовательности, разрешающий действовать, если однофазное КЗ возникло гга защищаемой линии.

Выявлять однофазные КЗ предлагается также путём фиксации соотношений токов непосредственно в фазах защищаемой линии. Срабатывание такой защиты происходит, если выполняется условие [11] \Lmax | / \Lmim ( > ^/ро -2,5. Значение граничного коэффициента кгро выбрано исходя из требований несрабатывания защиты при максимальной несимметрии токов, вызванной близкими двухфазными КЗ гга соседних присоединениях. Поскольку в таком режиме отношение абсолютных значений максимального тока к минимальному будет равно 2, кГРа = 2 • котс = 2 • 1,25 = 2,5.

Сравнительный анализ чувствительности защит линий, реализующих предложенный способ, и широко известной защиты нулевой последовательности проводгглся путём определения минимального тока 10, который они могут выявить. Для этого он выражается через ток 1н: /0 - к01н, где к0 - кратность /0 к IH [11]. Тогда для токов в фазах А, В, С повреждённой линии при КЗ на землю, например фазы А, учитывая, что токи прямой, обратной и нулевой последовательностей Цкз , 1гю и La в точке КЗ равны друг другу

tL =Lh+Lk3+Lk3+PL, (9)

где р - коэффициент токораспределения ггулевой последовательности (НП), характеризующий часть тока НП, проходящую через нейтраль трансформатора, питающего линию. Аналогично записываются полные токи в других фазах. Подставляя их в условия срабатывания предложенных защит линий и решая полученные уравнения относительно к(ь получаем зависимости /0 //я = /(/?) (рисунок 5) для защиты, реагирующей на токи в фазах линии. Зависимости получены для кГР0=2,5 и кГР0=1,5 (соответстветшо, кривые 1 и 2).

Рисунок 5 - Сравнительный анализ чувствительности защит линий от коротких замыканий на землю. Зависимости 1, 2 приведены для защиты, реагирующей на токи в фазах линии; 3, 4, 5 - для традиционно применяемой защиты нулевой

последовательности

Традиционно применяемая защита нулевой последовательности реагирует на ток — /}• 3/0, а её ток срабатывания /сзо выбирается с учётом отстройки от небаланса при максимальном токе 1(^\,лх трёхфазного КЗ в конце защищаемого участка по формуле

j =1 25-0 1 • /(3) = 0 125 /(3) ПО")

Выразим ток 1{у 'шх через 1Н: - /с(3) • 1Н, где k'r> кратность к 1н. Из

формулы определения коэффициента чувствительности кч = /^'//сзо = = /?-3/0/(0,125-Аг(3' •/„), найдём ток /0, на который может реагировать защита нулевой последовательности:

/0 =/„•(),125ÀVP73/?. (П)

Принимая, согласно ПУЭ, кч= 1,2, получим зависимости /0//„ = /(/?) для

значений к°) = 3, 5, 8, которым соответствуют кривые 3, 4, 5 (рисунок 5), выделенные пунктиром.

Отметим, что параметр /0 / /я для защиты, реагирующей на токи в фазах повышающего ТР Y/A, не зависит от р, поскольку в фазах с низшей стороны составляющие нулевой последовательности отсутствуют. Для неё при указанных условиях отстройки /0 >(0,35-0,55)1И.

Как видно из рисунка, чувствительность разработанных защит линий к

однофазным КЗ в раде случаев не уступает традиционно применяемой защите нулевой последовательности.

В приложениях А, Б, В приведён вывод формул для построения зависимостей 1*£\дN = IH- f (cos<pH ) для резервных защит трансформаторов.

В приложении Г - монтажные схемы, фотография разработанного устройства логической части поперечной направленной дифференциальной защиты линий, результаты анализа её работы в различных режимах.

В приложении Д - расчёт экономического эффекта от внедрения токового реле на герконах с зависимой выдержкой времени.

В приложении Е - акт внедрения.

Основные выводы и рекомендации

В диссертации при решении поставленных задач по совершенствованию защит распределительных сетей получены следующие основные результаты:

1 Предложен способ повышения чувствительности резервных защит трансформаторов к двухфазным коротким замыканиям, основанный на оценке различных соотношений токов в фазах. Защиты, реализующие данный способ, позволяют выявлять двухфазные короткие замыкания за присоединениями, отходящими от шин низшего напряжения трансформатора с токами, составляющими третью - пятую часть от его номинального тока. Разработана методика определения небаланса, вызванного несимметрией фазных токов. Показано, что наиболее чувствительными (не уступающими фильтровой) являются защиты, реагирующие на отношения абсолютных значений сумм и разностей токов трех фаз (для трансформатора со схемой соединения обмоток Y/Д) и отношения разностей и сумм токов двух фаз (для трансформатора со схемой соединения обмоток Y/Y).

