Автореферат Кривченя ПВ Совершенствование релейной защиты при замыкании на землю в сетях СН ТЭС

Однофазные замыкания на землю являются самым распространенным видом повреждения в электрических сетях среднего класса напряжения (в пределах до 85-90% от общего числа нарушений нормальной работы сетей в зависимости от их назначения и конструктивного исполнения). Они приводят к возникновению перенапряжений, повреждению изоляции и в подавляющем числе случаев они развиваются в междуфазные короткие замыкания или многоместные пробои изоляции с групповым выходом из строя электрооборудования, сопровождаясь большим материальным ущербом и недоотпуском электроэнергии потребителям.

Актуальность

На сегодняшний день существует большое количество как направленных, так и ненаправленных защит от замыканий фазы на землю [1], но все они не достаточно надежны и во многих случаях срабатывают ложно. Поэтому в данной работе стоит задача создать защиту более селективную и более чувствительную, чем защиты, основанные на реле типа ЗЗП-1 или РТЗ-51. Из многократно проведенных исследований в системе собственных нужд ТЭС можно сделать вывод, что из-за различной удаленности нагрузки подключенной к шинам 6 кВ, а также различных условиях прокладки кабелей отходящих фидеров токи замыкания на землю на всех фидерах сильно отличаются друг от друга. При этом они имеют, как правило, очень маленькие значения, а суммарный ток замыкания на землю редко когда достигает значения 10 А. Из-за всего этого возникает сложность настройки уставок защиты и соответственно чувствительность установленных защит не всегда достигает минимально-допустимого значения. Из статистических данных полученных на Зуевской ТЭС, на которой установленные на двигателях защиты от замыканий на землю работают на отключение поврежденного присоединения, известно, что при замыкании на землю на фидере с малым собственным ёмкостным током на землю, кроме поврежденного присоединения отключаются фидера с наибольшим током замыкания на землю, что говорит о неселективности установленной защиты на реле типа РТЗ-51. Что касается направленных защит на реле ЗЗП-1, которые реагируют на направление мощности, то из [2] известно, что во многих случаях отключения поврежденного присоединения при возникающем явлении феррорезонанса данные реле ложно срабатывают из-за потери направленности. Исходя из вышеизложенного задача разработки более чувствительной и селективной защиты от замыканий фазы на землю по праву считается актуальной.

Цели и задачи работы. Предполагаемая научная новизна

Составить математическую модель для написания программы в MathCAD для расчета переходных процессов в сетях собственных нужд.
Повысить селективность и чувствительность защит от однофазных замыканий на землю в системе собственных нужд Зуевской ТЭС путем усовершенствования имеющейся защиты или разработки принципиально новой.

Задачи исследования

Для реализации поставленных целей в работе требуется выполнить следующие задачи:

1. Анализ установленных защит и обоснование необходимости проведения мероприятия по их усовершенствованию.
2. Разработка более надежной защиты.
3. Разработка математической модели сети с изолированной нейтралью.
4. Реализация мат. модели в математическом редакторе MathCAD.
5. Расчет коэффициента чувствительности установленных и новых защит.
6. Сравнение работы установленной и разработанной защит.

Предполагаемая практическая ценность

Результаты данной работы могут быть использованы для увеличения чувствительности и селективности защиты от замыканий фазы на землю в любой системе с изолированной нейтралью. Особенно эффективна защита в системе с малым током замыкания на землю.

Обзор существующих методов решения задачи

Устройство защиты от замыкания на землю

С целью обеспечения повышенной надежности и селективности поставленная задача и технический результат достигаются тем, что в устройство защиты от замыканий на землю в сети с изолированной нейтральной, который содержит трансформаторы тока нулевой последовательности по количествам линейных присоединений, к выходу которых параллельно подключены ограничители напряжения и промежуточные трансформаторы с выпрямительными мостами, выходы которых соединены с входами RC-цепей и подключены к усилителям постоянного тока, выходы последних соединены с исполнительными реле, и первые разделительные диоды по количества присоединений, источник напряжения нулевой последовательности, к выходу которого подключено реле напряжения с выдержкой времени, источник запирающего напряжения, а также резистор, с клемами для подключения между нейтральной сетью и землей. При этом устройство также имеет переключающие контакты исполнительных реле на входе усилителей постоянного тока, подвижные контакты которых через размыкающий контакт реле напряжения с выдержкой времени присоединены к полюсу плюсовой полярности источника запирающего напряжения, запирающие неподвижные контакты подключенные к плюсовому полюсу источники запирающего напряжения непосредственно, а размыкающие неподвижные контакты через соответствующие разделительные диоды - к конденсаторам указанных RC-цепей, дополнительно введенные по числу присоединений токоограничивающие резисторы, включенные последовательно с разделительными диодами, усилители постоянного тока мгновенного действия и нормально разомкнутые контакты, включенные последовательно в цепи входных сигналов каждого из реагирующих органов устройства.

