Совершенствование методов расчета и обнаружения несимметричных аварийных режимов электрических сетей класса 10 кВ

Ежегодно в России растет энергопотребление, строятся новые электростанции, модернизируются старые, прокладываются новые линии электропередачи. Общее количество подстанций в России на 2010 год составляет:

• подстанций напряжением 35−220 кВ — 17 тыс.;

• подстанций напряжением 6−35/0,4 кВ — более 500 тыс.

Воздушных и кабельных линий 0,38−220 кВ насчитывается 2,35 млн. км, в том числе:

• напряжением 0,38 кВ — 840 тыс. км;

• напряжением 6−10 кВ — 1,1 млн. км;

• напряжением 35 кВ — 180 тыс. км;

• напряжением 110−220 кВ — 220 тыс. км.

Наиболее протяженными являются воздушные линии электропередачи (BJI) класса напряжения 6−10 кВ, которые составляют 46,8% от длины всех линий. Стоит отметить, что половина ВJI 6−10 кВ отработали свой ресурс.

Состояние 15% подстанций 6−10/0,4 кВ неудовлетворительно, более 40% воздушных и масляных выключателей отработали нормативные сроки, а 50% систем релейной защиты и автоматики (РЗиА) морально устарели [1].

Число аварийных отключений BJI 10 кВ на 100 км длины линии составляет 6−7 раз в год. Источниками аварий BJI 6−10 кВ являются:

— повреждение опор — 40%;

— повреждение изоляторов — 35%;

— повреждение проводов — 25%.

Наиболее распространенный вид повреждения BJI 10 кВ — это однофазное замыкание на землю (ОЗЗ). Это ненормальный режим (утяжеленный) в сетях с изолированной или компенсированной нейтралью. При ОЗЗ линия может находиться в работе, так как система линейных напряжений не изменяется и у потребителей на стороне 0,4 кВ не чувствуется. Однако, необходима сигнализация данного режима на питающей подстанции с последующим его устранением. Это обусловлено частым переходом 033 в двойное замыкание на землю (ДЗЗ) при больших токах замыкания, которое уже считается аварийным режимом (АР), и ВЛ подлежит отключению. К другим аварийным режимам относят междуфазные двухфазные и трехфазные короткие замыкания (КЗ), обрыв фазного провода и сочетание обрывов и замыканий. При возникновении аварийного режима необходимо либо представить информацию диспетчеру, либо селективно отключить аварийный участок линии электропередачи (ЛЭП).

Актуальность темы

В настоящее время расчет и обнаружение сложных несимметричных режимов линий электропередачи является актуальной задачей. Фидера 10 кВ имеют протяженность до нескольких десятков километров, поэтому правильно и своевременно обнаружить вид и место возникшей аварийной несимметрии в сети позволит сократить время ремонтной бригаде устранить неисправность.

Для расчета несимметричных режимов применяется в основном два метода: метод трех симметричных составляющих и метод фазных координат. Первый метод справедлив только для трехфазных симметричных сетей. В случае расчета несимметричного режима сети этим методом, составляются сложные схемы замещения. То есть, при расчете сложных несимметричных режимов и расчете не трехфазных сетей пользоваться этим методом затруднительно.

На современном этапе существуют мощные вычислительные машины с большой производительностью, которые дают возможность расчета несимметричных режимов в фазных координатах, используя полные матрицы параметров линии, нагрузок, трансформаторов, фильтров и других устройств. При этом, расчет токов и напряжений в узлах и ветвях линии производится в реальных величинах в каждой фазе сети. Этот метод позволяет рассчитывать сети произвольного числа фаз и видов несимметрии.

Также важной задачей является разработка способов определения места и вида аварийных несимметричных режимов.

В высоковольтных электрических сетях напряжением 220 кВ и более для определения места повреждения (ОМП) используются современные методы и средства. В распределительных сетях средства ОМП используются недостаточно. Поэтому представляет интерес совершенствование методов расчета и обнаружения несимметричных аварийных режимов электрических сетей класса 10 кВ. В данной работе эта задача решалась с помощью разработки методики и программы расчета аварийных режимов (АР) в фазных координатах и разработки информационно-поисковой системы.

Целью диссертационной работы является разработка методики обнаружения вида и места несимметрии в фидере 10 кВ на основе современных методов вычисления и измерительных устройств.

Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработать расчетную модель фидера 10 кВ в фазных координатах, включающую в себя модели всех устройств: трансформатор в начале фидера класса 35/10 кВ со схемой соединения обмоток «звезда-треугольник» (или трансформатор 110/10 кВ «звезда с нулем — треугольник») — трансформатор в конце фидера класса 10/0,4 кВ со схемой соединения обмоток «звездазвезда с нулем» — измерительный трансформатор 10/0,1 кВучастки линии электропередачинагрузку на шинах 0,4 кВфильтры напряжения обратной (ФНОП) и нулевой (ФНОП) последовательности, блок несимметрии.

