Geum.ru
Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям

На правах рукописи

ИСАКОВ РУСЛАН ГЕННАДЬЕВИЧ

ТОКОВЫЕ ЗАЩИТЫ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ С ПОВЫШЕННЫМ БЫСТРОДЕЙСТВИЕМ И ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань - 2012 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ Актуальность работы. Релейная защита и автоматика (РЗА) играет ключевую роль в обеспечении надежности работы объектов электроснабжения.

Усложнение схем электрических сетей электроснабжения, разнообразие режимов их работы и большое количество изношенного оборудования, требуют дальнейшего совершенствования, особенно повышения быстродействия, чувствительности и селективности релейной защиты и автоматики, обеспечивающих защиту электрооборудования в аварийных режимах. В настоящее время роль РЗА в обеспечении надежности работы систем электроснабжения имеет повышенное значение. В связи с этим возникают вопросы по пересмотру принципов построения системы РЗА, с внедрением микропроцессорной техники. Использование микропроцессорной техники позволяет расширить возможности по совершенствованию и созданию новых алгоритмов работы РЗА, различной сложности.

В сетях электроснабжения промышленных предприятий напряжением 6 - 10 кВ наиболее широкое применение в качестве защит получили наиболее простые и надежные токовые защиты (токовая отсечка, максимальная токовая защита). Данные защиты по своему назначению и принципу действия предназначены для отключения электрооборудования при появлении аварийных сверхтоков короткого замыкания или опасных сверхтоков перегрузки.

Значительный вклад в решение проблем стоящих перед релейной защитой распределительных сетей, внесли А.М. Федосеев, Н.В. Чернобровов, Я.С. Гельфанд, В.А. Андреев, М.А. Шабад, В.Г. Гарке, А.И. Федотов и другие.

На данный момент в релейной защите распределительных сетей до сих пор не решена следующая проблема накопления выдержек времени ступенчатых токовых защит, особенно существенное для головных элементов в многоступенчатых сетях, что может приводить к необходимости завышать сечение кабельных линий по условиям термической стойкости, а также к снижению напряжения при коротких замыканиях и невозможности самозапуска электродвигателей.

Объектом исследования является токовые защиты распределительных сетей, а предметом исследования - алгоритмы токовых защит распределительных сетей, позволяющие повысить их быстродействие и чувствительность.

Цель исследования: создание токовых защит распределительных сетей с повышенным быстродействием и чувствительностью, позволяющих уменьшить затраты на кабельные линии связи между электрооборудованием распределительных сетей и устранить критическое воздействие токов короткого замыкания на электрооборудование, приводящее к выходу его из строя.

Задача исследования. Разработка принципов построения, алгоритмов функционирования и методик моделирования токовых защит 1а распределительных сетей, обеспечивающих повышение их быстродействия и чувствительности.

Задача исследования решается в следующих направлениях:

1. Анализ и оценка возникающих повреждений, и существующих принципов токовых защит электрооборудования распределительных сетей.

2. Разработка алгоритма ступенчатой токовой защиты с зависимой времятоковой характеристикой срабатывания.

3. Исследование факторов, влияющих на быстродействие предлагаемых алгоритмов ступенчатых токовых защит с зависимой времятоковой характеристикой срабатывания.

4. Разработка методики согласования ступенчатой токовой защиты с зависимой времятоковой характеристикой срабатывания для систем электроснабжения промышленных предприятий, имеющих различные параметры сети.

5. Оценка достоверности разработанной математической модели ступенчатой токовой защиты с зависимой времятоковой характеристикой срабатывания по результатам компьютерного эксперимента, а также исследование в рамках эксперимента факторов, влияющих на ее быстродействие.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложены алгоритмы построения ступенчатых токовых защит с зависимой времятоковой характеристикой срабатывания, позволяющие повысить быстродействие токовых защит.

2. Исследованы факторы, влияющие на быстродействие ступенчатой токовой защиты: минимальный режим энергосистемы; двухфазные короткие замыкания, короткие замыкания через переходное сопротивление (дугу).

3. Разработана методика согласования времятоковых характеристик ступенчатой токовой защиты для систем электроснабжения промышленных предприятий, имеющих различные параметры сети.

4. Получены результаты компьютерных экспериментов по оценке достоверности разработанной математической модели ступенчатой токовой защиты с зависимой времятоковой характеристикой срабатывания, а также исследования факторов, влияющих на быстродействие данной защиты.

Методы исследования: положения теоретической электротехники и релейной защиты, теория электромагнитных переходных процессов в электрических сетях, теория комплексных переменных, математического и компьютерного моделирования.

На защиту выносится:

1. Алгоритмы ступенчатых токовых защит с зависимой времятоковой характеристикой срабатывания, позволяющие повысить быстродействие токовых защит и тем самым уменьшить затраты на кабельные линии связи между электрооборудованием и устранить критическое воздействие токов короткого замыкания на электрооборудование распределительных сетей, приводящее к выходу его из строя.

