Совершенствование органов направления мощности для релейной защиты электрических сетей

Одной из важнейших отраслей экономики является электроэнергетика, без надежного функционирования которой невозможно обеспечить полноценное социально-экономическое развитие общества. С технической точки зрения электроэнергетика есть совокупность электротехнических комплексов, и систем. В1 свою очередь, релейная защита входит в состав таких комплексов как неотъемлемая часть. Рост потребления электроэнергии, и генерирующих мощностей, усложнение электротехнических комплексов и систем требуют постоянного совершенствования устройств релейной защиты, и автоматики.

Органы направления? мощности входят в состав токовых направленных защит, которые применяются на ЛЭП' с двухсторонним питанием, на распределительных устройствах имеющих питание с двух или более сторонв состав автоматики ввода5 резерва* на подстанциях с синхронными электродвигателями.

В настоящее время в эксплуатации находятся устройства РЗиА разных поколений, выполненные на" электромеханической, микроэлектронной и микропроцессорной элементной базе: Наибольшее распространение В/электроэнергетических системах России имеют морально1 и > физически устаревшие электромеханические реле. Микроэлектронные устройства по ряду причин широкого распространения не получили, доля микропроцессорных устройств постоянно увеличивается. Использование микропроцессорной элементной базы считается наиболее перспективным направлением развития техники РЗиА. Однако обобщение опыта эксплуатации этих устройств за последнее время, показывает, что микропроцессорные терминалы РЗиА в ряде случаев — имеют худшие показатели надежности, чем электромеханические устройства.

В связи с этим, актуальной является как задача совершенствования органов направления мощности, выполненных на микропроцессорной элементной базе, так и разработка органов направления мощности на основе новых устройств.

Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательской работы кафедры электроснабжения промышленных предприятий Кубанского государственного технологического университета по теме «Совершенствование электротехнических комплексов и электроэнергетических систем».

Целью работы является совершенствование органов направления мощности посредством разработки новых теоретических и практических решений, позволяющих увеличить точность, быстродействие и надежность их работы, в том числе в условиях искажения сигнала от датчиков тока при аварийных ситуациях.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

— обоснование необходимости совершенствования органов направления мощности для релейной защиты электрических сетей;

— исследование искажения информации от перегруженных трансформаторов тока< и их влияния на работу реле направления мощности;

— разработка устройства позволяющего обнаруживать искажения информации в сигнале от датчиков тока;

— разработка алгоритма сравнения двух электрических величин по-фазе устойчивого к искажениям информации;

— разработка органа направления мощности на основе трансформаторов с вращающимся магнитным полем.

— разработка и исследование математической модели органа направления мощности на основе трансформаторов с вращающимся магнитным полем;

— проведение экспериментальных исследований опытного образца реле направления мощности.

Методика исследования. Для решения поставленных задач использовались-методы математического и физического моделирования, методы параметрической оптимизации, теория переходных процессов в электроэнергетических системах, теория пространства состояний, теория электрических цепей, теория электрических машин.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— разработан орган направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем;

— разработана математическая модель органа направления мощности, на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем:

— разработана методика анализа и синтеза характеристик фазочув-ствительных органов, основанных на сравнении двух электрических величин по абсолютному значению;

Основные положения, выносимые на защиту:

— алгоритм работы органа направления мощности-устойчивый к искажениям информации от трансформаторов тока;

— математическая модель органа направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем;

— новое реле направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

— предложена структурная схема устройства для определения насыщения магнитопровода трансформатора тока;

— предложен алгоритм работы органа направления мощности устойчивый к искажениям информации от трансформаторов тока;

— разработана функциональная схема органа направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем;

— разработана конструкция и изготовлено реле направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем;

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались:

— на заседаниях научных семинаров кафедры «Электроснабжения промышленных предприятий» Кубанского государственного технологического университета;

— на научно-практических конференциях «Электроэнергетические комплексы и системы» (Краснодар, 2005, 2007 гг.);

— на международной научно-практической конференции «Электроэнергетические комплексы и системы» (Краснодар, 2006 г.);

— на международных научных конференциях «Технические и технологические системы» (Краснодар, 2009; 2010 гг.).

