Повышение чувствительности токовых защит на герконах

Актуальность темы

Международная конференция по большим энергетическим системам (СЮКЕ) считает задачу построения релейной защиты без трансформаторов тока (ТА) весьма актуальной [1] из-за их больших погрешностей в переходных режимах, металлоемкости и необходимости для повышения надежности резервировать защиты и ТА другими устройствами, выполняющими те же функции. Одним из направлений решения этой задачи является построение релейной защиты на магниточувствительных элементах. Были начаты работы по созданию защит на катушках индуктивности (И.М. Сирота, В. Е. Казанский, В. М. Шурин и др.), датчиках Холла (Э.А. Меерович, Л. А. Назаров и др.) и герконах (М.Я. Клецель, В. В. Гуревич и др.), позднее на магнитотранзисторах (В.Н. Нуждин, В. Н. Гречухин, К. С. Дмитриев и др.). Какой из этих или других вариантов окажется предпочтительней будет ясно только после окончания работ и опыта эксплуатации, причем многое будет зависеть от параметров защищаемой электроустановки.

Для построения защит электроустановок напряжением от 3 до 110 кВ нами выбраны герконы и катушки индуктивности (КИ). Герконы в сравнении с другими магниточувствительными элементами обладают важными для релейной защиты преимуществами: не требуют усилителей для передачи сигнала, и сама передача осуществляется по цепям управления, а не измерительным, могут одновременно выполнять функции аналого-дискретного преобразователя, измерительного преобразователя и реагирующего элемента, как и КИ, не нуждаются в устройствах компенсации влияния температуры, позволяют разделить первичные и вторичные цепи, а КИ еще и передавать информацию о токе без искажений.

На герконах уже разработаны максимальные токовые защиты (МТЗ) с независимой от тока выдержкой времени и принципы построения дистанционных и дифференциальных защит, использующих и КИ. Однако, эти МТЗ в ряде случаев не удовлетворяют требованиям чувствительности, а аналоги традиционных, более совершенных, чем упомянутые МТЗ, токовых защит с зависимой выдержкой времени и с фильтрами симметричных составляющих, выполненных на герконах и катушках индуктивности, не предлагались.

В связи с изложенным тема диссертации является актуальной.

Объектом исследования является релейная защита без трансформаторов тока.

Предмет исследования: разработка токовых защит на герконах, обладающих более высокой чувствительностью, чем известные.

Связь темы диссертации с общенаучными (государственными) программами. Работа выполнялась в соответствии: с научными направлениями исследовательского комитета В 5 «Релейная защита и автоматика» СЮКЕ, с научной целевой комплексной темой ФГОУ ВПО «НГАВТ» (Гос. регистр № 0188.4 137), раздел «Повышение уровней электромагнитной совместимости технических средств в региональных электроэнергетических системах», с основными направлениями научных исследований этой академии на 2007;2010гг. (раздел 1.10 «Разработка мероприятий и технологий по модернизации систем теплоэлектроснабжения объектов России»).

Цель работы — разработка токовой защиты повышенной чувствительности на герконах.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи: разработка методики определения координат геркона, обеспечивающих максимальную чувствительность МТЗпостроение токовой защиты с зависимой выдержкой времени на герконах и конструкций для их креплениясоздание фильтров симметричных составляющих на катушках индуктивности для электроустановок с горизонтальным и треугольным расположениями фаз;

— разработка фильтров симметричных составляющих на герконах и оценка чувствительности токовых защит, выполненных на их основе.

Методы исследований. При решении поставленных задач использовались фундаментальные положения теоретических основ электротехники, релейной защиты, схемотехники. Проводилось математическое, компьютерное и физическое моделирование. Вычисления выполнены в среде Mathematica 5.0.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются выбранными методами исследования, принятыми допущениями, объёмом выполненных исследований, практической реализацией разработанного устройства, полученными 5 патентами (1 — Российской Федерации и 4 — Республики Казахстан).

