CC BY
62
ment of raw materials), Estestvennye i tehnicheskie nauki, 2015, No. 2, pp. 127-128.
11. Ziganshin B. G., Belova M. V., Noviko-va G. V., Matveeva A. N., Petrova O. I. Jelektro-dinamicheskij analiz rezonatorov, ispol'zuemyh v sverhvysokochastotnyh ustanovkah (Electrodynamic analysis of the resonator used in the microwave set novco), Estestvennye i tehnicheskie nauki, 2015, No. 6, pp.477-480.
12. Selivanov I. M., Belova M. V., Belov A. A., Umbetov U. U. Rezonatory, obespechivajushhie termoobrabotku syr'ja v potochnom rezhime (Resonators, providing heat treatment of raw materials in-line), Estestvennye i tehnicheskie nauki, 2015, No. 6, pp. 499502.
13. Samodelkin A. G., Novikova G. V., Belo-va M. V., Ershova I. G., Belov A. A. Mnogorezonator-naja ustanovka dlja plavlenija zhira (Multiple-cavity setup for melting fat), Estestvennye i tehnicheskie nauki, 2015, No. 6, pp. 492-494.
14. Belov A. A. Issledovanie moshhnosti potoka izluchenij okolo sverhvysokochastotnyh ustanovok (The Study of power flow microwave radiation around plant), Estestvennye i tehnicheskie nauki, 2016, No. 5, pp. 92-94.
15. Zhdankin G. V., Storchevoj V. F. Razrabotka sverhvysokochastotnoj ustanovki dlja termoobrabotki nepishhevyh othodov uboja i pererabotki pticy (Development of microwave installation for thermal treatment of waste, inedible slaughter and poultry processing), Nauchnaja zhizn', 2016, No. 9, pp. 24-26.
16. Belov A. A., Zhdankin G. V., Storchevoj V. F. Razrabotka radiovolnovyh ustanovok dlja termoobrabotki syr'ja (Development of radio installations for heat treatment of raw materials), Vestnik NGIJeI, 2016, No. 10 (65), pp. 16-24.
17. Ivashov V. I. Tehnologicheskoe oborudo-vanie predprijatij mjasnoj promyshlennosti (Technological equipment of enterprises of the meat industry), Ch. 1, Oborudovanie dlja uboja i pervichnoj obrabotki, M, Kolos, 2001, 330 p.
18. Ershova I. G., Sorokina M. G., Belova M. V., Novikova G. V. Patent № 2541694 RF, MPK S11V1/12. Ustanovka dlja termoobrabotki zhiro-soderzhashhego syr'ja / Zajavitel' i patentoobladatel' ChGSHA (RU). No. 2013145358; zajavl. 09.10.2013. Bjul. No. 5 ot 20.02.2015. 6 p.
19. Pchel'nikov Ju. N., Sviridov V. T. Jelektroni-ka sverhvysokih chastot (Electronics of ultrahigh frequencies), M, Radio i svjaz', 1981, 96 p.
20. Oficial'nyj sajt kompanii «Shljahet Stal'» (Official site of the Shlyakhet Stal company) [Jelektronnyj resurs], Rezhim dostupa: http://szlachetstal.com/65 .html
21. Sedova N. V. Gosudarstvennoe regulirovanie jenergeticheskoj bezopasnosti (regional'nyj aspekt) (State regulation of energy security (regional aspect)), Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. Jekonomika, 2015, No. 3 (31), pp. 155-164.
Дата поступления статьи в редакцию 9.11.2016, принята к публикации 11.01.2017.
05.20.02
УДК 621.316.925.2
ЦЕНТРАЛИЗОВАННАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ЗАЩИТА РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕЛЬСКИХ СЕТЕЙ 6-35 КВ С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДА ДВОЙНОЙ ЗАПИСИ
© 2017
Куликов Александр Леонидович, доктор технических наук, профессор кафедры «Электроэнергетика, электроснабжение и силовая электроника» Вуколов Владимир Юрьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроэнергетика, электроснабжение и силовая электроника» Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева, Нижний Новгород (Россия) Колесников Антон Александрович, инженер отдела РЗА и вторичной коммутации «Институт «Энергосетьпроект-НН-СЭЩ». ЗАО «ГК «Электрощит» - ТМСамара»,
Нижний Новгород (Россия)
Аннотация
Введение. Для повышения эффективности защит распределительных сельских сетей 6-35 кВ предлагается применение централизованных защит, основанных на дифференциальном принципе в сочетании с методом двойной записи. Двойная запись - способ регистрации хозяйственных операций бухгалтерского учета, при котором каждое изменение состояния средств фиксируется на двух счетах, обеспечивая общий баланс. С помощью организации избыточной обработки информации о токах, измеренных на концах защищаемых объектов и сформированных в специальные матрицы, реализуется надежное функционирование дифференциальной защиты, исключая ее излишние действия при повреждениях трансформаторов тока.
Материалы и методы. В качестве примера рассматривается участок сельской электрической сети 10 кВ, представленный в виде графа, дуги которого обозначают высоковольтные аппараты, а вершины -
защищаемые элементы. Применение двойной записи обеспечивает взаимосвязь между вершинами графа, что позволяет объединить их в единую целостную систему. В работе использованы методы теории электрических цепей, теории графов, двойной записи.
