Разработка рекомендаций по предотвращению срабатываний микропроцессорных средств защиты и автоматики энергообъектов от замыканий в системе оперативного тока тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.02, кандидат наук Монаков, Юрий Викторович

• Монаков, Юрий Викторович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Монаков, Юрий Викторович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. Исследование ложных срабатываний релейных защит, и характеристик ДВ МПРЗА

1.1. Применение ДВ на электрических подстанциях

1.2. Характеристики ДВ

1.3. Схемотехнические решения ДВ МПРЗА

1.4. Влияние методов и средств поиска мест снижения полюсной изоляции относительно земли на работу ДВ

Выводы по главе:

2. Разработка математической модели СОПТ с ДВ МПРЗА, ее реализация и верификация

2.1. Разработка математической модели

2.2. Реализация модели СОПТ с ДВ МПРЗА в ЕМТР ЯУ

2.3. Экспериментальное определение характеристик ДВ МПРЗА

2.4. Верификация модели

Выводы по главе:

3. Исследование влияния переходных процессов при замыканиях на землю в СОПТ на работу ДВ МПРЗА

3.1. Исследуемые расчетные события в СОПТ

3.2. Определение основных влияющих факторов

3.3. Разработка рекомендаций по оптимизации параметров ДВ

3.4. Разработка средств и методики контроля параметров ДВ в процессе эксплуатации МПРЗА

Выводы по главе:

4. Исследование влияния способа заземления СОПТ на работу ДВ МПРЗА

4.1. Замыкания между элементами СОПТ и сетью переменного напряжения

4.2. Расчетное исследование процессов, вызванных работой устройств контроля изоляции и поиска земли в СОПТ

4.3. Влияние способа заземления СОПТ на работу ДВ

Резистивное заземление средней точки СОПТ

Заземление отрицательного полюса СОПТ

4.4. Исследование переходных процессов в СОПТ на физической модели

Выводы по главе:

Заключение

Библиографический список

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка рекомендаций по предотвращению срабатываний микропроцессорных средств защиты и автоматики энергообъектов от замыканий в системе оперативного тока»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

На электростанциях и подстанциях растет количество ложных срабатываний микропроцессорных релейных защит и автоматики (МПРЗА), приводящих к неоправданным отключениям силового электрооборудования, что, в конечном итоге, существенно снижает надежность энергосистем. Действующие нормативные документы не содержат требований по отстройке ДВ от замыканий на землю, замыканий с сетью переменного напряжения и от инжектируемых импульсов устройств активного поиска мест снижения сопротивления полюсной изоляции относительно земли в системе оперативного постоянного тока (СОПТ).

Одним из наиболее уязвимых мест МПРЗА являются оптронные преобразователи дискретных сигналов, далее называемые «дискретными входами» (ДВ). Энергия, необходимая для переключения ДВ МПРЗА на четыре порядка меньше, чем у электромеханических реле. В отличие от электромеханических промежуточных реле, имеющих ток срабатывания 10-50 мА и время срабатывания, измеряемое в миллисекундах, ДВ МПРЗА имеют ток срабатывания 2-5 мА и могут переключаться за микросекунды. Меньшая энергоемкость ДВ МПРЗА позволила значительно снизить выделение тепла в релейных шкафах, увеличить коммутационный ресурс управляемых контактов в цепях релейных защит. Однако практика показала, что ДВ МПРЗА уязвимы по условиям электромагнитной совместимости.

Производители МПРЗА работают над повышением помехоустойчивости ДВ, однако до настоящего времени эффективного решения не достигнуто и помехозащищенность многих типов МПРЗА не отвечает условиям эксплуатации.

Характеристики ДВ не нормируются и, следовательно, возможен их значительный разброс даже в пределах одного типа МПРЗА.

В этой связи актуальной является разработка требований к характеристикам ДВ МПРЗА, рекомендаций по их испытанию и условиям работы СОПТ.

Объектом исследования является система питания электроприемников постоянного тока электрических станций и подстанций.

Предметом исследования являются электромагнитные переходные процессы в системе питания устройств микропроцессорных релейных защит и автоматики, вызванных замыканиями на землю в системе оперативного постоянного тока, замыканиями с сетью переменного напряжения и работой устройств поиска мест снижения полюсной изоляции в системе оперативного постоянного тока относительно «земли», и их влияние на работу дискретных входов.

Целью работы является разработка рекомендаций по предотвращению ложных срабатываний дискретных входов микропроцессорных релейных защит и автоматики при замыканиях на землю в системе оперативного постоянного тока, замыканиях между элементами системы оперативного постоянного тока и сетью переменного напряжения 0,4 кВ, работе устройств поиска мест снижения сопротивления полюсной изоляции относительно «земли» в системе оперативного постоянного тока.

Задачи работы, поставленные для достижения указанной цели:

1. Систематизация и обобщение результатов ранее выполненных работ, посвященных исследованиям ложных срабатываний электромеханических релейных защит под влиянием замыканий в СОПТ, сопоставление и анализ характеристик ДВ МПРЗА известных типов на основании обзора технической документации.

2. Разработка математической модели СОПТ с ДВ МПРЗА. Разработка методики определения характеристик ДВ МПРЗА и ее апробация на нескольких устройствах. Верификация модели на основе натурных экспериментов.

3. Исследование и анализ электромагнитных переходных процессов при замыканиях на «землю» в СОПТ с использованием модели. Разработка рекомендаций по предотвращению ложной работы ДВ МПРЗА при замыканиях в СОПТ, в частности требований к характеристикам ДВ для повышения

помехоустойчивости ДВ МПРЗА. Разработка специализированного устройства для проверки характеристик ДВ МПРЗА.

4. Исследование электромагнитных переходных процессов при замыканиях между сетями СОПТ и переменного напряжения 0,4 кВ и при работе автоматических устройств поиска мест снижения сопротивления полюсной изоляции в СОПТ. Подтверждение корректности полученных в расчетно-экспериментальном исследовании результатов результатами натурных экспериментов. Синтез рекомендаций к условиям эксплуатации ДВ МПРЗА, в частности к контролю напряжений полюсов СОПТ относительно «земли» и настройкам устройств автоматического поиска мест снижения сопротивления полюсной изоляции относительно «земли».

Методы исследования

Решение поставленных задач проводилось посредством теоретических расчетов и проведения серий натурных экспериментов. Расчеты производились с помощью метода математического моделирования на основе системы обыкновенных дифференциальных уравнений. Для исследования переходных процессов в СОПТ использовалась специализированная программа ЕМТР-ЯУ. Эксперименты производились на физической модели и на действующей электроустановке.

Научная новизна

В диссертации получены следующие новые научные результаты:

1. Разработана математическая модель СОПТ с ДВ МПРЗА и компьютерная модель, отличающиеся от ранее известных тем, что учитывают режективный импульс ДВ и содержат логику работы современных ДВ устройств МПРЗА. Компьютерная модель позволяет исследовать влияние замыканий полюсов сети постоянного тока на землю, влияние случайных гальванических связей между СОПТ и сетью переменного напряжения 0,4 кВ, влияние работы устройств поиска мест снижения сопротивления полюсной изоляции относительно земли на работу ДВ МПРЗА.

2. Разработаны методика и алгоритм определения характеристик ДВ МПРЗА, а также специализированное устройство, позволяющие комплексно оценить характеристики ДВ МПРЗА на соответствие требованиям разработанного стандарта ОАО «ФСК ЕЭС».

3. Разработаны рекомендации по повышению помехозащищенности ДВ МПРЗА от замыканий на «землю» в СОПТ посредством высокоомного резистивного заземления отрицательного полюса СОПТ.

Достоверность научных положений диссертационной работы обусловлена обоснованностью принятых допущений и удовлетворительным совпадением результатов расчетов с результатами натурных экспериментов.

