Введение к работе
Актуальность работы. В электроэнергетических системах России, Монголии и других странах на воздушных линиях (ВЛ) 10 кВ, работающих в сети с изолированной нейтралью, одним из наиболее частых видов повреждений является однофазное замыкание на землю (ОЗЗ). Схемы, параметры этих сетей ВЛ 10 кВ, природно – климатические условия и особенности возникающих ОЗЗ весьма разнообразны, так что использование для всех случаев какой-то одной единственной технологии определения места повреждения (ОМП) неэффективно. В условиях Монголии, в частности, для обеспечения работы сети её железных дорог характерно наличие только одной или двух отходящих ВЛ 10 кВ длиной до 60 км от каждой секции трансформаторной подстанции (ТП) (распределительного пункта-РП). Такие особенности имеют сети ВЛ 10 кВ для обеспечения электроэнергией трубопроводов в России и других странах.
В сетях ВЛ 10 кВ Российской Федерации (РФ) успешно используется известная технология поиска места ОЗЗ по показаниям токовых топографических переносных указателей «Поиск», «Волна» и «Квант» фирм «ОРГРЭС» и «Радиус». Однако для неё характерна недостаточная устойчивость действия при ОЗЗ вблизи середины одиночной ВЛ 10 кВ и ближе к шинам ТП 10 кВ (РП) с двумя ВЛ 10 кВ, так как в этих зонах не формируются устойчивые признаки места ОЗЗ. Устойчивым признаком, как известно, является большое значение (скачок) показания токового переносного указателя при движении персонала по трассе ВЛ 10 кВ.
В связи с этим актуален вопрос проведения исследований и разработки новой технологии топографического поиска места ОЗЗ на ВЛ 10 кВ с обеспечением её достаточной устойчивости при использовании показаний переносного токового ненаправленного указателя действующего значения тока нулевой последовательности. При этом устойчивые признаки места ОЗЗ формируются по результатам контроля наличия или отсутствия созданного импульсного наложенного тока, который создается с помощью принудительного периодического кратковременного замыкания одной из неповрежденных фаз ВЛ на землю через высокоомный резистор и коммутатор.
Степень разработанности. Как известно, в технике ОМП используются дистанционные и топографические средства. Дистанционные оценивают растояние от подстанции 10 кВ до места повреждения, а топографические помогают работникам ремонтной бригады ориентироваться на трассе ВЛ 10 кВ в процессе поиска места повреждения. В данной работе разрабатывается вариант топографических средств ОМП. В теории и технике релейной защиты и автоматики (РЗА) искусственное формирование электрических токов при ОЗЗ с помощью резистора известно с 1930-х годов, причём в процессе функционирования предусматривалась манипуляция значения сопротивления резистора.
Во второй половине прошлого века были разработаны два вида топографических переносных указателей для поиска ОЗЗ:
токовые;
направленные. Токовые указатели реагируют на токи промышленной частоты или на
высшие гармонические составляющие в токах нулевой последовательности, растекающиеся от места ОЗЗ, они весьма эффективны и находят широкое применение в достаточно развитых сетях ВЛ 10 кВ со значительным количеством отходящих присоединений и, соответственно, - значительными значениями токов нулевой последовательности. При этом направленные указатели не нашли применения из-за неудовлетворительного опыта эксплуатации.
При выборе значений параметров электрических величин контролировалась термоустойчивость резистора. Однократный ограниченный во времени перевод исходного естественного ОЗЗ в режим двойного двухместного замыкания на землю через высокоомный резистор для действия односторонного дистанционного средства ОМП ВЛ 10 кВ исследован Чекарьковым Д. М. в ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» (в 1980-е годы).
В последствии, в начале 21-го века технология с однократным переводом в режим двойного замыкания на землю использована в ООО «ИЦ «Бреслер» (ООО «Релематика») для действия РЗА и стационарных токовых указателей, включённых на токи фаз.
Вклад в разработку теории и практики изучения соотношений электрических величин в установившихся и переходных процессах при ОЗЗ в сетях с различными способами заземления нейтрали и основанных на этих соотношениях средств РЗА, включая ОМП, внесли российские инженеры и ученые Белотелов А. К., Борухман В. А., Вайнштейн Р. А., Гловацкий В. Г., Гусенков А. В., Кудрявцев А. А., Кузнецов А. П., Козлов В. Н., Лачугин В. Ф., Лихачев Ф. А., Лямец Ю. Я., Максимов Б. К., Миронов И. А., Нагай В. И., Сирота И. М., Сиротинский Л. И., Федосеев А. М., Чекарьков Д. М., Шабад М. А., Шалыт Г. М., Шуин В. А., а также специалисты российских и зарубежных фирм «Антракс», «Norway» и других.
