Усовершенствование средств контроля и автоматической настройки режима заземления нейтрали в электрических сетях 6-10 кВ на основе наложения токов непромышленной частоты

Актуальность работы. Электрические сети напряжением 6 — 35 кВ с компенсацией емкостного тока являются наиболее распространенным видом распределительных сетей городов и промышленных предприятий России.

Опыт эксплуатации сетей с компенсацией емкостного тока, обобщенный в ряде работ, а особенно глубоко и тщательно в работе [2] показывает, что при правильной эксплуатации, то есть при соответствующей настройке дугогася-щих реакторов, эффективность компенсации емкостных токов, как правило высока. При этом эффективность компенсации определяется способностью дугогасящих аппаратов ограничивать токи через место повреждения, перенапряжения и скорости восстанавливающихся напряжений после гашения заземляющей дуги. В качестве количественной оценки эффективности компенсации принимается отношение числа замыканий на землю не перешедших в короткие замыкания, к общему числу замыканий {2].

В-электрических сетях, в которых состояние изоляции, благодаря проведению предусмотренных существующими правилами профилактических мероприятий поддерживается на надлежащем уровне, эффективность компенсации составляет, как правило, не ниже ?0%.

Достоинством электрических сетей с компенсацией емкостного тока является также возможность работать в течение длительного времени (до двух часов по нормам) при наличии замыкания на землю. Такая возможность важна в тех случаях, когда отсутствуют средства для быстрого обеспечения питания потребителей через резервные элементы.

В настоящее время все большее распространение для компенсации емкостного тока замыкания на землю получают плавнорегулируемые дугогасящие реакторы различного исполнения. В России промышленностью выпускаются дугогасящие реакторы, индуктивность которых регулируется изменением немагнитного зазора в магнитопроводе (плунжерные). Оснащение электрических сетей плавнорегулируемыми дугогасящими реакторами может дать полноценный эффект, если последние будут снабжены средствами их автоматической настройки в резонанс с емкостью сети.

Вместе с этим следует также констатировать, что некоторая часть электрических сетей еще длительное время будет эксплуатироваться с дугогася-щими реакторами, у которых индуктивность регулируется ручным переключением числа витков. Для таких сетей весьма полезным является оборудование их приборами для непрерывного измерения расстройки компенсации. В этом случае, дугогасящие реакторы могут своевременно перестраиваться персоналом, благодаря чему может быть уменьшено общее время работы сети со значительными расстройками компенсации. Решение задачи непрерывного контроля степени расстройки компенсации может быть совмещено с решением задачи автоматической настройки дугогасящего реактора в нормальном режиме.

Практическое значение может иметь и непрерывное измерение коэффициента демпфирования (отношение активной составляющей тока замыкания к емкостному, например в следующих случаях:

1. При определенных условиях, измерение коэффициента демпфирования может оказаться полезным как средство непрерывного контроля состояния изоляции сети. Особенно это может быть важным для электрических сетей, имеющих участки воздушных линий на железобетонных опорах, так как при загрязнении и увлажнении изоляторов и при замыкании на землю протекание по т^лу железобетонной опоры активного тока вызывает опасные напряжения прикосновения, шаговые напряжения, а также разрушение материала опор [35].

2. Когда в сетях с компенсацией емкостного тока для снижения напряжения смещения нейтрали, вызванного естественной несимметрией фаз сети, применяется подключение к нейтрали резистора с регулируемым сопротивлением. Такое предложение рассматривается, например, в [3T}V В-этой работе указывается, что практически для снижения напряжения смещения нейтрали до допустимых значений требуется увеличивать коэффициент демпфирования не более чем до 15%-20%.

3. При использовании появившегося в последнее время предложения искусственно увеличивать коэффициент демпфирования до 15 — 20% путем подключения соответствующего резистора параллельно дугогасящему реактору [34]. За счет этого уменьшается время, в течение которого неповрежденные фазы находятся под повышенным напряжением после обрыва дуги, и устраняется возможность пробоев изоляции при напряжении, превышающем амплитуду фазного напряжения, что может иметь место при работе сети с расстройкой компенсации. Это предложение может быть полезно для сетей оборудованных ступенчатыми дугогасящими реакторами, в которых могут быть большие расстройки компенсации. В этой работе рекомендуется подключать к нейтрали резистор такого сопротивления, чтобы результирующий коэффициент демпфирования был примерно равен расстройке компенсации.

В данной работе предлагаются и исследуются варианты решения задачи непрерывного измерения коэффициента демпфирования.

При рассмотрении задачи об усовершенствовании эксплуатации сетей с компенсацией емкостного тока следует сказать, что вопрос о способах заземления нейтрали в сетях 6−35 кВ не является однозначным [34,53,58,59, 60,61,62,63,67]. Предложения о других возможных вариантах заземления нейтрали (резистивное или комбинированное) являются вполне перспективными.

