ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Лавшонок Андрій Валерійович

УДК 621.316.9:621.616.13

СЕЛЕКТИВНИЙ ЗАХИСТ ВІД ОДНОФАЗНИХ ЗАМИКАНЬ НА ЗЕМЛЮ в Радіальних ЕЛЕКТРИЧНИХ МЕРЕЖАХ 6(10)кВ

Спеціальність: 05.14.02 - Електричні станції, мережі i системи

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Донецьк – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донецькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України, м. Донецьк

Науковий керівник - кандидат технічних наук, доцент Гуляєв Борис Васильович, Донецький національний технічний університет МОН України, м. Донецьк професор-консультант кафедри “Гірничозаводського транспорту і логістики”

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Дзюбан Віталій Серафімович, Донецький національний технічний університет професор кафедри “Електропостачання промислових підприємств та міст”

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Масляник Володимир Васильович,

Інститут електродинаміки НАН України, м. Київ, старший науковий співробітник відділу “Автоматизація електричних систем”

Провідна установа - Приазовський державний технічний університет МОН України, м. Маріуполь, кафедра “Електропостачання промислових підприємств”

Захист відбудеться “14” квітня 2005р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д11.052.02 Донецького національного технічного університету за адресою: 83000, м. Донецьк, пр. 25-річчя РСЧА, 1, 8-й навчальний корпус, ауд 8.704.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці ДонНТУ (83000, м. Донецьк, вул. Артема 58, II навчальний корпус).

Автореферат розісланий “11” березня 2005р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

Д11.052.02, к.т.н., доц. А.М. Ларін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Складні умови експлуатації електричних мереж обумовлюють виникнення аварій, що часто стають причиною не тільки економічних втрат, але і людських жертв. Більшість ушкоджень в електричних мережах супроводжується однофазними замиканнями на землю (ОЗЗ). Тривале існування замикань на землю в системах електропостачання підприємств пов'язане із небезпеками, що можуть призвести до вибуху, пожежі, поразці людини електричним струмом, переходу однофазних замикань у багатомісні. У зв'язку з цим підвищується важливість застосування захистів від однофазних замикань на землю. Ефективність захистів від ОЗЗ істотно впливає на безпеку і безперебійність системи електропостачання підприємства. Радіальні електричні мережі широко поширені і використовуються на багатьох промислових підприємствах України, у тому числі і на вугільних шахтах.

Електричні мережі вугільних шахт експлуатуються в найбільш важких і небезпечних умовах. У зв'язку з цим у роботі питання побудови селективних захистів від ОЗЗ у радіальних електричних мережах розглянуті на прикладі електричних мереж вугільних шахт, як найбільш небезпечних та таких що потребують ефективного захисту від аварійних режимів.

Однофазні замикання на землю складають 65-75% від загального числа ушкоджень у підземних високовольтних електричних мережах вугільних шахт і часто стають причинами вибухів і пожеж. Так, наприклад, до 16% пожеж на вугільних шахтах пов'язані з ушкодженнями підземних високовольтних ліній електропередач, що супроводжуються ОЗЗ. У зв'язку з цим безперебійний контроль однофазних замикань у підземних мережах вугільної шахти є обов'язковим, і відповідно до діючих правил безпеки, у підземних мережах повинні застосовуватися захисти від замикань на землю. Підвищити існуючий рівень безпеки експлуатації електричних мереж можливо за рахунок наступних заходів: підвищення чутливості пристроїв захисту (у тому числі і за рахунок розширення спектра частот контрольованих сигналів), застосування резервування, а також за рахунок підвищення надійності апаратів захисту обумовленого використанням сучасної елементної бази і нових технічних рішень.

Удосконалення, спрямовані на підвищення безпеки, не повинні привести до зниження (а, як ціль, необхідно прагнути до підвищення) економічних показників шахти в цілому (зниження експлуатаційної надійності, у тому числі, обумовлене невиправданими відключеннями споживачів).

Для зменшення числа невиправданих відключень споживачів обумовлених дією захистів від ОЗЗ, необхідно застосовувати селективні пристрої захисту. Крім того, для підвищення надійності систем електропостачання вугільних шахт варто прагнути до зменшення зон дії окремих апаратів захисту, що може бути досягнуто за рахунок використання пристроїв із функцією поздовжньої селективності для захисту ліній, що живлять групу споживачів (магістральні і стволові кабелі) .

