Актуальность работы. Распределительные сети напряжением 6-35 кВ являются важным звеном современных электроэнергетических систем. От надежной работы сетей 6¬35 кВ зависит надежная и бесперебойная работа большого числа потребителей, энергоэффективность и безопасность производства.
Наиболее частым видом повреждений в таких сетях являются однофазные замыкания на землю (ОЗЗ), доля которых может составлять 70-80 % от общего числа повреждений. Причины возникновения ОЗЗ весьма разнообразны и в ряде ситуаций ОЗЗ являются неизбежными. Если возникшее ОЗЗ не устранить своевременно, то оно, как правило, может перейти в более тяжелое по последствиям аварийное повреждение: междуфазное короткое замыкание, двойное замыкание на землю и др. Это вызовет неоправданные перерывы в электроснабжении потребителей, необходимость восстановительных ремонтов. Кроме того, ОЗЗ могут сопровождаться возникновением в сети феррорезонансных процессов, массовым повреждением изоляции оборудования, разрушением железобетонных опор воздушных ЛЭП, повышенной опасностью случайного попадания людей и животных под напряжение.
В течение последних десятилетий накоплен большой опыт разработки и внедрения различных способов и устройств защиты распределительных сетей 6-35 кВ от ОЗЗ. Однако анализ результатов применения известных защит от ОЗЗ свидетельствует о недостаточной селективности действия и надежности устройств этих защит. Многообразие видов ОЗЗ, специфика и сложность процессов при замыканиях на землю в сетях с различными режимами заземления нейтрали предопределяют сложность задачи создания всережимной универсальной защиты от ОЗЗ. Разработке новых и совершенствованию известных защит от ОЗЗ большое внимание уделено в работах Ф.А. Лихачева, И.М. Сироты, В.М. Кискачи, Е.Ф. Цапенко, К.П. Кадомской, В.К. Обабкова, Г.А. Евдокунина, Л.И. Сарина, М.А. Шабада, А.И. Шалина, В.А. Шуина, Р.А. Вайнштейна и др. Тем не менее, практически ни одно из наиболее распространенных устройств защиты от ОЗЗ не может быть признано достаточно полно удовлетворяющим требованиям эксплуатации.
Несмотря на многообразие известных способов и устройств защиты распределительных сетей 6-35 кВ от ОЗЗ, задача создания более совершенной защиты является весьма актуальной.
Цели работы. Теоретическое обоснование возможности создания селективной защиты от ОЗЗ, основанной на контроле изменений пульсирующей мощности, для электрических сетей 6-35 кВ с различными режимами заземления нейтрали. Разработка практических рекомендаций по технической реализации структурно-функциональной схемы новой защиты.
Задачи исследования. В соответствии с поставленными целями в работе решаются следующие задачи:
- исследование закономерностей изменения пульсирующей мощности защищаемых линий сети;
- разработка алгоритма функционирования защиты от ОЗЗ, основанной на контроле изменений пульсирующей мощности защищаемых линий;
- разработка математической модели распределительной сети, отражающей основные процессы, на которых основан предлагаемый алгоритм функционирования защиты;
- оценка влияния на успешность функционирования защиты различных факторов, к основным из которых относятся: возможная несимметрия напряжений источника питания, возможная несинусоидальность напряжений источника питания, возможная естественная асимметрия собственных проводимостей на землю фаз защищаемых линий;
- экспериментальная проверка работоспособности предлагаемого алгоритма защиты на физической модели распределительной сети;
- разработка рекомендаций для технической реализации устройства защиты от ОЗЗ, функционирующей по предлагаемому алгоритму, с применением современной микропроцессорной элементной базы.
Объект исследования - защита распределительных сетей 6-35 кВ от ОЗЗ.
Предмет исследования - новый принцип контроля возникновения ОЗЗ в распределительных сетях 6-35 кВ.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы: методы математического и имитационного моделирования на базе теории электрических цепей и спектрального анализа с применением современных компьютерных технологий; экспериментальные исследования путем физического моделирования в лабораторных условиях. В работе использованы некоторые результаты научных трудов российских и зарубежных специалистов, материалы научно-технических конференций и семинаров.
Достоверность результатов исследования. Адекватность моделей и методов, использованных в работе, подтверждается известными фундаментальными теориями и методами исследования электрических процессов при однофазных замыканиях на землю, результатами вычислительных и натурных экспериментов.
Научная новизна работы:
1) впервые в области релейной защиты от ОЗЗ распределительных сетей 6-35 кВ предложено использовать новый принцип контроля возникновения замыкания на землю по изменению пульсирующей мощности трехфазных линий;
2) теоретически обоснован новый способ и разработан алгоритм функционирования защиты распределительных сетей от ОЗЗ, основанный на контроле изменений пульсирующей мощности;
3) установлено, что при возникновении ОЗЗ в распределительной сети приращение пульсирующей мощности на всех неповрежденных линиях равно нулю, а на поврежденной линии приращение пульсирующей мощности пропорционально величине общего для сети тока ОЗЗ;
4) установлено, что на величину пульсирующей мощности защищаемых линий оказывают влияние возможная несимметрия и несинусоидальность напряжений источника питания, возможная естественная асимметрия собственных проводимостей фаз линий на землю; сделана оценка влияния этих факторов на успешность функционирования защиты.
