Релейная защита закрытых электроустановок напряжением 0,4-10 кВ с распознаванием повреждений, сопровождаемых электрической дугой

Размещено на http://allbest.ru

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Релейная защита закрытых электроустановок напряжением 0,4-10 кВ с распознаванием повреждений, сопровождаемых электрической дугой

Специальность 05.14.02 - Электростанции и электроэнергетические системы

Луконин Алексей Валерьевич

Новочеркасск 2009 г.

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» на кафедре «Электрические станции»

Научный руководительдоктор технических наук, профессор

НАГАЙ Владимир Иванович

Официальные оппонентыдоктор технических наук, профессор

Богдан Александр Владимирович

кандидат технических наук, доцент

Арцишевский Ян Леонардович

Ведущее предприятиеГОУ ВПО «Ростовский государственный университет путей сообщения»

Защита состоится « 25 » декабря 2009 г. в 14.00 на заседании диссертационного совета Д 212.304.01 при государственном образовательном учреждении высшего и профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» в 107 ауд. главного корпуса по адресу: 346428, г. Новочеркасск Ростовской области, ул. Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке государственного образовательного учреждения высшего и профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)». Автореферат диссертации размещен на официальном сайте ГОУ ВПО ЮРГТУ(НПИ) www.npi-tu.ru.

Автореферат разослан «___» ноября 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.304.01,

доктор технических наукП.Г. Колпахчьян

Общая характеристика работы

Актуальность работы. В электроэнергетической системе наиболее разветвленную структуру представляют электрические распределительные сети 6-10 кВ. Распределительные устройства (РУ) 6-10 кВ выполняются, в основном, в закрытых помещениях или изолированных камерах, то есть являются закрытыми электроустановками.

Комплектуются такие электроустановки ячейками различных типов - закрытыми (комплектные распределительные устройства (КРУ), камеры секционированные одностороннего обслуживания (КСО) и др.), которые выполнены в отдельных шкафах с полным или частичным разделением основных отсеков и огражденными - ячейки старого типа, с фасадной и тыльной стороны которых установлено только сетчатое ограждение для защиты обслуживающего персонала от прикосновения. Особенностью электроустановок со специализированным электрооборудованием, установленным в камерах (трансформатор собственных нужд, реактор и др.) являются большие габаритные размеры при отсутствии внутренних перегородок.

Основной проблемой эксплуатации КРУ является их ограниченная по времени протекания тока термической стойкости локализационная способность (1 с.) при коротких замыканиях (КЗ) через электрическую дугу (ДКЗ), что обусловлено малыми габаритными размерами ячеек. Для огражденных ячеек свойственно быстрое перемещение электрической дуги на шины, обусловленное отсутствием перегородок.

Данные особенности таких электроустановок определяют особые требования к их релейной защите: быстродействие на уровне 5-50 мс; абсолютная селективность (воздействие на коммутационные аппараты разного уровня в зависимости от исполнения защиты и электроустановок); высокая чувствительность.

Для электроустановок камерного типа, например, питающей сети дуговой сталеплавильной печи возможно появление ДКЗ на вводах питающего трансформатора. При этом его максимально-токовые защиты, как правило, не чувствительны к такому повреждению из-за сопоставимости токов нормального и аварийного режимов. На таких объектах в настоящее время не предусмотрена установка специальной защиты от ДКЗ.

С учетом того, что в энергосистеме и на промышленных предприятиях в эксплуатации находится большое количество РУ различных типов, которые не оборудованы специальной защитой от ДКЗ, а установленные устройства морально и физически изношены, то разработка устройств релейной защиты от ДКЗ, удовлетворяющих современным требованиям является актуальной задачей и требует уточнения основных информационных признаков такого повреждения и разработки на их основе новых алгоритмов функционирования защит.

Актуальность данной проблемы также подтверждается п.1.12.5 приказа РАО «ЕЭС России» №120 от 01.07.1998 г. «О мерах по повышению взывопожаробезопасности энергетических объектов», п.5.4.19 Правил технической эксплуатации электрических станций и сетей РФ, в которых определена необходимость установки быстродействующих защит от ДКЗ в КРУ.

Представленные в диссертации результаты получены в Южно-Российском государственном техническом университете (НПИ) при выполнении работ в рамках комплексной научно-технической программы «Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов и повышение эффективности работы электроэнергетических систем», гранта 2006 г. Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002-2006 гг.» и гранта №4998р/7247 от 30 марта 2007 г. программы Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере «СТАРТ-07» 2007-2008 г.

Цель работы. Разработка быстродействующей высокочувствительной релейной защиты с абсолютной селективностью закрытых электроустановок 0,4-10 кВ от коротких замыканий, сопровождающихся электрической дугой.

Для достижения целей работы, решались следующие задачи:

· анализ и оценка наиболее перспективных алгоритмов функционирования релейной защиты закрытых электроустановок напряжением 0,4-10 кВ от повреждений, сопровождающихся открытой электрической дугой;

· экспериментальное и теоретическое исследование режимов ДКЗ в электрической сети 6(10)/0,4 кВ;

· экспериментальное и теоретическое исследование световых полей в закрытых распределительных устройствах (ЗРУ) с общим внутренним пространством, с огражденными и закрытыми ячейками с целью определения чувствительности дуговой защиты;

· разработка алгоритмов функционирования и практическая реализация оптико-электрического многоканального устройства релейной защиты от ДКЗ.

Методы исследований.

Поставленные задачи решались c применением общих положений теории электротехники, теории светотехники, теории подобия и моделирования, натурных экспериментов, математического и физического моделирования с использованием аналитических и численных методов расчетов с применением ЭВМ.