Результаты. Установлено, что в зависимости от соотношения токов на участке электрической сети, а также результатов выполнения операций над матрицами токов можно реализовать надежное функционирование централизованной дифференциальной защиты распределительной сельской сети 6-35 кВ.
Обсуждение. При этом обеспечивается не только действие защиты при повреждениях на каждом участке, но и исключаются ее излишние действия при повреждениях трансформаторов тока или линии связи.
Заключение. Полученные результаты позволяют сделать вывод о перспективности внедрения в распределительных сельских сетях 6-35 кВ централизованной дифференциальной защиты с применением метода двойной записи. Реализация предлагаемого способа позволит организовать защиту, внедрение которой позволит улучшить эффективность системы релейной защиты.
Ключевые слова: двойная запись, дифференциальная защита, закон Кирхгофа, зона защиты, контроль исправности линий связи, контроль исправности трансформаторов тока, матрицы, распределительные сельские электрические сети 6-35 кВ, теория графов, централизованная релейная защита.
Для цитирования: Куликов А. Л., Вуколов В. Ю., Колесников А. А. Централизованная дифференциальная защита распределительных сельских сетей 6-35 кВ с применением метода двойной записи // Вестник НГИЭИ. 2017. № 2 (69). С. 71-81.
CENTRALIZED DIFFERENTIAL PROTECTION OF RURAL DISTRIBUTION NETWORKS 6-35 kV WITH APPLICATION OF METHOD OF DOUBLE ENTRY
© 2017
Kulikov Alexander Leonidovich, doctor of technical sciences, professor of the chair «Power Engineering, electricity supply and power electronics» Vukolov Vladimir Yuryevich, candidate of technical sciences, associate professor of the chair «Power Engineering, electricity supply and power electronics»
Nizhny Novgorod State Technical University n. a. R. E. Alekseev (NNSTU), Nizhny Novgorod (Russia) Kolesnikov Anton Aleksandrovich, engineer of department «Relay protection and secondary commutation»
Branch office «Institute «Energosetproekt-NN-SESH». «The Electroshield Samara Group», Nizhny Novgorod (Russia)
Annotation
Introduction. For increase of efficiency protection of distribution rural networks 6-35 kV is proposed to use a centralized protection, based on the differential principle, in combination with the method of double entry. Double entry it is method of registration of economic operations accounting, by which every change of the state funds recorded in two accounts, ensuring the overall balance. By providing redundant processing of information about currents measured at the ends of the protected object, and is formed in a special matrix that implements the reliable operation of the differential protection, eliminating its excessive action when damaged the current transformers.
Materials and Methods. For an example considered the part of rural power network 10 kV, presented in a graph, that arcs signify high-voltage devices, and vertex - protected items. The use of double-entry provides the interaction between the vertices in the graph, which allows to combine them into a single complete system. In this paper is used the methods of electric circuit theory, graph theory, method of double-entry.
Results. It is established that depending on the ratio of currents in the part of electrical network and results of operations on matrices of currents can be realized the reliable operation of the centralized differential protection of rural distribution networks 6-35 kV.
Discussion. In this case provides not only the action of protection in case of damage on each site, but excluded its excessive action when damaged current transformers or lines of communication.
Conclusions. The obtained results allow to conclude about the prospects of integration in rural distribution networks 6-35 kV centralized differential protection using the method of double entry. Realization of the proposed method will allow to organize the defense, the implementation of which will improve the efficiency of the relay protection system.
Keywords: double entry, differential protection, Kirchhoffs law, protection zone, monitoring health of communication lines, monitoring health of current transformers, matrix, distribution rural networks 6-35 kV, graph theory, centralized differential protection.
Введение
Распределительные сельские электрические сети 6-35 кВ предназначены для передачи электроэнергии сельскохозяйственным потребителям. Они состоят из линий электропередачи 6-35 кВ, транс-
форматорных подстанций (ТП) 6(10, 20, 35)/0,4 кВ и распределительных пунктов (РП) [1, с. 190-192; 2, с. 4, 22; 3, с. 20].
Характерными особенностями распределительных электрических сетей в сельской местности являются [1, с. 191; 2, с. 4]:
- радиальная структура с односторонним питанием или работа в разомкнутом режиме;
- необходимость охвата большой территории с малыми плотностями нагрузок;
- разветвленность и значительная протяженность магистральных участков линий электропередачи (ЛЭП) 6-10 кВ;
- большая доля воздушных ЛЭП;
- отсутствие в большинстве случаев хороших подъездных путей и проездов вдоль трасс ЛЭП.
Для защиты линий 6-35 кВ от междуфазных коротких замыканий (КЗ) в распределительных сельских сетях, согласно [3, с. 333, 338; 4; 5, с. 38; 6, с. 73; 7, с. 6], применяется двухступенчатая максимальная токовая защита: первая ступень - токовая отсечка (ТО), вторая - максимальная токовая защита (МТЗ). Если токовая ступенчатая защита не обеспечивает требований по чувствительности или селективности, предусматривается применение автоматических пунктов секционирования с использованием дополнительной специальной аппаратуры, например, реклоузеров [6, с. 73, 93, 94; 7, с. 8; 8; 9; 10].