Практическое значение:

1. Разработана модель СОПТ с ДВ МПРЗА, позволяющая проводить расчетные эксперименты, направленные на изучение влияния переходных процессов в СОПТ на работу ДВ МПРЗА. Результаты исследования использованы при разработке стандарта организации ОАО «ФСК ЕЭС» содержащего требования к характеристикам ДВ МПРЗА, позволяющие снизить возможность ложного срабатывания ДВ и не препятствующие приборам поиска поврежденного присоединения локализовать место снижения сопротивления изоляции присоединения за ДВ.

2. Разработан диагностический прибор для определения характеристик ДВ МПРЗА как в лабораторных условиях, так и на действующих подстанциях.

3. Разработана методика определения характеристик ДВ МПРЗА, используемая при аттестации электрооборудования в ОАО «ФСК ЕЭС».

Положения, выносимые на защиту:

а) Модель СОПТ с подключенным ДВ МПРЗА, позволяющая проводить расчетные эксперименты для выявления влияния переходных процессов в СОПТ на работу ДВ МПРЗА.

б) Требования к характеристикам ДВ МПРЗА, позволяющие снизить вероятность ложной работы ДВ МПРЗА при замыканиях в СОПТ.

в) Рекомендации по отстройке ДВ МПРЗА от ложных срабатываний из-за работы устройств автоматического поиска мест снижения сопротивления полюсной изоляции СОПТ относительно «земли».

Реализация результатов работы.

1. Разработанные требования к ДВ МПРЗА реализованы в стандарте организации ОАО «ФСК ЕЭС»;

2. Методика испытаний ДВ внедрена в ОАО «ФСК ЕЭС» и используется производителями МПРЗА;

3. Разработанный диагностический прибор используется для проведения испытаний ДВ МПРЗА.

Апробация результатов работы

Работа была апробирована на пятнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (МЭИ (ТУ), 26-27 февраля, г. Москва, 2009 г.), Шестнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика (МЭИ (ТУ), 25-26 февраля, г. Москва, 2010 г.), на международной научно-практической конференции и выставке «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем России» (РЕЛАВЭКСПО-2012, 17-20 апреля 2012, г. Чебоксары).

Публикации. По результатам исследований было опубликовано шесть печатных работ, в том числе одна статья в журнале «Известия вузов. Электромеханика», входящем в перечень журналов ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, состоящего из 50 наименований источников. Основной текст диссертации изложен на 124 страницах, включает 45 рисунков и 11 таблиц.

В первой главе произведен обзор известных работ, посвященных исследованию ложной работы МПРЗА и рекомендуемых путей решения этой проблемы. При рассмотрении методик оценивалась возможность использования

представленных подходов к моделированию СОПТ. В рассмотренных работах не учтен спектр возможных повреждений СОПТ, исследования посвящены сложно локализуемому замыканию на землю между управляющим контактом и ДВ МПРЗА. Замыкания в других точках СОПТ, влияние емкостей сети и работа устройств автоматического поиска мест снижения полюсной изоляции относительно земли исследованы не в полной мере или не освещены в рассмотренных работах.

Проведено сопоставление характеристик существующих ДВ МПРЗА с целью определения принципов действия и подтверждения предположения об отсутствии унификации среди производителей МПРЗА. Подтверждена теоретическая возможность срабатывания некоторых из представленных ДВ даже в нормальном режиме работы сети. Наличие импульса режекции и задержки срабатывания ДВ способствуют исключению такого срабатывания.

Для разработки математической и компьютерной модели ДВ были исследованы основные принципы построения схемотехники ДВ. На основании результатов исследования схемотехники ДВ МПРЗА, были разработаны схемы для создания режективного импульса ДВ, использованные в компьютерной модели.

Во второй главе проанализирована работа ДВ МПРЗА и разработана математическая модель СОПТ с подключенным ДВ. Разработан логический алгоритм, описывающий работу современных ДВ, позволяющий создать модель для оценки возможности ложной работы ДВ при замыканиях в СОПТ, работе устройств автоматического поиска мест снижения полюсной изоляции относительно земли и при появлении гальванической связи с сетью переменного напряжения 0,4 кВ. Описана модель СОПТ посредством систем дифференциальных уравнений. На основе полученных уравнений и логической части математической модели разработана компьютерная модель, реализованная в программной, среде ЕМТР ЯУ. Адекватность разработанной модели ДВ подтверждена результатами натурных испытаний нескольких МПРЗА, проведенных в лабораторных условиях. Приведены результаты серий

экспериментов по определению каждого из параметров ДВ для МПРЗА различных производителей. Сопоставлены характеристики ДВ МПРЗА предоставленные различными производителями между собой и с экспериментально полученными данными. По результатам испытаний было подтверждено предположение об отсутствии унификации характеристик и параметров ДВ различных производителей. Были выявлены несоответствия между паспортными данными некоторых устройств и экспериментально полученными значениями.

Для проверки адекватности компьютерной модели посредством нее были проведены расчеты и аналогичные им расчеты на математической модели. Сопоставление результатов показало погрешность не более 5%. Сделаны выводы об адекватности модели в ЕМТР ЯУ математической модели.

В третьей главе рассмотрены исследуемые расчетные события в СОПТ. Показана возможность срабатывания ДВ, в нормальном режиме работы СОПТ ввиду несимметрии напряжений полюсов сети относительно «земли». Выявлены основные влияющие на возможность ложного срабатывания ДВ факторы. Исследованы переходные процессы при замыканиях в трех точках СОПТ.

В ходе исследования, было предположено, что срабатывание ДВ при замыканиях между отрицательным полюсом СОПТ и «землей» ложное срабатывание униполярного ДВ не возможно при любых начальных условиях. Данная гипотеза была подтверждена расчетными экспериментами, проведенными на компьютерной модели. Тем самым подтверждена необходимость выполнения ДВ униполярными для исключения возможности ложной работы при данном виде замыканий.

Замыкание положительного полюса СОПТ на «землю» приводит к ложной работе ДВ при определенных начальных условиях. Основными влияющими факторами являются несимметрия напряжений полюсов СОПТ относительно «земли» в предшествующем замыканию режиме и емкость участка сети между УК и ДВ относительно земли. Несимметрия напряжений определяет возможность превышения напряжения срабатывания на ДВ в момент замыкания. Значение

емкости участка сети между УК и ДВ определяет скорость снижения напряжения на ДВ ниже значений напряжения срабатывания. Эта скорость и время задержки срабатывания данного ДВ и определяют, вызовет ли помеха ложное срабатывание

ДВ.

Замыкание на участке сети УК - ДВ на землю приводит к ложной работе ДВ при предшествующей несимметрии напряжений полюсов СОПТ относительно «земли», при определенном соотношении емкостей полюсов СОПТ относительно «земли» и времени задержки на срабатывание ДВ. Например, при емкостях 5 мкФ на полюс, ложно сработают ДВ с задержкой на срабатывание менее 13 мс. Данные расчеты показывают на необходимость контроля несимметрии напряжений полюсов СОПТ относительно «земли».

Разработаны рекомендации по оптимизации параметров ДВ МПРЗА для снижения вероятности ложного срабатывания ДВ при замыканиях на «землю» в СОПТ. Была разработана методика для испытания ДВ, внедренная ОАО «ФСК ЕЭС».

Для контроля соответствия параметров ДВ МПРЗА изложенным требованиям разработан специализированный прибор. Данное устройство позволяет проверить параметры ДВ за минимальное число итераций с высокой точностью. Проведена апробация устройства в ходе испытаний новых ДВ МПРЗА компании ABB согласно предложенной методике.

В четвертой главе выполнено исследование влияния на работу ДВ МПРЗА замыканий между СОПТ и сетью переменного напряжения 0,4 кВ, работы устройств автоматического поиска мест снижения сопротивления полюсной изоляции СОПТ. Проведено исследование влияния заземления СОПТ на возможность ложной работы ДВ и предложены пути исключения ложных срабатываний при замыканиях на «землю» в СОПТ.

