Применение волнового метода ОМП в распределительных электрических сетях

ПРИМЕНЕНИЕ ВОЛНОВОГО МЕТОДА ОМП В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ

Закурдаев Р. Ю.

Закурдаев Роман Юрьевич / Zakurdaev Roman Yuryevich - аспирант, кафедра электроснабжения, Юго-Западный государственный университет, г. Курск

Аннотация: рассмотрена проблема определение мест повреждения в электрических распределительных сетях 6-35 кВ. Пояснено, что используемый режим работы нейтрали в данных сетях затрудняет определение мест повреждения методами, применяемыми в других сетях с другим видом нейтрали. Рассмотрена причина этой проблемы. Показано, что волновой метод определения мест повреждения является наиболее перспективным способом для определения места повреждения в распределительных сетях 6-35 кВ. Произведено описание некоторых отечественных и зарубежных устройств ОМП, реализующих данный принцип.

Ключевые слова: определение места повреждения, импульсный метод, волновой метод, распределительные сети, сети 6-35 кВ.

ВВЕДЕНИЕ

Важнейшим показателем уровня функционирования энергосистемы является бесперебойность электроснабжения. Современные технологии производства таковы, что перерыв в электроснабжении не допускается вовсе, а в случае возникновения несёт за собой остановку технологического процесса, недоотпуск продукции и прочие негативные последствия, результатом которых будут являться существенные убытки. Наиболее повреждаемым элементом комплексов электроэнергетического оборудования являются линии электропередач [9, с. 6]. В настоящий момент общий износ распределительных электросетей достиг 70%, а износ магистральных электрических сетей - ок. 50%. В других крупных странах показатель износа составляет 27-44%. Доля распределительных электрических сетей, выработавших свой нормативный срок, составляет 50% [10]. Это означает, что нарушения в работе электроэнергетических систем будут присутствовать, и уровень опасности таких нарушений снизится лишь после замены оборудования, выработавшего свой срок службы. Поэтому актуальной задачей является своевременное определение потенциальных нарушений в работе линий электропередач, а также оперативное выявление уже произошедших повреждений.

ОМП В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ СРЕДНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ

Скорость определения места повреждения (ОМП) напрямую связано с быстротой восстановления электроснабжения. Чем быстрее бригада электролинейщиков отыщет и приступит к ликвидации повреждения, тем скорее электроснабжение будет восстановлено.

Скорость ОМП определяется быстротой работы приборов ОМП, их точностью и достоверностью. Причём наиболее важным параметром является точность и достоверность. Быстрота произведённых математических и логических операций устройства не так важна - в отличие от устройств релейной защиты и автоматики (РЗА) (время действия исчисляется миллисекундами), устройства ОМП вполне могут производить вычисления в течение нескольких десятков секунд. Минимизация погрешностей и отсутствие промахов представляется значительно более важным требованием к ОМП, позволяющее сократить до минимума время отыскания повреждений и, как следствие, восстановление электроснабжения.

Распределительные сети среднего напряжения 6-35 кВ являются наименее оборудованными устройствами РЗА и ОМП сетями. В настоящее время около 80% объектов электрических сетей 6-35 кВ вообще не оснащены устройствами

селективной защиты от однофазных замыканий на землю (ОЗЗ) и имеют лишь общую неселективную сигнализацию ОЗЗ по напряжению нулевой последовательности -контроль изоляции. При этом поиск поврежденных линий электропередач (ЛЭП) осуществляется методом их поочередных отключений [6, с. 235]. Воздушные распределительные сети 6-35 кВ в РФ работают с изолированной или компенсированной нейтралью (в редких случаях используется резистивно-замелённая нейтраль). Значения токов замыканий на землю в этих сетях относительно невелики и во многих случаях на один или два порядка меньше токов нагрузки.

