WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

На правах рукописи

Нагай Иван Владимирович

МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ РЕЗЕРВНАЯ ЗАЩИТА РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ 6-110 КВ С ОТВЕТВИТЕЛЬНЫМИ ПОДСТАНЦИЯМИ

Специальность 05.14.02 – Электрические станции и электроэнергетические системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новочеркасск 2012

Работа выполнена на кафедре «Электрические станции» Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) Научные руководители – доктор технических наук, профессор Быкадоров Владимир Федорович кандидат технических наук, профессор Шуляк Виктор Григорьевич

Официальные оппоненты: Богдан Александр Владимирович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «КубГАУ», профессор кафедры «Электротехники, теплотехники и возобновляемых источников энергии» Арцишевский Ян Леонардович кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО НИУ «МЭИ», доцент кафедры «Релейной защиты и автоматизации энергосистем» Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный университет путей сообщения» (г. Ростов-на-Дону)

Защита состоится «29» июня 2012 г. в 13.00 часов в ауд. №149 главного корпуса на заседании диссертационного совета Д212.304.01 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» по адресу: 346428, г. Новочеркасск Ростовской области, ул. Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)». С текстом автореферата можно ознакомиться на сайте ФГБОУ ВПО ЮРГТУ(НПИ) www.npi-tu.ru

Автореферат разослан «_____» ______________ 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета П.Г. Колпахчьян

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В России электрические сети напряжением 6-110 кВ являются наиболее разветвленной структурой современных распределительных сетевых компаний (РСК), обеспечивающих питание промышленных и коммунальных потребителей электроэнергии. Динамичное развитие промышленности и рост городов обусловили ускоренное строительство в 60- и 70-е годы прошлого столетия воздушных линий электропередачи (ВЛ) и подстанций (ПС) данного класса сетей. С целью минимизации капитальных затрат подстанции выполнялись по упрощенным первичным и вторичным схемам, что и явилось причиной их меньшей надежности по сравнению с подстанциями, на которых вместо короткозамыкателей и отделителей применяются высоковольтные выключатели и имеется источник оперативного постоянного тока (аккумуляторная батарея). Меньшая надежность этих подстанций была компенсирована мероприятиями по резервированию отказов отделителей и короткозамыкателей (мероприятие УРОКЗ) за счет применения специальных схем и устройств релейной защиты (РЗ) и автоматики.

Выработка эксплуатационного ресурса оборудования в распределительных электрических сетях 6-110 кВ составляет до 60% и существующими темпами реконструкции не решается проблема повышения их надежности. Одним из путей решения данной актуальной проблемы, не требующей значительных капитальных затрат, является совершенствование релейной защиты и, в частности, резервных защит. Однако распознавание аварийных режимов, особенно защитами дальнего резервирования, затруднено из-за наличия ряда влияющих факторов: сопоставимости токов короткого замыкания за трансформаторами ответвительных ПС с токами нагрузки питающей ВЛ, наличия переходных сопротивлений в месте повреждения, малых уровней напряжений симметричных составляющих на шинах в месте установки защит при удаленных повреждениях, наличия двигательной нагрузки, батарей конденсаторов и т.д.

Актуальность данной проблемы, например, отмечена Департаментом науки и техники РАО «ЕЭС России» (письмо ИП 1-96(э) от 30.09.96 г. «О совершенствовании ближнего и дальнего резервирования работы устройств РЗА распределительных сетей 6-110 кВ»), РСК «Ростовэнерго» (информационное письмо ИП-04-2001 (РЗА) «О предотвращении повреждений трансформаторов при КЗ с обрывом фазы в питающей сети»), семинаром-совещанием технических руководителей и специалистов ОАО «МРСК Юга» (2.09-5.09.08 г. в г. Астрахань), совещанием главных инженеров сетевых предприятий «Тюменьэнерго» в 2008 г. и другими документами.

Эффективными путями повышения чувствительности релейной защиты дальнего резервирования является ее реализация на основе адаптивных измерительных органов аварийных составляющих токов и сопротивлений, расширение информационной базы защиты, сочетание систем ближнего и дальнего резервирования.

Исследования и разработки по данной работе выполнялись в соответствии с программой повышения надежности распределительной электрической сети филиала ОАО «МРСК Юга» – «Ростовэнерго», а также в рамках программы СТАРТ2007 Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (госконтракт №7247) и соответствует научному направлению ЮРГТУ(НПИ) «Комплексное использование топливно-энергетических ресурсов и повышение надежности, экономичности и безопасности энергетических систем».

Целью работы является построение многопараметрических адаптивных релейных защит с повышенным техническим и информационным совершенством ответвительных и промежуточных подстанций распределительных электрических сетей 6-110 кВ. Указанная цель достигается уточнением влияющих факторов возможных режимов работы и разработкой новых алгоритмов функционирования, обеспечивающих распознавание аварийных и допустимых режимов.

Задачи исследования:

– исследование, анализ и уточнение областей существования нормальных, анормальных и аварийных режимов работы распределительных электрических сетей с ответвительными и промежуточными подстанциями;

– разработка алгоритмов функционирования многопараметрических адаптивных защит дальнего и ближнего резервирования с повышенной селективностью и чувствительностью, обеспечивающих распознавание аварийных и допустимых режимов защищаемого оборудования;

– разработка более совершенных, чем предыдущие версии, многопараметрических микропроцессорных устройств релейной защиты распределительных электрических сетей;

– внедрение в проекты и в эксплуатацию устройств дальнего и ближнего резервирования.

