Устройство для моделирования несимметричных режимов и прогнозирования поведения цифровых защит в электроустановках с изолированной нейтралью

Устройство относится к области электротехники, а именно к проектированию, эксплуатации электроустановок с изолированной нейтралью, именно к расчетам, испытаниям, настройке и эксплуатации направленных устройств защиты и контроля в этих электроустановках и прежде всего в электроустановках до 1 кВ. Проектирование и эксплуатация электроустановок до 1 изолированной нейтралью регламентируются нормативными документами: Правила устройства электроустановок. М. Энергоиздат.2010 - [1], а так же ведомственными документами: Методические указания по проектированию систем электроснабжения до 1 кВ с изолированной нейтралью на объектах капитального строительства Министерства обороны. М.-СПб, 2008 - [2], последние конкретизируют нормативные требования, нося рекомендательный характер. Основные рекомендации при этом сводятся к уточнению методов непрерывного контроля общего состояния изоляции и селективного (направленного) контроля изоляции элементов электрически связанной сети с целью быстрого отыскания поврежденных элементов. При этом рекомендуется применять для этих целей устройства, реализующие контроль фазовых соотношений токов и напряжений нулевой последовательности. Известные: Шнеерсон Э.М. Цифровая релейная защита. М.: Энергоатомиздат, 2007 - [3]; Цифровой блок релейной защиты типа БМРЗ-100. Руководство по эксплуатации. ДИВГ.648228.024 РЭ. 2013 - [4] - микропроцессорные устройства контроля и защиты, интенсивно внедряемые в электроустановках, включают в себе и реализацию упомянутого направленного контроля мощности нулевой последовательности, а так же функции осциллографирования ненормальных режимов, что позволяет в условиях эксплуатации корректировать их настройку, используя зафиксированные действительные электрические величины аварийных режимов в местах установки защиты.
Создание же новых и модернизация существующих электроустановок связаны с необходимостью прогнозировать на этапах проектирования поведение блоков защиты в измененных исходных схемах и при других технических характеристиках их элементов. Для этого необходимо знание первичных электрических величин, в том числе их фазных соотношений, в местах установки блоков защиты в различных режимах работы защищаемых элементов и возможных вариантах исходной схемы электрической сети (ЭС). Реализовывать это призваны математические модели, основывающиеся на аналитических (численных) методах расчета режимов: Лосев С.Б., Чернин А.Б. Вычисление электрических величин в несимметричных режимах электрических систем. М. Энергоатомиздат, 1985 - [5]; Федосеев A.M., Федосеев М.А. Релейная защита электроэнергетических систем. М. Энергоатомиздат.1992 - [6]; Глухов О.А., Михайлов А.К., Фоминич Э.Н. Системы контроля изоляции в системах электроснабжения с изолированной нейтралью. Технологии ЭМС. 2007. №3 (22) - [7]; Владимиров Ю.Ф. Расчеты несимметричных режимов в применении к анализу условий безопасности в электроустановках. СПб.: ВИ(ИТ) ВА МТО. 2014 - [8].
Последние, однако, требуют подтверждения достоверности вычислений экспериментом (опытом). Возможности реализации большинства таких экспериментов в действующих электроустановках ограничены.
В этих случаях успешному применению цифровых устройств защиты и контроля, прогнозированию их поведения, а также совершенствованию методов расчета режимов могут способствовать устройства для физического моделирования таких режимов на доступной элементной базе: Отчет о НИР "Безграничность". СПб.: ВИСИ, 1996, №548904 - [10]; Владимиров Ю.Ф. К опытному определению параметров режима однофазного замыкания на физической модели линии электрической сети. СПб.: ВИТУ, 1999, №559629  -[11]. Использование таких моделей дает возможность сравнения опытных измерений электрических величин моделируемых режимов с вычислениями, выполняемыми упомянутыми методами и таким образом способствовать совершенствованию последних. Кроме того, реализация такого комплексного моделирования с помощью специальных устройств в виде стендов для испытания и настройки микропроцессорных устройств защиты может значительно улучшить возможности подготовки персонала, призванного выполнять расчеты, настройку и эксплуатацию устройств защиты и контроля в электроустановках.
