Помощь студентам в учебе
РАЗРАБОТКА И ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЗАЩИТЫ ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ, ОСНОВАННОЙ НА КОНТРОЛЕ ПУЛЬСИРУЮЩЕЙ МОЩНОСТИ, КОМПЕНСИРОВАННЫХ СЕТЕЙ 6-35 кВ
|
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
Актуальность работы. В структуре электрических сетей России наибольшую часть представляют сети среднего напряжения (6-35 кВ). Общая протяженность таких сетей составляет более 4 млн. км., а их количество - более 25000 единиц. Большая часть электрической энергии в нашей стране распределяется посредством сетей 6-35 кВ. Следовательно, обеспечение надежности и безопасности этих сетей, обеспечение бесперебойности питания потребителей являются приоритетными задачами электроэнергетики России.
Для выполнения этих задач, в частности, необходимо своевременное обнаружение и устранение однофазных замыканий на землю (ОЗЗ), как наиболее распространенного вида повреждения (80-90% от общего числа аварийных повреждений). При длительном существовании данный вид замыканий в 60-80% случаев может переходить в двухместное, двойное замыкание на землю и даже в трехфазное короткое замыкание, что, в свою очередь, приводит к неоправданным отключениям линий, дорогостоящим ремонтам, перерывам в электроснабжении и, как следствие, к простою оборудования и значительному экономическому ущербу.
Для обнаружения возникновения ОЗЗ и предотвращения развития повреждения необходимо применение быстродействующей селективной защиты, которая должна работать либо на сигнализацию, либо на отключение поврежденной линии. Многие специалисты в данной области склонны к мнению, что защита от ОЗЗ должна работать на отключение вне зависимости от режима заземления нейтрали, тем самым подчеркивая значимость данных повреждений и их последствий. Это обусловливает повышенные требования к защите в части чувствительности и селективности. Большинство специалистов также склонно к мнению, что защита должна быть совместимой для определения поврежденной линии при любом виде ОЗЗ (устойчивом дуговом, перемежающемся дуговом, металлическом замыкании или замыкании через переходное сопротивление).
Изучению вопросов в области релейной защиты и автоматики посвящено много работ отечественных ученых, таких как: А.М. Федосеев, Ф.А. Лихачев, В.А. Андреев, М.А. Шабад, Е.Ф. Цапенко, А.И. Шалин, И.М. Сирота, Г.А. Евдокунин, В.К. Обабков, Л.Е. Дударев, В.М. Кискачи, К.П. Кадомская, В.А. Шуин, Р.А. Вайнштейн, Л.И. Сарин, В.Ф. Лачугин, И.Н. Попов и др.
Для компенсированных сетей проблема достоверного обнаружения ОЗЗ является наиболее сложной в связи с рядом специфических свойств такого заземления нейтрали. Для таких сетей характерны: большая величина емкостного тока и возможность длительного дугового замыкания; малая величина остаточного тока ОЗЗ, особенно при резонансной настройке компенсации; фазовые углы между током и напряжением нулевой последовательности основной гармоники на поврежденной и неповрежденной линиях могут быть одинаковыми; возможны большие и нестабильные расстройки компенсации из-за неудовлетворительной работы автоматики дугогасящего реактора (ДГР); большая вероятность неустойчивых замыканий.
В таких сетях многие известные защиты от ОЗЗ работают недостаточно селективно. Поэтому задача разработки высокочувствительной селективной защиты от ОЗЗ для компенсированных сетей 6-35 кВ остается актуальной и в настоящее время.
В качестве такой защиты от ОЗЗ может найти применение новая защита, основанная на контроле пульсирующей мощности, разрабатываемая в ПНИПУ (г.Пермь).
Представляется актуальной проработка ряда вопросов, связанных с исследованием факторов, влияющих на селективность работы этой защиты, оценкой чувствительности защиты для разного вида замыканий на землю, а также разработкой мероприятий по обеспечению устойчивости функционирования защиты.
Цель работы - научное обоснование успешности применения защиты от ОЗЗ, основанной на контроле пульсирующей мощности, в компенсированных сетях 6-35 кВ. Разработка рекомендаций по обеспечению устойчивости функционирования этой защиты.