Научная новизна работ соискателя:

1. Уточненная классификация способов идентификации ДКЗ в закрытых электроустановках напряжением 0,4-10 кВ.

2. Новые алгоритмы функционирования быстродействующих оптико-электрических устройств релейной защиты ЗРУ, адаптированные к их конструктивным особенностям и режиму работы.

3. Методика оценки чувствительности дуговых защит ЗРУ с общим внутренним пространством, с огражденными и закрытыми ячейками с учетом влияния затенений и многократных отражений светового потока, излучаемого электрической дугой.

4. Математическая модель питающей сети 6(10)/0,4 кВ с учетом нестационарного характера горения аварийной электрической дуги и шунтирующего влияния нагрузки.

Практическая значимость работы.

1. Определены зоны оптимальной установки и ориентация оптических датчиков в закрытых электроустановках напряжением 0,4-10 кВ (общим внутренним пространством, с огражденными и закрытыми ячейками) по критерию максимальной чувствительности.

2. Разработано быстродействующее многоканальное устройство дуговой защиты ячеек ЗРУ 6-10 кВ, прошедшее натурные испытания в электрической сети 6/0,4 кВ и внедрено в эксплуатацию на подстанциях филиала ОАО «МРСК-Юга»-«Ростовэнерго».

3. Разработана методика проверки чувствительности оптической защиты от ДКЗ для ЗРУ с общим внутренним пространством и оборудованного огражденными ячейками от источника излучения ограниченной мощности.

Основные результаты, выносимые на защиту:

1. Новые алгоритмы функционирования быстродействующих оптико-электрических устройств релейной защиты ЗРУ, учитывающие их конструктивные особенности и режимы работы.

2. Методика оценки чувствительности дуговых защит в закрытых электроустановках напряжением 0,4-10 кВ с учетом влияния затенений и многократных отражений светового потока, излучаемого электрической дугой.

3. Математическая модель питающей сети 6(10)/0,4 кВ с учетом нестационарного характера горения аварийной электрической дуги и шунтирующего влияния нагрузки.

4. Структурные и принципиальные схемы многоканальных оптико-электрических устройств защиты ячеек ЗРУ 6-10 кВ.

Реализация результатов работы:

Быстродействующие многоканальные устройства дуговой защиты типа РДЗ-017М внедрены в эксплуатацию на подстанциях филиала ОАО «МРСК Юга»-«Ростовэнерго». На устройство типа РДЗ-017М получен сертификат соответствия № РОСС RU.AE81. Н02104 Органа по сертификации продукции и услуг ООО «Южный центр сертификации и испытаний» («ООО ЮГ-ТЕСТ»). Устройство защищено патентами РФ и отмечено дипломами на выставках ВВЦ РФ «Релейная защита и автоматика энергосистем» (г. Москва, 2006, 2008 г.г.), «ЭлектроПромЭкспо» (г. Ростов-на-Дону, 2006- 2009 г.г.).

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке специалистов по специальности 14020365 «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем» и магистров по направлению 551700 «Электроэнергетика» (в лабораторных занятиях и дипломном проектировании).

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на Всероссийском конкурсном отборе инновационных проектов аспирантов и студентов по приоритетному направлению программы «Энергетика и энергосбережение» (г. Томск, 2006 г.), на Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2006 г.), Международных выставках-конференциях «Релейная защита и автоматика» (г. Москва, 2006, 2008 г.г.), «Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем» (г. Москва, 2009 г.), на научно-технических конференциях «Энергосбережение, энергетическое оборудование и системы технической диагностики» (г. Ростов-на-Дону, 2005-2008 г.г.), семинарах РАН «Кибернетика электрических систем» по тематике «Электроснабжение промышленных предприятий» и «Диагностика электрооборудования» (г. Новочеркасск, 2005-2008 г.г.), на научных сессиях ЮРГТУ (НПИ) (г. Новочеркасск, 2004-2008 г.г.).

Публикации.

По результатам работы опубликовано: 7 статей в изданиях, рекомендуемых ВАК, 11 публикаций в межвузовских сборниках и периодических изданиях. Получены два патента на полезную модель РФ.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, 10 приложений. Объем пояснительной записки составляет 200 страниц текста, 103 рисунка, 9 таблиц, 19 страниц приложений.

Основное содержание работы

Во введении проанализировано состояние проблемы, определена актуальность темы исследования, сформулирована цель и задачи работы, научная новизна, практическая ценность, использование в учебном процессе и апробация.

Отмечен вклад ученых и специалистов по теме исследования: Григорьева В.А., Дордия А.С., Елисеева И.Н., Кульчинского Я., Крылова И.П., Милохина В.Е., Михайлова Б.В., Михайлова В.В., Нагая В.И., Палея Э.Л., Рыбникова А.С., Сарры С.В., Цыгулева Н.И., и др.

В первой главе проведен анализ причин возникновения ДКЗ и представлены статистические данные по отказам в работе ячеек КРУ, ЗРУ напряжением 6-10 кВ, уточнена классификация информационных признаков ДКЗ, проведен анализ технических решений выполнения дуговых защит и определены перспективные направления их совершенствования. Доказано, что наиболее эффективным способом по повышению надежности распределительных устройств является применение специальных устройств защиты от открытой электрической дуги.

На основании анализа информационных признаков ДКЗ определено, что контроль превышения мощностью электромагнитного (светового) излучения порогового значения позволяет определить наличие электрической дуги в исследуемом объеме ЗРУ. Для повышения надежности систем релейной защиты необходимо контролировать дополнительно другие информационные признаки повреждения, самостоятельное использование которых не позволяет выполнить защиту с необходимым быстродействием и селективностью.

