Методика обнаружения места повреждения при однофазных замыканиях на землю в распределительных электрических сетях напряжением 6-35 кВ по их частотным характеристикам

В электросетевом комплексе страны наибольшей протяженностью обладают распределительные электрические сети напряжением 6−35 кВ, доля которых превышает 75%. Они являются связующим звеном между региональными электрическими сетями и потребителями электроэнергии. Более полумиллиона понижающих подстанций, установленных в этих сетях, обеспечивают питанием нагрузки на напряжении 0,4 кВ. В отличие от промышленности, повышение удельного электропотребления в бытовом и мелкомоторном секторе свидетельствует о развитии современных технологий: большем количестве электроприборов, облегчающем условия жизни людей, электрификации технологических процессов в животноводстве и сельском хозяйстве.

Одновременно с тенденцией повышения энергонасыщенности, в районных электрических сетях (РЭС) потребителями предъявляются все более жесткие требования к обеспечению нормативных показателей качества электроэнергии (ПКЭ), задаваемых [25]. Если по сверхнормативным отклонениям напряжения в протяженных РЭС нормативные требования могут быть успешно выполнены за счет установки современных устройств его продольного регулирования, то однофазные замыкания на землю (ОЗЗ) именно в силу большой протяженности воздушных линий представляют серьезную проблему. Они провоцируют перенапряжения, которые в конечном счете приводят к выходу из строя электрооборудования у потребителей. Т. е. ОЗЗ негативно сказываются на надежности электроснабжения.

По данным ОАО «Сетевая компания», г. Казань, доля ОЗЗ в общем количестве повреждений РЭС, составляет 70%, рис. В.1. Однофазные замыкания Короткие замыкания.

Рис. В.1. Диаграмма аварийных повреждений в РЭС.

Аналогичная ситуация и в других регионах, где электрические сети выполнены голыми алюминиевыми проводами. Переход на самонесущие изолированные провода в сетях 6 — 35 кВ и изолированные провода в сетях 35 кВ существенно снижает показатели аварийности РЭС, в том числе и по причинам ОЗЗ. По причине высокой стоимости таких проводов данный путь повышения надежности электроснабжения может рассматриваться как перспективный, реализуемый в новом строительстве, но не как решение сегодняшнего дня, учитывая требуемые колоссальные затраты на массовую реконструкцию воздушных линий РЭС в силу их огромной протяженности.

В связи с этим в эксплуатации электросетевого комплекса ставится задача не столько предотвращения ОЗЗ, сколько быстрейшего определения места повреждения (ОМП). Эта является наиболее сложной, а часто и наиболее длительной технологической операцией по восстановлению поврежденных участка или элементов электросети. Даже верховые осмотры не всегда позволяют найти следы перекрытия изоляторов в воздушных линиях электропередачи. Иногда, особенно при неустойчивых повреждениях, вообще не остается на трассе следов перекрытия и протекания токов замыкания [49]. Как вынужденное решение может считаться отключение фидеров с 033 устройствами релейной защиты (РЗ), что стало применяться в последнее время для электроснабжения ответственных потребителей, когда в сочетании с низкоомным резистивным заземлением нейтрали и микропроцессорными терминалами РЗ появилась возможность идентификации поврежденной линии.

Актуальность решения проблемы быстрейшего обнаружения и ликвидации ОЗЗ обусловливается старением воздушных линий РЭС, которые эксплуатируются по нескольку десятков лет. Ранее принятые нормы климатических воздействий на линии электропередач задавали частоту повторяемости экстремальных величин не чаще, чем 1 раз в 10 лет. В настоящее время продолжительность наблюдения увеличена до 30 лет, что показывает: подавляющее большинство РЭС эксплуатирует линии электропередачи в условиях внешних воздействий, превышающих нормативные. При этом в сетях напряжением 6−10 кВ уже более 50% воздушных линий электропередачи отработали свой срок. В них происходит в среднем 26 отключений в год в расчете на 100 км воздушных или кабельных линий [20]. По данным ОАО «Сетевая компания», г. Казань, трудозатраты на восстановление нормального режима линий составляют примерно ¾ всех трудозатрат на эксплуатацию и наибольшей составляющей трудозатрат на восстановление является поиск места повреждения.