Прототипом заявленной полезной модели является «Устройство для физического моделирования электроэнергетических систем 0,4 кВ» [10] (с. 3, 4)], состоящее из емкостных, резистивных, индуктивных элементов, реализующих модель магистральной линии трехфазной электрической сети с изолированной нейтралью с одним источником питания в виде трансформатора. Дополнительно работу прототипа [10] поясняет статья: Владимиров Ю.Ф. К опытному определению параметров режима однофазного замыкания на физической модели линии электрической сети. СПб.: ВИТУ, 1999, №559629 - [11].
Недостатком прототипа [10] и аналога [11] является ограниченная область применения: отсутствие возможности моделирования несимметричных режимов в сложных (замкнутых, разомкнутых) схемах электроустановок, в которых необходимо применение направленных защит, связанных с необходимостью контроля фазовых соотношений электрических величин ненормальных режимов. Кроме того, в устройстве непосредственно не контролируется поведение реальных защит в моделируемых ненормальных режимах. Контроль ограничивается аналитическим сопоставлением расчетных значений параметров срабатывания защит с измеренными приборами действующими значениями ненормальных режимов.
Сущность заявляемой полезной модели состоит в том, что «Устройство для моделирования несимметричных режимов и прогнозирования поведения цифровых защит в электроустановках с изолированной нейтралью», (далее «устройство»), также состоящее из емкостных, резистивных, индуктивных элементов и переключателей, реализует сложную трехфазную электрическую цепь с сосредоточенными параметрами с двумя источниками питания в виде трансформаторов и «цифровым блоком микропроцессорной релейной защиты» (БМРЗ) (далее «блок защиты»), включенным в одну из моделируемых линий. При этом в устройство включен программируемый элемент, выполненный с возможностью вычисления электрических величин режимов виртуальной электрической цепи с топологией и параметрами адекватными собранной физической модели; шаг расчета электрических величин программируемого элемента выбран равным периоду дискретизации цифрового блока защиты. Устройство подключается к аналоговым входам блока защиты, который выполнен с возможностью переключения на контроль и осциллографирование параметров ненормального режима на смежной линии. В устройстве осуществлен алгоритм сравнения вычисленных в программируемом элементе величин с учетом момента коммутации, определяемого по осциллограмме испытуемого блока защиты, и действительных электрических величин моделируемого ненормального режима, фиксируемых осциллографом блока защиты. По результатам алгоритма сравнения устройство дает возможность корректировать поведение защиты путем изменения параметров срабатывания цифрового блока защиты, а также корректировать программу программируемого элемента, добиваясь получения требуемых по условиям селективности, чувствительности и быстродействия характеристик защиты.
Технический результат: расширение области применения устройства достигается тем, что устраняются недостатки прототипа [10], становится возможным моделировать основные типичные ненормальные режимы в условиях сложной (замкнутой) электрической цепи и прогнозировать поведение реальных цифровых направленных защит с помощью включаемого в состав устройства программируемого элемента путем сравнения расчетных и действительных величин режимов и корректировки параметров срабатывания защит в этих режимах.
На фиг. 1 представлена функциональная (поясняющая) схема устройства, а на фиг. 2, 3 принципиальная схема и компоновка лицевой панели стенда, физически реализующего устройство. На фиг. 4 приводятся опытные зависимости, полученные при опробывании устройства, позволяющие выбрать приемлемые по условиям селективности и чувствительности параметры срабатывания блока защиты в условиях моделируемого режима однофазного замыкания на землю (ОЗЗ).