2а 2. Результаты исследования факторов, влияющих на быстродействие ступенчатой токовой защиты с зависимой времятоковой характеристикой срабатывания в системе электроснабжения промышленных предприятий.

3. Методика согласования времятоковых характеристик ступенчатой токовой защиты в сетях электроснабжения промышленных предприятий, позволяющая обеспечивать селективное действие ступенчатых токовых защит с меньшим накоплением времен срабатывания.

4. Результаты компьютерных экспериментов по оценке достоверности разработанной математической модели ступенчатой токовой защиты с зависимой времятоковой характеристикой срабатывания, а также исследования в рамках экспериментов факторов, влияющих на ее быстродействие.

Апробация результатов исследований.

Результаты исследований докладывались и обсуждались на IV открытой молодежной научно-практической конференции Диспетчеризация в электроэнергетике: проблемы и перспективы (Казань, 2009 г.), на XVI научнотехнической конференции Обмен опытом проектирования, наладки и эксплуатации устройств РЗА и ПА в энергосистемах Урала (Екатеринбург, 2010 г.), на XX и XXI конференции Релейная защита и автоматика энергосистем (Москва, 2010, 2012гг.), на Всероссийской научно-технической конференции Энергетика глазами молодежи (Екатеринбург, 2010 г.), на Ежегодной открытой молодежной научно-практической конференции, посвященная Дню энергетика, Филиал ОАО "СО ЕЭС" РДУ Татарстана (Казань, 2010 г.), на конференции Энергосистема и активные адаптивные электрические сети: проектирование, эксплуатация, образование (Самара, 2011 г.), на VI ежегодной международной научно-практической конференции Повышение эффективности энергетического оборудования - 2011 (Иваново), на VII Международной молодежной научной конференции Тинчуринские чтения (Казань, 2012 г.), на РЕЛАВЭКСПО - 2012 международной научнопрактической конференции и выставки Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем России (Чебоксары, 2012 г.). Кроме того, результаты диссертационной работы включены в Отчет о научноисследовательской работе Разработка алгоритмов токовых защит с зависимыми временными характеристиками срабатывания и автоматики управления выключателем (№ 031 З ДГКС).

Результаты проведенных в рамках диссертационной работы исследований внедрены в ООО КЭР-Автоматика и используются при разработке проектной документации по модернизации релейной защиты электрооборудования. Также результаты исследований внедрены в учебный процесс кафедры Электрооборудования КНИТУ-КАИ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе 2 статьи в журналах из перечня рекомендуемых ВАК МОиН РФ.

Получен патент Российской Федерации на полезную модель.

Достоверность полученных результатов базируется на корректном использовании классической теории электрических цепей, теории релейной 3а защиты и теории электромагнитных переходных процессов в ЭЭС, сходимостью результатов, полученных аналитическим методом и на компьютерной модели.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 61 наименования и приложений. Основной текст включает 133 стр., 69 илл.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы ее цель, задача и направления ее решения, раскрывается научная новизна и практическая значимость исследования, характеризуются методы, приводятся данные об апробации и внедрении результатов исследования в практику.

В первой главе проведен анализ и оценка основных способов построения распределительных сетей напряжением 6 - 35 кВ, возникающих повреждений и их влиянию на электрооборудование, принципов выполнения защиты электрооборудования от данных повреждений и аварийных режимов работы.

По данным показателей надежности работы элементов энергосистем менее надежными являются кабельные линии, параметр потока отказов которых является достаточно высоким и составляет = 7,5 в год.

В любой электроэнергетической системе приходится считаться с возможностью возникновения в ней повреждений и ненормальных режимов работы. Наиболее распространенными и в то же время наиболее опасными видами повреждений в них является короткие замыкания (КЗ).

Основным видом автоматики, осуществляющей непрерывный контроль за состоянием и режимом работы всех элементов энергосистемы является релейная защита.

В распределительной сети напряжением 6 - 35 кВ для защиты электрооборудования наиболее широкое распространение получили токовые защиты, являющиеся наиболее простыми и надежными. Токовые защиты могут быть двух видов: максимальная токовая защита (МТЗ) и токовая отсечка.

Основными требованиями предъявляемые к релейной защите:

селективность (отключать при КЗ только поврежденный участок);

быстродействие (должно выполняться быстрое отключение участка цепи для ограничения размеров повреждения оборудования); чувствительность (защита должна реагировать на отклонения от нормального режима, которые возникают при КЗ).

Существенным недостатком МТЗ электрооборудования является высокий уровень выдержек времени на головных участках сети, что связано с отсутствием быстродействующих защит. Увеличение выдержки времени может приводить к необходимости завышать сечение кабельных линий по условиям термической стойкости, что приводит к существенному повышению материальных затрат на кабельные линии связи между электрооборудованием.