В теперішній час застосовуються селективні пристрої захисту від однофазних замикань на землю різних типів. Інтенсивні роботи по створенню пристроїв захисту від однофазних замикань на землю що забезпечують поперечну селективність пов'язані із стрімким розвитком гірничої енергетики і продовжуються продовж останніх 50 років. Створенням селективних пристроїв захисту від ОЗЗ займалися Цапенко Е.Ф., Сирота І.М., Щуцкий В.І., Задорожний В.І., Кискачі В.М., Шкрабець Ф.П., Масляник В.В., Дзюбан В.С., Айдаров Ф.А., Савицький В.М., Богаченко А.Е., Бухтояров В.Ф., Дударев Л.Е., Шулика Н.М. і ін. Вони внесли істотний вклад, як у створення пристроїв захисту, так і в розвиток теоретичної бази їх побудови. Існуючі пристрої не забезпечують поздовжньої селективності. Відомі розробки в області побудови захистів від ОЗЗ, що забезпечують такий вид селективності мають недоліки, пов’язані з їх нестабільною роботою. У зв'язку з цим пристрої захисту від ОЗЗ із функцією поздовжньої селективності для вугільних шахт серійно не виготовляються і не застосовуються.

Викладене свідчить про те, що задача підвищення ефективності експлуатації радіальних електричних мереж напругою 6(10)кВ за рахунок удосконалювання існуючих і розробки нових захистів від ОЗЗ - актуальна.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні дослідження дисертаційної роботи відповідають науковому напрямку діяльності кафедри “Гірнича електротехніка і автоматика” ДонНТУ (науково-дослідна робота № Г-16-2000 “Теоретичні основи побудови системи захисту від однофазних замикань на землю у високовольтних розподільчих мережах вибухонебезпечних виробництв”).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності експлуатації радіальних електричних мереж напругою 6(10)кВ за рахунок удосконалювання способів і засобів захисту від струмів однофазного замикання на землю, спрямованих на забезпечення поздовжньої селективності при будь-яких видах замикань.

Для досягнення мети в роботі вирішуються наступні задачі:

1. Обґрунтування принципу захисту від однофазних замикань на землю у високовольтних радіальних електричних мережах, що забезпечує поздовжню селективність.

2. Розробка математичної моделі електричної мережі, що захищається, і пристрою захисту, що дозволяє одержати основні залежності для непрямого виміру миттєвих значень зосередженого струму ОЗЗ у зоні дії захисту.

3. Обґрунтування схемних рішень і параметрів елементів пристрою захисту від ОЗЗ, що забезпечує поздовжню селективність для розподільчих мереж напругою 6(10)кВ вибухонебезпечних виробництв.

4. Обґрунтування методів непрямого виміру миттєвих значень струму ОЗЗ і їхнього аналізу для формування мікропроцесорними пристроями захисту від ОЗЗ сигналів відключення.

Методи досліджень:

- аналітичні методи багатокритеріального аналізу для обґрунтування раціонального принципу побудови захисту від ОЗЗ;

- теорія електричних кіл для побудови математичної моделі електричної мережі шахти, а також при обґрунтуванні параметрів елементів схем;

- теорія автоматичного керування для синтезу структурних схем пристроїв захисту;

- методи обчислювальної математики для чисельного моделювання похибок, обумовлених прийнятими припущеннями;

- теорія планування й обробки результатів експерименту для зіставлення з теоретичними результатами досліджень.

Об'єкт досліджень – підземна високовольтна електрична мережа разом із засобами захисту від ОЗЗ.

Предмет досліджень – методи синтезу селективних пристроїв захисту від ОЗЗ, що забезпечують поздовжню селективність у високовольтних електричних мережах вугільних шахт.

Ідея роботи полягає у виявленні процесу ОЗЗ у мережах шляхом виміру струмів і напруги нульової послідовності на початку і в кінці ділянки, що захищається, та корекції динамічних викривлень, внесених мережею і первинними перетворювачами, та компенсації початкових небалансів трансформаторів струму нульової послідовності (ТСНП).

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Математична модель для визначення величини струму ОЗЗ у радіальній електричній мережі як функції струмів і напруги нульової послідовності, що відрізняється урахуванням динамічних властивостей мережі та розширенням спектра частот контрольованих величин.

2. Спосіб захисту від ОЗЗ, що забезпечує поздовжню селективність, який полягає в контролі струму та напруги нульової послідовності на початку і в кінці ділянки, що захищається, а також формуванні на основі отриманих аналітичних залежностей миттєвих значень зосередженого струму ОЗЗ у зоні дії захисту, що відрізняється застосуванням корекції динамічних викривлень, внесених мережею та первинними перетворювачами з обґрунтованими параметрами фільтрів низької частоти (ФНЧ), і компенсацією початкових небалансів ТСНП.

3. Методи формування інформаційного сигналу про величину струму ОЗЗ та оцінки його на основі одночасного контролю миттєвого значення струму, а також середньої величини струму, отриманої у результаті багатоступеневої ітерації.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень і результатів підтверджується використанням апробованих методів і положень теорії обчислювальної математики, широким використанням обчислювальної техніки при побудові математичних моделей та моделюванні; експериментальними дослідженнями, проведеними на кафедрі “Гірнича електротехніка і автоматика” ДонНТУ з використанням фізичної моделі.

Наукове значення роботи міститься в розвитку теорії селективних захистів від ОЗЗ на основі урахування закономірностей змін параметрів нульової послідовності в обґрунтованому діапазоні частот.

