Железные дороги, и прежде всего электрифицированные, наравне с другими отраслями народного хозяйства имеют в своем распоряжении и эксплуатируют большое количество сетей 6−35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью. Их нормальная эксплуатация прерывается при коротких замыканиях и, частично, при замыканиях на землю.
Как известно, одиночное замыкание на землю обычно не представляет непосредственной опасности для сети, однако возникновение второго такого же замыкания на другой фазе в любой точке сети приводит к двухфазному короткому замыканию через землю, представляющему уже достаточно серьезную аварию. По этой причине требуется как можно более быстрое обнаружение места замыкания на землю (МЗЗ) и устранение его.
К сожалению, задача не решается измерением параметров тока замыкания на землю — емкостного тока — так как в силу специфики его формирования величина и фаза тока не зависят от расстояния до МЗЗ, а определяется суммарной длиной и типом линий, подключенных к сборным шинам 6−35 кВ подстанции [1,2].
Указанные особенности сетей 6−35 кВ практически исключают возможность применения для них методов и средств определения МЗЗ, используемых в сетях более высокого напряжения.
Вопросам теории и созданию практических устройств для определения расстояний до МЗЗ и коротких замыканий посвящены работы советских ученых и инженеров: Г. М. Шалыта, А. П. Кузнецова, Л. А. Германа, Б. Е. Дынькина, В. Н. Пупынина, В. М. Арсентьева, В. А. Мочалова, В. А. Манухова и других.
В практике эксплуатации сетей 6−35 кВ для отыскания МЗЗ в настоящее время используют способы и устройства, позволяющие находить МЗЗ непосредственно или косвенно по результатам измерений [2−7]. Использование первых требует больших затрат рабочего времени, высокой квалификации обслуживающего персонала. Другие, хотя и лишены этих недостатков, но выдают заведомо неточные результаты из-за неучета многих влияющих факторов.
Для непосредственных измерений в практике используются у устройства типа «ПОИСК-1», «ВОЛНА», «ВОЛНА-М» и «ЗОНА». Они являются переносными токовыми приборами, работающими на основе измерения составляющих высших гармоник в токе замыкания на землю.
Их использование предполагает обязательность обхода всей линии, на которой зафиксировано замыкание на землю, от начала ее и до конца. Это требует много времени, сопряжено с утомительной для персонала и весьма затруднительной в недоступных местах (в сельской местности, на болотах и пр.) работой, требующей большого внимания и сосредоточенности, вследствие невысокой чувственности аппаратуры.
В отличии от вышеуказанных переносных приборов, устройство «ПАУЗА», разработанное группой инженеров под руководством Тарасова А. И. в СКТБ ВКТ Мосэнерго в конце 1985 г. [3], работает по принципу зондирования воздушных ЛЭП по высокочастотному тракту или проводу ВЛ и измерением временного интервала t между посылкой зондирующего и приемом отраженного импульса напряжения. По времени Ь можно определить расстояние до МЗЗ используя расчетную формулу: = (1.1) где V — скорость распространения импульсов напряжения по воздушной линии электропередачи.
Таким образом устройство «ПАУЗА» предназначено для дистанционного определения расстояния до МЗЗ на линиях 35 кВ и выше с помощью измерительных приборов и расчетов.
По паспортным данным погрешность опредления расстояния до МЗЗ устройством «ПАУЗА» составляет ± 2%, однако очевидно это справедливо только для ЛЭП и ВЛ напряжением свыше 35 кВ, поскольку точность измерения сильно зависит от однородности самой линии, точнее от волнового сопротивления линий. Это последнее очень существенно меняется при ЛЭП и ВЛ с меньшим напряжением, например при ВЛ 10 кВ, за счет их разветвлений и отпаек. Следует также отметить что, определение места однофазного замыкания по высокочастотному тракту легко применимо на тех линиях, где уже есть высокочастотная обработка фаз линии, то есть где установлены высокочастотные заградители, что как правило имеется у линий с напряжением 35 кВ и выше.
