CC BY
1
The article is devoted to identifying the reasons for the discrepancy between the actual power consumption and the specific load, leading to a violation of the operating parameters of the electrical distribution network. Based on data on average monthly electricity consumption, averaging per apartment for 2020-2023, studies were carried out on the correspondence of actual loads with standardized specific loads. The results of the study show a significant discrepancy between these two. To increase the accuracy of forecasting the expected load, it is proposed to proceed from power consumption, rather than current specific loads.
Key words: specific load, power consumption, electrical distribution networks.
Tavarov Saidjon Shiralievich, candidate of technical sciences, docent, tabarovsaid@mail. ru, Russia, Chelyabinsk, South Ural State University (National Research University),
Sidorov Alexander Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, head of the department, si-dorovai@susu. ru, Russia, Chelyabinsk, South Ural State University (National Research University),
Svyatov Andrey Borisovich, candidate of technical sciences, first deputy general director, svyatykh@,mail. ru, Russia, Chelyabinsk, LLC «Uralenergosbyt»
УДК 621.311
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-7-535-536
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОВРЕМЕННЫХ РЕЛЕЙНЫХ ЗАЩИТ НА КРУПНЫХ ПОДСТАНЦИЯХ
В.И. Бирюлин, И.В. Ворначева, Д.В. Куделина
На современных энергетических объектах происходит широкое внедрение современных микропроцессорных терминалов. Авторами статьи проведено исследование работы релейной защиты на крупной подстанции с подключенными к ней кабельными линиями напряжением 20 кВ. Выполнена проверка возможности блокировки логической защиты секций шин при значительных емкостных токах этих кабельных линий, что может привести к ложным отключениям защит. Наиболее важным результатом является обоснование возможности применения значений токов обратной последовательности для блокирования возможного срабатывания логической защиты шин при отсутствии повреждения секции шин, не имеющей повреждения.
Ключевые слова: подстанция, секция шин, выключатель, кабельная линия, релейная защита, блокировка
защит.
Бурное развитие крупных городов и мегаполисов неизбежно сопровождается увеличением их роли в экономических и социально-политических системах многих стран в современном мире. Такие процессы объясняются все большей концентрацией экономических и финансовых ресурсов в них, а также значительным политическим влиянием на общественную жизнь той или иной страны.
Постоянные рост потребления электроэнергии и увеличение электрических нагрузок требуют постоянного развития крупных городских электроэнергетических комплексов [1-3]. Поэтому в настоящее время происходит увеличение мощности энергетического оборудования, в том числе и пропускной способности линий электропередач для обеспечения возрастающего спроса на электроэнергию [4]. Простое увеличение пропускной способности электрических сетей за счет ввода новых линий в дополнение к уже имеющимся не всегда может быт реализовано, в первую очередь, из-за большой стоимости земли в городских условиях, что делает прокладку новых линий практически невозможной. Также нужно учитывать тот факт, что в районах нового строительства следует сооружать электрические сети, позволяющие передавать значительно большие мощности, чем ранее созданные электрические сети
[4].
Для повышения пропускной способности распределительных кабельных сетей, особенно в условиях возрастания длины такой сети, отходящей от одного источника питания по сравнению с уже существующими электрическими сетями необходимо использовать переход от применяемых ранее в городских сетях напряжений 6 или 10 кВ к более высокому значению напряжения, равному 20 кВ. Применение такого повышенного напряжения в распределительных сетях рассматривалось во многих научных публикациях [5-10].
Внедрение перечисленных мероприятий приводит к значительным изменениям в схемные решения и режимы работы городских электрических сетей [10-12]. В последнее время развитие городской кабельной сети 20 кВ достигло таких объемов, что суммарные емкостные токи этих сетей приблизились к значению тока резистора, определяемого условием селективного отключения защит отходящих кабельных линий при возникновении повреждения [13, 14].
Рассмотрим условия работы релейной защиты на мощной подстанции, питающей разветвленную кабельную сеть напряжением 20 кВ - рис. 1 (показана только часть этой подстанции с одним трансформатором и двумя секциями шин).
