Исследование влияния переходного сопротивления на характеристики защиты от однофазных замыканий, основанной на контроле пульсирующей мощности

ISSN 2224-9923. Вестник ПНИПУ. Геология. Нефтегазовое и горное дело. 2012. № 4

ГОРНОЕ ДЕЛО

УДК 621.311 © Сапунков М.Л., Костарев И.А., Худяков А.А., 2012

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПЕРЕХОДНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗАЩИТЫ ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ, ОСНОВАННОЙ НА КОНТРОЛЕ ПУЛЬСИРУЮЩЕЙ МОЩНОСТИ М.Л. Сапунков, И.А. Костарев, А.А. Худяков

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г. Пермь, Россия

Исследовано влияние переходного сопротивления в месте замыкания на землю на приращения пульсирующих мощностей поврежденной и неповрежденной линии в сети с изолированной и компенсированной нейтралью.

Исследование влияния переходного сопротивления проведено на основе математического описания процессов при возникновении 033 в сети. Все необходимые расчеты выполнены с использованием аналитических выражений для приращений пульсирующей мощности на линиях сети, полученных для разных вариантов заземления нейтрали. В расчетах величина Rn варьировалась от 0 до 1000 0м. Задавалась степень асимметрии собственных проводимостей фаз линий на землю с возможным отклонением до 20 %. Для сети с компенсированной нейтралью предполагался режим резонансной настройки компенсации.

По результатам расчетов построены кривые зависимости относительной величины приращения пульсирующей мощности от переходного сопротивления в месте 033 для двух вариантов заземления нейтрали, а именно для изолированного и компенсированного. Построенные кривые выполнены как для поврежденной, так и для неповрежденной линии. Установлено, что величина Rn оказывает большее влияние на переменную составляющую мощности в сети с изолированной нейтралью по сравнению с сетью с компенсированной нейтралью.

В результате исследований установлено, что наличие переходного сопротивления в месте возникновения 033 будет существенно уменьшать контролируемые защитой сигналы. Однако достаточно высокая чувствительность датчиков тока и модулей аналогового ввода микропроцессорного устройства защиты позволит обеспечить селективность работы защиты при относительном принципе сравнения контролируемых сигналов.

Ключевые слова: сети среднего напряжения, однофазное замыкание на землю, переходное сопротивление, пульсирующая мощность, изолированная нейтраль, компенсированная нейтраль.

INVESTIGATION OF TRANSITION RESISTANCE DATA PROTECTION FOR SINGLE PHASE CIRCUITS, BASED ON A PULSE POWER CONTROL M.L. Sapunkov, I.A. Kostarev, A.A. Khudiakov

Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russia

The effect of transient resistance at the site of an earth fault on the increments of pulsating power lines damaged and undamaged in a network with isolated neutral and compensated ones were researched. Investigation of the effect of transient resistance was carried out on the basis of the mathematical description of processes in the erasing of O33 in the network. All necessary calculations were performed using the analytical expressions for the increments of pulsating power on the lines of the network obtained for different variants of neutral grounding.

In calculating the value of Rn was varied from 0 to 1000 ohms. The degree of asymmetry of intrinsic conduction phase lines on the ground with a possible deviation of up to 20 % was determined. The mode is assumed to be resonant setting compensation for a network with a compensated neutral. According to the calculations there were constructed plots of the relative magnitude of the increment of the transition from the pulsating power of resistance in O33 for two variants of neutral grounding, namely for the isolated and compensated neutral grounding .

The constructed curves are made for both damaged and undamaged line. The values of Rn has a greater effect on the variable component of the power network with isolated neutral compared to the network with a compensated neutral. The studies found that the presence of transition resistance at the scene of O33 will significantly reduce the protection of the controlled signals.

However, the relatively high sensitivity of the current sensors and analog input modules of microprocessor protection devices will provide the selectivity of protection at a relative comparison principle controlled by signals.

Keywords: medium voltage systems, line-to-earth fault, transition resistance, throbbing power, isolated neutral, compensated neutral.

Введение

Ввиду большой доли однофазных замыканий на землю (033) среди других аварийных повреждений (70-80 %) весьма актуальной является задача разработки эффективной защиты от 033 [1, 2].

