Инвариантная защита электротехнических комплексов от однофазных замыканий на землю с автоматической коррекцией входных параметров
 Скачать 2.59 Mb.
|
|
1 Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский горный университет На правах рукописи ПЕЛЕНЕВ ДЕНИС НИКОЛАЕВИЧ ИНВАРИАНТНАЯ ЗАЩИТА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ С АВТОМАТИЧЕСКОЙ КОРРЕКЦИЕЙ ВХОДНЫХ ПАРАМЕТРОВ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ доктор технических наук, профессор Абрамович Б.Н. Санкт-Петербург – 2017 2 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ ...................................................................................................................... 4 ГЛАВА 1. НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СЕЛЕКТИВНОСТИ ДЕЙСТВИЯ ЗАЩИТ ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ В ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСАХ НАПРЯЖЕНИЕМ 6- 35 кВ ............................................................................................................................... 11 1.1. Общие требования к защитам от однофазных замыканий на землю .......... 11 1.2. Индивидуальные защиты отходящих присоединений ................................. 13 1.3. Централизованные защиты .............................................................................. 22 1.4. Анализ причин неселективного действия защит от однофазных замыканий на землю ...................................................................................................................... 24 1.5. Цели и задачи диссертационной работы ........................................................ 30 ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДЕЙСТВИЯ ЗАЩИТЫ ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ В УСЛОВИЯХ ВАРИАЦИИ ПАРАМЕТРОВ КОНТУРА НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ................................................ 32 2.1. Зависимости напряжения и токов нулевой последовательности от параметров контура нулевой последовательности ................................................. 32 2.2. Диапазоны вариации параметров контура нулевой последовательности .. 44 2.3. Определение характеристик срабатывания защиты от однофазных замыканий в условиях вариации параметров контура нулевой последовательности ................................................................................................... 53 2.4. Разработка методики определения чувствительности действия защиты в условиях однофазных замыканий через переходное сопротивление ................... 62 Выводы по главе 2: .................................................................................................... 65 ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ИНВАРИАНТНОГО ДЕЙСТВИЯ ЗАЩИТЫ ПРИ НЕПОЛНЫХ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЯХ НА ЗЕМЛЮ ... 67 3.1. Способы повышения чувствительности действия защиты в условиях замыкания через переходное сопротивление .......................................................... 67 3.2. Разработка алгоритмов автоматической коррекции входных параметров защиты от однофазных замыканий .......................................................................... 68 3 3.3. Исследование эффективности действия защиты с автоматической коррекцией входных параметров ............................................................................. 76 Выводы по главе 3: .................................................................................................... 98 ГЛАВА 4. АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ИНВАРИАНТНОЙ ЗАЩИТЫ ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ С АВТОМАТИЧЕСКОЙ КОРРЕКЦИЕЙ ВХОДНЫХ ПАРАМЕТРОВ ........................................................... 100 4.1. Структурная схема и реализация комплекса инвариантной защиты от ОЗЗ отдельных присоединений ......................................................................................... 100 4.2. Исследование инвариантности действия аппаратно-программного комплекса защиты отдельных присоединений в условиях вариации переходного сопротивления вместе повреждения ..................................................................... 105 4.3. Разработка аппаратно-программного комплекса групповой инвариантной защиты от однофазных замыканий ........................................................................ 109 4.4. Анализ чувствительности действия инвариантной защиты от замыканий на землю ......................................................................................................................... 