Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 7
Глава 1. АНАЛИЗ АВАРИЙНЫХ РЕЖИМОВ
В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ 0,38...35 КВ 15
Анализ аварийности распределительных сетей 15
Методы расчета аварийных режимов 20
Анализ средств отключения аварийных режимов на линиях 6-35 кВ.... 27
Опасность двойных замыканий на землю 36
Анализ средств отключения аварийных режимов на линиях 0,38 кВ... 41
Секционирование электрических сетей 51
Выводы по главе 1 52
Глава 2. РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА РЕЖИМОВ РАБОТЫ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ 0,38...35 КВ 53
Моделирование нагрузок трехпроводных и четырехпроводных сетей..53
Модель нагрузки, соединенной в треугольник, в трехпроводной сети.53
Модель нагрузки, соединенной в звезду, в трехпроводной сети 57
Модель нагрузки, включаемой между фазными и нулевым проводами, в четырехпроводной сети 60
Модель нагрузки, соединенной в треугольник,
в четырехпроводной сети 65
Модель нагрузки, соединенной в звезду, в четырехпроводной сети.. 66
Моделирование линий трехпроводных и четырехпроводных сетей... .70
Моделирование блока проводимостей линии электропередачи 73
Моделирование блока сопротивлений линии электропередачи 76
Моделирование всего участка линии электропередачи 78
Вычисление матрицы сопротивлений трансформатора 79
Моделирование трансформаторов со схемой соединения обмоток «звезда - треугольник» 87
Моделирование трансформаторов со схемой соединения обмоток «звезда - звезда с нулем» 96
2.6. Алгоритм расчета токов и напряжений в распределительной сети .... 106
Методика расчета линий 10 кВ с ответвлениями 107
Синтез схемы управления устройством выделения ответвления
с коротким замыканием 115
Методика расчета линий с двухсторонним питанием 120
Выводы по главе 2 132
Глава 3. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РЕАГИРУЮЩИХ ОРГАНОВ
ТОКОВЫХ ЗАЩИТ 134
Особенности использования герконов в релейной защите 134
Исследование токового геркона 137
Использование токовых герконов в схемах токовых отсечек 147
Исследование расширителя импульсов с герконом 148
Построение максимальных токовых защит с токовым герконом 154
Построение реагирующего органа на промежуточном реле 156
Синтез схемы фазочувствительного органа 157
Построение многоступенчатой токовой защиты 164
Экономичная проверка работоспособности реагирующих
органов защит 165
Выводы по главе 3 167
Глава 4. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЛОГИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ
РЕЛЕЙНЫХ ЗАЩИТ ЛИНИЙ 10-35 КВ 168
Симметричные логические функции и их реализация 168
Сведения о симметричных логических функциях 168
Реализация симметричных логических функций герконовыми реле.. 170
Реализация симметричных логических функций диодными мостами. 174
Распознавание несимметрии напряжений на шинах 10 кВ подстанции 179
Метод расчета несимметричных режимов в системе: линия 35 кВ - трансформатор 35/10 кВ - линия 10 кВ - нагрузка 180
Обоснование времени действия защиты 189
4.5. Синтез схемы ускоренного отключения двухфазных коротких
замыканий на линиях 35 кВ 191
Метод расчета двойных замыканий на землю 199
Синтез схемы ускоренного отключения двойных замыканий
Совершенствование методики вычисления коэффициентов обратной
Моделирование защит с фильтрами напряжения нулевой последовательности в фазных координатах 252
Контроль напряжений у нескольких потребителей при обрывах фаз... 258
Моделирование и расчет защит с фильтрами напряжения обратной последовательности (ФНОП) 260
Определение сопротивлений ФНОП 260
Моделирование ФНОП в трехпроводной сети в фазных координатах 263
Моделирование ФНОП в четырехпроводной сети в фазных координатах 269
Варианты исполнения реагирующих органов к ФНОП 271
Совершенствование защит с ФНОП 274
Совершенствование температурной защиты потребителей 277
Реализация функции «неравнозначность» трехфазным
Экономическое обоснование автоматического поперечного секционирования на линии 10 кВ 282
Экономическое обоснование внедрения схемы ускоренного отключения двухфазных КЗ на линии 35 кВ 288
Экономическое обоснование внедрения УРОВ-Ю 291
Обоснование использования защиты с ФНОП в схемах
адаптацию к изменяющимся нагрузкам;
минимум затрат на эксплуатацию и обслуживание линий путем снижения аварийности;
электрическую и экологическую безопасность применением надежной аппаратуры, устройств релейной защиты и автоматики [58];
совершенствование систем учета электроэнергии, автоматизированного контроля и управления сбытом электроэнергии;
экономическую эффективность распределения и подачи электроэнергии при минимуме ее потерь в сетях;
техническую и технологическую восприимчивость к автоматизации и телемеханизации.
