Актуальность работы.
Электроэнергетическая система включает генерирование, передачу и распределение электрической энергии. Линии электропередачи (ЛЭП) используются для доставки электроэнергии к удаленным нагрузкам. Быстрый рост электроэнергетической системы приводит к увеличению числа действующих линий и их общей длине. Воздушные линии являются наименее надежными элементами энергосистемы. Даже кратковременные перерывы в подаче электроэнергии наносят огромные убытки народному хозяйству (брак, тяжелые аварии, а иногда несчастные случаи с людьми).
Замыкания на землю в распределительных сетях 6 — 35кВ являются наиболее частым явлением и составляют не менее 75% общего числа повреждений [1]. В сети с изолированной или компенсированной нейтралью однофазное замыкание на землю (033) само по себе не является аварией. 033 характеризуется малыми токами, не искажает треугольник междуфазных напряжений и, следовательно, не отражается на питании потребителей. Поэтому в отличие от коротких замыканий (КЗ) такие повреждения не требуют немедленной ликвидации.
Между тем, длительное существование 033 в сети нередко служит причиной развития повреждения с последующим переходом в аварийное, которое требует немедленного отключения. К числу аварийных последствий 033 относятся: значительные перенапряжения на оборудовании, переход 033 в междуфазное КЗ, появление двойных замыканий на землю в разных точках сети из-за пробоя или перекрытия изоляции на неповрежденных фазах, а самое главное велика вероятность попадания человека под напряжение прикосновения или шага.
Для исключения последствий, вызванных 033, а также уменьшения среднего времени восстановления поврежденного участка, как при 033, так и при междуфазном КЗ, необходимо быстрое определение места повреждения (ОМП). Однако ОМП является наиболее сложной, а часто и наиболее длительной технологической операцией по восстановлению поврежденных участка или элементов электросети.
Методы диагностики электролиний напряжением 110 кВ и выше, которые имеют глухозаземленную нейтраль, хорошо известны и успешно используются на практике. Задачи ОМП в настоящее время в сетях данного класса напряжения решаются с помощью комплексов технических и программных средств по значениям электрических параметров аварийного режима [2, 3, 4, 5].
Для воздушных электролиний напряжением 6 — 35кВ, составляющих основу распределительных сетей, до сих пор не существует реально используемых эффективных методов дистанционного определения места повреждений. В распределительных сетях применяется изолированная или компенсированная нейтраль, в результате чего значения токов замыкания на землю достаточно малы и не превышают 20−30 А [6, 7]. Кроме того, распределительные сети имеют сильно разветвленную древовидную топологию. Вследствие этого, методы диагностики, успешно используемые в электролиниях напряжением 110 кВ и выше, в данном случае неприменимы. В настоящее время при авариях типа 033 ОМП в сетях 6−35 кВ осуществляется путем поочередного отключения присоединений с одновременным контролем напряжения нулевой последовательности. Данный метод занимает достаточно много времени в связи с тем, что для отключения присоединений используется оперативно-выездная бригада.
Методы определения места повреждения подразделяются на дистанционные и топографические. При этом дистанционные методы подразумевают использование приборов и устройств, устанавливаемых на подстанциях и указывающих расстояние до повреждения. Топографические методы подразумевают определение искомого места непосредственно при наличии устройств ОМП на трассе ЛЭП, установленные стационарно на 5 опоре или находящиеся в распоряжении поисковой бригады. Современный уровень развития микроэлектроники и микропроцессорной техники позволяет разрабатывать топографические датчики, способные обрабатывать измеренные данные согласно сложным алгоритмам [8,9].