Научная новизна:

— на основе измерения времени замкнутого состояния геркона разработано и запатентовано устройство токовой защиты с зависимой характеристикой;

— созданы фильтры симметричных составляющих (ФСС) на герконах, не нуждающиеся в трансформаторах тока, и получены формулы для определения уставок защит, которые могут быть построены на их основе;

— разработан метод расчета индукции небаланса на выходе фильтровой защиты на герконах и ее тока срабатывания;

— оценено влияние соседней электроустановки и погрешностей крепления герконов и КИ на чувствительность защиты.

Практическая ценность работы:

— разработанные токовая защита с зависимой выдержкой времени и ФСС не используют трансформаторы тока, что дает значительный экономический эффект;

— токовые защиты на предложенных ФСС обладают лучшей чувствительностью, чем МТЗ с трансформаторами тока и герконами;

— предлагаемая методика позволяет повысить чувствительность МТЗ на герконах к трехфазным коротким замыканиям (КЗ);

— защиты на разработанных ФСС могут применяться для электроустановок как с горизонтальным, так и с треугольным расположением фаз;

— разработанное устройство для крепления герконов обеспечивает возможность регулирования параметров ФСС на токопроводах с треугольным расположением фаз.

Научные положения, выносимые на защиту:

— методика повышения чувствительности МТЗ на герконах;

— ФСС на герконах и катушках индуктивности и результаты их исследования;

— токовая защита на герконах с зависимой выдержкой времени;

— метод расчёта уставок защит на предлагаемых ФСС.

Реализация результатов работы. Разработанное устройство токовой защиты с зависимой выдержкой времени без трансформаторов тока на герконах внедрено в системе электроснабжения насосной станции ТОО «Павлодар-водоканал» (г.Павлодар, Казахстан). Годовой экономический эффект от внедрения составляет около 10 000 рублей. Срок окупаемости — менее 3 лет.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: XIV международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г.Москва, 2008 г.), XII международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электрические материалы и компоненты» (Украина, г. Алушта, 2008 г.), XIII всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (г.Томск, 2007 г.), на трех международных научных конференциях молодых учёных, студентов и школьников «III Сатпаевские чтения», «VII Сатпаевские чтения» и «VIII Сатпаевские чтения» (Казахстан, г. Павлодар, 2003 г., 2007 г., 2008 г.), международной научно-технической конференции «Энергосистема: исследование свойств, управление, автоматизация» (г.Новосибирск, 2009 г.), заседаниях научных семинаров кафедры «Автоматизация и управление».

Павлодарского государственного университета им. С. Торайгырова (Казахстан, г. Павлодар, 2008 г.), кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Омского государственного технического университета (г.Омск, 2009 г.), заседании постоянно действующего научно-технического семинара кафедры «Электроэнергетические системы и электротехника» ФГОУ ВПО «НГАВТ» (г.Новосибирск, 2009 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 печатных работ, в том числе 3 статьи из перечня ВАК РФ, 5 патентов и 11 статей в научных изданиях. В публикациях в соавторстве личный вклад соискателя составляет не менее 50%.

Личный вклад. Основные научные результаты и положения, изложенные в диссертации, постановка задач и методология их решения разработаны и получены автором самостоятельно.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, изложенных на 163 страницах машинописного текста. Содержит 47 рисунков, 5 таблиц, список использованных источников из 84 наименований и 13 приложений.

4.4 Выводы.

1 Предложенная методология позволяет строить фильтры симметричных составляющих (ФСС) на герконе и катушках индуктивности (КИ), а фильтр тока нулевой последовательности для треугольного расположения фаз только на одном герконе.

2 Расчет небаланса и тока 1сз срабатывания фильтровых защит на герконе и КИ показал, что разработанные устройства выполняют функции ФСС, однако токовые защиты, выполненные на их основе, уступают аналогичным фильтровым с трансформаторами тока по чувствительности, но превосходят МТЗ с пуском по напряжению. Так, фильтровая защита обратной последовательности на герконе и КИ в электроустановке 35кВ с горизонтальным расположением фаз имеет ток срабатывания защиты /а=0,77/яол/, если дополнительно установлен геркон, блокирующий защиту при токе 7² однофазного короткого замыкания (КЗ) в соседней электроустановке. При построении защит нулевой последовательности рекомендуется применять для горизонтального расположения фаз фильтр на герконе и КИобеспечивающий 1СЗ = 0,151&trade-ВНЕШ при 1 $ВНЕШ > 1,11 п и 1^ВНЕШ> 1,11 н +2,8/^, а для треугольного расположения фаз — фильтр на одном герконе, обеспечивающий 1СЗ = 0,18/^3дЖ/я при 1^ВПЕШ ^ М^л и 1^]ВНЕШ где /у3)дш/, — ток внешнего трехфазного КЗ в максимальном режиме, 1Н — номинальный ток защищаемой электроустановки.