Для решения поставленных задач использованы методы теории электрических цепей, математического анализа, математического моделирования, распознавания образов, натурного эксперимента, схемотехники.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются корректностью допущений, принимаемых при разработке математических моделей, согласованием результатов, полученных при испытаниях в лабораторных условиях, с результатами математического моделирования, сертификационными испытаниями устройств, реализующих разработанные алгоритмы функционирования.

Научная новизна работы. В диссертации получены новые научные результаты:

1. Разработана методика формирования областей срабатывания измерительных органов, отличающаяся от известных тем, что с целью разделения областей аварийных и допустимых режимов обеспечивается учет влияющих факторов: переходного сопротивления в месте повреждения, пусков электродвигателей, токов нагрузки.

2. Разработана методика коррекции входных сигналов измерительных органов тока аварийных составляющих резервных защит, отличающаяся от известных тем, что с целью повышения их чувствительности и снижения погрешности учитывается шунтирование нагрузки переходным сопротивлением в месте повреждения за счет уточнения параметров защищаемой сети по замерам в предшествующем и аварийном режимах.

3. Выявлены новые для резервных защит информационные признаки аварийных режимов, обусловленные нелинейностью переходного сопротивления в месте повреждения и нестационарностью горения электрической дуги, развивающимся характером повреждения в электроустановках корпусной конструкции на стороне низшего напряжения защищаемых трансформаторов.

4. Разработаны алгоритмы функционирования и структурные схемы многопараметрических адаптивных устройств релейной защиты ближнего и дальнего резервирования защит трансформаторов ответвительных подстанций, отличающиеся тем, что обеспечивают распознавание повреждений за счет контроля параметров информационных признаков предшествующего и аварийного режимов.

Предложенные технические решения защищены 4 патентами РФ.

Практическая ценность работы заключается в повышении надежности электроснабжения путем совершенствования релейной защиты дальнего и ближнего резервирования для электрических сетей 6–110 кВ с ответвительными подстанциями, что подтверждается сертификацией и внедрением в проекты и эксплуатацию:

- многопараметрической микропроцессорной защиты КЕДР-07М, реализующей алгоритмы функционирования измерительных органов, контролирующих аварийные и ортогональные составляющие токов с адаптивным торможением и коррекцией сигналов;

- микропроцессорной многоканальной дуговой защиты РДЗ-017, являющейся элементом системы защиты ближнего резервирования и обеспечивающей быстродействующее отключение КЗ, сопровождаемых электрической дугой.

Реализация результатов работы. Разработаны и внедрены устройства многопараметрической релейной защиты дальнего резервирования с адаптивными алгоритмами функционирования. Автор принимал участие в освоении выпуска устройств релейной защиты дальнего резервирования типа КЕДР-07М(V2), дуговой защиты типа РДЗ-017 в «НИИ энергетики» Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) и ООО «НИИ энергетических технологий» (г. Новочеркасск), сертификации и их внедрении в эксплуатацию в распределительных сетевых компаниях филиалов ОАО «МРСК Юга»: «Ростовэнерго», «Астраханьэнерго», «Калмэнерго», в проектных работах филиала ОАО «Южный инженерный центр энергетики – «Южэнергосетьпроект» и ООО «НПП ВНИКО».

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке магистров по направлению «Электроэнергетика и электротехника» в ЮРГТУ (НПИ).

Основные положения выносимые на защиту 1. Методика формирования областей срабатывания измерительных органов и коррекции входных сигналов измерительных органов тока аварийных составляющих резервных защит с учетом влияющих факторов: переходного сопротивления в месте повреждения, пусков электродвигателей, токов нагрузки.

2. Новые для резервных защит информационные признаки аварийных режимов, обусловленные нелинейностью переходного сопротивления в месте повреждения и нестационарностью горения электрической дуги, развивающимся характером повреждения в электроустановках корпусной конструкции на стороне низшего напряжения защищаемых трансформаторов.

3. Алгоритмы и структурные схемы многопараметрических адаптивных защит ближнего и дальнего резервирования с повышенным распознаванием аварийных режимов на ответвительных подстанциях при наличии двигательной нагрузки и переходного сопротивления, в том числе и структурные схемы распределенной резервной защиты с обменом информации о режимах защищаемых объектов.

4. Устройство многопараметрической адаптивной микропроцессорной защиты дальнего резервирования типа КЕДР-07М(V2), обеспечивающей защиту трансформаторов мощностью 2,5-25 МВА ответвительных подстанций при наличии влияющих факторов: переходного сопротивления и пусков (самозапусков) электродвигателей, и устройство многоканальной дуговой защиты РДЗ-017, обеспечивающей быстродействующее отключение дуговых коротких замыканиях на стороне низшего напряжения трансформаторов.

