автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему: Методика обнаружения места повреждения при однофазных замыканиях на землю в распределительных электрических сетях напряжением 6 - 35 кВ по их частотным характеристикам
Автореферат диссертации по теме "Методика обнаружения места повреждения при однофазных замыканиях на землю в распределительных электрических сетях напряжением 6 - 35 кВ по их частотным характеристикам"
На правах рукописи
АБДУЛЛАЗЯНОВ РУСТЕМ ЭДВАРДОВИЧ
МЕТОДИКА ОБНАРУЖЕНИЯ МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ
ПРИ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЯХ НА ЗЕМЛЮ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ НАПРЯЖЕНИЕМ 6 -35 кВ ПО ИХ ЧАСТОТНЫМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ
Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы
Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Работа выполнена на кафедре «Электроэнергетические системы и сети» ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет».
Федотов Александр Иванович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет», профессор кафедры «Электроэнергетические системы и сети».
Андреев Николай Кузьмич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет», заведующий кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок и технологических комплексов».
Кузнецов Артем Викторович, кандидат технических наук, генеральный директор ООО НПО «Энергия», г. Казань.
ООО Инженерный центр «Энергопрогресс», г. Казань.
Защита состоится «14» мая 2013г. в 16.00 часов на заседании диссертационного совета Д212.079.06 при Казанском национальном исследовательском техническом университете им. А.Н Туполева - КАИ по адресу: 420015, г. Казань, ул. Толстого, 15 (учебный корпус №3, ауд. 216).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КНИТУ-КАИ.
Электронный вариант автореферата размещен на сайте Министерства образования и науки РФ (www.mon.gov.ru') и на сайте КНИТУ-КАИ (www.kai.ru).
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью организации, просим присылать по адресу: 420111, г. Казань, ул. К.Маркса, 10, КНИТУ-КАИ, на имя ученого секретаря диссертационного совета.
Автореферат разослан «11» апреля 2013 г.
диссертационного совета Д212.079.06
К.Т.Н., доцент Г Бердников A.B.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы диссертации. За последние годы наблюдается устойчивый рост количества технологических присоединений в воздушных распределительных электрических сетях (РЭС). По данным ОАО «Сетевая компания», г. Казань, с 2006 по 2011 гг. оно увеличилось более, чем в 7 раз. Одновременно имеет место старение воздушных линий РЭС, которые эксплуатируются по нескольку десятков лет. Ранее принятые нормы климатических воздействий на линии электропередач задавали частоту повторяемости экстремальных величин не чаще, чем 1 раз в 10 лет. В настоящее время продолжительность наблюдения увеличена до 30 лег, что показывает: подавляющее большинство РЭС эксплуатирует линии электропередачи в условиях внешних воздействий, превышающих нормативные.
Установившиеся рыночные отношения в электроэнергетике предъявляют к поставщику электроэнергии жесткие требования к надежности электроснабжения. Учитывая, что в сетях напряжением 6-10 кВ уже более 50% воздушных линий (ВЛ) электропередачи отработали свой срок (в них происходит в среднем 26 отключений в год в расчете на 100 км) и повсеместная их реконструкция в ближайшей перспективе финансово непосильна, актуальной становится проблема быстрейшей ликвидации повреждений. Восстановление нормального режима линий требует примерно 3/4 всех трудозатрат на эксплуатацию, которые могут быть существенно снижены за счет ускорения определения мест повреждений (ОМП), наиболее частым из которых является однофазное замыкание на землю (ОЗЗ).
Известны работы таких ученых, как ГЛ. Евдокунин, К.П. Кадомская, СЛ. Кужеков, М.А. Короткевич, ФА. Лихачев, Л.И. Сарин, АА. Челазнов, В.И. Щуцкой, ГМ. Шалит, А.И. Шалин, А.И. Ширковец, ВА. Шуин и др., посвященные изучению физики процессов при 033 в сетях с изолированной или компенсированной нейтралью и разработке методов ОМП на ВЛ. Экспериментальные исследования, а также натурные измерения процессов дугового замыкания на землю, выполненные фирмой «Болид», г. Новосибирск, показали проявление в спектре напряжений на подстанциях высших гармоник повышенного уровня на частотах в килогерцовом диапазоне.