Однако до сих пор не решена научно-техническая задача совершенствования технологии топографического поиска ОЗЗ в зоне вблизи середины одиночной ВЛ 10 кВ и около шин ТП 10 кВ (РП) с двумя ВЛ кВ по показаниям переносного токового указателя.
Объект исследования – воздушные линии 10 кВ в сети с изолированной нейтралью.
Предмет исследования – Разработка технологии топографического поиска
места ОЗЗ на ВЛ 10 кВ с наложенным током, созданным в результате
принудительного периодического кратковременного замыкания
неповрежденной фазы ВЛ 10 кВ на землю через высокоомный резистор и коммутатор на ТП 10 кВ (РП).
Цель работы. Совершенствование технологии топографического поиска места замыкания на землю ВЛ 10 кВ в сети с изолированной нейтралью.
Задачи исследования
1. Обзор, анализ и сравнение существующих методов и средств РЗА,
включая ОМП при ОЗЗ на В Л 10 кВ в сети с изолированной нейтралью, выбор
направления исследований и актуальность разработки технологии
топографического поиска места ОЗЗ на В Л 10 кВ.
-
Разработка нового способа топографического поиска места ОЗЗ в сети В Л 10 кВ с подтверждением достоверности и определением значений основных технических параметров специального коммутационного оборудования 10 кВ с использованием физического моделирования.
-
Разработка научно-обоснованных технических требований и рекомендаций по созданию следующих перспективных устройств и их технологии использования при поиске ОЗЗ:
специальное коммутационное оборудование 10 кВ с системой управления, включающее коммутатор, высокоомный резистор и разъединитель с пофазным ручным управлением;
токовый переносный ненаправленный указатель с использованием современных цифровых информационных технологий.
Методы исследования. При решении задач на основе теории электрических цепей и электромагнитных переходных процессов проводились анализ и обобщение результатов, использовались физические и математические модели. Формировались графические образы и выявлялись причинно-следственные взаимосвязи.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработан новый способ топографического поиска места ОЗЗ на ВЛ
10 кВ с зоной устойчивого обнаружения наличия импульсов действующего
значения созданного наложенного тока. Наложенный ток формируется путём
принудительного периодического кратковременного замыкания
неповрежденной фазы сети В Л 10 кВ на контур заземления подстанции через
высокоомный резистор и коммутатор, а контроль наличия импульсов
осуществляется переносным токовым ненаправленным указателем.
Выявлено, что в рассматриваемых сетях 10 кВ с одной или двумя ВЛ коэффициент устойчивого обнаружения импульсов наложенного тока Куст составляет не менее 3 при переходном сопротивлении в месте повреждения до 5,0 кОм.
2. Разработаны научно-обоснованные технические требований по соз
данию следующих перспективных устройств и их технологии использования
при поиске ОЗЗ:
- специальное коммутационное оборудование 10 кВ с системой
управления, включающее коммутатор, высокоомный резистор и разъединитель
с пофазным ручным управлением;
токовый переносный указатель с использованием современных цифровых информационных технологий.
Практическая значимость.
-
Определен состав программно-технических средств, реализующих временную диаграмму работы комплекса ОМП и значения основных технических параметров специального коммутационного оборудования (10 кВ, 10 А, 0,5/50 Гц) с системой управления, при котором обеспечивается термоустойчивость высокоомного резистора (1 кОм, 1 кВт). При этом благодаря обеспечению строгой ограниченности зоны наличия импульсов наложенного тока только между искомой точкой ОЗЗ и местом включения высокоомного резистора и устойчивого обнаружения импульсов наложенного тока в точках контроля на трассе ВЛ 10 кВ время поиска места ОЗЗ составляет не более 2 часов.
-
Разработаны рекомендации по созданию перспективных устройств и технология их использования при поиске ОЗЗ. Предусматривается использование современных информационных технологии (Internet, GPRS, GSM, ГЛОНАСС, (GPS), ГИС и др), что способствуют повышению производительности и культуры труда.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Новый способ и технология топографического поиска места ОЗЗ на ВЛ 10 кВ с зоной устойчивого обнаружения переносным токовым указателем действующего значения созданного наложенного тока, который формируется путём принудительного периодического кратковременного замыкания неповрежденной фазы ВЛ 10 кВ на землю через высокоомный резистор и коммутатор.
