Введение к работе
Актуальность работы. Электроэнергетические системы и сети России постоянно развиваются и модернизируются. Одной из важных задач является задача определения места повреждения (ОМП) в электрических сетях и в частности в сельских электрических сетях 6-10-35 кВ. Они являются самыми многочисленными и расположенными на большой территории. Их основу составляют воздушные линии. Городские сети в основном выполнены кабельными линиями. Сети 35 кВ также являются в основном сельскохозяйственными сетями. Их особенностью является то, что больше половины фидеров 35 кВ выполнены двухцепными воздушными линиями. Это накладывает особенности на эксплуатацию этих сетей.
С развитием электротехнологий повышаются требования к электроснабжению сельскохозяйственных потребителей. Перерывы в электроснабжении этих потребителей приводят к нарушению технологических процессов: пропуск доек, нарушение водоснабжения, перерывы в кормлении, отключение вентиляции и отопления, изменение микроклимата, повышение или снижение температуры относительно номинальной, нарушение освещения.
Труднодоступность сельской местности (леса, овраги, болотистые участки, сугробы и т.п.) и плохие погодные условия (дождь, снег, ветер, низкая или высокая температура) усложняют и делают еще более актуальной задачу определения вида и места аварийных режимов (АР). Решение задачи ОМП в сельских сетях повышает надежность их работы, так как новые производственные технологии не допускают больших перерывов в электроснабжении.
Данная работа выполнена согласно области исследований «Разработка методологических основ создания надежного и экономичного энерго- и электроснабжения сельскохозяйственных потребителей, разработка новых технических средств», указанной в паспорте специальности 05.20.02 – Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве.
Важное место в разработке эффективного электроснабжения распределительных электрических сетей занимают исследования Будзко И.А. и Лещинской Т.Б. Вопросам надежности электроснабжения посвящены работы Виноградовой_А.В.
На современном этапе для сетей класса 110 кВ и выше разработано много методов и устройств ОМП. Большие длины линий и большие отключающиеся мощности позволяют окупить применение в этих сетях современных микропроцессорных устройств. В распределительных сельских электрических сетях 6-10-35кВ длины линий и отключающие мощности не так велики. Кроме того, распределительные сети работают с изолированной нейтралью, в отличие от сетей класса 110 кВ и выше, работающих с глухозаземленной нейтралью. То есть, для распределительных сетей задача ОМП не решена и нет эффективных дистанционных методов и средств обнаружения АР. Поэтому для них необходимо разрабатывать свои методы и средства ОМП.
Перед определением вида и места АР необходимо рассчитать сам АР рассматриваемой сети. Ранее для расчетов АР применялся метод трех симметричных составляющих (ТСС). Однако он требует составления сложных схем замещения относительно точки повреждения, и строго применим только для трехфазных и симметричных электрических сетей. На современном этапе, с развитием вычис-3
лительной техники, вместо метода ТСС все чаще применяется метод фазных координат (ФК), основанный на матричном методе расчета режимов электрических сетей. Он рассчитывает напряжения и токи сразу в реальных величинах и позволяет рассчитывать любые сложные аварийные режимы электрических сетей с любым числом фаз. Поэтому в данной работе для расчета АР применен современный метод ФК.
Степень разработанности темы. Исследования по применению метода ФК выполнены учеными: Мельниковым Н.А., Федосеевым А.М., Лосевым С.Б., Чер-ниным А.Б., Фабрикантом В.А., Гусейновым А.М., Берманом А.П. и др.
Большой вклад в решение вопросов ОМП в электрических сетях сделали ученые: Аржанников Е.А., Айзенфельд А.И., Кузнецов А.П., Лямец Ю.А., Ша-бад_М.А., Шалыт Г.М. и др.
Исследованию АР в распределительных сетях посвящены работы ученых ФГБОУ ВО Костромская ГСХА: Солдатова В.А., Попова Н.М., Баранова А.А., Климова Н.А., Солдатова С.В., Чебесова Е.А.. В этих работах разработаны модели элементов распределительных электрических сетей 0,38-6-10-35 кВ (линий, трансформаторов, нагрузок, блока повреждения) в фазных координатах. Усовершенствованы методы расчета и обнаружения АР. Однако, в этих работах методы ОМП используют соотношения реальных напряжений и токов, которые неприменимы при любых длинах линии, параметрах трансформаторов и нагрузок. Необходимость измерения векторных диаграмм напряжений и токов в начале линии удорожает приборы ОМП. Поэтому необходимо разрабатывать новые экономичные методы ОМП, основанные на других подходах, что и сделано в данной работе для сетей 35 кВ.