В нормальном режиме РЭС спектр гармоник, обусловленных нагрузкой и элементами сети, быстро затухает и область частот в несколько десятков килогерц и выше может оказаться предпочпттельней для идентификации ОЗЗ как менее зашумленная. Именно в этой области частот наблюдается проявление волновых свойств ВЛ РЭС, что открывает новые возможности построения систем ОМП на основе выделения в спектре напряжений «резонансных» частот, соответствующих четверти длины волны — именно при этом условии происходит увеличение тока и напряжения соответствующей частоты.
Объектами исследования являются воздушные линии электропередачи распределительных электрических сетей напряжением 6 - 35 кВ древовидной топологии.
Предметом исследования выступают диагностические признаки наличия дуговых ОЗЗ на воздушных линиях электропередачи РЭС напряжением 6 - 35 кВ и их связь с расстоянием до места повреждения.
Цель исследования состоит в повышении надежности электроснабжения потребителей РЭС путем сокращения времени обнаружения мест ОЗЗ.
Задача исследования. Разработка методики обнаружения мест однофазных замыканий на землю на воздушных линиях электропередачи.
Задача исследования решается в следующих направлениях:
1. Анализ и оценка существующих признаков диагностики повреждений ВЛ электропередачи РЭС.
2. Исследование волновых свойств ВЛ РЭС 6-35 кВ на «резонансных»
3. Обоснование целесообразности использования частотных характеристик ВЛ для обнаружения места ОЗЗ.
4. Разработка методики расчета расстояния до места ОЗЗ на ВЛ электропередачи по <фезонансным» частотам и проверка её достоверности на основе математических экспериментов.
Теоретическая и методологическая основа исследования базируется на использовании методов математического моделирования электрических сетей в сертифицированных программных продуктах Ма11аЬ и БшшНпк, теории электрических цепей, теории установившихся и переходных процессов в электрических сетях, опубликованных экспериментальных данных по однофазным замыканиям на землю.
Личный вклад автора заключается в разработке основных теоретических положений диссертации. В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежат постановка и формализация задач, разработка теоретических и методических положений, математических моделей и методов, реализация алгоритмических решений и анализ результатов.
Научная новшна исследования заключается в следующем.
Показано, что воздушные линии электропередачи РЭС напряжением 6 - 35кВ при воздействии дуговых замыканий на землю могут рассматриваться как длинные линии, при этом в области «резонансных» частот частотных характеристик допустимо использовать математическую модель линии без потерь актвной мощности.
Установлены закономерности изменения частотных характеристик в зависимости от расстояния до места подключения источника высших гармоник и режимных параметров электропередачи.
Предложено использование частотных характеристик относительно напряжений прямой, обратной и нулевой последовательностей на концах электропередачи для идентификации однофазного замыкания на землю и выявления места повреждения.
Разработана методика построения ЧХ относительно любой точки приложения источника высших гармоник в РЭС.
Практическая значимость работы заключается в том, что на основе дистанционных устройств учета электроэнергии будет реализована система выявления в РЭС фидера с ОЗЗ и определения на нём поврежденного участка. Тем
самым существенно сокращается время обнаружения мест повреждения, а также негативное воздействие на сеть перенапряжений, провоцируемых перемежающейся дугой.
Достоверность результатов и выводов исследования подтверждается применением апробированных моделей электропередачи, использованием общепринятых физических допущений в отношении моделирования линий электропередачи, использованием теоретических и экспериментальных данных других авторов и сопоставлением с ними полученных результатов.