Уточненная классификация информационных признаков ДКЗ приведена на рис.1.

Основным для оптико-электрических дуговых защит на электротехническом рынке, согласно проведенному исследованию, является контроль параметров освещенности (светового потока): модуль (1), спектральный состав сигнала (2) от оптического датчика, его аварийные составляющие (3), а также изменение во времени освещенности (светового потока) (4).

Дополнительными признаками ДКЗ являются параметры тока и напряжения: модули (6,13), гармонические (7,14) и аварийные (9,16) составляющие сигналов, сопротивление (10), вольтамперные характеристики (11), мощность (12), а также время появления или исчезновения тока и напряжения заданного уровня (8,15).

Кроме того, в качестве дополнительных признаков используются параметры проводимости окружающей среды (17), температуры (18) и давления (19) внутри замкнутого объема электроустановки.

электроустановка дуга аварийный



Рис. 1. Уточненная классификация информационных признаков ДКЗ

В главе приведена классификация входных каскадов дуговых защит по типу оптического датчика: сосредоточенные (полупроводниковые фотоприборы или волоконно-оптическая линия с поперечной воспринимающей частью) и распределенные (сгруппированные полупроводниковые фотоприборы или волоконно-оптическая линия с продольной воспринимающей частью). Рассмотрены схемы передачи информации о повреждении.

Во второй главе проведен анализ вариантов комплектации ЗРУ 6-10 кВ камерами (ячейками) различных типов, определены особенности выполнения релейной защиты ячеек ЗРУ, питающих мощные электродвигатели, трансформаторы сталеплавильных печей и др., проанализированы теоретические и экспериментальные параметры электрической дуги, приведено описание разработанной математической модели питающей сети 6(10)/0,4 кВ электроустановки и рассмотрена методика определения повреждения на стороне низшего напряжения.

В главе предложено рассматривать выполнение релейной защиты закрытой электроустановки на основе зонной концепции, что позволяет уменьшить объем отключаемого оборудования. При этом ЗРУ условно разделяется на зоны (рис. 2) при повреждении в которых формируются воздействия на определенные коммутационные аппараты: собственный линейный выключатель, секционный выключатель (СВ), вводной выключатель низшего напряжения (ВВНН), вводной выключатель высшего напряжения (ВВВН).

Рис. 2. Поясняющая схема подстанции с разделением на зоны действия защит

При КЗ в зоне 1 (т.е. ячейке ВВНН) требуется воздействие на коммутационные аппараты стороны высшего напряжения - ВВВН, в то время как при КЗ в зоне 3 (т.е. ячейке шинного моста) достаточно воздействия на ВВНН и СВ.

Ликвидация КЗ в ячейке СВ (зоне 4) требует отключения ВВНН, а при КЗ в ячейке секционного разъединителя или отсеке линейного выключателя (зоне 5), достаточно ограничиться отключением СВ и ближайшего к месту повреждения ВВНН.

Отключение КЗ в отсеке трансформатора тока ячейки линейного выключателя (зона 2) зависит от типа установленного коммутационного аппарата.

При использовании маломасляных выключателей их отключение нецелесообразно из-за возможного взрыва воздушно-водородной смеси газов, и воздействие при этом аналогично при повреждении в зоне 5. При использовании вакуумных выключателей возможно воздействие на них с целью минимизации объема повреждения при условии выявления ДКЗ в отсеке трансформаторов тока и кабельной разделки.

Особыми ячейками КРУ являются ячейки, питающие, например, мощные электродвигатели, печные трансформаторы - электроустановки рабочий режим которых сопровождается изменением токов и напряжений в широких диапазонах и наличием технологических дуговых коротких замыканий К8 (рис.2).

Это затрудняет распознавание аварийных режимов ДКЗ, например, К7, как в ячейках КРУ (ячейки №2 и №4), так и в отдельных камерах (камеры №6 и №7), где расположены питающие сети 6(10) и 0,4 кВ и установлены понижающие трансформаторы (Т3).

Распознавание аварийных режимов в такой питающей сети позволит выполнить быстродействующую защиту рассматриваемых электроустановок и обеспечить высокую чувствительность основной защиты питающего присоединения.

С целью определения отличительных признаков эксплуатационного режима, связанного с появлением ДКЗ и аварийного режима на шинах низшего напряжения трансформатора было проведено комплексное экспериментальное исследование режимов работы электроустановок на предприятии ОАО «Тагмет» (г. Таганрог), трансформаторном пункте ОАО «Аэропорт Ростов-на-Дону» (г. Ростов-на-Дону) и в лабораторных условиях на кафедре ЭС ЭнФ ЮРГТУ (НПИ).

Анализ полученных результатов для разного материала электродов (рис.3), длин дуг и параметров питающей сети позволил определить наиболее характерную вольт-амперную характеристику (ВАХ) дуги для сетей до 1000 В без учета нестационарного характера ее горения (рис. 4).

При этом, параметры характеристики для графита и стали могут использоваться для создания модели ВАХ дуги в эксплуатационных режимах, так как дуга горит между графитироваными или стальными электродами и расплавом, а параметры ВАХ для меди - для аварийных режимов ДКЗ между медными шинами питающей сети.

Рис. 3. ВАХ электрической дуги переменного тока для разного материала электродов

На основе экспериментальных данных в среде визуального моделирования Simulink системы MatLab разработана математическая модель динамической ВАХ дуги, описываемая системой линейных уравнений.

