Влияние переходного сопротивления на параметры аварийного режима в распределительной сети напряжением 6-10 кВ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.31

ВЛИЯНИЕ ПЕРЕХОДНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ НА ПАРАМЕТРЫ АВАРИЙНОГО РЕЖИМА В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ НАПРЯЖЕНИЕМ 6-10 КВ

Б.Б. Утегулов,

Павлодарский государственный универстиет им. С. Торайгырова, И.В. Кошкин

Костанайский государственный университет им. А.Байтурсынова, г. Костанай

При эксплуатации электрической сети имеют место случайные повреждения, такие как однофазные или многофазные замыкания, обрывы проводов и другие повреждения. Одной из важных задач эксплуатации электрической сети является быстрое определение места повреждения и проведение ремонтно-восстанови-тельных работ. При большой протяженности и разветвлгнности распределительных сетей напряжением 10 кВ задача поиска и локализации аварийного режима может эффективно решаться только при использовании специальных технических средств, определяющих поврежденную линию, место и расстояние до повреждения.

Технические устройства для определения места повреждения (ОМП) широко используются при эксплуатации линий электропередачи всех классов напряжений. В зависимости от класса напряжения устройства поиска дефекта можно разделить на два вида: средства ОМП в сетях с большими токами замыкания на землю (110-220 кВ) и средства ОМП в сетях с малыми токами замыкания на землю (6...35 кВ).

При повреждении на контролируемой линии средства ОМП осуществляют в темпе процесса лишь функции измерения и запоминания токов и напряжений аварийного режима. Обработка результатов измерения выполняется уже после отключения линии релейной защитой.

В настоящее время в качестве устройств определения мест повреждения кабельных и воздушных линий распределительных сетях напряжением 6-35 кВ широкое распространение получают аварийные осциллографы, фиксирующие параметры аварийных режимов (ПАР) - начальные значения апериодической слагающей тока или напряжения нулевой последовательности, при одностороннем или двустороннем измерении. Используя их, можно ориентировочно определить место повреждения в линии, опираясь на кривые спада тока нулевой последовательности, либо на зависимость расстояния до места повреждения от ПАР. В соответствии с этим главной целью настоящего исследования будет аналитическое выявление зависимости ПАР (тока 10т) и расстояния до места повреждения ЛЭП х = ДТОт) с учетом переходных сопротивлений в месте аварии.

Современные программные средства для моделирования режимов электрических цепей позволяют представить электрическую сеть и изменять режимы ее работы, иметь при этом возможность в режиме реального времени фиксировать изменения электрических величин.

Процесс создания модели электрической сети 6-10 кВ состоит из следующих этапов:

1. Составляется главная схема исследуемой сети. Для этого определяются число и мощности потребителей и места их присоединения к сети; длина линий электропередачи (ЛЭП); сечения проводов в линиях; напряжение системы электроснабжения; параметры нейтрали.

2. По главной схеме составляется схема замещения моделируемой системы.

3. По справочникам и каталожным данным на электрооборудование определяются параметры ЛЭП, потребителей и источника питания.

4. Схема замещения с рассчитанными значениями переносится в программную среду моделирования.

Модель энергосистемы в программной среде может быть использована для исследования значений электрических величин в рабочих и ненормальных режимах. В ней можно наглядно представить переходные процессы в системе, изменения значений напряжений и токов при изменении емкостей и индуктивностей системы, параметров нейтрали и т.д [2] .

Компьютерная модель сети, отображенная на рисунке 1, представлена радиальной конфигурацией ВЛ-10 кВ протяжённостью 10 км, выполненной проводом марки АС-95, питающей потребитель мощностью Рнагр = 800 кВт с коэффициентом cosф = 0,85. Параметры модели будем считать распределёнными по всей длине линии, т.е. каждому её участку с бесконечно малой протяжённостью dх соответствуют конкретные значения активных, индуктивных и ёмкостных параметров.