Основные задачи работы:
- разработать математическую модель распределительной сети 6-35 кВ с компенсированной нейтралью, отражающую основные процессы установившихся ОЗЗ, на учете которых основан алгоритм функционирования новой защиты;
- оценить влияние на устойчивость функционирования защиты возможных неблагоприятных для ее работы факторов: возможной асимметрии собственных проводимостей фаз линий на землю; несимметрии напряжений источника питания; конфигурации сети;
- провести исследование влияния степени расстройки компенсации емкостных токов на устойчивость функционирования защиты;
- оценить влияние высших гармоник в сети на устойчивость функционирования защиты;
- обосновать выбор величины сопротивления резистора для комбинированного заземления нейтрали по условию гарантированного обеспечения устойчивости функционирования защиты;
- разработать математическую модель распределительной сети 6-35 кВ с компенсированной нейтралью для исследования устойчивости функционирования защиты от ОЗЗ при перемежающихся замыканиях на землю;
- разработать опытный образец устройства защиты от ОЗЗ и провести экспериментальные исследования качества работы защиты на физической модели компенсированной сети.
Объект исследования - защита распределительных компенсированных сетей 6-35 кВ от ОЗЗ.
Предмет исследования - новый принцип защиты от ОЗЗ распределительных сетей 6-35 кВ, основанный на контроле изменений пульсирующей мощности.
Методы исследования - математический метод сопряженных комплексных амплитуд, методы математического и имитационного моделирования с применением современных компьютерных технологий; экспериментальные исследования путем физического моделирования в лабораторных условиях с использованием опытного образца устройства новой защиты.
Достоверность результатов исследования - адекватность моделей и методов, используемых в диссертационной работе, подтверждается известными фундаментальными теориями и методами исследования процессов при однофазных замыканиях на землю, результатами вычислительных и натурных экспериментов.
Научная новизна работы:
1) теоретически обоснована возможность применения новой защиты от ОЗЗ в сетях 6-35 кВ с компенсированной нейтралью;
2) исследовано влияние на устойчивость функционирования защиты от ОЗЗ неблагоприятных факторов, таких как: асимметрия собственных проводимостей фаз линий на землю; возможная несимметрия напряжений источника питания; неоднородная конфигурация сети (различные значения показателей доли емкостей фаз относительно земли линий в суммарной емкости сети);
3) проведена оценка влияния степени расстройки компенсации и высших гармоник токов и напряжений на устойчивость функционирования защиты;
4) разработаны рекомендации по выбору величины сопротивления резистора для комбинированного заземления нейтрали, необходимой для гарантированного обеспечения устойчивости функционирования защиты от ОЗЗ;
5) теоретически и путем моделирования обоснована работоспособность новой защиты при перемежающихся ОЗЗ;
6) разработан опытный образец микропроцессорного устройства защиты от ОЗЗ, экспериментально доказана высокая эффективность работы новой защиты в компенсированной сети как при устойчивых, так и при перемежающих замыканиях на землю.
Практическая значимость и реализация результатов работы. Применен новый принцип защиты от ОЗЗ путем контроля приращений пульсирующих мощностей защищаемых линий в компенсированных сетях 6-35 кВ. Разработано устройство защиты, реализованное на базе современного микроконтроллера. Опытный образец устройства апробирован на физической модели распределительной сети 6-35 кВ с компенсированной нейтралью. Результаты испытаний опытного образца защиты от ОЗЗ свидетельствуют о возможности создания промышленных терминалов новой высокоэффективной защиты.
Разработаны научно обоснованные рекомендации для обеспечения устойчивости функционирования защиты от ОЗЗ в компенсированных сетях.
Основные положения, выносимые на защиту:
1) математические модели распределительной компенсированной сети 6-35 кВ для устойчивых и перемежающихся замыканий на землю, отражающие основные процессы, на которых основан алгоритм функционирования защиты;
2) результаты исследований и оценки влияния на устойчивость функционирования защиты от ОЗЗ асимметрии проводимостей фаз линий на землю, несимметрии источника питания, конфигурации сети, степени расстройки компенсации реактора, высших гармоник сети;
3) результаты оценки и рекомендации по выбору величины сопротивления резистора для комбинированного заземления нейтрали, необходимой для гарантированного обеспечения устойчивости функционирования защиты от ОЗЗ, основанной на контроле пульсирующей мощности;
4) результаты исследований работы защиты при перемежающихся ОЗЗ;
5) результаты исследований опытного образца устройства защиты на физической модели компенсированной сети.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских, и региональных научно-технических конференциях: международная научная конференция «Тинчуринские чтения» (г. Казань, 2012, 2013, 2014 г.); международная научно-практическая конференция «Федоровские чтения» (г. Москва, 2011, 2013 г.); международная научно-техническая конференция «Электроэнергетика глазами молодежи» (г. Екатеринбург, 2012 г.); международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий» (г. Екатеринбург, 2014 г.); международная научно-техническая конференция «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2011, 2012 г.); международная научно-практическая конференция «Энергосбережение, энергопотребление, энергоэффективность. Возобновляемые источники энергии» (г. Пермь, 2012 г.); международная научная конференция «Инновационные процессы в исследовательской и образовательной деятельности» (г. Пермь, 2012, 2013 г.); международная научно-практическая конференция «Горная электромеханика» (г. Пермь, 2014 г.); всероссийская научно-техническая конференция «Нефтегазовое и горное дело» (г. Пермь, 2011, 2012, 2014 г.); всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (г. Новосибирск, 2012 г.); краевая научно-техническая конференция «Автоматизированные системы управления и информационные технологии» (г. Пермь, 2012 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, в т.ч. 4 статьи в изданиях списка ВАК РФ, получены 2 патента на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 82 наименований и двух приложений. Общий объем работы составляет 171 страницу и содержит 43 рисунка и 5 таблиц.
