автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Усовершенствование защиты от замыканий на землю в сетях с компенсацией емкостного тока и в сетях постоянного оперативного тока

ГГо ОД

На правах рукописи УДК 621.316.9.01

Шестакова Вера Васильевна

УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЗАЩИТЫ ОТ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ В СЕТЯХ С КОМПЕНСАЦИЕЙ ЕМКОСТНОГО ТОКА И В СЕТЯХ ПОСТОЯННОГО ОПЕРАТИВНОГО ТОКА

Специальность: 05.14.02 - Электрические станции (электрическая часть), сети, системы и управление ими

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 2000

Работа выполнена в Томском политехническом университете

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Вайнштейн Р. А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Багинский Л. В.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Гиндуллин Ф. А.

Ведущая организация: ОАО Кузбассэнерго, г. Кемерово

А -

Защита диссертации состоится 13 июня 2000 г. - л на заседании диссертационного Совета К 063.34.05 Новосибирского государственного технического университета по адресу:

630092, г. Новосибирск, пр. Карла Маркса, 20. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного технического университета.

Автореферат разослан <а/1( » мая 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета У Глазырин В. Е.

I - 05*3. ЗЯ О

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Надежность работы электроустановок и потреби-слей электроэнергии в значительной степени зависит от уровня эксштуата-[ии распределительных сетей различного вида. Распространенным видом лсктрических сетей являются сети, в которых замыкание на землю одной >азы (в трехфазных сетях) или полюса (в сетях постоянного тока) не вызы-ают непосредственного нарушения работы потребителей. Однако такие од-офазные или однополюсные замыкания, если они не будут своевременно ыявлены и устранены, могут стать причиной развития повреждения с по-ледующим переходом в аварийное, которое требует немедленного отклю-ения оборудования.

Данная работа посвящена исследованию и усовершенствованию мето-ов и устройств для обнаружения элемента с замыканием на землю в се-ях 6-10 кВ с компенсацией емкостного тока и в сетях постоянного опера-ивного тока электростанций и подстанций.

Распространенными и хорошо зарекомендовавшими себя на практике вляются методы обнаружения элемента с замыканием на землю, основан-ые на выделении гармонических составляющих естественных или искусст-енно созданных электрических величин. Общность задачи усовершснство-ания средств для выявления элемента с замыканием на землю в этих двух идах сетей в данном частном случае объясняется тем, что из возможных пособов решения задачи в работе рассматриваются способы, которые для воей реализации требуют знания спектров электрических величин, сопро-ождающих замыкание на землю.

В соответствии с такой постановкой задачи в данной работе проводится яализ известных способов и средств для выявления элемента с замыканием а землю в сетях постоянного оперативного тока и в сетях с компенсацией «костного тока и предлагаются варианты для их дальнейшего развития и эвершенствования.

Цель и задача исследований - усовершенствование защиты от замыка-ий на землю на основе исследования электрических процессов при пере-сжающемся дуговом замыкании в сетях среднего напряжения с компенса-ией емкостных токов с учетом их случайного характера, а также разработка етода выявления элемента со сниженным сопротивлением изоляции в разделенных сетях постоянного оперативного тока электростанций и под-ганций.

Методы исследования - математическое моделирование на базе теории 1ектрических цепей, теории вероятности, численных методов и их реализа-ни в виде программ на ЭВМ.

Научная новизна работы

- получена связь между количественными характеристиками частотных спектров токов и напряжений в области низких частот при длительном перемежающемся дуговом замыкании в сети с компенсацией емкостного тока в зависимости от параметров сети и дуги, в том числе с учетом деионизации дугового промежутка после обрыва дуги;

- дана оценка вероятности неправильных действий защиты от замыканий на землю, использующей низкочастотную часть спектра, в зависимости от параметров сети и параметров защищаемого элемента;

- показана возможность выполнения защиты, адаптирующейся к виду замыкания (перемежающемуся или устойчивому), по признаку появления низкочастотных гармоник в напряжении нулевой последовательности;

- показана возможность использования для решения задачи выявления элемента со сниженным сопротивлением изоляции в разветвленных сетях постоянного оперативного тока электростанций и подстанций метода, основанного на одновременном наложении на сеть синусоидального сигнала н коротких синхронизированных импульсов.

Практическая ценность работы

- математическая модель электрических процессов при перемежающихся дуговых замыканиях, реализованная в виде программы, может быть использована при проведении разработок в области защиты от замыканий на землю, а также для исследования и оценки существующих устройств;

- на основе полученных результатов разработаны и используются в электрических сетях устройства защиты с автоматическим изменением уровня срабатывания.

К защите представляются

- результаты исследования спектров токов и напряжений нулевой последовательности при перемежающихся замыканиях в сетях с компенсацией емкостного тока в области низких частот;

- структурные схемы и алгоритмы действия защиты, обеспечивающей селективность при любых реальных параметрах сети и отдельных линий.

- методика выбора параметров адаптивной и неадаптивной к виду замыкания защиты на основе вероятностных исследований электрических величин нулевой последовательности при всем многообразии условий горения перемежающегося дугового замыкания;

- метод измерения фазы токов для выявления элемента с ослабленной изоляцией в сетях постоянного оперативного тока электростанций и подстанций, основанный на одновременном наложении на сеть синусоидального сигнала и коротких синхронизированных импульсов.

Апробация работы основные результаты работы докладывались на 3-сй научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Томск, 1997 г.); на 4-ой научно-практической конференции студентов

шпирантов и молодых ученых (Томск, 1998 г.); на научно-ирактической

сонференции "Экология и безопасность" (Томск 1999 г.); на 5-ой научно-

фактической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых

Томск, 1999 г.).

Публикации

. Шестакова В. В. Измерение фазы токов для выявления элемента с ослабленной изоляцией в разветвленной электрической сети путем наложения коротких синхронизированных импульсов. Труды 3-й областной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, 25-28 марта, 1997, с. 13.

L Шестакова В. В. Выбор формы и параметров импульсов для целей фиксации момента отсчета времени в любом месте разветвленной электрической сети. Труды 4-й областной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, 23-26 марта, 1998, с. 16.

. Шестакова В. В. Исследование возможности фиксации момента отсчета времени в любой точке электрической сети с использованием источника коротких импульсов, Материалы докладов четвертого всероссийского па-учно-технического семинара «Энергетика, Экология, Надежность, Безопасность», Томск, 1998, с. 48.

. Вайнштейн Р. А., Юдин С. М., Шестакова В. В. Повышение селективности и помехоустойчивости защиты от замыканий на землю в электроустановках с компенсацией емкостного тока, Материалы докладов четвертого всероссийского научно-технического семинара «Энергетика, Экология, Надежность, Безопасность», Томск, 1998, с. 72.

. Вайнштейн Р. А., Шестакова В. В. Измерение фазы токов для выявления элемента с ослабленной изоляцией в разветвленной электрической сети путем наложения коротких синхронизированных импульсов // Известия ВУзов, Электромеханика, 1999, №1, с. 39-42.

. Вайнштейн Р. А., Шестакова В. В., Исследование спектров токов нулевой последовательности при перемежающихся замыканиях в сетях с компенсацией емкостного тока, Материалы докладов четвертого всероссийского научно-технического семинара «Энергетика, Экология, Надежность, Безопасность», Томск, 1998, с. 51.

. Шестакова В. В., Березницкий С. Н., Исследование гармонического состава токов при дуговом замыкании на землю и обоснование требований к измерительному органу защиты, Труды 5-й областной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, 13-15 апреля, 1999, принято к печати.

Березницкий С. Л., Вайнштейн Р. А., Шестакова В. В., Влияние нелинейности дугогасящих реакторов на процесс восстановления напряжения на поврежденной фазе после обрыва дуги; ТПУ, - Томск, 1999 г. - 11 с. - Деп. в ВИНИТИ 29.07.99, № 2486 - В99.

Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 163 страницах машинописного текста, списка литературы из 56 наименований на 5 страницах, иллюстрируется 135 рисунками.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность проблемы, сформулирована цель, отражены научная новизна и практическая ценность выполненной работы, дана краткая аннотация и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе обосновано направление анализа известных методов и проведен анализ современного состояния вопросов исследований электрических процессов при замыканиях на землю в сетях среднего напряжения с компенсацией емкостного тока и в сетях постоянного оперативного тока электростанций и подстанций.

В подавляющем большинстве случаев замыкания на землю в сетях среднего напряжения с компенсацией емкостного тока представляют собой совокупность следующих друг за другом пробоев изоляции, образующих в комплексе длительное перемежающееся дуговое замыкание.

Изучению процессов, происходящих при замыканиях на землю в сетях с компенсацией емкостного тока, и усовершенствованию защит от замыканий на землю посвящены работы Ф.А. Лихачева, H.H. Белякова, В.А. Шуина. И.М. Сироты, В.М. Кискачи и др. Однако информации, представленной в этих работах, недостаточно для решения вопроса усовершенствования защиты, которое возможно лишь при учете всего многообразия процессов, имеющих место при перемежающихся и устойчивых замыканиях на землю.

На основе проведенного анализа был сделан вывод о том, что выполнение селективной защиты от замыканий на землю в сетях среднего напряжения с компенсацией емкостных токов на основе измерения уровня низкочастотных гармоник в токе нулевой последовательности является достаточно эффективным, что подтверждается длительным опытом эксплуатации. Однако результаты ранее проведенных исследований гармонического состава токов нулевой последовательности при перемежающихся замыканиях не являются достаточными для решения задач дальнейшего усовершенствования защиты как из-за недостатков математической модели, так и из-за ограниченного количества рассмотренных режимов.

Анализ методов обнаружения элемента со сниженным сопротивлением изоляции в сети постоянного оперативного тока позволил автору сделать вывод о том, что для решения задачи отыскания элемента со сниженным сопротивлением изоляции в таких сетях наиболее оптимальным является метод выделения активной составляющей искусственно наложенного тока контролируемого присоединения. Для применения данного метода необходимо

решить задачу измерения фазы тока на периферийных участках сети с учетом ограничений, накладываемых требованиями безопасности и надежности работы сети постоянного оперативного тока.

Вторая глава посвящена аналитическому исследованию закономерностей изменения электрических величин при широком диапазоне изменения параметров, влияющих на процесс перемежающегося дугового замыкания.

В данной работе процесс дугового замыкания рассматривается как периодический, в зависимости от совокупности всех влияющих на него факторов. Достаточно высокая достоверность результатов исследования достигнута путем гибкого использования достоинств разл1гчных методов исследования, а именно:

- математическая модель создается с учетом взаимодействия электрических процессов в сети и параметров дугового промежутка;

- исходные данные для математической модели берутся из результатов исследования замыканий на землю в реаль-ешх сетях;

- достоверность основных результатов и выводов исследования подтверждаются опытом эксплуатации защиты, выполненной на базе этих исследований.

Для построения математической модели трехфазной электрической сети при перемежающихся замыканиях использовался переход от трехфазной схемы замещения с сосредоточенными параметрами 5 комплексной схеме замещения, осно-занный на методе симметричных составляющих (рис. 1). В полученной схе-VIе перемежающееся замыкание моделируется ключом Б, который замыкается при достижении напряжения на нем заданного пробивного напряжения и зазмыкается при одном из заданных прохождений тока замыкания через голь.

Когда ключ Б замыкается, происходит мгновенное перераспределение ¡арядов между тремя емкостями в схемах прямой, обратной и нулевой последовательностей, после чего начинается второй этап переходного процесса перераспределение энергии в реактивных элементах через источник и место замыкания в течение заданного времени горения дуги. Данный этап несходного процесса рассчитывался по схеме рис. 2, параметры которой оп->еделяются эквивалентными параметрами схем нулевой, прямой и обратной юследовательностей (рис. 1).

5 М,) т Я.

.__

е*(А1 — к.

1?л

О

ь Ж,

ь И"

41)1

а

1 I

Со-

Л"

Рис. 1. Схема замещения сети с компенсацией емкостного тока

Ri Ld

Со;

l«(t)î L» |

R,

6)

Рис. 2. Схемы замещения для токов я напряжений нулевой последовательности при расчете переходного процесса: а - при горении дуги, б - при погасшей луге (ключ S разомкнут)

В отличие от ранее выполненных в этом направлении работ при расчете спектров в области низких частот учтено перераспределение зарядов между емкостями прямой, обратной и 1гулевой последовательностей в момент заж и-гания дуги и возможное возрастание пробивного напряжения после обрыва дуги в результате деионизации дугового промежутка. Это позволило устан овить, что перераспределение зарядов приводит к снижению амплитуд гарм о-ник в области пробивных напряжений от 0,5 Um,t, до U^ и к их повышению в области пробивных напряжений меньших 0,5 Unxi), а также, что при определенных сочетаниях скорости нарастания пробивного напряжения после о б-рыва дуги, расстройки компенсации и других параметров возможен самоподдерживающийся процесс длительного перемежающегося дугового зам ы-кания при пробивном напряжении существенно превышающем амплитуду фазного, что приводит к соответствующему возрастанию амплитуд гармоник тока нулевой последовательности.

Результаты, полученные в ходе исследований, показывают, что факторами, наиболее сильно влияющими на частотный диапазон и амплитуды гармоник, являются: пробивное напряжение (Unp) и расстройка компенсации (v). Коэффициент демпфирования (d), частота свободных колебаний тока замыкания (foi) и коэффициент, равный отношению амплитуд п о-следующсго полупериода колебательной составляющей тока замыкания к предыдущему (у) оказывают меньшее влияние на амплитуды и гармонический состав тока нулевой последовательности в рассматриваемом диапазоне частот (до 100 Гц). Момент гашения дуги оказывает заметное влияние на гармонический состав токов и напряжения нулевой последовательности при малых значениях декремента колебаний переходного е мкостного тока.

I ñ

1188 l

Рис. 3. Ток замыкания - i3(t) leí = 100Л, v = 15%, d = 3,5%, f„i = 1000 Гц, у = 0,7, Ullp = 0,87иф время горения дуга - до первого нуля тока замыкания

Практически во всех возможных случаях реальных сочетаний параме т-ров сети и дуги, в процессе длительного перемежающегося замыкания, п о-пученные функции токов и напряжений нулевой последовательности не я в-пялись строго периодическими. Пример изменения тока замыкания во вр е-мени при некоторых заданных параметрах и установившемся значении пр обивного напряжения приведен на рис. 3.

Основной задачей исследований являлся расчет частотных спектров т оков нулевой последовательности при перемежающихся дуговых замыканиях и, в конечном счете, получение результирующих сигнала на выходе филь т-ров защиты. Поэтому для каждого конкретного случая реализации перем е-жающегося замыкания назначались условия периодизации, исходя из пол ученной зависимости тока замыкания на землю.

Разделение гармоник токов нулевой последовательности на токи в поврежденной и неповрежденных линиях осуществлялось в соответствии с к о-)ффициентом а, учитывающим соотношение емкости поврежденной линии то отношению к суммарной емкости сети.

Расчеты показали, что частотные спектры, полученные при любых р е-шьных сочетаниях параметров сети и дуги, имеют общие характерные ос о-эенности. Во-первых, наибольшую амплитуду имеет гармоника с частотой )личкой к частоте свободных колебаний контура нулевой последовательн о-:ти после погасания дуги. Во-вторых, в области частот ниже 50 Гц гармон и-<и токов нулевой последовательности во всех случаях в поврежденной линии шачителыю больше, чем в неповрежденной. В-третьих, при частотах бли з-uix и выше 50 Гц амплитуды токов в поврежденной и неповрежденных л и-шях значительно меньше отличаются друг от друга, а в некоторых случаях фактически равны между собой.