Апробация работы и публикации. Основные научные результаты диссертации и результаты внедрения изложены в 18 публикациях, в том числе в 5 статьях в реферируемых и рецензируемых журналах, 4 патентах РФ на полезную модель, и статьях в сборниках международных и всероссийских конференций. Результаты диссертации докладывались на 26 научно-технических конгрессах, конференциях, семинарах и совещаниях, в том числе на ежегодных семинарах АН России «Кибернетика электрических систем» (г. Новочеркасск, 2007-2011 г.г.);

международных научно-технических конференциях, проводимых РНК СИГРЭ, «Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем» в 2009 и 2011 г.г.; на двенадцатой Международной научнотехнической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», проводимых в МЭИ (ТУ) (г. Москва); на Всероссийской конференции-конкурсе инновационных проектов студентов и аспирантов по приоритетному направлению программы «Энергетика и энергосбережение» в 2006 в г. Томске; на пятом международном научном симпозиуме «Электроэнергетика» в г. Стара Лесна, Словакия в 2009 и 2011 гг., в г. Варна, Болгария в 2010 г.; на ежегодных семинарах-совещаниях начальников служб РЗА филиала ОАО «МРСК Юга» – «Ростовэнерго» 2009-2011 г.г., научно-практической конференции «Распределительные сети России: задачи повышения эффективности, управления, новации, современные технологии производства и управления» в г. Ростов-на-Дону в 2009 г., XVII, XVIII и XIХ научно-технических конференциях «Релейная защита и автоматика энергосистем 2006, 2008, 2010» (г. Москва).

Устройства релейной защиты, разработанные при непосредственном участии автора, демонстрировались в 2008 г, 2010 г. на ВВЦ РФ (г. Москва) в рамках выставки-конференции «Релейная защита и автоматика 2008 и 2010» и отмечены 2 дипломами, а также золотой и серебряной медалями VIII Московского международного салона инноваций и инвестиций в 2008 г. (ООО «НПП «РЕЛДОН», инновационная разработка – «Локальные, многоканальные и распределенные устройства и системы релейной защиты от дуговых коротких замыканий в высоковольтных установках корпусной конструкции напряжением 6-10 кВ» и ООО «Научно-исследовательский институт энергетических технологий», инновационная разработка – «Адаптивные системы ближнего и дальнего резервирования трансформаторов воздушных линий 6-220 кВ с ответвлениями»).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 171 странице основного текста, содержит 93 рисунка, 3 таблицы и 145 литературных источников, 37 страниц приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы резервирования релейных защит в распределительных электрических сетях 6-110 кВ, сформулированы цель работы и основные задачи исследований, дана общая характеристика работы, научной новизны и практической ценности. Отмечен вклад ученых и специалистов по теме исследования: А.М. Авербуха, В.А. Андреева, Я.Л. Арцишевского, А.В. Богдана, А.В. Булычева, В.К. Ванина, Д.С. Васильева, Д.Г. Еремеева, Я.С. Гельфанда, А.Д. Дроздова, Ю.И. Жаркова, А.С. Засыпкина, М.Я. Клецеля, Ю.С. Кузника, А.Н. Кожина, С.Л. Кужекова, А.И. Левиуша, С.Б. Лосева, Ю.Я. Лямеца. Б.К. Максимова, И.Ф. Маруды, В.И. Нагая, К.И. Никитина, Г.С. Нудельмана, А.О. Павлова, В.В. Платонова, Э.В. Подгорного, В.Е. Полякова, В.А. Рубинчика, С.В. Сарры, А.М. Федосеева, Е.П. Фигурнова, Н.И. Цыгулева, А.Б. Чернина, М.А. Шабада, В.Г. Шуляка и других, а также учебных, научно-исследовательских организаций и электротехнических и энергетических и предприятий: МЭИ (ТУ), ЧГУ, ИГЭУ, ЮРГТУ(НПИ), УГТУ-УПИ, РГУПС, ВНИИЭ, Энергосетьпроект, ВНИИР, НПП «ЭКРА», ИЦ «Бреслер», НПП «Бреслер» и других организаций.

В первой главе рассмотрены основные схемы построения распределительных электрических сетей 6-110 кВ с радиальными, транзитными и кольцевыми ВЛ, выполнен анализ режимов их работы с выделением факторов, влияющих на распознаваемость повреждений за трансформаторами 2,5-25 МВА ответвительных и промежуточных подстанций. Исследовано и уточнено влияние подпитки от электродвигателей при КЗ на стороне низшего напряжения на формирование областей аварийных режимов при наличии переходного сопротивления в месте повреждения (рис. 1).

а) б) Рис.1. Области сопротивлений (а) (1 – Zrel1; 2 – Zrel2 ) и токов (б) (1 – I1; 2 – I 2 ) со стороны передающей (1) и приемной (2) подстанций транзитной ВЛ при междуфазном КЗ на стороне низшего напряжения трансформатора и наличии переходного сопротивления Обоснована необходимость разработки специальной защиты от неполнофазных режимов с приведением данных по развивающимся повреждениям в электрических сетях. Проведена оценка возможности использования информационных признаков, характеризующих аварийные и альтернативные (нагрузочные режимы, режимы пуска и самозапуска электродвигателей, включение и отключение нагрузки, броски намагничивающего тока трансформаторов и т.д.) им режимы:

модулей и аргументов фазных токов, напряжений и сопротивлений, их аварийных, симметричных, гармонических, ортогональных составляющих. На основании расчетов и сравнения групп информационных признаков нагрузочных и аварийных режимов показано, что распознавание аварийных режимов на фоне допустимых режимов может быть достигнуто за счет контроля их параметров в многомерном пространстве признаков, т.е. путем реализации многопараметрических защит, когда, например, в пространстве ортогональных составляющих токов расстояние между рассматриваемыми областями составляет не менее 20% от тока КЗ за трансформатором минимальной мощности.

