Автореферат магистерской работы по теме
"Интеллектуальная релейная защита от замыканий на землю"

• Введение. Обоснование актуальности
• Цели и задачи работы. Предполагаемая научная новизна
• Предполагаемая практическая ценность
• Обзор существующих методов решения задачи
• Суть метода, используемого в магистерской работе.
  Имеющиеся и планируемые результаты
• Тематическая анимация
• Заключение
• Литература

Введение. Обоснование актуальности

Распределительные сети 6-35 кВ занимают значительную часть в инфраструктуре передачи и распределения электроэнергии, надежность их работы в большой степени определяют итоговый показатель бесперебойности поставки электроэнергии потребителю и издержки ее передачи.[1]

Наиболее распространенным видом повреждения в этих сетях являются однофазные замыкания на землю, которые заканчиваются пробоем изоляции в ее ослабленных местах. Подобные повреждения происходят из–за старения изоляции, поэтому до сих пор остается актуальной задача обеспечения эффективного непрерывного контроля состояния изоляции и на его основе своевременного обнаружения и устранения дефектов изоляции. [2]

Для дальнейшего повышения надежности функционирования электрических систем требуется внедрение эксплуатационного мониторинга, технической диагностики и прогнозирования остаточного ресурса энергетического оборудования . Значительное количество повреждений в узлах электрических систем с двигателями (УЭСД) возникает вследствие развития локальных или распределенных дефектов изоляции кабелей и обмоток электродвигателей . Предотвратить возникновение таких повреждений можно благодаря своевременному выявлению дефектов и их устранению.[3]

Цели и задачи работы. Предполагаемая научная новизна

Целью данной работы является создание экспертной системы для обнаружения дефектов изоляции без отключения оборудования по изменению параметров рабочего режима электрооборудования.

В основу работы поставлена задача усовершенствования способа определения расстояния до места локального дефекта изоляции и сопротивления этого дефекта в распределительных сетях, что позволило бы определять расстояние не только до замыканий на землю, но и до локальных дефектов изоляции, а также определять сопротивление локального дефекта изоляции. Это достигается за счет определения амплитуды тока нулевой последовательности и угла между вектором этого тока и вектором напряжения между двумя фазами. При этом производится сравнение данных, получаемых экспериментальным путем, со значениями, получаемыми на математической модели сети в процессе расчета при пошаговом изменении места предполагаемого повреждения изоляции вдоль поврежденного присоединения и изменения на каждом шаге величины сопротивления в месте дефекта изоляции от нуля до максимально допустимого.

Предполагаемая практическая ценность

Основой магистерской работы является алгоритм, использующий значения амплитуды вектора тока нулевой последовательности присоединения с повреждением и угла между этим вектором и вектором междуфазного напряжения для известного режима распределительной сети. Он позволяет однозначно определять расстояние до места дефекта изоляции и значение сопротивления этого дефекта, поэтому возможно его применение при создании как отдельной экспертной системы определения локальных дефектов изоляции и релейной защиты от замыканий на землю, так и внедрение в существующие микропроцессорные устройства защиты, автоматики, контроля и управления присоединений 6-35 кВ.

Обзор существующих методов решения задачи

Большинство существующих методов и средств контроля изоляции реагируют на состоявшееся повреждение и не позволяют выявить наметившееся снижение уровня изоляции и определить место этого снижения [2]. Для оценки состояния кабелей и прогнозирования их работоспособности используют различные методы, [4-7], основным недостатком которых является необходимость отключения оборудования.

Известные методы определения комплексной проводимости изоляции имеют недостатки, которые не позволяют их применять для непрерывного контроля, а также они не пригодны для присоединений кабель-двигатель и кабель-трансформатор. Например, способы определения параметров изоляции фаз сети относительно земли [9,10] основаны на создании временной несимметрии путём подключения ёмкости между одной из фаз и землёй. Для реализации этих способов необходимо отключение присоединения на время выполнения измерений. В [11] предложен способ определения проводимости изоляции по отношению к земле по результатам измерения текущих значений режимных параметров в начале и конце линии. Способ применим для транзитных линий. При его применении на присоединениях типа кабель-двигатель или кабель-трансформатор может контролироваться состояние изоляции только кабеля. Но и в этом случае требуется дополнительная установка измерительных трансформаторов напряжения или отключение присоединения для выполнения измерений.

