Разработка новых методов повышения надежности распределительных сетей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Новосибирский государственный технический университет

Разработка новых методов повышения надежности распределительных сетей

В.В. Быстрых, В.Е. Качесов

Аннотация -- В работе рассмотрены существующие методы повышения надежности распределительных сетей среднего напряжения в том, что касается дуговых перенапряжений. Выявлены недостатки существующих способов поиска мест однофазных замыканий в распределительных сетях. Показана необходимость метода дистанционного обнаружения места замыкания. Предлагается новый метод дистанционной локализации места повреждения на базе PLC-модемов, предполагающий определение полярности токов нулевой последовательности. Представлены результаты апробации данного метода на компьютерной модели, а также результаты проведенных физических экспериментов.

Ключевые слова -- распределительные сети среднего напряжения; сети с изолированной нейтралью; однофазное замыкание на землю; дуговые перенапряжения; PLC-модемы

Abstract -- In this paper the existing methods for increasing distribution network reliability in terms of ground fault overvoltage are considered. The disadvantages of existing methods for the single phase-to-earth fault location were revealed. The requirement of method for remote fault location was shown. A new method for remote localization of the fault location based on PLC-modems, which involves determination of zero sequence currents' polarity, is proposed. The test results of the method obtained via computer simulation and the results of experiments carried out are shown.

Keywords -- medium-voltage distribution network; unearthed-neutral network; single phase-to-earth fault; ground fault overvoltage; PLC-modems

Общая протяженность распределительных сетей среднего напряжения составляет сотни тысяч километров, около 70% электрических сетей России. При этом такие сети в силу своего функционального назначения, заключающегося в распределении электроэнергии между потребителями, имеют сложную, как правило, древовидную топологию. Также особенностью распределительных сетей является частое изменение их конфигурации, разрастание, связанное с увеличением количества потребителей.

Помимо этого, распределительные сети имеют сравнительно высокую степень износа. По данным за 2013 год, 50% распределительных сетей выработали нормативный срок, а 7% - два нормативных срока [1]. К тому же современное оборудование, обеспечивающее высокую надежность и снижение затрат, пока используется недостаточно широко в этих сетях.

Эти особенности распределительных сетей делают их уязвимыми для возникновения замыканий. Наиболее статистически вероятным видом замыкания является однофазное замыкание на землю (ОЗЗ), на которое приходится не менее 75% повреждений в сетях 6-35 кВ [2]. В то же время в большинстве отечественных сетей среднего напряжения нейтраль изолирована. Токи однофазного замыкания в таком случае сравнительно малы и не превышают десятки ампер, благодаря чему при возникновении ОЗЗ сеть может оставаться в работе некоторое время.

На практике замыкание обычно происходит через перемежающуюся дугу, которая может привести к возникновению опасных дуговых перенапряжений (ДП) до 3,1U_фm (U_фm - амплитуда фазного напряжения) [3]. Последние деградируют фазную изоляцию и могут привести к междуфазному короткому замыканию и отключению потребителя. Протекание тока замыкания в месте повреждения фазной изоляции может приводить к человеческим жертвам и гибели животных. Для обеспечения надежной работы сетей среднего напряжения требуется исключить это явление.

Пути повышения надежности распределительных сетей

Ограничение кратности дуговых перенапряжений

Во-первых, повышения надежности распределительных сетей можно добиться путем ограничения кратности дуговых перенапряжений. С этой целью нейтраль сети среднего напряжения заземляют через дугогасительный реактор (ДГР) или через неотключаемый резистор. Оба способа имеют свои преимущества и недостатки.

В случае заземления через ДГР наряду с компенсацией емкостного тока замыкания на землю удается снизить кратность дуговых перенапряжений до (2,2-2,4)U_фm и их количество при коэффициенте компенсации K_L1. Однако такой способ является капиталоемким из-за необходимости применения устройств автоматической компенсации и требует симметрирования сети до 0,75%U_ф (U_ф - фазное напряжение) в нейтрали [4].

При высокоомном резистивном заземлении нейтрали с коэффициентом компенсации K_R1 избыточный фазный заряд стекает через резистор в землю, благодаря чему снижается свободная составляющая переходного процесса и, соответственно, кратность дуговых перенапряжений приблизительно до величины такой же, как при установке ДГР. К недостаткам данного метода можно отнести повышение тока замыкания на землю, что снижает электробезопасность сети и ухудшает условия самогашения дуги, а также наличие на подстанции греющегося оборудования, в результате чего возрастают технологические потери.