2 Разработаны и запатентованы две резервные защиты линий от однофазных коротких замыканий, которые оценивают отношение модулей максимального тока в фазах линии к минимальному и это отношение на стороне низшего напряжения повышающего трансформатора со схемой соединения обмоток Y/Д, питающего линию. Показано, что они в ряде случаев не уступают по чувствительности традиционно применяемой защите нулевой последовательности.

3 Разработана и запатентована поперечная направленная защита двух параллельных линий, которая обладает высокой чувствительностью, так как отстраивается только от токов небаланса при внешних КЗ, функционирует при сложных видах повреждений и не использует вспомогательные контакты выключателей. Применение методов теории алгебры логики для построения алгоритма функционирования защиты даёт возможность реализовать его на микропроцессорных терминалах и логических элементах любой природы.

4 Создана и запатентована токовая защита с зависимой выдержкой времени без трансформаторов тока для сетей 6-10 кВ, построенная на основе измерения времени замкнутого состоянии контактов геркона, расположенного вблизи шин электроустановки. Защита внедрена в эксплуатацию в сетях системы электроснабжения насосной станции ТОО «Павлодарводоканал» (Казахстан).

Годовой экономический эффект от внедрения составляет около 10 тыс. рублей при сроке окупаемости менее 3 лет.

5 Результаты работы рекомендуется применять:

а) в сетях от 6 до 220 кВ поперечную дифференциальную защиту линий и способ повышения чувствительности резервных защит трансформаторов;

б) в сетях 110-220 кВ защиту линий от коротких замыканий на землю при необходимости использования мажорирования;

в) в сетях 6-10 кВ токовую защиту на герконах с зависимой выдержкой времени.

Список работ, опубликованных по теме диссертации Статьи в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК

1 Стинский, A.C. Выявление двухфазного короткого замыкания за трансформатором по отношению токов фаз / A.C. Стинский, М.Я. Клецель // Электро. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. - 2008. - № 3. - С. 22-24.

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

3 Стинский, A.C. Исследование чувствительности максимальной токовой защиты, использующей герконы и катушки индуктивности / A.C. Стинский, М.Т. Токомбаев// Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. Спец. выи. - 2009. -№1. - С. 227-230.

Патенты

4 Пат. 2313875 Российская Федерация, МПК7 Н02Н 3/28, Н02Н 7/26.

Устройство для защиты двух параллельных линий с отдельными выключателями / A.C. Стинский [и др.]. Опубл. 27.12.2007, Бюл. № 36. - 5 с.

5 Пат. 2353039 Российская Федерация, МПК7 Н02Н 7/04. Устройство резервной токовой защиты трансформатора со схемой соединения обмоток Y/Y /A.C. Стинский [идр.]. Опубл. 20.04.2009,Бюл. № 11.

6 Пат. 2321126 Российская Федерация, МПК7 Н 02 Н 3/26. Устройство резервной защиты линий для сетей с заземлённой нейтралью / A.C. Стинский [и др.]. Опубл. 27.03.2008, Бюл. №9.-4 с.

7 Пат. 2333584 Российская Федерация, МПК7 Н 02 Н 3/08. Устройство токовой защиты с зависимой выдержкой времени на герконах / A.C. Стинский [и др.]. Опубл. 10.09.2008, Бюл. № 25. - 11 с.

8 Предв. пат. 19635 Республика Казахстан, МПК7 Н 02 Н 3/08. Способ защиты линий от коротких замыканий на землю / A.C. Стинский [и др.]. Опубл. 16.06.2008, Бюл. №6. -4 с.

9 Предв. пат. 19883 Республика Казахстан, МПК7 Н 02 Н 7/04. Устройство для резервной токовой защиты трансформатора с соединением обмоток Y/A / A.C. Стинский, М.Я. Клецель, Д.С. Шеломенцев. Опубл. 15.08.2008, Бюл. №8. -4 с.

Статьи в российских и иностранных изданиях; материалы международных и региональных конференции

10 Стинский, A.C. Универсальный алгоритм функционирования направленной дифференциальной защиты линий / A.C. Стинский, М.Я. Клецель, К.И. Никитин // Омский научный вестник. - 2006. - №9(46). - С. 121123.

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

12 Стинский, A.C. Совершенствование поперечной направленной защиты двух параллельных линий // Матер, респ. науч.-техн. конф. «II Чтения Ш. Шокина». Павлодар: Научно-издательский центр ПГУ им. С. Торайгырова. -2006. С. 239-247.

13 Стинский, A.C. Устройство резервной защиты линий для сетей с заземлённой нейтралью / A.C. Стинский, К.Т. Шахаев // Матер, междунар. научн. конф. молодых учёных, студентов и школьников «VII Сатпаевские чтения». Том 20, часть 1. Павлодар: Научно-издательский центр ПГУ им. С. Торайгырова. - 2007. - С. 259-261.