Анализ существующих защит от 033 показывает, что многие известные устройства не удовлетворяют в полной мере требованиям по селективности и надежности с учетом возможных видов замыкания на землю: устойчивого замыкания (металлического либо через переходное сопротивление), устойчивого или перемежающегося дугового замыкания. Некоторые разработчики утверждают, что в настоящее время не существует универсальной защиты, которая способна однозначно определять поврежденную линию как в сети с изолированной, так и в сети с компенсированной нейтралью [3].

Как вариант решения такой проблемы авторы предлагают применение защиты от 033, основанной на новом принципе контроля возникновения замыканий, а именно на контроле приращений пульсирующей мощности (переменной составляющей) трехфазных линий [4, 5].

Аналитические выражения

для приращений пульсирующей мощности на линиях сети

Переменная составляющая суммарной мгновенной мощности трех фаз линии зависит от симметрии напряжений и симметрии токов. В случае их абсолютной симметрии переменная составляющая суммарной мгновенной мощности равна нулю. Возникновение в сети 033 обусловливает несимметрию фазных напряжений относительно земли всех линий сети. Это вызывает изменение мгновенной мощности линии на величину приращения переменной составляющей мощности. Данное обстоятельство позволяет с большой достоверностью находить поврежденную линию среди других линий распределительной сети и является опре-

деляющим фактором для создания новой селективной защиты от 033.

3начительно усложняет возможность успешного функционирования защит от 033 наличие переходного сопротивления в месте замыкания, которое уменьшает несимметрию напряжений фаз. Величина этого сопротивления зависит в первую очередь от характера контакта поврежденной фазы с землей. Согласно [8] величина этого сопротивления в некоторых случаях может достигать 100-200 0м и более, а в отдельных случаях, например при падении оборвавшегося провода воздушной ЛЭП на сухую или мерзлую землю, даже нескольких к0м. В связи с этим актуальной является задача оценки влияния переходного сопротивления в месте возникновения 033 на эффективность работы новой защиты.

Для проведения исследования необходимо, прежде всего, получить основные аналитические выражения для последующих расчетов. Сделано это на основании упрощенной схемы замещения сети с изолированной (или компенсированной) нейтралью, приведенной на рис. 1.

Распределительная сеть может содержать группу с числом N отходящих от секции шин линий. Любая из них может оказаться поврежденной. На рис. 1 такая линия обозначена индексом а. 0дна из неповрежденных линий обозначена индексом в. Все остальные N-2 неповрежденные линии на рис. 1 учитываются одной так называемой «эквивалентной» линией. В общем случае режим заземления нейтрали можно характеризовать комплексной проводимостью Ур. Частному случаю «изолированная нейтраль» будет соответствовать случай, когда Ур = 0 .

На основании ранее разработанной математической модели [6] выражения для комплексов приращений пульсирующей мощности поврежденной линии а и неповрежденной линии в в случае замыкании, например фазы А, можно записать в виде:

Рис. 1. Схема замещения сети с изолированной (или компенсированной) нейтралью

1) для поврежденной линии а:

¿п [(Усх+Х'Устр)иСА -

Ур ¿р + Ьр + Ухтр (¿р - І ' Ьр ) _

У + У

1р т уХтр

У + X ' У,тр + ¿п -(УВЕ + Х'УВТР )и^АВ ]

У +Х' У™ +

¿п

ёп

УЕ+Х' уЕтр ' УАа иав + Ува'Ц^ВС +' Ч + Уса иса

- и

(Уетр + ёР ) + Ьр

¿р , Ьр - соответственно активная и реактивная проводимости компенсирующего реактора; УЕ - суммарная проводимость фаз всех линий сети на землю,

У = У +У +У ; уаъ увъ~ усх ;

Ухтр - суммарная

2) для неповрежденной линии р :

.  ¿п [(УСХ + Х' УСТР )иСА -

др =_________ъ______________________

пв

-(Уве + Х' Ув.тр )и,

х(Уар и

АВ + Увв ' ивс + УСв ' иСА ),

где £п - величина переходной проводимости в месте замыкания на землю,

£п =^—; X, - безразмерная комплексная

^П

величина, введенная для краткости обозначений,

проводимость всех фаз первичной обмотки ТрП, ГЕТр = 7^Тр + Г^р + 7СТр;

Улх >Увх >Усх - суммарные проводимости фаз на землю всех N линий распределительной сети; Глтр, Гвтр, Гетр - проводимости фаз первичной обмотки ТрП.