Описание полезной модели
i
j
Устройство, предназначенное для физического моделирования несимметричных режимов в электроустановках, реализуется на основе цепочечных схем замещения линий сложной трехфазной электрической цепи, сформированной из емкостно-резистивных элементов, моделирующих поперечные пассивные параметры (емкости фаз относительно земли и междуфазные емкости линий) и индуктивно-резистивных элементов, моделирующих продольные параметры линий (фиг. 1); (резисторы R и конденсаторы C на чертеже фиг. 2). В одну из электрических цепей, моделирующую кабельную линию электропередач w1 (фиг. 1) включается блок защиты IV (БМРЗ-101) (фиг. 1), (фиг. 2, а). Основное назначение модели - моделирование несимметричных режимов (прежде всего однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью), а так же сложных режимов в замкнутых - разомкнутых схемах ЭЭС с целью испытания и настройки цифровых направленных устройств защиты и контроля. Выполняется физическое моделирование однофазных, двухфазных и трехфазных замыканий на землю в линиях w1, w2, в любой из десяти выбираемых на модели точек, любой из трех фаз 1(A), 2(B), 3(C) в каждой из точек III (фиг. 1). При этом топология исходной схемы физической модели может быть изменена применительно к конкретике условий исследуемой сети выбором вариантов модели с помощью переключателей (тумблеров) Q (фиг. 1) и применением искажающих сопротивлений в программе вычислительного элемента II (фиг. 1) (замкнутая, разомкнутая, с одним, двумя источниками питания (трансформаторами) и т.п.).
В устройстве контроль параметров режима в нулевой последовательности в точке установки прибора осуществляется без трансформатора тока нулевой последовательности (ТНП) - непосредственным включением каналов нулевой последовательности испытуемого цифрового блока в цепь обратного тока 9 физической модели (фиг. 1).
Кроме того, в устройстве предусматривается возможность контроля и осциллографирования параметров моделируемых ненормальных режимов и на смежной линии путем переключения аналоговых каналов цифрового блока защиты на другую линию w2 (переключением в положение N1 или N2 специального тумблера (фиг. 3)).
В устройство включен программируемый элемент II (фиг. 1), позволяющий вычислять электрические величины несимметричных режимов виртуальной электрической цепи, параметры которой и топология подбираются эквивалентными физической модели.
0(мах.ч)
0
0
0
0
0
0
0
0(м.ч)
Уставки срабатывания блока защиты по току, напряжению и направлению мощности определяются в этом вычислительном элементе в диалоговом режиме выбором из числа предлагаемых значений углов максимальной чувствительности ϕ, требуемых по условию селективности, а так же применением распечаток вычисляемых электрических величин режима 3U, 3I, S, Р, ϕ в месте установки блока. Результаты моделируемого режима в устройстве, подключенном к аналоговым входам блока защиты IV (фиг. 1), сравниваются с расчетными значениями электрических величин режима вычислительного элемента и с действительным функционированием защиты, фиксируемым осциллографами блока защиты. Выполняется корректировка уставок 3U, 3I, ϕ математической модели II (фиг. 1) и аналоговых уставок блока IV (фиг. 1), исходя из требований селективности, быстродействия и чувствительности, с последующим повторением расчета и опыта на физической модели до получения требуемых результатов.
Практическая реализация использования модели
0(с.з)
н
0(w2)
0(max.ч)
0р
0(max.ч)
с.з
0
0с.з
0
0(max.ч)
Выполняется расчет, например, режима ОЗЗ любой из фаз в произвольной точке защищаемой линии w1 при разомкнутом (замкнутом) состоянии исходной схемы электрической сети (фигура 1, 5) и заданных значениях ее пассивных параметров (таблица 1). При этом, в общем случае при отсутствии информации о характере и степени естественной несимметрии параметров трехфазной электроустановки, и соответствующему этой несимметрии величине и направлению напряжения нулевой последовательности, в предшествующий режиму ОЗЗ момент времени, первичный расчет может быть выполнен при нулевых начальных условиях. На основании полученных расчетных значений электрических величин ненормального режима в точке повреждения изоляции и в месте установки блока БМРЗ-100 определяются уставки срабатывания устройства направленного контроля изоляции, исходя из условий: I≥к⋅I при ОЗЗ на линии w1; -(90°-ϕ)≤ϕ≤(90°+ϕ), Р=U.I⋅cos(ϕ-ϕ) которые устанавливаются в меню блока защиты «аналоговые уставки».