2. Получить аналитические модели трансформаторов, позволяющие при расчете матрицы передачи не использовать процедуру обращения комплексных матриц, а также получить модель объединенной трехпроводной (класса 10 кВ) и четырехпроводной (класса 0,38 кВ) сетей, позволяющей вести расчеты на основе эквивалентной матрицы передачи, что облегчает задачу расчета.

3. Разработать программу расчета несимметричных аварийных режимов фидеров 10 кВ с произвольным местом включения всех устройств вдоль фидера и определить влияние параметров этих устройств на аварийные несимметричные режимы с целью повышения точности расчета.

4. Разработать методику, позволяющую судить о виде и месте произошедшего аварийного режима на основе анализа фазных токов и напряжений в начале линии 10 кВ, а также напряжений на реагирующих органах ФНОП и ФННП при всех видах аварийных несимметричных режимов фидеров 10 кВ, а также при различных длинах линии и различных местах произошедшей несимметрии.

5. Разработать информационно-поисковую систему по определению вида и места несимметрии в фидере 10 кВ, основанную на использовании расчетной базы данных по параметрам аварийных режимов и сравнении их с измеренными аналогичными параметрами, а также оценить технико-экономическую эффективность разработанной системы.

6. Разработать лабораторно-исследовательский стенд по исследованию аварийных несимметричных режимов фидеров 0,38 — 10 кВ для проверки моделей элементов и режимов фидера в фазных координатах.

Объектом исследования является электрическая сеть напряжением 10 кВ с изолированной нейтралью и режимы ее работы.

Предмет исследования — модели, методы расчетов и средства определения места повреждения электрической сети 10 кВ по параметрам аварийных режимов.

Методы исследования. Для решения указанных задач использовались методы компьютерного моделирования электрической сети 10 кВ на основе метода фазных координат, математические методы с использованием матричной теории электрических сетей, экспериментальные исследования на лабораторно-исследовательском стенде.

Научная новизна работы.

1. Получена усовершенствованная модель фидера 10 кВ и разработана программа расчета на ЭВМ любых видов аварийных несимметричных режимов в фазных координатах на основе выведенных аналитических моделей трансформаторов и эквивалентных матриц передачи совместного моделирования трехпроводной сети 10 кВ, соединенной с четырехпроводной сетью 0,38 кВ.

2. Исследовано влияние на аварийные несимметричные режимы параметров элементов фидера 10 кВ, позволившее оценить степень этого влияния и необходимость их учета для повышения точности расчета. Обоснованы для применения два значения переходного сопротивления: при металлическом замыкании и замыкании через переходное сопротивление в месте повреждения.

3. Предложена методика определения вида и места возникших аварийных режимов, которая основана на анализе фазных токов и напряжений в начале линии 10 кВ, а также напряжений на реагирующих органах ФНОП и ФННП при всех видах режимов в различных местах линии и на выведенных соотношениях между исследованными параметрами.

4. Предложена модель информационно-поисковой системы по обнаружению с достаточной для практического применения точностью вида и места аварийного режима в фидере 10 кВ, основанная на сравнении рассчитанной по разработанной программе базы данных всех режимов фидера с соответствующими измеренными параметрами и передачей сообщения, что повышает эффективность поиска.

Практическая ценность.

Разработана модель информационно-поисковой системы, основанная на программе расчета и рассчитанной базе данных по параметрам АР, а также на использовании цифровых фиксирующих вольтметров и амперметров, что позволяет определять вид и возможный диапазон длин до произошедшей аварии.

Разработан лабораторно-исследовательский стенд, позволяющий проводить исследования различных несимметричных аварийных режимов фидеров 0,38−10 кВ.

Основные результаты диссертации, полученные автором при выполнении исследований, прошли проверку в филиале ОАО «МРСК Центра» -" Костромаэнерго", что подтверждено соответствующим актом внедрения представленного в приложении. Результаты диссертации используются в учебном процессе кафедры информационных технологий в электроэнергетике Костромской ГСХА, что подтверждено справкой, приведенной в приложении.

Основные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся:

1. Методика расчета аварийных несимметричных режимов фидеров 10 кВ в фазных координатах, отличающаяся использованием полученных аналитических выражений для матриц передачи трансформаторов и эквивалентных матриц передачи объединяющей сети 10 и 0,38 кВ.

2. Результаты исследования аварийных несимметричных режимов фидеров 10 кВ при различных параметрах элементов фидера с оценкой степени влияния переходного сопротивления в месте аварии, параметров трансформаторов, параметров линии, мощности и тангенса угла нагрузки, статических характеристик нагрузки.

3. Методика определения вида и места аварийных несимметричных режимов по соотношениям между токами и напряжениями в этих режимах с учетом возможной погрешности.