4а Известные на данный момент токовые защиты с обратнозависимыми времятоковыми характеристиками имеют следующие недостатки: при больших выдержках времени местных резервных защит следует считаться с явлением теплового спада тока КЗ в кабелях, которое приводит к невозможности отключения такого КЗ действием резервной защиты с зависимой характеристикой; на границе уставки по току срабатывания зависимые защиты не действуют, поскольку время срабатывания равно бесконечности.

Токовые отсечки, обладая мгновенным действием (время срабатывания равно погрешности устройства защиты) и простотой выполнения, обладают существенными недостатками: защита только части длины линии; зависимость защищаемой зоны от режима работы системы и переходного сопротивления в месте короткого замыкания.

Неселективная работа, низкое быстродействие и чувствительность устройств релейной защиты может привести не только к сбоям в электроснабжении потребителей, но и серьезным авариям в сетях. При этом масштабы поврежденного оборудования могут быть весьма значительны, а восстановительный ремонт потребует больших затрат.

Во второй главе раскрываются алгоритмы ступенчатых токовых защит распределительных сетей, с зависимой времятоковой характеристикой срабатывания, позволяющих повысить их быстродействие.

II(2) tс.з.

II(1) tс.з.

Рис. 1. Времятоковые характеристики предлагаемой ступенчатой токовой защиты.

Предлагаемая ступенчатая токовая защита состоит:

- первая ступень - токовая отсечка (ТО);

- вторая ступень - максимальная токовая защита (МТЗ) с зависимой времятоковой характеристикой срабатывания, где время срабатывания защиты имеет обратную зависимость от тока короткого замыкания (рис. 1).

5а Времятоковая характеристика срабатывания второй ступени выполняется следующим образом:

- первая часть характеристики (защита линии Л1):

t 1 II (1) tС.(1) З.

I I 1 K K I I K 2 K- вторая часть характеристики (защита линии Л2):

t 1 II (2) tС.(2) t З.

I I 1 K K I I K 3 K где tII(1) - время срабатывания токовой защиты первой части характеристики;

С.З.

tII(2) - время срабатывания токовой защиты второй части характеристики;

С.З.

t - ступень селективности, выбирается в зависимости от точности работы защитных устройств и времени отключения выключателей, для современных защит t = 0,3 с;

IK - ток короткого замыкания измеряемый защитой;

IK1 - ток трехфазного короткого замыкания в максимальном режиме работы энергосистемы в точке К1;

IK2 - ток трехфазного короткого замыкания в максимальном режиме работы энергосистемы в точке К2;

IK3 - ток трехфазного короткого замыкания в максимальном режиме работы энергосистемы в точке К3.

По выражениям (1) и (2) каждая времятоковая характеристика проходит через две характерные точки: точка К1 tII(1) 0,04 с. и точка К2 tII(2) = t для С.З. С.З.

первой части характеристики (линия Л1); точка К2 tII(2) = t и точка К3 tII(2) С.З. С.З.

= 2t для второй части характеристики (линии Л2), рис. 1. То есть время срабатывания защиты зависит от параметров защищаемых объектов и поэтому легко обеспечивает селективность всех защит.

Основные назначения второй ступени токовой защиты с зависимой характеристикой срабатывания:

- полностью защитить линию Л1от коротких замыканий;

- полностью защитить линию Л2 от коротких замыканий, выполнить условие дальнего резервирования;

- обеспечить защиту линий Л1 и Л2 с минимально возможным временем срабатывания (повысить быстродействие);

- обеспечить селективную работу всех защит установленных на линиях Л1, Л2 и дальнейших линий и объектов.

В процессе исследования времятоковых характеристик были найдены факторы, влияющие на быстродействие предлагаемой защиты:

- изменение сопротивления системы с максимального режима работы на минимальный режим;

- при возникновении двухфазных коротких замыканий;

- при возникновении коротких замыканий через переходное сопротивление (дугу);

6а - погрешность измерительных трансформаторов тока.

Для каждого влияющего фактора были получены выражения для определения погрешностей времен срабатывания токовой защиты.

При изменении сопротивления системы с максимального режима на минимальный режим погрешности времен срабатываний определяются по следующим выражениям:

- при КЗ в точке К1 (первая часть характеристики) t II(1 ) tК1 tС.З.(К1 ) zСмин zСмакс (3) z Л- при КЗ в точке К2 (первая часть характеристики) t II(1 ) tК 2(1 ) tС.З.(К 2 ) t zСмин zСмакс (4) z Л- при КЗ в точке К2 (вторая часть характеристики) t II( 2 ) tК 2( 2 ) tС.З.(К 2 ) t zСмин zСмакс (5) z Л - при КЗ в точке К3 (вторая часть характеристики) t II( 2 ) tК 3 tС.З.(К 3 ) 2t zСмин zСмакс (6) z Л где zЛ1 - сопротивление защищаемой линии Л1;

zЛ2 - сопротивление защищаемой линии Л2;

zСмин - сопротивление системы в минимальном режиме работы;

zСмакс - сопротивление системы в максимальном режиме работы.