Практичне значення роботи полягає в підвищенні технічної ефективності експлуатації високовольтної електричної мережі шахти шляхом виключення необґрунтованих відключень споживачів унаслідок реалізації функцій поздовжньої селективності захисту від ОЗЗ на основі науково обґрунтованих параметрів захисного пристрою.

Особистий внесок здобувача. Наукові положення, що містяться у дисертації, отримані здобувачем самостійно. Йому належить постановка мети і задач дослідження, формулювання вимог до селективних пристроїв захисту від ОЗЗ, розробка математичної моделі, обґрунтування способу захисту від ОЗЗ і синтез відповідних йому схемних рішень, а також у розробка методів формування і оцінки миттєвих значень струмів ОЗЗ у зоні дії захисту мікропроцесорним пристроєм. Внесок здобувача складається у постановці і проведенні експериментальних досліджень, особистій участі у розробках, що реалізують отримані результати на виробництві.

Реалізація висновків і рекомендацій роботи. ЗАТ “НВП “Макіївський завод шахтної автоматики” - використані запропоновані в роботі методи оцінки миттєвих значень зосереджених струмів ОЗЗ при розробці блоку УМБТЗ-А (універсальний багатофункціональний блок струмових захистів).

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідались і обговорювались:

- на форумі “День фахівця “Удосконалювання релейного захисту й автоматики в мережах гірничодобувних підприємств” концерну УКРРУДПРОМ у м. Кривий Ріг (1998);

- на науково-практичній конференції “ДОНБАС-2020: наука і техніка – виробництву” у м. Донецьку (2002);

- на 2-й міжнародній науково-технічній конференції “Керування режимами роботи об'єктів електричних систем-2002 (Автоматика-2002)” у м. Славяногірську (2002);

- на 2-й Міжнародній науково-технічній конференції “Гірнича електромеханіка і автоматика” у м. Донецьку (2002);

- на семінарах кафедри “Гірнича електротехніка і автоматика” ДонНТУ (1998, 1999, 2000).

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 7 друкованих працях, у 5 фахових наукових збірниках виданнях та в одному фаховому науково-технічному журналі.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів і висновку, викладених на 147 сторінках машинописного тексту, містить 48 рисунків, 4 таблиці, список літератури з 78 найменувань і 6 додатків на 39 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність роботи, яка спрямована на підвищення надійності і безпеки електричних мереж вугільних шахт, за рахунок удосконалення та розробки нових захистів від ОЗЗ, що забезпечують поздовжню селективність. Сформульовано мету і задачі досліджень. Приведена загальна характеристика роботи.

У першому розділі зроблено аналіз особливостей радіальних електричних мереж у вибухонебезпечних зонах. Встановлено, що для підвищення безпеки, а також для зменшення часу простою технологічного обладнання необхідно застосовувати пристрої захисту від ОЗЗ, що забезпечують як поперечну (зона дії захисту поширюється на всю мережу, що відключається комутаційним апаратом, на який впливає пристрій), так і поздовжню селективність (зона дії захисту поширюється на окрему ділянку мережі між комутаційними апаратами), що в сукупності приведе до підвищення ефективності експлуатації електричних мереж. З урахуванням цього були сформульовані специфічні вимоги до пристроїв захисту від ОЗЗ для вугільних шахт, що відрізняються необхідністю забезпечення миттєвості дії пристроїв, функцій поздовжньої селективності та резервування. Резервування зводиться до обмеження функцій поздовжньої селективності пристроїв захисту після закінчення часу гарантованого відключення ушкодженої ділянки і закінчення перехідних процесів зі збереженням функцій поперечної селективності. Виконаний огляд відомих способів побудови захистів від ОЗЗ показав (див. таблицю 1), що вони не задовольняють повною мірою вказаним вимогам.

Проведений аналіз електричних мереж вугільної шахти дозволив визначити мету роботи і визначити конкретні задачі досліджень, а також обґрунтувати раціональний принцип роботи захисту від ОЗЗ, заснований на контролі параметрів нульової послідовності.

При цьому варто виходити з необхідності вирішення задачі синтезу залежностей для визначення миттєвих значень зосередженого струму ОЗЗ (“кривої струму”) у місці його виникнення. Для досягнення максимально можливої чутливості і стабільності формування сигналів, що відключають, пристроєм захисту повинні здійснюватися на основі багатокритеріального аналізу сформованої “кривої” зосередженого струму однофазного замикання на землю.

Другий розділ присвячений рішенню задачі, яка пов'язана з розробкою математичної моделі високовольтної електричної мережі і пристроїв захисту, і визначенням на її базі основних залежностей для непрямого виміру миттєвих значень зосередженого струму ОЗЗ.

Мета математичного моделювання – одержання аналітичних залежностей для визначення миттєвих значень зосередженого струму ОЗЗ у зоні дії захисту, що можуть бути покладені в основу селективного пристрою. Для одержання результатів у формі, зручній для синтезу схем пристроїв захисту, використано операторний метод.