14 Стинский, A.C. Резервная защита трансформатора, реагирующая на отношения токов в фазах / A.C. Стинский, М.Я. Клецель // Труды XII междунар. конф. «Электромеханика, электротехнологии, электрические материалы и компоненты» МКЭЭЭ-2008. - М.: Изд. МЭИ(ТУ). - 2008. - С. 317-318.

15 Стинский, A.C. Устранение недостатков поперечной дифференциальной защиты линий / A.C. Стинский, М.Я. Клецель // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Четырнадцатая междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: тез. докл. в 3-х т. Т.З. - М.: Изд. МЭИ(ТУ). - 2008. - С. 367-368.

16 Спшский, A.C. Повышение чувствительности резервной защиты линий / A.C. Стинский, К.И. Никитин, К.Т. Шахаев // Матер, междунар. научн. конф. молодых учёных, студентов и школьников «VIII Сатпаевские чтения». Том 20. Павлодар: Научно-издательский центр ПГУ им. С. Торайгырова. - 2008. - С. 230-232.

Подписано в печать 13.05.2009г. с оригинал-макета. Бумага офсетная № 1, формат 60x84 1/16, печать Riso. Усл. печ.л. 1,1. Тираж 130 экз. Заказ №42. Бесплатно.

ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта»

ФГОУ ВПО («НГАВТ»).

630099, Новосибирск, ул. Щетинкина, 33.

Отпечатано в типографии ФГОУ ВПО «НГАВТ»

Перечень сокращений и условных обозначений.

Введение.

1 Анализ токовых защит распределительных сетей.

1.1 Максимальные токовые и направленные защиты.

1.2 Токовая защита обратной последовательности и дистанционная защита.

1.3 Дифференциальные токовые защиты линий.

1.3.1 Продольные и поперечные дифференциальные защиты.

1.3.2 Дифференциальная поперечная направленная защита, построенная с применением теории релейных устройств.

1.4 Резервные защиты, основанные на контроле разности токов в фазах.

1.5 Недостатки токовых защит распределительных сетей и постановка » задачи.

1.6 Выводы.

2 Повышение чувствительности резервных токовых защит трансформаторов.

2.1 Повышение чувствительности на основе анализа соотношения токов в фазах.

2.2 Повышение чувствительности на основе оценки отношения разностей токов разных фаз.

2.3 Сопоставительный анализ чувствительности резервных токовых защит трансформаторов.

2.4 Выводы.

3 Совершенствование токовых защит линий.

3.1 Устранение недостатков поперечной дифференциальной направленной защиты линий.

3.1.1 Синтез алгоритма функционирования поперечной дифференциальной направленной защиты.

3.1.2 Реализация алгоритма.

3.2 Разработка токовой защиты на герконах с зависимой выдержкой времени без трансформаторов тока.

3.3 Разработка защиты линий от коротких замыканий на землю.

3.4 Выводы.

Актуальность темы. Многие проблемы, стоящие перед релейной защитой распределительных сетей, решены во второй половине XX столетия. Значительный вклад в их решение внесли В.А. Андреев, Я.С. Гельфанд, A.C. Засыпкин, В.Е. Казанский, М.Я. Клецель, C.JT. Кужеков, Г.С. Нудельман, Г.М. Павлов, В.В. Платонов, В.Е. Поляков, В.А. Шуин и др. Сложность некоторых проблем и их количество были так велики, что остались и нерешённые. Так, не нашла приемлемого для эксплуатации решения задача устранения недостатков (низкая чувствительность, излишние срабатывания) поперечной токовой направленной защиты линий, из-за которых она почти перестала применяться. Не полностью решены вопросы построения защит на магниточувствительных элементах (катушки индуктивности, датчики Холла, герконы и т.д.), не использующих трансформаторы тока (ТА). Такие защиты могут принести экономический эффект (за счёт исключения ТА) и повысить надёжность путём дублирования традиционных защит и ТА. Уже разработаны и принципы построения и измерительные органы ряда защит на герконах без ТА. Однако токовая защита с зависимой выдержкой времени на герконах не предлагалась, хотя подобные защиты с ТА нашли широкое применение.

Кроме того, в последние 10 лет возникли проблемы, вызванные значительным износом электрооборудования и начавшимся внедрением микропроцессорных защит. Одна из них - необходимость в повышении чувствительности резервных защит трансформаторов к удалённым коротким замыканиям в связи с участившимися случаями аварий из-за наложения отказов. Другая — нехватка резервных защит с разными принципами действия для применения мажорирования, считающегося наиболее эффективным способом повышения надёжности микропроцессорных защит (сигнал на отключение подаётся, если сработали хотя бы две из трёх дублирующих друг -друга защит). Дело в том, что в качестве резервных защит от коротких замыканий на землю широко апробирована только токовая защита нулевой последовательности, а от междуфазных — максимальная токовая и дистанционная. К тому же, как известно, две последние в некоторых случаях не обладают требуемой чувствительностью, а наличие цепей напряжения (пуск по напряжению, обеспечение направленности) уменьшают их надёжность.