Традиционно определение расстояния до места установившегося замыкания выполняется методом временной рефлектометрии (локационный способ), который основан на измерении времени между моментом посылки в линию зондирующего электрического импульса (тока или напряжения) и моментом прихода в начало линии импульса, отраженного от места замыкания.[1]. Использование метода в рабочем режиме сети очень затруднено из-за многократного отражения зондирующего импульса от неповреженных присоединений и из-за сложности получения необходимой информации, что возможно только в то очень короткое время, когда в месте повреждения существует электрическая дуга (доли миллисекунды).

В способе [8] определяют в переходном процессе замыкания на землю частоту свободных колебаний разряда фазной емкости и в зависимости от определенной частоты с помощью предварительно рассчитанных зависимостей частоты от расстояния до замыкания определяют расстояние до места замыкания. Способ имеет низкую точность и является сложным из-за необходимости определения тока с частотой свободных колебаний и не может быть использован при замыкании на землю через сопротивление.

Наиболее близким аналогом является способ [12], согласно которому определяют напряжение на шинах источника питания и ток поврежденного присоединения с частотой свободных колебаний, дальше определенные параметры режима используют в расчетах в эквивалентной схеме замещения сети при последовательном изменении предполагаемого места повреждения вдоль всего присоединения, вследствие чего получают значение расстояния до места замыкания как корни уравнения сети. Определение тока с частотой свободных колебаний переходного процесса затруднено из-за значительного затухания, а при быстром исчезновении дуги является невозможным. При возникновении замыкания на землю через сопротивление, которое возникает при местных дефектах изоляции, этот способ не может обеспечить определения расстояния до места дефекта.

Общими признаками последнего метода и метода, используемого в магистерской работе, являются следующие: в них выполняется определение параметров режима (напряжение на шинах источника питания и ток поврежденного присоединения с частотой свободных колебаний) и используются расчеты в схеме замещения сети при последовательном изменении допустимого места повреждения вдоль всего присоединение.

Суть метода, используемого в магистерской работе.
Имеющиеся и планируемые результаты

Основой магистерской работы является алгоритм, использующий значения амплитуды вектора тока нулевой последовательности присоединения с повреждением и угла между этим вектором и вектором междуфазного напряжения для известного режима распределительной сети. Он позволяет однозначно определять расстояние до места дефекта изоляции и значение сопротивления этого дефекта

Рассмотрим присоединение нагрузки, схема замещения которого приведена на рис1. При составлении схемы замещения (рис. 1) присоединения нагрузки (двигателя или трансформатора) в сети с изолированной нейтралью приняты следующие допущения:

Рисунок 1 – Схема замещения присоединения нагрузки при появлении локального дефекта изоляции

При составлении схемы замещения (рис. 1) присоединения нагрузки (двигателя или трансформатора) в сети с изолированной нейтралью приняты следующие допущения:

• элементы схемы замещения симметричны, т.е. соответствующие продольные (Z) и поперечные сопротивления разных фаз равны между собой;
• емкости фаз по отношению к земле всей электрически связанной сети (X_C), в том числе и емкости контролируемого присоединения, учитываются суммарной величиной, сосредоточенной в начале присоединения;
• активные проводимости изоляции фаз по отношению к земле не учитываются. При необходимости их учет не вызывает трудностей и выполняется путем подключения активного сопротивления параллельно емкостям фаз сети;
• локальный дефект моделируется активным сопротивлением R_ДЕФ на расстоянии l_деф от начала присоединения.

Наибольшее влияние на точность определения зависимости тока нулевой последовательности от расстояния среди принятых допущений может вызвать учет емкости присоединения в качестве сосредоточенной на выводах присоединения, т.е. отсутствие учета изменения двух частей присоединения (до точки дефекта и после точки дефекта) при перемещении точки дефекта изоляции. Поскольку емкость присоединения значительно меньше суммарной емкости сети, то этим влиянием можно пренебречь.