С учетом того, что характеристика симметрична относительно начала координат ниже приведено математическое описание для первого квадранта.



Рис. 4. Динамическая ВАХ дуги

Такое математическое описание ВАХ не отражают нестационарного характера горения электрической дуги вследствие изменения теплового состояния газового промежутка.

Анализ экспериментальных ВАХ показал случайный характер изменения напряжения на дуге и тока.

В среде визуального моделирования Simulink системы MatLab разработана математическая модель динамической ВАХ дуги, которая используется в расчетах режимов электроустановок напряжением до 1000 В.

Особенностью модели является учет нестационарного характера горения электрической дуги при использовании генератора случайных чисел для определения значения приращения величины напряжения.

Для оценки погрешности математической модели электрической дуги, полученной в работе произведено сравнение результатов математического моделирования в трехфазной сети с дугой (рис.5) с данными физического моделирования, проведенного на кафедре ЭС ЮРГТУ(НПИ).



Рис. 5. Результаты математического моделирования

Сравнение проведено по ряду показателей: уровни тока и напряжения; форма напряжения - анализ гармонического состава расчетных и экспериментальных данных (рис. 5, а) выявил доминирующее влияние нечетных гармоник (3, 5, 7 и 9) на форму сигнала напряжения.

При этом их уровень составил 93% от уровня основной гармоники в обоих случаях; форма тока (рис. 5, б) близка к синусоиде, уровень высокочастотных составляющих от уровня основной гармоники составил 10%, что определено наличием характерной для режима ДКЗ паузы тока в момент перехода через нуль; предельно допустимое значение суммы установившегося размаха изменений напряжения U_t равно ± 5% от номинального напряжения, что согласуется с результатами экспериментальных исследований.

Структура математической модели, рассматриваемой сети в среде визуального моделирования Simulink системы MatLab представлена на рис. 6 б.

а)

б)

Рис. 6. Схема замещения питающей сети 6/0,4 кВ (а) и структура ее математической модели (б)

На основе анализа рассмотренных параметров доказано, что математическую модель электрической дуги возможно использовать для расчета и анализа аварийных режимов в сети до 1000 В, в том числе, низковольтной питающей сети сталеплавильного трансформатора, т.е. для решения практических задач: настройки релейной защиты и автоматики, проверки чувствительности релейной защиты при разных видах ДКЗ и др.

Схема замещения трехфазной питающей сети 6/0,4 кВ сталеплавильного трансформатора представлена на рис. 6 а, которая учитывает: симметричный источник синусоидального напряжения (e_A= e_B= e_C=U_msinщt); активно-индуктивный характер подводящей цепи высшего напряжения (r_A, L_A, r_B, L_B, r_C, L_C); наличие трехфазного двухобмоточного трансформатора; активно-индуктивный характер цепи низшего напряжения (короткой сети) с учетом взаимоиндукции линий (r_a, L_a, r_b, L_b, r_c, L_c, M_ab, M_bc, M_ca); наличие нелинейного элемента - электрической дуги эксплуатационного режима (R_Да, R_Дb, R_Дc); наличие внутрипечных сопротивлений при симметричной нагрузке печи (r_шАВ, r_шBC, r_шCA); наличие нелинейного элемента - аварийной электрической дуги (R_Д.ав) между шинами питающей сети.

На рис.7 приведены результаты математического моделирования процессов в питающей сети низшего напряжения в нормальных эксплуатационных, например, трехфазное ДКЗ (К1, К2, К3 см рис.6 б) (рис.7, а и б) и аварийных режимах, например, ДКЗ между фазами А и В короткой сети в нагрузочном режиме питающей сети (К1, К2, К3, К4 см рис.6 б) (рис.7, в и г). Сигналы получены от измерительных трансформаторов тока (ТТ) и напряжения (ТН), установленных на высшей (за выключателями см. рис. 7, б и г) и низшей (в цепи проходного изолятора, отделяющего жесткую ошиновку от гибкой ошиновки питающей сети см. рис. 7, а и в) сторонах питающего трансформатора. Возможность использования модели для расчета различных режимов подобных электроустановок подтверждается результатами натурных экспериментов, выполненных в сети 0,4/6 кВ предприятия ОАО «Тагмет» (г. Таганрог).

Отличительной особенностью режимов работы рассматриваемого трансформатора является широкий диапазон регулирования напряжения, изменение схем соединения обмоток в процессе плавки, что затрудняет реализацию токовой дифференциальной защиты даже при условии автоматического отслеживания коэффициента трансформации.

На основе анализа исследуемых нормальных и аварийных режимов предложены несколько вариантов выполнения пускового органа защиты сети питающего трансформатора, основанные на контроле: параметров ВАХ короткозамкнутой сети, формы токов в несимметричных аварийных режимах (рис.7, в и г), наличии токов со стороны высшего и низшего напряжения трансформатора (логическая защита).

а)	б)
в)	г)
Рис. 7. Результаты математического моделирования питающей сети 6/0,4 кВ

В третьей главе приведены новые алгоритмы функционирования оптико-электрических защит, доказана возможность построения защиты огражденных ячеек с установкой оптических датчиков вне защищаемого оборудования, рассмотрена методика определения реальных параметров чувствительности для ячеек закрытого и огражденного типа.

Показано, что алгоритмы функционирования защиты определяются конструктивным исполнением электроустановки и ее режимами работы (объединение секций и т.д.).