При отсутствии же высокочастотной обработки фаз линии (например у ВЛ 10 кВ) устройство «ПАУЗА» может быть применено для определения места однофазного замыкания по методу «набросом». Для этого нужно провести работы по следующему порядку:
• отключить и заземлить просматриваемую ВЛ с двух сторон;
• соединить провод телескопической штанги с клемой ВЛ или «Линия» защитного фильтра (ЗФ) или с шинкой от него;
• произвести «наброс» — навесить штангу на провод отключенный и заземленной ВЛ;
• снять заземление с ВЛ со стороны просмотра, снять заземление с проводки ЗФ;
• включить устройство «ПАУЗА» и начать считывать цифровые показания расстояния до МЗЗ, фиксируя наиболее часто повторяющиеся показания табло;
• выключить устройство;
• заземлить ВЛ со стороны просмотра, заземлить проводку.
ФЗ;
• перенести штангу на другую фазу ВЛ;
• далее повторяются все вышеуказанные процедуры по всем фазам.
По сути работы метод «набросом» займет много времени за счет ручных переключений и подготовок. Результат определения места однофазного замыкания зависит от опыта обслуживающего персонала. Кроме того следует учесть, что при определении места однофазного замыкания в самом устройстве «ПАУЗА» заложена программа расчета расстояния по формуле (1.1), где заранее принята скорость V = 295 км / мс. На самом же деле скорости распространения импульсов в каждой линии разные и зависят от удельного волнового сопротивления самой линии, проводимости земли и т. п. что говорит о дополнительной погрешности определения расстояния до МЗЗ.
Следует отметить, что при неустойчивом повреждении (нет металлического короткого замыкания и в месте повреждения горит перемежающаяся дуга, пробой на дерево и другое.) поиск места однофазного замыкания будет неуспешным. При просмотре по высокочастотному тракту, в случае узкополостных фильтров присоединения, большого затухания на линии, возможны неустойчивые показания или показания большой длины измеряемой ВЛ.
В работе «Определение расстояния до места однофазного замыкания в сетях с изолированной нейтралью» [4] предлагается устройство и расчет, с помощью которых определяется не только поврежденная линия, но и расстояние до места однофазного замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью (см. рис. 1.1). го.
Рис. 1.1 Устройство для определения расстояния до места однофазного замыкания в сетях с изолированной нейтралью, предложенное Винницким политехническим институтом [4].
При появлении однофазного замыкания на землю фазочувствительной орган защиты КУ2 и блок сигнализации 4 осуществляет аварийную сигнализацию с указанием линии, на которой произошло однофазное замыкание на землю (по признаку появления тока и напряжения нулевой последовательности). Снижение напряжения на поврежденной фазе приведет к срабатыванию соответственно одного из пороговых элементов фаз 5, 6, 7 и соответствующего выходного реле (одного из К/8, КУ9,.
КУЮ). Вследствие этого с выхода соответствующего согласующего трансформатора (одного из 11, 12, 13) будет подано значение тока замыкания на землю 13 в измерительный блок 16, а с выхода измерительного трансформатора напряжения 3 — значение остаточного напряжения поврежденной фазы иПф в измерительный блок 14. Одновременно блок 15 измеряет угол сдвига, а между напряжением поврежденной фазы ипф и током однофазного замыкания на землю 13. Значения показаний блоков 14, 15, 16 записываются персоналом для проведения вычислений по определению расстояния до МЗЗ по формуле приведенной на рис. 1.1, где: и пф «остаточное напряжение поврежденной фазы, В;
13 — ток замыкания на землю поврежденной фазы, А;
ХП — индуктивное сопротивление контура от шин подстанции до МЗЗ, Ом;
Х0 — удельное (погонное) сопротивление контура «провод-земля», Ом/км.
Здесь следует отметить, факторы, которые будут существенно влиять на точность измерения, и, тем самым, создадут большую погрешность при расчете расстояния до МЗЗ.