Для выполнения этих задач, в частности, необходимо своевременное обнаружение и устранение однофазных замыканий на землю (ОЗЗ), как наиболее распространенного вида повреждения (80-90% от общего числа аварийных повреждений). При длительном существовании данный вид замыканий в 60-80% случаев может переходить в двухместное, двойное замыкание на землю и даже в трехфазное короткое замыкание, что, в свою очередь, приводит к неоправданным отключениям линий, дорогостоящим ремонтам, перерывам в электроснабжении и, как следствие, к простою оборудования и значительному экономическому ущербу.
Для обнаружения возникновения ОЗЗ и предотвращения развития повреждения необходимо применение быстродействующей селективной защиты, которая должна работать либо на сигнализацию, либо на отключение поврежденной линии. Многие специалисты в данной области склонны к мнению, что защита от ОЗЗ должна работать на отключение вне зависимости от режима заземления нейтрали, тем самым подчеркивая значимость данных повреждений и их последствий. Это обусловливает повышенные требования к защите в части чувствительности и селективности. Большинство специалистов также склонно к мнению, что защита должна быть совместимой для определения поврежденной линии при любом виде ОЗЗ (устойчивом дуговом, перемежающемся дуговом, металлическом замыкании или замыкании через переходное сопротивление).
Изучению вопросов в области релейной защиты и автоматики посвящено много работ отечественных ученых, таких как: А.М. Федосеев, Ф.А. Лихачев, В.А. Андреев, М.А. Шабад, Е.Ф. Цапенко, А.И. Шалин, И.М. Сирота, Г.А. Евдокунин, В.К. Обабков, Л.Е. Дударев, В.М. Кискачи, К.П. Кадомская, В.А. Шуин, Р.А. Вайнштейн, Л.И. Сарин, В.Ф. Лачугин, И.Н. Попов и др.
Для компенсированных сетей проблема достоверного обнаружения ОЗЗ является наиболее сложной в связи с рядом специфических свойств такого заземления нейтрали. Для таких сетей характерны: большая величина емкостного тока и возможность длительного дугового замыкания; малая величина остаточного тока ОЗЗ, особенно при резонансной настройке компенсации; фазовые углы между током и напряжением нулевой последовательности основной гармоники на поврежденной и неповрежденной линиях могут быть одинаковыми; возможны большие и нестабильные расстройки компенсации из-за неудовлетворительной работы автоматики дугогасящего реактора (ДГР); большая вероятность неустойчивых замыканий.
В таких сетях многие известные защиты от ОЗЗ работают недостаточно селективно. Поэтому задача разработки высокочувствительной селективной защиты от ОЗЗ для компенсированных сетей 6-35 кВ остается актуальной и в настоящее время.
В качестве такой защиты от ОЗЗ может найти применение новая защита, основанная на контроле пульсирующей мощности, разрабатываемая в ПНИПУ (г.Пермь).
Представляется актуальной проработка ряда вопросов, связанных с исследованием факторов, влияющих на селективность работы этой защиты, оценкой чувствительности защиты для разного вида замыканий на землю, а также разработкой мероприятий по обеспечению устойчивости функционирования защиты.
Цель работы - научное обоснование успешности применения защиты от ОЗЗ, основанной на контроле пульсирующей мощности, в компенсированных сетях 6-35 кВ. Разработка рекомендаций по обеспечению устойчивости функционирования этой защиты.