Были рассчитаны параметры схемы замещения рисунка 1. Удельное активное сопротивление г0 вычислили по выражению 1:

(1)

где у - удельная электрическая проводимость провода, км/Ом-мм2;

Б - номинальное сечение провода, мм2.

г = ^^ = 0,329 Ом/км Получили и 32-95

Активное сопротивление г/4 продольной ветви определяется по выражению 2:

г г0

- 0 (2)

где 1 - длина линии, км.

4 4 ,

1 = 032940 4 4

При расположении проводов на опорах 10 кВ треугольником примем расстояния между ними равными Э12 = Э23 = Э13 = 80 мм. Среднее геометрическое расстояние между проводами Dcp составит:

I--(3)

68

Dcp = л/80-80-80 = 715 54 мм

Удельное индуктивное сопротивление х0 определили по формуле:

x0=0,145-lg^^ + 0,016 (4)

« ,

где d - расчётный диаметр провода, мм2 .

2-715 54

Получим *о - 0,145-lg 1з5' +0,016 = 0,310 Ом/км

Аналогично по выражениям определяются индуктивное сопротивление х/4 схемы замещения, значения рабочей емксоти с/4 схемы замещения и емкостной проводимости:

х=МШ = 0,7750м.

4 4

с 0,01185-10 Л - = —-= 0,0296 мкФ.

4 4

^ = 314 • 0,0296 = 9,294 мкСм 4

Значение активной проводимости g/4, учитывающее утечку через линейную изоляцию, условно примем равной 10 МОм.

Компонуем по расчетным значениям элементов схемы физическую модель сети 10 кВ.

Данная модель реализует собой выполнение следующих режимов работы сети:

1. режим нормальной нагрузки потребителя;

2. режим однофазного металлического замыкания (ОЗЗ) на землю;

3. режим ОЗЗ дуговое;

4. режим ОЗЗ через большое переходное сопротивление;

5. режим двойного замыкания на землю при аварии на двух соседних фазах;

6. режим двойного замыкания на землю при аварии на одной фазе в двух местах.

При моделировании данных режимов необходимо изменять режимы нейтрали

электрическо сети - нейтраль замкнута через катушку или через активное металлическое сопротивление (режим компенсированной и резистивно-заземленной нейтрали) и изолирована от земли (режим с изолированной нейтралью). Режим 1 (режим нормальной нагрузки ) реализуется включением схемы без коммутации замыкающих цепей. Схема состоит из осциллографов, вольтметров, амперметров, сопротивления и емкости ветвей, нагрузки. В ветвях протекают токи, соответствующие токам в реальной сети при заданной нагрузке потребителя. В этом режиме наблюдаются рабочие значения токов, переходные процессы при коммутации приемников электроэнергии.

Режим 2 (ОЗЗ на землю) реализуется в модели добавлением замыкающей ветви с одной из фаз на землю с установленными в ней последовательно коммутирующим устройством и резистором с небольшим сопротивлением (5-10 Ом). Сначала цепь запускается в режиме 1, а в процессе работы коммутирующим устройством производится замыкание фазы на землю.

69

Рисунок 1 - Схема замещения электрической сети напряжением 6-10 кВ

Режимы 3 (ОЗЗ дуговое) и 4 (ОЗЗ через большое переходное сопротивление) производятся аналогично режиму 2, исключая значение сопротивления короткого замыкания (в режиме 3 сопротивление следует принимать порядка 0,5 Ом, в режиме 4 - 40 Ом и более).

Режим 5, двойное двухфазное замыкание на землю. Взяв за основу, как и в вышеописанных режимах, схему режима нормальной нагрузки, выбираем место замыкания и добавляем на две фазы замыкающие ветви с выключателями и сопротивлениями, затем имитируем замыкания выключателями.

При моделировании режима 6 (двойное однофазное замыкание на землю) на одну фазу добавляются две замыкающих цепи.

