Вдосконалення автоматичного шунтування фази при замиканнях на землю в мережах 6–10 кВ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Державний вищий навчальний заклад

Донецький національний технічний університет

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність 05.14.02 - Електричні станції, мережі і системи

Вдосконалення автоматичного шунтування фази при замиканнях на землю в мережах 6-10 кВ

Кузьменко Дмитро Іванович

Донецьк -2010

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля Міністерства освіти і науки України, м. Луганськ.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Сивокобиленко Віталій Федорович, ДВНЗ «Донецький національний технічний університет», завідувач кафедри електричних станцій, м. Донецьк.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Гребченко Микола Васильович, ДВНЗ «Донецький національний технічний університет», декан електротехнічного факультету, м. Донецьк;

кандидат технічних наук, доцент Бараненко Тетяна Костянтинівна, Приазовський державний технічний університет, доцент кафедри електропостачання промислових підприємств, м. Маріуполь

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 11.052.02, кандидат технічних наук, доцент А.М. Ларін

Анотація

заземлення фаза вимикач перенапруга

Кузьменко Д.І. «Вдосконалення автоматичного шунтування фази при замиканнях на землю в мережах 6-10 кВ» - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.02 - Електричні станції, мережі і системи. - ДВНЗ «Донецький національний технічний університет», Донецьк, 2010.

Дисертація присвячена вдосконаленню автоматичного шунтування фази при замиканнях її на землю в мережах 6-10 кВ з ізольованою або компенсованою через дугогасний реактор нейтраллю в напрямі збільшення чутливості релейного захисту і вдосконалення засобів пошуку пошкодженого приєднання. Розрахунками та експериментальними дослідженнями доведено, що при замиканні фази на землю і шунтуванням її допоміжним вимикачем частина струму навантаження приєднання пошкодженої фази відтікає через шунтуючий вимикач, що збільшує струми нульової послідовності в пошкодженому приєднанні. Запропоновано використання цього явища для підвищення чутливості релейного захисту. Удосконалено метод пошуку приєднання з замиканням фази на землю шляхом почергового відключення вимикачів приєднань за рахунок контролю характеру струму в колі увімкненого, під час пошуку, шунтуючого вимикача. Наявність пошкодження в приєднанні визначається по зміні характеру струму з активно-реактивного на реактивний при відключенні вимикача цього приєднання.

Удосконалено роботу мереж з дугогасним реактором з підмагніченням за рахунок сумісного використання шунтуючого вимикача і форсованого зменшення індуктивності до необхідної за умовою резонансу.

Ключові слова: автоматичне шунтування фази, підвищення чутливості релейного захисту, регулювання дугогасного реактора, зниження перенапруг, визначення пошкодженого приєднання, однофазне замикання на землю.

Аннотация

Кузьменко Д.И. «Усовершенствование автоматического шунтирования фазы при замыканиях на землю в сетях 6-10 кВ» - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.02 «Электрические станции, сети и системы». ГВУЗ «Донецкий національний технический университет», Донецк, 2010.

Диссертация посвящена совершенствованию автоматического шунтирования фазы при замыканиях ее на землю в сетях 6-10 кВ с изолированной или компенсированной через дугогасительный реактор нейтралью в направлении увеличения чувствительности релейной защиты и совершенствования методов поиска поврежденного присоединения.

Расчетами и экспериментальными исследованиями доказано, что при устойчивом замыкании фазы на землю и последующем шунтировании ее вспомогательным выключателем, через место замыкания, помимо основного тока разряда емкостей, протекает часть тока нагрузки поврежденного присоединения. Данная составляющая тока имеет активно-реактивный характер и может значительно превышать величину тока разряда емкостей. Отведение части тока нагрузки через цепь шунтирующего выключателя к месту замыкания способствует увеличению величины тока в трансформаторах нулевой последовательности поврежденного присоединения и шунтирующего выключателя. Предложено использование этого явления для повышения чувствительности релейной защиты.

Получены зависимости фазы и величины токов нулевой последовательности при замыканиях фазы на землю в зависимости от степени загруженности отходящего присоединения, а также от удаленности места пробоя от шин питающей подстанции. На основании этих данных разработаны рекомендации по отысканию мест повреждений и повышению чувствительности защит.

Получены зависимости среднеквадратических значений токов нулевой последовательности при разном числе пробоев изоляции (за период промышленной частоты) и разной частоте чередования их от уровня напряжения пробоя. Данные зависимости определялись при условиях погасания дуги при переходе через нуль высокочастотной составляющей тока замыкания или переходе через нуль составляющей тока промышленной частоты.

Усовершенствован метод отыскания присоединения с замыканием фазы на землю путем поочередного отключения выключателей присоединений.

В предложенном методе, за счет контроля характера тока в цепи, включенного во время поиска шунтирующего выключателя, наличие повреждения в присоединении определяется по изменению характера тока с активно-реактивного на реактивный при отключении выключателя этого присоединения. Использование данного метода позволяет исключить возникновение перенапряжений, возникающих при вынужденных коммутациях емкостных токов, благодаря чему уменьшить вероятность выхода из строя дополнительного оборудования и возникновения двойных замыканий на землю.