Для ОМП в электрических сетях применяют дистанционные и топографические методы. Дистанционные методы в большинстве случаев требуют отключения линии, что увеличивает время устранения повреждения. Топографические методы требуют обхода линии ремонтной бригадой, что также увеличивает время устранения повреждения. Большим недостатком дистанционных методов является необходимость подключения измерительных приборов через трансформаторы напряжения (ТН) и трансформаторы тока (ТТ), которые в большинстве имеют малый класс точности. Это увеличивает погрешность определения расстояния до точки повреждения. Рассматриваемый в данной диссертационной работе метод ОМП по наведенным напряжениям (НН) на антеннах не требует измерения векторных диаграмм напряжений и токов, а, следовательно, и использования ТН и ТТ. Он требует только измерения НН на антеннах, что удешевляет его использование.
Для обнаружения АР развивается метод, описанный в работах Будзко И.А., Сагутдинова Р.Ш., Жаркова В.Я., Селивахина А.И. и Солдатова С.В. Сущность метода состоит в том, что параллельно фазам А, В, С линии размещают одно или многостержневую антенну, на которой наводятся НН. При этом ранее расположение стержней антенны выбиралось так, чтобы в нормальном режиме НН на антенне было близко к нулю, а при однофазных замыканиях на землю (ОЗЗ) составляло бы значительную величину. В этом случае антенна представляла собой фильтр напряжения нулевой последовательности.
В развитии этих положений в работах Солдатова С.В. исследованы одно-стержневые и многостержневые антенны для сетей 10 кВ. Размещение стержней
выбиралось таким образом, чтобы НН в нормальном режиме отличались от НН в аварийных режимах, а также между собой. Показано, что с помощью одной антенны можно определять вид и место АР с замыканиями на землю.
Данная работа является развитием этих исследований. В отличие от ранее проведенных исследований рассмотрена возможность определения вида и места АР в сельских сетях 35 кВ, как при одноцепном исполнении линии, так и при двухцепном исполнении. При этом предложено использовать две антенны расположенные в точках, где их эффективность наибольшая. Эффективность предложенного метода ОМП подтверждена как при металлических замыканиях, так и при замыканиях через переходное сопротивление.
Целью диссертационной работы является разработка методов расчета и обнаружения повреждений в сельских электрических сетях 35 кВ по наведенным напряжениям на антеннах.
Для достижения данной цели решались следующие задачи:
-
Изучить и использовать модели элементов электрической сети в фазных координатах, на основе которых разработать расчетную модель и программу расчета аварийных режимов в сельских сетях 35 кВ и наведенных напряжений на антеннах при одноцепных и двухцепных линиях.
-
Исследовать влияние места расположения антенн на величину наведенного напряжения для одноцепной линии 35 кВ. Выявить степень влияния на наведенные напряжения: отклонения фазных напряжений в линии; нагрузки антенны; чередования фаз линии; нагрузки фидера 35 кВ.
-
Разработать методы определения вида и места аварийных режимов в од-ноцепных сельских линиях 35 кВ по наведенным напряжениям на двух антеннах при металлических замыканиях и при замыканиях через переходное сопротивление.
-
Усовершенствовать метод расчета аварийных режимов и разработать метод определения вида и места повреждения в двухцепных сельских линиях 35 кВ по наведенным напряжениям на двух антеннах при металлических замыканиях и при замыканиях через переходное сопротивление.
-
Провести экспериментальные исследования разработанных методов расчета аварийных режимов и наведенных напряжений на антеннах. Дать оценку технико-экономической эффективности, предложенной модели устройства определения вида и места аварийных режимов в сельских сетях 35 кВ.
Объект исследования. Объектом исследования являются аварийные режимы и процесс их обнаружения в сельских электрических сетях 35 кВ.
Предмет исследования. Предметом исследования являются методы расчета и определения вида и места аварийных режимов сельских электрических сетей 35 кВ по наведенным напряжениям на антеннах.
Гипотеза исследования. Повысить эффективность обнаружения места повреждения в сельских электрических сетях 35 кВ возможно путем использования наведенных напряжений на специальных антеннах.
Методы исследования. Теоретические исследования проводились с использованием известных положений теоретических основ электротехники, методов моделирования электрической сети 35 кВ в фазных координатах, матричной теории расчета режимов электрических сетей, интерполяционных полиномов. Экспериментальные исследования выполнялись на основе общепринятых мето-5
дов, а также разработанных частных методик, учитывающих специфику данной работы. При этом использовался разработанный лабораторный стенд для исследования аварийных режимов фидера 35 кВ.
Научная новизна работы.