а) б)

Рис. 4. Спектры тока нулевой последовательности, частота пробоев - 16.3 Гц, Суммарный емкостный ток сети -100 А, емкостный ток линии -10 А а) в поврежденной линии, б) в неповрежденной линии

а _1_и

п

1 1 У

П

А1 I

а)

й!, !|И . II1 II

|1 ! 1,

II )1 К

( I

I и

{

На рис. 4 приведены частотные спектры, полученные при одной из ре а-лизаций перемежающегося замыкания, для которого на рис. 3 изображена зависимость тока замыкания от времени и указаны соответствующие пар а-метры сети и дуги.

В третьей главе изложены результаты выбора и анализа структурной схемы и частотных характеристик измерительных каналов защиты от усто й-чивых и перемежающихся замыканий на землю.

Применяемая в настоящее время защита от замыканий на землю позволяет селективно фиксировать как перемежающиеся замыкания (путем измерения низкочастотных гармоник тока нулевой последовательности), так и устойчивые замыкания (путем измерения амплитуды искусственно введенного контрольного тока с частотой 25 Гц). Однако из-за ограниченного по техническим причинам значения контрольного тока эта защита в реальном диапазоне параметров сети и дуги может обеспечить селективность только на линиях с ограниченным собственным емкостным током (до 10 А).

I I

I I'1 1

11"

б)

Рис. 5. Результирующий сигнал на выходе измерительного канала защиты с полосовым фильтром

а) в поврежденной линии;

б) в неповрежденной линии

пек)

Как показал опыт эксплуатации защиты, она удовлетворительно работ а-ет, если расстройка компенсации сравнительно невелика (8-10%). Если значение расстройки компенсации превышает 10%, то вероятность неселективной работы защиты на неповрежденной линии значительно возрастает. Эти наблюдения из практики подтверждаются результатами исследований, пр о-веденных в данной работе.

Важными элементами защиты от замыканий на землю, использующей низкочастотные гармоники, являются частотные фильтры. В связи с этим в данной работе приняты математические модели фильтров, соответствующие имеющимся фильтрам в используемой в настоящее время защиты и фильтрам, которые входят в предлагаемые структурные схемы. Защита, действующая в настоящее время, и не обладающая свойством адаптивности к виду замыкания на землю, содержит: фильтр низкой частоты (ФНЧ), полосовой фильтр с резонансной частотой 25 Гц (ПФ) и режекторный фильтр с частотой подавления 50 Гц (РФ). Кроме того, при разработке математической м одели измерительного канала защиты, также были учтены частотные характ е-ристики фильтров токов нулевой последовательности (ТТНП).

В качестве примера на рис. 5 показаны результирующие сигналы на в ы-ходе измерительного канала применяемой в настоящее время защиты на п о-врежденной и неповрежденных линиях, а также порог срабатывания, прив еденный к выходу фильтров (рис. 5 б). Данные сигналы соответствуют частотным спектрам на рис. 4. Как видно, при указанном сочетании параметров (рис. 3), когда расстройка компенсации велика (V = 15%), частота пробоев составляет 16,3 Гц. При этом амплитуда сигнала на выходе фильтров защиты на неповрежденной линии близка по значению к уровню порога срабатыв а-ния.

Проведенные исследования позволили сделать вывод, что причиной возможных неселсктивных действий защиты является наличие в составе и з-мерительного канала полосового фильтра с резонансной частотой 25 Гц и сравнительно высоким коэффициентом усиления, наличие которого необх о-димо для усиления сигнала, соответствующего контрольному току при у с-тойчивом замыкании, амплитуда которого ограничена по техническим пр и-чинам.

В то же время расчеты показали, что при перемежающихся замыканиях амплитуды низкочастотных гармоник в поврежденных линиях значительно больше, чем в неповрежденных. Благодаря этому обеспечение правильной работы зашиты как при устойчивых, так и при перемежающихся замыканиях в принципе возможно путем автоматического изменения параметров и структуры защиты в зависимости от вида замыкания.

Для осуществления такого выполнения защиты необходим надежный признак вида замыкания, в качестве которого в данной работе используется факт появления низкочастотных гармоник в напряжении нулевой последов а-тельности.

При такой постановке задачи возможны различные варианты выполн е-ния защиты. Вариант, представленный на рис. 6 а, состоит из двух каналов: первый канал предназначен для фиксации устойчивых (полосовой фильтр включен) или перемежающихся (полосовой фильтр исключен) замыканий, второй канал предназначен для выведения полосового фильтра по факту и о-явления гармоник низкой частоты в напряжении нулевой послсдовательн ости. При выведении полосового фильтра осуществляется также автоматич е-ское изменение значения уровня срабатывания защиты. Как показали расч е-ты, в первый канал необходимо ввести дополнительно еще один фильтр ни з-кой частоты второго порядка, так как при исключении полосового фильтра для фиксации перемежающегося замыкания не удается обеспечить эффективное подавление гармоник с частотами близкими к 50 Гц и выше.

Другим вариантом выполнения защиты может быть схема, представле н-ная на рис. 6 б, в которой также предусмотрен отдельный канал, предназн а-ченный для выявления факта возникновения перемежающегося замыкания и канал для фиксации перемежающихся и устойчивых замыканий. В этом в а-рианте структурной схемы измерительного канала предполагается обеспечить высокую чувствительность защиты к устойчивому замыканию и отстройку от внешних перемежающихся замыканий за счет автоматического изменения уровня срабатывания в зависимости от его вида, без исключения полосового фильтра.

а)

6)

Рис. 6. Варианты блок - схем измерительного канала защиты с автоматическим изменением параметров защиты в зависимости от вида замыкания

а) с автоматической блокировкой полосового фильтра

б) с автоматической регулировкой коэффициента чувствительности

Для ряда характерных реализаций перемежающегося замыкания, ра с-смотренных в данной работе, амплитуда сигнала в поврежденной линии с у-щественно превосходит амплитуду в неповрежденной линии, что весьма благоприятно с точки зрения выбора уровня срабатывания. Так как, в данном случае выбор уровня срабатывания не зависит от уровня контрольного си гнала с частотой 25 Гц, предназначенного для выявления устойчивого зам ы-кания, то он определяется только из соображений селективного действия з а-щиты при перемежающемся замыкании.

Как следует из вышеизложенных материалов, амплитуда, форма, гарм о-нический состав токов и напряжений в сетях с компенсацией емкостного т ока при перемежающемся замыкании зависят от большого числа факторов и поэтому отличаются большим многообразием. В связи с этим исследование поведения защиты от замыканий на землю при различных вариантах выпо л-нения структурной схемы ее измерительного канала, выбор параметров фильтров, входящих в измерительный канал, и порога срабатывания практ и-чески возможны только с учетом вероятностного характера процесса пер е-межающегося замыкания. В качестве метода исследований в дальнейшем был принят метод статистических испытаний (метод Монте-Карло).

Необходимые для вероятностных исследований законы распределения вероятности параметров, влияющих на электрические величины при пер е-межающемся замыкании, получены на основе статистических данных или физических соображений. Такими параметрами являются: напряжение пр о-боя изоляции, момент погасания дуги, расстройка компенсации емкостного тока, коэффициент демпфирования, частота и коэффициент затухания пер е-ходного тока замыкания и коэффициенты, характеризующие величину и скорость нарастания электрической прочности дугового промежутка после обрыва дуги.

При одновременном варьировании всех перечисленных выше величин в диапазоне их реальных значений, в соответствии с заданными законами ра с-пределения, для каждого случая перемежающегося замыкания рассчитыва л-ся сигнал на выходе измерительного канала защиты, представляющий собой сумму гармоник со случайными амплитудами и фазами. В качестве колич е-ственной характеристики сигнала на выходе измерительного канала защиты в данной работе принята амплитуда сигнала. Постоянными величинами при вероятностных исследованиях считались: суммарный емкостный ток сети и собственный емкостный ток в отдельной линии.

Гистограммы распределения плотности вероятности амплитуд напряжений на выходе фильтров защиты на поврежденной и неповрежденных л и-ниях были рассчитаны для сетей с ручной и автоматической настройкой компенсации, с суммарным емкостным током 100 Л и 20 А. При этом во всех случаях собственный емкостный ток в отдельной линии последовательно принимался равным: 5, 10 и 15 А. Также был рассмотрен, представляющий

интерес с точки зрения принципиальных возможностей метода, предельный случай, когда практически вся емкость сети сосредоточена в одной линии.

