CC BY
9
Кушнир В. Г. Kushnir V. G.
доктор технических наук, профессор, проректор, Костанайский государственный университет имени А. Байтурсынова,
г. Костанай, Республика Казахстан
Кошкин И. В. Koshkin I. V.
кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой электроэнергетики и физики, Костанайский государственный университет имени А. Байтурсынова,
г. Костанай, Республика Казахстан
Грязнова Е. Д. Gryaznova Ув. D.
магистрант, Костанайский государственный университет имени А. Байтурсынова,
г. Костанай, Республика Казахстан
УДК 621.311.001
DOI: 10.17122/1999-5458-2019-15-4-5-11
МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ СЕТИ С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ ПЕРЕХОДНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ НА ТОЧНОСТЬ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ В СЕТЯХ НАПРЯЖЕНИЕМ 6-35 КВ
Существенную часть в инфраструктуре передачи и распределения электрической энергии занимают электрические сети, класс напряжения которых 6-35 кВ. При их эксплуатации зачастую происходят аварийные перебои в энергообеспечении, в результате чего необходимо проведение профилактических и ремонтных работ. Основным типом аварийной ситуации в сетях рассматриваемого класса напряжения являются однофазные замыкания на землю, составляющие примерно 70-80 % от всего количества происходящих повреждений. Однако точность отыскания места повреждения при однофазном замыкании на землю в настоящее время находится не на высоком уровне. Это связано с тем, что в Республике Казахстан нейтраль трансформаторов в распределительных сетях напряжением 6-35 кВ заземляется с применением дугогасящего реактора или вовсе изолирована.
Несмотря на возможность работы сети в режиме повреждения на землю данный ненормальный режим представляет опасность по следующим причинам: возможность появления перенапряжения, приводящего к пробою изоляции неповрежденных фаз и переходу однофазного замыкания на землю в многоместное повреждение; существует опасность поражения людей и животных электрическим током; происходит старение изоляции и повреждение электрооборудования при длительном однофазном замыкании на землю в сети.
От точности отыскания места повреждения однофазного замыкания на землю зависит уровень недоотпуска электроэнергии потребителям, значит, и материальные потери энерго-передающих организаций. Для повышения точности определения места повреждения необходимо учитывать воздействие переходных процессов на величину тока замыкания на землю. Внушительное воздействие на величину тока однофазного замыкания на землю оказывает уровень переходного сопротивления, возникающего на месте аварии.
В данной статье проведено исследование влияния величины переходного сопротивления на расстояние до места повреждения посредством моделирования реально существующей сети.
Electrical facilmes and systems
Ключевые слова: воздушная линия электропередачи, определение места повреждения, точность, однофазное замыкание на землю, переходное сопротивление, емкостный ток.
MODELING OF ELECTRIC NETWORK MODES TAKING
INTO ACCOUNT THE INFLUENCE OF TRANSIENT RESISTANCE ON THE ACCURACY OF DETERMINING THE FAULT LOCATION IN 6-35 KV NETWORKS
A significant part of the electric energy transmission and distribution infrastructure is occupied by electric networks with a voltage of 6-35 kV, during the operation of which emergency power outages often occur, as a result of which preventive and repair work is necessary. The main type of damage in the networks of this voltage class are single-phase earth faults, accounting for approximately 70-80 % of the damage total number. However, the accuracy of determining the damage place during a single-phase earth fault is currently not at a high level. This is due to the fact that in the Republic of Kazakhstan the transformers neutral, in distribution networks with a voltage of 6-35 kV, is grounded using an arcing reactor or completely isolated.
Despite the possibility of the network operating in single-phase earth fault mode, this abnormal mode is dangerous for reasons: the possibility of overvoltage, which can lead to a breakdown of the intact phases insulation and the transition of a single-phase earth fault to a multi-position short circuit; there is a electric shock danger to people and animals; aging of the insulation and damage to electrical equipment occurs during long-term single-phase earth fault in the network.
The level of electricity undersupply to consumers, and hence the material losses of energy-transmitting organizations, depends on the accuracy of determining the location of a single-phase earth fault. To improve the accuracy of determining the location of damage, it is necessary to take into account the effect of transients on the value of the earth fault current. A significant influence on the magnitude of the current of a single-phase earth fault is exerted by the magnitude of the transition resistance at the fault location.
In this article, we study the influence of the magnitude of the transition resistance on the distance to the damage site, by modeling a real existing network.
Key words: оverhead power line, determination of the location of damage, accuracy, singlephase earth fault, transient resistance, capacitive current.