Недостатками данного решения являются дополнительные затраты на строительство секционирующих пунктов, накопление выдержек времени срабатывания защит и, как результат, снижение их быстродействия. Отдельная защита сборных шин подстанций 6-35 кВ, как правило, отсутствует. Трансформаторы потребительских подстанций защищаются предохранителями с плавкими вставками.
Несмотря на то, что в настоящее время широко применяются микропроцессорные устройства защиты, в сельских электрических сетях продолжают использоваться традиционные защиты с электромеханическими реле в связи с их низкой стоимостью и большим опытом эксплуатации. Поэтому в ближайшее время будут применяться как электромеханические, так и микропроцессорные устройства защиты.
При проектировании и эксплуатации систем РЗ сельских электрических сетей 6-35 кВ в некоторых случаях приходится сталкиваться со следующими особенностями [6, с. 72]:
- малая величина токов короткого замыкания,
- сложность согласования характеристик защит линий 6-35 кВ и предохранителей трансформаторов,
- экономичность и удобство обслуживания устройств релейной защиты (РЗ).
Следствиями данных факторов могут быть недостаточная чувствительность и быстродействие
защит, снижение эффективности дальнего резервирования на отдельных участках сети.
Соответственно, ставится вопрос об изменении принципов формирования систем РЗ распределительных сельских сетей 6-35 кВ с применением защит, которые могли бы устранить указанные недостатки.
В качестве защит, обладающих одновременно высокими чувствительностью, быстродействием и селективностью, целесообразно использовать защиты, основанные на дифференциальном принципе (дифференциальные защиты).
Дифференциальная защита (от лат. differentia - разность) является защитой с абсолютной селективностью, действующей без выдержки времени. Применяется для организации защит электрических машин, силовых трансформаторов, сборных шин и присоединений [11, с. 12]. Она вычисляет сумму всех токов, втекающих и вытекающих из защищаемой зоны, которая определяется расположением измерительных трансформаторов тока (ТТ). Пренебрегая токами небаланса, можно сказать, что указанная сумма всегда будет равна нулю (согласно закону Кирхгофа), если защищаемый объект не поврежден. Внутренние повреждения обнаруживаются за счет того, что появляется дифференциальный ток.
а) б)
Рисунок 1 - Принцип работы дифференциальной защиты: а - при внешнем КЗ, б - при внутреннем КЗ
Принцип измерения величин представлен на рисунке 1. Устройства РЗ подключаются к трансформаторам тока так, чтобы при токах КЗ на защищаемом элементе в нем проходил ток, равный сумме токов всех присоединений, притекающих к месту повреждения, и происходило срабатывание дифференциальной защиты. При внешнем КЗ ток, идущий от защищаемого элемента к месту повреждения, равен сумме токов, притекающих к защищаемому элементу от источников питания, поэтому дифференциальная защита не срабатывает (рисунок 1,а). При возникновении внутреннего повреждения (рисунок 1,6), токи втекают в защищаемую зону и, соответственно, вторичные токи складываются, и их сумма протекает через цепь, в которой установлено устройство защиты. При этом происходит срабатывание дифференциальной защиты, и она формирует
команду на отключение соответствующих выключателей. При этом защита не реагирует на внешние КЗ, токи нагрузки и качания.
Принцип реализуется как для защиты сосредоточенных объектов (трансформаторов, двигателей, генераторов, шин, где измерительные трансформаторы тока установлены в непосредственной близости друг от друга), так и для защиты кабельных и воздушных ЛЭП, где информация об измеряемых величинах передается на противоположные их концы с помощью различных каналов связи [11, с. 105-123]. До недавнего времени внедрение данного типа дифференциальной защиты было затруднительно из-за отсутствия технических средств обеспечения передачи сигнала на дальние расстояния. При использовании современных технологий стало возможным применение надежных и имеющих относительно низкую стоимость каналов связи, которые могут быть организованы, в том числе и в сельской местности. Выбор типа канала связи должен производиться отдельно для каждого конкретного случая в зависимости от длин линий, требований к надежности и скорости передачи данных, наличия существующих каналов.
Одной из главных задач сельской электрификации является обеспечение надежного электроснабжения потребителей при минимальных расходах на сооружение и обслуживание сетей, в то время как основным недостатком дифференциальных защит является их высокая стоимость. Для минимизации расходов по организации РЗ распределительных сетей ставится вопрос о применении централизованной дифференциальной защиты сети (ЦДЗ), охватывающей все ее участки. Использование данного подхода может способствовать улучшению характеристик защиты сети без замены существующих устройств РЗ. Данная система собирает данные о токах в каждой точке сети и, в соответствии с принципами дифференциальной защиты, отключает повреждённое оборудование, воздействуя на необходимые выключатели.
Имеется опыт реализации дифференциальной защиты для многоконцевых линий, а также линий с отпайками [11, с. 191, 192; 12]. Недостатком предлагаемых подходов является необходимость использования отдельного устройства на каждом конце линии, что для рассматриваемых сельских электрических сетей неприемлемо с экономической точки зрения.
