Введение к работе
Актуальность темы. Токовые защиты появились более 100 лет назад. Их созданием и совершенствованием занималось большое количество специалистов всего мира, среди которых особо отметим следующих: В. А. Андреев, Е. А. Аржанников, Г. И. Атабеков, Л. В. Багинский, М. А. Беркович, А. В. Богдан, А. Б. Барзам, Р. А. Вайнштейн, В. К. Ванин, Я. С. Гельфанд,
A. Д. Дроздов, А. Ф. Дьяков, А. М. Дмитренко, А. С. Засыпкин, В. И. Иванов,
М. Я. Клецель, С. Л. Кужеков, Н. Ф. Марголин, В. И. Нагай, В. И. Новаш,
Г. С. Нудельман, А. И. Левиуш, Ю. Я. Лямец, Г. М. Павлов, В. В. Платонов,
B. Е. Поляков, В. А. Семенов, Л. Е. Соловьев, В. Л. Фабрикант, А. М. Федосеев,
Е. П. Фигурнов, Н. В. Чернобровов, М. А. Шабад, А. И. Шалин,
Э. М. Шнеерсон, В. А. Шуин и др. Развитие энергетики за последние 60 лет
привело к тому, что и в настоящее время токовая и другие защиты от коротких
замыканий (КЗ) не всегда удовлетворяют предъявляемым требованиям чувст
вительности и надежности, а иногда, и быстродействия. Среди основных защит
распределительных сетей электроэнергетических систем малым быстродейст
вием обладают токовые защиты шин 6-10 кВ, недостаточной чувствительно
стью токовые поперечные защиты параллельных линий и максимально токовые
защиты мощных электродвигателей. Последний недостаток характерен и для
резервных максимальных токовых и дистанционных защит линий (при КЗ за
трансформатором ответвлений) а также трансформаторов (при удаленных КЗ за
присоединениями, отходящими от шин их низшего напряжения, и наложении
отказов защит и выключателей, которые ранее не рассматривались, а в послед
ние 15 лет участились из-за старения оборудования). В отношении надежности
тревогу вызывает статистика излишних и ложных срабатываний защит, исполь
зующих цепи напряжения, а также защит, выполненных на микропроцессорах.
Для повышения надежности РЗ в России и в Европе используется простое дуб
лирование. Однако оно, как известно, увеличивает надежность срабатывания,
ухудшая несрабатывание, в то время как анализ надежности МП устройств по
казывает, что излишние и ложные срабатывания случаются в несколько раз ча
ще, чем отказы в несрабатывании. Известно, что повышения надежности несра
батывания можно добиться путем мажорирования. При этом максимальный
эффект достигается, если дублирующие друг друга три комплекта имеют раз
ные принципы действия. Однако таких апробированных защит недостаточно.
Так в качестве резервных защит от междуфазных замыканий линий напряжени
ем 220-750 кВ используется только дистанционная, а от замыканий на землю
токовая нулевой последовательности. Более того, дистанционные защиты ино
гда (из-за наличия цепей напряжения) сами оказываются причинами развития
крупных техногенных аварий, например, в США в 1996 г. и в 2003 г.
Представляется, что решение всех перечисленных проблем невозможно без создания защит на новых принципах, разработке которых и посвящена данная работа.
Исследования по теме диссертации выполнялись в соответствии с планом научно-исследовательских работ ОмГТУ, в том числе проводимых в рамках
выполнения государственных контрактов № 16.516.11.6091 от 08. 07.2011 г., № 12-08-98028/12 от 17.05.2012 г., № 14.В37.21.0332, № 7.2881Ф. Материалы диссертации соответствуют распоряжению правительства РФ № 1715-р «Об энергетической стратегии на период до 2030».
Целью диссертационной работы является разработка новых и совершенствование известных принципов построения и моделей токовых защит элементов электроэнергетических систем.