В выражениях (1) и (2) режим заземления нейтрали отражается безразмерной величиной X. В случае сети с изолированной нейтралью X = 0.

Исследование влияния переходного сопротивления

Для проведения исследования влияния переходного сопротивления требуется рассматривать величину ДРП = ЛРП / АРпБа3 , которая представляет собой модуль отношения переменной составляющей мощности поврежденной (или неповрежденной) линий к базовой величине. 3а базовую ве-

х

х

х

Рис. 2. Кривые зависимости отношения ДРП от в сети с изолированной (а) с компенсированной (б) нейтралью: 1 - для поврежденной линии; 2 - для неповрежденной линии

личину принимается модуль приращения пульсирующей мощности в сети с изолированной нейтралью в случае металлического замыкания (= 0) и отсутствия асимметрии собственных проводимостей фаз линий на землю (¥ЛТі = УВТі = ). При

этом принимались следующие условия: общий ток замыкания на землю в сети составлял порядка 30 А; степень асимметрии проводимостей фаз линий - 20 %

( Улъ = 0,8 = 1, 2Усе ); в случае сети

с компенсированной нейтралью принималась резонансная настройка дугогасящего реактора. Достаточным считалось рассмотреть влияние на А//* переходного сопротивления в диапазоне возможных значений от 0 до 1000 Ом.

Путем варьирования величины Яп были проведены расчеты по выражениям (1) и (2). Далее путем отношения к базовой величине были вычислены значения А/П и построены кривые зависимостей А/* от Яп (рис. 2, а, б). В ходе анализа результатов исследования было выяснено, что при величине переходного сопротивления 10 Ом в сети с изолированной нейтралью данный параметр уменьшает сигналы на поврежденной и неповрежденной линиях максимально на 4,6 % по сравнению с сигналами на тех же линиях

при Я = 0. При компенсированной нейтрали уменьшение сигналов составляет 2,4 %. Это означает, что переходное сопротивление в пределах 10 Ом мало влияет на величины приращений пульсирующих мощностей на поврежденной и неповрежденной линиях независимо от режима заземления нейтрали. Однако при значениях сопротивления порядка 100 Ом уменьшение сигнала составляет: для сети с изолированной нейтралью 28,7 %, для сети с компенсированной нейтралью 7,8 %; при Я = 1000 Ом эти значения будут составлять 89,5 и 46 % соответственно.

Как видно из рис. 2, а, б, переходное сопротивление только уменьшает полезный сигнал защиты как на поврежденной, так и на неповрежденной линии. Стоит отметить, что сигнал на неповрежденной линии будет только в том случае, если имеется некоторая асимметрия собственных проводимостей фаз на землю линий сети. При симметричной сети приращение пульсирующей мощности на неповрежденной линии будет равно нулю независимо от величины переходного сопротивления.

Из полученных результатов также видно, что влияние переходного сопротивления на приращение пульсирующей мощности любой линии зависит от режима заземления нейтрали сети. Уста-

новлено, что величина Яя оказывает большее влияние на переменную составляющую мощности в сети с изолированной нейтралью по сравнению с сетью с компенсированной нейтралью.

Защита, основанная на контроле пульсирующей мощности, может работать по двум алгоритмам: сравнение сигнала с заданной уставкой (абсолютный принцип) и сравнение между собой приращений пульсирующих мощностей всех защищаемых линий (относительный принцип). В случае работы новой защиты по относительному принципу критерием оценки возможности успешного функционирования защиты является кратность величин сигналов на поврежденной и неповрежденной линиях. В результате исследования выявлено, что

отношение ДРПа / ДРПв не зависит от величины переходного сопротивления.

Заключение

Таким образом, установлено, что наличие переходного сопротивления в месте замыкания на землю не будет влиять на селективность работы защиты, основанной на контроле пульсирующей мощности. Большая величина переходного сопротивления будет обусловливать необходимость применения высокочувствительных датчиков тока и модулей аналогового ввода для обработки первичных сигналов, так как приращения пульсирующих мощностей отдельных линий в значительной степени зависят от величины переходного сопротивления.

Список литературы

1. Шуин В.А., Гусенков A.B. Зашиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ / НТФ «Энергопрогресс». - М., 2001. - 104 с.

2. Шалин А.И. Релейная защита от замыканий на землю в сетях с резистивным заземлением нейтрали // Ограничение перенапряжений: материалы 4-й Всерос. науч.-техн. конф. - Новосибирск, 2004.