В связи с этим тема диссертации является актуальной. Объектом исследования являются токовые защиты распределительных сетей. Предмет исследования - разработка токовых защит линий и трансформаторов, обладающих более высоким техническим совершенством, чем традиционные.

Связь темы диссертации с общенаучными (государственными) программами и планом работы академии. Работа выполнялась в соответствии: с научными направлениями рабочей группы В5 «Релейная защита и автоматика» Международной конференции по большим энергетическим системам (СИГРЭ), с научной целевой комплексной темой ФГОУ ВПО «НГАВТ» (Гос. регистр № 0188.0004137), раздел «Повышение уровней электромагнитной совместимости технических средств в региональных электроэнергетических системах», с основными направлениями научных исследований этой академии на 2007 - 2010 г.г. (раздел 1.10 «Разработка мероприятий и технологий по модернизации систем теплоэлектроснабжения объектов России»).

Цель работы — повышение чувствительности и надёжности токовых защит линий и трансформаторов распределительных сетей.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

- Повышение чувствительности резервных защит трансформаторов к удалённым двухфазным коротким замыканиям.

- Устранение недостатков поперечной направленной дифференциальной защиты параллельных линий.

- Разработка токовой защиты с зависимой выдержкой времени на герконах без трансформаторов тока.

- Разработка способа защиты линий от однофазных коротких замыканий на землю.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в диссертации использовались фундаментальные положения теоретических основ электротехники, релейной защиты, теории надёжности, электрических машин, алгебры логики и теории релейных устройств. Проводилось математическое и физическое моделирование. Вычисления выполнены в среде Mathematica 5,0, синтез и тестирование алгоритмов функционирования логической части защит

- в САПР MAX+PLUS И.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: выбранными методами исследований, общепринятыми уровнями допущений при математическом описании явлений; обоснованностью исходных посылок, вытекающих из фундаментальных законов естественных наук; достаточным объёмом выполненных исследований; практической реализацией разработанных устройств; получением 6 патентов (4

Российской Федерации, 2 — Республики Казахстан).,

Научная новизна.

На основе использования аппарата алгебры логики и теории релейных устройств разработан и запатентован более совершенный алгоритм функционирования поперечной направленной дифференциальной защиты линий, чем известные.

Предложен и запатентован способ повышения чувствительности резервных защит трансформаторов к двухфазным коротким замыканиям, основанный на оценке выявленных соотношений разностей и сумм токов фаз.

Разработан и запатентован способ выявления однофазных коротких замыканий, основанный на оценке отношения модулей максимального тока в фазах линии к минимальному, а также этого отношения на стороне низшего напряжения повышающего трансформатора с соединением обмоток Y/A, питающего линию.

Представлены модели и методы расчёта уставок и чувствительности защит от несимметричных коротких замыканий, реагирующих на соотношения токов.

Создана и запатентована токовая защита на герконах без трансформаторов тока с зависимой характеристикой, определяющая выдержку времени по длительности замкнутого состояния контактов геркона.

Практическая ценность работы.

Предложенный в работе алгоритм функционирования поперечной направленной защиты линий позволяет повысить чувствительность традиционной защиты, исключить излишние срабатывания при сложных видах повреждений и не использовать вспомогательные контакты выключателей.

Резервные защиты трансформаторов, реализующие способ повышения чувствительности путём оценки соотношения токов фаз, могут реагировать на удалённые двухфазные короткие замыкания с минимальными токами (ОД9 - 0,33)/я, где 1н- номинальный ток нагрузки.

Запатентованные защиты линий от однофазных коротких замыканий обеспечивают выявление токов /0 > (0,16 -1,1)/^.

Разработанное токовое реле на герконах позволяет реализовать защиту с зависимой выдержкой времени, не используя трансформаторы тока.

К защите представляются:

- способ повышения чувствительности резервных защит трансформаторов к двухфазным коротким замыканиям и оценка их чувствительности;

- алгоритм функционирования поперечной направленной защиты линий;

- способ защиты линий от коротких замыканий на землю;

- принцип построения и устройство токовой защиты с зависимой выдержкой времени на герконах без трансформаторов тока.

Реализация результатов работы. Разработанное устройство токовой защиты с зависимой выдержкой времени без трансформаторов тока внедрено в промышленную эксплуатацию в сетях системы электроснабжения насосной станции ТОО «Павлодарводоканал» (Казахстан). Годовой экономический эффект от внедрения составляет около 10 тыс. рублей при сроке окупаемости менее 3 лет.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: XIV международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г.Москва, 2008г.), XII международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электрические материалы и компоненты» (Украина, г.Алушта, 2008г.), республиканской научно-технической конференции «И Чтения Ш. Шокина» (Казахстан, г.Павлодар, 2006г.), двух международных научных конференциях молодых учёных, студентов и школьников «VII Сатпаевские чтения» и «VIII Сатпаевские чтения» (Казахстан, г.Павлодар, 2007г., 2008г.), международной научно-технической конференции «Энергосистема: исследование свойств, управление, автоматизация» (г.Новосибирск, 2009г.), заседаниях научных семинаров кафедры «Автоматизация и управление» Павлодарского государственного университета им. С.Торайгырова (Казахстан, г.Павлодар, 2008г.) и кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Омского государственного технического университета (г.Омск, 2009г.), заседаниях постоянно действующего научно — технического семинара кафедры «Электроэнергетические системы и электротехника» ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта» (г.Новосибирск, 2009г.).