При этих уставках выполняется опыт ОЗЗ заданной фазы в расчетной точке на линии w1 физической модели и фиксируется срабатывание (несрабатывание) защиты блока.
1jA
0
с(0)
c.p
Действительный момент коммутации, регистрируемый осциллографом испытуемого блока защиты (этот момент определяется по mod и arg фазного напряжения предшествующего режима U в момент t коммутации) дает возможность определить электрические величины режима ОЗЗ в месте установки прибора при измененных начальных условиях (при действительном напряжении нулевой последовательности на эквивалентной емкости в момент, предшествующий коммутации - u). После чего возможно уточнить уставки срабатывания блока защиты с учетом зафиксированных осциллографом времени пуска и срабатывания защиты и
ч(i)
0Σ
0(w1)
н
0(w1)
ч.min
ч
P
озз
расч
с.з
ч(Р)min
оценить чувствительность защиты в рассматриваемом режиме К=(С-С)/(k⋅С)>K=1,25; К()=ΔР()/Р>К=2,0.
пер
Расчеты и моделирование ОЗЗ могут выполняться, при необходимости, для максимальных и минимальных режимов, различных вариантов топологии схемы, различных r в месте повреждения изоляции и различных моментов коммутации.
Заявленное устройство позволяет выполнять:
0
- вычисление электрических величин типичных несимметричных режимов и уставок срабатывания защиты на основании алгоритма: Владимиров Ю.Ф., Фоминич Э.Н. Математическое моделирование режимов электрических сетей с изолированной нейтралью для прогнозирования поведения цифровых устройств защиты. Военный инженер. С-Петербург. 2017, №1(3) [9] в программируемом элементе II (фиг. 1), включаемом в рассматриваемое устройство; при этом эквивалентный источник энергии (ЭДС предшествующего симметричного режима в точке возникновения несимметрии в схеме) представляется в виде последовательности дискретных значений вращающегося на комплексной плоскости с угловой частотой ω вектора  при заданных значениях модуля и с точностью до 2nπ аргумента комплексного числа . Аналитические выражения для вычисления электрических величин моделируемых режимов в устройстве получаются после замены компоненты ωt в написании формул алгоритма дискретизированным временным параметром ;
- моделирование режимов ЭС (фиг. 5,а) на трехфазной физической модели, реализующей цепочечные схемы двух линий w1 и w2 электрической сети, и представляющей из себя набор r, L, С - элементов и источников питания в виде двух трансформаторов Т1 и Т2;
- моделирование на физической модели несимметричных режимов , , где i=1, 2, 0 (составляющие прямой, обратной, нулевой последовательностей величин режима, соответственно); j=1, 2, 3, …10 - точки на физической модели; m=1, 2, 3 (фазы А, В, С, соответственно) в каждой из точек 1, 2, 3, 4, 5 линий w1 и w2 и сложных режимов одновременных (последовательных) замыканий в различных точках модели;
- возможность изменения топологии исходной схемы изменением положений тумблеров и переключателей Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, Q7, Q8 (фиг. 1) расположенных на лицевой панели стенда (фиг. 3);
- возможность снятия вольтамперной и угловой характеристик испытуемого блока защиты с использованием подключаемого фазорегулятора;
- подключение ПЭВМ к стенду с использованием возможностей, предоставляемых исследуемыми блоками защиты, фиксации и осциллографирования действительных электрических величин ненормальных режимов, моделируемых в устройстве с передачей при необходимости информации на ЭВМ высшего уровня.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления полезной модели
Приводится пример расчетного прогнозирования поведения защиты блока в одном из режимов ОЗЗ с последующим моделированием на стенде этого режима.