для расчетов любых сложных несимметричных режимов в радиальных и сетях с двухсторонним питанием;
для расчетов реагирующих органов релейных защит потребителей от несимметрии напряжений и от перегрузки;
для оценки надежности работы защиты линий и трансформаторов при минимальных токах КЗ.
разработаны математические модели различных видов нагрузок, линий электропередачи, фильтров напряжения, трансформаторов, блоков несимметрии с возможностью их взаимного согласования;
разработан метод расчета комбинированных защит потребителей от аварийных режимов с учетом влияния параметров линий и нагрузок;
разработан метод расчета токов и напряжений с учетом токов нагрузки в местах установки защит при междуфазных КЗ, при ДЗЗ и при обрывах проводов на линиях;
исследован токовый реагирующий орган с герконами, и на его базе построена защита с коэффициентом возврата, близким к единице;
синтезирована схема релейной защиты, реагирующая на скорость приращения тока в линии, позволяющая резервировать выключателями трансформаторов отказы выключателей линий 6-10 кВ;
разработан метод расчета линий с двухсторонним питанием;
разработано устройство выделения поврежденной отпайки с выключателями нагрузки;
разработаны комбинированные защиты потребителей.
комплексный подход к вычислению токов и напряжений в рабочем и аварийном режимах в любой точке системы: линия 35 кВ — трансформатор 35/10 кВ - линия 10 кВ - нагрузка;
результаты исследований и расчета элементов токовых защит с герконами РС и потребителей;
синтез схемы защиты ускоренного отключения двухфазных КЗ на линиях 35 кВ;
метод расчета ДЗЗ и синтез схемы ускоренного отключения ДЗЗ в сетях 10 кВ с изолированной нейтралью;
методы синтеза и расчета самонастраивающихся токовых защит трансформаторов, обеспечивающих резервирование отказов выключателей линий 10 кВ;
методы проверки чувствительности защит линий и трансформаторов в сетях с радиальным и с двухсторонним питанием с учетом токов нагрузки;
метод расчета несимметричных режимов сетей 0,38 кВ и параметров устройств комбинированных защит потребителей от аварийных режимов.
методика расчета аварийных режимов в электрических сетях 10...35 кВ в ОАО «РОСЭП»;
методика расчета аварийных режимов и защит от них в сетях 0,38 кВ
защиты потребителей от несимметрии питающих напряжений и перегрузки на сельскохозяйственных предприятиях Ростовской области;
начиная с 1977 года результаты исследований используются студентами и аспирантами Азово-Черноморской агроинженерной академии, а с 1986 года — студентами и аспирантами Костромской ГСХА.
на землю 211
Выводы по главе 4 213
Глава 5. РЕЗЕРВИРОВАНИЕ ОТКАЗОВ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ
НА ЛИНИЯХ 10-0,38 КВ 214
Обоснование разработки устройства резервирования отказа выключателей на линиях 10 кВ 214
Определение ущерба от неотключившихся коротких замыканий 221
Синтез схем с памятью 222
Синтез схемы устройства резервирования отказов выключателей
на линиях 6-10 кВ 226
Моделирование и расчет токов коротких замыканий
в сетях 0,38/0,22 кВ 232
Совершенствование фильтров токов нулевой последовательности ... 239
Анализ работы автоматических выключателей и проводов
линий 0,38 кВ при удаленных коротких замыканиях 240
Увеличение надежности работы потребительских трансформаторов...245 Выводы по главе 5 247
Глава 6. КОМБИНИРОВАННЫЕ ЗАЩИТЫ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ
ОТ АВАРИЙНЫХ РЕЖИМОВ 248
и нулевой последовательности по напряжению у потребителей 248
6.5. Реализация симметричных функций на переменном токе 276
диодным мостом для трехфазного тока 279
Выводы по главе 6 280
Глава 7. ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ РЕЛЕЙНЫХ ЗАЩИТ СЕТЕЙ 35...0,38 КВ И ПОТРЕБИТЕЛЕЙ.. 282
погружных электродвигателей 293
Выводы по главе 7 295
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 297