На схеме замещения (рис. 1) приняты следующие обозначения:

I_1c , I_2c , I_3c – токи соответственно через поперечные проводимости фаз 1, 2, 3 сети по отношению к земле;

I₁ , I₂ , I₃ – токи соответственно через продольные проводимости фаз 1, 2, 3 нагрузки присоединения;

I₀ – ток нулевой последовательности, который проходит через место дефекта изоляции (замыкание на землю).

Запишем уравнения, которые описывают рабочий режим присоединения в случае возникновения дефекта изоляции с сопротивлением R_ДЕФ в одной из фаз.

Напряжения между фазами U₁₂ , U₂₃ , U₃₁ не изменяются при возникновении дефекта изоляции а потому принимаются такими, что их значения известны и равны напряжению источника питания. После преобразования системы уравнений получим:

Анализ полученного соотношения показывает, что вектор тока нулевой последовательности (амплитуда и его фаза) зависит от расстояния ло места дефекта l_деф и сопротивления в месте дефекта R_ДЕФ . Продольное сопротивление фазы присоединения Z является неизменной величиной. Значение X_C зависит от режима (конфигурации) сети, а поэтому для обеспечения соответствия между действительным и расчетным значением тока нулевой последовательности в расчетах необходимо учитывать реальное значение X_C

Алгоритм метода определения расстояния до локального дефекта изоляции и определение значения сопротивления в месте повреждения изоляции приведен на рис.2.

Рисунок 2 – Алгоритм определения расстояния до места локального дефекта изоляции и сопротивления этого дефекта

Устройство состоит из:

• блока определения амплитуды вектора тока нулевой последовательности и угла δ между вектором тока нулевой последовательности, и вектором напряжения между двумя фазами, один из входов которого соединены с выходом трансформатора тока нулевой последовательности, установленным на присоединении с повреждением изоляции. Второй вход блока соединен с выходом трансформатора напряжения подключенного к началу поврежденного присоединения;
• блока сравнения амплитуды вектора тока нулевой последовательности с допустимым значением;
• блока пошагового изменения Δl расстояния от начала присоединения до предполагаемого места локального дефекта;
• блока выполнения цикла пошагового изменения ΔR величины сопротивления в месте локального дефекта изоляции от нуля до максимально допустимого значения;
• блока расчетов на математической модели сети вектора тока нулевой последовательности и угла δ между этим вектором тока и вектором напряжения между двумя фазами;
• блока введение изменений конфигурации сети;
• блока сравнения амплитуды рассчитанного вектора тока нулевой последовательности I_{МАКС Р} с амплитудой измеренного вектора действительного тока нулевой последовательности I_{МАКС Д} и сравнения между собой углов δ рассчитанного и измеренного векторов тока нулевой последовательности по отношению соответственно к рассчитанному и измеренному векторам напряжения между двумя фазами;
• блока индикации определенных значений расстояния до места локального дефекта изоляции и значение сопротивления в месте дефекта изоляции.

Система непрерывно контролирует амплитуду токов нулевой последовательности всех присоединений. Превышение по одному из присоединений заданного значения расценивается как появление дефекта изоляции, в том числе может быть и замыкание на землю. По факту превышения блок изменения места и величины сопротивления дефекта начинает циклический процесс задания параметров математической модели, которые соответствуют перемещению точки предполагаемого места дефекта изоляции. При этом на каждом шаге расчета выполняется цикл изменения величины предполагаемого дефекта от нуля до максимально допустимого значения. Результаты расчета вектора тока нулевой последовательности на каждом шаге расчета сравниваются с действительным вектором тока нулевой последовательности поврежденного присоединения. При совпадении действительного и расчетного векторов тока нулевой последовательности на индикацию подаются расчетные значения l_деф и R_ДЕФ , которые использовались на этом шаге расчета. [13]

Изменение конфигурации сети автоматически учитывается в математической модели сети путем учета и исключения параметров соответствующего элемента сети. С целью упрощения внешних связей системы предусмотрена ручная коррекция модели сети при изменении ее конфигурации.

Фаза тока нулевой последовательности определяется по отношению к вектору межфазного напряжения. Этот вектор напряжения не изменяет амплитуды при возникновении дефектов изоляции с различной величиной переходного сопротивления вплоть до замыкания на землю. Кроме того, сдвиг фаз между векторами напряжения и тока нулевой последовательности практически не зависит от места и степени дефекта изоляции.