Вот эти факторы:
• Большая погрешность измерительных трансформаторов тока и напряжения при малых значениях измеряемых токов и напряжений;
• Неопределенность индуктивного сопротивления контура «провод-земля» .
• Недостаточность времени для фиксации персоналом показаний измерительных приборов на блоках 14, 15 и 16.
Рассмотрим более подробно второй из названных факторов, влияющих на погрешность расчета — неопределенность индуктивного сопротивления контура «провод-земля» .
При замыкании одного провода на землю ток протекает по поврежденной фазе от шины к МЗЗ и возвращается через емкости между неповрежденными фазами и землей самой линии с МЗЗ и других линий (см. рис. 2.3). Чем больше количество соседних линий, тем меньшая доля тока возвращается по фазам В и С поврежденной линии.
Индуктивное сопротивление фазы линии (например фазы А) зависит не только от значения тока, протекающего в ней, но и от значения токов, протекающих в других фазах той же линии 1 В, /с. Таким образом, изменение значений токов 1 В, 1С вызывает изменение замеряемого индуктивного сопротивления фазы А. Это же относится и к определению удельного индуктивного сопротивления фазы Х0, которое также зависит от количества подключенных линий к общей шине подстанции. Итак, значения Хп и Х0 в расчетной формуле на рис. 1.1 [4] для данного МЗЗ неоднозначны.
В городских разветвленных кабельных сетях с компенсированной нейтралью задача определения места повреждения на землю решается несколько в другом плане [5]. Из-за частого продольного секционирования такой сети задачу отыскания места повреждения облегчает предварительное определение участка между секционирующими разъединителями, где произошло замыкание на землю. Для этой цели авторы [5] предлагают оснастить сеть датчиками аварийного тока (1, см. рис. 1.2,а) и соответствующей схемой сигнализации (см. рис. 1.2,6). Датчики срабатывают, если в месте их установки по линии протекает ток нулевой последовательности. Последовательным отключением участков сети добиваются условий, при которых датчики перестают срабатывать и, тем самым, определяют поврежденный участок. Для повышения чувствительности датчиков индуктивность компенсирующего реактора 2 на время измерений шунтируют активным сопротивлением 3 соизмеримой величины. Для связи при измерениях используют радиопередающие устройства. Однако, как следует из описания, этот метод не решает проблемы в целом и для протяженных воздушных линий не применим.
В [8] предлагается метод определения расстояния до места однофазного замыкания на землю на линиях ВЛ СЦБ.
Суть предлагаемого метода поясняет рис. 1.3. После того как установлено наличие на линии однофазного замыкания на землю приступают к определению расстояния до МЗЗ. Для этого с помощью контактора МК 310 Б-М предлагается на время соединить нуль трансформатора СЦБ с землей, вследствие чего однофазное замыкание на землю превратится в однофазное К. 3. через МЗЗ. По мнению авторов измеряя напряжение поврежденной фазы относительно земли и ток в поврежденной фазе можно найти сопротивление петли К.З. и по нему приближенно определить расстояние до МЗЗ.
Погрешность, которые дает этот метод определяются тем, что:
• В цепи петли К.З. включается переходное сопротивление в МЗЗ, наличие которого дважды влияет на точность замеров, так как увеличивает напряжение петли К. 3. и уменшает ток в цепи К.З.
• На величину замера значительное влияние оказывает неоднородность линии — например наличие кабельных вставок.
• Ток в цепи ничем не ограничивается, что опасно для ВЛ СЦБ, так как в этом случае в МЗЗ возможен пережог провода линии.
Рис. 1.2 Селективная сигнализация поврежденного участка в городских сетях 10 кВ, предложенная Винницким политехническим институтом [5].
В 80-е годы с использованием указанного метода заводом МЭЗ выпускалась аппаратура типа АОП-1 [9,10]. Однако от ее использования на линии быстро отказались по указанным выше причинам и поскольку погрешность определения расстояния до МЗЗ достигла 100% длины линии.