Указанные особенности сетей 6-35 кВ осложняют возможность применения для них методов и средств определение мест однофазных замыканий на землю, используемых в сетях более высокого напряжения. В связи с этим в воздушных сетях 6-35 кВ получили распространение переносные приборы, которые позволяют путём ряда последовательных измерений в разных точках сети определить место повреждения [5, с. 73]. Современным прибором топографического ОМП является «Топографическая система определения места повреждения ВЛ 6-35кВ», разработанная «ИЦ Бреслер». В состав системы входят:

• индикаторы повреждения воздушной линии (ВЛ) с радиоканалом;

• трансмиттеры;

• устройство шунтирования замыкания;

• программный продукт топографического ОМП.

Индикатор повреждения ВЛ устанавливается через определённое расстояние непосредственно на провода ВЛ на развилках, вдоль протяжённых или на границах труднодоступных участков в трёх фазах. Трансмиттеры монтируются на опору вблизи индикаторов. При срабатывании индикаторы повреждения ВЛ связываются с трансмиттером по радиоканалу. Трансмиттер ретранслирует информацию о повреждении в головной центр по в8Ы-каналу. Программа топографического ОМП обрабатывает поступающую информацию, отображает повреждённый участок на карте с привязкой к карте местности [1].

Однако недостаток переносных приборов очевиден - ОМП при помощи таких приборов требует больших затрат времени [7, с. 2]. Значительно эффективней в плане скорости определения места повреждения представляется использование дистанционных приборов, однако добиться их приемлемой точности - непростая задача.

Сложность дистанционного ОМП ввиду относительно малого значения токов замыканий на землю косвенно подтверждается тем фактом, что многие устройства ОМП (терминал определения места повреждения «Бреслер 0107.090» [11], устройство ОМП на воздушных ЛЭП «Сириус-2-ОМП» [12], комплектное устройство защиты и автоматики «ТОР 200» [3], комплектное реле определения места повреждения воздушных линий электропередачи «ТОР 100 ЛОК» [2]) могут определить только междуфазные короткие замыкания (КЗ) в сетях 6-35 кВ. ОЗЗ, характеризующиеся невысокими токами замыкания, не могут быть выявлены данными многофункциональными терминалами. Такие устройства отечественного и зарубежного производства предназначены для ОМП на линиях напряжением 6-750 кВ. Следствием такой универсальности является неспособность в полной мере реализовать функции ОМП на распределительных сетях среднего напряжения.

Дистанционные методы ОМП, согласно квалификации, предложенной Г. М. Шалытом [13, с. 15], подразделяются на:

1. По параметрам аварийного режима (односторонние и двусторонние).

2. Импульсные (локационные, волновые односторонние, волновые двусторонние).

3. Стоячих волн.

4. Емкостные.

5. Петлевые.

Упомянутые выше устройства «Бреслер 0107.090», «Сириус-2-ОМП», «ТОР-200» работают с применением метода ОМП по параметрам аварийного режима. В основу алгоритма работы положена функциональная зависимость координаты места повреждения (длины участка линии) от сопротивления этого участка. Сопротивление, в свою очередь зависимо от токов и напряжений аварийного режима, которые фиксируются измерительными органами прибора.

i = ACZ0C1),

Z;=/2(i/,/)( 2).

Зависимости представляют собой сложные функции, в которых, к примеру, делается допущение о резистивности тока в месте повреждения [8], ищется координата, в которой функция примет минимальные или максимальные значения, в результате чего делается вывод о местонахождении повреждения.

Измерительные органы приборов фиксируют немалую разновидность токов и напряжений: токи и напряжения прямой, обратной и нулевой последовательностей, токи и напряжения высших гармоник, параметры сети, являющиеся производными от токов и напряжений, например, мощность тока нулевой последовательности. Также существует множество способов этой фиксации, защищённых соответствующими патентами.

Однако данное направление ОМП в сетях 6-35 кВ обладает существенными недостатками, связанными, прежде всего, со сложностью распознавания тока ОЗЗ ввиду их малой величины и с трудностью расчёта расстояния ввиду высокой разветвлённости таких сетей.