Таблиця 1

Відповідність захистів від ОЗЗ, пропонованим до них вимогам

№ п/п | Спосіб побудови захисту | Відповідність вимогам

Поперечна селективність | Подовжня селективність | Резервування захистів | Відсутність затримок часу | Стійкість при нестійких замиканнях на землю | Стійкість при зміні конфігурації мережі | Висока надійність, простота, мала ціна

1 | Пристрої, що контролюють напругу нульової послідовності | - | - | - | + | - | - | +

2 | Пристрої, що контролюють струм нульової послідовності | що реагують на усталене значення | +/- | - | - | + | - | - | +

що реагують на високі гармоніки | +/- | - | - | + | - | - | -

що реагують на стрибки початкового ємкісного струму | +/- | - | - | + | - | - | -

3 | Пристрої з накладеними струмами непромислової частоти | з частотою вище за промислову | - | - | - | + | +/- | - | +/-

з частотою нижче за промислову | - | - | - | + | +/- | - | +/-

з декількома джерелами різної частоти | + | - | - | + | +/- | - | +/-

4 | Пристрої захисту з накладеним постійним струмом | - | - | - | + | + | + | -

5 | Струмові направлені захисти | що реагують на усталене значення | + | - | - | + | - | - | +

що реагують на параметри перехідного процесу | + | +/- | - | + | - | - | -

з штучно створеним струмом замикання на землю | + | - | - | + | - | - | -

6 | Централізовані захисти | + | - | - | + | - | + | +/-

7 | Селективні захисти з блокуванням | + | + | + | - | - | - | +/-

8 | Загальномережові пристрої захисту | + | + | + | + | - | +/- | -

9 | Захист із порівнянням фаз струмів нульової послідовності на початку і в кінці ділянки | + | + | + | + | - | +/- | +/-

У дослідженнях вся система розглядалася з погляду перетворення контрольованого зосередженого струму ОЗЗ, який виникає на ділянці що захищається. Цей струм приводить до появи у мережі струмів та напруги нульової послідовності, які вимірюються і можуть бути використані для непрямого виміру струму ОЗЗ в зоні дії захисту (рис.1).

З урахуванням імовірного діапазону зміни струмів ОЗЗ у високовольтних електричних мережах вугільної шахти був науково обґрунтований припустимий рівень похибки моделювання, що склав:

-

-

На рис. 1 прийняті такі позначення:

Х - миттєве значення струму ОЗЗ на ділянці, що захищається;

V1…Vn – напруги і струми нульової послідовності в різних вузлах електричної мережі;

Y – сформована величина, пропорційна миттєвому значенню струму ОЗЗ у зоні дії пристрою захисту;

Z – вихідний сигнал селективного захисту від ОЗЗ;

K1…Km–зовнішні завади;

J1 … Jh – внутрішні завади.

Для побудови моделі розглянемо розподіл струмів нульової послідовності в підземній електричній мережі довільної конфігурації (рис. 2.).

Для зручності аналізу мережа умовно розділена на три зони:

- елементи мережі, що живлять ділянку, що захищається, і сусідні з нею відгалуження (зона А1);

- елементи, що живляться від ділянки мережі, що захищається (зона А2);

- ділянка, що захищається (зона А3).

У моделі було прийнято допущення, що ділянка, яка захищається, містить гілку із шуканим зосередженим струмом ОЗЗ (гілка 1, рис. 2-а). Цей струм розтікається через елементи ізоляції всієї високовольтної мережі (трьох зон). Причому, якщо ОЗЗ у зоні дії захисту відсутнє, то цей струм дорівнює нулю. У результаті був отриманий вираз (1) для визначення зображень величин зосереджених струмів ОЗЗ у зоні дії захисту, який справедливий як для забезпечення поздовжньої, так і поперечної селективності.

, (1)

де: – зображення струмів нульової послідовності на початку і кінці ділянки;

– зображення напруги нульової послідовності;

– параметри ділянки і ланцюга заземлення.

У виразі (1) передбачене непряме визначення струму нульової послідовності в ізоляції ділянки, що захищається (зона А3, рис. 2-а), як функції напруги нульової послідовності у мережі. Для отримання аналітичної залежності, що зв'язує струм нульової послідовності в ізоляції ділянки мережі, що захищається, і напруги нульової послідовності, була використана еквівалентна схема (рис.3.). На схемі - зображення розподіленого струму нульової послідовності в зоні дії захисту від ОЗЗ, а - опір нульової послідовності ділянок електричної мережі, що живляться від ділянки, що захищається.

Заміна лінії з розподіленими параметрами еквівалентною схемою заміщення вносить помилки, для оцінки яких було виконано чисельне моделювання електричної мережі в пакеті SimuLink. Для аналізу прийняті параметри, що відповідають броньованому кабелю з жилою 50мм2, довжиною 3км. При цьому був зроблений аналіз похибок, обумовлених заміною лінії з розподіленими параметрами еквівалентною схемою, вірогідною зміною активного опору нульової послідовності і ємності в широкому діапазоні частот (див. рис. 4).