Таким образом, при отсутствии достаточных инвестиционных возможностей в реконструкцию существующих воздушных линий электропередачи (ЛЭП) на первое место выходит организация текущего мониторинга их состояния с функцией определения расстояния до места повреждения по параметрам аварийного режима. В изучении физики процессов при ОЗЗ и решении этой проблемы ОМП принимали участие многие видные научные и инженерно-технические работники, например, такие как Евдокунин Г. А., Кадомская К. П., Кужеков С. Л., Короткевич М. А., Лихачев Ф. А., Сарин Л. И., Челазнов A.A., Щуцкой В. И., Шалыт Г. М., Шалин А. И., Ширковец А. И., Шуин В. А. и др. Предложен ряд методов ОМП, но в целом можно констатировать, что многообразие видов ОЗЗ не позволяет отдать предпочтение какому-либо одному методу, и ситуация складывается аналогично принципам выполнения релейной защиты, где один объект защищается устройствами РЗ, реагирующими на различные признаки проявления аварийного режима. Если учесть, что РЭС имеют сложную топологию, где могут быть реализованы различные способы заземления нейтрали, влияющие на уровень токов ОЗЗ и характер возникающих при этом переходных процессов, то следует признать необходимость в разработке комплекса методов ОМП, основанных на распознавании самого факта ОЗЗ и определении его местонахождения по различным режимным параметрам.

Одним из перспективных направлений является использование высших гармоник, возникающих в электрической сети при зажигании дуги ОЗЗ. В настоящее время уже имеется практическая реализация устройств ОМП на основе оценки уровня высших гармоник начальной части спектра. Поскольку в нормальном режиме в РЭС спектр гармоник, обусловленных нагрузкой и элементами сети, быстро затухает, область частот в несколько десятков килогерц и выше может оказаться предпочтительней как менее зашумленная. Если же учесть, что именно в этой области частот наблюдается проявление волновых свойств воздушных линий (ВЛ) электропередачи РЭС, то открываются возможности построения систем ОМП на основе выделения частот, соответствующих четверти волны — именно при этом условии происходит увеличение тока и напряжения соответствующей частоты, которое можно условно назвать «резонансным».

Дополнительные возможности по решению задачи ОМП открываются расширяющимся применением в РЭС автоматизированных систем учета электроэнергии с беспроводной передачей данных. Исследования, выполненные Латиповым А. Г., показали, что при 033 в РЭС высшие гармоники проявляют себя и на стороне 0,4 кВ понижающих подстанций. Тем самым снимается проблема в установке дорогостоящего высоковольтного оборудования для подключения измерительных устройств записи параметров аварийного режима с последующим выделением признаков 033. За счет микропроцессорной обработки спектрограмм на каждой подстанции, по каналу связи устройств учета электроэнергии можно передать в ограниченном объеме требуемую информацию в центр питания и на её основе также автоматически установить поврежденный участок сети. В настоящее время совершенно не изучены волновые свойства ВЛ в РЭС применительно к виду их частотных характеристик и их привязке к месту расположения высокочастотного сигнала.

Цели и задачи исследования. Целью данного исследования является разработка метода определения ОЗЗ на В Л в РЭС, основанного на использовании частотных характеристик электропередач в условиях заранее неизвестного расположения источника высокочастотного сигнала.

Объектами исследования являются воздушные линии электропередачи распределительных электрических сетей напряжением 6 — 35 кВ древовидной топологии.

Предметом исследования выступают диагностические признаки наличия дуговых ОЗЗ на воздушных линиях электропередачи РЭС напряжением 6 — 35 кВ и их связь с расстоянием до места повреждения.

Теоретическая и методологическая основа исследования базируется на использовании методов математического моделирования электрических сетей в сертифицированных программных продуктах Ма^аЬ и 81шиНпк, теории электрических цепей, теории установившихся и переходных процессов в электрических сетях, опубликованных экспериментальных данных по однофазным замыканиям на землю.

Личное участие автора исследования заключается в разработке всех основных теоретических положений диссертации. В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежат постановка и формализация задач, разработка теоретических и методических положений, математических моделей и методов, реализация алгоритмических решений и анализ результатов.

Научная новизна исследования заключается в следующем.

Показано, что воздушные линии электропередачи РЭС напряжением 6.

— 35кВ при воздействии дуговых замыканий на землю могут рассматриваться как длинные линии, при этом в области «резонансных» частот частотных характеристик допустимо использовать математическую модель линии без потерь активной мощности.

Установлены закономерности изменения частотных характеристик в зависимости от расстояния до места подключения источника высших гармоник и режимных параметров электропередачи.

Предложено использование частотных характеристик относительно напряжений прямой, обратной и нулевой последовательностей на концах электропередачи для идентификации однофазного замыкания на землю и выявления места повреждения.

Разработана методика построения ЧХ относительно любой точки приложения источника высших гармоник в РЭС.

Практическая значимость работы заключается в том, что на основе внедряемых в РЭС дистанционных устройств учета электроэнергии может быть создана система определения поврежденных участков электропередачи обрывов и ОЗЗ. Тем самым резко сокращается время обнаружения мест повреждения, а также негативное воздействие на сеть перенапряжений, провоцируемых перемежающейся дугой.