Публикации. Результаты исследований нашли отражение в 16 научных трудах, в том числе: 3 статьи по перечню ВАК, 4 патента Российской Федерации, 2 патента Республики Казахстан, 7 статей в периодических научных изданиях. В публикациях в соавторстве личный вклад соискателя составляет не менее 50%, за исключением патента RU 2333584 С1, где личный \ вклад около 33%.

Личный вклад. Основные научные результаты и положения, изложенные в диссертации, постановка задач и методы их решения разработаны и получены автором самостоятельно.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав и заключения, изложенных на 126 страницах машинописного текста. Содержит 38 рисунков, 5 таблиц, список использованных источников из 83 наименований и 6 приложений.

5 Результаты работы рекомендуется применять: а) в сетях от 6 до 220 кВ поперечную дифференциальную защиту линий и способ повышения чувствительности резервных защит трансформаторов; б) в сетях 110-220 кВ защиту линий от коротких замыканий на землю при необходимости использования мажорирования; в) в сетях 6-10 кВ токовую защиту на герконах с зависимой выдержкой времени.

Заключение

В диссертации при решении поставленных задач по совершенствованию защит распределительных сетей получены следующие основные результаты:

1 Предложен способ повышения чувствительности резервных защит трансформаторов к двухфазным коротким замыканиям, основанный на оценке различных соотношений токов в фазах. Защиты, реализующие данный способ, позволяют выявлять двухфазные короткие замыкания за присоединениями, отходящими от шин низшего напряжения трансформатора с токами, составляющими третью — пятую часть от его номинального тока. Разработана методика определения небаланса, вызванного несимметрией фазных токов. Показано, что наиболее чувствительными (не уступающими фильтровой) являются защиты, реагирующие на отношения абсолютных значений сумм и разностей токов трех фаз (для трансформатора со схемой соединения обмоток Y/A) и отношения разностей и сумм токов двух фаз (для трансформатора со схемой соединения обмоток Y/Y).

2 Разработаны и запатентованы две резервные защиты линий от однофазных коротких замыканий, которые оценивают отношение модулей максимального тока в фазах линии к минимальному и это отношение на стороне низшего напряжения повышающего трансформатора со схемой соединения обмоток Y/A, питающего линию. Показано, что они в ряде случаев не уступают по чувствительности традиционно применяемой защите нулевой последовательности.

3 Разработана и запатентована поперечная направленная защита двух параллельных линий, которая обладает высокой чувствительностью, так как отстраивается только от токов небаланса при внешних КЗ, функционирует при сложных видах повреждений и не использует вспомогательные контакты выключателей. Применение методов теории алгебры логики для построения алгоритма функционирования защиты даёт возможность реализовать его на микропроцессорных терминалах и логических элементах любой природы.

4 Создана и запатентована токовая защита с зависимой выдержкой времени без трансформаторов тока для сетей 6—10 кВ, построенная на основе измерения времени замкнутого состоянии контактов геркона, расположенного вблизи шин электроустановки. Защита внедрена в эксплуатацию в сетях системы электроснабжения насосной станции ТОО «Павлодарводоканал» (Казахстан). Годовой экономический эффект от внедрения составляет около 10 тыс. рублей при сроке окупаемости менее 3 лет.

1. Федосеев, A.M. Релейная защита электрических систем / A.M. Федосеев. — М.: Энергия, 1976. 560 с.

2. Андреев, В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения: Учеб. для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. / В.А. Андреев. - М.: Высш. школа, 2006. - 639 с.:ил.

3. Чернобровое, Н.В. Релейная защита энергетических систем: Учеб. пособие для техникумов / Н.В. Чернобровов, В.А. Семёнов. М.: Энергоатомиздат, 1998 - 800 е.: ил.

4. Шиеерсои, Э.М. Цифровая релейная защита / Э.М. Шнеерсон. М.: Энергоатомиздат, 2007. - 548 с. : ил.

5. Шабад, М.А. Расчёты релейной защиты и автоматики распределительных сетей: Монография 4-е изд., перераб и доп. / М.А. Шабад. - СПб.: ПЭИПК, 2003.-350 с.

6. Дорогуицев, В.Г. Элементы автоматических устройств энергосистем: Учеб. пособие для вузов.- 2-е изд., перераб. и доп. / В.Г. Дорогунцев, Н.И Овчаренко.-М.: Энергия, 1979 520 е., ил.