Публикации. Основные положения работы опубликованы в виде статей и тезисов докладов в следующих изданиях:

— «Электроэнергетические комплексы и системы», материалы научно-практической конференции (Краснодар, КубГТУ, 2005, 2007 гг.);

— «Электроэнергетические комплексы и системы», материалы международной научно-практической конференции (Краснодар, КубГТУ, 2006 г.);

— «Электроэнергетические комплексы и системы», сборник научных статей (Краснодар, КубГТУ, 2008, 2009 гг.);

— «Технические и технологические системы», материалы международной научной конференции (Краснодар, 2009 г.);

— «Технические и технологические системы», материалы второй международной научной конференции ТТС-10 (Краснодар, 2010 г.).

— «Известия высших учебных заведений. Северокавказский регион. Технические науки» (Ростов-на-Дону, 2010 г.).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа содержит 146 страниц, 65 рисунков, 4 таблицы и 64 источника.

4.6 Выводы.

1. Разработана аксиальная конструкция магнитопровода однофазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.

2. Разработана конструкция реле направления мощности' на основе трансформаторов с вращающимся магнитным полем и изготовлен его опытный образец.

3. Получена математическая модель экспериментального образца органа направления мощности на основе трансформаторов с вращающимся магнитным полем;

4. Результаты испытаний органа направления мощности на основе трансформаторов с вращающимся магнитным полем, проведенные с использованием их математических: моделей, подтвердилиосновные теоретические положения работы;

5. Проведенные испытания экспериментального образца нового реле направления мощности на основе трансформаторов с вращающимся магнитнымполем показали, что разработанное реле имеет улучшенные показатели точности работы и быстродействия по сравнениюс существующими реле на микроэлектронной элементной базе.

6. При искажениях информации от перегруженных трансформаторов тока погрешность срабатывания разработанного реле направлениямощности значительно меньше, чем у существующих алгоритмов работы органов направления мощности.

Заключение

.

В ходе выполнения диссертационной работы были получены следующие выводы и результаты:

1. Существующие конструкции, схемы и алгоритмы органов направления мощности на электромеханической, микроэлектронной и микропроцессорной’элементной базе имеют ряд принципиальных недостатков. Необходимо > совершенствование органов" направления* мощностииспользуя новые: принципы и алгоритмы, в частности алгоритмы устойчивые к искажениям информации от трансформаторов тока, устройства с вращающимисямагнитными? полями— которые позволяют повысить, надежность, точность работыбыстродействие защиты вместе со снижением ее стоимости:

2. Предложен алгоритм работы органа направления мощности устойчивый к искажениям информации от трансформаторов тока.

3. Максимальная величина абсолютной погрешности разработанного алгоритма, органа направлениямощности, пршполной! погрешности трансформаторов тока, достигающей 60%, не превышает 6° для сигнала с апериодической составляющей, и 2° для синусоидального сигнала. В сравнении: с существующими1 схемами и алгоритмами, улучшены показатели точности работы.

4. Разработана функциональная схема органа направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем.

5: Разработана методика синтеза характеристик органов направления мощности на основе однофазных трансформаторовс вращающимся магнитным полем.

6: Разработана математическая модель нового органа направления мощности на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем в виде матричных уравнений пространства состояний.

7. Разработана конструкция нового реле направления мощности на основе трансформаторов с вращающимся магнитным полем и изготовлен его экспериментальный образец.

8. Произведены численные и натурные эксперименты, результаты которых подтверждают теоретические основы создания органов направления мощности на основе трансформаторов с вращающимся магнитным полем и показывают улучшение технических характеристик органов по сравнению с существующими.