Рис. 7. Распределение плотности вероятности амплитуд напряжений на выходе измерительного канала для неповрежденных (а) поврежденной (б) линий 1^ = 100 А, 1л=10А,а = 0.1

Во всех рассмотренных случаях гистограммы амплитуд напряжений на выходе фильтров защиты в поврежденной и неповрежденных линиях знач и-тельно раздвинуты относительно друг друга по оси напряжений. Гистогра м-мы для одного из рассмотренных случаев представлены на рис. 7.

Все полученные гистограммы распределения плотности вероятности напряжения на выходе фильтров защиты в поврежденной и неповрежденных линиях имеют вид, позволивший аппроксимировать их нормальными зак о-

Аппроксимация гистограмм нормальными законами позволила:

И подтвердить, что в случае использования защиты, не обладающей свойством адаптивности к виду замыкания, в которой уровень сраб а-тывания определяется ограниченным значением контрольного тока, на линиях с собственным емкостным током, начиная с 10 А, заметно возрастает вероятность неселективных действий защиты (до 8%), а вероятность отказов во всех рассмотренных случаях практически ра в-на нулю;

О определить минимально возможное значение контрольного тока при конкретных параметрах сети и емкостном токе линий, исходя из з а-данной вероятности неселективных действий защиты, что позволяет обоснованно выбрать конструктивные параметры источника контрольного тока;

И провести исследование влияния различных параметров защиты на в е-роятность неправильных действий и получить их оптимальные знач е-ния исходя из условия минимума этой вероятности. В частности п о-лучены оптимальные значения коэффициента усиления и доброта о-

4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 мВ

ивых мВ

б)

нами,

сти полосового фильтра для защиты с изменяемым уровнем срабатывания;

И определить вероятность неправильных действий не адаптивной к виду замыкания защиты при возможном предельном случае, когда практически вся емкость сети сосредоточена в одной линии. В качестве такого предельного случая принята сеть с суммарным емкостным током 20 А и током отдельной линии 19,8 А.

И доказать, что в случае использования защиты, выполненной либо с блокировкой полосового фильтра, либо с изменением уставки срабатывания, имеется принципиальная возможность выбрать такую уставку, при которой обеспечивается селективная фиксация перемежающегося замыкания с вероятностью, практически равной 100%, включая и предельный случай, когда практически вся емкость сети сосредоточена в одной линии;

Я показать, что при использовании в канале, предназначенного для определения вида замыкания, фильтра низкой частоты и режекторного фильтра вероятность выявления вида замыкания практически равна 100%.

В четвертой главе предложен и проанализирован метод для автоматического выявления поврежденного элемента на любом участке разветвленной электрической сети постоянного оперативного тока электростанций и подстанций.

Предлагаемый в данной работе метод контроля изоляции разаработан на основе фазочувствителыюго метода, который заключается в наложении на сеть тока шпкой частоты и последующего измерения фазового сдвига между током контролируемого элемента и напряжением на полюсах сети, что позволяет выделить активную составляющую тока, пропорциональную проводимости изоляции относительно земли. Наличие повреждения в контролируемом элементе определяется по факту превышения активной составляющей тока заданного значения .Серьезным недостатком метода при проведения контроля во многих элементах сети является необходимость непосредственного многократного присоединения контрольного устройства к полюсу сети, что может быть причиной дополшгтельных повреждений, например, межполюсного короткого замыкания или попадания под напряжение оператора, производящего измерения.

В данной работе предлагается реализовать фазочувствнтельный метод с помощью наложения на контролируемую сеть кроме синусоидального тока, также тока коротких импульсов, синхронизированных с моментом перехода через ноль напряжения на полюсах сети. Эти импульсы выделяют в токе контролируемого элемента и измеряют фазовый сдвиг, определяемый разностью времени между появлением короткого импульса и переходом через ноль синусоидального тока контролируемого элемента. Такое техническое

решение позволяет существенно упростить эксплуатацию устройства и повысить безопасность работы персонала, за счет устранения необходимости непосредственных подключений устройства к полюсу сети.

Возможность технической реализации предлагаемого способа обусловлена тем, что энергия низкочастотного синусоидального сигнала определяется одной гармонической составляющей, а энергия короткого импульса определяется большим числом гармоник в широкой полосе частот. Поэтому имеется принципиальная возможность выделения данных сигналов с помощью частотных фильтров, так как исключение из широкой полосы короткого импульса небольшой области низких частот не приведет к потере характерных признаков этого импульса, необходимых в соответствии с предлагаемым методом.

Кроме того, с точки зрения принципиальной возможности использования предлагаемого метода, важным является то обстоятельство, что продольная индуктивность присоединений сети весьма мала и поэтому ток короткого импульса будет замыкаться через эквивалентную емкостную проводимость контролируемого присоединения, не претерпевая при этом существенного временного сдвига.

В данной работе разветвленная электрическая сеть для проведения исследований представлена в виде четырех отдельных участков (рис. 8): участки 1, 3 представляют собой отдельные контролируемые присоединения, участки 2,4 - эквивалентные присоединения, учитывающие всю остальную сеть. Повреждение изоляции происходит на участке 3. При этом было учтено, что по отношению к вспомогательному источнику полюса оказываются соединенными между собой через весьма малое сопротивление аккумуляторной батареи.

На рис. 8 показан один из возможных вариантов присоединения к сети наряду с источником переменного тока также импульсного источника. При этом учтено эквивалентное выравнивающее сопротивление учитывающее наличие в сети выравнивающих резисторов, которые практически всегда

л. 1.1

Из 1.3

Рис. 8. Схема замещения сети постоянного оперативного тока при подключении к сети контрольного источника переменного тока и контрольного источника коротких импульсов

применяется в реальных сетях и подключаются, также как и контрольные источники, к распределительным шинам.

Возможные диапазоны изменения продольных индуктивностей и емкостей присоединений приняты исходя из предельно возможных значений, а не путем расчета конкретных физических параметров отдельных присоединений.

Проведенные исследования показали, что для реализации предлагаемого метода фиксации момента времени для измерения фазы тока в любом участке разветвленной электрической сети могут использоваться различные импульсы, форма и длительность которых определяют спектральный состав тока в месте измерения. Информация о спектральном составе этого тока в дальнейшем будет необходима для обоснованного выбора частотных характеристик фильтров измерительной аппаратуры. В данной работе исследовалось распространение в моделируемой сети разнополярных прямоугольных и экспоненциальных импульсов.

При выборе полосы частот, необходимой для восстановления прямоугольного и экспоненциального импульсов в месте измерения, принималось во внимание во-первых, необходимость выделения низкочастотного синусоидального сигнала, во вторых, исключения влияния на работу устройства наведенных сигналов промышленной частоты и в-третьих, возможность удовлетворительной фиксации импульса, под которой понимается наличие крутых фронтов в моменты посылки импульсов и амплитуды, достаточной для надежного измерения импульса.

Согласно проведенным расчетам, при частоте синусоидального сигнала 8-И2 Гц удовлетворительная точность фиксации момента времени обеспечивается при длительности прямоугольного импульса 0.4+0.6 мс постоянной времени экспоненциального импульса в пределах 5+27 мс.

-Л

а) б)

Рис. 9. Расчетные осциллограммы токов в поврежденном присоединении

а) при использовании исходных прямоугольных импульсов: длительность импульса - 0.5 мс, амплитуда исходного импульса - 50 В;

б) при использовании исходных экспоненциальных импульсов: длительность импульса - 50 мс, амплитуда исходного импульса - 50 В Фазовый сдвиг между сигналами - 50?

Расчеты показали, что ограничение полосы пропускания снизу, необходимое для выделения низкочастотного синусоидального сигнала и отстройки от наведенных сигналов промышленной частоты, не приводит к потере характерных признаков прямоугольного и экспоненциального импульсов в месте измерения (крутые фронты в момент посылки импульса). Это подтверждается осциллограммами, вид которых показан на рис. 9.

Ограничение полосы частот сверху, необходимое в частности для повышения помехоустойчивости устройства, при прочих равных условиях, оказывает большее влияние на форму и амплитуду импульса тока в месте измерения при использовании прямоугольных исходных импульсов, чем при использовании исходных экспоненциальных импульсов. И в том и в другом случае для реализации предложенного метода требуется довольно широкая полоса пропускания. Согласно расчетам, верхняя граница полосы частот в зависимости от принятой длительности и формы исходного импульса, может находиться в пределах 1000+2500 Гц.

Работоспособность метода фиксации момента времени при изменении сопротивления в месте повреждения в широких пределах полностью сохраняется при использовании прямоугольных импульсов. При использовании экспоненциальных импульсов для сохранения работоспособности при малых сопротивлениях в месте повреждения требуется большее ограничение полосы частот снизу.

Для оценки практической реализуемости метода фиксации заданного момента времени с использованием источника коротких импульсов были проведены статистические испытания с целью определения вероятности попадания амплитуды импульса в зону определенных значений и получения, на основе этого, требований к параметрам аппаратуры.

Информационным признаком, определяющим возможность селективной фиксации повреждения в сетях постоянного оперативного тока, была принята амплитуда импульса тока в поврежденном присоединении. Получение вероятностных характеристик для амплитуды импульсов осуществлялось по известным функциональным связям между исследуемыми параметрами импульсов и всеми параметрами принятой модели сети постоянного оперативного тока (рис. 8).

Исследования проводились при варьировании параметров сети, оказывающих наибольшее влияние на параметры импульсов. Такими параметрами являются: емкости присоединений, продольные индуктивности линий, сопротивление утечки. Законы распределения плотности вероятности этих величин приняты равномерными.

Электродвижущие силы контрольных источников, параметры фильтров присоединений, а также параметры импульсов приняты при вероятностных исследованиях постоянными.

Вероятностная оценка амплитудных значений импульсов в месте измерения показала, что в условиях реального большого многообразия параметров сети и сочетаний се элементов может быть обеспечена достаточно высокая вероятность правильной фиксации момента времени с помощью выделения короткого импульса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Установлено, что защита от замыканий на землю в сетях среднего напряжения с компенсацией емкостного тока, основанная на измерении уровня низкочастотных гармоник в токе нулевой последовательности, требует дальнейшего усовершенствования и развития.

2. Предложена математическая модель сети с компенсацией емкостного тока при перемежающихся дуговых замыканиях, позволяющая рассчитать все параметры процесса, необходимые для исследования и усовершенствования защиты от замыканий на землю, использующей низкочастотные составляющие тока нулевой последовательности.

3. Доказано, что факторами наиболее сильно влияющими на частотный диапазон и амплитуды гармоник являются пробивное напряжение и расстройка компенсации; момент гашения дуги оказывает заметное влияние на гармонический состав токов и напряжения нулевой последовательности при малых значениях декремента колебаний переходного емкостного тока.

4. Показано, что частотные спектры, полученные при различных сочетаниях параметров сети и дуги имеют общие характерные признаки, позволяющие использовать низкочастотную часть спектра как надежный признак выявления поврежденной линии при перемежающихся замыканиях.

5. Установлено, что принцип действия защиты не противоречит идее компенсации емкостного тока замыкания. При настройке дугогасящего реактора близкой к резонансной распределение гармоник тока нулевой последовательности поврежденной и неповрежденных линий получается наиболее благоприятным для работы защиты.

6. Разработана методика получения гистограмм плотности вероятности амплитуд напряжений на выходе фильтров защиты с учетом многообразия параметров сети и дуги. При этом введен учет возможного изменения пробивного напряжения дугового промежутка после обрыва дуги.

7. Установлены предельные относительные значения емкостного тока линии, при котором еще сохраняется достаточно малая вероятность неселективных срабатываний защиты, совмещающей функции действия при перемежающихся и устойчивых замыканиях.

8. Предложено выполнение защиты, автоматически изменяющей структуру и параметры в зависимости от вида замыкания (устойчивого или перемежающегося) и обеспечивающей селективную фиксацию перемежающегося

замыкания с вероятностью практически равной 100%, включая и предельный случай, когда практически вся емкость сети сосредоточена в одной линии. При этом в качестве признака вида замыкания используется факт появления низкочастотных гармоник в напряжении нулевой последовательности при перемежающихся замыканиях.

9. Определены оптимальные значения относительного коэффициента усиления и добротности полосового фильтра, входящего в состав измерительного канала защиты, из условия минимальной вероятности неселективных действий при перемежающихся замыканиях на землю.

Ю.Показано, что для выявления элемента с поврежденной изоляцией в сети постоянного оперативного тока путем измерения активной составляющей искусственно накладываемого низкочастотного тока может быть использован предлагаемый метод, основанный на наложении на контролируемую сеть наряду с низкочастотным синусоидальным током импульсов с крутыми фронтами, синхронизированными с моментом перехода через ноль напряжения низкой частоты на полюсах сети.

11. Определены требования к полосе пропускания частотных фильтров из условия удовлетворительной фиксации в контролируемых элементах момента времени, соответствующего моменту посылки импульса с крутым фронтом.

Заказ . Тираж 100. Печать плоская. Формат 60x84/16. Объем 1 п. л. Размножено ООО «Дельтаплан».

Введение.,.

1. Сравнительный анализ методов выявления элемента с замыканием на землю в трехфазных сетях среднего напряжения и в сетях постоянного оперативного тока

1.1. Анализ методов выявления элемента с замыканием на землю в сетях среднего напряжения с компенсацией емкостного тока.

1.2. Анализ методов выявления элемента со сниженным сопротивлением изоляции в сетях постоянного оперативного тока.

Выводы

2. Гармонический анализ электрических величин нулевой последовательности в трехфазных сетях среднего напряжения с компенсацией емкостных токов при замыкании на землю через перемежающуюся дугу.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Выбор схемы замещения трехфазной сети среднего напряжения с компенсацией емкостных токов для проведения исследований.

2.3. Расчетные выражения для токов и напряжения нулевой последовательности.

2.4. Расчет параметров схемы замещения через количественные характеристики сети, переходного процесса и условия горения дуги.

2.5. Влияние количественных характеристик сети, переходного процесса и условий горения дуги на количественные характеристики спектров токов нулевой последовательности.

Выводы.

3. Выбор и анализ вариантов выполнения измерительного канала защиты от замыканий на землю.

3.1 Защита с совмещенным измерительным каналом для селективной фиксации перемежающихся дуговых и устойчивых замыканий на землю.

3.2 Защита с изменяющимися структурой и параметрами измерительного канала для селективной фиксации перемежающихся дуговых и устойчивых замыканий на землю.

3.3 Вероятностная модель процесса перемежающегося замыкания в сети среднего напряжения с компенсацией емкостного тока.

3.4 Исследование влияния параметров сети и дуги на вероятность неправильных действий защиты, не обладающей адаптивными свойствами к виду замыкания на землю.

3.5 Исследование влияния параметров совмещенного измерительного канала для селективной фиксации перемежающихся дуговых и устойчивых замыканий на землю на вероятность неправильных действий защиты.

3.6 Исследование влияния параметров сети и дуги на вероятность неправильных действий защиты, обладающей адаптивными свойствами к виду замыкания на землю.

Выводы.

4. Измерение фазы токов для выявления элемента с ослабленной изоляцией в разветвленной электрической сети путем наложения коротких синхронизированных импульсов

4.1. Принципиальные основы предлагаемого метода измерения фазы и структурная схема устройства

4.2. Выбор схемы замещения и параметров сети постоянного оперативного тока для проведения исследований

4.3. Исследование влияния формы и параметров импульсов на возможность фиксации заданного момента времени для измерения фазы тока в контролируемых элементах сети

4.4. Вероятностная оценка практической реализуемости метода фиксации заданного момента времени с использованием источника коротких импульсов

4.5. Обеспечение эффективности работоспособности устройства при малых переходных сопротивлениях или металлическом замыкании.

Выводы.

Широкое распространение имеют электрические сети постоянного и переменного тока, обладающих тем общим свойством, что замыкание одной фазы или одного полюса не сопровождается нарушением работы потребителей и появлением больших токов, превышающих рабочие токи. Отсутствие повышенных токов, а в ряде случаев особенности их распределения, затрудняют решение задачи автоматического выявления поврежденного элемента.

В связи с этим для этой цели используются различные специфические признаки электрических величин, возникающие при замыкании на землю или искусственно вводимые в сеть сигналы.

В данной работе рассматриваются некоторые вопросы, связанные с выявлением поврежденного элемента в двух видах электрических сетей: в сетях постоянного оперативного тока электростанций и подстанций и в трехфазных сетях среднего напряжения (6-35 кВ) с компенсацией емкостного тока замыкания.

Общность задачи усовершенствования средств для выявления элемента с замыканием на землю в этих двух видах сетей в данном частном случае объясняется тем, что из возможных способов решения задачи в работе рассматриваются способы, которые для своей реализации требуют знания спектров электрических величин, сопровождающих замыкание на землю.

В связи с такой постановкой задачи далее проводится анализ известных способов и средств для выявления элемента с замыканием на землю в сетях постоянного оперативного тока и в сетях с компенсацией емкостного тока, где показано место тех методов, которые предлагаются для дальнейшего развития и совершенствования.

Актуальность работы. Надежность работы электроустановок и потребителей электроэнергии в значительной степени зависит от уровня эксплуатации распределительных сетей различного вида.

Однофазные замыкания в сетях, работающих с изолированными нейтралями и нейтралями, заземленными через дугогасящие катушки, составляют 70-80% от общего числа повреждений [1], при этом в подавляющем большинстве случаев они сопровождаются дугой [2]. Такие повреждения сами по себе не являются аварийными, поэтому за исключением сетей с повышенной опасностью обслуживания оборудования, как правило, допускается продолжительная работа сети с замкнувшейся на землю фазой.

Между тем замыкание фазы на землю нередко служит причиной развития повреждения с последующим переходом в аварийное, которое требует немедленного отключения оборудования. К числу аварийных последствий замыкания фазы на землю относятся:

- переход в междуфазное замыкание из-за пережога изоляции или в двойное замыкание на землю из-за пробоя изоляции под действием дуговых перенапряжений;

- выгорание и оплавление железа статора высоковольтных двигателей и генераторов;

- возникновение пожаров в кабельных помещениях.

Стремление уменьшить вероятность возникновения перечисленных последствий привело к необходимости быстрого обнаружения и локализации места повреждения с помощью специальных защит от замыканий на землю.

Многочисленные попытки, направленные на решение задачи создания селективной защиты от замыканий на землю в компенсированных сетях, часто оказывались и оказываются безуспешными из-за необоснованно упрощенного рассмотрения явлений при замыкании на землю. В действительности же электрические процессы, имеющие место при замыканиях на землю, весьма сложны и отличаются очень большим многообразием даже в одной сети. Это объясняется тем, подавляющее большинство замыканий происходит через перемежающуюся дугу, причем подобное дуговое замыкание может существовать длительное время. Количественные и качественные признаки электрических величин при перемежающемся дуговом замыкании определяется большим количеством случайных факторов. Очевидно, что невозможно создать селективную защиту без учета всего многообразия процессов. Обоснованное решение в части принципа действия и аппаратной реализации может быть принято только с учетом действительного вероятностного характера явлений.

Таким образом, в настоящее время задача усовершенствования защит от замыканий на землю в компенсированных сетях среднего напряжения не теряет своей актуальности.

Сети постоянного тока современных электростанций и подстанций являются одним из наиболее ответственных элементов от состояния которых в значительной степени зависит надежность работы электроустановки в целом. Однако, типовые средства автоматического контроля состояния изоляции сети постоянного тока не соответствуют их важности и ответственности.

Наиболее частым видом повреждения в сетях постоянного тока является местное снижение сопротивления изоляции полюсов из-за увлажнения или механических повреждений. Снижение сопротивления изоляции или замыкание полюса в одной точке само по себе не нарушает режима работы потребителей сети постоянного тока, но может привести к образованию обходных цепей и неправильному действию релейной защиты и автоматики [1].

В настоящее время типовое решение предусматривает установку в сети устройства только для общего контроля сопротивления изоляции, которое к тому же не реагирует на симметричное снижение сопротивления изоляции полюсов, что может иметь место , например, при увлажнении.

Из-за большой разветвленности сети постоянного тока отыскание места снижения сопротивления изоляции представляет собой сложную задачу. В настоящее время эта задача в большинстве случаев решается поочередным отключением сначала фидеров щита постоянного тока, а затем отдельных панелей, ячеек и других элементов. Естественно, что при поочередном отключении фидеров кратковременно снимается оперативный ток с большого числа различных устройств, состояние которых в момент отключения неизвестно. Это также может привести к отказам или неправильным действиям релейной защиты и автоматики. Отыскание поврежденной панели, ячейки или отдельного провода путем поочередного отключения этих элементов может быть практически осуществлено только персоналом высокой квалификации, хорошо знающим данную конкретную сеть. Поэтому часто операцию отыскания места повреждения изоляции не может осуществить оперативный персонал и требуется вмешательство эксплуатационного персонала. И даже в этом случае отыскание места снижения сопротивления изоляции затягивается на многие часы, а иногда длится несколько суток и связано с большими затратами времени персонала.

В настоящее время предложен ряд разработок [17-29], которые предназначены для частичной или полной автоматизации процесса отыскания в разветвленной электрической сети места со сниженным сопротивлением изоляции. Однако, как показано ниже эти разработки не лишены недостатков. Поэтому задача разработки методов и создания устройств для автоматизации процесса поиска места снижения сопротивления изоляции является актуальной задачей.

В заключение по данному вопросу следует отметить, что современное направление развития систем контроля и управления такими распределенными объектами как электростанция или крупная подстанция, предусматривает применение средств телекоммуникации на базе цифровой техники. Это позволяет значительно снизить число физических каналов связи, особенно при использовании оптоволоконных линий. В этом случае надежность вторичных цепей значительно повышается. Однако эксплуатация электроустановок, в которых цепи вторичной коммутации выполнены по традиционной технологии, ожидается еще в течение длительного времени.

Поэтому вопрос разработки и усовершенствования средств для отыскания элемента с ослабленной изоляцией в сетях постоянного оперативного тока остается в настоящее время достаточно важным.

Цель и задача исследований - усовершенствование защиты от замыканий на землю на основе исследования электрических процессов при перемежающемся дуговом замыкании в сетях среднего напряжения с компенсацией емкостных токов с учетом их случайного характера, а также разработка метода выявления элемента со сниженным сопротивлением изоляции в разветвленных сетях постоянного оперативного тока электростанций и подстанций.

Методы исследования - математическое моделирование на базе теории электрических цепей, теории вероятности, численных методов и их реализации в виде программ на ЭВМ.

Научная новизна

- получена связь между количественными характеристиками частотных спектров токов и напряжений в области низких частот при длительном перемежающемся дуговом замыкании в сети с компенсацией емкостного тока в зависимости от параметров сети и дуги, в том числе с учетом деио-низации дугового промежутка после обрыва дуги;

- дана оценка вероятности неправильных действий защиты от замыканий на землю, использующей низкочастотную часть спектра, в зависимости от параметров сети и параметров защищаемого элемента;

- показана возможность выполнения защиты, адаптирующейся к виду замыкания (перемежающемуся или устойчивому), по признаку появления низкочастотных гармоник в напряжении нулевой последовательности;

- показана возможность использования для решения задачи выявления элемента со сниженным сопротивлением изоляции в разветвленных сетях постоянного оперативного тока электростанций и подстанций метода, основанного на одновременном наложении на сеть синусоидального сигнала и коротких синхронизированных импульсов.

Практическая ценность работы

- математическая модель электрических процессов при перемежающихся дуговых замыканиях, реализованная в виде программы, может быть использована при проведении разработок в области защиты от замыканий на землю и для исследования и оценки существующих устройств;

- на основе полученных результатов разработаны и используются в электрических сетях устройства защиты с автоматическим изменением уровня срабатывания.

К защите представляются:

- результаты исследования спектров токов и напряжений нулевой последовательности при перемежающихся замыканиях в сетях с компенсацией емкостного тока в области низких частот;

- структурные схемы и алгоритмы действия защиты, обеспечивающей селективность при любых реальных параметрах сети и отдельных линий.

- методика выбора параметров адаптивной и неадаптивной к виду замыкания защиты на основе вероятностных исследований электрических величин нулевой последовательности при всем многообразии условий горения перемежающегося дугового замыкания;

- метод измерения фазы токов для выявления элемента с ослабленной изоляцией в сетях постоянного оперативного тока электростанций и подстанций, основанный на одновременном наложении на сеть синусоидального сигнала и коротких синхронизированных импульсов.

Апробация работы, основные результаты работы докладывались на 3-ей научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Томск, 1997г.); на 4-ой научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Томск, 1998г.); на научно-практической конференции "Экология и безопасность" (Томск, 1999г.); на 5-ой научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Томск, 1999г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 6 печатных работ, 2 принято к печати.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 167 страницах машинописного текста, списка литературы из 56 наименований на 5 страницах, иллюстрируется 135 рисунками.

ВЫВОДЫ

1. Проведенные исследования показали, что для реализации предлагаемого метода фиксации момента времени для измерения фазы тока в любом участке разветвленной электрической сети могут использоваться прямоугольные или экспоненциальные импульсы.

2. Длительность прямоугольных импульсов и постоянная времени экспоненциальных импульсов определяют требуемую полосу частот фильтров измерительного устройства. При этом ограничение полосы пропускания, необходимое для выделения низкочастотного синусоидального сигнала и отстройки от наведенных сигналов промышленной частоты, не приводит к потере характерных признаков прямоугольного и экспоненциального импульсов в месте измерения (крутые фронты в момент посылки импульса).

3. Удовлетворительная точность фиксации момента времени обеспечивается при длительности прямоугольного импульса 0.4 -ь 0.6 мс и частоте синусоидального сигнала 8 4-12 Гц.

4. Длительность экспоненциального импульса (постоянная времени) в пределах 5 27 мс слабо влияет на возможность фиксации момента времени в месте измерения.

5. При прочих равных условиях энергия измеряемого импульса при прямоугольных исходных импульсах существенно зависит от ограничения полосы пропускания частот сверху, а при исходных экспоненциальных импульсах при ограничении снизу.

6. Работоспособность метода фиксации момента времени при изменении сопротивления в месте повреждения в широких пределах полностью сохраняется при использовании прямоугольных импульсов. При использовании экспоненциальных импульсов для сохранения работоспособности при малых сопротивлениях в месте повреждения требуется большее ограничение полосы частот снизу.

7. Вероятностная оценка амплитудных значений импульсов в месте измерения показала, что в условиях реального большого многообразия параметров сети и сочетаний ее элементов может быть обеспечена достаточно высокая вероятность правильной фиксации момента времени с помощью выделения короткого импульса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Установлено, что защита от замыканий на землю в,сетях среднего напряжения с компенсацией емкостного тока, основанная на измерении уровня низкочастотных гармоник в токе нулевой последовательности, требует дальнейшего усовершенствования и развития.

2. Предложена математическая модель сети с компенсацией емкостного тока при перемежающихся дуговых замыканиях, позволяющая рассчитать все параметры процесса, необходимые для исследования и усовершенствования защиты от замыканий на землю, использующей низкочастотные составляющие тока нулевой последовательности.

3. Доказано, Что факторами наиболее сильно влияющими на частотный диапазон и амплитуды гармоник являются пробивное напряжение и расстройка компенсации; момент гашения дуги оказывает заметное влияние на гармонический состав токов и напряжения нулевой последовательности при малых значениях декремента колебаний переходного емкостного тока.

4. Показано, что частотные спектры, полученные при различных сочетаниях параметров сети и дуги имеют общие характерные признаки, позволяющие использовать низкочастотную часть спектра как надежный признак выявления поврежденной линии при перемежающихся замыканиях.

5. Установлено, что принцип действия защиты не противоречит идее компенсации емкостного тока замыкания. При настройке дугогасящего реактора близкой к резонансной распределение гармоник тока нулевой последовательности поврежденной и неповрежденных линий получается наиболее благоприятным для работы защиты.

6. Разработана методика получения гистограмм плотности вероятности амплитуд напряжений на выходе фильтров защиты с учетом многообразия параметров сети и дуги. При этом введен учет возможного изменения пробивного напряжения дугового промежутка после обрыва дуги.

7. Установлены предельные относительные значения емкостного тока линии, при котором еще сохраняется достаточно малая вероятность неселективных срабатываний защиты, совмещающей функции действия при перемежающихся и устойчивых замыканиях.

8. Предложено выполнение защиты, автоматически изменяющей структуру и параметры в зависимости от вида замыкания (устойчивого или перемежающегося) и обеспечивающей селективную фиксацию перемежающегося замыкания с вероятностью практически равной 100%, включая и предельный случай, когда практически вся емкость сети сосредоточена в одной линии. При этом в качестве признака вида замыкания используется факт появления низкочастотных гармоник в напряжении нулевой последовательности при перемежающихся замыканиях.

163

9. Определены оптимальные значения относительного коэффициента усиления и добротности полосового фильтра, входящего в состав измерительного канала защиты, из условия минимальной вероятности неселективных действий при перемежающихся замыканиях на землю.

Ю.Показано, что для выявления элемента с поврежденной изоляцией в сети постоянного оперативного тока путем измерения активной составляющей искусственно накладываемого низкочастотного тока может быть использован предлагаемый метод, основанный на наложении на контролируемую сеть наряду с низкочастотным синусоидальным током импульсов с крутыми фронтами, синхронизированными с моментом перехода через ноль напряжения низкой частоты на полюсах сети.

11. Определены требования к полосе пропускания частотных фильтров из условия удовлетворительной фиксации в контролируемых элементах момента времени, соответствующего моменту посылки импульса с крутым фронтом.

1. Федосеев A.M. Релейная защита электрических систем. М. Энергия,1976.

2. Техника высоких напряжений. Под редакцией Разевига Д.В. М, Энергия, 1976.

3. Кискачи В.М., Назаров Ю,Г, Определение поврежденного присоединения при замыканиях на землю в кабельных сетях // Электрические станции 1965. - №7.- с.60-64.

4. Кискачи В.М. Селективность сигнализации замыканий на землю с использованием высших гармоник токов нулевой последовательности // Электричество. 1967. - №9.- с.24-30.

5. Мохов В.Н. и др. Аппратура и схемы сигнализации замыканий на землю // Электрические станции.-1983. №9. с. 60-64.

6. Кискачи В.М. и др. Устройства сигнализации замыканий на землю // Электрические станции. 1972. - №4. - с.69-72.: ил.

7. A.c. 1145401 СССР, МКИ H 02 H 3/17. Устройство для защиты от замыканий на землю в сети с компенсированной нейтралью/ P.A. В айн-штейн, С .И. Головко. № 3524220/ 24-07; Заявлено 23.12.82.; Опубл. 15.03.85., Бюл. №10,- 4с.: ил.

8. Вайнштейн P.A., Головко С.И. О гармоническом составе токов нулевой последовательности в сетях с компенсацией емкостного тока при замыкании на землю через перемежающуюся дугу.// Изв. Вузов. Сер. Энергетика. 1978. - №12- с. 14-19.

9. Сирота И.М. , Масляник В.В. Реле защиты от замыканий на землю// Электрические станции. 1975. - №9 - с. 83-85.

10. A.c. 162208 СССР, МКИ H 02 H 3/16. Устройство для обнаружения поврежденной линии при однофазных замыканиях на землю / В.А. Борухман, В.И. Иоэльсон. № 747385/ 24-7; Заявлено 10.10.61.; Опубл. 16.04.64., Бюл. №9,- Зс.: ил.

11. A.c. 370691 СССР, МКИ H 02 H 3/16. Устройство для селективной сигнализации замыканий на землю/ ОБ. Лебедев, В.А. Шуин. № 1463512/ 24-07; Заявлено 22.07.70.; Опубл. 15.11.73., Бюл. №11.- 4с.: ил.

12. О.В. Лебедев, В.А. Шуин. Параметры настройки устройств сигнализации замыканий на землю, сравнивающих токи в присоединениях. // Электричество. -1980,- №2. с.21-25.

13. Вайнштейн P.A., Фальк Ю.П. Принципы выполнения селективной защиты от замыканий на землю в сетях с компенсацией емкостного тока, ТПУ Томск, 1985. - 30с.: ил,- Библиогр.: 5 назв.- Рус. - Деп. в ИНФОРМЭНЕРГО 08. 07. 85. №1891 эн - д85.

14. Вайнштейн P.A., Кулага Ю.А., Потемкин В.В. Устройство для отыскания мест замыкания на "землю" в сети постоянного оперативного тока // Известия ВУзов СССР, Энергетика, 1987 , №8, с. 52-55.

15. Пат. 58-42688, Япония, МКИ Н02Н 3/16 . Датчик замыканий на землю в сети постоянного тока. Умэмото Такадзи (Япония): Мицубиси Дэнки к.к. (Япония). № 48-94997: Заявл. 24.08.73 : Опубл. 21.09.83.

16. Пат. 54-12972, Япония, МКИ Н02Н 3/16 . Схема контроля изоляции сети постоянного тока. Умэмото Такадзи (Япония): Мицубиси Дэнки к.к. (Япония). № 48-94998: Заявл. 24.08.73 : Опубл. 26.05.79.

17. Пат. 2325306 ФРГ, МКИ Н02Н 3/16. Schaltungsanordnung zur Erd-sdiluBuberwachung eines erdfreien Niederspannungs-Gleichstromnetzes / Meier Werner, Schmidt Rudolf (ФРГ): Siemens AG P2325306.7-32: Заявлено 18.05.73.: Опубл. 29.06.78.

18. Борухман B.A. , Кулдыкин A.H. , Определение места повреждения изоляции в сети постоянного оперативного тока // Электрические станции , 1982 , №7 ,с.58-60.

19. Борухман В.А., Кулдыкин А.Н., Повышение надежности работы сети постоянного оперативного тока // Электрические станции , 1985 , №5 ,с.52-53.

20. Борухман В.А., Кулдыкин А.Н., Устройство ИЛИ -1 для отыскания места повреждения изоляции в сетях постоянного оперативного тока // Энергетик , 1985 , №52,с.28-29

21. A.c. СССР №976407, МКИ G 01 R 27/18. Способ измерения сопротивления изоляции электрической сети постоянного тока. / JI.H. Кар-пиловский, B.C. Лебедев, A.A. Письман, Н.М. Башлыков. -№1976480/7: Заявлено 10.12.73.: Опубл. 30.06.76., Бюл. №24 -1976.

22. Гореликов Н.И., Карпиловский Л.Н., Проблемы и задачи контроля сопротивления изоляции электрических сетей и возможные пути их решения. / Измерения, контроль, автоматизация. -1981, №1(35), с. 1826.

23. Об измерении сопротивления изоляции электрической сети в рабочем режиме / Лачин В.И. // Тр. Новочеркасского политех, ин-та, 1974. вып. 294. с. 29-34.

24. Лачин В.И., Федий B.C., Малина А.К. Селективный контроль изоляции автономных электроэнергетических систем постоянного тока // Электромеханика, 1976, №7.-с. 762-769.

25. Овсянников А.А , Файбисович В.А. , Шлык В.В. , Автоматизация поиска замыканий на землю в оперативных цепях постоянного тока // Электрические станции , 1982 , №2, с. 61-63.

26. Вайнштейн P.A., Шмойлов A.B. Параметрический делитель частоты специальной конструкции для защиты от замыканий на землю // Магнитные элементы непрерывного действия. М: Наука, 1972, -с.42-44.

27. H.H. Щедрин, Токи короткого замыкания высоковольтных систем, ОНТИ, 1935.

28. Г.И. Атабеков, Л.Г. Мамиконянц, Применение комплексных схем замещения для расчета переходных процессов, Электричество, 1949,№4.

29. В.В. Андреев, К расчету переходных процессов при нессиметричных коротких замыканиях в цепях с последовательно включенной емкостью, Электричество, 1951, №5.

30. Г.И.Атабеков, Теоретические основы защиты высоковольтных сетей, Гос. энергетическое издательство, 1957, с.342.

31. Petersen W, Erdshclusstrome in Hochspannungsnetzen. // ETZ. 1916-H.37, -s.493-495.

32. Беляков H.H. Исследование перенапряжений при дуговых замыканиях на землю в сетях 6-10 кВ с изолированной нейтралью.// Электричество.-1957, №5 с.31-36.

33. Лихачев Ф.А. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов.- М.: Энергия, 1971. -152 с.

34. Розенблат М.А. Магнитные элементы автоматики и вычислительной техники. М: 1966, Наука, с.719.

35. Вильгейм Р., Уотерс М. Заземление нейтрали в высоковольтных системах. Госэнергоиздат, 1959, -414с.

36. Джонсон Д., Джонсон Дж., Мур Г. Справочник по активным фильтрам. Энергоатомиздат, 1983, с. 127.

37. И.М. Соболь, Р.Б. Статников, Выбор оптимальных параметров в задачах со многими критериями. М: Наука, 1981.

38. Вайнштейн P.A., Третьяков Б.Г. Прибор для измерения степени расстройки компенсации емкостных токов // Электрические станции. -1986. -№4. -с. 56-59.

39. Зевеке Г.В., Ионкин И.А.,Основы теории цепей. М.: Энергия,1989, 435с.

40. Глазенко Т.А., Прянишников В.А., Электротехника и основы электроники, М: Высшая школа, 1996,207с.

41. Атабеков Г.И., Основы теории цепей, М.: Энергия ,1969,423с.

42. Соболь И.М. Численные методы Монте-Карло. М: Наука, 1973. -с.311: ил. Библиогр.: с.298 - 307 (185 названий).

43. Длин A.M. Математическая статистика в технике. Учебник для втузов. 3-е издание, переработан. - М.: Сов наука, 1958,-с.446.

44. Буткевич Г.В. Дуговые процессы при коммутациях электрических сетей, М: Высшая школа, 1967, с. 195.

45. Вайнштейн P.A., Шестакова В.В. Измерение фазы токов для выявления элемента с ослабленной изоляцией в разветвленной электрической сети путем наложения коротких синхронизированных импульсов // Известия ВУзов, Электромеханика, 1999 , №1, с. 39-42.

46. Заявка № 99101607/09. Способ поиска элемента со сниженным сопротивлением изоляции в разветвленной электрической сети постоянного оперативного тока и устройство для его осуществления. / P.A. Вайнштейн, В.В. Шестакова, дата поступления заявки 19.01.99.

47. Березницкий С.Л., Вайнштейн P.A., Шестакова В.В., Влияние нелинейности дугогасящих реакторов на процесс восстановления напряжения на поврежденной фазе после обрыва дуги; ТПУ, Томск, 1999 г. - 11 е.- Деп. в ВИНИТИ 29.07.99, № 2486 - В99.

48. УТВЕРЖДАЮ: еский директор ОАО Кузбассэнерго1. Б.А.1. АКТоб эксплуатации устройства защиты от замыканий на землю в сетях 6 -10 кВ с компенсацией емкостного тока ОАО Кузбассэнерго

49. На одном объекте в сети 6 кВ Кемеровской ТЭЦ используется устройство защиты с адаптацией к виду замыкания. На пяти объектах применена зашита без адаптации к виду замыкания.

50. Начальник ИСРЗАИ ОАО Кузбассэнерго О*с1. У слогов А.И.