Во второй главе уточнена классификация способов построения защит дальнего резервирования по числу контролируемых параметров информационных признаков; способу контроля (наблюдения) защищаемого объекта; характеру взаимодействия с защищаемым объектом; способу контроля предшествующего режима, выполнен анализ технических решений отечественных электротехнических фирм, используемых в настоящее время в электрических распределительных сетях, а также предлагаемых упомянутыми выше ведущими специалистами. Определены области существования параметров режимов для разных соотношений мощностей защищаемого трансформатора и высоковольтных электродвигателей, в том числе с учетом переходного сопротивления в месте КЗ.

Ток со стороны питающей подстанции (в месте установки защиты дальнего резервирования) Iл.п представляет сумму пускового тока ЭД за рассматриваемым трансформатором I j и токов статической нагрузки за остальными трансформатоп рами I и трансформатором с ЭД в установившемся режиме I j и пусковом рен н i жиме I j :

нп n-1 n Iл.п I I I I, Iн i п j нп j Iн i ЭД j н j i1 iа с учетом принятых допущений модуль Iл.п и аргумент s тока со стороны питающей подстанции будут равны:

Iл.п ст н (1 kд ) (Iпkдд )2 2Iпдkдст н (1 kд )cos(н п ) ;

s н arccosст н (1 kд ) Iл.п 2 (Iпkдд ) / 2Iл. пст н (1 kд ), где I j ток ЭД в установившемся режиме, ст н – коэффициент загрузки i-го ЭД трансформатора; д – доля ЭД, участвующих в пуске за j-м трансформатором;

н аргумент тока нагрузки.

s Зависимости аргументов и модулей тока Iл.п для U ( 0,55 0,7 )U приведены на рис.2, на основании которых можно сделать дв ном вывод о необходимости снижения значения коэффициента отстройки максимальных токовых защит по сравнению с рекомендуемыми значениями, и особенно при малой доле двигательной нагрузки и статической нагрузки за оставшимися трансформаторами во время пуска ЭД.

3,2,2,1,1,30 35 40 45 50 55 60 а) б) Рис. 2. Области предельных значений модулей и аргументов токов (а) и ортогональных составляющих токов и сопротивлений, их аварийных составляющих (б) в линии со стороны питающей подстанции с учетом пуска (самозапуска) электродвигателей на ответвительной подстанции Исследованы возможные способы распознавания режимов коротких замыканий за трансформаторами ответвительных подстанций и пусковых режимов электродвигателей на смежных подстанциях. Предложены алгоритмы формирования входных сигналов для режимов пуска и КЗ с учетом коррекции нагрузочной составляющей тока.

Выполнен сопоставительный анализ способов увеличения расстояния между областями пускового режима и режима короткого замыкания и предложено использование сигналов, сформированных в виде:

Fj (Ui, Ii,Uis, Iis, Ui,Ii, Uis,Iis ) Aj (Ui, Ii ) B (Uis, Iis ) j, C (Ui, Ii, Uis, Iis ) j где Aj (Ui, Ii ), B (Uis, Iis ),C (Ui, Ii, Uis, Iis ) – сигналы, зависящие от аргуj j ментов, модулей напряжений и токов Ui, Ii, подводимых к защите, например, их ортогональных составляющих Uis, Iis и аварийных составляющих Ui, Ii, Uis, Iis. При этом должно выполняться условие FjaUi, Ii,Uis, Iis, Ui, Ii, Uis, Iis FjнUi, Ii,Uis, Iis, Ui,Ii, Uis,Iis G Ui, Ii,Uis, Iis, Ui, Ii, Uis, Iis , j kн G Ui, Ii,Uis, Iis,Ui,Ii,Uis,Iis kн1 2Ui, Ii,Uis, Iis,Ui,Ii,Uis,Iis, d j Sгде Gj – мера близости между распознаваемыми аварийными Fja и допустимыI * В Л п f = , k =, п д f = , k =, п д f, г р а д ми Fjн режимами; kн – число режимов, от которых производится отстройка;

dUi, Ii,Uis, Iis, Ui, Ii, Uis, Iis – расстояние между распознаваемыми режимами, например для токовых измерительных органов измеряется в базисе тока трехфазного КЗ за трансформатором минимальной мощности.

Достаточно эффективными способами повышения чувствительности релейной защиты дальнего резервирования является построение измерительных органов с контролем аварийных составляющих, ортогональных составляющих и применением торможения, зависящего от предшествующего и аварийного режимов, контролем фазовых соотношений токов прямой и обратной последовательности:

I I ( I, I ) I, (1) к в в нг в Z Z (I ) Z, (2) к в IXR т Im I I k (I, I ) Re I I , (3) кз нг тм в нг кз нг где I, I – ток короткого замыкания и ток нагрузки;, Iк – I I I кз нг в кз нг входные сигналы измерительных органов (ИО) тока, контролирующих векторное приращение тока и ток, сформированный из составляющих векторного прираще ния; Z U /(I I ), – входные сигналы органов сопротивления, форZ кз нг к мируемые аналогично сигналам органов тока; , , – корректирующие коэффициенты; IXRт, IXRт – входные сигналы ИО реактивной составляющей с торможением от активной составляющей, их приращений. Коррекция влияния переходного сопротивления, достигающего значений (0,1 0,25)zт, где Z – сопрот тивление защищаемого трансформатора, обеспечивается в алгоритме (1 и 2) введением составляющей (I, Iнг )I, (I )Z, а в алгоритме (3) соответственв в в но коэффициента торможения kтм(I, I ), зависящих от аварийной составляюв нг щей тока и предшествующего нагрузочного режима (рис. 3).