Вариант ЦДЗ описан в работе [13, с. 87-116], где данная защита предусматривалась для корабельных сетей электроснабжения 13,8/4,16/0,48 кВ. Недостатками предлагаемого подхода являются отсутствие необходимой гибкости системы РЗ при изменении конфигурации рассматриваемой сети -
подключении новых источников питания, нагрузок, а также недостаточно надежная система проверки исправности трансформаторов тока.
ЦДЗ, предлагаемая авторами, исключает указанные недостатки. Она основана на применении дифференциального принципа в сочетании с методом двойной записи. Для поиска места повреждения защита производит сравнение токов для отдельных участков сети - шин, ЛЭП, трансформаторов, получая информацию от ТТ, установленных в различных точках сети, и выявляет потенциально поврежденный элемент. Далее защита определяет, вызвано ли срабатывание пускового органа КЗ на рассматриваемом участке, либо имеет место неисправность оборудования. Неисправности выявляются с помощью метода двойной записи. Двойная запись - способ регистрации хозяйственных операций бухгалтерского учета, при котором каждое изменение состояния средств фиксируется на двух счетах, обеспечивая общий баланс [14, с. 214; 15, с. 60, 61]. С помощью организации избыточной обработки информации о токах, измеренных на концах защищаемых объектов, и сформированных в специальные матрицы, реализуется надежное функционирование дифференциальной защиты, исключая ее излишние действия при повреждениях трансформаторов тока или линий связи.
При обнаружении КЗ и отсутствии неисправности происходит отключение поврежденного участка. При обнаружении неисправности выдается сигнал о ее возникновении.
Материалы и методы
Рассмотрим принцип выполнения защиты на примере фрагмента сети 10 кВ, с РП 10 кВ и секционирующим пунктом (СП) 10 кВ. Однолинейная схема фрагмента с указанием мест установки ТТ, а также токов, протекающих в ветвях с предположительным направлением, показана на рисунке 2. Линия ЛЭП1 напряжением 10 кВ через РП питает несколько трансформаторных подстанций 10/0,4 кВ, которые подключаются к ответвлениям от линий ЛЭП2, ЛЭП3 через плавкие предохранители.
В соответствии с дифференциальным принципом реализуется защита линии ЛЭП1, шин 10 кВ РП, линий ЛЭП2, ЛЭП3 с отпайками и трансформаторами Т1-Т4. Для включения в зону защиты силовых трансформаторов необходимо в шкаф ввода РУ 0,4 кВ ТП 10/0,4 кВ установить ТТ 0,4 кВ, с номинальным классом точности 5Р или 10Р для преобразования первичных аналоговых сигналов в сигналы для интеграции в каналы связи, применяемые для последующей передачи в центральный блок дифференциальной релейной защиты.
Для схемы (рисунок 2) построим однонаправленный граф (рисунок 3) с вершинами и дугами
[16, с. 45; 17, с. 16, 17; 18, с. 578-581], где вершинами графа представляются электроустановки или их совокупность: шины, линии электропередачи, трансформаторы, а дугами - ветви ТТ, выключателей и разъединителей.
Дуги отображают факты коммутации и имеют вес, представляющий собой информацию о величине протекающего по ветви тока, полученного в результате измерений посредством трансформаторов тока.
Рисунок 2 - Схема фрагмента сети 10 кВ
Рисунок 3 - Однонаправленный граф для фрагмента сети 10 кВ
Зададимся матричным представлением графа [16, с. 7, 8; 18, с. 70-71; 19, с. 13-29; 20, с. 38-42]. Каждую вершину Vk (где k - номер вершины) графа будем представлять специальной матрицей MVk=\\mvkij | размером р*2, где р - число вершин графа. Количество строк матрицы соответствует числу вершин графа, а в столбцы вносится информация о дугах, смежных данной вершине, как направленных к ней, так и исходящих из нее. В первый (левый) столбец вносится информация о весах дуг, направленных к рассматриваемой вершине, а во второй (правый) - направленных от нее.
Элементы матрицы mvkij, составленной для вершины Vk, определяются следующим образом:
I , если вершины V и V смежные и дуга е , весомI ,
направлена от V к V для у = 1; I , есливершины V и V смежные и дуга е , весомI ,
направлена от V к V для у = 2; 0, есливершины V и V не смежные.