Основные задачи работы:
- разработать математическую модель распределительной сети 6-35 кВ с компенсированной нейтралью, отражающую основные процессы установившихся ОЗЗ, на учете которых основан алгоритм функционирования новой защиты;
- оценить влияние на устойчивость функционирования защиты возможных неблагоприятных для ее работы факторов: возможной асимметрии собственных проводимостей фаз линий на землю; несимметрии напряжений источника питания; конфигурации сети;
- провести исследование влияния степени расстройки компенсации емкостных токов на устойчивость функционирования защиты;
- оценить влияние высших гармоник в сети на устойчивость функционирования защиты;
- обосновать выбор величины сопротивления резистора для комбинированного заземления нейтрали по условию гарантированного обеспечения устойчивости функционирования защиты;
- разработать математическую модель распределительной сети 6-35 кВ с компенсированной нейтралью для исследования устойчивости функционирования защиты от ОЗЗ при перемежающихся замыканиях на землю;
- разработать опытный образец устройства защиты от ОЗЗ и провести экспериментальные исследования качества работы защиты на физической модели компенсированной сети.
Объект исследования - защита распределительных компенсированных сетей 6-35 кВ от ОЗЗ.
Предмет исследования - новый принцип защиты от ОЗЗ распределительных сетей 6-35 кВ, основанный на контроле изменений пульсирующей мощности.
Методы исследования - математический метод сопряженных комплексных амплитуд, методы математического и имитационного моделирования с применением современных компьютерных технологий; экспериментальные исследования путем физического моделирования в лабораторных условиях с использованием опытного образца устройства новой защиты.
Достоверность результатов исследования - адекватность моделей и методов, используемых в диссертационной работе, подтверждается известными фундаментальными теориями и методами исследования процессов при однофазных замыканиях на землю, результатами вычислительных и натурных экспериментов.
Научная новизна работы:
1) теоретически обоснована возможность применения новой защиты от ОЗЗ в сетях 6-35 кВ с компенсированной нейтралью;
2) исследовано влияние на устойчивость функционирования защиты от ОЗЗ неблагоприятных факторов, таких как: асимметрия собственных проводимостей фаз линий на землю; возможная несимметрия напряжений источника питания; неоднородная конфигурация сети (различные значения показателей доли емкостей фаз относительно земли линий в суммарной емкости сети);
3) проведена оценка влияния степени расстройки компенсации и высших гармоник токов и напряжений на устойчивость функционирования защиты;
4) разработаны рекомендации по выбору величины сопротивления резистора для комбинированного заземления нейтрали, необходимой для гарантированного обеспечения устойчивости функционирования защиты от ОЗЗ;
5) теоретически и путем моделирования обоснована работоспособность новой защиты при перемежающихся ОЗЗ;
6) разработан опытный образец микропроцессорного устройства защиты от ОЗЗ, экспериментально доказана высокая эффективность работы новой защиты в компенсированной сети как при устойчивых, так и при перемежающих замыканиях на землю.
Практическая значимость и реализация результатов работы. Применен новый принцип защиты от ОЗЗ путем контроля приращений пульсирующих мощностей защищаемых линий в компенсированных сетях 6-35 кВ. Разработано устройство защиты, реализованное на базе современного микроконтроллера. Опытный образец устройства апробирован на физической модели распределительной сети 6-35 кВ с компенсированной нейтралью. Результаты испытаний опытного образца защиты от ОЗЗ свидетельствуют о возможности создания промышленных терминалов новой высокоэффективной защиты.
Разработаны научно обоснованные рекомендации для обеспечения устойчивости функционирования защиты от ОЗЗ в компенсированных сетях.