В настоящее время на фоне реструктуризации энергетической отрасли остро встает проблема On-Line диагностики электрических сетей. Одной из задач которой является уменьшение потерь при транспортировке электроэнергии от места производства до конечного потребителя. Решение этой задачи невозможно без насыщения электрических сетей современными интеллектуальными средствами диагностики, способными контролировать параметры нормального и аварийного режимов в разных точках разветвленной ЛЭП. Другими словами необходимо создание «умных сетей» [10], способных объединить возможности информационных технологий и силовой электротехники, на основе топографических датчиков, монтируемых в разных точках ЛЭП.
На сегодняшний день существует несколько теорий развития процесса 033. Основоположником исследований был Петерсен. Также над данной тематикой работали Петере и Слепян, Беляков H.H., которые предлагали свои теоретические модели 033 [1]. Следует отметить, что до сих пор данный процесс остается до конца не изученным в связи с отсутствием достаточного экспериментального материала и сложностью самого явления 033. Разработанные модели в основном ориентированы на изучение перенапряжений при дуговых замыканиях. Поэтому для формирования целостной картины также необходимо рассмотреть формы тока с точки зрения длительности и величины амплитуды скачков тока при пробое изоляции и образовании ОЗЗ.
Цель работы и задачи исследования.
Цель работы заключается в совершенствовании существующих методов и разработке новых технических средств определения участка повреждения (ОУП) воздушной линии (ВЛ) электропередачи 6−35 кВ.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
— разработать методику расчета переходного процесса при 033 для сетей с изолированной нейтралью и проанализировать полученные результаты на соответствие экспериментальным испытаниям.
— разработать способы определения участка повреждения при дуговых и металлических ОЗЗ.
— разработать способ определения переходного сопротивления при ОЗЗ и емкости шин подстанции относительно земли по параметрам аварийного режима.
— разработать конструктивное исполнение блока питания на основе трансформатора тока.
— разработать датчик тока с электропитанием от фазного тока, способный регистрировать параметры нормального и аварийного режимов и передавать информацию на верхний уровень автоматизации по беспроводному каналу связи.
Методика исследования.
Решение поставленных задач осуществлялось на основе следующих методов исследования: математическое моделирование на базе теории электрических цепейлабораторные экспериментальные исследованияпроверка результатов исследования при проведении натурных испытаний в условиях реальной эксплуатации.
Достоверность и обоснованность результатов работы.
Результаты диссертационной ' работы реализованы в технических решениях и апробированы на ЛЭП 6 кВ. Результаты экспериментов не противоречат и дополняют результаты, полученные в исследуемой области другими авторами.
Научная новизна работы;
— разработан новый способ ОУП на воздушных ЛЭП при дуговых 033, заключающийся в фиксации контура протекания аварийной составляющей тока замыкания на землю путем одновременного измерения уровня высших гармоник в начале линии и на ее отпайках.
— разработан новый способ ОУП на воздушных ЛЭП при металлических и дуговых 033, заключающийся в фиксации контура протекания аварийной составляющей тока замыкания на землю путем одновременного измерения первой производной тока в начале линии и на ее отпайках.
— разработан новый способ определения емкости шин подстанции относительно земли и переходного сопротивления при 033 для определения характера места повреждения, заключающийся в аналитических зависимостях между названными параметрами и параметрами режима при металлическом 033.
— разработан датчик тока с электропитанием от фазного тока, способный регистрировать параметры нормального и аварийного режимов и передавать информацию на верхний уровень автоматизации по беспроводному каналу связи.
— разработан новый способ определения поврежденной фазы при аварии типа 033, основанный на временном сравнении положения всплеска тока относительно максимума нагрузочного тока.
Практическая ценность работы.
Разработанные способы, аппаратные и программные средства поиска участка повреждения позволяют оценить расстояние от питающей подстанции до участка, где произошло междуфазное КЗ или замыкание на землю в ВЛ с древовидной структурой и ограничить зону обхода линии оперативно-ремонтным персоналом и, тем самым уменьшить время, в течение которого существует большая вероятность попадания человека под шаговое напряжение, а также время недоотпуска электроэнергии или время работы сети в режиме 033.