туку = <
Для схемы (рисунок 2) и соответствующего графа (рисунок 3) имеем следующие матрицы токов:
МУ1 =
МУ 4 =
МУ 7 =
0 0 ¡1 0 0 0
0 ¡1 0 0 12 0
0 0 0 12 0 0
0 0 0 0 13 0
0 0 0 0 0 14
МУ 2 = МУ 3 =
0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0
0 0 " " 0 0 " 0 0
0 0 0 0 0 0
0 13 14 0 0 0
0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 15 0
МУ 5 = МУ 6 =
0 0 0 15 0 0
0 0 0 16 0 0
0 0 0 17 0 0
0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0
0 0 " 0 0 " " 0 0
0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0
I, 0 17 0 0 0
6 МУ8 = МУ 9 =
0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 ¡8 0
0 0 0 18 0 0
0 0 0 ¡9 _ 0 0
" 0 0 "
0 0
0 0
0 0
0 0
МУ10 =
0 0
0 0
19 0
0 0
0 0
Применение двойной записи обеспечивает взаимосвязь между вершинами графа, что позволяет объединить их в единую целостную систему. Каждая дуга графа отражается с одинаковым весом в матрицах токов МУк дважды: как дуга, связанная с вершиной и направленная к ней для одной матрицы, и как дуга, связанная с вершиной и направленная от нее для другой матрицы. Возможность введения контрольных операций «метода двойной записи» заключается в том, что, записывая значение каждого веса дуги для разных матриц токов МУк дважды, можно осуществить проверку правильности данных о токах.
Для проверки правильности данных о токах
составим матрицы входящих С1и исходящих СО токов. Матрица входящих токов С/формируется путем последовательного заполнения столбцов матрицы размерностью рхр, где р - число вершин графа, из левых столбцов матриц токов МУк, а матрица исходящих токов СО такой же размерности — путем последовательного заполнения по столбцам матрицы размерностью рхр из правых столбцов матриц токов МУк:
у
С/ = ^ (МУк х Лк),
к=1 Р
СО (МУк х Вк),
(2)
(3)
к=1
где Ак - матрица размером 2хр, служащая для преобразования матрицы МУк в матрицу размером рхр, в которой элемент акц = 1 при г = к (где к - номер рассматриваемой вершины), а остальные элементы равны нулю; Вк - матрица размером 2хр, служащая для преобразования матрицы МУк в матрицу размером рхр, в которой элемент Ьк2,] =1 при ]=к , а остальные элементы равны нулю.
Например, для вершины У5: 0 0 0 0
МУ 5 х Л5 =
14 0
0 0
0 0
0 15
0 16
0 17
0 0
0 0
0000100000 0000000000
МУ 5 х В5 =
0000 0 00000 0000 0 00000 0000 /4 00000 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ¡4 0 00 00 0 ¡5 0 ¡6 0 /7 00 00
0000000000 0000100000
х
0 0 0 0
0 0 0 0
0 0 0 0
0 0 0 0
0 0 0 0
0 0 0 0 I.
0 0 0 0 I,
0 0 0 0 I.
0000 ^ 0 0 0 0 Для рассматриваемого матрицу входящих токов:
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00000 00000 7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
примера получаем
С1 :
0 I 0
'1 0 0 00 00 00 00 00 00 00 00
12
0 13 0 0 0 0 0 0
0 14 00
0 0 0 0 0 0 0 19 0 0
Матрица исходящих токов:
' 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 "
А 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 12 0 13 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 14 0 0 0 0 0 0 0
СО =
0 0 0 0 15 0 0 0 0 0
0 0 0 0 16 0 0 0 0 0
0 0 0 0 17 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 ь 0 0
0 0 0 0 0 0 0 19 0 0
Матрицу исходящих токов СО можно
получить путем транспонирования матрицы входящих токов. Тогда в основе проверки правильности данных о токах будет лежать соблюдение равенства: С1т-СО = 0, (4)
где 0 - нулевая матрица, размером рхр, в которой все элементы равны нулю.
Определение поврежденного элемента электрической сети может быть реализовано следующим образом.
Защитой производится сравнение токов по дифференциальному принципу для каждого отдельного участка сети. Участки представлены вершинами графа и описаны матрицами токов М¥к. В соответствии с дифференциальным принципом работы устройства релейной защиты при отсутствии повреждения (тока короткого замыкания), сумма токов, входящих и исходящих из узла, равна нулю. Сумма токов, неравная нулю, свидетельствует о наличии короткого замыкания. Данное утверждение справедливо для всех вершин графа со степенью >1 [17, с. 19, 20], представляющих шины, ЛЭП, транс-
форматоры. Применительно к рассматриваемой схеме, такими вершинами являются ¥2, ¥3, ¥5 и ¥8.
Уравнения суммы токов БМУк в узле Ук, выполняющие функциюпроверки наличия тока КЗ, имеют вид:
ЗМУк = С х МУк х В = 0, (5)
где С = [1111111111] - матрица-вектор размером 1хр, осуществляющая операцию
1
суммирования токов в различных узлах; В =
-1
матрица-вектор размером 2х1, осуществляющая операцию суммирования токов в узле. В развернутой форме выражение (5) имеет вид:
1
[1111111111] хМУкх
-1
= 0. (6)
Например, для вершины ¥5 графа сумма токов в узле составляет:
ЖУ5 = [1 111111111])
0 0
0 0
14 0
0 0
0 0
0 I.
0 !б
0 17
0 0
0 0
1 -1
= и - и - и -1
Условиями наличия КЗ в соответствующей зоне действия релейной защиты будут:
- линия ЛЭП1, соответствующая вершине графа ¥2:
£МУ2 = 1г -12 Ф 0;
- 1 секции шин 10 кВ РП, соответствующая вершине графа ¥3:
5МУ3 = 12 +13 -14 Ф 0;
- линия ЛЭП2 с отпаечными трансформаторами, соответствующие вершине графа ¥5:
£МУ5 = 14 -15 -16 -17 Ф 0 ;
- линия ЛЭП3 с отпаечными трансформаторами, соответствующие вершине графа ¥8:
ту 8=17 -18 -19 ф 0.
