Усовершенствование защиты от замыканий на землю в сетях с компенсацией емкостного тока и в сетях постоянного оперативного тока

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, 1997 г.) — на 4-ой научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Томск, 1998 г.) — на научно-практической конференции «Экология и безопасность» (Томск, 1999 г.) — на 5-ой научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Томск, 1999 г.).

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 компенсациимомент 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.