Общие с прототипом признаки, приведенные в ограниченной части формулы. К ним относятся: трансформаторы тока нулевой последовательности по количеству линейных присоединений, ограничители напряжения и промежуточные трансформаторы с выпрямительными мостами, RC-цепи, усилители постоянного тока, исполнительные реле, разделительные диоды по количества присоединений, источник напряжения нулевой последовательности, реле напряжения с выдержкой времени, источник застирывающего напряжения, а также резистор, также по количествам присоединений переключающие контакты исполнительных реле на входе усилителей постоянного тока, подвижные контакты реле напряжения с выдержкой времени, запирающие неподвижные контакты и размыкающие неподвижные контакты через, которые схемный включены через соответствующие розділювальні диоды - к конденсаторам указанных RC-цепей.

Существенные отличительные признаки заявленного устройства защиты от замыканий на землю вместе с известными признаками обеспечивают получение технического результата, как то: достигнуто повышенной надежности и селективности защиты от замыканий на землю.
На чертеже показана принципиальная схема устройства защиты от замыканий на землю для двух присоединений.
Устройство имеет трансформаторы 1 и 2 току нулевой последовательности (ТТНП), измерительные органы, выполненные в виде RC-цепей и усилителей 3 и 4 постоянного тока с промежуточным герконовыми реле соответственно 5 и 6 на выходе, которые выполняют также функции исполнительного органа, подключенные к трансформаторам тока 1 и 2 через выпрямители 7 и 8, промежуточные трансформаторы 9 и 10, источник 11 напряжения нулевой последовательности, подключенные к его выходу реле 12 напряжения нулевой последовательности с выдержкой времени; разделительные диоды 13 и 14, ограничения 15 и 16 напряжения.
Кроме того, устройство имеет высокоомный резистор 17, который включен между нейтралью сети (например, нулевой точкой обмотки высокого напряжения трансформатора собственных нужд подстанции) и землей, который создает дополнительный активный ток замыкания на землю, равный по величине 50-100% емкостного тока металлического замыкания в сети (но не менее 3-4А); блок питания 18, который одновременно является источником запирающего напряжения; а также опрокидывающиеся контакты 19 и 20. Дополнительно введенные резисторы 21 и 22, что включенные последовательно с диодами 13 и 14, и нормально разомкнутые контакты 22 и 23, которые руководствуются усилителями 24 и 25.
Принцип работы устройства.
В нормальном режиме, при отсутствии снижения сопротивления изоляции одной из фаз относительно земли ниже допустимого, то есть, к состоянию однофазного замыкания, реле 12 не срабатывает. Контакты реле 5, 6 и 12 находятся в исходном состоянии, конденсаторы через замкнутые контакты реле 5, 6 и 12, диоды 13 и 14 заряженные от блока 18 питания напряжением, которое закрывает транзисторы усилителей 3 и 4 постоянного тока, реле 5 и 6 остаются в обесточенном состоянии, контакты 22 и 23 разомкнутые.
При однофазном замыкании на землю через сопротивления, значения которых находятся в зоне действия защиты, срабатывает реле 12 и с выдержкой времени размыкается его контакт, срабатывают элементы 24 и 25, защелкивающиеся контакты 22 и 23, тем самым обеспечиваются одинаковы условия перезарядки конденсаторов „С", невзирая на введение в схему токоограничивающих резисторов 21 и 22, конденсаторы RC-цепей начинают перезаряжаться от ТТНП 1 и 2 через промежуточные трансформаторы 9 и 10, выпрямители 7 и 8 и тем быстрее, чем больше ток нулевой последовательности в линии. После достижения на конденсаторе необходимого уровня потенциала срабатывают реле 5 (при подтверждении линии 1), подается сигнал на отключение соответствующего выключателя, а перекидывающийся контакт 19 осуществляет переключение источника 18 запирающего напряжения таким образом, что на конденсаторах RC-цепей всех других присоединений возобновляется запирающее напряжение, и срабатывание исполнительных реле на других присоединениях не происходят.
После отключения поврежденной линии, схема возвращается в исходное состояние. Необходима для селективной работы устройства разница между амплитудными значениями токов нулевой последовательности в поврежденных и невредимых присоединениях, обеспечивается заземлением сети через высокоомный резистор 17. Таким образом изобретение обеспечивает стабильность уставки срабатывания исполнительных реле в блоках всех присоединений, а также имеет достаточно высокие показатели помехоошибкоустойчивости, селективности и надежности в работе.
Применение данного устройства позволяет повысить надежность электроснабжения потребителей и улучшить условия безопасной работы персонала во время эксплуатации электроустановок в распределительных сетях.