Разработанные датчики тока, реализующие способ ОМП на ЛЭП 635 кВ, совместно с программой верхнего уровня автоматизации введены в опытную эксплуатацию в Филиале ОАО «Сетевая компания» Казанские электрические сети.
Получен патент на изобретение [11].
Основные положения, выносимые на защиту:
— новый способ ОУП на воздушных ЛЭП при дуговых ОЗЗ, заключающийся в фиксации контура протекания аварийной составляющей тока замыкания на землю путем одновременного измерения уровня высших гармоник в начале линии и на ее отпайках.
— новый способ ОУП на воздушных ЛЭП при металлических и дуговых 033, заключающийся в фиксации контура протекания аварийной составляющей тока замыкания на землю путем одновременного измерения первой производной тока в начале линии и на ее отпайках.
— новый способ определения емкости шин подстанции относительно земли и переходного сопротивления при 033 для определения характера места повреждения, заключающийся в аналитических зависимостях между названными параметрами и параметрами режима при металлическом 033.
— датчик тока с электропитанием от фазного тока, способный регистрировать параметры нормального и аварийного режимов и передавать информацию на верхний уровень автоматизации по беспроводному каналу связи.
— новый способ определения поврежденной фазы при аварии типа 033, основанный на временном сравнении положения всплеска тока относительно максимума нагрузочного тока.
Апробация работы.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на: международной молодежной научной конференции.
XV Туполевские чтения" (г. Казань, 2007 г.), всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» г. Новосибирск, 2007 г), четырнадцатой международной научнотехнической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2008 г.), международной научнотехнической конференции «Энергетика 2008: инновации, решения, перспективы» (г. Казань, 2008 г), Ш-й молодежной международной научной конференции «Тинчуринские чтения» посвященной 40-летию КГЭУ г. Казань, 2008 г), пятнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2009 г.), II международной научно-практической конференции «Молодежь и наука: реальность и будущее» (г. Невинномысск,.
2009 г.), 1У-й молодежной международной научной конференции.
Тинчуринские чтения" (г. Казань, 2009 г.), У-й молодежной международной научной конференции «Тинчуринские чтения» (г. Казань, 2010 г.), шестнадцатой международной научно-технической конференции.
10 студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2010 г.), семнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2011 г.), VI-й молодежной международной научной конференции «Тинчуринские чтения» (г. Казань, 2011 г.).
Данная работа выиграла два конкурса: «Участник молодежного научно-инновационного конкурса», «Конкурс молодежных инновационных проектов 2010».
Публикации.
По результатам выполненных исследований опубликовано 8 печатных работ [11−18], в том числе [14−15], входящих в список журналов, утвержденных ВАКом для публикации основных научных результатов диссертаций на соискание ученой степени.
Объем и структура работы.
Основное содержание диссертации изложено на 180 страницах, содержит 117 рисунков и 5 таблиц. Работа состоит из введения, пяти глав и заключения.
Список использованных источников
содержит 60 наименований.
Выводы:
1) Разработанное устройство показало работоспособность и подтвердило правильность выбора основных технических решений.
2) Предложен алгоритм определения поврежденной фазы на основе разницы временных положений максимума всплеска тока и максимума нагрузочного тока, зарегистрированных магнитной антенной.
3) Всплеск тока в фазном проводе, вызванный ОЗЗ, трансформируется по форме на выходе магнитной антенны. При смещении максимума АЧХ магнитной антенны в область высоких частот происходит дифференцирование исходного сигнала. При смещении максимума АЧХ магнитной антенны в область низких частот сигнал на ее выходе повторяет форму всплеска тока в фазном проводе.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Выводы и рекомендации В работе выполнен анализ существующих алгоритмов определения места повреждения и теоретических исследований в области 033, на основании чего сделан вывод об отсутствии в настоящее время работоспособных автоматизированных алгоритмов определения зоны повреждения, в частности ОЗЗ, на ЛЭП 6−35 кВ.