4. Методика определения вида и места аварийной несимметрии на основе информационно-поисковой системы с использованием базы данных этих режимов и показаний соответствующих приборов, позволяющая повысить эффективность и сократить время поиска повреждения в фидере 10 кВ.

Достоверность исследований обусловлена применением строгих математических преобразований с использованием матричной теории электрических сетей, а также проведенными экспериментами на лабораторной модели фидера 10−0,38 кВ, состоящей из трансформатора, двух участков линии, ФНОП, ФННП, нагрузки и блока несимметрии.

Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертации доложены, обсуждены и получили положительную оценку на международных научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО Костромской ГСХА в 2008, 2009, 2010, 2011, 2012 годах.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 20 научных работ, в том числе 3 статьи в изданиях рекомендованных перечнем ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и 3-х приложений. Ее содержание изложено на 160 страницах, иллюстрировано 41 рисунком, включает 20 таблиц, библиографический список из 92 наименований.

4.5. Выводы по главе 4.

1. Приведены расчеты и исследования параметров аварийных режимов в зависимости от места возникновения повреждения. Проанализированы зависимости фазных напряжений 11А, 17 В, 17с в начале линиифазных токов /А, /в, /с в начале линиинапряжений на РО фильтров напряжения обратной и нулевой последовательностей от места аварии.

2. Определены соотношения между указанными параметрами аварийного режима и предложены критерии, позволяющие однозначно определить вид произошедшего режима.

3. Разработана методика определения места повреждения от начала линии, основанная на интерполяции табличных функций расчетных параметров режимов с помощью полинома п-й степени, коэффициенты которого определяются с использованием матрицы Вандермонда. Показано,.

146 что задавая интервал погрешности расчета или измерения соответствующих величин (напряжений или токов) и решая полином на границах интервала, можно найти длину участка, в котором произошел данный вид повреждения.

4. Разработана информационно-поисковая система определения вида и места аварии, состоящая из программы расчета, рассчитанной базы данных для каждого обслуживаемого фидера и фиксирующих приборов для замера фазных напряжений в начале фидерафазных токов в начале фидераа также напряжений на фильтрах. Предложенная система сравнивает измеренные и расчетные величины и производит выборку событий, соответствующих произошедшему аварийному режиму.

5. Разработан лабораторный стенд для исследования аварийных режимов. Результаты экспериментов показали хорошее совпадение измеренных на стенде и рассчитанных программой параметров моделируемых режимов.

6. Внедрение информационно-поисковой системы позволит получить существенный годовой экономический эффект порядка 26,5 тыс. рублей в расчете на один фидер, что при 42 фидерах уже составит 1,112 млн. рублей.

7. Результаты диссертации в виде программы расчета и рекомендаций внедрены в службе релейной защиты и автоматики филиала ОАО «МРСК-Центра» — «Костромаэнерго», а также в учебный процесс кафедры информационных технологий в электроэнергетике ФГБОУ ВПО Костромская ГСХА.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Разработаны универсальная расчетная модель и программа расчета квазиустановившихся аварийных режимов фидеров 10 кВ в фазных координатах, позволяющие учитывать параметры трансформаторов, линий, фильтров, нагрузки и блока несимметрии.

2. Разработаны аналитические модели трансформаторов со схемами соединения обмоток «звезда-треугольник» (35/10 кВ) и «звезда-звезда с нулем» (10/0,4 кВ), позволяющие при расчете режимов отказаться от использования сложных процедур обращения комплексных матриц. Разработана аналитическая модель фидера, позволяющая вести совместный расчет сетей 10 и 0,38 кВ.

3. Выявлены особенности влияния на аварийные режимы основных параметров фидеров 10 кВ: индуктивных сопротивлений и емкостных проводимостей линии, мощности и тангенса угла нагрузки, переходного сопротивления в месте повреждения, параметров трансформаторов, статических характеристик нагрузок, ответвлений от линии. Показано, что исследуемые параметры ведут к уточнению расчетов до 3−10%, что необходимо учитывать в расчетной модели фидера. Показано, что если переходное сопротивление в месте повреждения неизвестно точно, то можно использовать его два значения: 0,1 Ом при металлическом замыкании и 500 Ом при замыкании через переходное сопротивление, что облегчает задачу расчета.

4. Разработана методика, позволяющая определить как вид режима по предложенным в работе критериям, так и диапазон удаленности места повреждения, рассчитываемый с использованием интерполяционных функций параметров режимов.

5. Разработана информационно-поисковая система определения вида и места повреждения, на основе сравнивания измеренных и расчетных величин, соответствующих данному аварийному режиму. Установлено, что данная система позволяет определить место повреждения с достаточной для практики точностью, а также получить существенный годовой экономический эффект порядка 26,5 тыс. рублей в расчете на один фидер, что при 42 фидерах РЭС «Островский» Костромской области составит 1,112 млн. рублей.