Аналіз залежностей для похибки від частоти дозволив зробити наступні висновки:

- помилки, пов'язані із заміною лінії з розподіленими параметрами еквівалентною схемою, не перевищують припустимий рівень для частот, менших за 1000Гц;

- зміна величини активного опору нульової послідовності еквівалентної схеми не вносить додаткових помилок при частотах струму нульової послідовності, менших за 1000 Гц;

- зміна конфігурації мережі, що захищається, і пов’язаної з цією зміною сумарної ємності ізоляції не вносить додаткових похибок, що перевищують припустимі для частот, менших за 1000 Гц.

У зв'язку з цим аналітичні залежності, для визначення миттєвих значень струму нульової послідовності в ізоляції ділянки мережі, що захищається, доцільно отримувати на основі еквівалентної схеми заміщення (див. рис. 3). Для виключення впливу помилок, обумовлених прийнятими в моделі припущеннями, запропоновано передбачити обов'язкову установку фільтрів низької частоти у всіх вимірювальних каналах із смугою пропускання до 1000 Гц.

Таким чином, після перетворення (1) отриманий вираз (2) для визначення зображення зосередженого струму ОЗЗ у зоні дії захисту:

, (2)

де: – опір нульової послідовності.

Вираз (2) відображає спосіб визначення зосередженого струму ОЗЗ у зоні дії захисту. Реалізації цього способу відповідає структурна схема визначення струму ОЗЗ (рис. 5).

На схемі рис. 5 передатні властивості мережі враховані відповідними функціями WC1(p), WC2(p), WC3(p) , а WТСНП(p) і WФННП(p) характеризують передатними властивостями фільтрів нульової послідовності. Для корекції динамічних помилок, внесених ФНП і елементами мережі, у структурній схемі передбачені коригувальні елементи, передатні функції яких WКОР_1(p), WКОР_2(p) і WКОР_3(p) визначаються параметрами фільтрів нульової послідовності й елементами мережі відповідно до (2). Крім цього, як було визначено вище, в кожному з вимірювальних каналів необхідно застосовувати фільтри низької частоти з передатною функцією WФНЧ(p). З урахуванням цього можна записати загальний вираз для визначення передатних функцій коригувальних елементів

, (3)

де: - передатна функція коригувального елемента;

- передатна функція, що враховує розподіл струмів нульової послідовності в мережі і динамічні властивості ділянки, що захищається;

- передатна функція фільтра нульової послідовності.

На основі математичної моделі ТСНП і виразів (2) і (3) з урахуванням припущень, що не впливають на точність функціонування пристрою захисту, після ряду перетворень була отримана передатна функція коригувального елемента на виході ТСНП разом із фільтром низької частоти.

, (4)

де: - передатний коефіцієнт, що характеризує необхідне відношення напруги на виході вимірювальної частини пристрою до струму ОЗЗ;

- постійна часу ФНЧ;

- постійна часу ТСНП;

- коефіцієнт передачі ТСНП.

Аналогічно була отримана передатна функція (5) для коригувального елемента, установленого на виході ФННП.

, (5)

де: - постійна часу ФННП;

- коефіцієнт передачі ФННП;

С – ємність ізоляції однієї жили ділянки, що захищається.

Передатні функції були отримані з урахуванням припущень (6) і (7).

, (6)

. (7)

При цьому, як було встановлено за допомогою чисельного моделювання, при частотах, менших за 1000 Гц, похибки обумовлені (6) і (7) не перевищують 5%.

У передатній функції ТСНП, використаній для отримання (4), не врахована неоднаковість потоків від кожної із силових жил первинної обмотки, що може привести до появи додаткових помилок, обумовлених дією початкових небалансів ТСНП. Таке припущення було прийняте за умови застосування компенсації миттєвих значень початкових небалансів ТСНП.

Напруга небалансу ТСНП визначається наступним чином:

(8)

Після перетворення (8) отримано вираз для еквівалентного струму первинного небалансу:

. (9)

Коефіцієнти kА’ і kв’ повинні бути визначені після встановлення ТСНП або ремонту комутаційного апарата і пов'язаного з цим зміщення жил у вікні ТСНП. Ці коефіцієнти можна визначити за умови наявності струму в силових жилах але при відсутності ОЗЗ у мережі. У момент часу, коли струм однієї з фаз, на якій установлений ТСНП, дорівнює нулю, можна визначити один із коефіцієнтів. Наприклад, для фази A:

(10)

Коефіцієнт для другої фази визначається аналогічно.

З урахуванням усього вищевикладеного може бути запропонована структурна схема селективного пристрою захисту від ОЗЗ (рис. 6).

