Совершенствование методов расчета и обнаружения несимметричных аварийных режимов электрических сетей класса 10

Российская академия сельскохозяйственных наук (РАСХН)

Государственное научное учреждение

Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства

(ГНУ ВИЭСХ)

На правах рукописи

БАРАНОВ АЛЕКСЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

Совершенствование методов расчета и обнаружения несимметричных аварийных режимов электрических сетей класса 10 кВ

Специальность 05.20.02 – электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования

"Костромская государственная сельскохозяйственная академия"

(ФГБОУ ВПО Костромская ГСХА)

Научный руководитель:	доктор технических наук, профессор Солдатов Валерий Александрович
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Попов Николай Малафеевич; кандидат технических наук Антонов Юрий Михайлович
Ведущая организация:	Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет им. В. П. Горячкина»

Защита состоится «___» __________ 2012 г. в ____ часов на заседании Диссертационного совета Д 006.037.01 в Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) по адресу: 109456, г. Москва, 1-ый Вешняковский проезд, д. 2.

Тел.: (499) 171-19-20

Факс: (499) 170-51-01

E-mail: viesh@dol.ru

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по адресу: 109456, г. Москва, 1-ый Вешняковский проезд, д. 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВИЭСХ.

Автореферат разослан «___» __________ 2012 г. и размещен на сайтах: http://viesh.ru и http://vak.ed.gov.ru «___» __________ 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, д.т.н. А. И. Некрасов

Общая характеристика диссертационной работы

Ежегодно в России растет энергопотребление, строятся новые электростанции, модернизируются старые, прокладываются новые линии электропередач. Общее количество подстанций в России на 2010 год составляет:

• подстанций напряжением 35-220 кВ – 17 тыс.;

• подстанций напряжением 6-35/0,4 кВ – более 500 тыс.

Воздушных и кабельных линий 0,38-220 кВ насчитывается 2,35 млн. км, в том числе:

• напряжением 0,38 кВ – 840 тыс. км;

• напряжением 6-10 кВ – 1,1 млн. км;

• напряжением 35 кВ – 180 тыс. км;

• напряжением 110-220 кВ – 220 тыс. км

Наиболее протяженными являются воздушные линии электропередачи (ВЛ) класса напряжения 6-10 кВ, которые составляют 46,8% от длины всех линий. Стоит отметить, что половина ВЛ 6-10 кВ отработали свой ресурс.

Состояние 15% подстанций 6-10/0,4 кВ неудовлетворительно, более 40% воздушных и масляных выключателей отработали нормативные сроки, а 50% систем релейной защиты и автоматики (РЗиА) морально устарели.

Актуальность темы. В настоящее время расчет и обнаружение сложных несимметричных режимов линий электропередачи является актуальной задачей. Фидера 10 кВ имеют протяженность до нескольких десятков километров, поэтому правильно и своевременно обнаружить вид и место возникшей аварийной несимметрии в сети позволит сократить время ремонтной бригаде устранить неисправность.

Для расчета несимметричных режимов применяется в основном два метода: метод трех симметричных составляющих и метод фазных координат. Первый метод справедлив только для трехфазных симметричных сетей. В случае расчета несимметричного режима сети этим методом, составляются сложные схемы замещения. То есть, при расчете сложных несимметричных режимов и расчете не трехфазных сетей пользоваться этим методом затруднительно.

На современном этапе существуют мощные вычислительные машины с большой производительностью, которые дают возможность расчета несимметричных режимов в фазных координатах, используя полные матрицы параметров линии, нагрузок, трансформаторов, фильтров и других устройств. При этом, расчет токов и напряжений в узлах и ветвях линии производится в реальных величинах в каждой фазе сети. Этот метод позволяет рассчитывать сети произвольного числа фаз и видов несимметрии. Также важной задачей является разработка способов определения места и вида аварийных несимметричных режимов.