С целью обоснования наиболее оптимального алгоритма фиксации начала аварии типа ОЗЗ были выполнены исследования формы тока нулевой последовательности, зафиксированного с помощью цифрового регистратора РЭС-3−16, установленного в филиале ОАО «Казанские электрические сети» на ЛЭП 6 кВ. Ранее в литературе широко исследовались лишь временные зависимости форм фазного напряжения и напряжения нулевой последовательности для выявления наибольшей величины перенапряжений.
В работе приведены результаты модельных исследований установившегося и переходного процесса при ОЗЗ. В результате моделирования разработан способ определения нормальных (величина фазной емкости) и аварийных (величина переходного сопротивления) параметров системы при аварии типа ОЗЗ, проведена оценка длительности всплесков тока, обусловленных процессами разряда емкости поврежденной фазы и дозарядом емкостей неповрежденных фаз. Длительность всплеска тока больше до места замыкания, чем после него. Это связано с большей величиной емкости в начале ЛЭП относительно величины емкости в конце ЛЭП.
Предлагается два способа ОУП на воздушной ЛЭП, заключающиеся в фиксации контура протекания аварийной составляющей тока замыкания на землю путем одновременного измерения уровня высших гармоник или одновременного измерения первой производной тока в начале линии и на ее отпайках.
В работе описан впервые разработанный автономный микропроцессорный датчик тока, регистрирующий аварийные параметры режима, выполненный на современной микроэлектронной базе, питающийся электроэнергией фазного провода по впервые предложенной схеме блока питания с ТТ, использующий беспроводные каналы связи для передачи информации на компьютер дежурного диспетчера, что позволяет сократить время поиска места повреждения. Конструкция датчика защищена патентом на изобретение. Рассмотрены различные схемы соединения ТТ блока питания с целью выбора оптимальной схемы как по стоимости датчика, так и по минимальной величине фазного тока, при которой датчик является работоспособным. Согласно проведенным исследованиям наиболее приемлемым является каскадное соединение четырех трансформаторов тока. Впервые рассмотрены процессы заряда и разряда аккумулирующего элемента блока питания на основе ионистора при питании его электроэнергией от ТТ.
Разработанный датчик тока позволяет осуществляет сбор информации с разных точек ЛЭП и в нормальном режиме, что позволяет создавать на его основе «умные сети», способные объединять возможности информационных технологий и силовой электротехники.
Опытная эксплуатация системы сбора нормальной и аварийной информации на основе разработанных датчиков тока в составе шести штук в.
ОАО «Сетевая компания» показала работоспособность датчиков и подтвердила правильность выбора основных технических решений. В результате обработки собранной датчиками информации во время опытной эксплуатации был предложен алгоритм определения поврежденной фазы на основе разницы временных положений максимума всплеска тока и максимума нагрузочного тока, зарегистрированных магнитной антенной датчика. На основании осциллограмм, полученных с помощью цифрового регистратора РЭС-3−16, и осциллограмм, собранных с помощью датчиков тока, была выявлена относительно высокая частота появления аварий типа.
146 металлическое ОЗЗ. Это позволяет модернизировать алгоритм определения аварии типа ОЗЗ в датчиках тока и напряжения. Начало аварии типа 033 наиболее достоверно определяется фактом превышения установленного порога первой производной от сигнала магнитной антенны или второй производной от сигнала напряжения любой фазы.
Результаты экспериментальных исследований напряжений и токов во время аварии типа ОЗЗ, приведенные в работе представляют практический интерес с точки зрения изучения ОЗЗ, позволяют уточнить представления о процессах протекающих при ОЗЗ.
Разработанные и запатентованные конструктивные решения позволяют создавать автономные микропроцессорные датчики тока, способные сократить время поиска места повреждения и уменьшить социально-экономический ущерб от недопоставки электроэнергии.