а) б) Рис. 3. Области нормальных и аварийных режимов транзитной ВЛ в плоскости «реактивная составляющая тока – активная составляющая тока» (а) и «аргумент тока модуль тока» (б) Исследованы режимы продольно-поперечной несимметрии (ППН) на ответвительной подстанции для оценки возможности их распознавания на основе выполненного автором математического и физического моделирования продольной, продольно-поперечной несимметрии, в том числе через переходное сопротивление с заземленной и незаземленной нейтралью трансформатора.

Показана опасность режима сетевого короткого замыкания для трансформаторов (обрыв фазного провода со стороны питающей подстанции с одновременным КЗ на стороне высшего (Y) или низшего () напряжения ответвительной подстанции) и установлено, что защиты питающей подстанции могут быть нечувствительны к данному виду повреждения, т.к. токи нулевой последовательности, протекающие через нейтраль трансформатора ответвительной подстанции, и фазные токи ответвления зависят от мощности трансформатора ответвления, в то время как уставки традиционных резервных защит выбираются с учетом максимального нагрузочного тока линии.

I*2 I*c AB C B C L4=7.AB C L7=0.L3=2.C AY B C L9=0.L5=5.L8=0.C AY A B L10=0.C A L2=3.AB Y A Y C A AB Y L1=1.L6=7.AY AB I*0 I*b а) б) Рис.4. Области режимов продольно-поперечной несимметрии в плоскости «модуль-модуль» для симметричных составляющих токов (а) и фазных токов (б) Для оценки эффективности защиты дальнего резервирования важным является возможность распознавания режимов ППН с селекцией вида повреждения.

При этом требуется использование минимального набора таких информационных признаков, которые позволят получить непересекающиеся области режимов множественной ППН. Задача распознавания аварийных режимов в многомерном пространстве N может быть разбита на ряд подзадач с понижением размерности и в предельном случае распознаваемые области могут быть представлены рядом областей в двумерном пространстве, как это показано на рис.4. Области режимов ППН в двумерном пространстве токов обратной и нулевой последовательности представлена на рис.4,а, из которого следует, что селекция видов повреждения практически невозможна, т.к. расстояние между режимами ВС, АВ и CAY, ABY соответственно не превышает 15% от номинального тока защищаемого трансформатора. Среднеквадратичное расстояние между режимом трехфазного КЗ при обрыве фазы на стороне высшего напряжения и режимами двухфазного КЗ на стороне низшего напряжения не превышает 33%, что также делает затруднительным распознавание рассматриваемых режимов. Особенно это проявляется при снижении мощности защищаемого трансформатора. Использование двумерного пространства фазных токов (по величине двух больших токов из трех фазных токов) позволяет обеспечить селекцию режимов множественной продольнопоперечной несимметрии (рис.4,б). При этом среднеквадратичные расстояния между любыми распознаваемыми режимами превышают значение 100% от номинального тока защищаемого трансформатора. Проведены экспериментальные исследования режимов продольно-поперечной несимметрии, подтвердившие результаты теоретических исследований.

В третьей главе предложена классификация информационных признаков, характеризующих наличие переходного сопротивления электрической дуги в месте повреждения (рис.5) с последующим их описанием, приведены результаты математического моделирования процесса дугового КЗ и натурных испытаний. Описано появление несимметрии при горении дуги при междуфазных КЗ на стороне низшего напряжения трансформатора. Показано, что из-за неравенства длин, горящих между разными фазами при трехфазных КЗ в токе присутствует составляющая обратной последовательности, которая может составлять до 15% составляющей прямой последовательности, а также, что при дуговых КЗ в ячейках КРУ появляется напряжение нулевой последовательности вследствие касания столба электрической дуги заземленного металлического корпуса ячейки.

Рис.5. Информационные признаки наличия переходного сопротивления электрической дуги в месте повреждения На основании приведенных информационных признаков предложены способы распознавания наличия переходного сопротивления электрической дуги.

Разработана методика снижения погрешности при вычислении приращения тока (менее 10%), которое появляется при переходе от нагрузочного режима к режиму КЗ с шунтированием части нагрузки в точке КЗ с использованием соотношения Ii I (1 Si / Sтр )IНГ 2IIНГ (1 Si / Sтр )cos( КЗ НГ ), где Si – мощность трансформатора; Sтр – суммарной мощности трансформаторов; I – суммарный ток нагрузки; I – сумма тока нагрузки и тока КЗ за защиНГ щаемым трансформатором; I I I – изменение тока линии; UК* – напря НГ жение короткого замыкания трансформатора; нг arg(U I ) – аргумент тока нгТ нагрузки; кз arg(U I ) – аргумент тока КЗ.

кз Разработана математическая модель для анализа влияния нелинейного характера переходного сопротивления электрической дуги с использованием известной вольт-амперной характеристики дуги с восходящей и нисходящей ветвями в области несамостоятельного разряда uд,в Uзiд / Iз, uд,н Uгiд / Iг, в области д самостоятельного разряда uд,в Umin Uз Umin e3i Iз/Imax Iз при iд 0, д uд,н Umin Uг Umin e3i Iг /Imax Iг при iд 0, где uд,в, uд,н – напряжения на восходящей и нисходящих ветвях, соответствующие режиму до зажигания дуги и после ее гашения; Uз, Uг, Iз, Iг – напряжения зажигания и гашения дуги и соответствующие им токи, Umin – минимальное значение на столбе дуги.