-
Научно-обоснованные технические требования и рекомендации по созданию следующих перспективных устройств и их технологии использования при поиске ОЗЗ:
специальное коммутационное оборудование 10 кВ с системой управления;
токовый переносный ненаправленный указатель с использованием современных цифровых информационных технологий;
Соответствие паспорту специальности.
Согласно формуле специальности 05.14.02 – Электрические станции и электроэнергетические системы, данная диссертация посвящена вопросам «Развития и совершенствования теоретической и технической базы электроэнергетики с целью обеспечения экономичного и надежного производства электроэнергии, её транспортировки и снабжения потребителей электроэнергией в необходимом для потребителей количестве и требуемого качества». Научные положения, отраженные в диссертации, соответствуют областям исследования специальности 05.14.02 – Электрические станции и электроэнергетические системы:
- п. 6. «Разработка методов математического и физического моделир
ования в электроэнергетике» относится созданная физическая модель «ZOL-III»
сети ВЛ 10кВ, а также программа и методика исследования процессов при
импульсном периодическом переводе в режим двойного замыкания на землю
( /Q ' ) и формирования зоны наложенного тока путем периодического замыкания неповрежденной фазы ВЛ на контур заземления ТП 10 кВ через высокоомный резистор.
- п. 7. «Разработка методов расчета установившихся режимов, переходных процессов и устойчивости электроэнергетических систем» относится предложенная методика расчета распределения токов нулевой последовательности при переводе в режим двойного замыкания на землю в сети В Л 10 кВ при включении высокоомного резистора на ТП 10 кВ (РП), на которой включено специальное коммутационное оборудование 10кВ.
Достоверность результатов диссертационной работы базируется на использования фундаментальных положении теории электротехники, РЗА и подтверждается соответствием данных аналитических и экспериментальных исследований. Результаты расчетов по аналитическим выражениям и экспериментальные данные модели совпадают с погрешностью не более 2-3% с лабораторными экспериментами при физическом и математическом моделировании за счет корректного использования положений теоретических основ электрических цепей и переходных процессов. Программа и методика предусматривала проведение исследования при более чем 250 вариантах исходных данных на физической модели с использованием коммутатора. Автор использовал графические образы в виде эпюр распределения показаний токового переносного указателя для обобщения и сравнения экспериментальных данных.
Личный вклад соискателя. Основная идея и актуальность темы диссертации базируется на многолетнем опыте работы автора в системе электроснабжения Монгольской железной дороги [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]. Постановка цели и задач исследования [1, 2, 3, 6, 7, 8, 9, 10], определение путей их решения [1, 2, 3, 7], разработка физической модели «ZOL-III» [1, 2], программа и методика экспериментов [1, 2, 3], анализ, обобщение и проверка достоверности результатов исследований [1, 2, 3], полученные научные результаты и выводы по работе [1, 2, 3, 6, 8, 9, 10]. Автор благодарит В. К. Лобанова - ведущего инженера кафедры «Релейная защита и автоматизация энергосистем» ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» за помощь в создании коммутатора и силового трансформатора 0,4/0,036 кВ на физической модели.
Апробация результатов работы. Основные результаты получены в многочисленных экспериментах на физической модели. Материалы диссертации были доложены и обсуждены на международной научно-технической конференции «Инновационные подходы к решению технико-экономических проблем» (Москва, 2014 г); на международной научно-технической и практической конференции «Перспективы развития электроэнергетики и высоковольтного электротехнического оборудования» ТРАВЭК. (Москва, 2015 г); на XXXVIII сессии Всероссийского научного семинара «Кибернетика энергетических систем» по тематике «Диагностика энергооборудования» (Новочеркасск, 2016 г); на XXI, XXIII международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника
и электротехника». ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» (Москва, 2015 г, 2017 г); на кафедре «Релейная защита и автоматизация энергосистем» ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» (Москва, 2016 г, 2017 г).
Публикации. По основным результатам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых печатных изданиях РФ по перечню ВАК.
Структура и обьем работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав и заключения, изложенных на 143 страницах основного машинописного текста, содержащего 61 иллюстрации, 21 таблицу и список литературы из 91 наименования. Кроме того имеется 4 приложения на 41 стр.