Рис. 1.3 Метод определения расстояния до места однофазного замыкания на землю на линиях ВЛ СЦБ, разработанный ПКБ ЦЭ МПС [9, 10].
Подводя итог сказанному выше можно сделать вывод, что задача относительно быстрого и точного определения МЗЗ в сетях с изолированной или компенсированной нейтралью до сих пор не имеет своего удоволетворительного решения. Как представляется, рассмотренный ниже новый способ определения расстояния до МЗЗ, предложенный в 1993 году проф. Пупыниным, детально проанализированный в настоящей диссертации и устройства по способу, разработанные в ней же и запатентованные [2] решают эту задачу.
Практическое использование разработанных устройств предполагает получение некоторой предварительной информации.
Должен быть зафиксирован факт наличия в сети замыкания на землю. Такой информацией обслуживающий персонал подстанции обычно располагает, так как сети с изолированной нейтралью объязательно оборудованы устройствами сигнализации замыкания на землю (реле напряжения, подключенное к выходу ФННП, образованного обмотками трансформатора напряжения, включенными по схеме разомкнутого треугольника), устройствами фиксирующими значения фазных напряжений (например вручную переключаемым вольтметром, измеряющим фазные напряжения, позволяющим установить замкнувшуюся фазу) и, наконец, питающие линии оборудуются максимальными токовыми направленными защитами нулевой последовательности, позволяющими определить линию с замкнувшейся на землю фазой. Подстанции сети с компенсированной нейтралью, где при большой степени компенсации емкостного тока трудно обеспечить четкую работу направленной защиты нулевой последовательности, дополнительно оборудуются устройствами, шунтирующими дугогасящую катушку резистором в момент появления замыкания на землю, что способствует стабилизации работы защиты.
Если указанные информация получена, то применение разработанных в диссертации устройств просто, эффективно и быстро приводит к желаемой цели — определению расстояния до места замыкания на землю.
Эти выводы следующие :
• при глухих коротких замыканиях пережигающим фактором являются амперквадратсекунды тока, величина которых зависит от свойств контактирующих материалов. Так, например, в опытах С. Д. Соколова при угольных накладках токоприемников амперквадратсекунды пережигающего тока существенно меньше, чем при медных накладках.
• при дуговых коротких замыканиях пережигающим фактором являются амперсекунды тока. Величина амперсекунд пережигающего тока является слабовозрастающей функцей тока.
• и при глухих, и при дуговых коротких замыканиях пережигающие факторы зависят от натяжения контактного провода.
Учитывая все сказанное наметим методику расчета пережигающих токов и времен их действия для сортамента проводов, используемых на ВЛ 10,5кВ.
Исходя из опытов С. Д. Соколова [16] следует, очевидно, ориентироваться на дуговые короткие замыкания, как дающие меньшие значения пережигающих токов, т. е., другими словами, в качестве пережигающего фактора принимать амперсекунды. При этом, однако, пережигающие амперсекунды для провода, с которого деляется пересчет, будем принимать соответствующим диапазону токов, который намечается использовать в измерительной схеме (100 — 200А, см. выше).
Удельное натяжение проводов ВЛ 10,5кВ меньше натяжения проводов контактной сети и в зависимости от температуры окружающего воздуха изменяются в пределях от 3 до 7 кг / мм2 вместо 10 кг / мм2 у проводов контактной сети). Учитывая это будем с запасом принимать, что удельное натяжение проводов ВЛ 10,5 кВ и проводов контактной сети одинаково.
Рис. 3.13 К определению необходимых аперсекунд пережигающего тока для провода сечением 52 по известным амперсекундам пережигающего тока для провода сечением.
Будем также принимать, что амперсекунды, необходимые для пережога провода, должны выплавить одинаковые по форме, подобные объемы металла (см. например рис. 3.13). При таком допущении амперсекунды пережога должны быть пропорциональны объемам выплавленного метала в сечениях проводников, т. е., произведению.
