Ехнические и программные средства систем автоматизации
 Скачать 230.44 Kb.
|
|
ЕХНИЧЕСКИЕ И ПРОГР АММНЫЕ СРЕДСТВА СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ Т Один из ведущих трендов современной мировой электроэнергетики – построение си- стем Smart Grid, повышающих эффективность и бесперебойность энергоснабжения, улучша- ющих основные индексы надёжности энерго- системы – SAIDI, SAIFI и CAIDI. Премьер- министр Дмитрий Медведев 28 сентября на совещании в подмосковных Горках заявил о необходимости повсеместного внедрения “умных” электросетей в России. Сети долж- ны уметь быстро реагировать на изменения и возникающие проблемы и прогнозировать их. Российские энергетические компании, на- чавшие реализовывать “смарт”-сети, столкну- лись со сложностью подбора оборудования для мониторинга распределительных электросе- тей, способного качественно выполнять свои функции в российских реалиях. Максимальную протяжённость в пере- дающих и распределительных энергетических компаниях имеют воздушные сети среднего класса напряжения. Они зачастую являются “слабым звеном” энергосистемы, посколь- ку легко повреждаются из-за климатических воздействий, старения оборудования и мно- жества других факторов. Воздушные линии электропередачи имеют разветвлённую струк- туру и зачастую пролегают в труднодоступ- ной местности, что сильно осложняет поиск и ликвидацию повреждений. Особенностью российской энергосистемы является то, что сети среднего класса напряжения выполнены с изолированной и компенсированной ней- тралью, что обуславливает чрезвычайно низ- кие аварийные токи в случае однофазных за- мыканий на землю. Оборудование немецких, китайских и других зарубежных производите- лей, испытываемое российскими региональ- ными энергосистемами, в вопросе определе- ния мест однофазного замыкания на землю в сетях с изолированной и компенсированной нейтралью испытывают существенные слож- ности. Это связано с тем, что изначально эти устройства разрабатывались для зарубежных сетей с глухо-заземлённой или резистивно- заземлённой нейтралью. Для поиска повреждений в распределитель- ных сетях разработано множество методов, базирующихся на разнообразных физических принципах. Но для сетей среднего класса на- пряжения в мировой практике наиболее при- менимым на протяжении десятилетий остаёт- ся топографический метод, основывающийся на том, что в разных участках сети устанавли- ваются указатели повреждённого участка. По- пулярность данного метода обусловлена тем, что он применим при топологии сети любой сложности, и не требует установки дорогосто- ящего подстанционного оборудования. В от- личие от методов, подразумевающих поиск места повреждения персоналом, оснащённым специальными детекторами, топографиче- ский метод позволяет автоматизировать поиск аварийного участка. Традиционно указатели повреждённого участка предназначены для определения ме- ста короткого замыкания в воздушной линии электропередачи и основаны на фиксации фак- ЗАДАЧА ПОИСКА ОЗЗ В СЕТЯХ С ИЗОЛИРОВАННОЙ И КОМПЕНСИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ В статье рассматриваются проблемы трендового направления Smart Grid: выбор устройств для мониторинга линий электропередачи и их применение в российской энергосистеме. Авторами проводится обзор направлений раз- вития указателей повреждённого участка, монтирующихся на воздушную ли- нию электропередачи, с целью корректного обнаружения ОЗЗ в сетях с изо- лированной и компенсированной нейтралью. Вкратце даётся обзор результатов испытаний устройств определения повреждённого участка, проведённых ПАО “Ленэнерго” весной 2016 года. Ключевые слова: указатель повреждённого участка, мониторинг сети, направленное УПУ, испытание УПУ. Измерители и регуляторы А.С. КАРТАШЕВ (МНПП АНТРАКC), А.А. РУКАВИЦЫН (ФГУП СКБ ИРЭ РАН), А.А. КУЧЕРЯВЕНКОВ (ИРЭ РАН им. В.