3. Езерский В.Г. Комбинированная защита от однофазных замыканий на землю // Ограничение перенапряжений. Режимы заземления нейтрали. Электрооборудование сетей 6-35 кВ: тр. 4-й Всерос. науч.-техн. конф. - Новосибирск, 2006.

4. Сапунков М.Л., Худяков A.A. Разработка селективной защиты от однофазных замыканий на землю для распределительных сетей 6-10 кВ // Энергетика. Инновационные направления в энергетике: материалы 3-й Всерос. науч.-техн. конф. - Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. унта, 2010.

5. Способ защиты трехфазной сети от однофазных замыканий на землю: пат. № 2309507 Рос. Федерация / М.Л. Сапунков, Л.М. Сапунков. Опубл. 27.10.2007. Бюл. № 30.

6. Сапунков М.Л., Худяков A.A. Исследование на физической модели распределительной сети характеристик защиты от однофазных замыканий на землю, основанной на контроле пульсирующей мощности // XVI Бенардосовские чтения: материалы междунар. науч.-техн. конф., Иваново, 1-3 июня 2011 г. -Иваново, 2011.

7. Основы теории цепей: учебник для вузов / Г.В. Зевеке, n.A. Ионкин, A3. Нетушил, С.В. Страхов. - 5-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 528 с.

8. Шалин A.H Замыкания на землю в сетях 6-35 кВ. Направленные защиты. Характеристики, особенности применения // Новости электротехники. - 2005. - № 6 (36).

9. Худяков A.A., Сапунков М.Л. Исследование влияния асимметрии провод. фаз линий на землю на функционирования защиты от ОЗЗ // Научные исследования и инновации. - 2010. -Т. 4, № 2.

10. Типовая инструкция по компенсации ёмкостного тока замыкания на землю в электрических сетях 6-35 кВ РД 34.20.179 (ТИ 34-70-070-87).

11. Roberts J., Altuve H., Hou D. Review of ground fault protection methods for grounded, ungrounded, and compensated distribution systems / Schweitzer Engineering Laboratories. - Inc. Pullman, WA USA.

M..H. CanyHKOB, H.A. KocTapeB, A.A. Xy^AKOB

12. New directional ground fault elements improve sensitivity in ungrounded and compensated networks / / Schweitzer Engineering Laboratories / J. Roberts, D. Hou, F. Calero, H. Altuve. - Inc. Pullman, WA USA.

13. Lorenc J., Musierowicz K., Kwapisz A. Detection of the intermittent earth faults in compensated MV Network // IEEE Bologna Power tech Conference. - June 23-26 2003.

14. Zielichowski M., Fulczyk M. Ground-fault overvoltage danger in modern unit-connected generators // IEEE power. - 2002. - Vol. 2.

15. Willems J.L., Ghijselen J.A. Apparent power and power factor concepts in unbalanced and nonsinu-soidal situations // IEEE Bologna powertech conference. - 2003.

References

1. Shuin V.A., Gusenkov A.V. Zashity ot zamykanii na zemliu v elektricheskikh setiakh 6-10 kV [Protection against ground faults in networks 6-10 kV]. Moscow: Energoprogress, 2001. 104 s.

2. Shalin A.I. Releinaia zashchita ot zamykanii na zemliu v setiakh s rezistivnym zazemleniem neitrali [Relay protection against ground faults in networks with resistor earthed neutral]. 4th vseros. nauch.-tekhn. konf. “Ogranichenie perenapriazhenii”, Novosibirsk, 2004.

3. Ezerskii V.G. Kombinirovannaia zashchita ot odnofaznykh zamykanii na zemliu Ogranichenie perenapriazhenii. Rezhimy zazemleniia neitrali. Elektrooborudovanie setei 6-35 kV [Relay protection against ground faults in networks with resistor earthed neutral // limit surge]. 4th vseros. nauch.-tekhn. konf “Ogranichenieperenapriazhenii”, Novosibirsk, 2006.

4. Sapunkov M.L., Khudiakov A.A. Razrabotka selektivnoi zashchity ot odnofaznykh zamykanii na zemliu dlia raspredelitel'nykh setei 6-10 kV [The development of selective anti-phase to ground fault distribution networks 6-10 kV]. Energetika. Innovatsionnye napravleniia v energetike: 3rd vseros. nauch.-tekhn. konf., Perm, 2010.