Пример
Для исходной схемы ЭС - 220/36/21 В с изолированной нейтралью (фиг. 5, а) требуется определить аналоговые уставки срабатывания направленной защиты от ОЗЗ блока типа БМРЗ-101, установленного на головном участке линии w1. Вариант топологии исходной схемы: разомкнутая на выключателе Q6 с двумя трансформаторами, работающими параллельно (выключатели Q5, Q7, Q8, - замкнуты). Необходимо проверить с помощью устройства селективность срабатывания защиты, включаемой с действием на сигнал, путем моделирования ОЗЗ фазы 3(C) в точке 4 линии w1 физической модели (в точке 4 линии w1 схемы замещения (фиг. 5, а, в)) и несрабатывание защиты при ОЗЗ той же фазы 3(C) в точке 2 на линии w2 устройства (в точке 2 линии w2 схемы замещения (фиг. 5, а, в)).
пер
0(макс.ч)
а) На расчетной модели (''F:\Расчетная модель 12→(2)36-21V→Progrsq→Progrsd(1КB)→View→Project Explorer) с эквивалентными физической модели параметрами (фиг. 5, б, в и таблица 1), для произвольного момента времени исходного симметричного режима вычисляем параметры режима ОЗЗ фазы 3(C) в заданной точке 4 схемы при r=0,01 [Ом], а так же расчетные значения рассматриваемого режима ОЗЗ непосредственно в месте установки прибора: на элементах 3, в и 2, в схемы замещения (фиг. 5, в) и с учетом вычисленного значения угла максимальной чувствительности для точки коммутации 4 ϕ=84,4° (таблица 2), вводим в диалоговом режиме из числа предлагаемых программой (''F:\Расчетная модель 12→…Module 4) ближайший угол максимальной
чувствительности . После чего выполнив распечатку результатов расчета находим значение угла максимальной чувствительности и непосредственно на входе в блок защиты (на элементах 2, в; 3, в схемы замещения (фигура 5, в).
озз(3,2)
ОЗЗ(расч)
ОЗЗ(расч)
(3,в;2,в)
(19,4)
б) Проверяем, также, расчетное выполнение условия срабатывания направленной защиты блока от ОЗЗ, формулируемого неравенством Р>0. Расчеты указывают на прогнозируемое селективное срабатывание направленной защиты блока при ОЗЗ на линии w1 (так как Р>0) и на несрабатывание защиты при ОЗЗ на линии w2 (Р<0).
в) В меню блока защиты устанавливаем расчетные аналоговые уставки срабатывания защиты, руководствуясь полученными выше результатами расчета в вычислительном элементе (пп. а, б):
0(с.з)
0
с.з
0
0(макс.ч)
ОЗЗ
3U=5 В (минимально допустимая уставка по условиям завода-изготовителя блока), 3I()=3I=0,05 А (отстраиваясь от возможных токов небаланса в нулевой последовательности); принимаем в первом приближении ϕ=75°, t=0,02 с; и соответствующие положения компараторов - ключ S26 - замкнут; ключи S21, S24, S25, - разомкнуты.
г) На физической части модели ЭС устройства моделируем режим ОЗЗ фазы 3(C) в заданной точке 4 линии w1. Фиксируем селективное срабатывание защиты - свечение светодиодов «8» и «1», «2» блока защиты.
1
0
0
0(опытн)
0(опытн)
1A
0
0
c.p
На основании осциллограммы (фиг. 6, а) и векторной диаграммы блока (фиг. 7) определяем действительные (опытные) параметры несимметричного режима, в том числе для момента времени t=0,02с (n=48)-3i и напряжения 3u, а также опытное значение угла ϕ в месте установки блока защиты: ϕ=-60…-65°. Кроме того, определяем по осциллограмме величину и направление напряжения фазы 1(A) симметричного режима в момент коммутации U=12, 9612-j7,1845 В, а также величину и направление напряжения нулевой последовательности U на входе в блок защиты в момент коммутации t. Это дает возможность изменить расчетные начальные условия на момент коммутации в программе и повторить расчет электрических величин рассматриваемого режима ОЗЗ фазы 3(C) в точке 4 линии w1 при уточненных данных. Отметим, здесь, что уставки направленных защит выбираются в этом случае исходя из значений электрических величин установившегося режима (во всяком случае после затухания свободных составляющих переходного процесса) и эти уточнения не изменяют расчетного направления мощности в месте установки защиты. В таблице 3 размещены электрические величины режима при уточненных начальных условиях.