Основные положения, выносимые на защиту:
1) математические модели распределительной компенсированной сети 6-35 кВ для устойчивых и перемежающихся замыканий на землю, отражающие основные процессы, на которых основан алгоритм функционирования защиты;
2) результаты исследований и оценки влияния на устойчивость функционирования защиты от ОЗЗ асимметрии проводимостей фаз линий на землю, несимметрии источника питания, конфигурации сети, степени расстройки компенсации реактора, высших гармоник сети;
3) результаты оценки и рекомендации по выбору величины сопротивления резистора для комбинированного заземления нейтрали, необходимой для гарантированного обеспечения устойчивости функционирования защиты от ОЗЗ, основанной на контроле пульсирующей мощности;
4) результаты исследований работы защиты при перемежающихся ОЗЗ;
5) результаты исследований опытного образца устройства защиты на физической модели компенсированной сети.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских, и региональных научно-технических конференциях: международная научная конференция «Тинчуринские чтения» (г. Казань, 2012, 2013, 2014 г.); международная научно-практическая конференция «Федоровские чтения» (г. Москва, 2011, 2013 г.); международная научно-техническая конференция «Электроэнергетика глазами молодежи» (г. Екатеринбург, 2012 г.); международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий» (г. Екатеринбург, 2014 г.); международная научно-техническая конференция «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2011, 2012 г.); международная научно-практическая конференция «Энергосбережение, энергопотребление, энергоэффективность. Возобновляемые источники энергии» (г. Пермь, 2012 г.); международная научная конференция «Инновационные процессы в исследовательской и образовательной деятельности» (г. Пермь, 2012, 2013 г.); международная научно-практическая конференция «Горная электромеханика» (г. Пермь, 2014 г.); всероссийская научно-техническая конференция «Нефтегазовое и горное дело» (г. Пермь, 2011, 2012, 2014 г.); всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (г. Новосибирск, 2012 г.); краевая научно-техническая конференция «Автоматизированные системы управления и информационные технологии» (г. Пермь, 2012 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, в т.ч. 4 статьи в изданиях списка ВАК РФ, получены 2 патента на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 82 наименований и двух приложений. Общий объем работы составляет 171 страницу и содержит 43 рисунка и 5 таблиц.
В диссертационной работе получены следующие основные научно-практические результаты:
1) теоретически обоснована возможность успешного применения новой защиты от ОЗЗ в сетях 6-35 кВ с компенсированной нейтралью;
2) исследовано влияние на устойчивость функционирования защиты от ОЗЗ различных возможных неблагоприятных для ее работы факторов, таких как: асимметрия собственных проводимостей фаз линий на землю, несимметрия напряжений источника питания, кон-фигурация сети (большие значения показателей доли емкостей фаз линий в суммарной емкости сети);
3) проведена оценка влияния степени расстройки компенсации и высших гармоник токов и напряжений на устойчивость функционирования защиты;
4) разработаны рекомендации по выбору величины сопротивления резистора для комбинированного заземления нейтрали, необходимой для гарантированного обеспечения устойчивости функционирования защиты от ОЗЗ;
5) теоретически и путем моделирования обоснована возможная работоспособность новой защиты от ОЗЗ при перемежающихся ОЗЗ;
6) разработан опытный образец микропроцессорного устройства защиты от ОЗЗ, экспериментально доказана высокая эффективность работы новой защиты в компенсированной сети как при устойчивых, так и при перемежающих замыканиях на землю.
Перспектива дальнейшей разработки темы:
1) исследование влияния на устойчивость функционирования защиты других факто-ров: погрешностей измерительных трансформаторов тока и напряжения, величины и характера переходного сопротивления в месте замыкания на землю;
2) проведение промышленных испытаний разработанного устройства защиты в действующей распределительной сети 6-35 кВ с компенсированной нейтралью.
1) теоретически обоснована возможность успешного применения новой защиты от ОЗЗ в сетях 6-35 кВ с компенсированной нейтралью;
2) исследовано влияние на устойчивость функционирования защиты от ОЗЗ различных возможных неблагоприятных для ее работы факторов, таких как: асимметрия собственных проводимостей фаз линий на землю, несимметрия напряжений источника питания, кон-фигурация сети (большие значения показателей доли емкостей фаз линий в суммарной емкости сети);
3) проведена оценка влияния степени расстройки компенсации и высших гармоник токов и напряжений на устойчивость функционирования защиты;
4) разработаны рекомендации по выбору величины сопротивления резистора для комбинированного заземления нейтрали, необходимой для гарантированного обеспечения устойчивости функционирования защиты от ОЗЗ;
5) теоретически и путем моделирования обоснована возможная работоспособность новой защиты от ОЗЗ при перемежающихся ОЗЗ;
6) разработан опытный образец микропроцессорного устройства защиты от ОЗЗ, экспериментально доказана высокая эффективность работы новой защиты в компенсированной сети как при устойчивых, так и при перемежающих замыканиях на землю.
Перспектива дальнейшей разработки темы:
1) исследование влияния на устойчивость функционирования защиты других факто-ров: погрешностей измерительных трансформаторов тока и напряжения, величины и характера переходного сопротивления в месте замыкания на землю;
2) проведение промышленных испытаний разработанного устройства защиты в действующей распределительной сети 6-35 кВ с компенсированной нейтралью.