Таким чином, розроблена математична модель високовольтної електричної мережі вугільної шахти та елементів захисту, що відрізняється урахуванням динамічних властивостей складових частин і формуванням на її основі залежностей для синтезу пристроїв захисту від ОЗЗ, що забезпечують поздовжню селективність

Третій розділ присвячений вирішенню задач, пов'язаних з обґрунтуванням схемних рішень і параметрів елементів захисту, а також алгоритмів непрямого визначення і аналізу миттєвих значень струму ОЗЗ для формування сигналів відключення мікропроцесорними пристроями.

Для обґрунтованої у другому розділі структурної схеми були запропоновані схемні рішення коригувальних елементів та одержані аналітичні залежності для визначення параметрів їхніх складових вузлів.

Пристрій захисту складається з двох електронних блоків (основного й додаткового), установлених на початку і в кінці ділянки. Обґрунтовано необхідність застосування двонаправленої лінії зв'язку із синхронізацією моментів початку вимірювальних циклів рознесеними блоками захисту в сукупності з адаптивним алгоритмом передачі даних між блоками, завдяки чому досягається максимально можлива швидкість передачі для використовуваних схем і лінії зв'язку.

Запропоновано алгоритм аналізу визначених миттєвих значень струму ОЗЗ, заснований на одночасному контролі амплітудних і середніх значень з різними уставками. Умова спрацьовування виглядає таким чином:

. (11)

Для забезпечення можливості побудови пристрою захисту від ОЗЗ на базі малогабаритного однокристального мікроконтролера (ОМК) з малим обсягом оперативної пам'яті запропонований багатоступінчастий ітераційний алгоритм визначення середніх значень (12).

(12)

Умова спрацьовування (11) і багатоступінчастий ітераційний алгоритм визначення середніх значень (12) можуть бути застосовані не тільки в пристрої захисту від ОЗЗ, але й в інших мікропроцесорних пристроях, де потрібно забезпечити високу чутливість і уникнути помилкових спрацьовувань, наприклад – максимально - струмовий захист.

У четвертому розділі наведені результати експериментальних досліджень.

Метою експериментальних досліджень були:

- оцінка точності визначення пристроєм миттєвих значень зосередженого струму ОЗЗ у зоні дії захисту;

- оцінка впливу струмів ОЗЗ, що виникають поза зоною дії захисту;

- оцінка ефективності компенсації струмів небалансу ТСНП.

Для проведення експериментальних досліджень був розроблений і виготовлений стенд, що являє собою фізичну модель підземної високовольтної електричної мережі. При цьому масштабні коефіцієнти фізичної моделі для струмів склали 1:1, а для напруги 1:15. З урахуванням масштабних коефіцієнтів був виготовлений експериментальний зразок пристрою захисту (блок експериментальних досліджень). Схема блоку була дороблена з метою забезпечення можливості передачі інформації від мікроконтролера пристрою в персональний комп'ютер. Блок експериментальних досліджень був оснащений додатковим аналоговим входом для реєстрації і наступної передачі в ЕОМ миттєвих значень штучно створюваних зосереджених струмів ОЗЗ для наступного зіставлення їх із величинами сформованими мікроконтролером відповідно до (2).

Синусоїдальні струми замикання формувалися за допомогою активних опорів (дільник напруги), що дозволило контролювати величину струму замикання. Для проведення випробувань при несинусоїдальній формі кривої струму замикання активний опір підключається до відповідних вузлів фізичної моделі мережі за допомогою тиристорного ключа. Приклад підключення блоку експериментальних досліджень показаний на рис. 7.

Для вирішення поставлених задач було проведено ряд експериментальних досліджень, що позначені нижче:

- оцінка функціонування вимірювальної схеми пристрою захисту при відсутності ОЗЗ;

- оцінка процесів вимірювання струму при виникненні ОЗЗ у зоні дії захисту;

- функціонування вимірювальної схеми при виникненні ОЗЗ поза зоною дії захисту.

В усіх цих експериментах помилка у визначенні струмів ОЗЗ у зоні дії захисту не перевищила 22.1%, що не перевищує припустимий рівень.

Для оцінки ефективності компенсації початкових небалансів ТСНП був виготовлений трансформатор струму нульової послідовності з підвищеним значенням еквівалентного струму початкового небалансу. Експерименти проводилися для величин струму в силових жилах від 10 до 100А. Експериментальні дослідження показали, що застосовувана методика компенсації струмів небалансу дозволяє зменшити цей вид помилки більш, ніж у п'ять разів.

Таким чином, експериментальні дослідження підтвердили можливість побудови пристрою захисту від однофазних замикань на землю з функцією поздовжньої селективності на основі прийнятого принципу з використанням запропонованих математичних моделей і алгоритмів функціонування пристрою захисту.

ВИСНОВОК

У дисертаційній роботі вирішена актуальна науково-практична задача підвищення ефективності експлуатації електричних мереж вугільних шахт напругою 6(10)кВ за рахунок удосконалення засобів захисту від струмів однофазного замикання на землю.