Методы исследования используют положения теоретической электротехники и релейной защиты, электрических машин, электромагнитных и электромеханических переходных процессов электроэнергетических систем, теорию комплексного переменного, математический аппарат алгебры логики.
Достоверность основных теоретических положений, методов расчета анализа, подтверждается сопоставлением расчетных, полученных экспериментально и физическим моделированием данных, а работоспособность моделей и алгоритмов - натурными испытаниями, положительным опытом применения экспериментальных образцов разработанных устройств, установленных в опытную эксплуатацию.
Научная новизна работы:
-
Разработан принцип построения логических защит шин, основанный на контроле сигналов срабатывания пусковых органов максимальных токовых защит присоединений, отходящих от шин, и определении места повреждении в зависимости от комбинаций этих сигналов.
-
Разработанная поперечная направленная дифференциальная защита, в отличие от известных основана на контроле тока нагрузки в фазах и использовании алгебры логики.
-
Для ЛЭП с ответвлениями разработаны принципы построения и алгоритмы токовых резервных защит, в отличие от известных основанные на: а) изменении уставки срабатывания в зависимости от тока нагрузки; б) сравнении приращения модуля, реактивной и ортогональных составляющих тока с соответствующими эталонными величинами; в) контроле разности модулей токов фаз; г) комбинации приращений этих модулей. Показано, что для построения резервных защит транзитных ЛЭП можно использовать принципы по а) и б), если в каждый момент времени контролировать ещё и ток их нагрузки, а для резервных защит трансформаторов - отношения сумм и разностей модулей токов фаз.
-
Предложено строить реле направления мощности, контролируя и сравнивая длительности полупериода тока в настоящий момент с предыдущим, улучшать отстройку защит от самозапуска электродвигателя за счет контроля измерения тока статора и его фазы, а также определять поврежденную опору в сетях с изолированной нейтралью за счет фиксации протекания тока нулевой последовательности по её заземляющему проводнику и передачи сигнала по радиоканалу.
-
Показано, что направленность резервных защит присоединений ОРУ 220-750 кВ можно обеспечить на основе использования первого закона Кирхгофа.
-
Предложены два способа измерения тока в фазах ЭУ для построения РЗ с помощью герконов без использования трансформаторов тока (ТТ), при которых фиксируют времена между замыканиями и размыканиями контактов, и на той же основе разработана токовая защита с зависимой выдержкой времени на герконах.
-
Предложена прогнозирующая защита, включающая резервное питание при достижении сопротивлением изоляции питающих элементов критической величины с последующим отключением рабочего источника.
-
Разработан метод сопоставления резервных защит по чувствительности путем выражения минимального тока короткого замыкания, который они могут выявить, и параметров их срабатывания через номинальный ток нагрузки.
Практическая ценность работы заключается в том, что предложенные принципы, методы и модели позволяют:
-
создать несколько типов резервных защит трансформаторов и ЛЭП с ответвлениями, удовлетворяющих требованиям чувствительности при удаленных КЗ;
-
провести сопоставительный анализ чувствительности резервных защит;
-
использовать уже существующие электромеханические или микропроцессорные защиты с ТТ и герконы без ТТ для построения быстродействующих защит напряжением 6-10 кВ;
-
исключить большинство недостатков поперечной дифференциальной токовой направленной защиты ЛЭП двух параллельных линий;
-
очень просто определять поврежденную опору в сетях с изолированной нейтралью;
-
выполнять направленные токовые защиты без использования цепей напряжения, повысить чувствительность токовых защит электродвигателей;
-
создавать резервные централизованные защиты линий электропередач 330...500 кВ, решающих, в случае положительного опыта эксплуатации, проблему эффективного мажорирования резервных защит.
Реализация результатов работы.