Для обеспечения быстрого отключения повреждений, возникающих на секциях шин, применяется логическая защита шин (ЛЗШ), обеспечивающая отключение вводных выключателей напряжением 20 кВ. В эксплуатации фиксировались случаи ложной работы данной защиты секций шин 20 кВ при замыканиях на землю [15]. Действием защиты отключалась неповрежденная секция, что снижало надежность электроснабжения потребителей. Секции шин защищаются ЛЗШ. При рассмотрении условий селективной работы данной защиты в случае возникновения однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) на какой-либо отходящей кабельной линии необходимо учитывать возможность протекания больших емкостных токов подпитки от соседней секции шин, которые могут привести к ложному срабатыванию ЛЗШ.
Система 220 кВ
Работа ЛЗШ основана на ускорении максимальной токовой защиты (МТЗ) вводного выключателя при отсутствии пуска МТЗ любого из присоединений, отходящих от шин, в том числе МТЗ секционного выключателя. В этом случае отсутствие пуска МТЗ любого из присоединений, отходящих от шин, является признаком наличия ОЗЗ на секции шин. Пуск МТЗ любого присоединения является признаком повреждения, возникшего вне зоны действия ЛЗШ, и работа ЛЗШ должна в этом случае блокироваться сигналом от МТЗ.
В такой схеме (питание двух секций шин от одного трансформатора - рис. 2) при возникновении ОЗЗ на кабельной линии, отходящей от 4-й секции шин через выключатель ввода ВВ4 этой секции шин, протекает ток 1зам, представляющий собой сумму двух токов.
Первый ток создается питанием возникшего повреждения от энергосистемы. Второй ток является емкостным током подпитки от всех кабельных линий 2-й секции шин. Если эти токи превышают по своей величине уставку срабатывания ЛЗШ, то произойдет запуск этой защиты, имеющей время срабатывания Ър = 0,4 с, что меньше, чем время работы защиты отходящих кабельных линий tq> = 0,9 с [15].
Но работа ЛЗШ 4-й секции шин будет заблокирована сигналом от МТЗ присоединения этой секции (ОЗЗ на линии, отходящей от этой секции), а действие ЛЗШ 2-й секции сигналами МТЗ присоединений данной секции не блокируется. В этой ситуации происходит ложное отключение выключателя второй секции шин от ЛЗШ2 при повреждении на присоединении 4-й секции шин, поскольку блокирующий сигнал от присоединений 4-й секции шин блокирует ЛЗШ вводного выключателя только этой секции шин.
Для исключения возможности ложного срабатывания ЛЗШ рассмотрим возможности использования контроля токов нулевой последовательности, протекающих по вводным присоединениям секций шин (выключатели ввода вместе со своими трансформаторами тока) и токов отдельных последовательностей при возникновении повреждений на 1-й и 3-й секциях шин, а также на 2-й и 4-й секциях шин.
Значения этих токов были получены при моделировании рассматриваемых режимов возникновения ОЗЗ на компьютерной модели, разработанной в программном комплексе PSCAD (Power Systems Computer Aided Design), мощном и гибком графическом пользовательском интерфейсе для всемирно известного программного продукта EMTDC, предназначенного для моделирования электромагнитных переходных процессов в электроэнергетических системах и системах электроснабжения потребителей. Данный программный комплекс предоставляет пользователю возможности осуществлять схематическое построение исследуемых систем, выполнять моделирование, анализировать полученные результаты и управлять выходными данными моделирования в полностью интегрированной графической оболочке.
В табл. 1 приведены значения токов нулевой последовательности и фаз этих токов на вводах секций шин при ОЗЗ на линии, отходящей от 1 -й секции шин. В табл. 2 приведены значения токов нулевой последовательности и фаз этих токов на вводах секций шин при ОЗЗ на линии, отходящей от 3-й секции шин.