Интеллектуальная система прошла лабораторные исследования. На лабораторной установке задавались различные места возникновения дефекта изоляции в кабеле присоединения и в нагрузке присоединения. В каждой точке задавались различные дефекты изоляции. Для моделирования дефектов изоляции в кабеле предварительно выполнены отпайки на одной и той же фазе через каждые 20% общей длины кабеля (общая длина 50 метров, кабель сечением 70 мм² ).

Результаты лабораторных исследований хорошо совпали с расчетными данными на математической модели.

Тематическая анимация

Согласно полученной зависимости вектора (амплитуды и фазы) тока нулевой последовательности присоединения с повреждением от расстояния до места дефекта изоляции и сопротивления этого дефекта можно получить ее графическое изображение.

Рисунок 3 – Зависимость вектора тока нулевой последовательности от места локального дефекта изоляции и сопротивления этого дефекта

Графическая зависимость представлена в виде анимации. Для примера в качестве исходных данных приняты следующие:

• Продольное сопротивление фазы нагрузки – кабеля и двигателя (трансформатора) – Z=2+j100
• Номинальное напряжение сети U_ном = 6 кВ
  из треугольника линейных напряжений получим U₃₁–U₂₃= 10.38 кВ
• емкости фаз по отношению к земле всей электрически связанной сети C = 10 мкФ

Значения вектора тока нулевой последовательности присоединения с повреждением представлены на комплексной плоскости (по горизонтальной оси активная, а по вертикальной оси – реактивная составляющая). При необходимости по этим данным без особой сложности можно получить амплитуду и угол между вектором тока нулевой последовательности и вектором междуфазного напряжения.

На рисунке зависимость вектора тока нулевой последовательности от расстояния до места дефекта изоляции представлена кривыми красного цвета. Вдоль этих кривых сопротивление дефекта постоянно. На графике приняты значения сопротивлений от 10 до 10000 Ом с шагом 10 Ом. Наибольшее значение тока по амплитуде получается при минимальном сопротивлении (в данном случае 10 Ом), а наименьшее – при максимальном сопротивлении.

Зависимость вектора тока нулевой последовательности от степени (сопротивления) дефекта изоляции представлена кривыми синего цвета. Вдоль этих кривых расстояние до места дефекта изоляции постоянно. На графике приняты значения расстояний в относительных единицах соответственно слева направо 0,9; 0,8; 0,7; 0,6; 0,5; 0,4; 0,3; 0,2; 0,1; 0,05; 0,01. Из графиков видно, что при малых расстояниях уменьшение сопротивления дефекта изоляции приводит к увеличению активной составляющей тока, а при больших – к увеличению реактивной составляющей.

Анализ графической зависимости показал, что уменьшение сопротивления дефекта изоляции вызывает практически пропорциональное увеличение амплитуды вектора тока нулевой последовательности, а изменение расстояния до места дефекта изоляции приводит, главным образом, к изменению угла между этим вектором и вектором междуфазного напряжения.

Динамика изменения изображения анимации наглядно показывает изменение амплитуды и фазы вектора тока нулевой последовательности при уменьшении расстояния до места дефекта изоляции начиная от конца присоединения до его начала для различных значений сопротивления (степени) этого дефекта.

Заключение

Разработан способ определения расстояния до места локального дефекта изоляции и сопротивления этого дефекта в распределительных сетях, который позволяет определять расстояние не только до замыканий на землю, но и до локальных дефектов изоляции, а также определять сопротивление локального дефекта изоляции. Произведены первичный анализ результатов, получаемых при использовании рассмотренного метода и лабораторные исследования. В дальнейшем планируется произвести более глубокий анализ метода, дать наиболее достоверную и окончательную оценку его работы, в том числе и погрешность получаемых результатов. Конечной целью магистерской работы является создание программного продукта готового для экспериментального, а в дальнейшем и повсеместного внедрения в системы релейной защиты и автоматики.

В настоящее время (май 2006 г) магистерская работа находится в стадии разработки. Окончательный вариант будет готов в январе 2007 года. С вопросами можно обращаться непосредственно ко мне e-mail или к руководителю магистерской работы

Литература