Практическая значимость и реализация результатов работы. Основные теоретические результаты работы использованы при разработке алгоритма и модели устройства новой защиты от ОЗЗ, основанной на контроле пульсирующей мощности защищаемых линий. Модель устройства защиты реализована на базе персонального компьютера с применением современных микропроцессорных устройств, апробирована на физической модели распределительной сети и может служить основой для разработки промышленных терминалов новой высокоэффективной защиты. Разработаны практические рекомендации для технической проработки устройства новой защиты.
Разработанная математическая модель распределительной сети 6-35 кВ может быть использована для исследований, направленных на усовершенствование известных и разработку новых способов защит от ОЗЗ, а также в практике расчета и проектирования систем релейной защиты и автоматики.
Результаты исследований, полученные в работе, используются в учебном процессе кафедры Электрификации и автоматизации горных предприятий Пермского национального исследовательского политехнического университета при изучении ряда учебных дисциплин, при выполнении научно-исследовательских работ, а также при курсовом и дипломном проектировании.
Основные положения, выносимые на защиту:
1) теоретическое обоснование возможности создания новой защиты распределительных сетей 6-35 кВ от ОЗЗ, основанной на контроле изменений пульсирующей мощности защищаемых линий;
2) структурно-функциональная схема реализации нового способа защиты от ОЗЗ;
3) математическая модель распределительной сети 6-35 кВ, учитывающая основные факторы и процессы, определяющие характер и закономерности изменений пульсирующей мощности, контролируемой для целей защиты, применительно к различным режимам заземления нейтрали;
4) результаты исследований и оценка влияния на успешность функционирования защиты от ОЗЗ факторов несимметрии и несинусоидальности в распределительной сети, полученные путем вычислительных и натурных экспериментов;
5) практические рекомендации для технической проработки устройства защиты от ОЗЗ, основанной на контроле пульсирующей мощности, с применением современной микропроцессорной элементной базы.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских, и региональных научно-технических конференциях: Международная научно-техническая конференция Проблемы рационального природопользования (г. Пермь, 2007, 2008 г.г.); Международная научно-техническая конференция «Нефтегазовое и горное дело» (г. Пермь, 2009 г.); Международная научно-техническая конференция «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (г. Иваново, 2011 г.); научный симпозиум «Неделя горняка» (г. Москва, 2011 г.); Всероссийская научно-техническая конференция «Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий» (г. Уфа, 2007 г.); Всероссийская научно-техническая конференция «Инновационная энергетика» (г. Пермь, 2009, 2011 г.г.); Всероссийская научно-практическая конференция (с международным участием) «Федоровские чтения» (г. Москва, 2010 г.); Всероссийская научно-техническая конференция (с международным участием) «Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий» (г. Екатеринбург, 2011 г.).
Результаты работы экспонировались на выставках: XIII Московский международный Салон изобретений и инновационных технологий «Архимед» (г. Москва, 2010 г.); 13-я межрегиональная специализированная выставка технологий и оборудования для нефтяной, газовой и химической промышленности «Нефть. Газ. Химия» (г. Пермь, 2011 г.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 11 печатных работ, в т.ч. 3 работы в изданиях списка ВАК РФ, получен 1 патент на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 79 наименований. Общий объем работы составляет 146 страниц и содержит 39 рисунков и 1 таблицу.
В диссертационной работе получены следующие результаты.
1. Аналитически обоснован новый способ защиты распределительных сетей 6-35 кВ от ОЗЗ, основанный на контроле изменений пульсирующей мощности. Установлено, что при возникновении в сети ОЗЗ изменение (приращение) пульсирующей мощности на любой неповрежденной линии равно нулю, на поврежденной линии приращение пульсирующей мощности пропорционально величине общего для сети тока ОЗЗ. Это является важным признаком для достоверной идентификации повреждения при возникновении в сети ОЗЗ.
2. Разработаны алгоритм работы и функциональная схема защиты от ОЗЗ, основанной на контроле изменений пульсирующей мощности линий, при двух возможных вариантах функционирования исполнительного органа защиты:
- по принципу «абсолютного замера» контролируемого приращения;
- по принципу «относительного замера» контролируемого приращения.
3. Разработана математическая модель распределительной сети применительно к различным вариантам заземления нейтрали. Модель адекватно отражает процессы в сети в режиме замыкания на землю и позволяет учитывать основные факторы, определяющие характер и закономерности изменения пульсирующей мощности защищаемых линий.
4. Установлено, что на величину контролируемого приращения пульсирующей мощности оказывают влияние факторы несимметрии и несинусоидальности напряжений источника питания, асимметрии собственных проводимостей фаз линий на землю. Путем математического моделирования проведено исследование и сделана оценка влияния этих факторов на успешность функционирования защиты применительно к сетям с различными вариантами заземления нейтрали.
5. Проведена экспериментальная проверка работоспособности предложенного алгоритма защиты на физической модели распределительной сети. Результаты исследований подтверждают основные выводы, сделанные при математическом моделировании, и позволяют считать, что на основе нового принципа контроля возникновения ОЗЗ можно создать высокоэффективную защиту для распределительных сетей 6-35 кВ.
6. Разработаны практические рекомендации по технической проработке реализации структурно-функциональной схемы защиты и созданию опытного образца для промышленных испытаний и внедрения. Предложена методика расчета уставок и оценки чувствительности защиты.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