При возникновении двухфазного короткого замыкания погрешности времен срабатываний определяются по следующим выражениям:

- при КЗ в точке К1 (первая часть характеристики) t 2 tК1 zСмакс (7) z Л- при КЗ в точке К2 (первая часть характеристики) t 2 3 2 tК 2(1 ) zСмакс t (8) z 3 Л- при КЗ в точке К2 (вторая часть характеристики) t 2 tК 2( 2 ) zСмакс z (9) z Л - при КЗ в точке К3 (вторая часть характеристики) t 2 3 2 tК 3 zСмакс z t (10) z 3 Л Погрешность времени срабатывания при двухфазном КЗ можно уменьшить, используя определение вида КЗ. При двухфазном КЗ в алгоритм МТЗ вводится поправочный коэффициент расчета характеристики МТЗ.

- первая часть характеристики t 1 II(1 ( 2 ) (11) tС.З. ) К I I 1 K K I I K 2 K7а - вторая часть характеристики t 1 II( 2 ( 2 ) (12) tС.З. ) К t I I 1 K K I I K 3 K где К(2) - поправочный коэффициент расчёта при двухфазном КЗ, равен 0,865.

При возникновении трехфазного короткого замыкания через переходное сопротивление (дугу) погрешности времен срабатываний определяются по следующим выражениям:

- при КЗ в точке К1 (первая часть характеристики) t t II(1 ) tК1 tС.З.(К 1 ) RП RП (13) 2 z Л1 RЛ1 Х Л- при КЗ в точке К2 (первая часть характеристики) t t II(1 ) tК 2 tС.З.(К 2 ) t RП RП (14) 2 z Л1 RЛ1 Х Л- при КЗ в точке К2 (вторая часть характеристики) t t II( 2 ) tК 2 tС.З.(К 2 ) t RП RП (15) 2 z Л 2 RЛ 2 Х Л - при КЗ в точке К3 (вторая часть характеристики) t t II( 2 ) tК 3 tС.З.(К 3 ) 2t RП RП (16) 2 z Л 2 RЛ 2 Х Л где RП - переходное сопротивление в месте короткого замыкания.

Значение RП для любого вида междуфазного повреждения равно: при K(2) имеем RП = (1/2) Rд; при K(3) имеем RП = (1/3) Rд, где Rд - сопротивление дуги между фазами.

В отечественной практике сопротивление дуги определяется по следующему выражению:

1050l Д RД (17) I Д где lД - длина дуги, мм;

IД - действующий ток короткого замыкания, А.

При возникновении двухфазного короткого замыкания через переходное сопротивление (дугу) погрешности времен срабатываний определяются по следующим выражениям:

- при КЗ в точке К1 (первая часть характеристики) t 2 3 2 2 II(1 ) tК1 tС.З.(К1 ) ( RСмакс RП )2 ( Х )2 (18) Смакс 2 3 3 RЛ1 Х Л8а - при КЗ в точке К2 (первая часть характеристики) II(1 ) tК 2 tС.З.(К 2 ) t (19) t 2 3 2 2 3 2 ( RСмакс RП )2 ( Х )2 t Смакс 2 3 3 3 RЛ1 Х Л- при КЗ в точке К2 (вторая часть характеристики) II( 2 ) tК 2 tС.З.(К 2 ) t (20) t 2 3 2 2 ( (RСмакс RЛ1 ) RП )2 ( (Х Х ))Смакс Л2 3 3 RЛ 2 Х Л - при КЗ в точке К3 (вторая часть характеристики) II( 2 ) tК 3 tС.З.(К 3 ) 2t (21) 2 3 2 2 3 2 ( (RСмакс RЛ1 ) RП )2 ( (Х Х ))2 t Смакс Л3 3 3 Точная работа трансформаторов тока (ТТ), используемых в релейной защите необходима для правильного функционирования большинства типов релейной защиты. Следует отметить, что расчётное определение погрешностей ТТ важно для цифровых токовых защит с зависимыми времятоковыми характеристиками.

Максимальное допустимое значение полной токовой погрешности трансформаторов тока равно 10%.

Погрешность времени срабатывания токовой защиты при 10% погрешности трансформаторов тока определяются по следующим выражениям:

- первая часть характеристики t 1 II((22) tС.З. ) 0,9 I I 1 K K I I K 2 K- вторая часть характеристики t 1 II( (23) tС.З. ) t 0,9 I I 1 K K I I K 3 K Проведенный анализ действия предлагаемой ступенчатой токовой защиты в распределительных сетях с большим количеством отходящих линий, имеющих различную нагрузку (трансформаторы, электродвигатели), показал, что суммарное сопротивление отходящей линии и подключенной к ней нагрузки имеют различные значения. Таким образом, при соблюдении требования дальнего резервирования защитой РЗ1 предыдущих защит (РЗ2 - РЗ4) возникает проблема при согласовании второй части времятоковых характеристик (РЗ1) с первыми частями характеристик предыдущих защит (РЗ- РЗ4) в виду различной величины тока короткого замыкания в конце защищаемых объектов, рис. 2.