Усовершенствовано автоматическое восстановление доаварийного режима при использовании шунтирования поврежденной фазы за счет контроля состояния повреждения после включения шунтирующего выключателя. Контроль осуществляется с помощью фазоизмерительного прибора в цепи шунтирующего выключателя. Отсутствие активной составляющей в токе этого выключателя означает погасание дуги в месте повреждения, что дает основание для пробного отключения шунтирующего выключателя через установленный промежуток времени. Этот промежуток времени предназначен для создания возможности самоустранения повреждения за счет самовосстановления диэлектрической прочности дугового промежутка в бестоковую паузу. В случае повторного зажигания дуги, после пробного отключения шунтирующего выключателя, устройство переходит в режим включенного состояния до ручного отключения оперативным персоналом.

Усовершенствована работа сетей с дугогасительным реактором с подмагничиванием за счет совместного использования шунтирующего выключателя и форсированного снижения индуктивности реактора до значения, необходимого по условию резонанса. В данном случае пофазно управляемый выключатель шунтирующего устройства включается непосредственно после возникновения однофазного замыкания, при условии, что реактор находится в доаварийном размагниченном состоянии, и остается в таком положении до момента выхода индуктивности реактора в резонансное состояние. Выше указанное совместное использование позволяет снизить потери электроэнергии в реакторе в нормальном режиме (индуктивное сопротивление реактора значительно больше необходимого по условию резонанса) и сократить время горения дуги при настройке реактора после возникновения однофазного замыкания.

Ключевые слова: автоматическое шунтирование фазы, повышение чувствительности релейной защиты, регулирование дугогасительного реактора, снижение перенапряжений, определение поврежденного присоединения, однофазное замыкание на землю.

Abstract

Kuz'menko D.I. «The improvement of the automatic phase shunting in the conditions of ground s in power network 6-10 kV» -Manuscript.

The dissertation for getting of the scientific degree of candidate of technical sciences on speciality 05.14.02 “Electrical stations, nets and systems”. Donetsk National Technical University, Donetsk, 2010.

The dissertation is devoted of updating the automatic phase shunting in the conditions of ground faults of it in the networks of 6-10 kV with the neutral insulated or compensated through an arc-suppressing reactor in the direction of increasing of sensitiveness of relay protection and improvement of methods of search of the damaged joining.

Proved by calculations and experimental researches that in the condition of phase-to-ground faults and shunting its auxiliary switch, part of current of loading of joining of the faulted phase will flow off through a shunting switch that increases the currents of a zero sequence in the faulted joining. Using of this effect is offered for the increasing of sensitization of relay protection.

Was improved the method of searching of joining with phase-to-ground faults by force of by-turn disconnecting of switches of joinings by means of control of character of the current in circuit connecting, during the searching, shunting switch. The presence of fault in joining is determined in the change of character of current from active-reactive on reactive, in case of disconnection switch of this joining.

Was improved operation of networks with an arc-suppressing reactor with magnetic bias by means of compatible using of shunting switch and forced diminishing of inductance to necessary on the condition of resonance.

Keywords: automatic phase shunting, sensitization of relay protections, adjustment of the arc-suppressing reactor, decrease of overvoltage, detection of damage feeder, phase-to-ground faults.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. В даний час розподільчі мережі систем електропостачання 6-10 кВ розвиваються, в основному, лише за рахунок збільшення числа приєднань до вже існуючих підстанцій, щосуттєвою ускладнює пошук пошкодженого приєднання при глухих (металевих) або дугових замиканнях фази на землю при відсутності селективного захисту. Згідно правил улаштування електроустановок (ПУЕ) мережі з даним видом пошкоджень можуть працювати не більш 4-х годин. Цей час відводиться для виявлення пошкодженого приєднання у випадках, коли пошук, згідно з ПУЕ, здійснюється шляхом почергового відключення вимикачів приєднань, що відходять від шин. Проте такі комутації вимикачів небезпечні високою вірогідністю виникнення багатомісних пробоїв ізоляції через перенапруги, що виникають при відключенні як дугових замикань фази на землю, так і глухих. Тому розробка засобів (шляхів) зниження перенапруг при таких комутаціях дозволила б підвищити надійність роботи систем.

Забезпечення селективного захисту в системах електропостачання з ізольованою або резонансно заземленою нейтраллю, в багатьох випадках, ускладнена недостатньою чутливістю струмових захистів із-за малих значень струмів замикань на землю. Через це актуальним є удосконалення цих захистів.