Підвищення ефективності експлуатації електричних мереж вугільної шахти досягається за рахунок розширення функцій традиційних захистів від ОЗЗ. Зокрема, передбачається забезпечення поздовжньої селективності для стволових і магістральних кабельних ліній, що поряд із забезпеченням захисту електричної мережі дозволить зменшити число необґрунтованих відключень споживачів на вугільних шахтах.

Одним з основних покажчиків ефективності, є безпека експлуатації електричної мережі. Підвищенню безпеки ведення робіт на вугільних шахтах сприяє введення функції резервування захистів від ОЗЗ встановлених на РПП-6, за допомогою аналогічних пристроїв на груповому комутаційному апараті, що захищають магістральний або стволовий кабель.

Контроль пристроями захисту струмів ОЗЗ у широкому (до 1000 Гц) діапазоні частот дозволяє виявляти різні види замикань (нестійкі , дугові і т.п.), що також позитивно впливає на безпеку робіт.

Основні наукові висновки та результати роботи полягають у наступному:

1. Одними з найбільш розповсюджених ушкоджень в електричних мережах вугільних шахт є однофазні замикання на землю. Встановлено, що існуючі пристрої захисту від ОЗЗ відрізняються рядом недоліків, що стають причиною частих необґрунтованих спрацьовувань і відключення великої кількості споживачів, що негативно впливає на технічну ефективність експлуатації електричної мережі й обладнання в цілому. У зв'язку з цим раціонально застосування захисту від ОЗЗ, що забезпечує не тільки поперечну, але і поздовжню селективність.

2. Миттєві значення зосередженого струму ОЗЗ у зоні дії пристрою захисту пов'язані аналітичними залежностями з параметрами нульової послідовності, вимірюваними в різних вузлах мережі. Отримані в результаті математичного моделювання такі залежності використані для синтезу пристроїв захисту.

3. Обґрунтовано схемні рішення й аналітичні залежності для визначення параметрів елементів пристрою захисту від ОЗЗ, що забезпечує поздовжню селективність. Встановлено, що для виключення впливу завад і зниження похибок необхідно застосовувати корекцію динамічних викривлень, внесених мережею та елементами захисту, з обмеженням частоти контрольованих сигналів.

4. Для підвищення надійності й ефективності мікропроцесорних пристроїв захисту від ОЗЗ запропонована найбільш ефективна методика формування й оцінки миттєвих значень зосереджених струмів ОЗЗ, що відрізняється контролем як амплітудних, так і середніх значень, отриманих із застосуванням багатоступеневого ітераційного алгоритму.

5. Проведені експериментальні дослідження підтвердили правильність теоретично отриманих залежностей для визначення зосереджених значень струму ОЗЗ (похибки не перевищили 22.1%, що відповідає вимогам (МЭК 755-83) до пристроїв захисту). Запропонована методика компенсації миттєвих значень початкових небалансів ТСНП (дослідженнями встановлена можливість зниження помилки більш, ніж у 5 разів) дозволяє виключити необґрунтовані спрацьовування пристроїв захисту від ОЗЗ при протіканні в лінії , що захищається, пускових струмів і струмів короткого замикання

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ за ТЕМою ДИСЕРТАЦІЇ:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

Особистий внесок здобувача у роботах опублікованих у співавторстві: [1] – аналіз електричних мереж вугільної шахти і виявлення їх особливостей; [2] – порівняльний аналіз пристроїв захисту і обґрунтування необхідності компенсації початкових небалансів ТСНП; [3] – обґрунтування принципів дії селективних пристроїв захисту з застосуванням многокритеріальних алгоритмів формування відключаючих сигналів; [4] - отримання аналітичних залежностей для непрямого виміру струмів однофазного замикання на землю; [6] - розробка методу й аналітичних залежностей для компенсації початкових небалансів ТСНП, а також запропонована функціональна схема пристрою захисту від однофазних замикань на землю; [7] – запропоновані методи аналізу миттєвих значень контрольованих величин для мікропроцесорних пристроїв захисту.

Анотації

Лавшонок А.В. Селективний захист від однофазних замикань на землю в радіальних електричних мережах 6(10)кВ – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.02 – “Електричні станції, мережі i системи ”. Донецький національний технічний університет, Донецьк, 2005.

Дисертація присвячена розробці принципів побудови технічних засобів підвищення ефективності експлуатації електричних мереж вугільних шахт у галузі удосконалювання захистів електроустаткування і мереж від однофазних замикань на землю.

Отримані аналітичні залежності, що пов’язують миттєві значення зосередженого струму ОЗЗ у зоні дії пристрою захисти з параметрами нульової послідовності, вимірюваними в різних вузлах мережі. Ці залежності дозволили обґрунтувати способи корекції динамічних викривлень, що вносять мережа та первинні перетворювачі, та були покладені в основу селективного пристрою захисту від ОЗЗ.

Для підвищення ефективності мікропроцесорних пристроїв захисту від ОЗЗ запропоновані методики формування й оцінки миттєвих значень зосереджених струмів ОЗЗ, що відрізняються контролем як амплітудних, так і середніх значень, отриманих із застосуванням багатоступінчастого ітераційного алгоритму

Ключові слова: підземна високовольтна мережа, пристрій захисту, поздовжня селективність, корекція, динамічні викревлення, початкові небаланси.