7. Линт, Г.Э. Симметричные составляющие в релейной защите / Г.Э. Линт — М.: Энергоатомиздат, 1996 160 е.: ил. - (Б-ка электромонтёра, Вып. 654).

8. Шмурьев, В.Я. Цифровые реле: Учебное пособие. Изд. 2-е, доп./ В.Я. Шмурьев.- СПб.: ПЭИпк, 1999.- 80с., ил.

9. Фабрикант, В.Л. Фильтры симметричных составляющих/ В.Л. Фабрикант. -М.: Госэнергоиздат, 1962.

10. Фабрикант, В.Л. Элементы автоматических устройств: Учебник для вузов/ В.Л. Фабрикант и др..- М.: Высш. школа, 1981 400 е., ил.

11. Руководящие указания по релейной защите. Вып. 13Б. Релейная защита понижающих трансформаторов и автотрансформаторов 110-500 кВ: Расчёты. -М.: Энергоатомиздат, 1985.-96 е., ил.

12. Правила устройства электроустановок. — 6-е изд., с изм., испр. и доп-СПб.: ДЕАН, 2000,- 926 с.

13. Клецель, М.Я. Анализ чувствительности резервных защит распределительных сетей энергосистем / М.Я. Клецель, К.И. Никитин // Электричество, 1992. № 2. - С.19-23.

14. Федосеев, A.M. Релейная защита электроэнергетических систем: Учеб. для вузов- 2 изд., перераб. и доп. / A.M. Федосеев, М.А. Федосеев. — М.: Энергоатомиздат, 1992 — 528 е.: ил.

15. Гельфанд, Я.С. Релейная защита распределительных сетей. — 2-е изд. / Я.С. Гельфанд-М.: Энергоатомиздат, 1987.-368 е.: ил.

16. Шнеерсон, Э.М. Дистанционные защиты / Э.М. Шнеерсон. М.: Энергоатомиздат, 1986-448с.: ил.

17. Шнеерсон, Э.М. Быстродействующая комбинированная дифференциальная и дистанционная защита протяжённых BJI / Э.М. Шнеерсон // Электрические станции, 2006 №11 — С. 60-65.

18. Андреев, В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения: Учеб. для вузов по спец. «Электроснабжение». — 3-е изд. перераб. и доп./ В.А. Андреев-М.: Высш. шк., 1991.-496 е.: ил.

19. Фигурнов, Е.П. Релейная защита / Е.П. Фигурнов — М.: Желдориздат, 2002.- 720с.

20. Клецель, М.Я. Релейная защита электрических систем. Алгоритмы логической части автономных защит / М.Я. Клецель, В.Е. Поляков. Алма-Ата, 1985.-77 е.: ил.

21. Поляков, В.Е. Теоретические основы построения логической части релейной защиты и автоматики энергосистем / В.Е. Поляков и др..— М.: Энергия, 1979.-238с.

22. A.c. 591982 СССР, МКИ3 Н 02 Н. Устройство для дифференциальной поперечной направленной защиты двух параллельных линий / В.Е. Поляков, М.Я. Клецель (СССР). Бюл. №5.- 1975.

23. Ульянов, С.А. Электромагнитные переходные процессы в электрических системах: Учебник для электротехнических и энергетических вузов и факультетов / С.А. Ульянов. М.: «Энергия», 1970 — 520 е.: ил.

24. Предв. пат. 16025 Республика Казахстан, МПК Н02Н 7/04. Устройство для резервной защиты трансформатора / М.Я. Клецель, К.С. Таронов. Опубл. 15.07.2005, Бюл. №7.

25. Клецель, М.Я. Резервная защита линии, реагирующая на разность абсолютных значений токов фаз / М.Я. Клецель, К.И. Никитин // Электричество, 1993 .-№10.

26. Засыпкин, A.C. Релейная защита трансформаторов / A.C. Засыпкин. — М.: Энергоатомиздат, 1989.-240 е.: ил.

27. Рубинчик, В.А. Резервирование отключений коротких замыканий в электрических сетях / В.А. Рубинчик. -М.: Энергоатомиздат, 1985 120 с.

28. Нагай, В.И. Анализ и выбор области применения защит дальнего резервирования на радиальных линиях с ответвлениями с учётом характера нагрузки / В.И. Нагай // Изв. вузов. Электромеханика, 2000 № 4.- С.82-86.

29. Нагай, В.И. Дальнее резервирование релейной защиты в распределительных сетях напряжением 6-110 кВ. Релейная защита и автоматика энергосистем 2002 / В.И. Нагай // Сборник докладов XV научно-технической конференции ВВЦ г. Москва 2002.

30. Нагай, В.И. Влияние переходного сопротивления электрической дуги на функционирование резервных защит / В.И. Нагай // Изв. вузов. Электромеханика, 2001—№ 1.-С. 74-76.

