Обоснование параметров и алгоритмов действия защит от однофазных замыканий на землю для сетей с резистивно-заземленной нейтралью

На правах рукописи

Бычин Максим Анатольевич

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И АЛГОРИТМОВ ДЕЙСТВИЯ ЗАЩИТ ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ ДЛЯ СЕТЕЙ С РЕЗИСТИВНО-ЗАЗЕМЛЕННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ

Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2010

Работа выполнена в государственном образовательном учреж­дении высшего профессионального образования Санкт-Петер­бургском государственном горном институте им. Г.В. Плеханова (техническом университете)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Абрамович Борис Николаевич  

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Лимитовский Александр Михайлович

кандидат технических наук

Полищук Вадим Васильевич

Ведущее предприятие: - ООО «ПО «Киришинефтеоргсинтез»

Защита состоится 29 октября 2010 года в 15 час 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Санкт-Петербургском государственном горном институте (техническом университете) им. Г.В. Плеханова по адресу: 199106, г. Санкт-Петербург, В.О., 21 линия, д.2, ауд. №7212. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского госу­дарственного горного института.

Автореферат разослан “ 28 ” сентября 2010 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета

д.т.н., профессор В.В. ГАБОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Надежность работы электроустано­вок и потребителей электроэнергии в значительной степени зависит от уровня амортизации распределительных сетей напряжением 6-35 кВ. Основными повреждениями в таких сетях являются однофазные замыкания на землю (ОЗЗ), на долю которых приходится по­рядка 70-80% от общего числа повреждений.

Возникающие ОЗЗ представляют опасность для оборудования электрических сетей и являются источником электротравматизма для находящихся вблизи места ОЗЗ людей и животных. К числу аварийных последствий ОЗЗ относятся:

- переход однофазного замыкания в междуфазное короткое замыкание (КЗ), вызванный повреждением изоляции между фазами на кабельных линиях в результате теплового воздействия тока ОЗЗ и электрической дуги в месте повреждения;

- появления двойных замыканий на землю в разных точках сети из-за повреждения изоляции неповрежденных фаз, вызванного перенапряжениями;

- возникновение феррорезонансных явлений;

- появление второго замыкания на землю в статоре высоковольтного двигателя;

- разрушение железобетонных опор;

- возникновение пожаров в кабельных помещениях и т.д.

Для уменьшения перечисленных последствий, вызванных ОЗЗ, необходимо иметь надежные и эффективные устройства защиты от них. Имеется два концептуальных подхода к решению проблемы защиты от ОЗЗ: выполнение устройств релейной защиты индивиду­альными или групповыми, причем как те, так и другие имеют ряд существенных недостатков.

Решением проблемы снижения аварийных последствий ОЗЗ в сетях 6-35 кВ может стать построение алгоритма, предусматривающего объединение принципов действия индивиду­альных и групповых защит, и разработка способа частичного замыкания резистора в нейтрали сети полупроводниковым ключом обеспечивающего повышения селективного действия защиты.

Работа базируется на результатах исследований Чернобровова Н.В., Федосеева А.М., Андреева В.А., Шабада М.А., Абрамовича Б.Н., Шалина А.И., Евдокунина Г.А.. и др.

Цель работы – снижение ущербов от однофазных замыканий на землю путем создания алгоритмов действия защит для сетей 6-35кВ с изолированной и резистивно-зазем­ленной нейтралью.

Основные задачи исследования:

Для достижения поставленной цели необходимо решить сле­дующие задачи:

• выполнить сопоставительный анализ алгоритмов действия индивидуальных и групповых токовых защиты от однофазных замыканий на землю, применяемых в сетях 6-35 кВ;
• разработать методику расчёта уставок и выбора обратнозависимых времятоковых характеристик срабатывания защиты от ОЗЗ для сетей с изолированной и резистивно-заземленной ней­тралью;
• разработать методику определения зон чувствительности для имеющихся и предлагаемой защит от ОЗЗ, реагирующих на токи нулевой последователь­ности, для сетей с изолированной и резистивно-заземленной нейтралью с выполнением сравнения полученных зон чувст­вительности;
• разработать способы минимизации влияния токов небаланса на защиту от ОЗЗ, приводящего к ее ложному сраба­тыванию;
• разработать алгоритм действия за­щиты от однофазных замыканий на землю в сетях с рези­стивным заземлением нейтрали, позволяющий с заданной чувствительностью осуществлять селективное определение зоны повреждения в контролируемой энергосети.