Замыкание между СОПТ и сетью переменного напряжения 0,4 кВ приводят к ложной работе ДВ при определенных начальных условиях. Определяющими условиям являются несимметрия напряжений полюсов СОПТ относительно «земли» до замыкания и емкости СОПТ. При замыкании между сетью

переменного напряжения и положительным полюсом СОПТ ложное срабатывание ДВ происходит при емкости участка УК-ДВ 1 мкФ и более, несимметрии напряжений, соответствующей отношению сопротивлений изоляции положительного полюса СОПТ к отрицательному относительно земли 5/2. При замыкании между отрицательным полюсом СОПТ и сетью переменного напряжения 0,4 кВ ложное срабатывание ДВ не возможно при любых начальных условиях, т.к. снижение напряжение на ДВ ниже напряжения срабатывания происходит менее чем за 2 мс. При замыкании между участком сети УК - ДВ и сетью переменного напряжения 0,4 кВ ложное срабатывание ДВ происходит при емкостях общего участка СОПТ 1 мкФ и более при любых соотношениях напряжений полюсов СОПТ относительно «земли».

Устройства автоматического поиска мест снижения полюсной изоляции СОПТ относительно «земли» могут вызвать ложное срабатывание ДВ МПРЗА при определенном соотношении амплитуды инжектируемого тока и емкостей СОПТ. Например, при амплитуде тестового импульса равной 20 мА происходит гарантированное срабатывание ДВ, при емкостях сети до 1 мкФ и равных напряжениях полюсов СОПТ относительно «земли». Увеличение емкости до 5 мкФ при прочих равных условиях исключает ложную работу ДВ. Сделан вывод о необходимости корректной настройки устройств автоматического поиска мест снижения полюсной изоляции СОПТ относительно «земли» в соответствии с емкостью сети.

По результатам расчетов выявлено, что заземление средней точки СОПТ позволяет уменьшить область значений несимметрии напряжений полюсов сети относительно «земли», однако не позволяет полностью исключить возможность ложного срабатывания ДВ при замыканиях на «землю» в СОПТ.

Заземление отрицательного полюса СОПТ позволяет решить проблему ложных срабатываний ДВ МПРЗА при замыканиях на землю в СОПТ. Расчетов получено, что при значениях заземляющего сопротивления и сопротивления полюсной изоляции не менее 200 кОм напряжение на ДВ остается меньше

напряжения срабатывания и ложное срабатывание ДВ не происходит при любых начальных условиях.

Проверка достоверности полученных расчетным путем результатов осуществлялась сопоставлением с результатами соответствующих натурных экспериментов. Натурные эксперименты проводились на специально разработанной физической модели СОПТ. Физическая модель позволяет регулировать сопротивления изоляции и емкости относительно земли общей части СОПТ и отдельно взятых присоединений. Возможно подключение внешних измерительных устройств, устройств контроля изоляции и устройств автоматического поиска мест снижения сопротивления полюсной изоляции относительно «земли».

1. ИССЛЕДОВАНИЕ ЛОЖНЫХ СРАБАТЫВАНИЙ РЕЛЕЙНЫХ ЗАЩИТ, И ХАРАКТЕРИСТИК ДВ МПРЗА.

1.1. Применение ДВ на электрических подстанциях

В настоящее время в энергосистемах России в эксплуатации находится более 1,5 млн. устройств релейной защиты и электроавтоматики [1]. Подавляющую часть этих устройств составляют электромеханические устройства. Около 15 лет назад началось внедрение в эксплуатацию микропроцессорных (МП) релейных защит (РЗ). Доля их в единой электроэнергетической системе России пока еще невелика и составляет примерно 0,5%. В Единой национальной электрической сети (ЕНЭС) МП РЗ внедряются более быстро и их доля сегодня на порядок больше [2].

МП РЗ обладают рядом преимуществ по сравнению с

электромеханическими устройствами РЗ, а именно: расширенную функциональность, возможность самотестирования и дистанционного контроля, меньшие затраты на техническое обслуживание. С внедрением нового поколения техники РЗ возникли определенные проблемы. Оказалось, что МП РЗ более уязвимы в отношении электромагнитных помех. Более 36% случаев неправильной работы систем РЗ обусловлены недостаточной устойчивостью МП устройств к переходным процессам в цепях питания. Отмечено значительное количество ложных отключений высоковольтных выключателей при замыканиях на землю в сети оперативного постоянного тока (СОПТ), при возникновении гальванической связи между цепями СОПТ и цепями переменного тока напряжением 0,4 кВ, при коммутационных переходных процессах [3].

Дискретные входы характеризуются следующими параметрами [4-6]:

• напряжение срабатывания ДВ

• напряжение возврата ДВ

• входное сопротивление ДВ

Дискретные сигналы от внешних устройств в микропроцессорное устройство защиты поступают через ДВ в МПРЗА. Источниками дискретных сигналов являются в основном управляющие контакты (УК), например, газовое реле трансформатора. Один контакт газового реле подключается к положительному полюсу СОПТ, второй - к положительному полюсу дискретного входа МПРЗА. Отрицательный полюс ДВ подключается к отрицательному полюсу СОПТ. При замыкании контактов реле, к ДВ прикладывается напряжение сети постоянного тока.

Как правило, токи потребления дискретных входов, на напряжении 220 В, составляют единицы миллиампер, что соответствует его сопротивлению в сотни килоом. При замыкании на землю в цепи ДВ, на участке цепи отделенным от положительного полюса СОПТ разрывом управляющего контакта, ток замыкания протекает через сопротивление ДВ. Поэтому при определении сопротивления изоляции устройством контроля изоляции (УКИ), реальное сопротивление, через которое происходит замыкание, суммируется с сопротивлением ДВ. Чувствительность приборов контроля изоляции ограничена, поэтому некоторые повреждения могут быть не определены. Другими словами: наличие большого внутреннего сопротивления ДВ осложняет работу устройств контроля изоляции и поиска места замыкания на землю, при повреждениях изоляции контрольных кабелей за ДВ [7].

При замыкании на участке УК - ДВ, ток, протекающий в цепи ДВ, составляет десятки - сотни мкА, т.к. сопротивления изоляции полюсов СОПТ относительно земли составляют сотни килоом. Опасность ложного срабатывания ч дискретного входа возникает при появлении второй «земли» в цепи

положительного полюса [7]. При этом происходит шунтирование управляющего ^ контакта, т.к. ток течет через ДВ и малые сопротивления замыканий на землю,

рисунок 1.1. Как следствие к ДВ прикладывается напряжение близкое по значению к напряжению АБ и происходит срабатывание дискретного входа.

Рисунок 1.1; Схема замещения сети оперативного постоянного тока: 1 -аккумуляторная батарея, 2 - реле повторителя, например, газовой защиты или плата дискретных сигналов РЗА, 3 — управляющий контакт

Сопротивления изоляции полюсов СОПТ относительно земли непостоянны и зависят от состояния изоляции проводников (возраст изоляции кабелей, способ прокладки, протяженность), от чистоты зажимов и сборок, погодных условий и др. При этом проводники, принадлежащие разным полюсам сети, нередко находятся в различных условиях эксплуатации, поэтому сопротивления изоляции полюсов могут единовременно отличаться на несколько порядков. Сопротивления изоляции полюсов представлены на рисунке 1.1 резисторами Кнзол. и 7?Изол+-

На рисунке 1.1 С- и С+ - ёмкости относительно земли отрицательного и положительного полюсов общего участка СОПТ. Емкость полюсов состоит на 50% и более из емкостей, подключенных к СОПТ аппаратов. Например, емкость каждого ДВ измеряется десятками нФ [4-6,8], а таких входов в одном терминале может быть от 12 до 76 в различных устройствах [4,9]. Известны случаи, когда суммарная емкость относительно земли подключенных к СОПТ потребителей составляет 300 - 400 мкФ [10], что составляет более 95% от общей емкости

относительно земли всей СОПТ. Распределенная емкость кабелей сети СОПТ является второй основной составляющей общей емкости. Погонная емкость экранированного контрольного кабеля составляет 0,2 - 0,3 мкФ/км, а суммарная протяженность кабельных линий сигнальных цепей на крупных подстанциях достигает нескольких сотен километров. Т.е. емкость кабельных линий подстанции относительно земли может достигать 20-30 мкФ.