На защиту выносятся следующие положения.
Математическая модель воздушной линии электропередачи распределительной электрической сети напряжением 6-35 кВ как длинной линии в режимах воздействия дуговых однофазных замыканий на землю.
Целесообразность использования частотных характеристик, снимаемых на концах электропередачи, для выявления поврежденного фидера по «резонансным» частотам.
Закономерности изменения частотных характеристик при 033 в различных точках РЭС для прямой, обратной и нулевой последовательностей напряжений в зависимости от места повреждения.
Методика построения ЧХ относительно любой точки приложения источника высших гармоник в РЭС древовидной структуры.
Апробация работы: П Молодежная научн. конф. «Тинчуринские чтения», Казань, 2007; ХШ и XIV Межпунар. научн.-техн. конф. студентов и аспирантов. МЭИ, 2007,2008; XV «Туполевские чтения» Межпунар. научн. конф., Казань, 2007; IX симпозиум «Электротехника 2030 Перспективные технологии электроэнергетики», Московская область, 2007; Межпунар. научн.-техн. конф. «ЭНЕРГЕТИКА - 2008: Инновации, решения, перспективы», Казань, 2008; Ш Молодежная научн. конф. «Тинчуринские чтения», Казань, 2008; Республиканский конкурс научных работ студентов и аспирантов на соискание премии им. Н.ИЛобачевского, Казань, 2008; XVI Всероссийская научно-методической конференции «Фундаментальные исследования и инновации в национальных исследовательских университетах», СП6ГТ1У, 2012; VIII Всеросс. научн.-техн. конф. «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике», Чебоксары, ЧТУ, 2012; VTn Mezinárodní védecko — praktícká konference «Vznik modemí védecké - 2012», Praha, 2012; Ш Межпунар. научн.-техн. конф. «Электроэнергетика глазами молодежи», Екатеринбург, УрФУ, 2012.
Результаты проведенных в рамках диссертационной работы исследований внедрены в филиале ОАО «Сетевая компания» Приволжские электрические cerra. Также результаты исследований внедрены в учебный процесс кафедры Электроэнергетические системы и сети «Казанский государственный энергетический университет».
Публикации: по теме диссертации опубликовано 17 научных работ, в том числе 3 статьи в журналах из перечня рекомендуемых ВАК МОиН РФ.
Структура работы: диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений и списка литературы. Общий объем диссертации 184 страниц, в том числе 73 рисунка, список литературы из 108 наименований.
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задача исследования, научная новизна и практическая ценность полученных результатов, определены положения, выносимые на защиту.
В первой главе показана возможность использования высших гармоник напряжений, возникающих при ОЗЗ в РЭС, для выявления факта повреждения и исследуется проявление волновых свойств ВЛ, способствующих идентификации поврежденного участка электропередачи.
В сетях напряжением 110-750 кВ токи замыкания на землю имеют высокий уровень, многократно превышающий уровень рабочих токов. При этом емкостная проводимость ВЛ практически не оказывает влияния на их значения. В связи с этим допускается использование упрощенных П-образных схем замещения для аварийных режимов электрических сетей без учета поперечных проводимостей. В РЭС при воздействием дуги при возникновении 033 генерируются высшие гармоники частотой несколько килогерц и выше, для которых уже недопустимо пренебрежение поперечными проводимостями ВД т.к. на этих частотах начинают проявляться волновые свойства электропередачи. В диссертации показано, что в режимах ОЗЗ необходимо учитывать для токов нулевой последовательности не только изменение погонной индуктивности ВД но и принимать во внимание уменьшение погонной емкостной проводимости в сравнении с проводимостью прямой последовательности.
Усиление высших гармоник в режиме ОЗЗ хорошо видно на спектрограммах, полученных в натурных экспериментах фирмой «Болид», рис. 1 и 2.