116 Выводы по главе 4: .................................................................................................. 121 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ........................................................................................................... 123 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ........................................................................................... 125 ПРИЛОЖЕНИЕ А ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДЕЙСТВИЯ ЗАЩИТЫ ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ СЕТЕЙ СРЕДНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ. 136 ПРИЛОЖЕНИЕ Б АКТ ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ....................................................................................................................... 139 ПРИЛОЖЕНИЕ В ПАТЕНТ НА ИЗОБРЕТЕНИЕ. 140 ПРИЛОЖЕНИЕ Г ПАТЕНТ НА ПОЛЕЗНУЮ МОДЕЛЬ ...................................... 142 4 ВВЕДЕНИЕ Актуальность работы В структуре электротехнических комплексов (ЭТК) промышленных предприятий России большое значение имеют электроустановки среднего класса напряжения 6-35 кВ, от надежной и бесперебойной работы которых зависит эффективность технологических процессов на производстве. Выполненный анализ эксплуатационных данных об аварийности электроустановок в ЭТК 6-35 кВ показал, что подавляющее большинство повреждений связано с однофазными замыканиями на землю (ОЗЗ), доля которых составляет 75-80% от общего числа аварийных случаев. Режим однофазного замыкания сопровождается значительными экономическими ущербами вследствие выхода из строя ответственного электрооборудования и характеризуется возникновением ситуаций, связанных с высокой опасностью поражения обслуживающего персонала электрическим током. Для минимизации ущербов в ЭТК 6-35 кВ по причине однофазных замыканий на землю необходимо применять эффективные средства релейной защиты и автоматики, позволяющие селективно выявлять поврежденное присоединение и своевременно устранять возникшее ОЗЗ путем отключения поврежденного участка сети. Однако нестационарность конфигурации ЭТК, многофакторность процессов при однофазных замыканиях на землю, многообразие режимов ОЗЗ предопределяют сложность организации защиты, обладающей необходимой селективностью и независимостью действия в условиях непостоянства параметров контура нулевой последовательности. Эффективность действия защиты от ОЗЗ в значительной мере зависит от способа заземления нейтрали электрической сети. Заземление нейтрали распределительной сети 6-35 кВ через резистор, позволяет повысить селективность действия защиты от ОЗЗ в сравнении с сетями с изолированной нейтралью за счет дополнительного активного тока, протекающего только по поврежденной линии. 5 Однако применяемые в электрических сетях 6-35 кВ с изолированной и резистивно-заземленной нейтралью защиты от ОЗЗ обладают низкой селективностью действия в условиях возникновения замыканий на землю через переходное сопротивление, которое как один из параметров контура нулевой последовательности влияет на рабочие сигналы защиты и является причиной неработоспособности защиты от ОЗЗ. Степень разработанности направления исследований Изучению вопросов в области разработки и совершенствования защит от однофазных замыканий на землю посвящены работы отечественных и зарубежных ученых Сирота ИМ. обосновал фундаментальные принципы организации защиты от однофазных замыканий на землю в электрических сетях среднего класса напряжения [68]. Лихачев ФА. внес значительный вклад в развитие теории переходных процессов, протекающих в электрической сети при различных режимах однофазного замыкания на землю [39]. Обабков В.К., разработал методологию оценки параметров, характеризующих переходные процессы при неустойчивых замыканиях на землю в электротехнических комплексах с изолированной и компенсированной нейтралью [41-45]. Шабад МА. внес значительный вклад в разработку практических рекомендаций по применению устройств защиты от ОЗЗ в зависимости от конфигурации электрических сетей среднего напряжения [81, 82]. Работы Абрамовича Б.Н. связаны с созданием алгоритмов действия направленных защит от однофазных замыканий на землю и устройств выявления поврежденной фазы в электрических сетях 6-35 кВ предприятий минерально-сырьевого комплекса [1, 2]. Совершенствованию способов защиты от ОЗЗ в условиях непостоянства параметров контура нулевой последовательности при неполных замыканиях на землю посвящены исследования Шалина АИ. и Сапункова МЛ. [83-87, 47, 65, 66]. Зарубежные ученые J. Roberts и E. Schweitzer обобщили опыт моделирования и экспериментальных исследований режимов замыкания на землю в электрических сетях среднего напряжения [94-96]. 