Лавшонок А.В. Селективная защита от однофазных замыканий на землю в радиальных электрических сетях 6(10)кВ. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.02 – “Электрические станции, сети и системы”. Донецкий национальный технический университет, Донецк, 2005.

Диссертация посвящена разработке принципов построения технических средств повышения эффективности эксплуатации электрических сетей угольных шахт в области совершенствования защит электрооборудования и сетей от однофазных замыканий на землю.

Выполнен анализ электрических сетей угольной шахты, на основе которого сформулированы требования к устройствам защиты от однофазных замыканий на землю в подземных высоковольтных сетях 6(10)кВ. В частности, для повышения эффективности системы электроснабжения за счет снижения числа необоснованных отключений необходимо применять защиты, обеспечивающие не только поперечную, но и продольную селективность. Одним из основных показателей эффективности эксплуатации электрической сети является безопасность, а для ее повышения необходимо осуществлять резервирование защит наряду с расширением диапазона частот контролируемых сигналов. Также было установлено, что применяемые на шахтах устройства защиты не соответствуют этим требованиям.

На основе разработанных математических моделей сети и элементов защиты было установлено, что мгновенные значения сосредоточенного тока ОЗЗ в зоне действия устройства защиты связаны однозначной зависимостью с параметрами нулевой последовательности, измеренными в начале и конце защищаемого участка сети. Причем, полученные аналитические выражения справедливы для произвольного участка, что позволяет уменьшать зоны действия защит от ОЗЗ и, в конечном итоге, – реализовать функцию продольной селективности.

Установлено, что для уменьшения погрешностей, связанных с заменой линии с распределенными параметрами эквивалентной схемой замещения, а также погрешностей, связанных с изменением активного сопротивления и емкостной нагрузки нулевой последовательности, необходимо использовать фильтры низкой частоты с полосой пропускания до 1000 Гц. Кроме того, в схеме селективного устройства защиты от ОЗЗ необходимо применять компенсацию мгновенных значений эквивалентного тока начального небаланса, а постоянные коэффициенты, используемые для компенсации, можно автоматически определять при отсутствии токов ОЗЗ в зоне действия защиты, для чего были разработаны соответствующие методики.

Результатом математической модели являются аналитические выражения, описывающие искажения, вносимые сетью и первичными преобразователями устройств защиты при определении мгновенных значений сосредоточенных токов ОЗЗ. Это позволило научно обосновать параметры корректирующих узлов, предназначенных для снижения динамических искажений в широком спектре частот токов ОЗЗ и, в конечном итоге, получить структурную схему селективного устройства.

Получены аналитические зависимости для определения параметров элементов селективных устройств защиты от ОЗЗ на базе предложенной структурной схемы.

Для реализации расширенных функций с одновременным повышением надежности и снижения стоимости устройства защиты, предложено его разрабатывать на базе однокристальных микроконтроллеров. Это обусловило разработку специфических методов построения устройства как системы реального времени. Что предусматривает синхронизацию моментов начала измерительных циклов разнесенными блоками защиты, применение высокоскоростных методов обработки и оценки контролируемых величин, использование адаптивных (по скорости) методов передачи оцифрованной информации, возможность автоматического блокирования функции продольной селективности при повреждениях линии связи, либо неустранения ОЗЗ нижележащим аппаратом защиты и т.д.

Для повышения надежности и эффективности микропроцессорных устройств защиты от ОЗЗ предложены методики формирования и оценки мгновенных значений сосредоточенных токов ОЗЗ, отличающиеся контролем как амплитудных, так и средних значений. Причем средние значения формируются при помощи предложенного многоступенчатого итерационного алгоритма, отличающегося малыми затратами времени на вычисления и низкими требованиями к использованию оперативной памяти микроконтроллера. Подобные методы и алгоритмы предназначены не только для защит от ОЗЗ, но и различных модификаций микропроцессорных токовых защит.

Проведенные экспериментальные исследования измерительной части селективного устройства защиты от ОЗЗ, обеспечивающего продольную селективность, на физической модели подземной высоковольтной распределительной сети подтвердили верность теоретических подходов, положенных в основу синтеза указанных устройств.

Применение предложенных разработок при проектировании современных устройств селективной защиты позволит повысить надежность, безопасность и эффективность эксплуатации электрических сетей угольной шахты за счет снижения непроизводительных затрат времени, связанных с неоправданными отключениями электроэнергии при отсутствии ОЗЗ в зоне действия защиты.

Ключевые слова: подземная высоковольтная сеть, устройство защиты, продольная селективность, коррекция, динамические искажения, начальные небалансы.

Lavshonok А.V. Selective protection against single-phase short circuits on ground in radial electrical networks 6(10)кV. - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.14.02 - "Electro-power station, lines and systems". Donetsk national technical