Список использованных источников 300
Приложение А. Акты внедрения 322
Приложение Б. АНАЛИЗ ОДНОФАЗНЫХ КОРОТКИХ
ЗАМЫКАНИЙ В СЕТИ 0,38 КВ 329
Б1. Анализ однофазных КЗ методом симметричных составляющих 329
Б1.1. Изменение токов при однофазном КЗ 329
Б1.2. Изменение напряжений при однофазном КЗ 334
Б1.3. Изменение напряжений вдоль линии при однофазных КЗ 336
Б2. Анализ однофазных КЗ в фазных координатах 338
БЗ. Сравнение результатов расчета однофазных КЗ 339
Б3.1. Расчет методом симметричных составляющих 340
Б3.2. Расчет однофазных КЗ методом фазных координат 341
Приложение В. АНАЛИЗ ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ОБРЫВЕ
ПРОВОДОВ НА ЛИНИИ 0,38 КВ 345
В1. Анализ токов и напряжений методом симметричных составляющих...345 В2. Анализ токов и напряжений при обрывах фазных проводов
методом фазных координат 350
ВЗ. Анализ напряжений у потребителей при обрыве нулевого провода
в сети 0,38 кВ 355
Приложение Г. АНАЛИЗ ДВУХФАЗНОГО КЗ ЧЕРЕЗ ПЕРЕХОДНОЕ
СОПРОТИВЛЕНИЕ НА ЛИНИИ 0,38 КВ 358
Г1. Анализ двухфазного КЗ через переходное сопротивление методом
симметричных составляющих 358
Г2. Анализ двухфазного КЗ через переходное сопротивление
методом фазных координат 362
Приложение Д. АНАЛИЗ ДВУХФАЗНОГО КЗ НА НУЛЕВОЙ
ПРОВОД В СЕТИ 0,38 КВ 364
Д1. Анализ двухфазного КЗ на нулевой провод методом
симметричных составляющих 364
Д2. Анализ двухфазного КЗ на нулевой провод методом фазных
координат 367
Введение к работе
Электроэнергия ко всем производственным, коммунальным и бытовым сельскохозяйственным потребителям доставляется по распределительным электрическим сетям (PC). PC на напряжение 0,38...10 кВ представляют собой наиболее разветвленную и протяженную часть в электросетевой системе. Они осуществляют прямой контакт с обслуживаемой ими другой системой - системой потребителей электроэнергии - и являются важным звеном в инфраструктуре агропромышленного комплекса [82, 202]. PC оказывают большое влияние на устойчивость функционирования сельскохозяйственного производства. Большей частью PC построены по радиальной схеме с применением воздушных и кабельных линий (BJ1 и KJ1). В настоящее время в эксплуатации находятся более 3 млн. км BJ1 (из них 220 тыс. км линий 110 кВ; 180 тыс. км - 35 кВ; 1,2 млн. км - 6-10 кВ; 1,4 млн. км - 0,4 кВ). На селе установлено 16700 подстанций 110...35/6...10 кВ, порядка 550 тыс. трансформаторных пунктов (ТП) 6... 10/0,4 кВ [58].
Главная особенность электроснабжения сельскохозяйственных потребителей заключается в том, что электроэнергию надо подводить к большому числу сравнительно маломощных объектов на большой территории. В результате протяженность сетей в расчете на единицу мощности потребителей во много раз превышает эту величину в других отраслях народного хозяйства. А стоимость электроснабжения потребителей в сельской местности составляет 75% от общей стоимости электрификации, включая стоимость машин [19].
Повышение надежности электроснабжения сельского хозяйства способствует увеличению качества и количества произведенной сельскохозяйственной продукции. Из прогноза совершенствования систем электроснабжения села до 2010 года электрические сети должны обеспечивать[64]:
Из общего количества проблем электроснабжения сельского хозяйства в работе решены вопросы увеличения надежности работы релейных защит распределительных сетей, сокращение времени отключения аварийных участков линий 10 и 35 кВ, что снижает масштабы разрушений и снижает затраты на эксплуатацию и обслуживание линий, автоматического секционирования распределительных сетей 10 кВ [167]. Применение средств секционирования существенно улучшает технико-экономические показатели электроснабжения сельского хозяйства, сокращает недоотпуск электроэнергии потребителям и значительно сокращает трудозатраты на отыскание повреждений.