6 Однако, несмотря на многочисленные исследования и разработки, проведенные в этой области, практически ни одно из наиболее распространенных устройств защиты от ОЗЗ не обладает требуемой селективностью и неизменностью действия в условиях непостоянства параметров контура нулевой последовательности. Также отсутствуют зависимости напряжения и токов нулевой последовательности от параметров контура нулевой последовательности в режиме замыкания на землю через переходное сопротивление, позволяющие оценить уровень неполноты замыкания на землю и его влияние на чувствительность действия защит. Это обуславливает необходимость разработки структуры, алгоритмов действия и реализации защиты от однофазных замыканий на землю, позволяющей селективно выявлять поврежденное присоединение в условиях возникновения неполных ОЗЗ и обладающей независимым, те. инвариантным действием по отношению к изменяющимся параметрам контура нулевой последовательности. Цель работы. Повышение селективности и инвариантности действия защиты от однофазных замыканий на землю электротехнических комплексов напряжением 6-35 кВ с изолированной и резистивно-заземленной нейтралью в условиях непостоянства параметров контура нулевой последовательности. Идея работы. Обеспечение селективного и инвариантного действия защиты от однофазных замыканий на землю в ЭТК среднего класса напряжения с изолированной и резистивно-заземленной нейтралью при неполных замыканиях на землю достигается путем оценки величины переходного сопротивления вместе повреждения и последующей автоматической коррекции входных параметров защиты с учетом степени неполноты замыкания на землю. Основные задачи исследований. 1. Выявить закономерности изменения напряжения и токов нулевой последовательности защищаемых присоединений в условиях вариации 7 переходного сопротивления вместе ОЗЗ, позволяющие определить степень неполноты замыкания фазы электрической сети на землю. 2. Установить влияние вариации параметров контура нулевой последовательности, включая поперечные проводимости линий, переходные сопротивления вместе замыкания на землю и параметры системы заземления нейтрали, на эффективность действия защиты от ОЗЗ. 3. Разработать алгоритмы инвариантного действия защиты от ОЗЗ с автоматической коррекцией входных параметров, включая сигналы тока нулевой последовательности защищаемых присоединений и уставки на срабатывание. 4. Разработать структуру и реализацию аппаратно-программного комплекса защиты от однофазных замыканий на землю, обеспечивающего селективное выявление поврежденного присоединения в условиях возникновения неполных замыканий на землю и обладающего инвариантным действием по отношению к изменяющимся параметрам контура нулевой последовательности. Научная новизна. 1. Установлены закономерности изменения напряжения и токов нулевой последовательности защищаемых присоединений в ЭТК 6-35 кВ с изолированной и резистивно-заземленной нейтралью в условиях вариации параметров контура нулевой последовательности, включая переходное сопротивление вместе замыкания на землю, поперечные проводимости фаз линий относительно земли и параметры системы заземления нейтрали, позволяющие оценить степень неполноты замыкания на землю и ее влияние на чувствительность действия защиты от однофазных замыканий на землю. 2. На основе установленных зависимостей, характеризующих процессы в контуре нулевой последовательности при ОЗЗ через переходное сопротивление, разработан алгоритм действия защиты от однофазных замыканий на землю, предусматривающий оценку уровня неполноты замыкания фазы на землю и последующую автоматическую коррекцию сигналов токов нулевой последовательности защищаемых присоединений до величин, при которых 8 обеспечивается инвариантность действия защиты в условиях непостоянства параметров контура нулевой последовательности. Положения, выносимые на защиту. 1. Чувствительность действия защиты от однофазных замыканий на землю должна определяться с учетом выявленных зависимостей напряжения и токов нулевой последовательности от параметров контура нулевой последовательности, включая поперечные проводимости фаз линий относительно земли, переходное сопротивление вместе повреждения и параметры системы заземления нейтрали, позволяющие оценить степень неполноты замыкания на землю. 