5. Sapunkov M.L. Sposob zashchity trekhfaznoi seti ot odnofaznykh zamykanii na zemliu [Method of protecting a three-phase network of single-phase earth fault]. Pat. №2309507 Ros. Federatsiia.

6. Sapunkov M.L., Khudiakov A.A. Issledovanie na fizicheskoi modeli raspredelitel'noi seti kharakter-istik zashchity ot odnofaznykh zamykanii na zemliu, osnovannoi na kontrole pul'siruiushchei moshchnosti [Investigation of the physical model of the distribution network security features of the single-phase earth fault, based on the control of pulsatile power]. 16th Benardosovskie chteniia: materialy mezhdunar. nauch.-tekhn. konf., Ivanovo, 2011.

7. Zeveke G.V., Ionkin P.A., Netushil A.V., Strakhov S.V. Osnovy teorii tsepei: uchebnik dlia vuzov [Fundamentals of circuit theory]. Moscow: Energoatomizdat, 1989. 528 s.

8. Shalin A.I. Zamykaniia na zemliu v setiakh 6-35 kV. Napravlennye zashchity. Kharakteristiki, osobennosti primeneniia [Earth fault in networks 6-35 kV. Directional protection. Characteristics features of]. Novosti elektrotekhniki, 2005, no.6 (36).

9. Khudiakov A.A., Sapunkov M.L. Issledovanie vliianiia asimmetrii provod. faz linii na zemliu na funktsionirovaniia zashchity ot OZZ [Investigation of the effect of asymmetry wire. phase lines on the ground in the functioning of the anti-PTG]. Nauchnye issledovaniia i innovatsii, 2010, Vol. 4, no. 2.

10. RD 34.20.179 Tipovaia instruktsiia po kompensatsii iomkostnogo toka zamykaniia na zemliu v elektricheskikh setiakh 6-35 kV [Typical instructions for the compensation of the capacitive earth fault currents in electrical networks 6-35 kV] (TI 34-70-070-87).

11. Roberts J., Altuve H., Hou D. Review of ground fault protection methods for grounded, ungrounded, and compensated distribution systems. Schweitzer Engineering Laboratories. WA USA: Inc. Pullman.

12. Roberts J., Hou D., Calero F., Altuve H. New directional ground fault elements improve sensitivity in ungrounded and compensated networks. Schweitzer Engineering Laboratories. WA USA: Inc. Pullman.

13. Lorenc J., Musierowicz K., Kwapisz A. Detection of the intermittent earth faults in compensated MV Network. IEEE Bologna Power tech Conference, 2003.

14. Zielichowski M., Fulczyk M. Ground-fault overvoltage danger in modern unit-connected generators. IEEE power, 2002, Vol. 2.

15. Willems J.L., Ghijselen J.A. Apparent power and power factor concepts in unbalanced and nonsinu-soidal situations. IEEE Bolognapowertech conference, 2003.

Об авторах

Сапунков Михаил Леонидович (Пермь, Россия) - кандидат технических наук, профессор кафедры электрификации и автоматизации горных предприятий Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский просп., 29; e-mail: ilya_kost@mail.ru).

Костарев Илья Андреевич (Пермь, Россия) - ассистент кафедры электрификации и автоматизации горных предприятий Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский просп., 29; e-mail: ilya_kost@mail.ru).

Худяков Антон Александрович (Пермь, Россия) - ассистент кафедры электрификации и автоматизации горных предприятий Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский просп., 29; e-mail: akhudyakov@mail.ru).

About the authors

Sapunkov Mikhail L. (Perm, Russia) - Ph.D., professor of department for electrification and delfts automation, Perm national research polytechnic university (614990, Perm, Komsomolsky ave., 29; e-mail: ilya_kost@mail.ru).

Kostarev Il'ia A. (Perm, Russia) - teaching assistant of department for electrification and delfts automation, Perm national research polytechnic university (614990, Perm, Komsomolsky ave., 29; e-mail: ilya_kost@mail.ru).

Khudiakov Anton A. (Perm, Russia) - teaching assistant of department for electrification and delfts automation, Perm national research polytechnic university (614990, Perm, Komsomolsky ave., 29; e-mail: akhudyakov@mail.ru).

Получено 10.05.2012