Достоверность результатов и выводов исследования подтверждается применением апробированных моделей электропередачи, использованием общепринятых физических допущений в отношении моделирования линий электропередачи, использованием теоретических и экспериментальных данных других авторов и сопоставлением с ними полученных результатов.

На защиту выносятся следующие положения.

Математическая модель воздушной линии электропередачи распределительной электрической сети напряжением 6−35 кВ, как длинной линии в режимах воздействия дуговых однофазных замыканий на землю.

Целесообразность использования частотных характеристик, снимаемых на концах электропередачи, для выявления поврежденного фидера по «резонансным» частотам.

Закономерности изменения частотных характеристик при ОЗЗ в различных точках РЭС для прямой, обратной и нулевой последовательностей напряжений в зависимости от места повреждения.

Методика построения ЧХ относительно любой точки приложения источника высших гармоник в РЭС древовидной структуры.

4.4. ВЫВОДЫ.

Частотные характеристики РЭС должны определяться относительно шин 0,4 кВ каждой потребительской подстанции Их взаимное сопоставление позволяет определиться с участком 033. По полученным аналитическим выражениям можно уточнить место замыкания, варьируя на «резонансной» частоте длину электропередачи в пределах выделенного участка.

Частотные характеристики симметричного режима могут использоваться при введении в нейтраль резистивного заземляющего трансформатора специальной катушки для наложения на промышленную частоту в сети тестового сигнала. В этом случае все параметры схемы замещения должны вводиться только для нулевой последовательности.

При контактном сопротивлении величиной несколько сотен килом и более «резонансный» пик практически исчезает и сопоставление частотных характеристик по разным подстанциям позволяет оценить только предполагаемый участок с ОЗЗ, но не расстояние от ЦП до него.

Высокоомное резистивное заземление нейтрали не сказывается на методике определения места ОЗЗ. Схема замещения нулевой последовательности для РЭС получается из схемы замещения обратной последовательности путем замены сопротивления питающей сети на сопротивление резистивного заземления. Нагрузки при этом должны быть отключены.

Низкоомное резистивное заземление нейтрали предполагает увеличение тока замыкания на землю, что расширяет верхнюю границу величины контактного сопротивления в несколько раз, при которой ещё наблюдается «резонансное» усиление напряжения высших гармоник.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Однофазные замыкания на землю в электрических сетях с изолированной нейтралью представляют серьёзную угрозу для надежного и качественного электроснабжения потребителей. Задачей мониторинга текущего режима является быстрейшее выявление признаков наличия ОЗЗ, установления фидера, на котором возникло повреждение, расчетным образом ограничение аварийного участка в РЭС с древовидной топологией и также расчетным образом вычисление расстояния до точки замыкания на землю.

В качестве индикатора 033 предложено использование спектра частот в области нескольких десятков килогерц, возникающих в сети при появлении дугового 033. В спектре частот промышленных и бытовых нагрузок сельских электрических сетей в этом диапазоне отсутствуют явно выраженные гармоники. За счет волновых свойств воздушных линий электропередачи в килогерцовом диапазоне частот возможно усиление напряжений высших гармоник, когда от источника до конца электропередачи укладывается четверть волны. Это свойство длинных линий можно использовать как для индикации наличия повреждения, так и для расчета расстояния до места 033.

Частотные характеристики линий электропередачи в несимметричных режимах могут использоваться по любой из последовательностей в зависимости от возможностей измерений. На передающем конце электропередач предпочтительней использование напряжений нулевой последовательности высших гармоник для обнаружения факта наличия ОЗЗ и токов нулевой последовательности высших гармоник для выявления поврежденного фидера.

При этом не требуется установка дополнительного высоковольтного оборудования, т.к. в центрах питания всегда устанавливаются измерительные трансформаторы напряжения (нулевая последовательность напряжений измеряется в обмотке «разомкнутый треугольник») и в большинстве случаев измерительные трансформаторы тока нулевой последовательности. Последние обеспечивают лучшее воспроизведение высших гармоник, если не имеют стального сердечника (т.н. катушка Роговского).

Для определения поврежденного участка необходимо иметь информацию о спектральном составе высших гармоник по каждой из потребительских подстанций, которая снимается со стороны 0,4 кВ этих подстанций. Для передачи информации используются узлы учета электроэнергии с беспроводным каналом связи.

Наличие эталонных частотных характеристик по каждой подстанции облегчает расчет места повреждения по экспериментальным данным. Метод нечеткой логики позволяет выделить полезный сигнал в спектральном составе напряжения способствует повышению точности расчетов.