31. Федосеев, A.M. Релейная защита электрических систем / A.M. Федосеев. М.: Энергоатомиздат, 1984. - 520 е.: ил.

32. Морозкин, В.П. Реализация программных защит на микропроцессорной элементной базе / В.П. Морозкин, A.M. Федосеев, Ю.А. Барабанов и др.. -Электротехника, 1985.-№8-С. 55-59.

33. Казанский, В.Е. Измерительные преобразователи тока в релейной защите / В.Е. Казанский — М.: Энергоатомиздат, 1988. — 240 с.

34. Клецель, М.Я. О построении на герконах защит высоковольтных установок без трансформаторов тока / М.Я. Клецель, В.В. Мусин // Электротехника, 1987 №4.- С. 11-13.

35. Клецель, М.Я. Токовая защита на герконах / М.Я. Клецель, В.В. Мусин; Павлодарский индустриальный институт — Павлодар, 1986—21с.— Деп. в КазНИИНТИ 17.02.86, №1181.

36. Денисов, А.Г. Магнитоуправляемые контакты современные коммутационные элементы / А.Г. Денисов, В.К. Зинаков, В.А. Пашев // Приборы и системы управления, 1971—№ 11—С. 13-15.

37. Клецель, М.Я. Свойства герконов при использовании их в релейной защите / М.Я. Клецель и др. // Электричество, 1993 №9 - С. 18-21.

38. Диковский, Я.М. Магнитоуправляемые контакты / Я.М. Диковский, И.И. Капралов-М.: Энергия, 1970.-152 с.

39. Поляков, В.Е. Максимальная токовая защита на герконах / В.Е. Поляков, Н.М. Попов // Промышленная энергетика, 1975.- №11- С. 43—44.

40. Клецель, М.Я. Принципы построения и модели дифференциальных защит электроустановок на герконах / М.Я. Клецель // Электротехника, 1991 — №10.-С. 47-50.

41. Клецель, М.Я. Особенности построения на герконах дифференциально-фазных защит трансформаторов / М.Я. Клецель, П.Н. Майшев // Электротехника, 2007 №12 - С.2-7.

42. Клецель, М.Я. Реле сопротивления на герконах / М.Я. Клецель, М.А. Жуламанов // Электротехника, 2004 №5 - С. 38-44.

43. Клецель, М.Я. Конструкции для регулирования уставок релейной защиты на герконах / М.Я. Клецель, П.Н. Майшев, К.С. Таронов // Омский научный вестник, 2004.- №4 (29).- С. 110-113.

44. A.c. 603040 СССР, МКИ3 Н 02 Н. Устройство для максимальной токовой защиты электроустановки от короткого замыкания и перегрузки / С.Н. Кузнецов, Н.Е. Кузнецов (СССР). Опубл. в Бюл. № 14.- 1978.о

45. A.c. 1234910 СССР, МКИ Н 02 Н. Устройство для защиты электроустановок от перегрузок / А.Н. Железняк (СССР). Опубл. в Бюл. №20 1986.

46. Неклепаев, Б.Н. Электрическая часть электростанций и подстанций: Справочные материалы для курсового и дипломного проектирования / Б.Н. Неклепаев, И.П. Крючков-М.: Энергоатомиздат, 1989 -608 с.

47. Ракович, A.M. Предотвращение ложных действий дифференциальной поперечной защиты параллельных линий при обрывах проводов / A.M. Ракович // Электрические станции, 1958 —№5.—С. 60-62.

48. Андреев, В.А. Схемы поперечной дифференциальной защиты двух параллельных линий, обладающей селективностью при сложных повреждениях с обрывами / В.А. Андреев // Изв. вузов. Энергетика, 1958.— №5.-С. 1-10.

49. Внуков, A.A. Опыт внедрения микропроцессорных терминалов в современных условиях / A.A. Внуков // Электро, 2008 № 1.- С. 40-41.

50. Гимоян, Г.Г. Релейная защита горных электроустановок. Изд. 2, перераб. и доп./ Г.Г. Гимоян,- М.: Недра, 1978. 349 с.

51. Стинский, A.C. Выявление двухфазного короткого замыкания за трансформатором по отношению токов фаз / A.C. Стинский, М.Я. Клецель // Электро. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. 2008. - № 3. - С. 22-24.

52. Ванин, В.К. Релейная защита на элементах аналоговой вычислительной техники / В.К. Ванин, Г.М. Павлов JL: Энергоатомиздат, 1983.-206 с.

53. Лысенко, Е.В. Функциональные элементы релейных устройств на интегральных микросхемах / Е.В. Лысенко.— М.: Энергоатомиздат, 1983. — 128 с.

54. Тёмкина, Р.В. Измерительные органы релейной защиты на интегральных микросхемах/Р.В. Тёмкина- М.: Энергоатомиздат, 1985.