Для ЗРУ с ячейками отсеки которых изолированы друг от друга (рис. 8, а) возможно воздействовать на собственный выключатель присоединения при условии нахождения ДКЗ в отсеке трансформаторов тока и кабельной разделки (ТТиКР) без выдержки времени, а если повреждение не устранилось, то с выдержкой времени D^t2 воздействовать на выключатели питающих присоединений. Такой алгоритм приведен ниже:

F_n = Y_n Y_In D^t1;

F_П = ((Y_В Y_С) D^t1 (Y₁ … Y_n) D^t2) (Y_IВ Y_IС) ,

где F_n, F_П - выходной сигнал защиты на отключение n-го выключателя отходящего и питающего присоединения секции;

Y_n, Y_В, Y_С - выходные сигналы устройств дуговой защиты, установленных в n -ой ячейке отходящего присоединения, ввода и секционного выключателя;

Y_I1…Y_In, Y_IВ, Y_IC - выходные сигналы максимальных токовых защит отходящего присоединения, ввода и секционного выключателя;

D^t1 - выдержка времени первой ступени защиты ЗРУ (для быстродействующих защит D^t1?0 с);

D^t2 - выдержка времени второй ступени защиты ЗРУ.

Если невозможно обеспечить селекцию повреждения в отсеках ТТиКР, например, для ЗРУ с огражденными ячейками (рис. 8, б), отсеки смежных ячеек которых имеют общее оптически связанное пространство, и (или) существует вероятность взрыва воздушно- водородной смеси при отключении собственных маломасляных выключателей присоединений, то необходимо воздействовать на выключатели питающих присоединений без выдержки времени.

Алгоритм функционирования защиты имеет вид: F_П = (Y₁ … Y_n Y_В Y_С) (Y_IВ Y_IС) D^t1.

Рис. 8. Возникновение замыкания в ячейках КРУ (а) и огражденных ячейках (б)

Возможность селекции поврежденного отсека ТТиКР и действия на вакуумные выключатели присоединений для ЗРУ с огражденными ячейками обеспечивается при условии контроля тока каждого присоединения и светового потока в ЗРУ.

В данном случае целесообразно устанавливать один распределенный оптический датчик на секцию. Наличие пуска по току исключает ложные действия защиты и обеспечивает ее селективность за ТТ.

Исключение «мертвой зоны» между выключателем и ТТ достигается применением логической защиты шин (ЛЗШ) со следующим алгоритмом функционирования: F_ЛЗШ=Y_{IВ I1 In} D^t1. При этом алгоритм функционирования оптико-электрической защиты будет следующим:

F_n = Y_m Y_In D^t1;

F_П = Y_m (Y_IВ Y_IС) D^t2 ,

где Y_m - выходной сигнал устройства дуговой защиты ЗРУ с распределенным датчиком информации.

В работе определена и доказана возможность построения защиты высоковольтных огражденных ячеек с установкой датчиков вне защищаемого оборудования с их ориентацией как на источник светового сигнала (дугу), так и на отражающий участок элементов ЗРУ, что снижает технологические затраты на монтаж и наладку защиты и не требует отключения электроустановки при этом.

Для этого был проведен ряд экспериментов по определению чувствительности дуговой защиты в местах возможной установки фотодатчиков с учетом конструктивного исполнения объекта защиты - эксплуатационного прохода длиной l_к и шириной b_к ЗРУ с огражденными ячейками.

Экспериментально определены уровни освещенности как на противоположной (прямая составляющая освещенности источника), так и на прилежащей стене (отраженный свет).

Полученные зависимости представлены на рис.9, а и б соответственно.

При этом этим зависимостям соответствуют следующие варианты конструктивного исполнения объекта для коридора шириной 1,5 м: 1 - при отсутствии стенок ячеек, т.е. без учета затенения (рис.9, а); 2 - с учетом затенений и отражений от стен смежных ячеек (рис.9, а); 3 - то же и от верхней крышки ячейки (рис.9, а); 4 - то же и от установленного оборудования (рис.9, а).

Рис. 9. Определение чувствительности защиты ЗРУ с огражденными ячейками

Анализ полученных результатов показал, что минимальное возможное расстояние между датчиками Дl, обеспечивающие перекрытие смежных зон чувствительности возрастает при увеличении мощности источника.

Например, для оптического датчика, ориентированного на источник света при мощности источника 2,5 МВА шаг установки фотодатчиков равен Дl₁=1,5 м, а при 10 МВА - Дl₂=2,2 м - для 4 варианта (рис.9, а).

Для фотодатчика, ориентированного на отражающий участок стены (рис.9, б) при мощности источника 2,5 МВА шаг установки фотодатчиков равен Дl₃=0,7 м, а при 10 МВА - Дl₄=3,4 м.

Минимальное и достаточное количество датчиков на сторону секции огражденных ячеек возможно определить из условия: n?l_к/Дl+1, шт.

Защита обладает достаточной чувствительностью при ДКЗ в i-ой точке при выполнении условия: k_Чi= E_ДЕЙСТi/ E_СР ?1,5.

При этом действующее значение освещенности равно

E_ДЕЙСТi=E_РАСЧik_ОБik_ЗАМi,

где E_РАСЧi=f(d_Д,l_Д,T_Д,I_КЗ,б_Р) - расчетное значение освещенности для i-ой точки для угла ориентирования источника б_Р относительно плоскости замера, которое зависит от параметров самой дуги (диаметра столба электрической дуги d_Д, ее длины l_Д и температуры T_Д) и параметров питающей сети - тока короткого замыканий I_КЗ; k_ЗАМi=f(x,y,z,б_ФД,k_Д) - коэффициент, учитывающий изменение уровня реальной освещенности для точки замера с координатами x,y,z для оптического датчика ось которого образует угол б_ФД с перпендикуляром к плоскости замера и коэффициента искажения уровня замеряемого сигнала

k_Д, зависящего от параметров диаграммы направленности датчика;

k_ОБi - коэффициент, учитывающий изменение освещенности в зависимости от степени заполнения оборудованием ячеек.