Таблица 1
Значения токов нулевой последовательности и фаз этих токов на вводах секций шин при ОЗЗ на линии, _отходящей от 1-й секции шин_
Расстояние от начала линии, км Ввод 1-й секции Ввод 3-й секции
Ток, А Фаза, град Ток, А Фаза, град
0,25 358,8 19,1 176,3 -99,8
5,00 334,6 10,2 164,4 -108,6
11,00 322,9 9,2 158,8 -109,6
Таблица 2
Значения токов нулевой последовательности и фаз этих токов на вводах секций шин при ОЗЗ на линии, __отходящей от 3-й секции шин_
Расстояние от начала линии, км Ввод 1-й секции Ввод 3-й секции
Ток, А Фаза, град Ток, А Фаза, град
0,25 125,2 -99,6 336,5 11,4
5,00 116,2 -110,0 312,5 0,9
11,00 110,9 -115,6 298,3 -4,6
Приведем далее векторные диаграммы, построенные по полученным результатам из первой и второй таблиц для расстояний 0,25 и 11 км от начала линий - рис.3-рис.6.
/о1сш=358,8 А
1озаи=176.3 А
Рис. 3. Векторная диаграмма при ОЗЗ на линии, отходящей от 1-й секции шин, расстояние 0,25 км
/о1с.ш=326,5 А
/оз с.ш.=160,5А
Рис.4. Векторная диаграмма при ОЗЗ на линии, отходящей от 1-й секции шин, расстояние 11 км
/оз сш=336,5 А
О'
/о? сш.=125.2А
Рис. 5. Векторная диаграмма при ОЗЗ на линии, отходящей от 3-й секции шин, расстояние 0,25 км
1о1с.ш.=110,9А
Рис. 6. Векторная диаграмма при ОЗЗ на линии, отходящей от 3-й секции шин, расстояние 11 км
На рис.3-рис.6: loi - ток нулевой последовательности, протекающий по вводу первой секции шин, /03 -ток нулевой последовательности, протекающий по вводу третьей секции шин.
По приведенным выше результатам хорошо видно, что использование значений фаз токов нулевой последовательности позволяет определять место возникновения однофазного короткого замыкания (ОКЗ) - если фаза имеет большое значение, то это означает, что ОКЗ произошло на другой секции шин или на линии, отходящей от этой секции шин. Данный фактор может применяться для выработки сигнала блокировки действия логической защиты шин, что также показано в [16].
Авторами статьи рассмотрена возможность обеспечения селективного действия релейной защиты через соотношения между токами отдельных последовательностей, протекающими через ввод секции шин, работающей в нормальном режиме, к аварийной секции шин. Рассмотрим режим возникновения ОЗЗ по схеме, приведенной на рис.2.
Для двух точек ОЗЗ на линии, отходящей от 4-й секции шин, были найдены значения токов фаз и токов отдельных последовательностей вводов 2-й и 4-й секций шин. Результаты приведены в табл.3 и табл.4.
Таблица 3
Токи ввода 4-й секции шин при ОЗЗ на 2-й секции шин_
Расстояние от начала линии, км Токи последовательностей, А
Прямая Обратная Нулевая
0,1 815,5 693,6 552,6
4,2 802,1 692,9 552,1
Таблица 4
Токи ввода 2-й секции шин при ОЗЗ на 4-й секции шин_
Расстояние от начала линии, км Токи последовательностей, А
Прямая Обратная Нулевая
0,1 389,0 13,3 419,2
4,2 387,6 13,3 416,9
Как видно из данных, приведенных в табл.3 и табл.4, ток обратной последовательности, протекающий через ввод 2-й секции шин при возникновении ОЗЗ на 4-й секции шин, значительно меньше по своей величине по сравнению с токами прямой и нулевой последовательности, что может также использоваться для блокировки срабатывания логической защиты шин.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства высшего образования и науки Российской Федерации (Государственное задание «Исследование алгоритмов, моделей и методов повышения эффективности функционирования сложных технических систем», проект № 0851-2020-0032).
Список литературы
1. Бушуев В. В., Ливинский П. А., Шилин В. А. Актуализация энергетической стратегии Москвы на период до 2030 года // Энергетическая политика. 2015. №6. С.16-27.