Відомо, що застосування в системах електропостачання 6-10 кВ автоматичного шунтування фази при замиканнях на землю дозволяє перевести дугове замикання в глухе, а також підвищити безпеку обслуговування електроустаткування, проте його функціональні можливості використовуються не у повній мірі, що потребує подальшого його удосконалення. Тому, розвиток автоматичного шунтування пошкодженої фази в напрямі збільшення чутливості релейного захисту і вдосконалення засобів пошуку пошкодженого приєднання єз'являється актуальною задачею, вирішення якої може сприяти підвищенню надійності функціонування систем електропостачання 6-10 кВ.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тематика роботи пов'язана з напрямком науково-дослідних робіт кафедри «Електротехнічних систем електроспоживання» в напрямку удосконалення роботи систем електропостачання промислових підприємств Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є вдосконалення автоматичного шунтування фази при замиканнях на землю в мережах 6-10 кВ за рахунок виключення перенапруг при комутаціях вимикачів та підвищення чутливості захисту. Для досягнення цієї мети потрібно розв'язати наступні завдання:

розробити математичну модель розподільчої мережі для дослідження перехідних процесів при виникненні замикання фази на землю та його автоматичному шунтуванні для визначення впливу на ці процеси завантаженості пошкодженого приєднання, активної і ємнісної провідності, витоків через ізоляцію, характеристик електричної дуги;

провести розрахунково-експериментальні дослідження впливу допоміжного заземлення пошкодженої фази на характер і параметри перехідних процесів, як в місці пошкодження, так і в непошкоджених приєднаннях при глухих і дугових замиканнях фази на землю;

виконати дослідження процесів при різній кількості повторних запалень дуги за один період промислової частоти при дугових замиканнях фази на землю та визначити вплив на ці процеси величини напруги пробою ізоляції фази, параметрів мережі і приєднувального трансформатора, та характер поведінки струмового захисту при дугових і глухих замиканнях фази на землю;

розробити нові схемні рішення автоматичного шунтування пошкодженої фази вимикачем, направлені на обмеження перенапруг, підвищення чутливості захисту, та поліпшення умов роботи електроустаткування розподільчих мереж.

Об'єкт дослідження - процеси в системах електропостачання 6-10 кВ при замиканні фази на землю.

Предмет дослідження - автоматичне шунтування фази, в системах електропостачання 6-10 кВ, та процеси що його супроводжують, при комутаціях вимикачів приєднань та роботі релейного захисту.

Методи дослідження - теоретичні дослідження базуються на основних законах електротехніки, методах обчислювальної математики для чисельного моделювання перехідних процесів в електричних системах при замиканнях на землю. Для експериментального досліду процесів замикання фази на землю використовувалися фізичні моделі.

Достовірність і обґрунтованість результатів роботи забезпечено застосуванням апробованих методів обробки даних, задовільним збігом результатів математичного моделювання та експериментальних досліджень.

Наукова новизна отриманих результатів:

розвинуто математичну модель мереж 6-10 кВ з ізольованою або резонансно-заземленою нейтраллю для аналізу режимів замикань фази на землю, яка відрізняється урахуванням комутацій шунтуючого вимикача, що з'єднує ушкоджену фазу з землею, впливу стану цього вимикача та завантаженості пошкодженого приєднання на струм нульової послідовності в цьому приєднанні;

удосконалено метод пошуку приєднання, з дуговим або глухим замиканням фази на землю, в мережах 6-10 кВ шляхом почергового відключення вимикачів приєднань, який відрізняється визначенням ушкодженої фази, шунтуванням її допоміжним вимикачем, виміром фази струму в ланцюзі цього вимикача, наступним почерговим відключенням вимикачів приєднань і визначенням ушкодженого приєднання по зміні фази струму на ємнісну;

удосконалено релейний захист від замикань фази на землю в мережах 6-10 кВ, при використанні автоматичного шунтування пошкодженої фази за рахунок допоміжного виміру активної складової струму нульової послідовності у всіх приєднаннях і шунтуючому вимикачі, і при досягненні цією складовою порогового значення в будь-якому приєднанні відключають його вимикач, і в разі наступного зниження активної складової струму шунтуючого вимикача до заданого порогу, при наявності напруги нульової послідовності, відключають цей вимикач;

удосконалено режим роботи дугогасного реактора з підмагніченням в мережах 6-10 кВ за рахунок того, що при відсутності замикання на землю він виведений з резонансної настройки, а при появі замикання на землю шунтують вимикачем ушкоджену фазу, зміною підмагнічування досягають резонансної настройки, після чого відключають шунтуючий вимикач, завдяки чому скорочують тривалість дугового замикання і знижують втрати електроенергії в реакторі у нормальному режимі.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблений алгоритм і створена на його основі математична модель дозволяють визначити рівні перенапруг в мережах 6-10 кВ, які виникають при замиканні фази на землю та комутаціях вимикачів, пов'язаних з пошуком ушкодженого приєднання, і оцінити ефективність застосування шунтуючого вимикача.

Удосконалений засіб пошуку ушкодженого приєднання шляхом почергового відключення вимикачів дозволяє підвищити надійність систем електропостачання за рахунок зменшення кількості міжфазних замикань в мережі, оскільки комутації вимикачів приєднань не супроводжуються перенапругами завдяки ввімкненому шунтуючому вимикачу, а виявлення пошкодженого приєднання визначається по зміні фази струму в колі шунтуючого вимикача.

Розроблений засіб контролю активною складовою в струмі нульової послідовності приєднання, який виникає при включеному шунтуючому вимикачі, дозволяє підвищити чутливість захисту від замикань на землю приєднань в системах електропостачання 6-10 кВ.