Однако электрические сети, оборудованные плунжерными и ступенчатыми дугогасящими реакторами, широко распространены и будут эксплуатироваться еще длительное время. Поэтому усовершенствование средств контроля и автоматической настройки режима заземления нейтрали в таких сетях в настоящее время является реальным резервом повышения их надежности.

В настоящее время имеется опыт разработки и эксплуатации устройств автоматической настройки дугогасящих реакторов, основанных на различных методах. Известными в этой области являются работы выполненные Гуминым М. И., Обабковым В. К., Петровым О. А., Степанчуком Д. Н., Труханом А. П. и др., а в последнее время на базе дугогасящих реакторов новых конструкций.

Баковым Ю.В., Евдокуниным Г. А. и рядом организаций.

По отношению к степени расстройки компенсации и коэффициенту демпфирования далее в этой работе используется термин — относительные параметры контура нулевой последовательности.

Возможность измерения этих параметров в полной мере отвечает задаче контроля и автоматической настройки режима заземления нейтрали, поскольку, положительные факторы, способствующие гашению дуги, определяются именно двумя относительными параметрами — расстройкой компенсации и коэффициентом демпфирования и в меньшей степени зависят от абсолютного значения емкостного тока замыкания. Перенапряжения на неповрежденных фаза^ при повторных зажиганиях дуги также определяются расстройкой компенсации и коэффициентом демпфирования.

Цель работы. Усовершенствование методов и средств контроля режима заземления нейтрали и автоматической настройки дугогасящих реакторов в электрических сетях с компенсацией емкостного тока замыкания.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

— Анализ существующих методов автоматической настройки дугогасящих реакторов и выбор метода для последующей проработки.

Исследование общих свойств метода наложения токов непромышленной частоты для контроля относительных параметров контура нулевой последовательности сети с компенсацией емкостного тока.

— Разработка способов формирования электрических величин для измерения относительных параметров контура нулевой последовательности, обеспечивающих приемлемую точность измерения.

— Разработка требований к основным параметрам устройства для измерения относительных параметров контура нулевой последовательности и автоматическойнастройки дугогасящего реактора.

— Разработка аппаратуры для контроля расстройки компенсации, коэффициента демпфирования и автоматической настройки дугогасящего реактора, с возможностью ее интеграции в АСУ ТП энергообъекта, а также средств для ее настройки и периодической проверки.

Методы исследований. При решении поставленных задач использованы метода теории линейных и нелинейных электрических цепей, метод статистических испытаний (Монте-Карло), математическое моделирование с использованием специализированного программного обеспечения. Результаты исследований проверялись экспериментально в лабораторных и промышленных условиях.

Научная новизна.

1. Выявлены общие свойства и возможности метода измерения относительных параметров контура нулевой последовательности сети с компенсацией емкостного тока на основе наложения токов непромышленной частоты.

2. Показана целесообразность назначения требований к точности измерения расстройки компенсации на основе учета одновременного влияния коэффициента демпфирования на методические погрешности и на факторы гашения дуги и перенапряжения при повторных зажиганиях дуги.

3. Предложена методика определения влияния нелинейности дугогасящих реакторов на время восстановления напряжения на поврежденной фазе после обрыва дуги.

К защите представляются:

Варианты решения задачи измерения расстройки компенсации и коэффициента демпфирования в сетях с компенсацией емкостного тока на основе метода наложения токов непромышленной частоты и способы формирования сигналов, обеспечивающие снижение методических погрешностей.

Функциональная схема устройства для измерения расстройки компенсации, коэффициента демпфирования и автоматической настройки дугогасящих реакторов, обоснование требований к параметрам ее основных узлов.

Техническая реализация устройства измерения расстройки компенсации, коэффициента демпфирования и автоматической настройки дугогасящих реакторов на базе комбинированного использования аналоговых и цифровых элементов, методика и технические средства, позволяющие осуществлять настройку аппаратуры без учета параметров конкретной сети.

Практическая ценность работы. Результаты исследования общих свойств метода наложения токов непромышленной частоты для измерения относительных параметров контура нулевой последовательности могут использоваться для дальнейшего усовершенствования устройств для контроля и автоматической настройки дугогасящих реакторов.

На основе результатов исследований технически проработаны варианты устройства для контроля расстройки компенсации и автоматической настройки дугогасящих реакторов, а также предложена методика и технические средства для настройки и периодической проверки этих устройств.

Реализация результатов работы. Устройство, выполненное на основе полученных в работе результатов, эксплуатируется в сети 6 кВ Кемеровской ТЭЦ. Два комплекта переданы для установки в сетях 10 кВ Западносибирской ТЭЦ.

Апробация работы. Результаты работы обсуждались на Всероссийских семинарах «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (г. Томск 1998, 1999 гг.), на 3-ей, 4-ой, 5-ой и 6-ой научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии (г.Томск, 1997;2000гг.), на международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (IX Бенардосовские чтения, г. Иваново, 1999 г.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 11 печатных работ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 72 наименований и приложения. Основной материал изложен на 175 страницах, включая рисунки и таблицы.