0опытн.
0(макс.ч)
0(опытн)
д) На основании сравнения расчетных и опытных данных (смотрим осциллограммы и векторную диаграмму блока (фиг. 6, 7) и расчетные значения величин режима (таблицы 2, 3) видим, что действительный угол ϕ отличается от расчетного примерно на 9°…12°. Соответственно, и принятая аналоговая уставка прибора ϕ=70° должна быть изменена до значения ϕ=60…65° с целью получения максимальной чувствительности защиты.
Учитывая, что расчетные значения электрических величин режима на входе в блок защиты при n=48 (t=0,02 с) (таблица 3 и фиг. 10) отличаются от
действительных, зарегистрированных осциллографом блока для этого же момента времени (фиг. 6, 7) не более чем на 9…11% остальные аналоговые уставки возможно оставить без изменения.
0
е) Аналогично пп. а)…д) выполняем расчет (''F:\Расчетная модель 14→(2)36-21V→Progrsq→Progrsd(1КБ)→View→ProjectExplorer) режима ОЗЗ в точке 2 на линии w2 модели (в точке 2 линии w2 схемы замещения (фиг. 5, в)) и убеждаемся (см. таблицу 4), что при заданных уставках направленная защита блока, установленного на линии w1 не должна срабатывать (имеем обратное положительному расчетное направление мощности нулевой последовательности на элементах схемы замещения 3, в, 2, в (фиг. 5, в) (отрицательный знак мощности Р=-2,3 Вт (таблица 4)).
ж) Для проверки правильности настройки направленной защиты опыт ОЗЗ выполняем и на линии w2 (в точке 2). Блок при этом не фиксирует «пуск защиты» и «вызов БМРЗ», что и подтверждается сравнением осциллограммы и векторной диаграммы блока (смотрим фиг. 8, а; 9) в этом режиме с расчетными значениями электрических величин этого режима, приводимыми в таблице 4).
Таким образом, расчетные зависимости (фиг. 10), сравниваемые с опытными графиками осциллограмм, подтверждают правильность прогнозирования селективного срабатывания направленной защиты от ОЗЗ по параметрам нулевой последовательности ненормального режима при заданных параметрах и расчетных уставках).
0
0
0
0
0+
Кроме того видим, что в принципе возможно для реализации направленной защиты в рассматриваемом случае использовать и параметры переходного процесса в нулевой последовательности, так как (смотрим осциллограмму на фиг. 6, а) первые полуволны мгновенных тока и напряжения нулевой последовательности 3i, 3u имеют знаки одинаковой полярности в месте установки защиты в отличие от параметров этого же режима на неповрежденной линии w2 (фиг. 8, а) где мгновенные величины 3i, 3u имеют в момент коммутации t знаки различной полярности (период
дискретизации Т=0,41666 мсек блока защиты обеспечивает при фиксации ненормальных режимов ОЗЗ отстройку по времени от воздействия волновых (импульсных) процессов).
пер
ут
ч
озз(min)
с.з
ч
доп
ч
доп
Отметим также, что по условиям чувствительности по критерию мощности нулевой последовательности [1] ОЗЗ через r≈10 [Ом] представляется предельным при заданных параметрах схемы и допустимых уставках срабатывания защиты (при расчетном r=100 [Ом], например, имеем: К=(Р=2,9[V]⋅0,1[А]⋅0,9)/(P=5[V]⋅0,05[A]⋅0,9)=1,2<К.), при К.>2,0.