Одной из особенностей PC является близость к потребителям и, как следствие, влияние режимов этих сетей на показатели качества и надежности электроснабжения. На стадии проектирования качество электроснабжения оценивается на основании расчетов. До сих пор не разработаны методы расчета сетей с несколькими несимметричными нагрузками, которые широко распространены в сельскохозяйственных районах. Важную роль при решении этой проблемы имеет разработка таких методов моделирования электрических сетей, которые отличались бы универсальностью, адекватностью математического описания элементов при любых проявлениях несимметрии в сети. Результаты расчетов несимметричных режимов необходимы для оценки электрических величин при выборе уставок и анализе работы устройств релейной защиты [188].
От того, насколько удачен используемый для моделирования математический аппарат, зависит точность решения задач, объективность оценки допустимости функционирования РС при той или иной несимметрии. Несмотря на высокий уровень развития вычислительной техники ощущается отсутствие единой методологии как в вопросах построения моделей РС, так и в выборе метода решения.
Известны два подхода к решению задач несимметричных режимов - с помощью метода симметричных составляющих [1, 28, 175, 195] и метода фазных координат [76, 79]. При использовании метода симметричных составляющих в расчетах РС получил распространение подход с использованием расчетных выражений. В этом случае схемы всех последовательностей связываются между собой в соответствии с граничными условиями. Применение метода симметричных составляющих для расчета несимметричных режимов сопряжено со сложностью моделирования и решении задач симметрирования режимов [98].
Метод фазных координат обладает возможностью простого моделирования пофазного различия параметров как линий электропередачи, так и нагрузок [11, 138]. Применение этого метода позволяет выполнять расчеты установившихся и аварийных режимов РС 10-35 кВ в условиях любой несимметрии, которые раньше не рассматривались. Его недостатком является потребность в значительно большем объеме информации, требующейся для формирования схем замещения, а также необходимость работать с несимметричной матрицей узловых параметров [98].
В данной работе на базе метода фазных координат осуществлен единый методический подход к расчетам всех видов аварийных режимов в распределительных сетях [99,106, 125].
В связи с ухудшением характеристик оборудования из-за «старения» изоляции и отказами защитных устройств участились случаи аварийного выхода из строя оборудования электрических сетей. Наиболее частые и длительные отключения происходят в сетях 10-35 кВ. Отказы в работе сетей 0,38 kB предприятиями электрических сетей и эксплуатационным персоналом сельскохозяйственных предприятий не регистрируются. Ущерб от перерывов электроснабжения и снижения качества напряжения неуклонно возрастает, в особенности на птицефабриках и животноводческих комплексах.
Наиболее часто в сетях 6...10 кВ, работающих с изолированной нейтралью, повреждается изоляция одной фазы, которая сопровождается протеканием емкостных токов замыкания на землю и искажением фазных напряжений. Примерно 30% таких повреждений переходят в двойные замыкания на землю (ДЗЗ) [130, 190]. Токи ДЗЗ существенно меньше токов двухфазных коротких замыканий (КЗ), а релейные защиты присоединений проверяются на чувствительность только к токам двухфазных КЗ. Вероятнее всего это связано с тем, что в настоящее время отсутствует методика расчета ДЗЗ с учетом токов нагрузки. ДЗЗ в некоторых случаях не могут отключаться существующими токовыми защитами линий 10 кВ, что приводит к разрушению бетона из-за перегрева арматуры железобетонных опор. По этой причине электромонтерам запрещается подниматься на любые железобетонные опоры, у которых провод лежит на траверсе, без установки специальных распорок, что увеличивает стоимость ремонта линий и ущерб от недоотпуска электроэнергии потребителям.
Особенно опасны ДЗЗ, когда одно из повреждений изоляции находится на трансформаторном пункте. При этом возможно травмирование людей и животных в случае прикосновения к зануленным корпусам электрооборудования. При таких авариях необходимо отключать ДЗЗ без выдержки времени [115]. Необходимо увеличивать чувствительность защит ко всем видам КЗ.
В сетях 110 кВ и выше предусматриваются устройства резервирования отказов выключателей линий, которые отключают все присоединения, питающие секцию или систему шин с неотключившимся выключателем. В сетях 6... 10 кВ резервирование отказов выключателей линий должны выполнять выключатели питающих трансформаторов. Но чувствительность токовых защит этих выключателей во многих случаях недостаточна для отключения особенно удаленных даже двухфазных КЗ. Тем более эта защита не чувствует ДЗЗ.