В высоковольтных электрических сетях напряжением 220 кВ и более для определения места повреждения (ОМП) используются современные методы и средства. В распределительных сетях средства ОМП используются недостаточно. Поэтому представляет интерес совершенствование методов расчета и обнаружения несимметричных аварийных режимов электрических сетей класса 10 кВ. В данной работе эта задача решалась с помощью разработки методики и программы расчета аварийных режимов (АР) в фазных координатах и разработки информационно-поисковой системы.

Целью диссертационной работы является разработка методики обнаружения вида и места несимметрии в фидере 10 кВ на основе современных методов вычисления и измерительных устройств.

Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработать расчетную модель фидера 10 кВ в фазных координатах, включающую в себя модели всех устройств: трансформатор в начале фидера класса 35/10 кВ со схемой соединения обмоток "звезда–треугольник" (или трансформатор 110/10 кВ "звезда с нулем – треугольник"); трансформатор в конце фидера класса 10/0,4 кВ со схемой соединения обмоток "звезда – звезда с нулем"; измерительный трансформатор 10/0,1 кВ; участки линии электропередачи; нагрузку на шинах 0,4 кВ; фильтры напряжения обратной (ФНОП) и нулевой (ФНОП) последовательности, блок несимметрии.

2. Получить аналитические модели трансформаторов, позволяющие при расчете матрицы передачи не использовать процедуру обращения комплексных матриц, а также получить модель объединенной трехпроводной (класса 10 кВ) и четырехпроводной (класса 0,38 кВ) сетей, позволяющей вести расчеты на основе эквивалентной матрицы передачи, что облегчает задачу расчета.

3. Разработать программу расчета несимметричных аварийных режимов фидеров 10 кВ с произвольным местом включения всех устройств вдоль фидера и определить влияние параметров этих устройств на аварийные несимметричные режимы с целью повышения точности расчета.

4. Разработать методику, позволяющую судить о виде и месте произошедшего аварийного режима на основе анализа фазных токов и напряжений в начале линии 10 кВ, а также напряжений на реагирующих органах ФНОП и ФННП при всех видах аварийных несимметричных режимов фидеров 10 кВ, а также при различных длинах линии и различных местах произошедшей несимметрии.

5. Разработать информационно-поисковую систему по определению вида и места несимметрии в фидере 10 кВ, основанную на использовании расчетной базы данных по параметрам аварийных режимов и сравнении их с измеренными аналогичными параметрами, а также оценить технико-экономическую эффективность разработанной системы.

6. Разработать лабораторно-исследовательский стенд по исследованию аварийных несимметричных режимов фидеров 0,38 – 10 кВ для проверки моделей элементов и режимов фидера в фазных координатах.

Объектом исследования является электрическая сеть напряжением 10 кВ с изолированной нейтралью и режимы ее работы.

Предмет исследования – модели, методы расчетов и средства определения места повреждения электрической сети 10 кВ по параметрам аварийных режимов.

Методы исследования. Для решения указанных задач использовались методы компьютерного моделирования электрической сети 10 кВ на основе метода фазных координат, математические методы с использованием матричной теории электрических сетей, экспериментальные исследования на лабораторно-исследовательском стенде.

Научная новизна работы.

1. Получена усовершенствованная модель фидера 10 кВ и разработана программа расчета на ЭВМ любых видов аварийных несимметричных режимов в фазных координатах на основе выведенных аналитических моделей трансформаторов и эквивалентных матриц передачи совместного моделирования трехпроводной сети 10 кВ, соединенной с четырехпроводной сетью 0,38 кВ.

2. Исследовано влияние на аварийные несимметричные режимы параметров элементов фидера 10 кВ, позволившее оценить степень этого влияния и необходимость их учета для повышения точности расчета. Обоснованы для применения два значения переходного сопротивления: при металлическом замыкании и замыкании через переходное сопротивление в месте повреждения.

3. Предложена методика определения вида и места возникших аварийных режимов, которая основана на анализе фазных токов и напряжений в начале линии 10 кВ, а также напряжений на реагирующих органах ФНОП и ФННП при всех видах режимов в различных местах линии и на выведенных соотношениях между исследованными параметрами.

4. Предложена модель информационно-поисковой системы по обнаружению с достаточной для практического применения точностью вида и места аварийного режима в фидере 10 кВ, основанная на сравнении рассчитанной по разработанной программе базы данных всех режимов фидера с соответствующими измеренными параметрами и передачей сообщения, что повышает эффективность поиска.

Практическая ценность.

Разработана модель информационно-поисковой системы, основанная на программе расчета и рассчитанной базе данных по параметрам АР, а также на использовании цифровых фиксирующих вольтметров и амперметров, что позволяет определять вид и возможный диапазон длин до произошедшей аварии.

Разработан лабораторно-исследовательский стенд, позволяющий проводить исследования различных несимметричных аварийных режимов фидеров 0,38–10 кВ.

Основные результаты диссертации, полученные автором при выполнении исследований, прошли проверку в филиале ОАО "МРСК Центра"–"Костромаэнерго", что подтверждено соответствующим актом внедрения. Результаты диссертации используются в учебном процессе кафедры информационных технологий в электроэнергетике Костромской ГСХА, что подтверждено справкой.

Основные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся:

1. Методика расчета аварийных несимметричных режимов фидеров 10 кВ в фазных координатах, отличающаяся использованием полученных аналитических выражений для матриц передачи трансформаторов и эквивалентных матриц передачи объединяющей сети 10 и 0,38 кВ.

2. Результаты исследования аварийных несимметричных режимов фидеров 10 кВ при различных параметрах элементов фидера с оценкой степени влияния переходного сопротивления в месте аварии, параметров трансформаторов, параметров линии, мощности и тангенса угла нагрузки, статических характеристик нагрузки.

3. Методика определения вида и места аварийных несимметричных режимов по соотношениям между токами и напряжениями в этих режимах с учетом возможной погрешности.

4. Методика определения вида и места аварийной несимметрии на основе информационно-поисковой системы с использованием базы данных этих режимов и показаний соответствующих приборов, позволяющая повысить эффективность и сократить время поиска повреждения в фидере 10 кВ.

Достоверность исследований обусловлена применением строгих математических преобразований с использованием матричной теории электрических сетей, а также проведенными экспериментами на лабораторной модели фидера 10–0,38 кВ, состоящей из трансформатора, двух участков линии, ФНОП, ФННП, нагрузки и блока несимметрии.

Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертации доложены, обсуждены и получили положительную оценку на международных научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО Костромской ГСХА в 2008, 2009, 2010, 2011, 2012 годах.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 20 научных работ, в том числе 3 статьи в изданиях рекомендованных перечнем ВАК.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и 3-х приложений. Ее содержание изложено на 160 страницах, иллюстрировано 41 рисунком, включает 20 таблиц, библиографический список из 92 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы исследования, определены цель и основные задачи исследования, отмечена научная новизна работы, приведены основные положения, выносимые на защиту, кратко изложено содержание работы.

В первой главе "Методы и средства расчета и обнаружения аварийных несимметричных режимов в электрических сетях 10 кВ" проведен обзор существующих методов расчета несимметричных аварийных режимов, а также приборов обнаружения характера и места повреждения.

Наиболее распространенным методом расчета аварийных режимов с начала ХХ века был метод 3-х симметричных составляющих, который породил целую индустрию приборов, реагирующих на прямую, обратную или нулевую последовательности. Он справедлив только для 3-х фазных и симметричных сетей. Кроме того, необходимо составлять сложные комплексные схемы замещения при нескольких несимметриях.

В связи с развитием электронных вычислительных машин появилась возможность проводить расчеты фазных величин токов и напряжений. На данном принципе основан метод фазных координат. Данный метод прост в моделировании электрической сети с любым числом фаз, с любой пофазно-различающейся нагрузкой и любым количеством одновременных несимметрий. Данный метод позволяет рассчитывать токи и напряжения в любой точке сети в квазиустановившемся режиме. Каждый элемент сети 10 кВ представлен собственными и взаимными комплексными продольными сопротивлениями фаз и собственными и взаимными комплексными поперечными проводимостями фаз.