А. Котельникова) Автоматизация и IT в энергетике 2 та протекания высокого аварийного тока. Как известно, при коротком замыкании аварийный ток протекает от питающей подстанции к месту повреждения. Все указатели, расположенные на пути протекания аварийного тока, срабаты- вают и индицируют аварийную ситуацию. Ука- затели, расположенные в остальных участках сети, остаются не сработавшими. Ориентируясь на сработавшие и не сработавшие устройства, осуществляется локализация участка сети, где произошла авария (рис. 1). Указатели могут отображать информацию об аварийной ситуации визуально, либо пере- давать диспетчеру. Указатели повреждённого участка отлично решают поставленную задачу в сетях с глухо-заземлённой или резистивно- заземлённой нейтралью, поскольку аварий- ный ток составляет сотни Ампер даже в слу- чае однофазного замыкания на землю. Для успешного функционирования в таких сетях приборам достаточно чувствительности по- рядка 50 А, поэтому конструктивно данные устройства достаточно просты. В сетях с изо- лированной и компенсированной нейтралью подобные приборы могут фиксировать только межфазные замыкания. В сети с изолированной нейтралью при од- нофазном замыкании на землю практически не протекает фазный аварийный ток, так как нейтраль сети никак не связана с землёй. Вме- сто фазного тока в сети появляется ток нуле- вой последовательности, носящий емкостной характер. Появление этого тока обусловлено тем, что линия обладает распределённой ём- костью и в случае замыкания одной из фаз на землю, эта ёмкость начинает разряжаться через точку повреждения. Упрощённо данный про- цесс можно представить как стекание емкост- ных токов со всех сетей в место замыкания. Таким образом, ток нулевой последователь- ности присутствует не только на пути от пи- тающего центра к месту повреждения, но и во всей сети, в том числе за местом повреждения и в неповреждённых отпайках. Величина ава- рийного тока в этом случае напрямую зависит от суммарной ёмкости линии. Как правило, в воздушных линиях среднего класса напря- жения он находится в диапазоне от одного до 10 А. Классические указатели повреждённого участка не способны зафиксировать повреж- дение со столь малым током. Сети с компенсированной нейтралью пред- ставляют ещё большую сложность для опреде- ления места повреждения топографическим методом. Благодаря дугогасящей катушке, ем- костной ток ещё на порядок ниже, а большин- ство ОЗЗ являются самозатухающими. Это позволяет снизить нагрузку на сеть, однако сильно усложняет поиск ОЗЗ, так как длитель- ность аварийного режима не превышает десят- ка миллисекунд. Большинство указателей по- вреждённого участка не обладают достаточной чувствительностью и быстродействием для фиксации подобных аварийных процессов. Один из способов добиться срабатывания указателей в случае однофазного замыкания на землю в сетях с изолированной и компен- сированной нейтралью – это оснащение сети оборудованием, позволяющим кратковремен- но увеличить аварийный ток до величины, не- обходимой для фиксации аварии. Примером такого оборудования является шкаф заземле- ния нейтрали. При появлении на питающей подстанции сигнала 3U 0 , шкаф заземления декабрь 2016 № 12 (89) 3 ТЕХНИЧЕСКИЕ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ Измерители и регуляторы ! ! ! Питающая подстанция Рис. 1. Принцип определения места повреждения с применением указателей повреждённого участка нейтрали переводит сеть в режим резистивно- го заземления нейтрали. Через повреждённую фазу и резистор начинает течь ток, достаточ- ный для срабатывания указателей. Для уста- новки ШЗН необходимы свободные высоко- вольтные ячейки на подстанции. Как правило, при строительстве ПС закладываются резерв- ные ячейки, но на практике чаще всего они уже заняты другим оборудованием. Также цена устройства шунтирования достаточно велика. При применении шкафа заземления