При приложении к дискретному входу (элемент с обозначением «2» на рисунке 1.1) напряжения, превышающего напряжение срабатывания, внутреннее сопротивление ДВ изменяется и ток во входной цепи возрастает. Изменение состояния выходной цепи происходит с задержкой времени. Возврат в исходное положение выходного контакта произойдет при снижении приложенного напряжения до напряжения возврата или через заданный интервал времени.

В нормальном режиме работы, предшествующем замыканию, напряжения между полюсами сети СОПТ и землей равны половине напряжения на аккумуляторной батарее (АБ). При наличии заземления посредством делителя в СОПТ, напряжение на полюсах сети определяется в зависимости сопротивлений делителя Я д. и Яц+, рисунок 1.1. Значение напряжения прикладываемого к ДВ определяется делителем напряжения, образованного внутренним сопротивлением ДВ и сопротивлением изоляции контрольного кабеля относительно земли на участке от ДВ до управляющего контакта и может составлять от нуля до половины напряжения АБ. Напряжение на ДВ определяется согласно (1.1.):

1

1 1

Я

изол-

КД- ЯДВ

1

1 1 1

(1.1)

Я

"изол+

я

■Д+

При замыканиях на землю в СОПТ к ДВ кратковременно может быть приложено напряжение, превышающее напряжение его срабатывания. При этом

возможно срабатывание ДВ даже при разомкнутом состоянии управляющего контакта 43/С5 на рисунке 1.2 [10].

FUSE

+ DC BUS

Щ ¡Of Lamp 1)

с

*о >

о

СП

R2 (or Lamp 21

Ct

с/> со

С 2

I

i di

СЕ . СМ 1Л '

?0 | £

__5

Relay ipariiaf)

ф

FUSE -DC BUS

Рисунок 1.2; Схема фрагмента типовой СОПТ: С1 и С2 - емкости, образованные

кабелями, защитой от перенапряжений, источниками питания, элементами релейных защит и т.д.; R1 и R2 -резисторы заземления батареи; 43/CS - контакт

управления выключателем; TRIP1 - внешний расцепитель реле; 52AI -дополнительный контакт выключателя; INI и IN2 - входные контакты защитного реле; DCM1 - мониторинг сети постоянного тока; FUSE - предохранитель; ТС1 -катушка расцепителя 1; 52а - дополнительный выключатель.

Замыкание на участке сети между управляющим контактом 43/GS и входным контактом защитного реле INI, рисунок 1.2, способно привести к превышению напряжения срабатывания защитного реле. При емкостях сети относительно земли, значения которых могут достигать сотен мкФ на полюс, перезаряд емкостей длится десятки и сотни милисекунд. Превышение напряжения срабатывания на защитном реле в течение 5 и более милисекунд может привести к ложному срабатыванию защиты.

Напряжение, прикладываемое к ДВ в режиме, соответствующем нормальному состоянию сети, может достигать значений в 220 В, при определенном соотношении сопротивлений утечек и внутреннего сопротивления ДВ. Этого значения достаточно для переключения ДВ, напряжение срабатывания которого выбрано даже на уровне 176 В, выбранное согласно [4-6] как максимальное напряжение срабатывания для известных ДВ. Таким образом, срабатывание ДВ возможно даже в нормальном режиме работы СОПТ.

Данная проблема существовала и при использовании только электромеханических релейных защит [12]. Однако проблема решалась благодаря устройству контроля изоляции, заземлявшему среднюю точку сети через реле 16, как показано на рисунке 1.3. Резисторы 14 и 15 имеют сопротивления по 1 -2,2 кОм каждый. Реле 16 включено между средней точкой образованной резисторами 14 и 15 и землей. Относительно реле 16 резисторы 14 и 15, а также сопротивления изоляции 9 и 10 создают мостовую схему. При снижении сопротивления изоляции одного из полюсов в обмотке реле протекает ток, способный вызвать срабатывание реле, а следовательно и сигнализации о снижении сопротивления изоляции СОПТ.

3

Рисунок 1.3. Схема подключения устройства контроля изоляции старого образца: 1 - подзарядный агрегат, 2 - аккумуляторная батарея, 3,4 - сборные шины ЩПТ, 5 - обобщенная нагрузка, 6 - эквивалентное сопротивление ДВ, 7 -обмотка реле, 8 - управляющий контакт, 9, 10 - сопротивления изоляции полюсов

относительно земли, 11, 12 - распределенные емкости полюсов относительно земли, 13 - устройство контроля сопротивления изоляции относительно земли, 14, 15 - резисторы делителя напряжения, 16 - реле, включенное в среднюю точку

делителя

В работе [12] сделан вывод, что замыкания на землю в СОПТ приводят к ложным срабатываниям релейных защит, питающихся от СОПТ. Был предложен вариант решения задачи - снижение сопротивления отрицательного полюса относительно земли, для изменения распределения напряжений относительно земли между полюсами СОПТ. Снижение сопротивления предлагалось осуществлять посредством изменения схемы устройства контроля изоляции, а именно соотношения сопротивлений 14 и 15, а также изменения настроек реле 16.

Однако на современных подстанциях, использующих МПРЗА, применение подобного устройства контроля изоляции недопустимо, т.к. оно предполагало поиск поврежденного присоединения путем попеременного отключения потребителей от питающих шин. При отключении питания МПРЗА даже на несколько секунд произойдет отключение устройства, и для возобновления его работы потребуется перезагрузка всего программного обеспечения устройства самотестирование. Эти процедуры могут занимать несколько минут, при этом сразу несколько защит будет выведено из работы, что не допустимо.

По этой причине на подстанциях, где применяется МПРЗА, установлены современные цифровые системы контроля изоляции и поиска поврежденного присоединения. Микропроцессорные системы контроля изоляции не осуществляют заземления средней точки СОПТ, поэтому напряжения полюсов сети относительно земли не равны и могут различаться на порядок в условиях нормального состояния изоляции сети.

Исследованиям вопроса влияния системы заземления на работу релейных защит, питаемых от сети СОПТ, проводились и за рубежом [10]. Основные правила построения сети постоянного тока в США, согласно [10], аналогичны тем, что применяются на ПС в РФ. Заземление средней точки производится через две лампы накаливания и резистор, соединенные по той же схеме, что резисторы 14, 15 и реле 16 на рисунке 1.3. Лампы накаливания в данном случае установлены вместо резисторов 14 и 15. Яркость света ламп при изменении сопротивлений полюсов относительно земли, является дополнительным индикатором, помогающим быстро определить поврежденный полюс.

Вопросам ложных срабатываний микропроцессорных защит вследствие замыканий на землю в СОПТ посвящена работа [7]. Рассмотрены некоторые случаи замыканий на землю и их последствия. При этом основное внимание также уделяется системе заземления СОПТ и работе современных устройств контроля изоляции в заземленных сетях. В [7] приведены результаты исследования лишь замыканий на участке сети за ДВ, рассмотрен частный случай работы ДВ с фиксированными характеристиками, единственным возможным решением проблемы избыточных срабатываний ДВ в указанной работе названо применение определенного устройства контроля изоляции.

1.2. Характеристики ДВ

Для исследования условий ложных срабатываний ДВ и их предотвращения в первую очередь необходимо знать характеристики ДВ современных МПРЗА. Как уже отмечалось ранее, производители МПРЗА обычно не предоставляют подробной технической информации по ДВ устройств своего производства. Более того, производители МПРЗА не придерживаются какой-либо унификации по параметрам и терминологии устройств.