Для ЗРУ с электротехническим оборудованием специального назначения, высоковольтное оборудование которого расположено в специальной камере с общим внутренним объемом и не имеет защитных перегородок, например, сталеплавильный трансформатор, существует проблема определения повреждения, возникающего на шинах высшего и низшего напряжения.

Применение пуска по току затруднено, так как максимальная токовая защита, как правило, не чувствительна к ДКЗ из-за сопоставимости уровней токов токам нормального рабочего режима.

Применение предлагаемой защиты на оптическом принципе позволяет выполнить быстродействующую защиту электроустановки и осуществлять пуск, установленной на подстанции основной защиты питающего присоединения.

Для надежного функционирования оптической защиты возможно использование мажоритарного принципа ее построения.

Сигнал на отключение выключателей питающих присоединений формируется только при условии появления выходных сигналов о совместном срабатывании смежных устройств защиты со взаимопересекающимися зонами действия в области защищаемого объекта, а алгоритм функционирования защиты может быть представлен в следующем виде:

F_П = Y _z3 (Y _z1 Y _z2) D ^t1,

где Y _z1…Y _zn - выходные сигналы устройств защиты n-ой зоны.

Рис. 10. Зоны чувствительности оптической защиты камеры питающего трансформатора

Его особенностью является наличие пускового сигнала от одного из устройств, которое имеет общие области функционирования с другими устройствами, контролирующими световой поток в пределах своих зон.

То есть команда на отключение питания появится только при условии наличия сигнала о срабатывании не менее чем от двух устройств защиты. На рис.10 показаны области чувствительности смежных устройств (KE1, КЕ3 и KE2, КЕ3) защиты вводов трансформатора типа ЭТМПК-3200/10 для источников излучения различной мощности: 1 - 1,5 кВт, 2 - 5 кВт и 3 - 1 МВт.

При этом 1 и 2 приведены с целью доказательства возможности проверки работоспособности защиты источником ограниченной мощности. Проведенный анализ областей чувствительности показал, что при мощности источника излучения 1 МВт (минимальный режим работы рассматриваемого трансформатора) защита питающей сети низшего напряжения, высоковольтной сети и вводов трансформатора обеспечивается полностью.

В работе представлены экспериментальные данные по расширению зоны чувствительности сосредоточенных оптических датчиков при учете влияния «помогающего» эффекта, обусловленного многократными отражениями от установленного в ячейках КРУ оборудования и элементов конструкции.

В четвертой главе сформулированы основные требования к оптико-электрическим защитам, рассмотрены варианты схем исполнения защиты ячеек ЗРУ, проведен анализ существующих оптических датчиков, приведен алгоритм функционирования и принципиальная схема многоканального устройства дуговой защиты.

На основе проведенного анализа литературных источников и экспериментальных исследований сформулированы основные требования к оптико-электрическим устройствам защиты: по быстродействию - время срабатывания t_СР < 5 - 50 мс; по чувствительности - пороговый уровень освещенности E^СВ>5000 Лк.

В главе определены области применения и типовые схемы исполнения защит различных типов (индивидуальные, централизованные, индивидуально-централизованного типа).

Произведен сопоставительный анализ характеристик фотоприборов (фотодиод, фототранзистор и датчик просветного типа) в результате которого для реализации защиты принят оптический датчик на основе фотодиода с максимальной чувствительностью в инфракрасном спектре частот.

При этом его характеристика чувствительности включает область видимого спектра частот, что удобно для оценки работоспособности устройства защиты при освещении лампой накаливания. Анализ диаграммы направленности такого датчика позволил определить угол его обзора, который составил - 100⁰.

Разработаны принципиальные схемы входного каскада устройства. Проведен анализ функционирования схемотехнических моделей в среде OrCAD на их базе: измерительного органа (ИО) с изменяющимся коэффициентом передачи; ИО на основе генератора с изменяющейся частотой и ИО с контролем изменения параметров входных сигналов (принятого за основу входного каскада многоканального устройства защиты типа РДЗ-017М).

На рис.11 представлена структурная схема одного канала устройства, состоящая из фотодатчиков (ФД), частотного фильтра (ЧФ), пороговых элементов каналов срабатывания (ПЭ1) и теста (ПЭ2), органа времени (ОВ), обеспечивающего отстройку от импульсных помех и логического элемента (ЛЭ), реализующего алгоритм функционирования защиты и выходного элемента (ВЭ) сигнал которого направлен в схему автоматики подстанции. Тестовое воздействие формируется ЛЭ через генератор тестового сигнала (ГТС).



Рис. 11. Структурная схема канала устройства РДЗ-017М

Работа устройства поясняется упрощенной функциональной схемой одного его канала (рис. 12). Устройство работает в двух режимах - в рабочем и тестовом. Переключение режимов осуществляется ключом SA1. В режиме теста устройство выводится из работы при этом осуществляется проверка целостности цепи фотодатчиков последовательно всех каналов - при помощи порогового элемента DU2 формируется сигнал «Неисправность» и поврежденный канал выводится из работы.