8 101214 16 18 20 22 24 26 28 Э032 34 3б384а42 444648505254565в60£
I 8 Ш1:М1Б18202 24 26 2й 30 32 343б38«]4:М4£48га52545в58£йе2 64ебБ870 Номр гаримим
Рис. 1. Гармонический анализ Рис. 2. Гармонический анализ
напряжения ВЛ в нормальном режиме напряжения однофазного металлического
замыкания фазы на землю
Эксперименты также показали, что если в режиме ОЗЗ имеют место «биения», то усиление ВГ также имеет место (рис. 3 и 4), откуда следует что спектральный анализ весьма надежный инструмент по выявлению ОЗЗ.
» 10 И II 13 14 15 К 17 1« 19 20 21 2 23 24 25 35 27 2» 2« № 31 32 33 Номер гармоники
Рис. 3 Спектральный состав тока ОЗЗ в минимумы его биения
пЦл дД^Д^т^ЦЩ^! ! II! 11111111», 11, .Г;
9 10II 1МН4 151& 17 II1« » И И 3 » 8 К !7 » М Ж И Н Я И И » XI » » « Ношр гармония
Рис. 4 Спектральный состав тока ОЗЗ в максимумы его биения
Математическое моделирование участка РЭС в режиме ОЗЗ (рис. 5), выполненное А.Г. Лапшовым в среде 8ипиНпк, показало, во-первых, что ВГ могут фиксироваться на стороне 0,4 кВ трансформаторных подстанций; во-вторых, проявляет себя усиление ВГ на определенных частотах; в-третьих, имеет место связь между уровнем ВГ на «резонансных» частотах и местом ОЗЗ, что иллюстрируется на рис. 6 и 7.
Рис. 5. Принципиальная схема электропередачи 10 кВ РЭС
16 17 II 19 20 21 Номер высшей гармоники
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 23
^ Номер высшей гармоники
Рис. 6. Частотный анализ электропередачи при ОЗЗ на первом ответвлении
Рис. 7. Частотный анализ электропередачи при ОЗЗ на втором ответвлении
Анализ показывает, что при изменении ответвления с ОЗЗ максимальную амплитуду показывает тот осциллограф, на ответвлении с которым произошло замыкание. Принципиально важно, что измерение уровня ВГ на модели выполнялось на стороне 0,4кВ каждой ТП.
Тот факт, что ВГ, генерируемые дугой ОЗЗ на стороне 6 - 35 кВ воздушных линий РЭС, проявляют себя на стороне 0,4 кВ понижающих подстанций, делает возможным использование относительно дешевой низковольтной аппаратуры для измерения и обработки напряжений ВГ. Уместно заметать, что реализуемый в настоящее время принцип оценки места ОЗЗ по уровню ВГ начальной часта спектра тока требует установки трансформаторов тока на стороне высшего напряжения каждой ТП.
Таким образом, ВГ несут вполне достаточную информацию, во-первых, о наличии наиболее опасного вида ОЗЗ — дугового; во-вторых, могут усиливаться, что позволяет их выделить на фоне ВГ, обусловленных нагрузкой и нелинейным влиянием на ПКЭ электрооборудования.
Во второй главе рассмотрены частотные характеристаки электропередачи в симметричных режимах её работы и исследованы закономерности их изменения под воздействием различных факторов.
Показано, что при разработке методики использования ЧХ воздушных линий РЭС для выявления повреждений (в виде ОЗЗ) необходимо учитывать ряд существенных отличий от методики идентификации дефектов в сосредоточенных объектах (электрических машинах). Первая особенность заключается в заранее неизвестной точке приложения источника высших гармоник к объекту. Вторая особенность — это неизвестный спектральный состав самого источника. Следующее отличие — доступность для измерений ЧХ нескольких точек на электропередаче по разным симметричным составляющим напряжений. Наконец, влияние на форму ЧХ внешних факторов: текущего уровня тока КЗ на шинах центра питания (ЦП), топологии РЭС на момент снятая ЧХ, величины нагрузки понижающих подстанций.