Устоявшейся терминологии по характеристикам ДВ не существует. Каждый производитель описывает характеристики согласно принятым внутренним обозначениям компании. Для унификации терминологии в данной работе

предложены следующие определения на основе общепринятых терминов для электромеханических реле.

Напряжение срабатывания ДВ - минимальное напряжение на входных зажимах ДВ, при котором происходит переключение ДВ. Для случаев, когда задержка на срабатывание отсутствует, напряжение срабатывания ДВ -минимальное напряжение на входных зажимах ДВ, при котором происходит срабатывание ДВ. При переключении ДВ его входное сопротивление меняется, в цепи протекает импульс режекции, срабатывание не происходит до истечения времени задержки. Если к моменту истечения времени задержки, значение напряжения на ДВ не снизится ниже напряжения возврата ДВ, то происходит срабатывание ДВ. В обратном случае срабатывание не происходит, сопротивление ДВ возвращается к начальному значению, устройство возвращается в режим ожидания сигнала.

Напряжение возврата ДВ - максимальное напряжение на ДВ, при котором происходит возврат ДВ в исходное состояние.

Начальный ток импульса режекции - начальное значение тока в цепи ДВ, после его переключения. Импульс режекции - бросок тока в момент времени сразу после превышения напряжения срабатывания на ДВ. Позволяет емкостям цепи ДВ перезарядиться, тем самым ускоряя процесс снижения напряжения на ДВ при нештатной работе цепи (замыкание на землю или другое повреждение). Т.е. импульс режекции способствует повышению помехозащищенности ДВ и снижению вероятности ложных срабатываний. Положительный побочный эффект появления этого импульса - прожиг окисной пленки. В большинстве МПРЗА для создания импульса режекции применяется последовательная активно-емкостная цепь в схеме ДВ. Поэтому входной ток имеет экспоненциальную зависимость от времени, как показано на рисунке 1.4.

L мА

Рисунок 1.4; Типовая форма кривой входного тока ДВ в зависимости от времени: I - ток, протекающий через ДВ; t - время протекания тока

Ток удержания ДВ - ток, протекающий в цепи ДВ после переключения ДВ в течение длительного времени. Время протекания тока удержания определяется параметрами и назначением ДВ: ток удержания может протекать в течение нескольких миллисекунд, согласно настройке защиты, или сколь угодно долго до реакции персонала или автоматики, в случае двустабильного ДВ. В отличие от тока удержания реле, ток удержания ДВ физически не удерживает сердечник, наоборот, заложенная логика удерживает параметр входного сопротивления на заданном уровне, а, следовательно, влияет на ток. Значение тока удержания, сработавшего дискретного входа находится в диапазоне от 0,2 до 2,7 мА в зависимости от типа и производителя МПРЗА, в некоторых устройствах достигает 20 мА, например, «АКА Кедр» производства «Уралэнергосервис».

Время задержки - интервал времени с момента подачи напряжения на ДВ, превышающего напряжение срабатывания, до мгновения выполнения этим ДВ предназначенной функции. Время задержки, в некоторых источниках «время фильтрации сигнала», предназначено для отстройки ДВ от помех. Значение этого параметра зависит от назначения защиты, т.е. от максимально допустимой задержки по времени для конкретной защиты. Поэтому многие производители в целях унификации своих устройств снабжают ДВ регулируемой задержкой на срабатывание. Например, в устройствах серии 615, 630 и 650 производства ABB

задержка на срабатывание регулируется в диапазоне от 0 до 100 мс. В некоторых устройствах МПРЗА задержка на срабатывание в ДВ отсутствует, например, в терминале Берат 840. В большинстве устройств задержка на срабатывание фиксирована и составляет 2, 5, 10 мс.

Такой разброс параметров объясняется отсутствием до недавнего времени каких-либо требований по исполнению ДВ МПРЗА и к их характеристикам. Первым документом, регламентирующим требования к ДВ, явился стандарт организации ФСК ЕЭС [12], в создании которого принимал участие автор настоящей работы.

ДВ МПРЗА различных производителей, согласно [4-6], [8], характеризуются следующими параметрами:

1. Номинальное напряжение

2. Напряжение срабатывания

3. Напряжение возврата

4. Входное сопротивление ДВ в режиме ожидания

5. Номинальный ток в режиме удержания

6. Максимально допустимое напряжение

7. Время задержки

8. Максимальный ток импульса режекции

9. Продолжительность и постоянная времени импульса режекции Однако общими для всех ДВ можно назвать только первые шесть

параметров. Остальные являются опциональными и, по мнению производителей, не обязательны для всех ДВ. Был проведен анализ параметров МПРЗА различных моделей и производителей. Результаты сведены в таблицу 1.1.

Таблица 1.1. Параметры ДВ некоторых производителей

Производитель/ Серия Классы напряжений Для и = 220 В DC

24 48 110 220 Umakc Uc UB Imakc Iy tBblfl

В В в В В В В мА мА мс

АББ/670/5ХХ V V V V 300 >176 <144 30 1 5

АББ/650/630/615 V V V V 300 >176 <144 20 l1 1.. .100

Бреслер V 400 >162 <146 50 2,7 5...15

Микроника/ MWS206B V 160170 130-140 - - 5/10

РТСофт/Sprecon V V V V 300 160170 (0,85-1) *Ur.c. 25 2 -

Siemens V V V V 300 88176 - 46 1,8 -

Areva MiCom V >163 <154 139 U

Уралэнергосервис/ АКА КЕДР V >176 <132 20 20

- на постоянную составляющую токового сигнала накладываются импульсы определенной частоты, способные передавать кодированный сигнал.

Как следует из таблицы 1.1. характеристики ДВ МПРЗА отличны у каждого производителя, при этом некоторые устройства не имеют того же набора параметров, что и другие. В некоторых устройствах МПРЗА ДВ, например, не имеет импульса режекции, т.е. значение тока в цепи ДВ мало и постоянно после превышения напряжения срабатывания. В случае отсутствия задержки на срабатывание в ДВ МПРЗА, появление напряжения, превышающего уставку ДВ, вызывает срабатывание ДВ. Появление на ДВ напряжения 200 В возможно даже в нормальном режиме работы СОПТ, при определенном соотношении сопротивлений утечек изоляции сети и сопротивления ДВ. Как следует из таблицы 1.1. напряжения 200 В достаточно для превышения напряжения срабатывания ДВ любого типа

1.3. Схемотехнические решения ДВ МПРЗА

Схемные решения ДВ индивидуальны для каждого производителя, однако существуют общие принципы построения схем такого рода. На рисунке 1.5 представлена универсальная структурная схема ДВ постоянного и переменного напряжения. Генератор импульса, представленный на схеме, физически может представлять как ЯС- контур, так и транзисторную схему, позволяющую создать импульс режекции сложной формы.

Рисунок 1.5; Обобщенная структурная схема ДВ МПРЗА: Имп - генератор импульса режекции; R] и R2 - резисторы, задающие порог срабатывания компаратора Comp; R3 - резистор, определяющий ток через ДВ; VD - светодиод, в паре с фотоэлементом обеспечивающий гальваническую развязку входа с микропроцессорной частью устройства защиты

Реализация ДВ в виде схемы, принципы действия которой соответствуют описанным, рассмотрена на примере схемы ДВ компании Бреслер, рисунок 1.6. На рисунке: DAX - микросхема компаратора, IIA и IIB входные контакты. Как видно из рисунка, выпрямитель в схеме отсутствует, что связано с применением таких входов исключительно на постоянном напряжении. VU1 - диод оптопары, обеспечивающий гальваническую развязку. Для задания порогов срабатывания и возврата ДВ использован резистивный делитель, построенный на базе резисторов: R3, R6, RS, R9. Режективный импульс генерируется посредством транзисторной схемы построенной на базе элементов R5, R7, СЗ, VTX. Защита схемы от

обратного включения осуществляется посредством диода К£>2. Другой диод КО! обеспечивает защиту схемы от превышения максимального входного напряжения, обычно 300 В. С\, С2 - конденсаторы для сброса помех на корпус терминала ЕО]ЧО. КОЗ, С4 и - элементы параметрического стабилизатора для питание микросхемы компаратора.