Стоит также упомянуть о вероятностном характере значений некоторых величин. К примеру, сопротивление грунта, в котором растекается ток ОЗЗ, непостоянно и зависит от его температуры, влажности, качественного состава и др. параметров. Переходное сопротивление в месте КЗ непредсказуемо и может сильно разниться в зависимости от того, что явилось причиной повреждения. Величина распределённой ёмкости проводов также зависит от погодных условий и др. факторов.

Результатом всего вышесказанного являются методические, измерительные и прочие погрешности, приводящие к ошибочным сведениям о месте повреждения и, как следствие, к замедлению отыскания места повреждения.

ВОЛНОВОЕ ОМП

Преимущество импульсных методов ОМП (согласно классификации Шалыта подразделяются на: локационные, волновые односторонние, волновые двусторонние) заключается в том, что многие параметры линий, имеющие вероятностный и непредсказуемый характер, например, переходное сопротивление в месте повреждения, не оказывают никакого влияния на процесс определения места повреждения. Координата (длина линии) теперь является функцией времени и скорости пробега фронта волны. Одна из разновидностей этого метода (волновой метод односторонних измерений) предполагает измерение времени между моментом прихода к началу линии фронта волны, возникшей в месте повреждения и моментом вторичного прихода фронта этой волны после двух отражений (в начале линии и месте повреждения). Расстояние определяется как:

где т - интервал между приходами фронта двух волн, v - скорость распространении волны в волновом канале.

Терминал определения места повреждения «Бреслер-0107.090» дополняется модулем, позволяющим, наряду с методом ОМП по аварийному режиму, реализовать ОМП на волновом принципе. Используется волновой двусторонний метод с синхронизацией полукомплектов при помощи GPS- или Глонасс-датчиков.

На волновом принципе основана работа комплектного устройства импульсной защиты от замыканий на землю воздушных и кабельных линий 6-35 кВ «ТОР-110-ИЗН» [4].

Устройство предназначено для селективной защиты (сигнализации или отключения) от устойчивых или неустойчивых замыканий на землю в воздушных и кабельных линиях в сетях 6-35 кВ независимо от режима работы их нейтрали, а также для индикации фазного тока, протекающего по линии.

Волновой орган направления мощности анализирует распространение волн переходного процесса в момент возникновения ОЗЗ. В зависимости от взаимного соотношения первых волн делается вывод о расположении точки замыкания на землю.

В устройствах американской фирмы Qualitrol (IDM+ 9 (IDM+18, IDM+36), FL-1 (FL-8), TWS Mk VI) [14, 17] после пуска происходит запись осциллограмм аварийного процесса, и передача ее на сервер обработка осциллограмм и расчет расстояния до места повреждения производится на персональном компьютере с помощью специального ПО.

Комплекс TFS 2100 фирмы ISA (Италия) [16] состоит из модулей регистрации бегущих волн TDU 100, программного обеспечения для персонального компьютера и серверного модуля DPS 100. Записанные осциллограммы передаются на серверный модуль, и далее на персональный компьютер диспетчера, где происходит их обработка и расчет расстояния до места повреждения. Данное устройство в качестве основного метода ОМП использует односторонний волновой принцип (в западной классификации метод A), что является редкостью, потому как подавляющее большинство устройств применяют его в качестве дополнительного, а основным является двусторонний волновой (методы B, D, E, P).

Устройство Reason/RPV-310 [15] фирмы Alstom проводит волновое двухстороннее ОМП (тип D) при установке специального модуля высокочастотного аналого-цифрового преобразователя. Пуск устройства производится при превышении порога по току, устройство записывает высокочастотную осциллограмму. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Волновые методы определения КЗ в частности, и импульсные в общем, представляют наибольших практический интерес для применения в распределительных сетях среднего напряжения. Они лишены многих недостатков, которыми обладают методы ОМП по параметрам аварийного режима как дистанционные, так и топографические. По той причине, что оценивают параметры переходного процесса в отличие от тех, где исследуется установившийся режим. А также потому, что вывод о местоположении повреждения делается на основе зависимости длины участка линии от времени пробега электромагнитной волны повреждения, а не от сопротивления участка линии.