Помимо этих способов существует еще относительно новый способ заземления нейтрали - импульсное резистивное заземление, не получивший пока широкого применения [5]. Суть этого способа заключается в том, что в нейтраль через симисторный ключ включается резистор. Ключ, реагируя на скорость изменения напряжения в нейтрали, замыкается только при неустойчивых дуговых замыканиях на землю, исключая основные недостатки постоянного резистивного заземления. В разработке также находится метод глубокого ограничения ДП [6].

Сокращение длительности дуговых перенапряжений

Второй подход к повышению надежности распределительных сетей состоит в уменьшении длительности самих ДП, что подразумевает оперативное отключение поврежденного участка сети. Однако, как было отмечено ранее, для распределительных сетей характерна разветвленная топология, что делает обнаружение поврежденного фидера довольно затруднительным.

Наиболее распространенным методом решения этой задачи в кабельных сетях является метод, основанный на измерении гармонических искажений токов нулевой последовательности в фидерах сети. Однако, он малопригоден для задачи быстрой локализации кратковременных замыканий. Другие «быстрые методы» базируются на выделении фидера с максимальным переходным током нулевой последовательности или на определении полярности его первой полуволны. Топологические способы локализации однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) в кабельных линиях, например, акустический и индукционный способы, нашли применение только для отключенных линий.

На воздушных линиях измерение токов нулевой последовательности вызывает затруднения, поскольку невозможно применять трансформаторы токов нулевой последовательности (ТТНП). Для определения участка с ОЗЗ на воздушных линиях используют иные методы. Самым грубым способом является поочередное кратковременное отключение фидеров на каждой подстанции предполагаемого пути замыкания.

Также возможно использование различных приборов, например, аппаратов «Вектор» и «Сталкер ВЛ», с помощью которых можно установить место замыкания. Недостаток таких приборов состоит в необходимости перемещения оператора вдоль линии. Линии же не всегда находятся в легкодоступных местах, поэтому определение участка сети с замыканием может быть недостаточно оперативным. Следовательно, для повышения надежности распределительных сетей необходим метод дистанционного определения места повреждения.

Разработка метода дистанционной локализации озз

Принцип работы метода

Для осуществления метода дистанционного обнаружения места возникновения ОЗЗ необходимо разработать устройство, которое будет по некоторому критерию судить о наличии ОЗЗ в сети и его местонахождении и передавать информацию о координатах поврежденного участка на пульт диспетчера. Диспетчер затем должен принять решение о предпринимаемых действиях: либо отключить сеть в целях повышения уровня электробезопасности и временно оставить потребителей без электропитания, либо оставить ее в работе, отключив только поврежденный фидер, определенный по координатам устройства, от которого получен сигнал о замыкании, и отправить ремонтную бригаду по этим координатам.

а

б

Рис. 1. Распределение токов НП в сети при ОЗЗ: а) схема распределительной сети; б) осциллограммы токов НП этой сети при ОЗЗ

В качестве критерия определения местоположения ОЗЗ в сети использованы полярности токов нулевой последовательности (НП). В программном комплексе Orcad/PSpice создана модель воздушной распределительной сети 10 кВ с изолированной нейтралью. На полученной по этой модели осциллограмме токов НП (Рис. 1) видно, что при возникновении ОЗЗ симметричность режима нарушается, и в результате переходного процесса появляются токи НП. При этом ток НП на пути от шин трансформаторной подстанции до поврежденного участка больше по амплитуде и имеет противоположную полярность по сравнению с токами НП смежных линий.

Это различие будет фиксироваться с помощью некоторого устройства, устанавливаемого в начале каждого ответвления (в каждом узле). Работа устройства заключается в измерении фазных токов с помощью аналого-цифрового преобразователя - микроконтроллера, передаче измеренных значений на соседние фазы и вычислении тока НП. Далее закодированная информация о полярности тока НП и координаты устройства регистрации в виде высокочастотного сигнала с помощью PLC-модема (PLC - Power Line Communication) передаются в пункт диспетчерского управления для формирования общей картины распределения тока НП в сети. Принцип работы устройства схематично представлен на Рис. 2.

Электропитание устройства

Для микроконтроллеров и PLC-модемов необходимо решить вопрос электропитания. В качестве источника питания решено использовать непосредственно линию электропередачи, так как в этом случае устройство сможет бесперебойно работать при условии нахождения линии в работе.

Рассмотрены два способа подведения электроэнергии от линии к устройству: а) питание электромагнитным способом от тока нагрузки в линии и б) питание за счет электростатического отбора мощности через междуфазную емкость и малогабаритный трансформатор.