Рисунок 1.6; Электрическая схема ДВ МПРЗА компании Бреслер.

Целый ряд работ В.И. Гуревича [13,42,49] посвящен проблемам ДВ МПРЗА. Эти работы направлены в основном на исследование оптронов и других элементов ДВ.

1.4. Влияние методов и средств поиска мест снижения полюсной изоляции относительно земли на работу ДВ

Было проведено исследование характеристик современных устройств поиска мест снижения полюсной изоляции относительно земли в СОПТ.

Как известно, поиск поврежденного присоединения на подстанциях, оснащенных только электромеханическими релейными защитами, выполнялся вручную. После локализации сборки, содержащей поврежденное присоединение, присоединения поштучно переносили на другую секцию, с нормальным уровнем изоляции. При отсоединении поврежденного присоединения уровень изоляции секции восстанавливался, и неповрежденные присоединения возвращались на секцию. Применение подобной схемы на крупных подстанциях сложно и

небезопасно - отключение защиты на время переключения может явиться причиной ее не срабатывания в аварийной ситуации. Т.к. при отключении присоединения, защита теряет питание. С появлением микропроцессорных устройств, отключение присоединения стало затруднительно, т.к. в случае отключения микропроцессорной защиты, ей может потребоваться несколько минут на перезагрузку и самотестирование для восстановления работоспособности. Для исключения процедуры ручного отключения присоединений на современных подстанциях используются устройства активного поиска мест снижения полюсной изоляции относительно земли в СОПТ [14].

Активные устройства поиска мест снижения полюсной изоляции относительно земли используют принцип инжекции импульсов в СОПТ с последующим измерением дифференциального тока в отходящих присоединениях [15].

Одной из наиболее распространенных отечественных систем поиска мест снижения полюсной изоляции относительно земли в СОПТ является система «СКИФ» [16]. Система «СКИФ» предназначена для автоматического поиска места повреждения изоляции в сети постоянного тока без отключения потребителей сети. Система позволяет эксплуатационному персоналу автоматически определить фидер, питающий поврежденный участок, а на периферии сети - панель, ячейку, провод с нарушенной изоляцией. Система СКИФ состоит из стационарного "СКИФ-С", который устанавливается на щите постоянного тока и автоматически с помощью электромагнитных датчиков тока определяет поврежденное присоединение и секцию шин ЩПТ и переносного "СКИФ-П" в виде специализированного прибора для ручного поиска местоположения дефекта изоляции. Система изготавливается двух типоразмеров:

- «СКИФ-1» с количеством датчиков от 20 штук до 60 штук;

- «СКИФ-2» с количеством датчиков от 60 штук до 100 штук.

Устройство осуществляет автоматическую перенастройку при изменении ёмкости контролируемой сети, что позволяет снизить риск нечувствительности прибора к снижению сопротивления изоляции сети.

Переносное устройство поиска поврежденного присоединения «СКИФ-П» обеспечивает возможность ускоренного поиска непосредственного места замыкания на землю в контролируемой сети с индикацией на дисплее величин опорного напряжения, тока и сопротивления изоляции присоединения. Для этого проводятся пофидерные измерения на подстанции, непосредственно в ЩПТ и далее. Стоит отметить, что переносное устройство поиска поврежденного присоединения «СКИФ-П» без «СКИФ-С» использоваться не может.

Таблица 1.2. Основные технические параметры системы «СКИФ»

Наименование параметра Значение

СКИФ-С (стационарный) СКИФ-П (переносной)

Диапазон регулирования напряжения генератора опорного напряжения, В 0-60 —

Предельное селективно определяемое снижение сопротивления изоляции, не более, кОм 50 50

Максимальная суммарная емкость контролируемой сети, не более, мкФ 30 —

Максимальная суммарная емкость контролируемого фидера, не более, мкФ 2 —

Максимальная суммарная емкость периферийных участков (панели, ячейки, провода), не более, мкФ — 2

Число автоматически контролируемых фидеров, не более, шт. 100 —

Наибольшее распространение в нашей стране среди зарубежных систем контроля уровня изоляции и поиска поврежденного присоединения получили устройства немецкой компании Bender. Для контроля изоляции применяются устройства семейства IRDH [17], для поиска поврежденного присоединения модуль контроля изоляции снабжается отдельными блоками (до 12 штук) серии EDS.

Краткое описание системы:

1. Возможность использования различных по техническим параметрам и конструктивному исполнению измерительных трансформаторов тока;

2. Одновременный опрос всех измерительных трансформаторов тока;

3. Централизованная индикация поврежденных фидеров;

4. Возможность индивидуальной настройки

5. Возможность интеграции в системы управления и визуализации более высокого уровня.

Принцип функционирования системы аналогичен принципу большинства систем активного поиска поврежденного присоединения, рисунок 1.7: При обнаружении снижения уровня изоляции устройством IRDH происходит краткосрочное замыкание контура утечки через известное сопротивление. Локализация повреждения происходит посредством датчиков тока, установленных на присоединениях.

Рис. 1.7; Схема распределения токов в сети: /(¿/5) - испытательный ток; 1{с1) - разностный ток; СЕ.у- ёмкости сети перед измерительным трансформатором; СЕ-ы — ёмкости сети после измерительного трансформатора тока; у — место повреждения изоляции перед измерительным трансформатором тока; 7?/г.,у- место повреждения изоляции после измерительного

трансформатора тока

Технические характеристики устройств £05460/490 и £1)5461/491 [16] представлены в таблице 1.3.

Таблица 1.3. Основные технические параметры системы EDS

Номинальное напряжение сети От 20 до 276 В переменного тока, от 20 до 308 В постоянного тока

Вторичная нагрузка трансформаторов тока 10 Ом

Порог чувствительности От 2 до 10 мА (для устройств «£ДО460»/«£Ш490») От 0,2 до 1 мА (для устройств {<EDS46\y>l«EDS49\y>)

Диапазон измерений для функции «EDS» От 2 до 50 мА (для устройств «£,£)5'460»/«£'1)5'490») От 0,2 до 5 мА (для устройств «EDS46l»/«EDS49l»)

Диапазон измерений для функции «RCM» От 100 мА до 10 А (для устройств «Е£>5460»/«££>5490») От 10 мА до 1 А (для устройств «EDS461 »/«ЕШ491»)

Кол-во измерительных каналов (для 1 устройства/ для системы) 12/1080

Частота опроса всех измерительных каналов Приблизительно от 4 до 10с

Выводы по главе:

1. Существует проблема возникновения ложных срабатываний релейной защиты и автоматики при замыканиях на землю в СОПТ. В результате переходных процессов, вызванных замыканиями на землю, на обмотках РЗА, питаемых от СОПТ, могут возникать напряжения, превышающие напряжения

срабатывания. Емкости СОПТ могут увеличить время превышения напряжения срабатывания, вызывая срабатывание РЗА.

2. Применительно электромеханических РЗ данной проблеме посвящено множество отечественных и зарубежных публикаций. Заземление СОПТ рассматривается в этих работах, как один из определяющих факторов в условиях работы РЗА. Емкость сети СОПТ относительно земли рассматривается как определяющий фактор в протекании переходного процесса при замыканиях на землю в СОПТ. Вопрос влияния переходных процессов в цепях питания МПРЗА на работу ДВ не имеет должной проработки в рассмотренных статьях.

3. Характеристики ДВ МПРЗА различных производителей значительно отличаются по нормируемым параметрам. Во всех рассмотренных ДВ присутствует ряд общих параметров: напряжение срабатывания, напряжение возврата, внутреннее сопротивление ДВ, время срабатывания. В некоторых МПРЗА ДВ имеют опциональные параметры, такие как импульс режекции, задержка на срабатывание, что затрудняет разработку общих рекомендаций по исключению ложной работы ДВ. Является необходимым введение систематизации нормирования технических требований к ДВ.