-
Разработана расчетная модель фидера 35 кВ и программа расчета на ЭВМ, позволяющие рассчитывать аварийные режимы для сельских одноцепных и двухцепных линий, а также наведенные напряжения на антеннах.
-
Установлена степень влияния на наведенные напряжения антенн основных параметров линии 35 кВ и места расположения самих антенн.
-
Разработан метод определения вида и места повреждения для сельских одноцепных линий 35 кВ при использовании двух антенн.
-
Усовершенствован метод расчета аварийных режимов и разработан метод определения вида и места повреждения для сельских двухцепных линий 35 кВ при использовании двух антенн.
5. Предложена модель устройства для обнаружения вида и места аварийных режимов сельских линий 35 кВ по наведенным напряжениям на двух антеннах и выявлена ее техническая и экономическая эффективность, как при металлических замыканиях, так и при замыканиях через переходное сопротивление.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Теоретические исследования позволили усовершенствовать метод расчета аварийных режимов, а также разработать метод их обнаружения в сельских электрических сетях 35 кВ по наведенным напряжениям на двух антеннах. Иследования проведены как для одноцепных, так и для двухцепных линий 35 кВ. Обоснована эффективность предложенных методов как при металлических замыканиях, так и при замыканиях через переходное сопротивление. По предложенным методам разработана соответствующая программа расчета для ЭВМ, на которую получено свидетельство о государственной регистрации. Получен патент на полезную модель, которая позволяет регистрировать несимметрию напряжений в линиях 35 кВ возникающую при разных аварийных режимах. Показано, что при металлических замыканиях и замыканиях через переходное сопротивление погрешность ОМП составляет 7 – 12% для одноцепных линий и 5 – 18 % для двухцепных линий, что достаточно для практического применения.
Результаты исследований и программа расчета используются в филиале
ПАО «МРСК Центра» - «Костромаэнерго». Им переданы результаты расчетов
различных аварийных режимов сетей 35 кВ, а также программы расчетов
аварийных режимов, наведенных напряжений и определения места повреждения.
Программа расчета наведенных напряжений используется также при определении
взаимовлияния параллельных линий электропередачи. Результаты проведенных
исследований и программа расчета также используются в научно-
исследовательской работе и в учебном процессе ФГБОУ ВО Костромская ГСХА при подготовке бакалавров, магистров и аспирантов. Теоретические исследования подтверждены экспериментальными исследованиями. Представлен расчет технико-экономической эффективности разработанных методов и модели устройства.
Основные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся:
1. Разработанные методы и программы расчета на ЭВМ аварийных
режимов в сельских сетях 35 кВ и наведенных напряжений на антеннах при одно-
цепном и двухцепном исполнении линий.
2. Результаты исследований влияния на наведенные напряжения места
расположения антенн и основных параметров антенн и линии 35 кВ.
3. Разработанный метод определения вида и места повреждений в сель
ских одноцепных линиях 35 кВ по наведенным напряжениям на двух антеннах,
как при металлических замыканиях, так и при замыканиях через переходное со
противление.
4. Разработанный метод определения вида и места повреждений в сельских
двухцепных линиях 35 кВ по наведенным напряжениям на двух антеннах, как
при металлических замыканиях, так и при замыканиях через переходное сопро
тивление.
5. Результаты экспериментальных исследований правомерности разработанных методов расчета аварийных режимов и наведенных напряжений. Технико-экономические показатели предложенной модели устройства определения вида и места повреждения.
Достоверность исследований подтверждена теоретическими и экспериментальными исследованиями, выполненными с использованием методов математического и физического моделирования с применением положений теоретических основ электротехники, матричной теории расчета режимов электрических сетей, интерполяционных полиномов. Экспериментальные данные получены с помощью разработанного лабораторного стенда, а также с использованием современных поверенных приборов и аппаратов. Результаты теоретических и экспериментальных исследований хорошо согласуются.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на: Ежегодных международных научно-практических конференциях ФГБОУ ВО Костромская ГСХА в 2015, 2016, 2017 годах; Всероссийской научно-практической конференции ФГБОУ ВО Саратовский ГАУ в 2016 году; Областном форуме научной молодежи «Шаг в будущее» в 2017 году. При этом сделанные доклады занимали призовые места.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 18 научных работ, в том числе 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Кроме того получены патент на полезную модель и свидетельство о регистрации программы для ЭВМ. Общий объем публикаций составляет 4,56 п.л., в том числе 2,44 п.л. принадлежит лично соискателю.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, основных выводов по каждому разделу, заключения, списка литературы и приложений. При объеме 201 страниц, содержит 177 страниц основного текста, 50 рисунков, 46 таблиц. Список использованных источников включает 241 наименований.