Исследуем изменение фазных токов и токов нулевой последовательности при бездуговых ОЗЗ и Кдв, металлических ОЗЗ и Кдв и дуговом ОЗЗ с частотой f = 20 Гц. Снятие осциллограмм производится отдельно для ОЗЗ фазы С на расстоянии 1 ~ 2,5 км от источника питания ИП через переходное сопротивление /п1 и последующего двойного замыкания на землю (сначала происходит ОЗЗ фазы С на расстоянии 2,5 км от ИП, затем происходит замыкание на землю фазы В на расстоянии 1 ~ 7,5 км через /п2.

Определим индуктивность ДГР, исходя из параметра ёмкости, рассчитанного выше. Режим резонанса токов возникает, когда проводимость ДГР bLp и ёмкостная проводимость ЬС равны:

(5)

Ьт = Ьг

а»-Ь„

(6)

= 03 С

где Lp - индуктивность реактора, Гн; ю - угловая частота тока, рад/с откуда

=

1

(7)

Р п

о • С

70

р

1

314:2-0,1185-10"

= 85,6 Гн

(8)

Исследуя влияние параметров трёх аварийных режимов (бездуговых ОЗЗ, двойных КЗ и дуговых ОЗЗ), выяснили при этом ориентировочные границы переходных сопротивлений и частоты коммутации петли ОЗЗ, которая в модели представляет собой фактическую частоту колебаний между индуктивными и ёмкостными параметрами сети.

Анализ осциллограмм изменения тока Ю при металлическом ОЗЗ и Кдв (рисунок 2 и рисунок 3) показывает, что в случае металлического ОЗЗ ток нулевой последовательности Ю = 524 мА, что объясняется достоверной настройкой ДГР, однако при Кдв (замыкается ключ S1, затем дополнительный S2) значение Ю = 1330 мА, хотя в дёйствительности должно составлять несколько десятков ампер.

Рисунок 2 - Осциллограмма тока нулевой последовательности при металлическом

замыкании на землю фазы С

Рисунок 3 - Осциллограмма тока нулевой последовательности при двойном металлическом замыкании на землю

Бездуговые ОЗЗ и Кдв, происходят через переходные сопротивления /п1 и /п2. В случае ОЗЗ фазы С (замкнулся ключ S1) через переходное сопротивление /п1 = 39 Ом

71

ток 1ф.С составляет несколько сот мА, при Кдв (замкнулся дополнительный ключ S2) через переходные сопротивления /п1 = 39 Ом, /п2 = 40 Ом.

Дуговые однофазные и двойные короткие замыкания на землю.

Спецификой такого рода повреждений является то обстоятельство, что в месте замыкания фазы имеется нелинейное переходное сопротивление в виде дуги, которое зависит от мощности источника питания и от частоты качаний между индуктивностью и ёмкостью сети. Однозначно определить комплексное сопротивление дуги при анализе ПАР с практической точки зрения задача трудная; здесь не удаётся учесть влияние таких факторов, как влажность грунта, длина дуги и пр., которые также определяют её сопротивление [1].

Повторно-кратковременные дуговые замыкания на землю, существующие длительное время, с повышением частоты коммутации ключа S1 от 5 до 20 Гц приводят к увеличению амплитуд 10 при переходном процессе, являющихся причиной повышения кратности перенапряжений (к = 3.. .5). Из соображений наглядности осциллограмм нами были рассмотрены дуговые замыкания на низких частотах, однако в действительности в сети происходят колебания между электрическим и магнитным полями на более высоких частотах порядка 200-500 Гц. Результаты моделирования свидетельствуют о том, что уже на низких частотах (20-80 Гц) появляются гармоники высших порядков, наличие которых ускоряет процесс старения изоляции электрооборудования.

Исследуем, как изменяются значения 10 при дуговых замыканиях на землю с различной частотой коммутации петли ОЗЗ. В нашей модели перемежающаяся дуга представлена в виде ВЧ-генератора, сигнал с которого подаётся на катушку электромагнита постоянного тока, причём контакты последнего периодически закорачивают и раскора-чивают петлю ОЗЗ, имитируя этим повторные зажигания и гашения дуги.