Проанализировано изменение величины гармонических составляющих фазных напряжений в зависимости от соотношений сопротивления от места установки защиты до места горения дуги и сопротивления короткозамкнутой цепи k, выявлены наиболее информативные гармонические составляющие для распознавания переходного сопротивления в виде электрической дуги. При этом моделировалось также горение двух дуг одновременно при трехфазном несимметричном КЗ с изменением длины дуг.

На основании результатов моделирования был предложен контроль гармонических составляющих напряжения, имеющих наибольшую стабильность (рис.6).

Рис.6. Амплитудно-частотные зависимости напряжений Uд* в месте установки защиты при изменении удаления резервной защиты от точки КЗ k при равных переходных сопротивлениях во всех трех фазах Для уменьшения влияния шунтирования нагрузки и переходного сопротивления на формирования аварийных составляющих токов была разработана методика определения параметров короткозамкнутой цепи и нагрузки, которая позволяет определять сопротивление системы на шинах подстанции, сопротивление короткозамкнутой ветви и сопротивление параллельной обобщенной нагрузки.

Доказано, что при изменении переходного сопротивления до 50% сопротивления трансформатора и изменении положения РПН в пределах ±16% от номинального значения погрешность незначительно превышает 10% и составляет 12,5% (рис.7).

ZTau ?*, ZI Aau ?*, % % Rd*=0.Rd*=0.Rd*=0.Rd*=0.Rd*=0.Rd*=0.Rd*=0.Rd*=0.Rd*=0.6 Rd*=0.Rd*=0.Rd*=4 Rd*=0.Rd*=0.Rd*=0.05 Rd*=0.Rd*=0.2 Rd*=0.Rd*=0.Rd*=0.Rd*=0.Rd*=0 2 4 6 8 S 0 2 4 6 8 S Рис.7. Зависимость погрешности вычисления ZТ1 и ZIA2 от изменения мощности нагрузки S*, переходного сопротивления Rd* Выявлено влияние несимметрии переходных сопротивлений при междуфазном дуговом коротком замыкании, в том числе при трехфазных КЗ с горением двух электрических дуг (рис. 8) на уровни токов обратной последовательности.

0,0,I2* I2* L=1,0 i L=1,0 i Рис. 8. Зависимость тока обратной последова0,0,тельности от относительной длины электричеL=0,7 5i L=0,7 5i ских дуг между разными фазами L=0,5 i L=0,5 i 0,0,Определены зависимости тока обратL=0,25i L=0,25i ной последовательности от длин электричеL=0,0 5i L=0,0 5i ских дуг. Величина токов обратной после0,0,0,3 0,6 0,9 1,0,3 0,6 0,9 1,La* La* довательности может достигать 15% от тока прямой последовательности при длине дуги 1-1,5 метра и отношении напряжений на столбах электрической дуги 0,1 U /U 2, где L – длина дуги между фаAB BC зами А и В, L1 – длина дуги между фазами B и C, а Lп* L1 L.

Также были сформированы области аварийных режимов при двухфазных и трехфазных КЗ и неравенстве переходных сопротивлений между фазами в пространстве токов прямой и обратной последовательности и в пространстве приращений токов прямой и обратной последовательности.

В четвертой главе рассмотрены разработанные многопараметрические защиты дальнего резервирования типа КЕДР-07М(V2) (рис.9), структурные схемы распределенной системы резервной защиты электрической сети с ответвительными подстанциями с контролем сопротивления трансформатора при изменении положения РПН и распределенной системы резервной защиты с контролем действия релейной защиты и коммутационной аппаратуры на ответвительных и промежуточных подстанциях, структурная схема релейной защиты дальнего резервирования от несимметричных повреждений, быстродействующая защита электроустановок корпусной конструкции РДЗUa ФСС 017, представляющей элемент распреUb ФОС БИО деленной системы ближнего резерви- Uc Сигнал ВПН ФАС Uрования.

ИОТ ИОН БФОС Рис.9. Структурная схема многопараметИОАС Откл.

БЛ рической защиты дальнего резервироваIa ИОСС ния трансформаторов ответвительной Ib ИООС ФСС Ic подстанции типа КЕДР-07М(V2) ВПT ИОНД I0 ФОС Неиспр.

ИОАД ФАС Устройство релейной защиты ИОТР БКС дальнего резервирования типа КЕДР – 07М (V2), включающее в свой состав БЗПЭC вторичные преобразователи напряжении (ВПН) и тока (ВПТ), фильтры симметричных (ФСС), ортогональных (ФОС) и аварийных (ФАС) составляющих, блоки измерительных органов (БИО), формирования областей срабатывания (БФОС), коррекции сигналов (БКС), задания параметров электрической сети (БЗ ПЭС), логики (БЛ), предназначено для использования на радиальных, кольцевых и транзитных линиях, выполнено на микропроцессорной базе с использованием цифровой обработки сигналов (рис.10,а). Устройство устанавливается на питающем конце линии и действует на отключение выключателя питающей подстанции при КЗ на стороне низшего напряжения на ответвительных и промежуточных подстанциях.