4 Установлено, что для разработанных фильтров влиянием тока КЗ в соседней электроустановке можно пренебречь при £)>1(к/, где с1 — межфазное расстояние, И — расстояние до соседней линии.

5 Расчеты показали, что при креплении герконов и КИ разработанных фильтров особое внимание следует уделять точности установки угла у наклона геркона, так как отклонение от расчетного значения влияет на чувствительность токовой защиты в 2+3 раза сильнее, чем погрешность в установке вдоль вертикальной и горизонтальной осей.

6 Технико-экономический эффект от использования разработанных ФСС заключается в экономии материальных ресурсов, а именно меди и проката черных металлов, необходимых для производства трансформаторов тока, которая будет получена за счет расширения области применения защит на герконах, построенных на ФСС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе решена научно-техническая задача повышения чувствительности токовых защит на герконах, не использующих трансформаторы тока. Выполненные исследования позволяют сделать следующие основные выводы и рекомендации.

1 Установлено, что при построении защит на герконах наиболее целесообразно в плане обеспечения чувствительности и простоты крепления располагать их в вертикальной плоскости, перпендикулярной токопроводам фаз электроустановки.

2 Предложена методика выбора координат геркона максимальной токовой защиты без трансформаторов тока, обладающей наибольшей чувствительностью к трёхфазным коротким замыканиям.

3 Разработано, запатентовано и внедрено устройство токовой защиты с зависимой от тока выдержкой времени без трансформаторов тока на герконах и программируемых логических интегральных схемах, основанное на измерении времени замкнутого или разомкнутого состояния их контактов после срабатывания. Годовой экономический эффект от внедрения одного комплекта на одном из присоединений системы электроснабжения насосной станции ТОО «Павлодарводоканал» (г.Павлодар, Казахстан) составляет около 10 000 руб. Срок окупаемости — менее 3 лет.

4 Предложена методика построения фильтров симметричных составляющих на катушках индуктивности. Для горизонтального расположения фаз она позволила свести количество необходимых катушек к трём, а для треугольного — к двум при напряжении от 6 до 35 кВ и к трём при 110 кВ. Установлено, что токовые защиты на разработанных фильтрах уступают аналогичным традиционным по чувствительности, однако позволяют исключить недостатки, связанные с использованием трансформаторов тока.

5 Разработаны фильтры симметричных составляющих на герконах. Предложенная методика позволяет строить их на герконе и катушке индуктивности, а фильтр тока нулевой последовательности для треугольного расположения фаз и без катушки. Даны методики определения индукции небаланса на выходе фильтров и чувствительности токовых защит на них. При этом учтено влияние токов в соседних электроустановках и в земле и погрешностей крепления герконов и катушек. Приведён сопоставительный анализ по чувствительности с аналогичными традиционными защитами.

6 Разработана и запатентована конструкция для регулирования уставок защит на катушках индуктивности и герконах и их крепления вблизи шин электроустановки в открытых распределительных устройствах напряжением от 6 до 35 кВ с токопроводами, расположенными по вершинам треугольника.

7 Рекомендуется применять следующие результаты работы: а) на электроустановках от 6 до 35 кВ — устройство защиты с зависимой выдержкой времени при любом расположении фаз, а при треугольном — фильтровую защиту обратной последовательности на двух катушках индуктивности с конструкцией для крепленияб) на электроустановках 110 кВ с горизонтальным расположением фаз — защиты нулевой и обратной последовательностей на герконе и катушке индуктивности, а с треугольным — защиту нулевой последовательности на одном герконе.