4. Современные микропроцессорные устройства автоматического поиска мест снижения сопротивления полюсной изоляции относительно земли используют метод инжектирования в контролируемую сеть импульсов тока, с последующим его измерением. Характеристики импульсов разнообразны для различных производителей. Чем больше амплитуда импульса, тем при большей емкости относительно земли СОПТ происходит уверенная локализация повреждения. Ни в одной из рассмотренных работ не рассматривается влияние устройств автоматического поиска места снижения сопротивления изоляции на работу ДВ МПРЗА.

2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СОПТ С ДВ МПРЗА, ЕЕ РЕАЛИЗАЦИЯ И ВЕРИФИКАЦИЯ

2.1. Разработка математической модели

Математическое описание ДВ

Математическая модель сети СОПТ с подключенным ДВ МПРЗА состоит из двух основных частей: СОПТ и самого ДВ. Сеть СОПТ описывается дифференциальными уравнениями, а ДВ требует описания логики действия. Описание логической части основано на документации производителей и проведенных исследованиях. Логика работы ДВ МПРЗА приведена на рисунке 2.1 в виде блок-схемы. При появлении на дискретном входе напряжения £/дв, превышающего по амплитуде заданную уставку (£/ср), происходит изменение входного сопротивления возникает токовый импульс режекции, запускается таймер задержки на срабатывание. В том случае, если напряжение £/дв за время задержки (определяемое по запущенному таймеру) не снизится ниже напряжения срабатывания ДВ, то произойдет срабатывание ДВ. В том случае если напряжение на ДВ снизится ниже напряжения возврата, ДВ вернется в начальное состояние, не изменив положения выходных цепей. При срабатывании ДВ обычно подается команда на замыкание или размыкание контактов реле, блокировки или включения сигнализации.

Рисунок 2.1. Блок-схема иллюстрирующая логику работы ДВ

На рисунке 2.1 флажок р определяет факт срабатывания ДВ, поэтому на входе приравнивается к нолю. Начальное сопротивление ДВ определено сопротивлением в режиме ожидания Я0 и является постоянным.

Описание переходных процессов системой дифференциальных уравнений

Переходные процессы, протекающие в СОПТ при замыканиях на землю, описаны посредством систем дифференциальных уравнений. Рассмотрен случай замыкания на землю на участке сети УК-ДВ (рисунок 2.28). Уравнения, описывающие переходные процессы, происходящие в СОПТ при замыкании на землю, составлены на основании расчетной схемы, представленной на рисунке 2.29. При переходе от схемы подключения ДВ к расчетной схеме изменения

коснулись следующих элементов схемы: ИП заменен ЭДС Е, из схемы удалена емкость СЗ (при замыкании ключа, емкость шунтируется и на расчет не влияет), блок ДВ заменен входным сопротивлением ДВ (Я4).

Рисунок 2.28. Схема подключения ДВ к СОПТ с имитацией замыкания на землю

на участке сети между УК и ДВ.

Рисунок 2.29. Расчетная схема для случая замыкания на землю на участке УК-ДВ.

Случай замыкания на землю на участке сети УК - ДВ описывается системой уравнений 2.10.

Г

1 г

~1кА+— К]^ = 0 1 г

--1^ + ^4=0

с

*с2 + ^

(2.10)

Для полученной системы уравнений были записаны начальные условия. Т.к. схема имеет активно-емкостной характер, то начальные условия переходного процесса будут определяться значениями напряжений на емкостях в предшествующем замыканию режиме. Для сети постоянного тока, в установившемся режиме емкости, присутствующие в схеме заменяются разрывами. Схема для расчета предшествующего режима представлена на рисунке 2.30. Параметры схемы определяются из системы линейных уравнений 2.11.

С/С2

Я4

Рисунок 2.30. Расчетная схема для предшествующего замыканию

установившегося режима

< -1К2+1т+1Я4 =0 (2.11) ^С2 =

Рсх =

Расчет проводился в компьютерной среде МаШСас! со следующими значениями параметров: Я\ = 800 кОм, Я2 = 20 кОм, = 10 МОм, = 3,25 кОм, с\ = 10 мкФ, с2 - 10 мкФ, Е = 242 В. Интервал времени интегрирования - 20 мс с шагом 10 мкс. Результатами расчета являются значения тока через ДВ, в момент времени ¿=10 мкс и в момент времени / = 20 мс, равные соответственно 60, 31 мА и 53,12 мА. Использование в данном расчете постоянного сопротивления ДВ, позволяет определить напряжение на ДВ, зная ток Напряжение на ДВ в моменты времени / = 10 мкс и / = 20 мс составило соответственно 196,01 и 172,93 В.

2.2. Реализация модели СОПТ с ДВ МПРЗА в ЕМТР ЯУ

Выбор среды моделирования

Для решения проблемы возможности ложных срабатываний ДВ в первую очередь была разработана система унификации этих устройств. Система унификации предполагает разработку технических требований на устройства. Для разработки требований необходим инструмент, позволяющий получить корректное решение. В качестве такого инструмента была выбрана математическая модель. Модель должна быть универсальна - она должна позволять исследовать широкий спектр характеристик ДВ, несколько различных видов повреждений СОПТ, влияние активных устройств поиска поврежденного присоединения.

Для расчета переходных процессов в электрических цепях используется множество программно вычислительных комплексов. Наиболее популярными считаются МаЖаЬ, ЕМТР-Я V, МгсгоСир и другие.

В результате анализа существующего программного обеспечения для поставленной задачи была выбрана среда ЕМТР-ЯУ, как наиболее подходящая по ряду параметров:

• данная программная среда специализирована для расчета электромагнитных процессов

• ЕМТР-ЯУ признана во всем мире как наиболее точный и удобный инструмент для расчетов в области переходных процессов в электроэнергетике, программа предназначена для расчетов процессов продолжительностью от наносекунд до минут

• программа имеет большую библиотеку, содержащую все, необходимые для решения поставленной задачи, элементы.

Реализация элементов модели СОПТ с подключенным ДВ МПРЗА

Для разработки модели СОПТ с подключенным ДВ МПРЗА в основу математической модели была заложена логика работы ДВ согласно параметрам существующих ДВ и данным полученным экспериментальным путем. Структурная схема модели логической части ДВ, реализованная в программной среде ЕМТР-Я V представлена на рисунке 2.22.

кон2 [ о е. напряжение

\ 1 * дет.

Ч N

коып.

срав

возврата. В

коып.

срав.

1

кон!

коып.

напряжение тарантиров энного срабатывания, В

срав.-

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Монаков, Юрий Викторович, 2013 год

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. РД 153-34.0-35.648-01 Рекомендации по модернизации, реконструкции и замене длительно эксплуатирующихся устройств релейной защиты и электроавтоматики энергосистем - НТПР РАО «ЕЭС России» 2001.

2. Коновалова Е.В., Сахаров С.Н. Устройства РЗА в ЕНЭС. Основные результаты работы // Новости электротехники. 2008, №4

3. Арцишевский Я.Л., Гусев Ю.П., Мельников A.A., Монаков Ю.В., Чо Г.Ч. Экспериментальное определение характеристик дискретных входов микропроцессорных терминалов релейной защиты // Энергоэксперт, 2011, № 2 - с.68-75.

4. Защита электрических сетей, Sepam серий 20,40,80, Merlin Gerin, France, 2005 http://www.merlin-gerin.com

5. Distance Protection Relay for Transmission Lines, Siprotec, Siemens AG, 2004 http://ftp.so-ups.ru/RZA/Siemens/SIPRQTEC%20SA522/7SA522 catalogue.pdf

6. Siprotec compact, Siemens SIP 3 Edition 2, Germany 2012, http://www.energy.siemens.com/ecc_pool/SIPROTEC/ddb2cl 14-c2b3-4726-9ecf-295alc496c4a/SIPROTEC Compact Katalog SIP3.01 Ed2 en.pdf

7. Реле контроля уровня сопротивления изоляции полюсов сетей постоянного тока типа РКИ-Э. к.т.н. Галкин И.А., к.т.н. Шаварин Н.И., Иванов А.Б. Релейная защита и автоматизация №1 2010.