Рис. 12. Функциональная схема канала устройства РДЗ-017М

В рабочем режиме при появлении сигнала о срабатывании u=f(E) пропорционального освещенности и превышающего пороговое значение элемент DT1 начинает набор выдержки времени первой ступени защиты при наборе которой сигнал о срабатывании поступает на вход логического элемента И DX1. При совпадении этого сигнала с сигналом токового реле формируется сигнал на отключение собственного выключателя присоединения. Если повреждение не локализовано в собственной ячейке логический элемент DT2 набирает выдержку времени второй ступени защиты и действует через логический элемент И DX2 на выключатели питающих присоединений. При замыкании во входной цепи устройства элемент DT3 набирает выдержку времени третьей ступени защиты, после чего формируется сигнал «Неисправность» и канал выводится из работы.

Проведенные испытания на физической модели и натурные испытания подтвердили работоспособность многоканального устройства дуговой защиты, которое было сертифицировано и внедрено в эксплуатацию в сетевые предприятия энергосистемы «Ростовэнерго».

Заключение

Основные результаты, полученные в настоящей работе, могут быть сформулированы следующим образом.

1. Уточнена классификация способов определения ДКЗ в закрытых электроустановках напряжением 0,4-10 кВ. Подтверждено, что наиболее предпочтительным является контроль мощности электромагнитного излучения внутри защищаемого объекта и тока короткого замыкания на вводах.

2. Выполнена классификация существующих технических решений отечественных и иностранных производителей дуговых защит по основным свойствам и параметрам, датчикам информации.

3. Разработана математическая модель питающей сети 6(10)/0,4 кВ с учетом нестационарного характера горения аварийной электрической дуги и шунтирующего влияния нагрузки.

4. Разработаны новые алгоритмы функционирования быстродействующих оптико-электрических устройств релейной защиты ЗРУ, адаптированные к их конструктивным особенностям и режиму работы.

5. Разработана методика оценки чувствительности дуговых защит ЗРУ с общим внутренним пространством, с огражденными и закрытыми ячейками с учетом влияния затенений и многократных отражений светового потока, излучаемого электрической дугой.

6. Разработано быстродействующее многоканальное устройство дуговой защиты ячеек ЗРУ 6-10 кВ, прошедшее натурные испытания в электрической сети 6/0,4 кВ и внедрено в эксплуатацию на подстанциях филиала ОАО «МРСК-Юга»-«Ростовэнерго».

Основные публикации по теме диссертации

Научные статьи, опубликованные в изданиях по списку ВАК

1. Луконин, А.В. Построение многоканальных дуговых защит КРУ 6-10 кВ с оптико-электрическими датчиками информации [Текст]/ А.В. Луконин, А.С. Рыбников, В.И. Нагай, С.В. Сарры, А.С. Сидненко, И.В. Нагай// Изв. вузов. Электромеханика.- 2007.- Спецвыпуск.- С. 20-22.

2. Нагай, В.И. Быстродействующая оптико-электрическая релейная защита высоковольтных электроустановок корпусной конструкции [Текст]/ В.И. Нагай, С.В. Сарры, А.С. Рыбников, А.В. Луконин// Изв. вузов. Электромеханика.- 2007.- № 4.- С.67-71.

3. Нагай, В.И. Оптико-электрическая релейная защита короткой сети сталеплавильной печи от дуговых коротких замыканий [Текст]/ В.И. Нагай, А.В. Луконин, С.В. Сарры// Изв. вузов. Электромеханика.- 2007.- Спецвыпуск. - С. 19-20.

4. Луконин, А.В. Экспериментальное исследование чувствительности оптико-электрической защиты высоковольтных распределительных устройств открытого типа [Текст]/ А.В Луконин// Изв. вузов Сев. Кав. регион. Техн. науки.- 2008.- №6.- С.71-74.

5. Луконин, А.В. Анализ вариантов построения оптико-электрической защиты распределительных устройств 6-10 кВ открытого типа/ А.В Луконин// Изв. вузов. Электромеханика.- 2008.- Спецвыпуск.- С. 96-98.

6. Луконин, А.В. Алгоритмы функционирования дуговых защит закрытых распределительных устройств [Текст]/ А.В Луконин// Изв. вузов. Электромеханика.- 2008.- Спецвыпуск.- С. 98-100.

7. Нагай, В.И. Оценка области применения локальных и централизованных устройств и систем дуговой защиты высоковольтного оборудования [Текст]/ В.И. Нагай, С.В. Сарры, А.С. Рыбников, А.В. Луконин// Изв. вузов. Электромеханика.- 2008.- Спецвыпуск. - С. 106-108.

Публикации в других изданиях, патенты

8. Нагай, В.И. Шаг на пути создания комплексной релейной защиты от повреждений, сопровождающихся электрической дугой [Текст]/ В.И. Нагай, С.В. Сарры, А.С. Рыбников, В.В. Нагай, Г.Н. Чмыхалов, Р.С. Куприянов, А.В. Луконин// Современные энергетические системы и комплексы и управление ими: Материалы V Междунар. науч.-практ. конф., г. Новочеркасск, 27 мая 2005 г.: В 2 ч. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск: ЮРГТУ.- 2005.- Ч. 2.- 68 с.

9. Луконин, А.В. Микропроцессорные устройства оптико-электрической дуговой защиты ячеек КРУ 6…10 кВ [Текст]/ А.В. Луконин, М.Ю. Новиков, И.В. Нагай, Д.С. Иванов, И.С. Тишаков, А.С. Сидненко, В.И. Нагай// Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Двенадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студ. и асп.: Тез. докл. В 3-х т.- М.: МЭИ.- 2006.- Т.3.- С. 371-373.