При этом принципиально необходимо отказаться от общепринятых схем замещения ВЛ напряжением 6 — 35 кВ с сосредоточенными параметрами и перейти к описанию ВЛ на основе теории длинных линий, т.к. уже в области нескольких килогерц начинают проявляться волновые свойства линии.
Принятая схема замещения трехфазной электропередачи представлен на рис. 8, где источник напряжения е(п) имеет в общем случае произвольную частоту кратности п по отношению к промышленной частоте. Понизительная подстанция с трансформатором Г подключена к линии длиной / через выключатель Q. На высоких частотах пренебрежем влиянием активных сопротивлений на частоту, соответствующую максимуму напряжения на конце электропередачи. Запишем волновые уравнения электропередачи:
Üi = cos(nßl)Ü2 + jzc sin(nßl)i2, /, = cos
где р - коэффициент изменения фазы при промышленной частоте сети,
с — волновое сопротивление линии, п—номер гармоники.
Рис. 8. Принципиальная схема электропередачи а и схема замещения б
Напряжение С/г будет максимальным, когда напряжение и2, рис. 86, достигает наибольшей величины. Поскольку аналитические выражения для передаточной функции ¡У2 несколько проще, чем если бы записывались относительно й^, то и далее будем оперировать величиной напряжения (У2, подразумевая, что на самом деле измерения производятся со стороны обмотки низшего напряжения трансформатора, т.е. напряжения и2. При учете питающей сети и нагрузки (хп =х+х() получаем ЧХ электропередачи
Максимальному значению напряжения соответствует частота, определяемая из уравнения
на конце электропередачи
пхк / г с — 2С / пх„
При отключенной нагрузке на конце электропередачи (:„-><») оценим влияние внутреннего сопротивления источника на её ЧХ. «Резонансная» частота (её номер) находится из уравнения
Рассмотрен численный пример: электропередача длиной 30 км на напряжении 10 кВ выполнена проводом АС-95/16 имеет следующие параметры: источник: ге= 0,01 Ом; Ц, =0,01 Гн; ВЛ: г0 = 0,306 Ом/км; ¿0=4,13х10
3 Гн/км; С0 = 9,756x10"' Ф/км. Её волновые параметры 347,8 Ом;
/3 = сос^Ц)С„ =0,0010659 1/км. Расчет по уравнению (4) дает следующий результат:
пр = 38,5; что соответствует частоте 1925 Гц. На рис. 9 приведена ЧХ, полученная на
модели электропередачи в среде БипиПпк, где ВЛ моделировалась как линия с распределенными параметрами.
Видно, что на «резонансной» частоте напряжение на конце электропередачи в сравнении с напряжением источника повысилось больше, чем на порядок, а сама «резонансная» частота составила 1895 Гц, что показывает: переход от реальной В Л к её представлению линией без потерь активной мощности обусловил ошибка в расчетах менее 1,6 %. Если же пренебречь сопротивлением источника, то получим пр = 49,12; что соответствует частоте 2456 Гц и обусловливает ошибку 29,6%.
3000 3500 4000 Частота. Гц
Рис. 9. Частотная характеристика электропередачи
Рассмотрим влияние уровня токов КЗ на шинах ЦП на «резонансные» свойства ЧХ. Пусть нагрузка на конце электропередачи отключена (г„ —>оо). Тогда «резонансу» соответствует выполнение условия
5 10 15 20 25 30 /, км
Рис. 10. Зависимость «резонансной» частоты от длины ВЛ
На рис. 10 представлено решение уравнения (4) при изменении длины электропередачи для различных значений тока КЗ.
Кривая 1 соответствует току КЗ 20 кА, кривая 2 - току КЗ 10 кА, кривая 3 - току КЗ 5 кА, кривая 4 - току КЗ 1,84 кА. Пунктирная кривая соответствует предельному случаю (бесконечный ток КЗ на шинах ЦП).