а) б) Рис.10. Устройства многопараметрической микропроцессорной резервной защиты КЕДР-07М(V2) (а) многоканальной микропроцессорной быстродействующей защиты электроустановок корпусной конструкции типа РДЗ-017 (б) В данном устройстве в отличие от предыдущей версии КЕДР - 07 (V1) введены алгоритмы коррекции влияния переходного сопротивления электрической дуги в месте повреждения, коррекции входных сигналов в режимах пуска (самозапуска) ЭД и аварийного режима, обеспечивающая более эффективное разделение областей данных режимов, контроля фазовых соотношений между векторами токов прямой и обратной последовательности, облегчающее распознавание несимметричных КЗ за трансформаторами с группами соединений обмоток «звезда - треугольник».

Многоканальное микропроцессорное устройство РДЗ-017 является быстродействующей защитой от дуговых коротких замыканий, имеет 6 независимых каналов (рис.10,б). В устройстве использованы схемы с вновь введенными элементами функционального и тестового контроля.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ На основе анализа проблем построения высокоэффективных систем ближнего и дальнего резервирования в распределительных электрических сетях напряжением 6 - 110 кВ, теоретического рассмотрения их режимов и уточнения влияющих факторов, затрудняющих решение поставленных задач, выявления новых информационных признаков, характеризующих аварийные и допустимые режимы, разработки новых, развития существующих алгоритмов функционирования резервных защит и проверки полученных результатов экспериментальными испытаниями, опыта эксплуатации разработанных устройств релейной защиты, основные научные выводы и практические результаты можно сформулировать в следующем виде:

1. Уточнена классификация защит дальнего резервирования по числу контролируемых параметров информационных признаков; способу контроля (наблюдения) защищаемого объекта; характеру взаимодействия с защищаемым объектом; способу контроля предшествующего режима.

2. Уточнены области режимов пуска (самозапуска) мощных электродвигателей за трансформаторами ответвительных подстанций. Отмечено, что в большинстве случаев коэффициенты отстройки от данных режимов необоснованно завышены и не учитывают конкретных параметров ЭД. При доле двигательной нагрузки не более 25% от полной нагрузки коэффициент отстройки защиты не превышает 2,0, а при доле двигательной нагрузки 50% – не более 3,0.

3. Доказано, что использование аварийных составляющих тока (сопротивления) позволяет разделить области аварийных и альтернативных режимов (максимальных нагрузочных режимов и режимов пуска (самозапуска) ЭД) на стороне передающей стороны ВЛ с минимальным расстоянием (0,5-1,15)IКЗ* и (0,2-0,5)IКЗ* со стороны приемной стороны ВЛ соответственно.

4. Определен набор информационных признаков контролируемых сигналов для построения резервной защиты высокой чувствительности от симметричных коротких замыканий и сетевых коротких замыканий: модули и аргументы фазных токов и их аварийных составляющих, ортогональные составляющие и их аварийные составляющие, токи симметричных составляющих и их аргументы.

5. Определены основные информационные признаки дугового короткого замыкания: возрастание активной составляющей токов и их составляющих, наличие высших гармонических составляющих в напряжениях, нестационарность процессов короткого замыкания, появление несимметрии при трехфазных КЗ с величиной тока обратной последовательности, достигающей 15% от тока металлического КЗ, появление напряжение нулевой последовательности на стороне низшего напряжения защищаемого трансформатора до 750 В, развивающийся характер повреждения: «однофазное замыкание – двухфазное КЗ – трехфазное КЗ», «двухфазное КЗ – трехфазное КЗ», появление светового потока от столба электрического дуги, представляющего излучатель и предложена их классификация.

6. Разработаны методика коррекции аварийной составляющей тока короткого замыкания из-за шунтирования нагрузки защищаемого трансформатора переходным сопротивлением в месте повреждения с погрешностью не более 10% и методика определения параметров короткозамкнутой цепи и нагрузки. Погрешность в определении сопротивления трансформатора мощностью Sтр, сопротивления нагрузки с учетом переходного сопротивления Rd* (0 0,5)Z и влияния Тсуммарной нагрузки S 10Sтр не превышает 12,5 %, что приемлемо для целей построения резервных защит.

7. Определены наиболее информативные высшие гармонические составляющие напряжения при трехфазных симметричных и несимметричных дуговых коротких замыканиях. Модули второй, третьей, пятой, шестой и седьмой гармоник находятся в диапазоне (7,518)% первой гармонической составляющей в месте повреждения.

8. Разработаны алгоритмы функционирования и структурные схемы многопараметрических адаптивных устройств релейной защиты ближнего и дальнего резервирования защит трансформаторов ответвительных подстанций, на основе которых разработана многопараметрическая микропроцессорная защита дальнего резервирования типа КЕДР-07М(V2), реализующая формирование областей срабатывания защищаемых трансформаторов в зависимости от их мощности, влияния переходного сопротивления и нагрузочных режимов, в том числе и пусковых режимов, а также коррекцию входных сигналов.

9. Разработаны структурные схемы распределенной резервной защиты с обменом информации о защищаемых объектах и его режиме, обеспечивающие распознавание повреждения на конкретной подстанции.

10. Разработано устройство многоканальной дуговой защиты, обеспечивающей быстродействующее отключение КЗ, сопровождаемых электрической дугой и имеющей возможность подключения к системе защиты ближнего резервирования.

11. Устройства многопараметрической микропроцессорной защиты дальнего резервирования типа КЕДР-07М(V2) и дуговой защиты типа РДЗ-017 прошли испытания, сертифицированы и внедрены в эксплуатацию и проекты.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в работах:

Статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК:

1. Нагай И.В. О совершенствовании защит от неполнофазных режимов электрических сетей// Изв. ВУЗов. Электромеханика. –2011. – №1. –С. 63-66.