Рис. 2. Принцип работы устройства

Рис. 3. Электропитание устройства

Для проверки этих способов с помощью выше упомянутого программного комплекса промоделирована схема электропитания устройства, представленная на Рис. 3. В результате проведенных экспериментов и программных симуляций при подборе трансформатора связи удалось получить напряжение 6 В на выводах фазного канала питания, удовлетворяющее требованию электропитания микроконтроллера. Это удовлетворительное значение, так как для питания микроконтроллера требуется напряжение 5 В.

Оценка затухания сигнала

Передача высокочастотного сигнала по линии сопровождается его затуханием. Для проверки работоспособности разрабатываемого метода требуется оценить величину этого затухания. С этой целью использована модель исследуемой воздушной сети 10 кВ с изолированной нейтралью.

Для оценки затухания сигнала в программной модели распределительной сети на шинах понизительной подстанции размещен приемник, состоящий из включенного между фазами через емкость трансформатора и нагрузки, представленной активным сопротивлением. На одном из участков наиболее разветвленной линии сети размещен передатчик, отправляющий сигнал источников напряжения по междуфазному каналу. Вся линия условно разделена на 7 последовательных участков, где «1» - наиболее отдаленный участок, а «7» - участок непосредственно у шин подстанции. Топология сети показана на Рис. 5.

Частоту передаваемого PLC-модемом сигнала можно варьировать. Из частотного диапазона выбраны частоты 50 кГц и 100 кГц, для которых переопределены погонные параметры линий и построена зависимость напряжения на выводах передатчика при положениях передатчика с «1» по «7». Эти зависимости приведены на Рис.4.

Рис. 4. Зависимость напряжения на приемнике от положения передатчика

Рис. 5. Оценка затухания сигнала на программной модели распределительной сети

Из Рис. 4 видно, что для данной сети частота сигнала 50 кГц предпочтительнее, так как при более удаленном положении передатчика эта частота обеспечивает большее напряжение у приемника, а именно около 30 мВ. Это значение удовлетворяет требованиям уверенного приема информации приемником, так как сигнал на его входе должен быть не менее 1 мВ.

В рамках данной работы рассмотрены существующие методы снижения дуговых перенапряжений в сетях среднего напряжения и выявлены недостатки существующих способов поиска мест однофазных замыканий в распределительных сетях. Установлено, что для повышения надежности распределительных сетей необходим метод дистанционной локализации места замыкания.

В качестве решения данной задачи предложен новый метод локализации места замыкания (поврежденного фидера), основанный на определении полярности токов НП и передаче информации в виде ВЧ-сигнала с помощью PLC-модемов. Для уточнения метода разработана программная модель воздушной электрической сети, на которой проводятся апробация и оптимизация предложенного способа. Проведено исследование возможности электропитания устройств, необходимых для реализации метода, непосредственно от контролируемой линии, а также оценка затухания ВЧ-сигнала при его распространении вдоль линии. Подтверждена техническая возможность осуществления предлагаемого метода.

Разработанный метод может быть использован в воздушных линиях среднего напряжения для быстрой локализации поврежденного фидера. Внедрение этого метода на практике позволит повысить надежность распределительных сетей среднего напряжения и качество электроснабжения за счет сокращения количества потребителей, испытывающих перебои питания при ОЗЗ, повышения уровня электробезопасности сети и снижения числа аварий, сопровождающихся полным отключением сети.

сеть однофазный замыкание перенапряжение

Список литературы

1. Стратегия развития электросетевого комплекса Российской Федерации : распоряжение Правительства Российской Федерации от 3 апреля 2013 г. N 511-р [Электронный ресурс] - Режим доступа : https://rg.ru/2013/04/08/elektroseti-site-dok.html - Загл. с экрана.

2. Лихачев Ф. А. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов : [монография] / Ф. А. Лихачев - М.: Энергия, 1971. - 152 с.

3. Техника высоких напряжений : учеб. для студентов электротехнических и электроэнергетических специальностей вузов / Л. Ф. Домоховская [и др.] ; под общ. ред. Д. В. Разевига. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1976. - 488 с.

4. Правила устройства электроустановок.- 7-е изд.,- Новосибирск: Норматика, 2015. - 464 с.

5. Пат. на изобретение: РФ № 2454769 (от 19.05.2011), H02H09/00. Устройство заземления нейтрали трехфазной электрической сети/ В.Е. Качесов// БИ №18, 2012.

6. Финашин Р. А. Разработка мероприятий по повышению надежности распределительных сетей : дис. магистра : 13.04.02 / Р. А. Финашин ; науч. рук. В. Е. Качесов ; Новосиб. гос. техн. ун-т. - Новосибирск, 2016. - 97 л. : ил., табл.

Размещено на Allbest.ru