Записываем основные уставки срабатывания защит от ОЗЗ на фидере w1 и проверяем чувствительность защит [1]:
c.з
н
0(кл1)
0к
-6
-6
I=k⋅3⋅314⋅C⋅U⋅10=2⋅3⋅314⋅0,0626⋅225,96⋅10=0,0266 А;
н
(здесь коэффициент надежности (отстройки) принят равным k=2,0);
c.з
озз
t=0,05 с (при минимально допустимой t=0,01 с);
y
R=0,6 МОм; (см. п. 6.1.5)
0(mах.ч)
ϕ=+85° (см. п. 6.1.7)
с.з
0
c.з
Р=U.I⋅cos(90,7°-85°)=225,96⋅0,0266⋅0,99=5,95 Вт.
Чувствительность защиты нулевой последовательности по току
ч(i)
0Σ
0(кл1)
н
0(кл1)
К=(С-С)/(k⋅С)=(0,4255-0,0626)/(2,0⋅0,0626)=2,9;
ч(i)
ч.min
K>K=l,25.
Чувствительность защиты нулевой последовательности по мощности
ч(Р)
озз(расч)
с.з
ч(Р)
ч(Р)min
К=ΔР/Р=17,3/5,95=2,9; т.е. К>K=2,0.
Оценка технических результатов
Устройство дает возможность подтвердить достоверность результатов вычисления электрических величин ненормальных режимов с учетом известных ограничений для моделирования реальных ЭС схемами замещения с сосредоточенными параметрами и в пределах допустимых инженерных погрешностей расчетов, а также убедиться в правильности прогнозирования поведения цифровых блоков защиты при воздействии на них реальных электрических величин переменного тока и заданных в меню блока параметрах срабатывания защит.
Описание фигур чертежей
На фиг. 1 представлена функциональная (поясняющая) схема устройства для моделирования несимметричных режимов и прогнозирования поведения цифровых защит в электроустановках с изолированной нейтралью; элементы схемы представлены в следующих позициях:
w1, w2 - наименование кабельных линий моделируемой устройством электрической сети;
Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, Q7, Q8 - обозначение тумблеров моделирующих выключатели электрической сети;
T1, Т2 - трансформаторы;
I - Физическая часть модели ЭС (общее обозначение);
II - Вычислительный элемент устройства (общее обозначение);
III - Элементарный участок схем замещения линий;
IV - блок микропроцессорной релейной защиты типа БМРЗ-100;
1, 2, 3, 4, 5 - номера элементарных участков линий по схемам моделируемых линий W1 и W2;
a
b
с
Z, Z, Z - продольные электрические сопротивления фаз линий, моделируемые активными сопротивлениями (резисторами);
N
Z - продольные электрические сопротивления цепи обратного тока, моделируемые резисторами;
a
b
c
Y, Y, Y - поперечные электрические проводимости фаз линий, моделируемые конденсаторами;
0
С - конденсаторы;
0
9 - цепь обратного тока схемы линии w1 ЭС, подключаемая к аналоговым каналам тока нулевой последовательности 3I блока защиты;
П - обозначение алгоритма преобразования и распределения, вычисленных для точки возникновения несимметрии электрических величин, по ветвям схемы замещения нулевой последовательности;
на фиг. 2 представлена принципиальная схема устройства. Элементы схемы представлены в следующих позициях:
1,
12
K…K - катушки реле электромагнитного типа;
А; V - амперметры, вольтметры;
SA1, SA2, …SA11, …SA16 - контакты токовых реле и переключающие контакты тумблеров и переключателей;
HL1, …HL16 - светодиоды;
QF1 - трехполюсный переключатель;
1,
2
46
11
12
13
0
11
12
13
С С, …С - конденсаторы, моделирующие поперечные проводимости изоляции фаз (емкость каждого, кроме С, С, С) равна Cj=2,0 мкФ; C=C=C=46,5 мкФ;
1
2
64
R,R, …R - резисторы моделирующие продольные сопротивления линий; величины сопротивлений даны на чертеже;
А1
A12
Х, …X - клеммные контакты;
на фиг. 2, а приводится чертеж выполненных подключений к клеммам для внешних подключений, предусмотренным в блоке защиты БМРЗ-101;