Розроблений в дисертації спосіб визначення пошкодженого приєднання при однофазних замиканнях фази на землю і підвищення чутливості захисту передані для їх використання в «Луганське енергетичне об'єднання», та використовується в навчальному процесі на кафедрі «Електротехнічні системи електроспоживання» Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля.

Особистий внесок здобувача. Наукові положення, що ввійшли до дисертаційної роботи, отримані автором самостійно. Особисто здобувачем виконано: розробка алгоритму та математичної моделі; розробка принципової схеми вдосконаленого шунтування фази при однофазних замиканнях; розробка методу пошуку пошкодженого приєднання шляхом почергових відключень з використанням шунтування пошкодженої фази; удосконалення релейного захисту за рахунок використання вдосконаленого шунтування пошкодженої фази; розробка алгоритму форсованого налаштування дугогасного реактору до резонансу при використанні шунтування пошкодженої фази.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідалися на 4-ій міжнародній науково-технічній конференції “Інформаційна техніка і електромеханіка” (ІТЕМ-2007) (Україна, м. Луганськ 17-19 квітня 2007 р.), на міжнародній науково - технічній конференції “Електромеханічні системи, методи моделювання і оптимізації” (Україна, м. Кременчук 15-17 травня 2007 р.), на міжнародному симпозіумі “Проблеми вдосконалення електричних машин і апаратів, теорія і практика” (SIEMA'2007) (Україна, м. Харків, 18-20 жовтня 2007 р.), на науково-практичній конференції “Актуальні проблеми прикладної фізики” (Україна, м. Луганськ, 22-24 жовтня 2007 р.), на всеукраїнській науковій конференції, присвяченій 100-й річниці д.т.н., проф. Кіклевича М.А. (Україна, м. Донецьк, 28-29 листопада 2007 р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 5 наукових праць, з них 5 статей у фахових наукових виданнях (1 - у журналі, 4 - у збірниках).

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел із 112 найменувань і 2 додатків. Загальний обсяг дисертації становить 133 сторінки, 23 рисунка і 8 таблиць на окремих сторінках.

2. Основний зміст роботи

У першому розділі «Стан питання і завдання дослідження» - розглянуто положення і результати існуючих наукових праць, що безпосередньо стосуються дисертації. Використовуються шунтування замикань фази на землю для: забезпечення електробезпеки, забезпечення безперебійності електропостачання електроустановок при обриві однієї фази, швидкого переведення дугового замикання в глухе і обмеження перенапруг, підвищення захисних властивостей виносних заземлювачів, автоматичного відновлення симетричного режиму без відключення пошкодженої лінії, обмеження струмів двофазного короткого замикання через землю, зниження пожежонебезпечності електроустановок. Розглянуто релейний захист, що реагує на: залишковий струм компенсованої мережі, струм несталого режиму, початковий знак потужності нульової послідовності перехідного процесу, струми нульової послідовності, що створюються штучним шляхом. Потребують уточнення або розвитку: вплив віддаленості та потужностей споживачів на струм замикання при шунтуванні, вплив несиметрії ємностей мережі на перехідні процеси при замиканні, підвищення чутливості релейного захисту за допомогою шунтування, автоматичного керування шунтуючим вимикачем по характерних змінах параметрів мережі, методи пошуку пошкоджених приєднань. Відзначені недоліки відомих у цьому напрямку робіт та сформульовані завдання досліджень.

У другому розділі «Розробка математичної моделі для дослідження процесів замикання фази на землю за наявності шунтуючого вимикача» - описано розроблені дві математичні моделі мережі електропостачання 6-10 кВ для дослідження сталих та перехідних процесів. Обидві моделі створені з урахуванням керованого дугогасного реактору та комутуючих вимикачів приєднань і допоміжного шунтуючого для з'єднання ушкодженої фази з землею. Використання зазначених моделей дозволяє дослідити процеси при замиканнях фази на землю та розробити шляхи удосконалення пошуку ушкодженого приєднання, в тому числі при застосуванні автоматичного шунтування пошкодженої фази.

Математична модель, яка створена для дослідження усталених режимів, дозволяє провести розрахунки для нормального режиму роботи мережі з незаземленою або заземленою через дугогасний реактор нейтраллю при наявності і відсутності несиметрії навантаження та опору фазної ізоляції. В розробленій математичній моделі цієї мережі використано метод вузлових потенціалів. Модель дозволяє дослідити режими мережі з урахуванням віддаленості місця пошкодження при різних значеннях опору замикання та впливу шунтуючого вимикача на розподіл струмів навантаження пошкодженого приєднання.

Математична модель для дослідження перехідних процесів схеми ґрунтується на розв'язанні системи диференційних рівнянь. В основу моделі покладено узагальнені диференційно-інтегральні рівняння гілок, які містять R, L, C параметри та мають вигляд

(1)

Для забезпечення чисельної стійкості використані неявні методи розв'язання рівнянь (1), в основу яких покладено заміну похідних за допомогою формул диференціювання назад (2).

Ця модель також використовувалась для дослідження перехідних процесів електричних систем при керуванні, під час дії однофазного замикання на землю, реактором з підмагніченням.