2. Бирюков П. П. Энергетическая стратегия Москвы // Топливно-энергетический комплекс России: Федеральный справочник. Т. 14. М., 2014. С. 89-96.
3. Об энергетической стратегии города Москвы на период до 2025 года: постановление Правительства Москвы № 1075-ПП от 2 декабря 2008 г.
4. Маслов А. Н. Проблемы и особенности построения распределительных сетей крупных городов и мегаполисов // Тр. XII Всемирного электротехнического конгресса, 2011. URL: http://wetc.ru/ (дата обращения: 13.05.2024).
5. Сангишев С. С. Сопоставление распределительных сетей 10/0,4 кВ и 20/0,4 кВ // Наука, техника и образование. 2017. №5 (35). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/sopostavlenie-raspredelitelnyh-setey-10-0-4-kv-i-20-0-4-kv (дата обращения: 09.04.2024).
6. Буре И. Г., Гусев A. B. Повышение напряжения до 20-25 кВ и качество электроэнергии в распределительных сетях // ЭЛЕКТРО. 2005. №5. С. 30-32.
7. Черепанов В. В., Суворова И. А. Исследование технико-экономической целесообразности применения напряжения 20 кВ в городских электрических сетях // Энергобезопасность и энергосбережение. 2012. № 5. С. 12-14.
8. Лоскутов А. Б., Соснина Е. Н., Лоскутов А. А. Новый подход к построению электрических распределительных сетей России // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2011. № 3. С. 147-151.
9. Кузьмина И. А. Оценка целесообразности перехода городских распределительных электросетей к уровню напряжения 20 кВ // Машиностроение и компьютерные технологии. 2017. №12. С. 57-65.
10. Майоров A. B. Опыт эксплуатации и характеристики надежности электрических сетей 20 кВ мегаполиса // Электроэнергия. Передача и распределение. 2016. №4. С. 70-73.
11. Евминов Л. И., Алфёрова Т. В. Применение резистивного заземления нейтрали в электрических сетях 6-35 кВ // Вестник Гомельского государственного технического университета им. П.О. Сухого. 2022. №2 (89). С. 5367.
12. Михеев Г. М., Зиганшин А. Г. Возможность влияния современных технологий на режим нейтрали электрических сетей // Вестник Чувашского университета. 2021. №3. С. 103-112. doi: 10.47026/1810-1909-2021-3103-112.
13. Майоров A. B. Применение защит с абсолютной селективностью и развитие автоматики в электрических сетях напряжением 20 кВ мегаполиса// Электроэнергия. Передача и распределение. 2018. №6. С. 32-37.
14. Андреев А. А. Анализ существующих разновидностей защит от однофазных замыканий на землю и условия их применения // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Технические науки. 2021. №4 (72). С. 56-70.
15. Гущина Я. С., Карпова М. Ю., Смотров Н. Н. Рекомендации по применению резистивного заземления нейтрали на ПС 20 кВ с учетом гальванической развязки // Столыпинский вестник. 2022. №3. С. 1708-1713.
16. Григорьев Д. А., Гусев Ю. П., Колесникова К. В., Смотров Н. Н., Чо Г. Ч. Анализ причин ложной работы логических защит шин в сетях 20 кВ при росте емкостных токов // Релейная защита и автоматизация. 2021. -№3 (44). С. 8-15.
Бирюлин Владимир Иванович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,
Ворначева Ирина Валерьевна, канд. техн. наук, доцент, vornairina2008@vandex. ru, Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,
Куделина Дарья Васильевна, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет
MODERN RELAY PROTECTION USE AT LARGE SUBSTATIONS V.I. Biryulin, I.V. Vornacheva, D. V. Kudelina
Modern microprocessor terminals are widely introduced at modern energy facilities. The authors of the article conducted a relay protection operation investigation at a large substation with 20 kV cable lines connected to it. The possibility of blocking the buses logical protection with significant capacitive currents of these cable lines was checked, that can lead to false protection tripping. The most important result is the substantiation of negative sequence current values using possibility to block the possible logical buses protection operation in the damage absence to the buses section which does not have damage.