При радиальной схеме электроснабжения потребителей в сельской местности даже такие ответственные потребители, как птицефабрики, предприятия электрических сетей относят к потребителям третьей категории. Отсюда следует важность повышения надежности работы трансформаторов в трансформаторных пунктах (ТП). Обследования, проведенные на ремонтных предприятиях, показывают, что основными причинами выхода из строя трансформаторов 6... 10/0,4 кВ является разрушение обмотки высокого напряжения и выгорание шпилек крепления низковольтных выводов. Обмотка высокого напряжения может выйти из строя либо из-за плохой защиты от перенапряжений, либо от перегрузки. Низковольтные вводы разрушаются только из-за перегрузок. Несоизмеримы стоимости трансформаторов и их защитных устройств. Так, трансформатор 10/0,4 кВ мощностью 160 кВА в ценах 2005 г. стоит 90765 руб., а защищается он от аварийных режимов только предохранителями стоимостью 1300 руб. Да и плавкие вставки этих предохранителей рассчитываются на двухкратную перегрузку трансформаторов [198]. Такие вставки срабатывают только при повреждениях внутри трансформатора. А если трансформатор длительно перегружается током удаленного КЗ, которое не отключилось автоматическим выключателем линии, то он неминуемо выйдет из строя. Необходимо использовать более совершенные средства управления трансформаторами 10/0,4 кВ. Эти средства управления должны иметь возможность резервирования автоматических выключателей линий 0,38 кВ.
Кроме этого, в соответствии с требованиями [39], время отключения однофазных КЗ в сетях 0,38 кВ не должно превышать 5 с. Электромагнитные расцепители автоматических выключателей, установленных на линиях, срабатывают без выдержки времени только в зоне 2-3 пролетов от подстанции. В остальной зоне срабатывают тепловые расцепители со временем, намного больше требуемых 5 с.
Требуемые показатели качества электрической энергии [34] у потребителей нарушаются из-за аварийных режимов в электрических сетях, и большое количество трехфазных электродвигателей (ЭД) выходит из строя из-за несимметрии напряжений. Эффективным средством для защиты потребителей от несимметрии напряжений являются простые защиты с фильтрами напряжения обратной последовательности (ФНОП) [103]. Но до сих пор отсутствует методика расчета защит с ФНОП.
На основании вышеизложенного целью исследования является повышение надежности электроснабжения сельского хозяйства путем увеличения чувствительности и ускорения действия релейных защит в РС. Эта цель достигается разработкой новых типов реагирующих органов, адаптивных защит, изменяющих алгоритм функционирования в зависимости от вида повреждения, а также развитием метода фазных координат:
Для достижения поставленных целей в работе решены следующие задачи:
На защиту диссертации выносятся следующие положения:
Реализация результатов исследований. Разработаны и внедрены в
производство:
с глухозаземленной нейтралью в ГНУ ВНИПТИМЭСХ;
Апробация работы. Основные положения, научные и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-практических конференциях Азово-Черноморского института механизации сельского хозяйства (г. Зерноград, 1977-85 гг.), Костромской ГСХА (г. Кострома, 1986-2005 гг.), на Всесоюзном совещании по электрификации сельского хозяйства (г. Суздаль, 1980 г.), на научно-методическом семинаре «Компьютеризация учебного процесса по курсам «Электротехника и основы электроники» и «Теоретические основы электротехники» (г. Астрахань, 1992 г.), на 3-ей и на 5-ой международных научно-технических конференциях «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (г. Москва, 14-15 мая 2003 года, 16-17 мая 2006 года), на совещании деканов и заведующих кафедрами факультетов электрификации и автоматизации с.-х. (г. Москва, 2003 г.), на международной научно-практической конференции «Проблемы развития энергетики в условиях производственных преобразований» (г. Ижевск, 2003 г.), на международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-17» (г. Кострома, 2004 г.), на научно-практической конференции «Электротехнологии и электрооборудование в сельскохозяйственном производстве» (г. Зерноград, 2004 г.), на международной научно-практической Интернет-конференции «Электрооборудование и электробезопасность» (г. Орел, 2005 г.).
Публикации. Основное содержание работы отражено в 73 научных работах, в том числе 17 изобретениях и монографии.