10. Нагай, В.И. Оптические дуговые защиты КРУ 6-10 кВ [Текст]/ В.И. Нагай, А.С. Рыбников, А.В. Луконин// Новости электротехники.- 2006.- №2(38).- С. 93-95.

11. Нагай, В.И. Дуговые защиты КРУ 6-10 кВ с продольно-поперечным включением оптических датчиков [Текст]/ В.И. Нагай, С.В. Сарры, А.В. Луконин, Д.С. Иванов, И.В. Нагай, И.С. Тишаков// Релейная защита и автоматика энергосистем 2006: Выст. и конф. Сб. докл. ВВЦ, г. Москва.- 2006.- Доп. к сбор. докл.- С. 34-38.

12. Нагай, В.И. Дуговые защиты КРУ 6-10 кВ на базе многоканального микропроцессорного устройства РДЗ-017м [Текст]/ В.И. Нагай, С.В. Сарры, А.В. Луконин, Д.С. Иванов, И.В. Нагай, И.С. Тишаков, В.В. Лагунов, А.С. Рыбников// Современные энергетические системы и комплексы и управление ими: Материалы VI Междунар.науч.-практ. конф., г. Новочеркасск: В 2 ч./ Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ).- Новочеркасск: ЮРГТУ.- 2006.- Ч.1.- С. 68-73.

13. Нагай, В.И. Оптико-электрическая защита сталеплавильной печи от дуговых коротких замыканий [Текст]/ В.И. Нагай, А.В. Луконин, С.В. Сарры// Изв. вузов. Сев.-Кав. регион. Техн. науки. Приложение №15. Диагностика энергооборудования (Материалы XXVIII сессии Всерос. сем. «Кибернетика энергетических систем», г.Новочеркасск, 25-26 октября 2006 г.»).- 2006.- С. 93-95.

14. Луконин, А.В. Система диагностирования и релейной защиты кабельных линий комплектных распределительных устройств и трансформаторов [Текст]/ А.В. Луконин, Р.С. Куприянов, И.В. Нагай, А.С. Сидненко, А.С. Чернышов, П.А. Скляров// Всерос. конкурс инновационных проектов студ. и асп. по приоритетному направлению «Энергетика и энергоснабжение»: Каталог заявленных инновационных проектов. Томск: ТПУ 2006 г., С. 108.

15. Нагай, В.И. Оптико-электрическая защита сталеплавильной печи от дуговых коротких замыканий [Текст]/ В.И. Нагай, А.В. Луконин, С.В. Сарры// Науч.-практ. конф. «Проблемы энергоснабжения и технической диагностики энергетического оборудования». г. Ростов-на-Дону, ВЦ «ВертолЭкспо».- 2007.- С. 49-50.

16. Нагай, В.И. Многоканальные оптико-электрические дуговые защиты КРУ 6-10 кВ [Текст]/ В.И. Нагай, А.С. Рыбников, А.В. Луконин, С.В. Сарры// Науч.-практ. конф. «Проблемы энергоснабжения и технической диагностики энергетического оборудования». Список трудов. г. Ростов-на-Дону, ВЦ «ВертолЭкспо».- 2007.- С. 58-63.

17. Луконин, А.В. Переход от одноканальных устройств к многоканальным системам дуговой защиты ячеек КРУ 6-10 кВ [Текст]/ А.В. Луконин, И.В. Нагай, А.С. Сидненко// Современные энергетические системы и комплексы и управление ими: Материалы VII Междунар. науч.-практ. конф., г. Новочеркасск: В 2 ч./Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ)- Новочеркасск: ЮРГТУ.- 2007.- Ч.1- С.67-70.

18. Нагай, В.И. Быстродействующие релейные защиты высоковольтного оборудования корпусной конструкции с датчиками электрических и неэлектрических величин [Текст]/ В.И. Нагай, С.В. Сарры, А.В. Луконин// Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем. Сборник докладов. Междунар.науч.техн.конф. Москва.- 2009.- С. 425-432.

19. Пат. 71042 РФ, МПК H02H 7/22. Устройство адаптивной дуговой защиты электрооборудования корпусной конструкции [Текст]/ Нагай В.И., Нагай И.В., Луконин А.В. - Опубл. 2008, Бюл.№5.

20. Пат. 71043 РФ, МПК H02H 7/22, H02H 3/08. Устройство многоканальной дуговой защиты комплектных распределительных устройств [Текст]/ Нагай В.И., Сарры С.В., Нагай И.В., Луконин А.В. - Опубл. 2008, Бюл.№5.

Личный вклад соискателя в работы, опубликованные в соавторстве, состоит в

[1, 7, 10] - в разработке схем релейной защиты КРУ 6-10 кВ на базе многоканальных устройств защиты,

[2] - в разработке вариантов построения быстродействующей релейной защиты высоковольтных закрытых электроустановок на основе реле типа РДЗ,

[3, 13, 15] - в разработке алгоритма функционирования оптико-электрической защиты питающей сети печного трансформатора,

[8] - в обосновании вариантов построения комплексной релейной защиты от ДКЗ,

[9] - в разработке микропроцессорного устройства релейной защиты,

[11] - в разработке структуры оптико-электрической защиты с продольно-поперечным включением датчиков информации,

[12, 16] - в разработке схем защит КРУ 6-10 кВ на основе быстродействующего многоканального устройства типа РДЗ-017М,

[14,18] - в уточнении информационных признаков, используемых оптико-электрическими дуговыми защитами,

[17] - в оценке эффективности применения одноканальных и многоканальных устройствах защиты,

[19, 20] - в разработке структурной схемы устройства дуговой защиты.

Размещено на Allbest.ru