При комбинированных сталеалюминиевых проводах расплавление провода начинается с расплавления алюминия, как наиболее легкоплавкого метала. Будем принимать, как это принималось при опытах С. Д. Соколова, что сталеалюминиевый провод считается пережженным, если выплавилось сечение его алюминиевой части, так как сопротивление оставшейся стальной части многократно больше, чем алюминиевой, и провод фактически перестает играть роль проводника.
Если учесть все сказанное, то можно записать следующую формулу для расчета амперсекунд пережога провода А, с сечением алюминиевой части Sj по известным амперсекундам пережога А1 другого провода с сечением алюминиевой части.
J (3.1) или.
Л SjJsJ.
Aj = AjKJ, (3.2) 8 где Kj = д коэффициент пересчета к проводу ].
Используя выражение (3.2) определим амперсекунды пережога проводов сортамента, используемого для ВП 10,5 кВ (см. табл. 3.1) по известным амперсекундам пережога контактного провода ПКСА-100/215 [16], (/ = 1).
Заключение
и выводы по работе.
Результаты теоретических, экспериментальных и практических исследований, выполненных в рамках настоящей работы позволяют сделать следующие выводы:
1. Теоретически и экспериментально на математической модели с использованием ПК исследован новый простой способ косвенного определения расстояния до МЗЗ в сетях 6−35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью. Способ основан на превращение на время измерения (5−7 минут), посредством соответствующих коммутаций на подстанции и в линии, замыкания на землю в ограниченное по величине тока и времени его протекания короткое замыкание через землю, при котором ток протекает в образованной таким образом измерительной схеме по двум проводам (фазам) линии, соединенным в начале ее (у подстанции) и в конце причем искомое МЗЗ располагается по соотношению токов в проводах (фазах) измерительной схемы и длине линии.
2. Показано, что точность измерения, расстояния до МЗЗ по предлагаемому способу не зависит ни от величины сопротивления резистора, ограничивающего ток в измерительной схеме, ни от величины переходного сопротивления в МЗЗ. Показано, что с некоторыми погрешностями способ применим также и в случае замыкания на землю с перемежающейся дугой.
3. Обоснована и выбрана величина тока в измерительной схеме (100−200 А) и допустимое время его протекания (0,3 — 0,5 с). Для фиксации тока такой величины и длительности предложено использовать статический осциллограф в виде микропроцессорного запоминающего устройства, на которое могут возлагаться и вычислительные функции для определения расстояния до МЗЗ.
4. Разработаны и проанализированы варианты устройств по предлагаемому способу и даны рекомендации по их практическому осуществлению.
5. Обоснован и произведен выбор параметров токоограни-чивающего резистора устройства. Показано, что предпочтение следует отдать бетэловому резистору.
6. Разработана и апробирована математическая, с использованием ПК, модель сети с изолированной или компенсированой нейтралью и измерительной схемой на одной из линий. Основное назначение модели — получение первоначальных /^л расчетных зависимостей — = / — для конкретных линий при использовании предложенного способа и разработанных устройств для определения расстояния до МЗЗ в сетях 6−35 кВ.
7. Результаты опытной проверки способа на линии 10 кВ Волгоградтрансгаза, проведенные летом 1994 г., показали, что погрешность способа при автоматической фиксации токораспределения по проводам (фазам) измерительной схемы микропроцессорным запоминающим устройством (статическим осциллографом) достаточно мала и по данным многочисленных экспериментов не превышает 3% от длины линии.
8. Показано, что даже в самом тяжелом, базовом варианте выполнения устройства по способу, разработанному в диссертации, оно несомненно эффективно на притрассовых линиях газопроводов. Эффективность его использования на подстанциях промышленных сетей зависит в большой мере от количества отходящих линий, а на продольных линиях ЛЭП ж.д. и линиях СЦБ — еще и от размеров движения.