Введение
В большинстве случаев при однофазном замыкании на землю (ОЗЗ) в сетях напряжением 6-35 кВ присутствует переходное сопротивление в месте повреждения [1, 2]. Переходное сопротивление — это параметр, возникающий в момент перехода тока с одной поверхности на другую. Значительную роль рассматриваемое сопротивление оказывает исключительно на воздушные линии электропередачи. При ОЗЗ переходное сопротивление, в основном, имеет активный характер, воздействуя на переходные величины данного режима [3].
Переходное сопротивление при обрыве провода на землю воздействует непосредственно на величину тока однофазного замыкания посредством предмета, с которым провод соприкасается (снег, лед, опавшие ветки, листья, деревья). Погодные условия, величина удельного сопротивления грунта,
материал предмета, с которым соприкасается упавший провод, — все эти составляющие воздействуют на величину рассматриваемого сопротивления [4]. Экспериментальным путем было определено, что при обрыве провода в летний период на невлажный грунт переходное сопротивление в месте аварии принимает значения в диапазоне от 5 до 7 кОм. В зимний период переходное сопротивление в случае обрыва провода на обледенелую или заснеженную поверхность увеличивается примерно в 2 раза. Таким образом, становится очевидным, что величина рассматриваемого сопротивления способна оказать внушительную погрешность в точность определения места повреждения (ОМП) [5].
Целью проведения исследования характера воздействия переходного сопротивления на величину тока ОЗЗ является определение вида переходного процесса в энергосистеме, а также собственной частоты и времени зату-
хания, которые необходимы для распознавания места повреждения линии электропередачи.
Для моделирования и создания различных режимов сети в настоящее время широко применяются современные программные средства. Благодаря рассматриваемым программным комплексам можно варьировать режимы работы сети в реальном времени, записывать преобразования электрических величин, анализировать воздействие на выходную величину всевозможных физических процессов [6].
Формирование модели электрической сети включает в себя следующие этапы.
1. Формирование главной схемы рассматриваемой сети посредством определения следующих параметров: количество и величина мощности потребителей, включая места их подключения к сети; значения длин линий электропередачи; величину сечений проводов; режимы нейтралей сети.
2. Составление схемы замещения исследуемой сети, используя главную схему.
3. Нахождение необходимых параметров линий электропередачи, потребителей, а также источника энергоснабжения по техническим справочникам и каталогам.
4. Перенос схемы замещения в программу для моделирования сети с найденными параметрами.
Для анализа параметров электрических величин в номинальном и аварийном режимах применяется сформированная в программной среде модель энергосистемы. В таком случае становится возможным схематично представить переходные процессы в энергосистеме, проанализировать характер изменения токов, частоты, а также напряжений. Для исследования характера воздействия переходного сопротивления на размер тока ОЗЗ был выбран программный комплекс
Таблица 1. Параметры линий электропередачи 10 кВ
«Автоматизированное рабочее место службы релейной защиты и автоматики» (АРМ СРЗА). АРМ СРЗА — это современное программное обеспечение, созданное специально для расчетов величины токов и напряжений в случае аварийных режимов в энергосистеме, различных режимов работы энергосистемы, уставок устройств релейной защиты.
Программа АРМ СРЗА включает в себя такие приложения, как графический корректор, используемый для схем замещения моделируемой энергосистемы; программа формирования документа коррекции; программа определения параметров различных величин в случае ненормальной работы энергосистемы; программа вычисления токов, а также напряжений короткого замыкания; программа для определения эквивалентов энергосистемы; программа для отыскания места повреждения; программа формирования новейшей сети, используя эквиваленты. Моделирование электрической сети с учетом влияния переходного сопротивления на точность ОМП Модель исследуемой энергосистемы формировалась в приложении «Графический корректор» комплекса АРМ СРЗА.
Формировать математическую модель исследуемой сети в рассматриваемом корректоре возможно посредством двух способов:
— вычерчивая сеть сразу на экране персонального компьютера;
— устанавливая параметры электрической сети, применяя записи в таблице.
В качестве исследуемой сети были выбраны линии 10 кВ подстанции «220/110/10 Центральная». Параметры моделируемых линий электропередачи сведены в таблицу 1.
Наименование линии Марка провода (кабеля) Длина, км Емкостное сопротивление хс Ом Емкостный ток 1с А
EnergyGas АС-95/16 4,1 210892,13 0,0517
Диевская АС-95/16 2,72 308128,49 0,0415
Космис АС-120 3,5 184877,06 0,0529
РП-2-2 АС-120 2,8 231096,32 0,0472
повреждениях сети», значения переходных сопротивлений Rп, подставляются в диалоговом окне данного приложения. Величины переходных сопротивлений устанавливаются от 1 до 400 Ом, применяя шаг 50 Ом. На рисунках 2-4 показаны графики тока замыкания на землю фазы А.
М-220 ПЕНГРАЛЬНХЯ-КОСТАНМСКАЯ
Рисунок 1. Схема замещения исследуемой сети
На рисунке 1 представлена схема замещения сети 10 кВ подстанции электрическая (ПС) «Центральная», смоделированная в программном комплексе АРМ СРЗА.
Режим ОЗЗ фазы «А» в сети с изолированной нейтралью моделируется в приложении «Определение электрических величин при
с
Время _^
Рисунок 2. Ток ОЗЗ, начальная стадия переходного процесса
С
Время _
Рисунок 3. Ток ОЗЗ при Rп= 1 Ом
с
Вреш _
Рисунок 4. Ток ОЗЗ при RII=400 Ом
Исходя из проведенного моделирования однофазного замыкания на землю с добавлением переходного сопротивления, можно сделать следующий вывод:
— по причине повышения значения переходного сопротивления в месте однофазного замыкания на землю снижается амплитуда первого броска тока повреждения;
— уменьшается частота разрядного тока по причине увеличения активного сопротивления контура замыкания, при незначительном увеличении времени затухания;
— при снижении времени затухания переходного процесса частота тока подза-ряда увеличивается.
Результаты исследований при Rп > 1000 Ом для ПС «Центральная» не приведены, причи-
ной тому является то, что значение тока однофазного замыкания на землю при данной величине переходного сопротивления имеет апериодический, быстро затухающий характер, длительностью менее 1 мкс.
На основании проведенного исследования составлен график зависимости величины тока ОЗЗ от значения переходного сопротивления (рисунок 5).
0,06 0,05 < 0<04
ni
о 0,03
X ß
0,02 0,01
оооооооооооооооооооо
1л01л01л0и-)01л01л01л01л01л01л0
^»нгчгмгот^-з-ьличююг^г^ооооспспо
Переходное сопротивление, Ом
Рисунок 5. График зависимости тока ОЗЗ от величины переходного
сопротивления
Исходя из данного графика можно сделать вывод, что ток однофазного замыкания на землю при больших значениях переходных сопротивлений имеет незначительную величину. Таким образом, погрешность ОМП, в случае игнорирования Rп может иметь значительные последствия.
Выводы
В результате исследования посредством моделирования режима однофазного замыкания на землю с добавлением величины переходного сопротивления схематически видно,
какое значительное воздействие переходное сопротивление способно оказывать на значение тока однофазного замыкания на землю.
Применяя разработанную модель энергосистемы 10 кВ и программные обеспечения, можно осуществлять фиксирование возникновения замыкания на землю с переходным сопротивлением. Результаты исследования можно использовать для повышения точности, чувствительности, а также избирательности алгоритмов ОМП распределительных сетей напряжением 6-35 кВ.
Список литературы
1. Шалыт Г.М. Определение мест повреждения в электрических сетях. М.: Энергоатомиздат, 1982. 312 с.
2. Цапенко Е.Ф. Замыкание на землю в сетях 6-35 кВ. М.: Энергоатомиздат, 1986. 128 с.
3. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. М.: Высш. шк., 1996. 638 с.
4. Айзенфельд А.И. Эффективность техники определения мест повреждения воздушных линий // Электрические станции. 1989. № 9. С. 77-79.
5. Кузнецов А.П. Определение мест повреждения на воздушных линиях электропередачи. М.: Энергоатомиздат, 1989. 92 с.
6. Koshkin I., Kushnir V., Benyukh O. Simulation of 6 (10) kV Electrical Networks for Fault Location // International Conference on
Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, ICIEAM 2017, Room of category CFP17F42-ART; code131476.
References
1. Shalyt G.M. Opredelenie mest povrezhdeniya v elektricheskikh setyakh [Determination of Places of Damage in Electric Networks]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1982. 312 p.
2. Tsapenko E.F. Zamykanie na zemlyu v setyakh 6-35 kV [Earth Fault in the 6-35 kV Network]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1986. 128 p.
3. Bessonov L.A. Teoreticheskie osnovy elektrotekhniki [Theoretical Foundations of Electrical Engineering]. Moscow, Vyssh. shk. Publ., 1996. 638 p.
4. Aizenfel'd A.I. Effektivnost' tekhniki opredeleniya mest povrezhdeniya vozdushnykh linii [The Effectiveness of the Technique for Determining the Location of Damage to Overhead Lines]. Elektricheskie stantsii -Electric stations, 1989, No. 9, pp. 77-79.
5. Kuznetsov A.P. Opredelenie mest povrezhdeniya na vozdushnykh liniyakh elektroperedachi [Determination of Places of Damage on Overhead Power Lines]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1989. 92 p.
6. Koshkin I., Kushnir V., Benyukh O. Simulation of 6 (10) kV Electrical Networks for Fault Location. International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, ICIEAM 2017, Room of category CFP17F42-ART; code131476. 2017.