Для корректной работы ЦДЗ необходимо определить, вызвано ли срабатывание пускового органа защиты КЗ, либо имеет место неисправность оборудования в контуре измерений токов (трансформаторов тока) или системы коммуникаций (линии связи).
В качестве критерия проверки исправности ТТ или линий связи применяется следующее соображение. Поскольку каждая дуга графа отражается с одинаковым весом (значением тока) в матрицах вершин дважды — как дуга, связанная с вершиной и направленная к ней одной матрицы, и как дуга, связанная с вершиной и направленная от нее другой матрицы, то при неисправности сумма входящих и исходящих токов в двух матрицах нарушается, но суммарный
I
I
5
6
7
8
)
дифференциальный ток всей сети остается равным нулю. При наличии КЗ и сохранении суммы токов для всей сети равной нулю, определяется неисправность трансформаторов тока или линии связи.
Запишем данное утверждение в матричной форме для вершин, представляющих собой защищаемые элементы сети.
Составим матрицу-вектор S, размером п*1, где п - число вершин графа со степенью >1. Строки матрицы представляют собой сумму токов в узлах защищаемых элементов сети БМУк, полученные ранее, то есть SiJ = БМУк пристепени вершины Ук >1.
Применительно к рассматриваемой схеме:
S -
При неверных показаниях ТТ, вызванных неисправностью ТТ или линии связи, сумма токов
" SMV 2 " " Л -12
SMV 3 12 + I з -14
SMV 5 14 - 15 -16 - 17
SMV 8 _ 17 -18 -19
SMVk становится неравной нулю.
Для получения итогов матрицы SUM необходимо матрицу S умножить слева на единичный вектор-столбец Е - матрица-вектор размером 1 xn (где n - число вершин графа, степени >1) все элементы которого единицы, служащая для суммирования токов в различных узлах:
SUM = Е х S. (7)
Применительно к рассматриваемой схеме:
SUM - [1 1 1 1] X
Л -12
12 + Лз -14 14 - Is - 1б - 17 I - I - I
7 I8 I9
- I + I - I - I - I - I
-11 + 13 15 16 lg I9.
Признаки функционирования дифференциальной защиты при различных соотношениях токов и результатах выполнения матричных операций по выражениям (5) и (7) сведены в таблицу 1.
Результи] рующее значение матричной операции Признак функционирования дифференциальной защиты
SMV2 SMV3 SMV5 SMV8 SUM
0 0 0 0 0 Ток короткого замыкания отсутствует, ТТ исправны.
^0 0 0 0 КЗ на элементе, соответствующем вершине V2
0 ^0 0 0 КЗ на элементе, соответствующем вершине V3
0 0 ^0 0 КЗ на элементе, соответствующем вершине V5
0 0 0 ^0 КЗ на элементе, соответствующем вершине V8
0 0 0 Неисправен ТТ, общий для V2 и V3 (дуга е1(12))
0 0 0 Неисправен ТТ, общий для V3 и V5 (дуга е4(/4))
0 0 0 Неисправен ТТ, общий для V5 и V8 (дуга е!(1п))
0 0 0 0 Неисправен ТТ, общий для V2 и висячей вершины V1 (дуга е\(1х))
0 0 0 0 Неисправен ТТ, общий для V3 и висячей вершины V4 (дуга е3(1з)))
0 0 ^0 0 0 Неисправен ТТ, общий для V5 и одной из висячих вершин V6 или V7 (дуга е5(15) или е6(16))
0 0 0 ^0 0 Неисправен ТТ, общий для V8 и одной из висячих вершин V9 или V10 (дуга е8(18) или е9(19) )
Рисунок 4 - Блок-схема алгоритма защиты
Результаты
В зависимости от соотношения токов на участке электрической сети, а также результатов выполнения операций над матрицами токов можно реализовать надежное функционирование централизованной дифференциальной защиты распределительной сельской сети 6-35 кВ. При этом обеспечивается не только действие защиты при повреждениях на каждом участке, но и исключаются ее излишние действия при повреждениях трансформаторов тока или линий связи.
На основании вышеизложенного на рисунке 4 приведена блок-схема алгоритма работы защиты.
Обсуждение
Полученные результаты позволяют сделать вывод о перспективности внедрения в распределительных сельских сетях 6-35 кВ централизованной дифференциальной защиты с применением метода двойной записи. Рассмотренные принципы построения ЦДЗ позволяют:
- обеспечить надежное резервирование существующих защит сельских электрических сетей;
- увеличить чувствительность защит, в том числе при резервировании предохранителей, защищающих трансформаторы 6(10,35)/0,4 кВ;
- уменьшить вероятность отказов защит присоединений, вызванных неправильно заданными уставками защит;
- уменьшить затраты от недоотпуска электроэнергии и повреждения оборудования;
- обеспечить защиту шин 6-35 кВ подстанций, РП, входящих в зону защиты;
- повысить надежность электроснабжения за счет селективного отключения поврежденных участков электрической сети;
- снизить требования к электрооборудованию в части длительности воздействия токов КЗ;
- уменьшить количество секционирующих пунктов в связи с возможностью обеспечения необходимой чувствительности защит.
