Работа электропередачи распределительной электрической сети напряжением 6 – 10 кВ в режиме длинной линии

УДК 621.311

РАБОТА ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ НАПРЯЖЕНИЕМ 6 - 10 кВ В РЕЖИМЕ

ДЛИННОЙ ЛИНИИ

С.Н. ЗАРИПОВА, А.И. ФЕДОТОВ, Р.Э. АБДУЛЛАЗЯНОВ

Казанский государственный энергетический университет

Наличие перемежающейся дуги при однофазных замыканиях на землю способствует появлению высших гармоник тока и напряжения в воздушной линии электропередачи. На высоких частотах проявляются волновые свойства линии. По «резонансным» частотам можно установить наличие повреждения и оценить его удаленность от центра питания.

Ключевые слова: воздушная линия электропередачи, частотная характеристика, длинная линия, резонансная частота.

В распределительных электрических сетях (РЭС) напряжением 6 - 10 кВ, выполненных воздушными линиями (ВЛ) электропередачи, при появлении однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) часто возникает перемежающаяся дуга, которая провоцирует появление перенапряжений. В связи с этим актуальна проблема выявления собственно ОЗЗ и, по возможности, выделения расчетным путем ограниченного участка повреждения. Перемежающаяся дуга является «генератором» высших гармоник (ВГ), что предоставляет определенные возможности по решению данной проблемы. Если отстроиться от фонового уровня ВГ, обусловленных нагрузкой, то можно установить сам факт повреждения. Если же удастся соотнести уровень ВГ с параметрами электропередачи, то появится перспектива определения места ОЗЗ на линии электропередачи.

Учитывая, что ВЛ представляет собой сочетание распределенных последовательно индуктивностей и поперечных емкостей, можно ожидать проявления резонансных явлений на определенных частотах тока (напряжения). Строго говоря, термин «резонансная» частота следует понимать условно, т.к. на частотах порядка нескольких килогерц и выше линия электропередачи напряжением 6 - 10 кВ должна рассматриваться исключительно как длинная линия с распределенными параметрами, в которой может проявляться увеличение тока (напряжения) на определенных гармониках, но в его основе лежат волновые процессы. Частотные характеристики (ЧХ) электрических машин широко используются как для анализа режимов их работы, так и для выявления возникающих дефектов. Применительно к РЭС 6-10 кВ, при условии рассмотрения ВЛ как длинной линии, возможность и целесообразность использования ЧХ для идентификации места повреждения до настоящего времени не выяснены. Современные электропередачи РЭС позволяют вести контроль уровня ВГ как в центре питания (ЦП), так и на приемном конце ВЛ со стороны 0,4 кВ понижающих подстанций и передавать требуемую информацию для её обработки по беспроводному каналу связи, используя возможности дистанционных систем учета электроэнергии.

Для того, чтобы выявить особенности ЧХ воздушных линий РЭС в отношении частот, на которых происходит усиление значений токов и напряжений, оценить влияние на ЧХ внутреннего сопротивления питающей сети более высокого класса напряжения, а также и влияние нагрузки понизительных подстанций, примем, что

© С.Н. Зарипова, А.И. Федотов, Р.Э. Абдуллазянов Проблемы энергетики, 2012, № 1-2

источник ВГ подключается к ВЛ симметрично на каждую фазу, а сама линия -одиночная, питающаяся от шин низшего напряжения ЦП.

Рассмотрим принципиальную схему трехфазной электропередачи, изображенной на рис. 1, где источник напряжения е(п) имеет в общем случае произвольную частоту кратности п по отношению к промышленной частоте. Понизительная подстанция с трансформатором Т подключена к линии длиной I через коммутационный аппарат Q. Схема замещения электропередачи показана на рис. 2, где блок «Ь» отражает наличие ВЛ с распределенными параметрами. Формально можно считать, что ВЛ представлена на рис. 2 четырехполюсником [1].

е(п

6Н-

-т

ЦП

а

т

0,4 кВ

Рис. 1. Принципиальная схема электропередачи 6 - 10 кВ

и2 & N и г

I

Рис. 2. Схема замещения электропередачи

Из схемы замещения (рис. 2) очевидно, что максимуму напряжения и2 будет

отвечать и максимум напряжения и&, которое измеряется на стороне 0,4 кВ.

Последнее обстоятельство немаловажно, т. к. позволяет использовать низковольтные измерительные цепи напряжения без установки высоковольтного измерительного трансформатора напряжения на понижающей подстанции, который не входит в типовые схемы подстанций напряжением 6 - 10/0,4 кВ. При этом частотные свойства электропередачи 6 - 10 кВ будут отслеживаться по стороне 0,4 кВ.

На высоких частотах применительно к определению «резонансной» частоты можно пренебречь влиянием активных сопротивлений на параметры режима электропередачи, т.к. потери на корону в ВЛ 6-10 кВ близки к нулю, а погонное индуктивное сопротивление много больше соответствующего активного сопротивления [1]. Волновое сопротивление для линии без потерь не зависит от круговой частоты тока ш , т.к. определяется по выражению

&с =у1шЬ0/шС0 =\1 Ь0 /С0 , где Ь), С0 - погонные параметры воздушной линии (индуктивность и емкость).