9а Рис. 2. Пример схемы питания сети электроснабжения.

При согласовании с объектом, имеющим наименьшее сопротивление, достигается селективная работа защит, но при КЗ в конце линий с наибольшим сопротивлением быстродействие защиты уменьшается, рис. 3.

II( tС.З.() РЗ1) II( tС.З.() РЗ 4) II( tС.З.() РЗ 3) II(tС.З.() РЗ2) II(tС.З.() РЗ1) Рис. 3. Времятоковые характеристики времени срабатывания вторых ступеней защит при согласовании с наибольшим сопротивлением.

При согласовании с объектом, имеющим наибольшую величину сопротивления, отсутствует селективная работа защит вследствие того, что время ступени селективности между второй частью характеристики и первой частью характеристики предыдущих защит меньше 0,3 c.

Наиболее оптимальным решением данной проблемы является выполнение разделения второй части характеристики на несколько участков, рис. 4:

- первый участок характеристики, согласуется с объектом, имеющим наименьшее сопротивление;

- второй участок характеристики, согласуется с объектом, имеющим среднее сопротивление;

10а - третий участок характеристики, согласуется с объектом, имеющим наибольшее сопротивление.

II( 4 ) tС.З.(РЗ1) II( tС.З.() РЗ1) II( 2 ) tС.З.(РЗ1) II( tС.З.() РЗ 4) II(1 II( tС.З.() tС.З.() РЗ1) РЗ 3) II(tС.З.() РЗ 2) Рис. 4. Времятоковые характеристики времени срабатывания вторых ступеней защит при разделении на участки.

Применение данного принципа согласования позволяет достигнуть селективного действия всех защит, как с защитой (РЗ2) объекта с минимальным сопротивлением со временем t, так и с защитами (РЗ3 - РЗ4) объектов с большими сопротивлениями, также по сравнению свыше рассмотренными способами данный способ согласования позволяет повысить быстродействие предлагаемой ступенчатой токовой защиты.

В системе электроснабжения промышленных предприятий могут возникать случаи, когда невозможно применять зависимую времятоковую характеристику срабатывания, следствии малого значения сопротивления кабельной. При этом разность токов КЗ в начале и в конце кабельной линии будет иметь малое значение.

Для определения диапазонов работоспособности предлагаемой токовой защиты было получено следующее выражение:

zС I z (24) Л (100% I) где zЛ - сопротивление защищаемой линии, Ом;

zС - сопротивление системы, Ом;

I - процентное соотношение разности токов начале и конце линии, %.

Процентное соотношение разности токов начале и конце линии определяется по следующему выражению:

I I K1 K I 100% (25) I K11а Таким образом, из выражения (24) можно получить значение сопротивления защищаемой кабельной линии, когда защита будет работоспособна, при различных значениях разности токов в начале и конце линии, а также при различных значениях сопротивления системы, рис. 5.

I 20% I 15% I 10% I 7% I 5% I 2% Рис. 5. Изменение значений минимально-применимых значений сопротивлений кабельных линий при различных значениях ZC и I.

Из полученных результатов можно сделать вывод, что при увеличении сопротивления системы увеличивается значение минимального допустимого сопротивления защищаемой линии, а, следовательно, увеличивается значение минимальной допустимой длины кабельной линии, при которой защита будет работоспособна.

Разработанная функциональная схема работы второй ступени токовой защиты с зависимой времятоковой характеристикой показана на рис. 6.

Для исключения погрешности времени срабатывания, возникающей при двухфазном КЗ, дополнительно предлагается дополнять схему токовой защиты функцией определения двухфазного КЗ, рис. 7.

12а Уставка для 1-ой Iс.з.части хар-ки IA IA IA>Ic.з.Ic.з.& IB IB IB>Ic.з.Ic.з.3 IС IC IC>Ic.з.Ic.з.1 Пуск A B C Вывод МТЗ из работы Уставка для 2-ой Iс.з.части хар-ки & Откл.

IA IA IA>Ic.з.Ic.з.10 & IB IB IB>Ic.з.Ic.з.IC IС IC>Ic.з.Ic.з.A B C Рис. 6. Функциональная схема работы второй ступени токовой защиты с зависимой характеристикой срабатывания.

Рис.7. Функциональная схема определения двухфазного короткого замыкания.

В третьей главе рассмотрена методика согласования ступенчатой токовой защиты с зависимой времятоковой характеристикой срабатывания для 13а систем электроснабжения промышленных предприятий, позволяющая повысить быстродействие токовых защит; произведена оценка величин возникающих погрешностей времен срабатываний при различных факторах (изменение сопротивления системы, вид короткого замыкания, короткое замыкание через переходное сопротивление), а также получены выводы по данным результатам.