(2)

Із рівнянь (2) знаходимо змінні стану

,

де а₀, а₁, а₂ - коефіцієнти методу; h - шаг розрахунку; к+1, к, к-1 - кроки розрахунку.

Моделювання реактора, з врахуванням інерційності зміни його індуктивності від струму керування, виконано за допомогою диференційного рівняння

,

де - постійна часу обмотки керування реактором; - кінцеве значення струму керування, при якому досягається необхідна для резонансного налаштування індуктивність реактора .

У третьому розділі «Результати аналізу глухих і дугових замикань фази на землю в ізольованій і компенсованій мережі 6-10 кВ і вплив на них шунтуючого вимикача» - приведені результати аналізу режимів роботи мережі за допомогою створеної для неї математичної моделі. В дослідженнях враховувався вплив шунтуючого вимикача на усталені та перехідні процеси при різних значеннях напруги зміщення нейтралі у діапазоні від 0 до 15% Uн, а також вплив віддаленості місця пошкодження та завантаженості пошкодженого приєднання. Ці режими моделювались за допомогою лінії W1. При дослідженні усталених режимів враховувалася можливість зміни опору у місці пошкодження у діапазоні від 1 до 100 Ом.

За результатами моделювання отримані залежності величини струму нульової послідовності у пошкодженому приєднанні від опору у місці замикання при роботі автоматичного шунтування та без нього. Розглядались найбільш поширені кабелі з перерізом 70-240 мм² та довжиною до 2,5 км.

У випадку замикання без автоматичного шунтування, значення струму практично не змінюється, а при використанні шунтування значення цього струму значно збільшується за рахунок протікання частини струму навантаження через коло шунтуючого вимикача і місце пошкодження. Вказано розподіл струму навантаження пошкодженої фази А на струм кабелю Iак і струм Іаsh, який виник під час спрацювання автоматичного шунтування. Завдяки виникненню цього струму зменшується струм Іак, що приводить до збільшення струму нульової послідовності цього приєднання. Збільшення цього струму може бути використане для підвищення чутливості релейного захисту.

При проведенні досліджень були також отримані залежності фази струму кола шунтуючого вимикача від перехідного опору в місці пошкодження з використанням автоматичного шунтування. Дану залежність можливо використати для визначення стану однофазного пошкодження початкового через переміжну дугу або стійкого дугового чи металевого. Якщо після спрацювання автоматичного шунтування показники фазометру будуть знаходитися в межі 90⁰, то це означатиме, що після спрацювання шунтуючого вимикача струм у місці пошкодження зник, у протилежному випадку, якщо показники будуть значно відрізнятися від 90⁰, то це означатиме наявність в мережі стійкого пошкодження. Ці залежності можливо використати при пошуку пошкодженого приєднання шляхом почергового відключення у випадку стійкого пошкодження, або для обґрунтування можливості застосування режиму включення і через деякий час відключення шунтуючого вимикача з метою перевірки самоусунення пошкодження. В разі його не зникнення шунтуючий вимикач вмикають знову.

Визначений ефект підтікання струму при використанні автоматичного шунтування діє також в резонансно заземлених мережах, де створення селективного захисту від однофазних замикань на землю ускладнюється низькими залишковими, скомпенсованими струмами замикання, вимір яких ускладнюють високі похибки трансформаторів струму в межах значення струмів нижче 1А.

Дослідження, які проведені в напрямку визначення впливу віддаленості місця пошкодження та завантаженості пошкодженого приєднання на значення струму нульової послідовності цього приєднання, дали можливість отримати залежності.

Отримані, за умови повного завантаження приєднання, залежності, які вказують на те, що при відстані від місця підстанції живлення більш ніж 10% (що складає 0,25 км. для модельованого кабелю) і значенню опору у місці пошкодження 10 Ом, струм нульової послідовності збільшується з 0,3 А за відсутності шунтуючого комутатора до 2А, при його включенні. Подальше віддалення місця замикання від шин ТП або зменшення опору у місці пошкодження приводить до зростання струму нульової послідовності, що збільшує чутливість релейного захисту.

Отримані, за умовою повної віддаленості місця пошкодження, залежності, вказують на те, що при максимальному розрахунковому значенні опору Rkz=10 Ом в місці замикання на землю, ефективність спрацьовування релейного захисту збільшується при значеннях потужності навантаження більше 10% від модельованого навантаження 130 кВА. Отримані залежності струму нульової послідовності від відстані до місця пошкодження, а також від завантаженості приєднання, запропоновано використовувати для збільшення чутливості релейного захисту при шунтуванні пошкодженої фази та для визначення зони нечутливості захисту при шунтуванні.

Для мереж з компенсованою нейтраллю, були проведені дослідження замикань на землю з метою визначення їх недоліків та можливості усунення цих недоліків за допомогою використання керованих дугогасних реакторів.

Як відомо, в повністю компенсованих мережах за умови симетрії фазних ємностей напруга, після погасання дуги, відновлюється з відносно невеликою швидкістю, завдяки чому значно зменшується вірогідність повторного пробою.

Однак існування повністю симетричних мереж неможливе і при наявності несиметрії ємностей фаз виникає значна величина напруги зсуву нейтралі.

При використанні керованих реакторів цей недолік можливо усунути за рахунок того, що у нормальному режимі роботи він буде знаходитися у розмагніченому стані, тобто матиме індуктивність значно більшу, ніж значення її за умови резонансу. Після виникнення замикання, швидке налаштування до резонансу реактора за рахунок подачі форсованого струму збудження (з постійною часу 0,3 с) приводе до згасання дуги і відновленню з високою швидкістю напруги, амплітудне значення якої може досягати подвійного номінального.

Розглянутий режим моделювався при несиметрії ємностей фаз до 10%, і навіть в цьому випадку напруга на ушкодженій фазі в післяаварійному режимі перевищує номінальну на 40 %, що погіршує умови роботи мережі.

Для оцінки впливу рівня несиметрії фазних опору та ємностей на процес відновлення напруги в нейтралі після зникнення замикання були отримані наступні залежності. Залежності зміни залишкової напруги нульової послідовності при сталому режимі від коефіцієнтів несиметрії ємнісних та активних опорів ізоляції фаз приведені на рис.9. Коефіцієнти несиметрії визначалися через відношення максимальних та мінімальних фазних опорів ізоляції

При цьому було прийнято

При виникненні несиметрії в 1,01 в.о., у мережах з резонансно настроєним реактором, значення напруги нульової послідовності після зникнення однофазного замикання стає не менше 0,8 кВ, що робить релейний захист неефективним, оскільки підставою для визначення наявності однофазного пошкодження є саме значення цієї напруги порядку 0,6 кВ. Тобто, існує сигнал про наявність пошкодження після того, як замикання самоусунулося.

Залежність залишкової напруги нульової послідовності від коефіцієнту несиметрії активних опорів ізоляції фаз показано на рис. 9б. При коефіцієнті несиметрії рівному 25 в.о. напруга нульової послідовності, в сталому режимі, дорівнює 0,73 кВ, що також негативно впливає на роботу захисту від замикань на землю.

Аналіз залежностей показує, що напруга зсуву нейтралі в резонансно-заземленій мережі в більший мірі залежить від несиметрії ємностей фаз.

Також можна відзначити, що вплив несиметрії на зміну швидкості відновлення напруги збільшує вірогідність виникнення повторних пробоїв, а несиметрія напруги, що залишилася після замикання, погіршує умови нормальної роботи мережі.

Проте, якщо застосувати регулювання дугогасного реактора, після відключення пошкодженого приєднання або самоусунення замикання, виведенням його індуктивності з резонансної настройки до значення нормального режиму, то несиметрія напруги, що залишається після замикання, зменшується до значень, не перешкоджаючих подальшій роботі системи.

Вказано регулювання індуктивності дугогасного реактора, яке складається з чотирьох режимів роботи реактора - доаварійний режим;- режим налаштування в резонанс;- резонансний режим;- режим виведення з резонансу до значення доаварійного режиму. Показано відновлення напруги нульової послідовності при виведенні реактора з резонансу.

Отримані залежності впливу регулювання дугогасного реактора на залишкову, після усунення пошкодження, напругу нульової послідовності дозволяють використовувати останню для поліпшення умов нормальної роботи мережі.

Відомо, що переважним видом замикань на землю є дугові, які супроводжуються одиничними або численними пробоями за один або декілька періодів промислової частоти. Дослідження цих процесів проводилося на математичній (реалізованою в MathCAD програмі ) та фізичній (Uном = 6 кВ) моделях.

Моделювання дугових замикань проводилося при різноманітних значеннях напруги пробою, яка змінювалась у межах від 500 до 4900 В, з урахуванням гасіння дуги в моменти переходу через нуль високочастотної складової струму замикання або промислової частоти. В цих режимах, окрім визначення рівнів перенапруг, проводилося також оцінювання середньоквадратичного значення струму нульової послідовності.

За результатами досліджень встановлено, що для систем електропостачання з ізольованою нейтраллю зі зниженням напруги пробою дугового проміжку численність пробоїв за період промислової частоти збільшується та може досягати від 2 до 20, а рівень перенапруг на неушкоджених фазах при цьому знижується по зрівнянню з одиночним пробоєм. Середньоквадратичне значення струму нульової послідовності у колах релейного захисту зростає зі збільшенням напруги пробою і зниженням перехідного опору у місці замикання.

У табл. 1 приведені данні кількості пробоїв дугових проміжків, визначених за період промислової частоти, та відповідних їм середньоквадратичних значень струмів нульової послідовності при різних напругах пробою з урахуванням моменту гасіння дуги.

Дані табл. 1 характерні для процесів, які мають місце при значеннях перехідного опору замикання на землю в межах від 0,2 до 20 Ом. Також ці данні свідчать, що при сталому характеру горіння дуги діюче значення струму нульової послідовності за період промислової частоти більш ніж при металевому замиканні. Однак, коли має місце одиночний пробій, який виникає через декілька періодів промислової частоти, короткочасна зміна діючого значення струму нульової послідовності веде до можливості не спрацювання струмових реле захисту.

Таблиця 1. Середньоквадратичне значення струму нульової послідовності Icред, та кількість замикань n_z за період промислової частоти (Iozz=13А)

Uзамик, В	Гасіння дуги при переходу через нуль високочастотної складової струму замикання	Гасіння дуги при переходу через нуль промислової частоти
	Icред, А	nz	Icред, А	nz
4900	81,47	2	81,99	1
4000	70,08	2	70,72	1
3500	86.70	4	62,23	1
3000	74,61	4	53,79	1
2500	76.24	6	45,42	1
2000	61,17	6	37,17	1
1500	53,96	8	29,21	1

У четвертому розділі «Розробка способу автоматичного шунтування пошкодженої фази на землю в мережах 6-10 кВ» - розроблено новий спосіб автоматичного шунтування пошкодженої фази на землю, направлений на підвищення надійності роботи розподільчих мереж 6-10 кВ в режимах дугових та металевих замикань фази на землю. Основна ідея пропонованого способу полягає в автоматичному шунтуванні пошкодженої фази однополюсними, пофазно керованими, вимикачами і контролі фази струму в колі цих вимикачів. При цьому розроблений для впровадження розробленого способу пристрій за деякий час, до включення шунтуючого вимикача, виявляє частоту виникнення пробоїв, що виключає спрацьовування пристрою від випадкового одиночного пробою, а після включення цього вимикача, пристрій працює в режимі автоматичного відновлення доаварійного режиму.

Цей режим припускає відключення керованого вимикача шунта у разі зникнення пошкодження, наявність якого визначається за допомогою контролю фази струму в колі цього вимикача відносно до напруги нульової послідовності. Фаза цього струму змінюється при зникненні активної складової струму навантаження пошкодженого приєднання, що протікає від підстанції через місця шунтування, землю, місця пошкодження до навантаження.

Цей режим допускає створення умов для можливості самоусунення дугового пошкодження за рахунок витримки часу після згасання дуги, необхідного для можливості самовідновлення діелектричної міцності дугового проміжку і лише після цього дозволяється автоматично відключати шунтуючий пристрій.

У випадку, якщо після включення шунтуючого вимикача, усунення пошкодження не відбувається, то він залишається в такому положенні достатньо тривалий час, до прибуття обслуговуючего персоналу. Така робота пристрою можлива за наявністю стійкого замикання або після негайного виникнення повторного нестійкого (зникаючого після шунтування) замикання, якщо самовідновлення діелектричної міцності місця пошкодження, завдяки витримці часу, неможливо.

При наявності стійкого замикання на землю оперативний персонал може виконувати пошук пошкодженого приєднання шляхом почергових відключень при включеному однофазному шунтуючому вимикачі пошкодженої фази, що виключає можливість появи небезпечних перенапруг при комутаціях. Пошкоджене приєднання визначається за рахунок виміру фази струму в шунтуючому пристрої. При цьому, після відключення вимикача приєднання з пошкодженням, фаза струму не буде відрізнятися від 90⁰.

В мережах з резонансно-заземленою нейтраллю алгоритм визначення пошкодження не змінюється, але наявність керованого дугогасного реактора, та збільшення струмів замикання потребують спеціального налаштування.

До цих налаштувань відносяться зміни у витримках часу, що стосуються спрацювання шунтуючого пристрою та налаштування реактора до резонансу. Великі значення струму замикання на землю потребують зменшення часу спрацювання шунтуючого пристрою і зменшення за рахунок цього вірогідності розвитку пошкодження. Витримка часу після згасання дуги, яка необхідна для створення можливості самовідновлення діелектричної міцності дугового проміжку, повинна бути збільшена на час налаштування реактора до резонансу.

У п'ятому розділі «Експериментальні дослідження на фізичній моделі» - приведені результати експериментальних досліджень металевих та дугових замикань вказаних пристроїв на фізичних моделях 0,22 та 6 кВ відповідно. За допомогою отриманих даних підтверджено достовірність результатів математичного моделювання і визначення працездатності запропонованих пристроїв захисту при замиканнях фази на землю. Досліджено вплив автоматичного шунтування пошкодженої фази на величину та фазу струмів в колі шунтуючого вимикача та у місці пошкодження при почергових відключеннях вимикачів приєднань при наявності металевого замикання. Результати експериментальних досліджень показали суттєве підвищення чутливості релейного захисту за допомогою використання запропонованого методу шунтування.

За допомогою фізичної моделі 0,22 кВ з ємнісним струмом замикання 15 А були отримані дані про величину та фазу струму нульової послідовності у колах шунтуючого і пошкодженого приєднання вимикачів.

Як видно з приведених рисунків, з віддаленням місця пошкодження від збірних шин підстанції струми нульової послідовності, які протікають в колах захисту обох вимикачів, за умовою включення шунтуючого, зростають, що сприяє підвищенню чутливості та надійності роботи захисту. Крім цього, фази цих струмів, за рахунок значного збільшення активних складових, зростають (відносно значення ємнісного струму -90⁰) з віддаленням від збірних шин, що також сприяє поліпшенню умов налаштування релейного захисту. Однак, при відключенні пошкодженого приєднання фаза струму в колі шунтуючого вимикача має ємнісний характер і досягає значення близького до -90⁰.