Для организации защиты сетей 6-35 кВ предлагается комбинированное решение - смешанные системы РЗ, где централизованная дифференциальная защита эксплуатируется параллельно с существующими устройствами.
На первом этапе предполагается выполнение ЦДЗ в качестве резервной защиты в связи с отсутствием возможности использования данной защиты как основной, согласно имеющимся нормативным документам [4; 5; 21; 22].
При дальнейшей эксплуатации и развитии нормативно-технической документации возможно применение ЦДЗ в качестве основной для отдельных участков сети с сохранением функции резервной защиты для остальных.
Для внедрения ЦДЗ необходимо решить следующие вопросы:
- разработка микропроцессорного устройства централизованной дифференциальной релейной защиты сети, либо модификация и доработка существующих терминалов микропроцессорной защиты, например, ООО НПП «ЭКРА»;
- разработка локальных устройств измерения протекающего тока с последующей его передачей в цифровом виде по каналам связи в ЦДЗ;
- выбор наиболее подходящего канала связи, применяемого в данных сетях с точки зрения надежности, экономичности и эксплуатационной пригодности;
- разработка типовых схем предлагаемой релейной защиты.
Заключение
Разработаны основные принципы и алгоритм работы централизованной дифференциальной защиты с применением метода двойной записи от междуфазных коротких замыканий для распределительных сельских сетей 6-35 кВ.
Реализация предлагаемого способа позволит повысить надежность и эффективность релейной защиты сетей 6-35 кВ.
Благодаря применению дифференциального принципа и метода двойной записи, ЦДЗ имеет высокую гибкость системы РЗ при изменении конфигурации рассматриваемой сети, а также систему проверки исправности трансформаторов тока и линий связи.
В связи с наличием контроля токов, централизованное устройство защиты в перспективе также может выполнять и другие функции, например, контроля токов с определением поврежденного фидера.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Справочникпо проектированию электрических сетей / Под ред. Д. Л. Файбисовича. 4-е изд., перераб. и доп. М. : ЭНАС. 2012. 376 с.
2. Андриевский Е. Н., Эксплуатация электроустановок в сельском хозяйстве. М. Энергоатомиз-дат. 1988. 143 с.
3. Будзко И. А., Лещинская Т. Б., Сукма-нов В. И. Электроснабжение сельского хозяйства. М. : Колос. 2000. 536 с.
4. Правила устройства электроустановок. 7-е изд. М. : Энергоатомиздат. 2007.
5. Нормы технологического проектирования подстанций переменного тока с высшим напряжением 35-750 кВ СТО 56947007- 29.240.10.028-2009. ОАО «ФСК ЕЭС. 2009. 96 с.
6. Шабад М. А. Расчёты релейной защиты и автоматики распределительных сетей: 4-е изд., испр. и доп. СПб. : ПЭИПК. 2003. 350 с.
7. Шабад М. А. Защита и автоматика электрических сетей агропромышленных комплексов. Л. : Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние. 1987. 120 с.
8. РВА/TEL. Вакуумный реклоузер TER_ REC15_AL1_L5, TER_REC15_AL1_R5, TER_ REC25 _ AL1_L5. Техническая информация.
9. SMART-35. Вакуумный реклоузер TER_ REC35_Smart1_Tie7. Техническая информация.
10. Воротницкий В. Г. Надежность распределительных электрических сетей 6 (10) кВ. Автоматизация с применением реклоузеров // Новости электротехники. 2002. № 5. С. 27-31.
11. Циглер Г. Цифровые устройства дифференциальной защиты, принципы и применение. М. : Энергоиздат. 2005. 273 с.
12. Gajic Z., Bmcic I., Einarsson T., Ludqvist B. Practical experience from multiterminal line differential protection installations // Relay Protection and Substation Automation of Modern Power Systems. Materials of International Conference. Cheboksary, 2007.
13. Tang J. Wide area differential protection system. A Dissertation Submitted to the Department of Mechanical Engineering in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy. FloridaStateUniversity. 2006. 178 p.
14. Большой бухгалтерский словарь / Под ред. А. Н. Азрилияна. М. : Институт новой экономики. 1999. 574 с.
15. Пошерстник Н. В. Бухгалтерский учет : Учебно-практическое пособие. СПб. : Питер. 2007. 416 с.
16. Чередникова А. В., Землякова И. В. Введение в теорию графов. Кострома. Изд-во Костром. гос. технолог. ун-та. 2011. 24 с.
17. Дистел Р. Теория графов. Пер. с англ. Новосибирск : Изд-во Ин-та математики. 2002. 336 с.
18. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. 9-е изд., перераб. и доп. М. : Высшая школа. 1996. 638 с.
19. Гантмахер Ф. Р. Теория матриц. 5-е изд. М. : ФИЗМАТЛИТ. 2004. 560 с.