Рисунок 1- Модель предлагаемой защиты. (Анимация: 10 кадров 10 повторений 123 кб)

Большое количество работ [3,4,5] на эту тему предлагают соединять фазу с наибольшим значением напряжения относительно земли с землей через первое сопротивление, одновременно соединять фазу с наименьшим значением напряжения относительно земли с землей через второе сопротивление, измеряют ток утечки на землю, фазные напряжения и определяют сопротивление изоляции сети относительно земли, сравнивают его с допустимым значением и, если оно оказывается меньше допустимого, то формируют сигнал на отключение поврежденного элемента сети, регистрируют значения сопротивления изоляции в определенные моменты времени, по ним определяют будущее значение сопротивления изоляции, сравнивают его с допустимым значением и, если оно оказывается меньше допустимого, то формируют информационный сигнал о приближении момента возможной аварии, причем каждое вновь зарегистрированное значение сопротивления изоляции используют при последующем вычислении будущего значения сопротивления изоляции и определяют остаточный ресурс изоляции.
Однако такой способ защиты от ОЗЗ значительно сложен в реализации и требует замены основного оборудования, например реле. К тому же в описании этих изобретений не рассматривается ложные срабатывания при отключениях других присоединений.

Суть метода, используемого в магистерской работе

Суть метода заключается в повышении селективности и чувствительности защиты от ОЗЗ за счет установленного оборудования, при этом создать защиту более селективную и чувствительную чем рассмотренные выше.

Принцип действия защиты основан на подмагничивании трансформаторов тока нулевой последовательности [6], состоящая из двух одинаковых магнитопроводов на каждый из которых намотано по две обмотки, позволяющая выполнить отстройку от токов небаланса и повысить коэффициент чувствительности на поврежденном присоединении за счет усиления основного магнитного потока создаваемого током в первичной обмотки потоком создаваемым подключенной к напряжению нулевой последовательности обмоткой подмагничивания.

Недостатком устройства-прототипа является возможность ложных срабатываний при отключении замыкания на поврежденном присоединении из-за возникающего перезаряда между собой ёмкостей.

Целью изобретения является повышение селективности и чувствительности направленной защиты от однофазных замыканий на землю.

1. Проведен анализ причин неселективной работы защит от замыканий на землю в сетях собственных нужд ТЭС с изолированной нейтралью и выбраны направления совершенствования защиты, в которых за основу принята токовая защита с подмагничиванием направленного действия сердечника трансформатора тока нулевой последовательности с помощью дополнительной обмотки, подключенной к трансформатору напряжения.

2. Апробация защиты на ЭВМ и на физической модели подтвердили правильность принципов устройства защиты от замыканий фазы на землю.

1. Назаров В.В. Защита электрических сетей от однофазных замыканий на землю – Киев «Либідь», 1992, 124 с.

2. Сивокобыленко В.Ф., Лебедев В.К., Ковязин А.В., Сердюков Р.П., Кряжок С.А., Гребенкин А.И, Зубенко В.В., Рябчук И.Э. Повышение надежности работы карьерных сетей при однофазных замыканиях на землю. – Наукові праці Донецького національного університету №9(158), 2009. ISSN 2074-2630.

3. Заявка: 2006111302/09, 06.04.2006 Булычев А.В. Гуляев В.А. Дежнев В.А - Способ защиты трёхфазной сети с изолированной нейтралью от однофазных замыканий на землю.

4. Заявка: 95117700/09, 28.09.1995 Булычев А.В., Ванин В.К. - Способ защиты трёхфазной сети с изолированной нейтралью от однофазных замыканий на землю.

5. Заявка: 2006140511/09, 16.11.2006 Буланов Р.Н., Гуров А.А., Мишутинский В.Е. – Устройство селективной защиты от однофазынх и многофазных замыканий на землю электрической кабельной сети с изолированной нейтралью.

6. Авторское свидетельство №74018 по заявке от 7 апреля 1947г.

7. Правила устройства электроустановок. – М.: Энергоатомиздат, 1985.– 640 с

8. Петренко Л.И. Электрические сети и системы – Киев: Вища школа, 1981 320с.

9. Сирота И.М., Кисленко С.Н., Михайлов А.М. Режимы нейтрали электрических сетей. Киев: Наукова думка, 1985. – 264 с.

10. Вольпов К.Д., Белый Ю.В. О повреждаемости изоляции электродвигателей собственных нужд электростанций // Электрические станции, 1976, № 11. – С. 34 – 35.

Кривченя Павел Владимирович

Электротехнический факультет (ЭТФ)

Кафедра: Электрические станции (ЭС)

Специальность: " Электрические станции "

Совершенствование релейной защиты при замыканиях на землю в сетях собственных нужд ТЭС

Научный руководитель:
д.т.н., проф. Сивокобыленко Виталий Федорович

д.т.н., проф. Сивокобыленко Виталий Федорович