Ці дані підтверджують доцільність використання зміни фази струму в колі шунтуючого вимикача при пошуку пошкодженого приєднання шляхом почергового відключення вимикачів приєднань.

Приведені осцилограми перехідних процесів при виникненні дугового замикання і автоматичному ввімкненні шунтуючого вимикача, який керується за принципом раніш викладеним.

При автоматичному вмиканні шунтуючого вимикача дугове замикання переходе в металеве, що усуває вплив перенапруг на обладнання мережі та можливість виникнення міжфазних замикань.

Кратність перенапруг в експерименті при дуговому замиканні близька до значень, отриманих шляхом математичного моделювання.

Отриманими експериментальними даними підтверджена ефективність запропонованих розробок.

Висновки

У дисертаційній роботі вирішена науково-прикладна задача підвищення надійності роботи мереж 6-10кВ за рахунок вдосконалення автоматичного шунтування пошкодженої фази при замиканнях на землю шляхом контролю величини і фази струму в шунтуючому вимикачі та використання цих даних для підвищення чутливості захисту і виключення перенапруг при пошуку пошкодженого приєднання.

Основні наукові й практичні результати роботи полягають у наступному:

1. За допомогою розроблених математичних моделей розподільчих мереж 6-10 кВ отримані залежності впливу стану шунтуючого вимикача, віддаленості від знижувальної підстанції пошкодження та завантаженості пошкодженого приєднання на струм нульової послідовності в цьому приєднанні.

2. Визначено, що виключити перенапруги в розподільчих мережах при пошуку пошкодженого приєднання шляхом почергових відключень можливо за рахунок включення, під час пошуку, шунтуючого вимикача, що сприяє підтіканню через коло цього вимикача та місця пошкодження частини струму навантаження. Наявність пошкодження в відключеному приєднанні визначається по зміні фази струму у колі шунтуючого вимикача.

3. Розроблений спосіб контролю активною складовою в струмі нульової послідовності приєднання, який виникає при включеному шунтуючому вимикачі, дозволяє підвищити чутливість захисту від замикань на землю приєднань в системах електропостачання 6-10 кВ.

4. Доведено, що удосконалити режим роботи дугогасного реактора з підмагніченням в мережах 6-10 кВ можливо за рахунок виведення реактора з резонансної настройки під час відсутності замикання на землю, що сприятиме зниженню втрат електроенергії в реакторі у нормальному режимі, та шунтування вимикачем ушкодженої фази, у разі появі замикання, на час зміни підмагнічення реактору до резонансної настройки, завдяки чому можливо скоротити тривалість дугового замикання.

5. Достовірність результатів використання запропонованих методів підвищення чутливості релейного захисту виключення перенапруг при пошуку пошкодженого приєднання підтверджено дослідженням перехідних процесів шляхом математичного моделювання на ПЕОМ, а також експериментами в лабораторних умовах.

6. Результати дисертаційної роботи передані для впровадження в Луганські міські електричні мережі та знайшли практичне застосування при проектуванні і використанні в навчальному процесі на кафедрі «Електротехнічні системи електроспоживання» Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля.

Публікації за темою дисертації

1. Сивокобыленко В.Ф. Повышение надежности работы сетей 6-10 кВ при замыкании фазы на землю / В.Ф. Сивокобыленко, Д.И. Кузьменко // Праці Луганського відділення Міжнародної Академії інформатизації. - Луганськ:- 2007.- Випуск 2 (15) 2007. - Ч.1. - С. 50-53.

2. Сивокобиленко В.Ф. Удосконалення системи керування дугогасним реактором з підмагнічуванням / В.Ф. Сивокобиленко, В.П.Кобазєв, Д.І. Кузьменко // Вісник Кременчуцького держ. політех. ун-ту ім. Михайла Остроградського. - Кременчук: КДПУ. - 2007. - Випуск 3/2007 (44). - Ч. 2. - С. 88-91.

3. Сивокобыленко В.Ф. Повышение эффективности защиты от замыкания фазы на землю в сетях с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор / В.Ф. Сивокобыленко, Д.И. Кузьменко //Вісник Національного тех. ун-ту «ХПІ». Тематичний випуск: Проблеми удосконалення електричних машин і апаратів. Теорія і практика. - Харків «ХПІ». - Випуск 25/2007.- С. 94-99.

4. Кузьменко Д.И. Влияние несимметрии параметров распределительной сети 6-10 кВ с резонансно заземленной нейтралью на характер переходного процесса при замыкании фазы на землю / Д.И. Кузьменко // Вісник СНУ ім. В. Даля. - Луганськ: СНУ ім. В. Даля. - Випуск 4 (110) - Ч. 1. -С. 188-192.

5. Кузьменко Д.И. Обзор существующих защит от однофазных замыканий на землю в сетях 6-10 кВ с нейтралью, заземленной через дугогасительный реактор / Д.И. Кузьменко // Наукові праці Донецького нац. тех. ун-ту. Серія «Електротехніка і енергетика». - Донецьк: ДВНЗ ДонНТУ. - 2007. Випуск 7 (128). - С. 197-202.

Размещено на Allbest.ru

...