Согласование ступенчатых токовых защит с зависимой времятоковой характеристикой срабатывания показано на примере участка сети электроснабжения промышленного предприятия. Для оценки быстродействия предлагаемой токовой защиты было выполнено сравнение времятоковых характеристик с существующим принципом выполнения токовых защит, рис. 8.

II(3) II(3) tС.З.(РЗ3) tС.З.(РЗ2) II(2) II(2) II(2) tС.З.(РЗ2) II(2) tС.З.(РЗ3) tС.З.(РЗ1) tС.З.(РЗ3) II(1) tС.З.(РЗ6) II(1) II(1) II(1) II(1) tС.З.(РЗ1) tС.З.(РЗ4) tС.З.(РЗ5) tС.З.(РЗ2) Рис. 8. Сравнение согласования времятоковых характеристик прилагаемой токовой защиты с существующим принципом токовой защиты.

При сравнении полученных результатов выполнялась количественная оценка для защиты РЗ1, так как данная защита наиболее близко находится у 14а источника питания, а, следовательно, ток КЗ в точке К1 будет наибольшим, рис.

7:

- при КЗ в точке К2 время срабатывания МТЗ tС.З.(сущ) = 1,2 с, а время срабатывания предлагаемой защиты tС.З.(пред) = 0,3 с. Таким образом, время быстродействия увеличивается в 4 раз.

- при КЗ в точке К3 время срабатывания МТЗ tС.З.(сущ) = 1,2 с, а время срабатывания предлагаемой защиты tС.З.(пред) = 0,6 с. Таким образом, время быстродействия увеличивается в 2 раза.

Время срабатывания максимальной токовой защиты учитывается при проверке кабельных линий на термическую стойкость.

Расчёт минимального сечения проводника, отвечающего требованию его термической стойкости при КЗ, определяется по следующему выражению:

I tоткл I tоткл КЗ КЗ Smin (27) C C где IKЗ - ток короткого замыкания;

tоткл - время отключения;

С - функция, справочные данные.

С увеличением быстродействия токовых защит, возможно по условию термической стойкости, уменьшить сечение кабельной линии, а, следовательно, снизить затраты на кабельные линии связи между электрооборудованием.

По произведённым расчётам величин возникающих погрешностей времен срабатываний при различных факторах были сделаны следующие выводы и рекомендации:

- так как в сети электроснабжения промышленных предприятий первым объектом защиты является понижающий трансформатор, сопротивление которого значительно больше, чем сопротивление системы, погрешности времени срабатывания токовой защиты при изменении сопротивления системы будут незначительными и ей можно пренебречь, а при согласовании с предыдущими защитами данная погрешность учитывается при выборе ступени селективности t (равно 0,3 с);

- значительную погрешность по времени срабатывания вносит двухфазное КЗ в конце защищаемых объектов, однако данная погрешность может быть скомпенсирована применением токовой защиты с определением двухфазного КЗ;

- погрешность времени срабатывания, возникающая при КЗ через переходное сопротивление, следует учитывать только в распределительных сетях, имеющих воздушные линии, сети электроснабжения промышленных предприятий имеют кабельные линии, а, следовательно, данная погрешность не учитывается из-за малого значения сопротивления дуги.

- погрешность по времени срабатывания, возникающая при намагничивании трансформаторов тока находится в допустимых пределах (не превышает 0,1 с).

В четвертой главе, основываясь на результатах диссертационного исследования, создана компьютерная модель системы электроснабжения и 15а устройства ступенчатой токовой защиты с зависимой времятоковой характеристикой, определяющая вид короткого замыкания с использованием системы Matlab и пакета расширения Simulink; проведены результаты компьютерных экспериментов по оценке достоверности разработанной математической модели ступенчатой токовой защиты с зависимой времятоковой характеристикой срабатывания; исследованы в рамках экспериментов факторы, влияющие на быстродействие токовой защиты.

Рис.8. Компьютерная модель системы электроснабжения и ступенчатой токовой защиты с зависимой времятоковой характеристикой срабатывания.

Для подтверждения достоверности математической модели ступенчатой токовой защиты с зависимой времятоковой характеристикой срабатывания в системе Matlab и пакета расширения Simulink была построена компьютерная модель системы электроснабжения напряжением 6 кВ и ступенчатой токовой защиты. Данная компьютерная модель позволяет, рис. 8:

- оценивать достоверность разработанных математических моделей ступенчатой токовой защиты с зависимой времятоковой характеристикой срабатывания по результатам компьютерных экспериментов;

- исследовать факторы, влияющие на быстродействие токовой защиты (изменение сопротивление системы, вид короткого замыкания, замыкание через переходное сопротивление);

- оценивать достоверность разработанной математической модели распознавания токовой защитой двухфазного короткого замыкания и компенсации возникающей при данном виде КЗ погрешности времени срабатывания.