Важно отметить, что переход от системы фазных координат к системе симметричных координат возможен через простые операции, связанные с матрицей преобразования. Каждая система имеет свои достоинства и недостатки, поэтому для различных частей схемы можно использовать необходимую систему координат.

Важнейшим параметром надежности энергосистемы является бесперебойная передача качественной электроэнергии потребителям. Число аварийных отключений ВЛ 10 кВ на 100 км длины линии составляет 6-7 раз в год. Источниками аварий ВЛ 6-10 кВ являются:

– повреждение опор – 40 %;

– повреждение изоляторов – 35 %;

– повреждение проводов – 25 %.

На данном этапе для высоковольтных электрических сетей существуют следующие методы определения вида и места повреждения:

1. дистанционные, которые делятся на: стоячих волн, импульсные, по параметрам аварийного режима, емкостные, петлевые;
2. топографические, которые делятся на: индукционные, электромеханические, акустические, потенциальные.

Для сетей 6-35 кВ используются упрощенные методы определения места повреждения по одностороннему замеру параметров аварийного режима, которые характеризуются экономичностью и простотой приборов измерения и их обслуживания. Однако, они недостаточны для точного определения места и вида несимметрии.

Проведенный обзор позволил обосновать постановку задач исследований.

Во второй главе "Моделирование элементов электрической сети в фазных координатах" приведены матрицы передачи (H) для каждого элемента сети. Модель каждого элемента представляется в виде 2K-полюсника в H-форме или в Y-форме. Для преобразования Y-формы многополюсника к H-форме и наоборот используются формулы перехода. В общем виде матрица передачи связывает фазные напряжения и токи в начале многополюсника с напряжениями и токами в конце.

;

,

где – столбцевые матрицы фазных напряжений и токов в начале (индекс Н) и в конце многополюсника (индекс К); - матрицы обобщенных параметров 2К-полюсника.

В матричном виде уравнения многополюсника можно записать как:

.

В работе приведены и получены следующие матрицы передачи элементов электрической сети:

1) силового трансформатора 35/10 кВ со схемой соединения обмоток "звезда – треугольник";

2) силового трансформатора 10/0,4 кВ со схемой соединения обмоток "звезда – звезда с нулем";

3) линии электропередачи;

4) фильтра напряжения обратной последовательности;

5) фильтра напряжения нулевой последовательности;

6) нагрузки;

7) блока несимметрии.

Модель трансформатора

Для получения обобщенных параметров матрицы передачи, например трансформатора "звезда – треугольник", согласно схемы замещения рассчитывается матрица узловых проводимостей:

,

где М – матрица инциденций; МT-транспонированная матрица инциденций; ZВ-1- обратная матрица собственных и взаимных сопротивлений ветвей (обмоток).

После эквивалентирования (исключения промежуточных узлов, в которых ток равен нулю) матрицы узловых проводимостей относительно узлов входа и выхода, связанных с сетью, получают матричные уравнения:

, (

1)

где: JВХ, UВХ – столбцевые матрицы токов и напряжений узлов входа; JВЫХ, UВЫХ – столбцевые матрицы токов и напряжений узлов выхода; , , , – блоки эквивалентной матрицы узловой проводимости () относительно входа и выхода трансформатора.

Зная блоки , из (1) находят четыре матрицы обобщенных параметров 2К-полюсника трансформатора (матрицу передачи):

; ;

; . (

2)

,

где – матрица передачи трансформатора.

Так можно получить матрицу передачи любого трансформатора, например с соединением обмоток "звезда – треугольник" и "звезда – звезда с нулем". Как видно, в (2) входит обратная матрица . Исследования показывают, что матрица – особенная, то есть она не имеет обратной матрицы (так как сумма элементов во всех строках равна нулю).

Чтобы избежать этого и найти , можно незначительно изменить ее диагональные элементы. Например, умножив их на число k, мало отличающееся от единицы, тогда сумма строки не будет равна нулю.