Идея работы – для обеспечения надежной и эффек­тивной работы сетей среднего напряжения 6-35 кВ с изолированной и резистивно-заземленной нейтралью необходимо объединение группового и индивидуального алгоритмов действия токовой защиты от ОЗЗ и разработка алгоритма защиты от ОЗЗ для сетей с резистивным заземлением нейтрали.

Методы исследований: в работе использованы методы тео­рии электрических цепей, систем электроснабжения электротехни­ческих комплексов, численные методы решения уравнений, метод моделирования электромагнитных процессов в системах электро­снабжения с использованием ЭВМ (приложение MathCad).

Научная новизна работы:

Положения, выносимые на защиту:

1. Минимизация влияния тока небалансов на достоверность срабаты­вания защиты от однофазных замыканий на землю и повышение селективности действия за­щиты в воздушных, кабельных и воздушно-кабельных элек­трических сетях напряжением 6-35 кВ различной протяжен­ности при числе присоединений больше двух достигается путем сопоставления собственных емкостных токов линий в момент возникновения однофазного замыкания на землю в сети согласно заданной обратнозависимой времятоковой ха­рактеристике срабатывания защиты и выбора тока срабатыва­ния группы защит по наименьшему собственному току ли­нии данной сети.
2. Повышение селективности действия защиты при однофазных замыка­ниях на землю в системах электроснабжения сетей 6-35 кВ с резистивным заземлением нейтрали должно достигаться формированием специальной формы тока нулевой последова­тельности путем коммутации одной из секций заземляющего резистора тиристорным ключом на долю полупериода про­мышленной частоты на интервале модуляции длительности поиска поврежденной линии с выявлением двух признаков повреждения линии, заключающихся в совпадении в момент коммутации приращения тока линии с начальным мгновен­ным током тиристорного ключа, а также в сравнении между собой среднего положительного и среднего отрицательного значения тока нулевой последовательности линии на соот­ветствующих интервалах времени за полный период про­мышленной частоты.

Практическая ценность диссертации:

Обоснованность и достоверность полученных результа­тов базируется на применении положений теории электрических цепей, электромагнитных процессов в системах электроснабжения и электрических машинах, численных методах решения уравнений, методах математического моделирования с по­мощью ЭВМ, удовлетворительной сходимостью теоретических ре­зультатов с экспериментальными данными.

Реализация результатов работы. Результаты исследований в виде использования методики расчета и выбора обратнозависимых времятоковых ха­рактеристик срабатывания защит от однофазных замы­каний на землю, а также рекомендаций по выбору значения сопротивления заземляющего резистора будут использоваться при проведении научно-тех­нических работ на предприятии ОАО «Уралкалий», о чём получен акт внедрения результатов работ.

Личный вклад автора

- разработан алгоритм построения защиты от однофазных замыканий на землю, позволяющий увеличить зону селективного действия токовых защит в сетях 6-35 кВ для различных режимов зазем­ления нейтрали;

- разработана методика расчета уставок и выбора обратнозависимых времятоковых характеристик срабатывания;

- выявлены способы минимизации влияния токов небаланса на защиту от ОЗЗ приводящего к ее ложному сраба­тыванию;

- разработаны рекомендации по выбору значения сопротивления резистора в нейтрали сети;

- предложен способ защиты трехфазных сетей с резистивно-заземленной нейтралью от однофазных замыканий на землю, основанный на кон­троле специально сформированных токов нулевой последовательно­сти защищаемых линий.

Апробация. Основные положения и результаты работы док­ладывались и получили положительную оценку на конференциях молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» в 2006-2010 гг., в СПГГИ (ТУ).

Публикации. Основные результаты диссертации опублико­ваны в 5 печатных работах, в том числе 4 в журналах перечня ВАК, 1 патент.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введе­ния, 5 глав и заключения, изложенных на 124 страницах, содержит 27 рисунков, 3 таблицы, список литературы из 102 наименований.

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность.

В главе 1 выполнен анализ существующих групповых и индивидуальных токовых защит от однофазных замыканий, приведены их основные недостатки, по­казана актуальность создания новых алгоритмов действия защит от ОЗЗ в сетях 6-35 кВ.