На рис. 11 представлены графические зависимости кратности «резонансной» частоты пр от индуктивного сопротивления нагрузки (включая трансформатор подстанции), выраженного в относительных единицах.
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 ц,о.е. Рис. 11. Влияние нагрузки на «резонансную» частоту, ц = хп / zc
Анализ графиков, рис. 11, показывает, что в сетях напряжением 10 кВ только при значениях ц<0,15, совершенно не характерных для сельских потребителей, следует учитывать влияние нагрузки на «резонансную» частоту электропередачи.
При поперечном включении источника напряжения нулевой последовательности (НП) как начало, так и конец электропередачи должны считаться разомкнутыми, т.к. отсутствуют пути для протекания токов НП. Напряжение НП может быть измерено на шинах ЦП, где установлены измерительные трансформаторы с вторичной обмоткой, выполненной по схеме «разомкнутый треугольник». Комплексная частотная характеристика начального участка электропередачи будет определяться следующим выражением:
Для схемы рис. 12 рассчитаны ЧХ по формуле (6) и сравнены с полученными на математической модели в среде БшшИпк, отличие «резонансных частот не превысило 8,8%. На рис. 13 приведены ЧХ по напряжениям НП при смещении вдоль линии источника ВГ на 7,5 км, 15 км и 22,5 км. Принято, что электропередача напряжением 10 кВ длиной 30 км, выполненная проводами АС-95/16, имеет
следующие параметры по НП: г^ =974 Ом; р(0) =0,0013325 1/км, контактное
сопротивление г/,-1 кОм.
Рис 12. Принципиальная схема моделируемой сети
180 160 140 120 100 80 60 40 20 о
5000 10000 15000 20000
Рис. 13. Частотные характеристики НП для начала электропередачи
Численные расчеты «резонансных» частот подтверждают допустимость перехода к математической модели ВЛ на высоких частотах как к линии без потерь активной мощности и для напряжений нулевой последовательности. Таком образом, при построении частотных характеристик для распределительных электрических сетей напряжением 6 — 35 кВ необходимо использовал» математические модели линий электропередачи, представляемых как длинные линии. Использование допущения о возможности перехода от общих уравнений длинной линии к частным, описывающим линию без потерь активной мощности, облегчает расчеты и обеспечивает на частотах более 1 кГц приемлемую точность (ошибка в пределах нескольких процентов).
В третьей главе изучены ЧХ электропередач при однофазном поперечном подключении к линии источника высших гармоник.
Дуговое замыкание фазы линии на землю можно интерпретировать как поперечная однофазная несимметрия электропередачи, обусловленная включением источника высших гармоник. Преобразование исходных волновых уравнений длинной линии в установившемся режиме к уравнениям относительно прямой, обратной и нулевой последовательностей показывает, что, как и для линий с сосредоточенными параметрами, уравнения баланса напряжений могут составляться для каждой из последовательностей в отдельности. При этом волновые параметры линии по НП изменяются вследствие увеличения погонной индуктивности хо и уменьшения погонной ёмкости . В результате волновое сопротивление линии по НП возрастает более чем в 2,5 раза, а коэффициент изменения фазы — примерно на 30%, что необход имо учитывать при построении ЧХ.
Получены уравнения для каждой последовательности отдельно:
где верхние индексы отвечают номеру последовательности. При этом волновые сопротивления гс и коэффициенты изменения фазы р одинаковые только для прямой и обратной последовательностей:
Для схемы электропередачи, рис 12, где подключение источника ВГ принято только к фазе «я», справедлива комплексная схема замещения, рис. 14, где каждый её фрагмент, относящийся к ВЛ, описывается волновыми уравнениями вида (7). На рис. 15 представлена преобразованная схема замещения рассматриваемого режима электропередачи, для которой при смещении источника высших гармоник к концу электропередачи