2. Аппаратно-программный комплекс защиты от однофазных замыканий на землю для электрических сетей с изолированной и резистивно-заземленной нейтралью должен содержать взаимосвязанные модули, позволяющие определять степень неполноты замыкания на землю и выполнять последующую автоматическую коррекцию сигналов токов нулевой последовательности защищаемых присоединений до уровня, соответствующего расчетному режиму металлического замыкания на землю, при котором обеспечивается селективная идентификация поврежденного присоединения и инвариантность действия защиты в условиях непостоянства параметров контура нулевой последовательности. Практическая ценность. 1. Разработана методика определения чувствительности действия токовых защит от ОЗЗ в условиях неполных однофазных замыканий на землю, позволяющая выявить необходимый уровень коррекции входных сигналов защиты. 2. Разработаны структура и реализация аппаратно-программного комплекса инвариантной защиты от однофазных замыканий на землю, обладающего повышенной селективностью выявления поврежденного присоединения в условиях возникновения ОЗЗ через переходные сопротивления. 9 Методы исследования. В работе использованы методы имитационного моделирования в системе MatLab Simulink, численного анализа с использованием пакета MathCAD, экспериментального исследования путем физического моделирования в лабораторных условиях. Достоверность результатов исследования. Адекватность моделей и методов, используемых в работе, подтверждается известными фундаментальными теориями и методами исследования электрических процессов при однофазных замыканиях на землю, результатами вычислительных и натурных экспериментов. Сходимость результатов моделирования и экспериментальных исследований не ниже 90%. Реализация результатов работы. Разработанная в диссертации методика коррекции входных параметров защиты рекомендована к использованию при эксплуатации и модернизации защиты от однофазных замыканий на землю в ЭТК 6-35 кВ ПАО «Уралкалий», о чем получен акт внедрения основных результатов работы. Личный вклад автора. Установлено влияние вариации параметров контура нулевой последовательности при ОЗЗ через переходное сопротивление на эффективность действия защиты от замыканий на землю. Разработана методика определения чувствительности действия токовой защиты от ОЗЗ в условиях неполных однофазных замыканий. Разработан алгоритм, обеспечивающий инвариантность действия защиты от ОЗЗ в условиях непостоянства параметров контура нулевой последовательности. Разработан аппаратно-программный комплекс защиты от однофазных замыканий на землю для ЭТК с изолированной и резистивно- заземленной нейтралью, обладающий необходимой селективностью выявления поврежденного присоединения при замыканиях на землю через переходное сопротивление. 10 Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались следующих конференциях международная научная школа молодых ученых и специалистов Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых (г. Москва 2013, 2014, 2016 гг.), 54 международная конференция студентов и молодых ученых «Mining division student research group conference» (г. Краков, Польша, 2013 г, международная научно-практическая конференция «Энергоэффективность энергетического оборудования (г. Санкт-Петербург, 2014 г, международный форум-конкурс молодых ученых Проблемы недропользования (г. Санкт- Петербург, 2016 г, юбилейная я международная молодежная научная конференция Нефть и газ 2016» (г. Москва, 2016 г, международная межвузовская научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых Молодые - наукам о земле (г. Москва, 2016 г, конференция молодежного инновационного центра ПАО «ЛЕНЭНЕРГО» (г. Санкт-Петербург, 2016 г, 2-ая международная научная школа академика КН. Трубецкого Проблемы и перспективы комплексного освоения и сохранения земных недр (г. Москва, 2016 г, я международная научно-практическая конференция Промышленная безопасность предприятий минерально-сырьевого комплекса в XXI веке г. Санкт-Петербург, 2016 г. Публикации. По теме диссертации опубликовано всего 10 печатных работ, в том числе 3 в научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России. Получен 1 патент на изобретение и 1 патент на полезную модель. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, содержит 56 рисунков, 10 таблиц, список литературы из 97 наименований. Общий объем диссертации 143 страницы. 