8. Generator protection REG670 ANSI Technical reference manual, ABB Inc. 1021 Main Campus Drive Raleigh, NC 27606, USA, 2012

9. http://rza.org.ua/article/read/Diskretnie-vhodi-tsifrovih-ustroystv-tsentral-noy-signalizatsii_46.html

10. Measuring and improving dc control circuits. Jeff Roberts, Tony J. Lee Schweitzer Engineering Laboratories, Inc. Pullman, Washington U. S. A. SEL 1998

11. Повышение надежности работы сети оперативного постоянного тока Борухман В.А., Кулдыкин А.Н., Электрические станции №4, 1985 Союзтехэнерго

12. СТО 56947007- 29.120.40.102-2011 Методические указания по инженерным расчетам в системах оперативного постоянного тока для предотвращения неправильной работы дискретных входов микропроцессорных устройств релейной защиты и автоматики, при замыканиях на землю в цепях оперативного постоянного тока подстанций ЕНЭС ОАО «ФСК ЕЭС» 2011

13. Логические входы микропроцессорных устройств релейной защиты: проблемы мнимые и реальные; В.И.Гуревич, к.т.н., Энергия и Менеджмент, 2009

14. Understand Ground Fault Detection & Isolation in DC Systems, Jose' A. Marrero, IEEE, 2000

15. Management of Ground Faults in an Ungrounded Multi-Terminal Zonal DC Distribution System with Auctioneered Loads, Robert M. Cuzner, Thomas Sielicki, Andew E. Archibald, Douglas A. McFarlin DRS Power and Control Technologies Milwaukee, WI/USA, 2011

16. http://www.techct.ru/skif.html

17. A-ISOMETER IRDH575 Operating Manual Bender GmbH, Germany, 2008

18. Гусев Ю.П., Монаков Ю.В., Чо Г.Ч. Предотвращение срабатываний дискретных входов микропроцессорных релейных защит при замыканиях на землю в системах оперативного постоянного тока // Энергоэксперт, 2011, № 5.

19. Гусев Ю.П., Монаков Ю.В. Предотвращение срабатываний дискретных входов микропроцессорных релейных защит при замыканиях на землю в системах оперативного постоянного тока// Известия вузов. Электромеханика. 2013, №1. С. 81-83.

20. Релейная защита энергетических систем Н.В.Чернобровов В.А.Семенов Москва, ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ, 1998

21. Справочник по наладке вторичных цепей электростанций и подстанций А. А. Антюшин, А. Е. Гомберг, В. П. Караваев и др.; Под ред. Э. С. Мусаэляна. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиз- дат, 1989.

22. J. Mahseredjian, S. Dennetiere, L. Dube, В. Khodabakhchian and L. Gerin-Lajoie: "On a new approach for the simulation of transients in power systems ". Electric Power Systems Research, Volume 77, Issue 11, September 2007, pp. 1514-1520

23. EDS460/490 и EDS461/491 Operating Manual Bender GmbH, Germany, 2007

24. Гусев Ю.П., Монаков Ю.В., Чо Г.Ч., Работа дискретных входов микропроцессорных релейных защит при кондуктивных помехах в системах оперативного постоянного тока, Международная научно-практическая конференция и выставка РЕЛАВЭКСПО-2012 Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем России, 2012

25. Релейная защита трансформаторов Засыпкин А. С., Москва Энергоатомиздат 1989

26. Earth Fault Monitoring in Ungrounded DC systems, «Elektrotehnik», 2009 http://www.electrotechnik.net/2009/06/earth-fault-monitoring-in-ungrounded-dc.html

27. Influence of Auxiliary DC System Capacitance on Relay Protection Operation, V. Faybisovich and T. Chapman are with Southern California Edison Company, Los Angeles, CA, IEEE, 2009

28. Усовершенствование защиты от замыканий на землю в сетях с компенсацией емкостного тока и в сетях постоянного оперативного тока, Шестакова В. В. Диссертация кандидата технических наук, Томск, 2000

29. Требования к оперативному питанию цифровых устройств релейной защиты и автоматики С.А. Гондуров, О.Г. Захаров, Энергия и менеджмент, сентябрь-октябрь 2005

30. Пуляев В.И. Итоги работы устройств релейной защиты и автоматики ОАО «ФСК ЕЭС» // Сб. докладов «Релейная защита и автоматика энергосистем 2004», Москва 2004

31. Басс Э.И., Дорогунцев В.Г. Релейная защита электроэнергетических систем. М.: Издательство МЭИ, 2002

32. И.П. Крючков, В.А. Старшинов, Ю.П. Гусев, А.П. Долин, М.В. Пираторов, В.К. Монаков Короткие замыкания и выбор электрооборудования, Москва, издательский дом МЭИ, 2012

33. DC Noise Immunity of CMOS Logic Gates, Fairchild Semiconductor July 1998

34. Bredley A. Industrial Automation Wiring and Grounding Guidelines, Milwaukee, WI 53204 USA, 1998

35. IEEE Std 1100-1999. IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Electronic Equipment

36. Li Ding and Pinaki Mazumder, On Circuit Techniques to Improve Noise Immunit of CMOS Dynamic Logic, 2004

37. P. Larsson and C. Svensson, "Noise in digital dynamic CMOS circuits," IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 29, pp. 655-662, June 1994.

38. K. L. Shepard and V. Narayanan, "Noise in deep submicron digital design," in Proc. Int. Conf. Computer Aided Design, 1996, pp. 524-531.

39. J. J. Covino, "Dynamic CMOS circuits with noise immunity," U.S. Patent 5 650 733, July 1997.

40. L. G. Heller, W. R. Griffin, J. W. Davis, and N. G. Thoma, "Cascode voltage switch logic: A differential CMOS logic family," in Proc. Int. Solid-State Circuit Conf., Feb. 1984, pp. 16-17.

41. G. Balamurugan and N. R. Shanbhag, "Energy-efficient dynamic circuit design in the presence of crosstalk noise," in Proc. Int. Symp. Low-Power Electronics and Design, 1999, pp. 24-29.

42. Борухман В.А., Кулдыкин А.Н. Устройство ИПИ-1 для отыскания мест повреждения изоляции в сетях оперативного постоянного тока. -Энергетик, 1985, № 2.

43. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей. М.: Энергия, 1977.

44. Диагностика электроустановок оперативного постоянного тока на подстанциях ОАО «Мосэнерго» / В.В. Балашов, Ю.П. Гусев, A.M. Поляков, В.А. ФещенкоЮлектрические станции. 2000.№8.

45. Методические указания по расчету защит в системе постоянного тока тепловых электрических станций и подстанций: МУ 34-70-035-83. - М.: СПО Союзтехэнерго, 1983. - 68 с.

46. Гусев Ю.П. Компоненты СОПТ: Положительные тенденции и проблемы развития // Новости электротехники. - 2005.- №1.-С. 44-45

47. Гусев Ю.П., Гусев О.Ю., Седунов В.Н., Дунаев А.И. Опыт внедрения нового поколения систем оперативного постоянного тока на подстанциях МЭС Центра // ЛЭП-2005: Тезисы доклада конференции 1-2 декабря 2005. -М.,2005.

48. Гусев Ю.П. Схемы подключения аккумуляторной батареи к щиту оперативного постоянного тока // Энергоэксперт. 2011, №1(24). С. 42-48

49. Гуревич В.И. Проблемы повышения надёжности систем оперативного питания РЗА на постоянном токе // Электроэнергия. Передача и распределение, 2012, №2(11), с. 70-73.

50. Гусев Ю.П. Компоненты СОПТ: Положительные тенденции и проблемы развития // Новости электротехники. 2005, № 31, С. 55.