16а При проведении компьютерных экспериментов были получены подтверждения работоспособности предлагаемого алгоритма токовой защиты с зависимой времятоковой характеристикой срабатывания.

Проверка достоверности работы алгоритма проводилась в максимальном режиме работы системы и при трехфазных КЗ, где время срабатывания защиты при КЗ в начале линии 1 равно tустр.=0,04 с, при КЗ в конце линии 1 или в начале Л2 время равно 0,3 с, при КЗ в конце линии Л2 время равно 0,599 с, что соответствует предлагаемой математической модели токовой защиты.

В приложении выносятся схемы электроснабжения промышленных предприятий, расчёты экономической эффективности от применения ступенчатой токовой защиты с зависимой времятоковой характеристикой срабатывания.

В заключение диссертации представлены итоговые результаты.

В работе изложено обоснованное решение важной технической задачи - разработаны новые алгоритмы и модели токовых защит распределительных сетей с повышенным быстродействием и чувствительностью, внедрение которых вносит значительный вклад в народное хозяйство, позволяющие уменьшить затраты на кабельные линии связи между электрооборудованием и устранить критическое воздействие токов короткого замыкания на электрооборудование, приводящее к выходу его из строя; исследована работоспособность предлагаемых алгоритмов работы токовых защит при различных внешних воздействиях.

Основные выводы:

1) Анализ современного состояния релейной защиты электрооборудования систем электроснабжения, проведенный в рамках диссертации, показывает, что релейная защита электрооборудования системы электроснабжения характеризуется рядом особенностей:

- ступенчатые токовые защиты с независимыми характеристиками времен срабатывания сталкивается с проблемой накопления выдержек времени, особенно существенное для головных элементов в многоступенчатых сетях;

- при использовании существующих обратнозависимых времятоковых характеристик необходимо считаться с явлением теплового спада тока КЗ в кабелях, которое приводит к не возможности отключить такое КЗ действием резервной защиты с зависимой характеристикой;

2) Разработанная ступенчатая токовая защита с зависимой времятоковой характеристикой срабатывания для систем электроснабжения промышленных предприятий, где время срабатывания обратно зависит от тока короткого замыкания, позволяет согласовывать последовательно установленные комплекты с меньшим накоплением выдержек времени (повышается быстродействие), также обеспечивается ближнее и дальнее резервирование, требуемая чувствительность и селективная работа защит как своего объекта, так и защит предыдущих объектов. Таким образом, с увеличением быстродействия токовых защит, возможно по условию термической стойкости уменьшить сечение кабельных линии, а, следовательно, 17а снизить затраты на кабельные линии связи между электрооборудованием и устранить критическое воздействие токов короткого замыкания на электрооборудование.

3) Исследуя влияния параметров сети электроснабжения промышленных предприятий на время срабатывания ступенчатой токовой защиты с зависимой времятоковой характеристикой срабатывания, была получена математическая модель, позволяющая, выполнять оценку возникающих погрешностей времени срабатывания токовой защиты:

- при изменении сопротивления системы временные погрешности будут незначительными, а при согласовании с предыдущими защитами данная погрешность учитывается при выборе ступени селективности t (равно 0,3 с);

- значительную погрешность по времени срабатывания вносит двухфазное КЗ в конце защищаемых объектов. Однако данная погрешность может быть скомпенсирована применением токовой защиты с алгоритмом определения двухфазного КЗ;

- погрешность при коротком замыкании через переходное сопротивление следует учитывать только в сети электроснабжения, имеющей воздушные линии, а в сети электроснабжения, имеющей кабельные линии, данные погрешности не учитывают в виду малого значения переходного сопротивления (дуги);

- погрешность времени срабатывания также вносят трансформаторы тока вследствие их намагничивания, однако данные погрешности будут незначительными.

4) Разработанная методика согласования ступенчатой токовой защиты с зависимой времятоковой характеристикой срабатывания для систем электроснабжения промышленных предприятий, имеющих различные параметры сети, позволит достигнуть селективного действия всех защит, и повысить быстродействие предлагаемой ступенчатой токовой защиты.

5) По результатам компьютерных экспериментов ступенчатой токовой защиты с зависимой времятоковой характеристикой срабатывания были получены:

- положительные результаты оценки достоверности разработанной математической модели ступенчатой токовой защиты;

- значения погрешностей времен срабатывания ступенчатой токовой защиты при изменении сопротивления системы, погрешность времени получалась менее 0,1 с, что является приемлемым результатом;

- значения погрешностей времен срабатывания ступенчатой токовой защиты при двухфазном КЗ не удовлетворяют требованиям быстродействия, таким образом, для компенсации погрешности нужно использовать токовую защиту с определением вида КЗ;

- положительные результаты оценки достоверности разработанной математической модели токовой защиты позволяющая определять двухфазное КЗ и тем самым компенсировать погрешность по времени срабатывания при двухфазном КЗ.