Дуговые ОЗЗ, особенно на высокой частоте, часто приводят к пробою линейной изоляции неповреждённых фаз, особенно в местах её ослабления или повышенного старения. Это и приводит к двойным коротким замыканиям на землю. Рассмотрен такой случай (рисунки 4 и 5), когда при имеющемся дуговом замыкании фазы С с частотой 20 Гц происходит пробой изоляции фазы В. Опыт показывает, что значение 10 как до, так и после Кдв не превышает 25 А.

1

I 1 Л . Í Ли д Л fi

|11 jW1 'Wi я/Л

7Ü3.258239т 704.574755га 7Ü5 .891272т 7Ü7.207789т 708.52 43 05т 709.84082 2т 711.1573 39га 712.473856га

Рисунок 4 - Осциллограмма тока нулевой последовательности при дуговом

ОЗЗ с частотой f = 20 Гц

72

II

л л V V vß \Л vA Л, /V /V Ч V

503.172697m 506.855297m 510.537898m 514.220499m 517.903 100m 521.585700m 525.268301m 528.950902m

t, сек

Рисунок 5 - Осциллограмма тока нулевой последовательности при двойном замыкании на землю при имеющемся дуговом ОЗЗ фазы С с частотой f = 20 Гц

В результате моделирования различных аварийных режимов нами наблюдается снижение 10 при возрастании значений Тп (при бездуговом металлическом ОЗЗ 10 = 524 мА, при ОЗЗ через переходное сопротивление /п1 = 39 Ом 10 = 489 мА) и при возрастании частоты коммутации петли ОЗЗ (при дуговом ОЗЗ с частотой f = 20 Гц 10 = 8,78 А; на частоте f = 25 Гц 10 = 59,0 А). Для Кдв наблюдается аналогичная зависимость изменения 10. Так, при металлическом Кдв 10 = 1330 мА, при Кдв через переходные сопротивления Тп1 = 39 Ом, Тп2 = 40 Ом 10 = 984 мА, при дуговом замыкании фазы С с частотой f = 20 Гц и последующем замыкании фазы В 10 = 8,44 А.

Используя физическую модель ВЛ-10 кВ, построим кривые спада тока 10 по всей длине линии, опираясь на значения 10т при экспериментах ОЗЗ на расстоянии 2,5 км, 5 км, 7,5 км и 10 км от источника питания.

I о

N

\

Ч

X

О 5 10 15

Рисунок 6 - Зависимость тока нулевой последовательности 10 по длине ВЛ-10 кВ при ОЗЗ (Тп = 50 Ом)

Для установления аналитической зависимости х = Щ0т) необходимо решить систему телеграфных уравнений, описывающих распространение волн тока и напряжения по проводам неоднородной линии с распределёнными параметрами.

73

ЛИТЕРАТУРА

1. Шалыт Г.М. Определение мест повреждения в электрических сетях. [текст]/ Шалыт Г.М. -М.:Энергоиздат, 1982.- С 310.

2. Идельчик В.И. Электрические сети и системы. [текст]/ Идельчик В.И. -М.:Энер-гоатомиздат, 1989. - С 592.

Туйшдеме

6-10 кВ апаттыц тэртттердщ елжтеуте арналган yлгi бвлт туратындарды ауларда тацдаумен жэне нацтылы параметрлгрШц куйге келтiруiмен кврсет^ен. Жумыс мацсаты 6-10 кВ торапта мумкт апаттыц жагдайлардыц талдауы келедi ау лабораториялыц yлгiлерi аныцтама мацсатымен апат орындары кврсетшген.

Resume

A model to simulate the emergency operation in distribution networks 6-10 kV with a choice and configuration of specific network settings. The objectives of the work are the analysis ofpossible emergency situations in the 6-10 kV networks in a laboratory model of the network to determine the place of the accident.

74