Литература

1. Геоинформационная система ОМП 6-35 кВ. [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.relematika.ru/produkty/6-35_kv/sistema_omp_6-35_kv/ (дата обращения: 13.01.2017).

2. Комплектное реле определения места повреждения воздушных линий электропередачи «ТОР 100 ЛОК». [Текст]: руководство по эксплуатации / ООО «Релематика». Чебоксары, 2016. 61 с.

3. Комплектные устройства защиты и автоматики линий 6-35 кВ ТОР 200Л. [Текст]. Руководство по эксплуатации / ООО «Релематика». Чебоксары, 2015. 136 с.

4. Комплектное устройство импульсной защиты от замыканий на землю воздушных и кабельных линий 6-35 кВ ТОР 110 - ИЗН. [Текст]: руководство по эксплуатации / ООО «Релематика». Чебоксары, 2014. 37 с.

5. Кузнецов А. П. Определение мест повреждения на воздушных линиях электропередачи. [Текст] / А. П. Кузнецов. Энергоатомиздат. М., 1989. 49 с. (Библиотека электромонтера; вып. 618).

6. Лачугин В. Ф. Релейная защита объектов электроэнергетических систем, основанная на использовании волновых методов. [Текст]: дис. докт. тех. наук: 05.14.02: защищена 17.06.16. Москва, 2015. 437 с.

7. Локтионов А. П. Об определении мест повреждения в электрических сетях средствами систем управления сетями. [Текст] / А. П. Локтионов // Электрика, 2015. № 2. С. 13-16.

8. Лямец Ю. Я., Антонов В. И., Ефремов В. А. Диагностика линий электропередачи. [Текст] / Ю. Я. Лямец, В. И. Антонов, В. А. Ефремов и др. // Электротехнические микропроцессорные устройства и системы: Межвуз. сб. науч. тр. Чебоксары: Изд -во Чуваш. ун-та, 1992.

9. Обалин М. Д.Применение имитационного моделирования для адаптации алгоритмов определения места повреждения линий электропередачи по параметрам аварийного режима. [Текст]: дис. канд. тех. наук: 05.09.03. Н.-Новгород, 2016. 181 с.

10. Распоряжение Правительства Российской Федерации от 3 апреля 2013 г. № 511-р г. Москва. [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.rg.ru/2013/04/08/elektroseti-site-dok.html/ (дата обращения 13.01.2017).

11. Терминал определения места повреждения Бреслер 0107.090. [Текст]: руководство по эксплуатации / ООО «НПП Бреслер». Чебоксары, 2016. 147 с.

12. Устройство определения места повреждения на воздушных линиях электропередачи «Сириус-2-ОМП». [Текст]: руководство по эксплуатации / ЗАО «РАДИУС Автоматика». М. 52 с.

13. Шалыт Г. М. Определение мест повреждения в электрических сетях [Текст] / Г. М. Шалыт. М.:Энергоиздат, 1982. 312 с.

14. IDM+ Multifunction Power System Monitor. [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.qualitrolcorp.com/products/fault-recorders/qualitrol-idm-multifunction-power-system-monitor/ (дата обращения 13.01.2017).

15. RPV-310 Modular Multifunction Digital Fault Recorder [Текст]: Datasheet / Reason Tecnologia S. A. Brasil. 53 с.

16. TFS-2100E Travelling Wave Fault Locator System Description and Specification [Текст]: Datasheet / I.S.A. srl. Italy. 74 с.

17. TWS FL-8 and TWS FL-1 Single Tower Traveling Wave Fault Locators. [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.qualitrolcorp.com/products/fault-location-monitors/tws-fl-8-and-tws-fl-1-traveling-wave-fault-locators/ (дата обращения 13.01.2017).