В главе 2 предложено в качестве защиты от ОЗЗ в сетях 6-35 кВ использовать обратнозависимые времятоковые характеристики срабатывания, приведена методика выбора ха­рактеристик и задания уставок, показано влияние условий эксплуа­тации энергосистемы на параметры нулевой последовательности и выбор характеристик.

В главе 3 выполнена оценка зоны чувствительности защиты от ОЗЗ в сетях 6-35 кВ с изолированной и рези­стивно-заземленной нейтралью при использовании рассматриваемого алгоритма действия защиты;

В главе 4 рассмотрено влияние тока небалансов на параметры защиты от ОЗЗ с использованием обратнозависимых времятоковых характеристик, предложены варианты минимизации данных влияний.

В главе 5 предложен способ защиты трехфазных се­тей с резистивно-заземленной нейтралью от однофазных замыканий на землю, основанный на контроле специально сформированных токов нулевой последовательности защищаемых линий.

Заключение отражает обобщенные выводы по результатам исследований в соответствии с целью и решенными задачами.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Минимизация влияния тока небалансов на достоверность срабаты­вания защиты от однофазных замыканий на землю и повышение селективности действия за­щиты в воздушных, кабельных и воздушно-кабельных элек­трических сетях напряжением 6-35 кВ различной протяжен­ности при числе присоединений больше двух достигается путем сопоставления собственных емкостных токов линий в момент возникновения однофазного замыкания на землю в сети согласно заданной обратнозависимой времятоковой ха­рактеристике срабатывания защиты и выбора тока срабатыва­ния группы защит по наименьшему собственному току ли­нии данной сети.

Известно, что при возникновении ОЗЗ в сетях 6-35 кВ наибольший емкостной ток проходит на поврежденном присоединении, в то время как на остальных присоединениях проходят токи, определяемые собственными проводимостями этих присоединений. Отмеченное выше положение использовано в предлагаемом алгоритме построения защиты сетей 6-35 кВ от ОЗЗ.

Основу предлагаемого алгоритма действия защиты составляют терминалы защиты (), с заданной, определенного вида, обратнозависимой от тока временной характеристикой (рис. 1), подключенные к трансформаторам тока нулевой последовательно­сти (ТТНП) различных присоединений в сетях 6-35 кВ (рис. 2).

Логика защиты предусматривает задание единой характеристики срабатывания и единого пускового тока для всех терминалов защиты. При возникновении ОЗЗ происходят одновременный пуск всех терминалов в защищаемой сети и после­дующий запрет набора выдержки времени по факту срабатывания первого из них.

Поскольку в поврежденном присоединении проте­кает наибольший суммарный ток однофазного замыкания по срав­нению с собственными емкостными токами каждого из неповреж­денных присоединений, то оно отключается с наименьшей выдерж­кой времени, согласно выбранной обратнозависимой времятоковой характеристики срабатывания.

Рис.1 Обратнозависимые от тока временные характеристики

Выполним оценку области чувствительности для предложенного алгоритма действия защиты. С целью сравнения найдем, первоначально, область применения то­ковых защит от ОЗЗ, использующих независимую характеристику срабатывания.

Область применения данных защит можно оценить, вос­пользовавшись традицион­ным двойным неравенством для определения тока срабатывания защиты от ОЗЗ:

(2)

где - коэффициент надёжности, - коэффициент “броска”, - коэффициент чувствительности, - ток однофазного замыкания на землю в данной сети, – ток срабатывания защиты.

Рис.2. Схема защиты от замыканий на землю группы линий

Выразим отношение собственного тока ли­нии к значению общего тока замыкания на землю:

(3)

Подставив соответствующие значения коэффициентов чув­ствительности, надёжности и броска получим, что допустимая крат­ность токов по (3) при этом будет равна:

,

т.е. предельное значение доли собственного тока линии в общем токе сети может составлять не более 27%. Это существенно ограни­чивает область чувствительности защит от ОЗЗ, реагирующих на ток нуле­вой последовательности промышленной частоты.

Определим область селективного действия защиты с обрат­нозависимыми времятоковыми характеристиками срабатывания. В данном случае, для обеспечения селективной работы защиты с достаточной чувствительностью на линии с наи­большей долей собственного тока должно выполняться условие: или

.

(4)

Если ввести обозначения: - коэффициент доле­вого участия линии с наименьшим собственным током в общем токе ОЗЗ и - коэффициент долевого участия линии с наибольшим собственным током в общем токе ОЗЗ, то выражение (4) можно представить в виде –. Откуда получим:

.

(5)