Выводы.

Т. Система контроля и автоматической настройки дугогасящих реакторов может быть реализована с использованием аналоговых и цифровых элементов широкого применения. При этом целесообразно для фильтрации и усиления первичных сигналов из-за их малой величины и значительного искажения гармониками использовать аналоговые элементы, а для выполнения вычислительных и логических операций программируемые цифровые элементы. При этом решается также и дополнительные задачи, полезные для эксплуатации: ведение протокола событий, возможность интеграции в АСУ ТП объекта и другие задачи.

2. Благодаря тому, что измерение расстройки компенсации и коэффициента демпфирования основано на использовании соотношения подводимых к.

172 устройству сигналов, а не их абсолютной величины, возможна достаточно точная настройка и периодическая проверка устройства без привязки к параметрам конкретной электрической сети с помощью специального источника калибровочных сигналов.

3. В составе системы контроля относительных параметров КНП и автоматической настройки ДГР может быть применен недорогой универсальный микроконтроллер с относительно небольшой производительностью и ограниченной разрядностью (8 бит). При этих условиях, достаточная точность вычислений обеспечена использованием библиотеки подпрограмм математики с плавающей точкой, позволяющей оперировать с числами в экспоненциальной форме с мантиссой до 8 знаков и порядком от -127 до +127.

47 Экспериментальная проверка на специальной установке для имитации работы системы автоматической настройки дугогасящих реакторов в динамическом режиме показала ее полную работоспособность и удовлетворительное совпадение результатов эксперимента и результатов, полученных на математической модели.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основе проведенных в диссертационной работе исследований получены следующие основные результаты:

1. Анализ методов автоматической настройки компенсации емкостных токов однофазного замыкания в электрических сетях напряжением 6-^1 ОкВ показал следующее:

— При реализации методов, основанных на использовании электрических величин промышленной частоты, в ряде случаев, для устранения влияния случайного по модулю и фазе напряжения естестеенного смещеши нейтрали или по принципу действия используются приемы, которые по составу технических средств в определенной степени эквивалентны наложению на сеть сигналов с частотой, отличающейся от промышленной.

— Устройства, основанные на наложении токов непромышленной частоты при соответствующем выполнении не подвержены влиянию случайного напряжения смещения нейтрали. Некоторые из таких устройств имеют определенный опыт эксплуатации, что позволяет считать метод наложения токов непромышленной частоты впозше работоспособным. Для усовершенствования устройств, основанных на этом методе, требуется проведение дополнительных исследований.

2. Выявлены общие свойства метода, основанного на наложении токов непромышленной частоты и основные принципы, которые должны быть положены в основу при разработке соответствующих устройств для измерения степени расстройки компенсации и коэффициента демпфирования. В частности выявлены области частот контрольного тока и электрические величины, которые рационально использовать для измерения относительных параметров КНП.

3. С помощью предложенной методики, основанной на определении и использовании понятия средней частоты свободных колебаний, установлено количественное влияние нелинейности вольтамперной характеристики ДГР на время восстановления напряжения до заданного значения после обрыва дуги в месте замыкания.

4. Определены методические погрешности измерения расстройки компенсации, вызываемые неучетом реальных параметров КНП. Выявлено влияние на методические погрешности частоты контрольного тока, выбора используемых для измерения электрических величин, что позволяет в свою очередь выбрать определенный вариант реализации метода в зависимости от постановки задачи и конкретных условий. Показано, что реализация функциональной полноты применяемого метода, то есть измерение как расстройки компенсации, так и коэффициента демпфирования ттрактичееки возможна только при использовании частоты ниже промышленной.

5. Рассмотрены и проанализированы возможные варианты функциональных схем устройства для измерения относительных параметров КНП, на основании чего для технической проработки принята схема с комбинированным использованием вещественной части и модуля напряжения на дугогасящем реакторе. Предложен способ снижения погрешности измерения расстройки компенсации при изменении коэффициента демпфирования в широких пределах. Получены рекомендации по допустимым диапазонам изменения параметров основных узлов функциональной схемы, при которых обеспечивается высокая вероятность измерения расстройки компенсации с результирующей погрешностью, не выходящей за пределы задаваемой потери качества компенсации и удовлетворительная точность измерения коэффициента демпфирования.

6. На основе разработанной математической модели системы, -содержащей измеритель расстройки компенсации и все элементы для автоматической настройки ДГР, выявлены основные факторы, влияющие на статическую точность и качество переходного процесса регулирования как при естественных параметрах системы, так и при использовании динамического торможения электродвигателя привода ДГР. Найдены области значений параметров, при которых обеспечивается апериодически устойчивый процесс регулирования при удовлетворительной статической точности.