Key words: substation, bus section, circuit breaker, cable line, relay protection, protection interlocking.
Biryulin Vladimir Ivanovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Kursk, Southwest State University,
Vornacheva Irina Valerievna, candidate of technical sciences, docent, vornairina2008@yandex. ru, Russia, Kursk, Southwest State University,
Kudelina Daria Vasilievna, candidate of technical sciences, docent, mary_joy@mail. ru, Russia, Kursk, Southwest State University
УДК 621.314.263
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-7-539-540
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ВЗАИМОСВЯЗАННЫМИ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ КАРТОНОДЕЛАТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ К3-М
А.Н. Грачев, А.В. Саушев, В.Ф. Самосейко, Н.С. Шичкин
Выполнен анализ проблем и перспектив совершенствования систем автоматического управления взаимосвязанными электроприводами картоноделательной машины К3-М. Проанализированы ошибки, выявленные при эксплуатации этих систем, и причины их возникновения. Даны рекомендации по повышению эффективности регулирования взаимосвязанными электроприводами картоноделательной машины. Проанализированы проблемы и перспективы совершенствования их систем автоматического управления. Показано, что для повышения эффективности работы взаимосвязанных электроприводов картоноделательной машины возможны следующие пути: повышение качества обработки информации; решение технических задач и внедрение инноваций в области датчиков информации, алгоритмов, моделирования и архитектуры управления.
Ключевые слова: взаимосвязанный электропривод, система автоматического управления, картонодела-тельная машина, технологический процесс.
Введение. Современные системы автоматического управления (САУ) взаимосвязанными электроприводами представляют собой сложные динамические системы. Имеющие место в процессе работы этих электроприводов помехи от разнообразных источников являются серьезной проблемой при синтезе их САУ. Это обстоятельство связано с вопросами определения и оптимизации показателей функционирования технологического процесса [1]. Например, возможные отказы и ошибки электроприводов могут возникать при получении ошибочных или отсутствующих данных. Эти данные получают от информационных датчиков, которые контролируют такие важные параметры, как температура, давление, концентрация, вакуум и скорость. Это может привести, например, к нарушению обратной связи в системе управления электроприводом. Электромагнитные помехи также могут искажать управляющие сигналы и приводить к нештатным ситуациям, особенно в электроприводах с длинными валами и упругими связями [2]. Проблемы с задержками управляющих команд, могут нарушить требуемое время и синхронизацию приводных электродвигателей, которые имеют решающее значение для скоординированной работы взаимосвязанных приводов. Неточное моделирование алгоритмов управления, которые недостаточно полно отражают динамику приводов, может привести к нестабильности, колебаниям и другим проблемам в их работе. Постепенное снижение эксплуатационных характеристик исполнительных механизмов, приводов и аппаратуры управления, со временем может незначительно изменить поведение системы, что может привести к прогрессирующим ошибкам [3]. Кроме того, внешние возмущения, такие как вибрация, температура, удары, или колебания мощности, могут вызвать неконтролируемые реакции в системе управления. Эти проблемы могут привести как к незначительному снижению производительности электропривода, так и к полной потери контроля его состояния. Для повышения надежности электропривода и возможностей его САУ важно иметь целостное представление об источниках возможных ошибок.
Существенный вклад в разработку, изучение и совершенствование взаимосвязанных электроприводов картоноделательных машин внесли следующие российские ученые: Барышников В.Д., Куликов С.Н., Шестаков В.М. [4]. В связи с внедрением на картоноделательных производствах зарубежного оборудования и с введенными санкци-онными ограничениями, разработки, направленные на совершенствование САУ взаимосвязанным электроприводом и САУ технологическим процессом стремительно развиваются. Большое внимание уделяется разработке и совершенствованию электротехнических систем на основе автоматизированного электропривода и систем автоматического управления технологическим процессом.