20. Беллман Р. Введение в теорию матриц. М. : Мир, 1990, 368 с.
21. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей. М. : Изд-воНЦЭНАС. 2007. 304 с.
22. Зуденкова С. А., Карева А. В. Система мер повышения устойчивости регионального развития, используемых в Российской Федерации // Вестник Университета (Государственный университет управления). 2013. № 19. С. 63-67.
REFERENCES
1. Spravochnik po proektirovaniju jelektricheskih setej (Manual for the design of electrical networks), under edition Fajbisovich D. L., 4th edition, M, JeNAS, 2012, 376 p.
2. Andrievskij E. N. Jekspluatacija jelektrousta-novok v sel'skom hozjajstve (Exploitation of electrical equipment in agriculture), M, Jenergoatomizdat, 1988, 143 p.
3. Budzko I. A., Leshhinskaja T. B., Suk-manov V. I. Jelektrosnabzhenie sel'skogo hozjajstva (Electricity supply of agriculture), M, Kolos, 2000, 536 p.
4. Pravila ustrojstva jelektroustanovok (Regulations for Electrical Equipment), 7th edition, M, Jener-goatomizdat, 2007.
5. Normy tehnologicheskogo proektirovanija podstancij peremennogo toka s vysshim naprjazheniem 35-750 kV (Norms of technological designing of substations of alternating current with higher voltage 35-750 kV) STO 56947007. 29.240.10.028-2009. JSC FSK EJeS, 2009, 96 p.
6. Shabad M. A. Raschjoty relejnoj zashhity i avtomatiki raspredelitel'nyh setej (Calculations of relay protection and automation of distribution networks), 4th edition, SPb, PJelPK, 2003, 350 p.
7. Shabad M. A. Zashhita i avtomatika jelektricheskih setej agropromyshlennyh kompleksov (Protection and automation of electric networks of agro-industrial complexes), L, Jenergoatomizdat, Leningrad department, 1987, 120 p.
8. РВА/TEL. Vakuumnyj reklouzer (Vacuum re-closer) TER_REC 15_AL1_L5, TER_REC15_AL1_R5, TER_REC25_AL1_L5. Tehnicheskaja informacija (Technical information).
9. SMART-35. Vakuumnyj reklouzer (Vacuum recloser) TER_REC35_Smart1_Tie7. Tehnicheskaja informacija (Technical information).
10. Vorotnickij V. G. Nadezhnost' raspredelitel'nyh jelektricheskih setej 6 (10) kV. Avtomatizacija s primeneniem reklouzerov (Reliability of distribution
electric networks 6 (10) kV. Automation with the use of reclosers), Novosti jelektrotehniki, 2002, No. 5, pp.27-31.
11. Zeigler G. Cifrovye ustrojstva differencial'noj zashhity, principy i primenenie (Digital devices of differential protection, principles and application), M, Jenergoizdat, 2005, 273 p.
12. Gajic Z., Brncic I., Einarsson T., Ludq-vist B. Practical experience from multiterminal line differential protection installations. Relay Protection and Substation Automation of Modern Power Systems. Materials of International Conference, Cheboksary, 2007.
13. Tang J. Wide area differential protection system. A Dissertation Submitted to the Department of Mechanical Engineering in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy. Florida State University, 2006, 178 p.
14. Bol'shoj buhgalterskij slovar' (Big accounting dictionary), under edition Azrilijan A. N., M, Institut novoj jekonomiki, 1999, 574 p.
15. Posherstnik N. V. Buhgalterskij uchet: Uchebno-prakticheskoe posobie (Accounting: Educational and practical guide), SPb, Piter, 2007, 416 p.
16. Cherednikova A. V., Zemljakova I. V. Vvedenie v teoriju grafov (Introduction to graph theory), Kostroma, Publishing house of the Kostroma state technological University, 2011, 24 p.
17. Diestel R. Graph theory, Novosibirsk, Publishing house of Institute of mathematics, 2002, 336 pp.
18. Bessonov L. A. Teoreticheskie osnovy jelekt-rotehniki. Jelektricheskie cepi (Theoretical foundations o f electrical engineering. Electric circuit), 9th edition, M, Vysshaja shkola, 1996, 638 p.
19. Gantmaher F. R. Teorija matric (The theory of matrices), 9th edition, M, FIZMATLIT, 2004, 560 p.
20. Bellman R. Vvedenie v teoriju matric (Introduction to the theory of matrices), M, Mir, 1990, 368 p.
21. Pravila tehnicheskoj jekspluatacii jelektroustanovok potrebitelej (Regulations for technical operation of electrical consumers), M, Publishing house NC JeNAS, 2007, 304 p.
22. Zudenkova S. A., Kareva A. V. Sistema mer povyshenija ustojchivosti regional'nogo razvitija, ispol'zuemyh v Rossijskoj Federacii (System of the measures of increase in stability of regional growth used in the Russian Federation), Vestnik Universiteta (Gosudarstvennyj universitet upravlenija), 2013, No. 19, pp. 63-67.
Дата поступления статьи в редакцию 17.11.2016, принята к публикации 16.01.2017.