55. Предв. пат. 19883 Республика Казахстан, МПК7 Н 02 Н 7/04. Устройство для резервной токовой защиты трансформатора с соединением обмоток Y/A / A.C. Стинский, М.Я. Клецель, Д.С. Шеломенцев. Опубл. 15.08.2008, Бюл. №8. -4 с.

56. Басс, Э.И. Релейная защита электроэнергетических систем: Учебное пособие / Э.И. Басс, В.Г. Дорогунцев; Под ред. А.Ф. Дьякова.- М.: Издательство МЭИ, 2002 296 е.: ил.

57. Фолкенберри, Л. Применения операционных усилителей и линейных ИС: Пер. с англ./ Л. Фолкенберри. М.: Мир, 1985 - 572 е.: ил.

58. Пат. 2353039 Российская Федерация, МПК7 Н02Н 7/04. Устройство резервной токовой защиты трансформатора со схемой соединения обмоток Y/Y / A.C. Стинский, М.Я. Клецель и др.. Опубл. 20.04.2009, Бюл. №11.

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

60. Шило, B.JI. Популярные цифровые микросхемы: Справочник / B.JI. Шило.-М.: Радио и связь, 1987.-352 е.: ил.

61. Потёмкин, И.С. Функциональные узлы цифровой автоматики / И.С. Потёмкин-М.: Энергоатомиздат, 1988. — 320 е.: ил.

62. Зельдин, Е.А. Цифровые интегральные микросхемы в информационно — измерительной аппаратуре / Е.А. Зельдин. J1.: Энергоатомиздат, 1986. — 280 е.: ил.

63. Стешенко, В.Б. ПЛИС фирмы «Altera» : элементная база, система проектирования и языки описания аппаратуры / В.Б. Стешенко- М.: Издательский дом «Додэка-ХХ1», 2002 576 с.

64. Антонов, А.П. Язык описания цифровых устройств AlteraHDL. Практический курс. 2-е изд. / А.П. Антонов. М.: ИП РадиоСофт, 2002 — 224 е.: ил.

65. Пат. 2313875 Российская Федерация, МПК7 Н02Н 3/28, Н02Н 7/26.

66. Устройство для защиты двух параллельных линий с отдельными выключателями / A.C. Стинский, М.Я. Клецель и др.. Опубл. 27.12.2007, Бюл. № 36. 5 с.

67. Стинский, A.C. Совершенствование поперечной направленной защиты двух параллельных линий // Матер, респ. науч.-техн. конф. «И Чтения Ш.

68. Шокина». Павлодар: Научно-издательский центр ПГУ им. С. Торайгырова.- 2006. С. 239-247.

69. Иванов, В.И. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы: Справочник- 2-е изд., перераб. и доп./ В.И. Иванов, А.И. Аксёнов, A.M. Юшин. — М.: Энергоатомиздат, 1988.-448 е.: ил.

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

71. Пат. 2333584 Российская Федерация, МПК7 Н 02 Н 3/08. Устройство токовой защиты с зависимой выдержкой времени на герконах / A.C. Стинский, М.Я. Клецель и др.. Опубл. 10.09.2008, Бюл. № 25. 11 с.

72. Клецель, М.Я. Выбор тока срабатывания максимальной токовой защиты без трансформаторов тока на герконах / М.Я. Клецель, В.В. Мусин // Промышленная энергетика, 1990 №4- С. 32-36.

73. Стинский, A.C. Исследование чувствительности максимальной токовой защиты, использующей герконы и катушки индуктивности / A.C. Стинский, М.Т. Токомбаев // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. Спец. вып. -2009. №1. - С. 227-230.

74. Предв. пат. 19635 Республика Казахстан, МПК7 Н 02 Н 3/08. Способ защиты линий от коротких замыканий на землю / A.C. Стинский, М.Я. Клецель и др.. Опубл. 16.06.2008, Бюл. №6. 4 с.

75. Пат. 2321126 Российская Федерация, МПК7 Н 02 Н 3/26. Устройство резервной защиты линий для сетей с заземлённой нейтралью / A.C. Стинский и др.. Опубл. 27.03.2008, Бюл. №9.-4 с.

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

77. Старостин, В.И. Определение ущерба. от внезапных перерывов электроснабжения нефтеперерабатывающих предприятий / В.И. Старостин, A.B. Мельников, В.И. Разумеев М.: Промышленная энергетика, 1971 — №2. - С. 31-42.

78. Методика определения ущерба при нарушениях надёжности электроснабжения предприятий ЦБП.- М.: ВНИПИ Энергопром, 1980.-56 с.

79. Шабад, М.А. Технико-экономическое обоснование автоматизации распределительных сетей / М.А. Шабад М.: Энергетик, 1998 — №9.— С. 19-20.

80. Гук, Ю.Б. Теория надёжности в электроэнергетике / Ю.Б. Гук.— JL: Энергоатомиздат, 1990 87 с.