18а Основное содержание исследования отражено в публикациях:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК МО и Н РФ 1) Гарке В.Г., Исаков Р.Г., Ференец А.В. Двухступенчатая токовая защита распределительной сети с зависимой характеристикой срабатывания // Энергетика Татарстана №4 (24) 2011 г, с. 60-64.

2) Исаков Р.Г., Гарке В.Г. Концепция развития релейной защиты системы электроснабжения крупного промышленного предприятия / Журнал Известия вузов. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ, №7-8, 2012, c. 46-54.

Материалы конференций и другие публикации 3) Исаков Р.Г. Перспективы развития максимальной токовой защиты с зависимыми характеристиками срабатывания // IV открытая молодежная научно-практическая конференция. Диспетчеризация в электроэнергетике:

проблемы и перспективы. 15-17 декабря 2009 года. Казань.

4) Гарке В.Г., Жегалов А.А., Иванов И.Ю., Исаков Р.Г., Конова Е.А., Куракин С.В., Петрухин С.Б., Хазбулатов З.З. Совершенствование микропроцессорных устройств релейной защиты, автоматики и управления // XVI научно-техническая конференция Обмен опытом проектирования, наладки и эксплуатации устройств РЗА и ПА в энергосистемах Урала. Тезисы докладов. Екатеринбург, 19-22 апреля 2010 г.

5) Гарке В.Г., Жегалов А.А., Иванов И.Ю., Исаков Р.Г., Конова Е.А., Куракин С.В., Петрухин С.Б., Хазбулатов З.З. Развитие микропроцессорных устройств релейной защиты, автоматики и управления (МП РЗАУ) электрических систем // Релейная защита и автоматика энергосистем: Сб.

докладов XX конференции. - М.: Научно инженерное информационное агентство. 2010 - 368 с. С. 203-209 (1-4 июня, ВП Электрификация, ВВЦ, Москва).

6) Исаков Р.Г. Гарке В.Г. Ступенчатые защиты с зависимыми характеристиками / Энергетика глазами молодежи: научные труды всероссийской научно-технической конференции: сборник статей. В 2 т.

Екатеринбург: УрФУ, 2010. Т.2. 330 с, с. 98-102.

7) Исаков Р.Г. Ступенчатые токовые защиты распределительных сетей с зависимой характеристикой срабатывания / Ежегодная открытая молодежная научно-практическая конференция, посвященная Дню энергетика, Филиал ОАО "СО ЕЭС" РДУ Татарстана, 6-9 декабря 2010 года, Казань.

8) Гарке В.Г., Исаков Р.Г. Ступенчатые токовые защиты распределительных сетей с зависимой характеристикой срабатывания // Релейная защита и автоматизация научно-практическое издание. №01 (02), 2011 год, март, стр. 22-26. г. Чебоксары.

9) Гарке В.Г., Исаков Р.Г. Двухступенчатая токовая защита распределительной сети с зависимой характеристикой срабатывания // Энергосистема и активные адаптивные электрические сети: проектирование, эксплуатация, образование. Самара, 21-25 ноября 2011 г.

10) Гарке В.Г., Исаков Р.Г. Двухступенчатая токовая защита распределительной сети с зависимой характеристикой срабатывания // VI ежегодная международная научно-практическая конференция Повышение 19а эффективности энергетического оборудования - 2011. Иваново, 6-8 ноября 2011 г.

11) Исаков Р.Г., Гарке В.Г.. Анализ работы двухступенчатой токовой защиты с зависимой времятоковой характеристикой срабатывания в различных сетях электроснабжения / МАТЕРИАЛЫ ДОКЛАДОВ VII МЕЖДУНАРОДНОЙ МОЛОДЕЖНОЙ НАУЧНОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ТИНЧУРИНСКИЕ ЧТЕНИЯ/ Под общ. ред. канд. техн. наук Э.Ю.

Абдуллазянова. В 4 т.; Т. 3. - Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2012. - 5-6 с.

12) Гарке В.Г., Исаков Р.Г. Ступенчатые защиты с зависимой характеристикой выдержки времени // РЕЛАВЭКСПО - 2012 международная научно-практическая конференция и выставка Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем России Чебоксары, 17-20 апреля 2012 г, с. 34-36.

13) Гарке В.Г., Исаков Р.Г. Ступенчатые защиты с зависимой характеристикой выдержки времени// Международная выставка и XXI конференции Релейная защита и автоматика энергосистем 2012, Москва, 2931 мая 2012.

Патенты РФ 14) Исаков Р.Г. Гарке В.Г.. Патент на полезную модель № 116708 RU, МПК Н02Н 3/08. Устройство с зависимой характеристикой срабатывания для токовой защиты объекта / Опубл. 27.05.2012, Бюл. №15.

_________________________________________________________ Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Печ. л. 1,25. Усл. печ. л. 1,16. Уч.-изд. л. 1,02.

Тираж 100. Заказ А 1Типография КНИТУ-КАИ. 420111, Казань, К. Маркса, 20а Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям