CC BY
40
7. Соколова Е.М. Электрическое и электромагнитное оборудование. Общепромышленные механизмы и бытовая техника. М.: Академия, 2006. 224 с.
Котеленко Светлана Владимировна, канд. техн. наук, доцент, S.V.Kuzmina@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
MODERNIZATION OF LONG-TERM RELAY PROTECTION AND AUTOMATION SYSTEMS OF
POWER SYSTEMS
S.V. Kotelenko
The issues related to the consideration of automation systems of power systems, as well as the features of their work, are considered.
Key words: short circuit, relay protection and automation.
Kotelenko Svetlana Vladimirovna, candidate of technical sciences, docent, S.V.Kuzmina@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.3
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-12-87-94
ОДНОФАЗНЫЕ КОРОТКИЕ ЗАМЫКАНИЯ И СПОСОБЫ ИХ ОБНАРУЖЕНИЯ
В.И. Зацепина, А.Н. Кустов
Представлено сравнение методов обнаружения коротких замыканий и предложен новый способ автономного автоматического обнаружения места повреждения на воздушных линиях. Данный метод основан на анализе высшей гармоники, возникающей при однофазных коротких замыканиях на землю. Токи нулевой последовательности всех линий сети содержат высшие гармоники, причем наибольший уровень высших гармонических составляющих на поврежденном присоединении, по которому протекает суммарный ток нулевой последовательности всех линий электрической сети. Уровень гармоник в токах нулевой последовательности неповрежденных линий значительно меньше и определяется емкостью фаз относительно земли этих линий.
Ключевые слова: анализ, однофазные короткие замыкания, высшая гармоника, автоматизация, автономность.
Образование коротких замыканий (КЗ) неизбежно. Они ведут к материальным и финансовым потерям. В связи с возникновением КЗ, происходит выход из строя воздушных (ВЛ) и кабельных линий (КЛ). Данный фактор заставляют искать наиболее эффективные способы устранения повреждений. Правильный выбор метода и оборудования для поиска мест повреждений определяют эффективность решения поставленной задачи, т.е. максимальную вероятность правильного определения места повреждения и минимальное время, затрачиваемое на это. Причины появления дефектов в кабелях весьма разнообразны. Основные из них: механические или коррозионные повреждения, заводские дефекты, дефекты монтажа соединительных и концевых муфт, осушение изоляции вследствие местных перегревов кабеля и старение изоляции.
Основные виды повреждений силовых кабелей: однофазное замыкание на «землю»; межфазное замыкание; межфазное замыкание на «землю»; обрыв жил кабеля без заземления или с заземлением как оборванных, так и необорванных жил; заплывающий пробой, проявляющийся в виде короткого замыкания (пробоя) при высоком напряжении и исчезающий (заплывающий) при номинальном напряжении.
В [1] рассматривается классификация средств и методов определения КЗ. Опираясь на публикации [2-3] проведем анализ методов определения мест повреждений в электрических сетях.
Первый метод - дистанционный. Место КЗ определяется приборами требующие установки на территории подстанции. В их функционал входит определение расстояния до повреждения.
Второй метод - топографический. Место КЗ определяется при помощи обхода людьми вдоль линии электроснабжения до места повреждения. Второй вид поиска требует неограниченное время поиска, ведь линии имеют разветвления, и их длина может достигать десятки сотен километров.
Данные методы отображены на рис. 1.
Рис. 1. Методы определения повреждений
Основную часть линий электропередач на территории России составляют воздушные и кабельные линии напряжением 6, 10 и 35 кВ.
Данный тип напряжения характерен тем, что допускает длительные однофазные короткие замыкания на землю, но в данном случае возникает вероятность перехода в двухфазное и трехфазное короткое замыкание, а также прежде временный износ изоляции и оборудования.
Есть и другая проблема данного напряжения. Малое количество современных релейных защит и автоматики, существующих на данных момент, могут своевременно и правильно определять ОЗЗ.
В воздушных линиях 6, 10 и 35 кВ, в большинстве случает, используют импульсный метод, только для этого приходится отключать всех потребителей, находящихся ниже по данной ветке фидера.
При выборе метода дистанционного определения места ОЗЗ в сетях 6, 10 и 35 кВ следует учитывать, что в большинстве случаев можно столкнуться со следующими проблемами:
- у энергоснабжающих компаний есть регламент на поиск и локализацию повреждения, а также на исправление поврежденного участка;
- сложность географического прохождения воздушной линии (горная местность, чаща
и т.д.);
- не всегда разрешается отключение воздушной линии при поиске места повреждения;
- воздушные линии имеют большую протяженность и разветвленность сети;
- с каждым новым случаем возникновения ОЗЗ, возрастает опасность повреждения электрооборудования и порчи изоляции на линии.
Даже самые последние и современные способы определения ОЗЗ и оборудование, не позволяет в точности определить место повреждения, а лишь дают возможность определить примерное местоположение неисправности, что в свою очередь еще раз подтверждает актуальность данной темы.
В табл. 1-4 отображены схемы повреждений и методы, которыми можно диагностировать данное повреждение.
амыкание фаз на оболочку кабеля
Таблица 1
Схема повреждения
Дистанционный метод Топографический метод
Импульсный Акустический
Мостовой Акустический, накладная рамка
Импульсный Акустический, индукционный, накладная рамка
Петлевой (мостовой) Акустический
Импульсный Акустический
Мостовой Акустический, индукционный
Замыкания между фазами
Таблица 2
Схема повреждения
Дистанционный метод
Топографический метод
Импульсный
Индукционный
Для достижения наиболее эффективного поиска КЗ и определения повреждения на воздушных линиях, был предложен метод автоматического дистанционного поиска.
В настоящее время имеется значительное количество программных комплексов, позволяющих с помощью последовательности вычислений и графического отображения их результатов воспроизводить (имитировать) процессы функционирования объекта при условии воздействия на него различных факторов. Среди систем компьютерного моделирования особо выделяется программа MATLAB. Процесс моделирования средствами Simulink можно разделить на нескольких этапов.
Первым из них является этап составления расчетной схемы сети.
Под расчетной схемой понимается электрическая схема исследуемого участка сети с нанесенными на нее параметрами, которые должны быть учтены при моделировании.
Вторым этапом является компоновка модели, которая заключается в выборе из библиотек Simulink необходимых блоков, их размещение в специальном окне и соединение между собой.
Сложность, которая возникает при моделировании в программе МаАаЬ Simulink, не возможность полноценно провести моделирование насыщения при стандартных блоках. Поскольку в стандартных блоках МаАаЬ кривая намагничивания силового трансформатора интерполируется всего двумя прямыми (по трем точкам). Для обхода данной ситуации был разработан собственный блок, позволяющий задать кривую намагничивания стального сердечника трансформатора, соответствующую реальным характеристикам электротехнических сталей, применяемых для создания силовых трансформаторов рассматриваемых типов. Для разработки данного блока необходимо составить системы дифференциальных уравнений, описывающие работу трансформатора с учетом насыщения его сердечника. Для составления такой системы уравнений в первом приближении можно задаться Т-образной схемой замещения трансформатора, представленной на рис. 2.
Обрыв жил с заземлением и без заземления
Таблица 3
Схема повреждения
Дистанционный метод Топографический метод
Импульсный, колебательного разряда Акустический, индукционный, накладная рамка
Импульсный, колебательного разряда Акустический
Импульсный Акустический, индукционный
Таблица 4
Заплывающий пробой _
Схема повреждения Дистанционный метод Топографический метод
Колебательного разряда Акустический
По данной схеме была записана система дифференциальных уравнений, описывающая функционирование трансформатора в любом режиме работы.
"ГТ = (V™ " ¡А " ш
Гт
Ж
Гт = (^т - №2 + ZH))/L'2;
ш
¡а = ¡1 - ¡2 - ¡т.
90
Для реального отражения кривой насыщения электротехнической стали магнитопро-вода трансформатора необходимо эту систему преобразовать таким образом, чтобы в систему, описывающую режим работы трансформатора входили уравнения, содержащие зависимость магнитной индукции от напряженности магнитного поля.
^^ = (Rоб + ^ + (Lоб + Ц,)^;
от от
< Н1 = w1l1 -
В = f(H),
где Иоб, Loб - активное сопротивление и индуктивность вторичной обмотки; Rн, Lн - то же нагрузки; 8 - сечение стали магнитопровода; 1 - средняя длина силовой линии магнитного поля; 11, 12 - первичный и вторичный токи ТТ; Wl, w2 - число витков первичной и вторичной обмоток соответственно; В = Д(Н) -характеристика намагничивания электротехнической стали.
0-•-
Рис. 2. Т-образная схема замещения однофазного силового трансформатора, работающего на комплексную нагрузку
Если записать эту систему в матричной форме, представив ее в форме Коши, получим
(
(ав ^
V
Ж
W2(Roб + ^2 + ^об + Lн) • WlddlL _Щ
w2s + (Loб + Lн) • 1(аЬ • собЦЬ • В) + с)
-1(аЬ • cosh(b • В) + с) • (Яоб + Ян)12 + w2s ■
Л
w,
ё11
w2s + ^об + Lн) • 1(аЬ • С08ЫЪ • В) + с)
Для соответствия описанной системы уравнений реальным трансформаторам используемых в системах электроснабжения была проведена аппроксимация характеристик электротехнических сталей, используемых при производстве силовых трансформаторов. Проведенный анализ [6-8] показал, что нелинейная характеристика кривой намагничивания трансформатора наиболее часто заменяется полиномом вида:
Н(В) = £ % •В2п+1,
где Н - напряженность; д - коэффициенты; к - постоянные коэффициента ряда; В - индукция.
Однако такой вид аппроксимации не точно повторяет реальную кривую намагничивания (рис. 3). Проведенные исследования показали, что наиболее точно вид кривой намагничивания может быть аппроксимирован в виде функции гиперболического синуса согласно формуле
Н(В) = р1 • мпЬ(р2 • В).
Полученные реальные аппроксимированные характеристики для электротехнических сталей марок Э310 и 3408 приведены на рис. 3 и 4.
Проведенный анализ, показал, что в применение представленных аппроксимационных зависимостей снижает погрешность аппроксимации реальных кривых намагничивания электротехнических сталей до величины менее 2 %. Поэтому именно эти зависимости были использованы при разработке моделей силовых трансформаторов. Например, для трансформатора с электротехнической сталью Э310 и 3408 была использована характеристика насыщения, описываемая формулой
Н(В) = 9,7 • sinh(4,5 • 0,3) = 17,5 А/м. В данном случае была создана разветвленная сеть электроснабжения, имитирующая реальную электрическую сеть, учитывающую насыщение силовых трансформаторов.
Рис. 3. Погрешность аппроксимации кривой намагничивания стали Э310 функцией
гиперболического синуса: 1 -реальная кривая намагничивания; 2 - аппроксимация
В, Тл
Рис. 4. Погрешность аппроксимации кривой намагничивания стали 3408 функцией гиперболического синуса: 1 - реальная кривая намагничивания; 2 - аппроксимация
При возникновении ОЗЗ на любой линии распределительной сети нарушается симметрия фаз относительно земли, что обуславливает появление в сети напряжения нулевой последовательности несинусоидального характера. По этой причине токи нулевой последовательности всех линий сети содержат высшие гармоники, причем наибольший уровень высших гармонических составляющих на поврежденном присоединении, по которому протекает суммарный ток нулевой последовательности всех линий электрической сети. Уровень гармоник в токах нулевой последовательности неповрежденных линий значительно меньше и определяется емкостью фаз относительно земли этих линий.
Проведено моделирование, по результатам проведенной работы видно, что при однофазном коротком замыкании на землю в сети с трансформаторами с электротехнической сталью Э310 и 3408 получаются 3-я, 5-я, 7-я, 9-я и 11-я высшая гармоника. При этом максимальный уровень будет у 3-й, 7-й и 9-й. Разработана математическая модель электрической сети 6 (10)-35 кВ, учитывающая в полной степени кривую намагничивания, определяющая уровень высших гармоник в токе ОЗЗ.
Список литературы
1. Barinov V. Damage to cable lines in JSC "Lenenergo" and the impact on it of overvoltage in electrical networks // CABLE-news. 2013. № 1. P. 30-33.
2. Kustov A., Zatsepin E., Zatsepina V. Analysis of transient regimes for single-phase short circuits in electrical lines with isolated and compensated neutral // 2020 2nd International Conference on Control Systems, Mathematical Modeling, Automation and Energy Efficiency (SUMMA). 2020. P. 949-951.
3. Zhezhelenko I.V. Higher harmonics in power supply systems of industrial enterprises. Moscow: Energoatomizdat, 1984. 160 p.
4. Kiskachi V.M. Selectivity of signaling of earth faults using higher harmonics // Electricity. 1967. № 9. P. 24-29.
5. Кустов А.Н., Зацепина В.И. Надежность и эффективность в электросетевом комплексе за счет внедрения концепции «цифровой сети» // Инженерные технологии для устойчивого развития и интеграции науки, производства и образования: материалы Международной научно-практической конференции; ФГБОУ ВО «ТГТУ». Тамбов : Издательский центр ФГБОУ ВО «ТГТУ», 2019. С. 263-266.
6. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприя-тий. М.: Энергоатомиздат, 1983. 160 с.
7. Santoso S. Signature Analysis to Track Capacitor Switching Performance // Conference Record, Transmission and Distribution Conference and Exposition. 2001. Vol. 1. P. 259-263.
8. Feero W.E. Overvoltages Caused by DSG Operation: Synchronous and Induction Generators // IEEE Transactions on Power Delivery, 1986. P. 258-264.
9. Hopkinson, R.H. Ferroresonance Overvoltage Control Based on TNA Tests of Three-Phase Delta-Wye Transformer Banks // IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems. 1967. Vol. 86, № 10. P. 1258-1265.
10. Кустов А.Н., Зацепин Е.П., Зацепина В.И. Анализ переходных режимов при однофазных коротких замыканиях в электрических сетях с изолированной и компенсированной нейтралью // Вести высших учебных заведений Черноземья. 2020. № 3-4 (61-62). С. 23-29.
11. Сирота И.М., Кисленко С.Н., Михайлов А.М. Режимы нейтрали электрических сетей. Киев : Наук, думка, 1985. 264 с.
12. Baran M.E. State Estimation for Real-Time Monitoring of Distribu-tion Systems // IEEE Transactions on Power Systems. 1994. Vol. 9, № 3. P. 1601-1609.
13. Kustov A., Zatsepin E., Zatsepina V. Analysis of the Highest Harmonic Component in Networks with Isolated Neutral in Single-phase Short Circuit // 2021 3rd International Conference on Control Systems, Mathematical Modeling, Automation and Energy Efficiency (SUMMA). 2021. P. 1113-1116.
Зацепина Виолетта Иосифовна, д-р техн. наук, профессор, vizatsepina@yandex.ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет,
Кустов Александр Николаевич, ассистент, alexandex.k@yandex.ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет
SINGLE-PHASE SHORT CIRCUITS AND METHODS OF THEIR DETECTION
V.I. Zatsepina, A.N. Kustov
A comparison of short-circuit detection methods is presented and a new method of autonomous automatic detection of damage on overhead lines is proposed. This method is based on the analysis of the higher harmonic that occurs during single-phase short circuits to earth. The zero-sequence currents of all network lines contain higher harmonics, and the highest level of higher harmonic components is at the damaged connection, through which the total zero-sequence current of all lines of the electrical network flows. The level of harmonics in the currents of the zero sequence of intact lines is much smaller and is determined by the capacitance of the phases relative to the ground of these lines.
Key words: analysis, single-phase short circuits, higher harmonic, automation, autonomy.
Zatsepina Violetta Iosifovna, doctor of technical sciences, professor, vizatsepi-na@yandex.ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University,
Kustov Alexander Nikolaevich, assistant, alexandex.k@yandex.ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University