ней- трали необходимо максимально аккуратно подбирать величину заземляющего резистора таким образом, чтобы указатели могли гаран- тировано отделять аварийный ток от обыкно- венного тока нагрузки и его изменения, при этом аварийный ток должен оставаться ниже порога срабатывания защиты. Следует учи- тывать, что не все указатели будут работать в таком режиме: ряд производителей обеспе- чивают в приборах контроль не только тока, но и напряжения. В случае, если вслед за пре- вышением порога по току не произошло от- ключение воздушной линии защитой, такие указатели могут не срабатывать либо будут срабатывать ненадёжно в зависимости от ве- личины переходного сопротивления ОЗЗ и за- ложенной уставки по напряжению. В случае, если ток шунтирования выше порога макси- мальной токовой защиты, и линия отключает- ся, нарушается сам принцип построения сети, и её следует рассматривать как сеть с резистив- ной нейтралью. Ряд нормативных документов налагает ограничения на установку устройств типа шкафа заземления нейтрали на линии электропередачи в России, например, “Типо- вая инструкция по компенсации емкостного тока замыкания на землю в электрических сетях 6-35 кВ РД34.20.179 (ТИ34-70-070-87) УДК 621.3.014” и СО 153-34.20.501-2003 “Пра- вила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации”. Многие производители указателей по- вреждённого участка для работы в сетях с изо- лированной и компенсированной нейтралью выпускают модели с повышенной чувстви- тельностью. Лучшие приборы способны сраба- тывать при токе нулевой последовательности вплоть до двух Ампер. Такой чувствительности достаточно для срабатывания в случае ОЗЗ в подавляющем большинстве сетей с изолиро- ванной нейтралью. Однако в этом случае на- чинает влиять физическая природа тока ОЗЗ в сетях с изолированной нейтралью. Посколь- ку ток повреждения является током разряда распределённой ёмкости линии, и стекается со всех участков сети, то срабатывать будут не только указатели на участке между питающей подстанцией и местом повреждения, но и по всей остальной линии, что обесценивает ре- зультаты работы указателей. Для отстройки от ложных срабатываний необходимо выбирать места установки прибо- ров таким образом, чтобы суммарная ёмкость участка сети за установленным указателем не была значительной по отношению к осталь- ной сети. В этом случае можно подобрать уставки срабатывания по току ОЗЗ так, чтобы срабатывание происходило только в случае повреждения на наблюдаемом участке. Под- бор уставок – очень трудоёмкая задача, потому что требует расчёта токов нулевой последова- тельности, которые являются непостоянной во времени величиной и их расчёт не выпол- няется в полном объёме. В сетях с компенси- рованной нейтралью ситуация ещё сложнее: поскольку ток там компенсируется дугогася- щей катушкой, даже чувствительности в два Ампера может быть недостаточно. Альтернативным методом отстройки от ложного срабатывания является введение се- лективности по току нулевой последователь- ности. В применении к топографическим указателям поврежденного участка наиболее подходящий метод обеспечения селективно- сти – определение направления потока мощ- ности. В случае применения направленных указателей повреждённого участка локализа- ция повреждения сводится к сравнению на- правления потока мощности, зарегистриро- ванного указателями в разных участках сети (рис. 2). Очевидным преимуществом этого подхода является то, что установка подобных указателей не требует никаких модернизаций энергетического оборудования и при этом риск ложных срабатываний минимален. Дан- ный сегмент сейчас достаточно молод, а на- правленные УПУ являются технологически очень сложными и наличием таких моделей может похвастаться далеко не каждый разра- ботчик указателей. С целью практического исследования указателей повреждённого участка в апреле 2016 года в ПАО “Ленэнерго” “Кингисепские электрические сети” были проведены испы- тания устройств различных производителей. Исследования проводились на участке линии 10 кВ и включали в себя несколько опытов двух- фазного замыкания и несколько опытов одно- фазного замыкания на землю. В испытаниях ТЕХНИЧЕСКИЕ И ПРОГРАММ НЫЕ СРЕДСТВА СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ Автоматизация и IT в энергетике 4 Измерители и регуляторы приняли участие приборы FI-3A1F производ- ства CREAT (Китай), FLA3.1VS производства EMG (Германия), LT-111 и LT-110Eμ про- изводства NorTroll (Норвегия) и ИКЗ-34МР производства АНТРАКС (Россия). Приборы FLA3.1VS, LT-111 и LT-110Eμ относятся к ка- тегории приборов с повышенной чувствитель- ностью, приборы ИКЗ-34МР – к категории приборов с определением направления ава- рийных токов, приборы FI-3A1F – это про- стой указатель повреждённого участка, рабо- тающий только на короткое замыкание. В опытах двухфазного замыкания все при- боры отрабатывали согласно спецификации, но у приборов с повышенной чувствительно- стью FLA3.1VS и LT-110Eμ наблюдались про- блемы при фиксации двухфазного замыкания на землю: в экспериментах срабатывали все три индикатора комплекта, что не позволяло определить повреждённую фазу. В части однофазного замыкания на землю было приведено несколько экспериментов, в том числе, ОЗЗ после места установки инди- каторов и ОЗЗ на соседнем фидере. Поставщик приборов FI-3A1F для решения задачи поиска ОЗЗ предлагает оснащение сети устройством шунтирования замыкания, кратковременной переводя ОЗЗ в двухфазное замыкание на зем- лю, однако по понятным причинам оно не было установлено на линии. Надо отметить, что FI- 3A1F контролирует наличие напряжения на линии, но ни производитель, ни поставщик не раскрывают тонкости работы совместно с УШЗ, поэтому надёжность срабатывания этих прибо- ров по ОЗЗ осталась под вопросом. Последний эксперимент с повреждением соседнего фиде- ра наглядно показал проблемы, возникающие при использовании индикаторов с повышен- ной чувствительностью. В этом эксперимен- те наблюдалось срабатывание индикаторов FLA3.1VS производства EMG, что может ввести в заблуждение ОВБ в случае поиска поврежде- ния. Индикаторы LT-111 и LT-110Eμ производ- ства NorTroll не зафиксировали повреждение, однако утверждать, что они работают корректно в данной ситуации нельзя, поскольку в опытах определения ОЗЗ после места установки они вели себя неустойчиво (в одном опыте ОЗЗ сра- ботал LT-110Eμ но не сработал LT-111, в другом аналогичном опыте – наоборот). Направлен- ный указатель ИКЗ-34МР при замыкании на соседнем фидере наглядно показал, что место повреждения вне наблюдаемого участка. Испытания, проведённые ЛенЭнерго, про- демонстрировали все сложности применения зарубежного оборудования в реалиях россий- ской энергетической системы. Проблематич- ность обнаружения однофазного замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью заставляет очень серьёзно отнестись к подбору оборудования – это именно то место, где сеть должна быть действительно “умной”. Указа- тель с функцией определения направления потока мощности является наиболее перспек- тивной и технологически сложной ветвью раз- вития указателей повреждённого участка. На данный момент из реально присутствующих на российском рынке такими приборами яв- ляются только ИКЗ-34 производства россий- ской компании АНТРАКС. декабрь 2016 № 12 (89) 5 ТЕХНИЧЕСКИЕ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ Измерители и регуляторы Карташев Андрей Сергеевич – ведущий инженер-разработчик, МНПП АНТРАКC, Рукавицын Андрей Андреевич – ведущий инженер, ФГУП СКБ ИРЭ РАН, Кучерявенков Андрей Анатольевич – научный сотрудник ИРЭ РАН им. В.А. Котельникова. Питающая подстанция P 0 P 0 P 0 P 0 Рис. 2. Определение места повреждения указателями, фиксирующими направление потока мощности |