2. Нагай И.В. Обеспечение функций дальнего резервирования релейной защиты трансформаторов в условиях продольно-поперечной несимметрии// Изв.

ВУЗов. Сев-Кав. регион. Техн. науки. –2011. –№5. – С. 19-24.

3. Нагай И.В. Формирование характеристик срабатывания резервных защит воздушных линий с ответвлениями// Изв. ВУЗов. Электромеханика. – №2. – 2011. – С. 56-61.

4. Нагай И.В. Учет влияния подпитки на переходное сопротивление в месте повреждения за трансформаторами ответвительных подстанций// Изв. ВУЗов.

Электромеханика. –2012. – №2. – С. 110-113.

5. Нагай И.В., Киреев П.С. Моделирование нагрузочных режимов ответвительных подстанций// Изв. ВУЗов. Электромеханика. –2012. – №2. – С. 100-102.

(0,25/0,1 п.л.) прочие работы по теме диссертации:

6. Нагай И.В., Нагай В.В. Коррекция влияния электрической дуги в месте повреждения// Современные энергетические системы и комплексы и управление ими: материалы V Международной науч.-практ. конф., Новочеркасск, 27 мая 20г.: В 2 ч./ Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). -Новочеркасск: ЮРГТУ(НПИ), 2005. Ч.2. С.37-39. (0,2/0,1 п.л.) 7. Нагай И.В. Оценка стабильности входных сигналов измерительных органов аварийных составляющих// Изв. ВУЗов. Сев.-Кавк. регион. Технические науки. – Прилож. 15. – 2006. – С. 98-100.

8. Нагай И.В. Анализ функционирования измерительных органов сопротивления с контролем аварийных составляющих// Изв. ВУЗов. Электромеханика. - 2008. – Спец.выпуск – С. 100-101.

9. Нагай И.В., Калинина Н.О. Анализ эффективности защит дальнего резервирования на основе адаптивных токовых органов// Изв. ВУЗов. Электромеханика. – 2008. – Спец.выпуск – С. 104-105. (0,3/0,2 п.л.) 10. Нагай И.В., Нагай В.И. Проблемы и решения дальнего резервирования трансформаторов ответвительных и промежуточных подстанций // Релейщик. – 2009. – №04. – С. 30-35. (0,8/0,4 п.л.) 11. Нагай И.В. Adaptive backup protection in electric distribution grid// Электроэнергетика 2010. Сб. докл. Междунар. Науч.-техн. Конф., г. Варна, Болгария, 14-16 окт. 2010, ТУ-Варна, с.367-371.

12. Нагай И.В. Дальнее резервирование в сетях 6-110 кВ. Проблемы и решения// Новости ЭлектроТехники. –2010. – 6(66). – С. 28-30.

13. Нагай И.В. Релейная защита трансформаторов. Дальнее резервирование в режимах продольно-поперечной несимметрии// Новости ЭлектроТехники. – 2011. – 6(69). – С. 2-5.

14. Нагай И.В. Providing Remote Backup Function of Relay Protection of Transformers in the Direct and Quadrature Axis Dissymmetry // Proceedings of the 6th International Scientific Symposium on Electrical Power Engineering ELEKTROENERGETIKA 2011, September 21 – 23, 2011, Stara Lesna, Slovak Republic, p. 266-269.

патенты РФ:

15. Нагай В.И., Луконин А.В., Сарры С.В., Нагай И.В. Устройство многоканальной дуговой защиты комплектных распределительных устройств// Патент на полезную модель 71043 РФ. МПК. Н02Н 7/22, Н02Н 3/08.-Заявл. 02.04.07;

Опубл. 20.02.2008, Бюл. № 5.

16. Нагай И.В. Устройство адаптивной защиты трансформаторов ответвительных подстанций// Патент на полезную модель 101877 РФ. МПК. Н02Н 3/00.Заявл. 09.09.10; Опубл. 27.01.2011, Бюл. № 3.

17. Нагай И.В. Система резервной защиты трансформаторов ответвительных подстанций с определением поврежденного объекта и вида повреждения// Патент на полезную модель 109929 РФ. МПК. Н02Н 3/08.-Заявл. 28.04.11; Опубл.

27.10.2011.

18. Нагай И.В., Киреев П.С. Персиянов И.В. Адаптивная система резервной защиты с контролем положения РПН трансформаторов ответвительных подстанций// Патент на полезную модель 114234 РФ. МПК. Н02Н3/ 08 – Заявл.

22.08.2011; Опубл. 10.03.2012.

В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежат следующие научные результаты (в квадратных скобках указаны номера работ, представленных выше): [5] – разработка требований к модели и анализе результатов моделирования, [6] – предложение способа коррекции влияния электрической дуги и анализе результатов, [9] – сравнительный анализ чувствительности защит, [15, 18] – разработка структурных схем защит и алгоритмов их функционирования.

Нагай Иван Владимирович МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ РЕЗЕРВНАЯ ЗАЩИТА РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ 6-110 КВ С ОТВЕТВИТЕЛЬНЫМИ ПОДСТАНЦИЯМИ Автореферат Подписано в печать 24.05.2012.

Формат 6084 1/16. Бумага офсетная. Ризография.

Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ 48-4677.

Отпечатано в ИД «Политехник» 346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 1Тел., факс (8635)25-53-




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.