В свою очередь, коэффициент изменения фазы на частоте ш определяется как

вп = VLq = ^VLqCq = n(ocy]L0C0 = пв,

где в - коэффициент изменения фазы при промышленной частоте сети. Запишем уравнения [1] для дальней электропередачи длиной l:

cos

' A B' U2"

_ -1 _ C D _ -2 _

J

sin

U2 -2

Свяжем между собой параметры начала и конца электропередачи, для чего приведем следующие уравнения:

= Е - Мхк1Ъ 1

и2 = (пхг + п)) = ]пхпН] Объединяя уравнения (1) и (2), получим:

U = cos (пв1)иУ2 +— sin (пв1 )Ü2

пх„

E - U

пхк

cos(пв1) . 1 ... v !-U2--sin (пв1 )U2.

пх

Уравнения (3) позволяют определить частотные характеристики электропередачи

. cos(

W = = W = 1 JE 1

\ хк ^ 1 + —

cos

(пв1)_

п J

U2

W2 =-2 = W2 =-

2 и 2 í

1 хк 1 + —

хп J

cos (

zc . + sin пхп (пвО

/ пхк _ ^ ]

V zc пхп J

1

' пхк_ _

J V zc пхп

sin

sin

Максимальному значению напряжения на конце электропередачи соответствует частота, находимая из уравнения

1 + хк 1 хп

tg (пв1 )=-

пхк 1 ^с - 1 пхп

Рассмотрим частный случай, когда нагрузка на конце электропередачи отключена (гп ). Уравнение (5) принимает вид

2с

tg (пв1 ) = ^ . пхк

Уравнение (6) нелинейное и может быть решено относительно п только в

численном виде. Оценим влияние внутреннего сопротивления источника на ЧХ

электропередачи. Пусть электропередача напряжением 10 кВ длиной 30 км,

выполненная проводами АС-95116, имеет следующие параметры. Внутреннее

сопротивление источника: Гк = 0,01 Ом; Ь = 0,01 Гн; погонные сопротивления ВЛ:

—3 —9

Г0 = 0,306 Ом/км; Ь = 4,13 • 10 Гн/км; С0 = 9,756 • 10 Ф/км; волновые параметры

ВЛ: =^1Ь01С0 = 347,8 Ом; Р = гасЛ/ Ь0С0 =0,0010659 11км. Уравнение (6) принимает следующий вид:

* (п. 0,031977) = —31718— = 110708.

у ' п. 3,1416 п

Его решение Пр = 38,5 о.е., что соответствует частоте /=1925 Гц.

Для оценки точности проведенных расчетов по ЧХ (4) для линии без потерь активной мощности была набрана соответствующая модель в пакете SimPower программного продукта МаАаЪ, где ВЛ вводилась как объект с распределенными параметрами. «Резонансная» частота составила 1895 Гц, что показывает: ошибка в расчетах, обусловленная пренебрежением активным сопротивлением ВЛ, менее 1,6%. Влияние внутреннего сопротивления источника в функции величины тока КЗ на шинах ЦП демонстрируют графики на рис. 3.

160 140 120 100 80 60 40 20 0

2

3 1

\ X. \ 4 \

4 ч ^

5 10 15 20 25 30 I, км

Рис. 3. Зависимость «резонансной» частоты от длины ВЛ

Обозначения на рис. 3 следующие: 1 - 20кА, 2 - 10кА, 3 - 5кА, 4 - 1,84кА (Ь^ = 0,01 Гн). Пунктирная кривая соответствует предельному случаю Ь^ = 0 . Кривые рис. 2 наглядно демонстрируют принципиальную необходимость учета внутреннего сопротивления питающей сети более высокого класса напряжения.

Исследования влияния нагрузки на «резонансную» частоту показали, что для трансформаторных подстанций мощностью 630 кВА и ниже её смещение не превышает нескольких процентов, но с ростом нагрузки «резонансный» пик становится менее выраженным.

Выводы

1. Воздушные линии электропередачи на напряжении 6 - 10 кВ обладают выраженным максимумом частотных характеристиках в области нескольких десятков килогерц, что делает перспективным их использование для обнаружения факта однофазных замыканий на землю, сопровождающихся перемежающейся дугой.

2. Зависимость «резонансных» частот от длины электропередачи позволяет связать «резонансную» частоту с расстоянием до места повреждения.

3. В пределах стандартных сечений проводов влияние погонного активного сопротивления провода на «резонансную» частоту можно не принимать во внимание.

пр, о.е.

Summary

The presence of intermittent arc in single phase earth short circuit contributes to the appearance of higher harmonics of current and voltage in the air electric power transmission. At high frequencies the wave properties of the line are manifested. According to the "resonant" frequencies the presence of damage can be defined and its distance from the center of power can be estimated.

Key words: air electric power transmission, frequency characteristics, a long line, the resonant frequency.

Литература

1. Рыжов Ю.П. Дальние электропередачи сверхвысокого напряжения. М.: Издательский дом МЭИ, 2007.

Поступила в редакцию 25 января 2012 г.

Зарипова Сирена Наилевна - д-р техн. наук, доцент, зав. кафедрой «Энергообеспечение предприятий агропромышленного комплекса» (ЭАПК) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8-987-4075710. E-mail: zsn10@mail.ru.

Федотов Александр Иванович - д-р техн. наук, профессор кафедры «Электроэнергетические системы и сети» (ЭСиС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 211-12-19. E-mail: fed.ai@mail.ru.

Абдуллазянов Рустем Эдвардович - аспирант кафедры «Электроэнергетические системы и сети» (ЭСиС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8-919-6284573. E-mail: abdull@inbox.ru.