11 ГЛАВА 1. НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СЕЛЕКТИВНОСТИ ДЕЙСТВИЯ ЗАЩИТ ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ В ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСАХ НАПРЯЖЕНИЕМ 6-35 кВ 1.1. Общие требования к защитам от однофазных замыканий на землю Многообразие видов защит от однофазных замыканий на землю в электрических сетях 6-35 кВ обусловлено, в большей степени, применяемыми в этих сетях режимами заземления нейтрали изолированная, резистивно- заземленная и компенсированная [11, 19, 22, 28, 63, 64]. В отдельных случаях предлагается применять режим комбинированного заземления нейтрали, представляющего собой сочетание резистора и дугогасящего реактора вцепи нейтрали [34, 35, 63, 40]. При выборе режима заземления нейтрали одним из наиболее важных критериев является возможность организации эффективной защиты от ОЗЗ, способной надежно функционировать при различных видах замыкания на землю. Эффективность действия защит от однофазных замыканий на землю в условиях существования ОЗЗ в сети зависит от выполнения ряда основных требований [3, 4, 36, 77]: - селективность избирательность) действия защиты, определяющая способность защиты отключать только поврежденный участок электрической сети с однофазным замыканием, а неповрежденные – оставлять в работе - чувствительность защиты, характеризующая способность защиты разделять предельно допустимый режим работы и аварийный - надежность действия, характеризующая способность защиты обеспечивать стопроцентную правильность ее работы при возникновении условий на срабатывание - быстродействие защиты, определяющее способность защиты за минимальное время выявить поврежденное присоединение и сгенерировать сигнал на отключение поврежденного присоединения. 12 Выполнение этих основных требований, предъявляемых к защите от ОЗЗ, позволит минимизировать ущербы в распределительных электрических сетях 6- 35 кВ, связанные с нарушениями электроснабжения по причине выхода из строя электрооборудования вследствие неправильного функционирования защиты от ОЗЗ. Однако известно, что 80% подстанций России среднего класса напряжения не оснащены устройствами селективной защиты от однофазных замыканий на землю, а имеют только сигнализацию ОЗЗ по напряжению нулевой последовательности [8, 18]. Эффективность действия защит от ОЗЗ, используемых на оставшихся 20% подстанций является крайне низкой [9]. Многофакторность и непостоянство протекания процессов в электрической сети при различных режимах однофазного замыкания, нестационарность характеристики параметров самих электрических сетей являются основными причинами сложности организации всережимной селективной защиты от ОЗЗ. В качестве защиты от однофазных замыканий на землю на объектах распределительных сетей 6-35 кВ России наибольшее распространение получили устройства сигнализации ОЗЗ, выполняющие функцию контроля состояния изоляции отходящих присоединений. Возникновение однофазного замыкания на землю на одном из отходящих присоединений фиксируется по признаку появления в сети напряжения нулевой последовательности U 0 . Для выполнения этих функций используются трансформаторы типа НТМИ, имеющие первичную обмотку высшего напряжения и две вторичные (основная и дополнительная. Дополнительная вторичная обмотка выполнена по схеме разомкнутого треугольника и предназначена для измерения напряжения нулевой последовательности, максимальное значение которого в установившемся режиме ОЗЗ не будет превышать 100 В. Исполнительным органом данного устройства защиты является реле напряжения, которое при появлении напряжения в сети формирует сигнал о возникновении замыкании на землю. Ввиду наличия небалансов по напряжению в электрической сети, вызванных различными видами несимметрии параметров 13 контура нулевой последовательности уставка реле напряжения обычно выставляется в пределах 10-15 В [80, 82]. Однако такой способ выявления поврежденного присоединения в распределительной сети связан с высокими эксплуатационными затратами ввиду того, что поиск присоединения с однофазным замыканием на землю осуществляется путем оперативного переключения отходящих от секции шин подстанций линий вплоть до исчезновения сигнала о ОЗЗ. Кроме того, коммутационные переходные процессы, возникающие в электротехнических комплексах в процессе поиска ОЗЗ, создают высокий уровень опасность повреждения электрооборудования, что неприемлемо по условиям эксплуатации. Ниже представлен аналитический обзор основных способов организации защит от однофазных замыканий на землю в электрических сетях среднего напряжения и приводится сравнительный анализ рассмотренных способов с целью выявления возможности обеспечения селективного действия защиты в условиях ОЗЗ. |