Широкое использование в электроэнергетике (СССР, РФ и страны СНГ) получила логическая защита шин по авторскому свидетельству № 1644287, годовой экономический эффект от внедрения одного устройство составил около 50 тыс. рублей. Были опробованы экспериментальные образцы резервных защит по авторскому свидетельству № 1383458, а наиболее чувствительный (ЗРТ-2) установлен в промышленную эксплуатацию в «Павлодарэнерго» (Каз.ССР, РК, г. Павлодар) с годовым экономическим эффектом около 100 тыс. рублей.
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке аспирантов (специальность 05.14.02), в СНГ магистров (направление 140400.68), специалистов (специальность 140211) и бакалавров (направление 140400.62) в лекционных курсах, лабораторных занятиях, курсовом и дипломном проектировании в Омском государственном техническом университете, а также для слушателей курсов повышения квалификации инженеров-
электриков электроэнергетических предприятий в Омском региональном центре повышения квалификации и профессиональной подготовки. На защиту выносятся:
-
метод сопоставления чувствительности резервных защит с разными параметрами срабатывания;
-
принцип построения и модели логических защит шин;
-
усовершенствованная поперечная дифференциальная токовая направленная защита ЛЭП двух параллельных линий;
-
принцип определения поврежденной опоры в сетях с изолированной нейтралью;
-
принципы построения, алгоритмы и модели резервных защит линий с ответвлениями тупиковых и транзитных ЛЭП;
-
способ определения направления мощности без использования цепей напряжения и способ быстрого распознавания самозапуска по амплитуде и фазе тока;
-
принципы повышения чувствительности резервных защит линий и трансформаторов к несимметричным КЗ, основанные на оценке соотношений и разностей токов фаз;
-
алгоритмы резервных централизованных защит ЛЭП 330...500 кВ, основанные на использовании закона Киргофа и направлений мощностей;
-
способ построения прогнозирующей токовой защиты питающего элемента. Апробация работы.
Основные положения и научные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях:
III Всесоюзной научно-технической конференции «Техническая диагностика устройств релейной защиты и автоматики электрических систем» (Мариуполь, 1990 г.);
Всесоюзной научно-технической конференции «Современные методы и средства быстродействующего преобразования режимных параметров энергосистем» (Челябинск, 1990 г.);
I Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы комплексной автоматизации электроэнергетических систем на основе микропроцессорной техники» (Киев, 1990 г.);
Всесоюзной научно-технической конференции «Современная релейная защита электроэнергетических объектов» (Чебоксары, 1991 г.);
II Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 1997 г.)
Третьей международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 1999 г.)
Научно-технической конференции «Актуальные проблемы релейной защиты, противоаварийной автоматики, устойчивости и моделирования энергосистем в условия реструктуризации электроэнергетики» , посвященной 70-летию ОРЗАУМ института «Энергосетьпроект» (Москва, 2001 г.);
Международной научно-технической конференции «Электроэнергия и будущее цивилизации» (Томск, 2004 г.);
XX Конференции «Релейная защита и автоматика энергосистем» (Москва, 2010 г.);
13th International Conference on Electromechanics, Electrotechnology, Electromaterials and Components, ICEEE-2010 (Alushta, Crimea, Ukraine 2010);
Международной научно-практической конференции «Энергоэфективность» (Омск, 2010 г.)
III Международной научно-технической конференции СИГРЭ «Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем». (Санкт-Петербург, 2011 г.).
Публикации и личный вклад автора. Материал диссертации опубликован в 93 печатных научных трудах (включая 14 публикаций в изданиях из списка ВАК): 11 статья в журналах и других периодических изданиях, 9 авторских свидетельств СССР, 13 патентов РФ и 10 патентов Республики Казахстан, 36 статей в сборниках научных трудов и тезисов конференций, одна монография и двух учебных пособиях. Библиографическое описание основных работ приведено в конце автореферата.
Личный вклад в публикациях в соавторстве, по материалам которых написаны главы 5, 6 и параграф 2.3 составляет около 50%, остальные - более 90%.