на фиг. 3 представлена схема лицевой панели стенда устройства. Элементы схемы представлены в следующих позициях:
Вкл. - автомат и индикатор включения стенда;
АВ, ВС, СА - переключатель междуфазных напряжений вольтметра;
N1, N2 - переключатель блока защиты (линия w1-N1 - линия w2-N2);
1
1
1
A,B,C - переключатель выбора особой фазы на линии W1; 1, 2, 3, 4, 5 - переключатель положения точки моделируемой несимметрии на линии W1;
2
2
2
А, В, С - переключатель выбора особой фазы на линии W2; 1, 2, 3, 4, 5 - переключатель положения точки моделируемой несимметрии на линии W2;
ОЗЗ, МТЗ - светодиоды срабатывания защит;
РПО-РПВ - переключатель реле-повторителя положения автоматического выключателя;
в левом верхнем углу размещен блок защиты; индикация светодиодов блока защиты определяется заводом-изготовителем [4];
в левом нижнем углу размещены выводы трансформаторов Т1 и Т2: А, В, С, а, b, с, X, Y, Z, х, у, z; предусмотрена возможность переключения схем соединения обмоток трансформаторов;
в нижней части стенда размещена мнемосхема моделируемой электроустановки со светодиодами, сигнализирующими о положении выключателей Q1, Q2, Q3, Q4 и о выбранных на линиях W1 и W2 точках моделирования несимметрии;
а
0(м.ч)
0
0
0(м.ч)
0
0
0(м.ч)
0
0
0(м.ч)
на фиг. 4 представлены опытные зависимости (4,) срабатываний направленной защиты ЭЭС от ОЗЗ моделируемых в устройстве, от уставок ϕ блока защиты БМРЗ-100: P(S)=f(ϕ) при 3U, 3I, =const; при ОЗЗ в точке 4 линии w1 (ϕ=0°, 10°, 20°, …, 90°) (векторная диаграмма (4, в); 3U=14,94+j1,307; 3I=0,0781+j0,443) и в точке 4 линии w2 модели (ϕ=-10°, -20°, …, -90°) (векторная диаграмма 4, б).
на фиг. 5 представлены исходная схема - а) и схемы замещения прямой (обратной) - б) и нулевой - в) последовательностей, используемые в вычислительном элементе устройства. Параметры схем на фиг. 5 отображаются в следующих позициях:
1, 2, 3, 4, 5.. - номера элементарных несимметричных участков, моделируемых схемами замещения линий W1 и W2;
1, в; 2, в; 3 в; 4, в; 5, в; 6, 7, 8, …. 28, 29 - обозначения пассивных продольных и поперечных параметров схем замещения ЭС;
gl
g2
m1
m2
ij
нс
E, E, E E, U - источники ЭДС в схемах замещения моделирующие параметры несимметричных режимов;
на фиг. 6 представлены осциллограммы зарегистрированные осциллографом блока защиты в режиме предшествующем ненормальному, а на фиг. 6, а режиму ОЗЗ фазы 3(C) в точке 4 линии w1;
на фиг. 7 представлены векторные диаграммы блока защиты соответствующие осциллограмме фиг. 6, а для момента времени nТ=48 (t=0,02);
на фиг. 8 представлены осциллограммы, зарегистрированные осциллографом блока защиты в режиме предшествующем ненормальному, а на фиг. 8, а - режиму ОЗЗ фазы 3(C) в точке 2 линии w2;
на фиг. 9 представлены векторные диаграммы блока защиты соответствующие осциллограмме фиг. 8,а для момента времени nТ=48 (t=0,02 с);
на фиг. 10 представлены прогнозируемые расчетные значения электрических величин, полученные вычислительным элементом устройства и соответствующие им векторные диаграммы, а также погрешности вычислений по результатам выполненных в примере моделирований режимов ОЗЗ.
Перечень таблиц
Таблица 1, таблица 2, таблица 3, таблица 4 - численные значения параметров схемы замещения; распечатки результатов вычислений электрических величин ненормальных режимов ОЗЗ в точке 4 коммутации на линии w1 и на элементах схемы замещения в месте установки блока защиты при ОЗЗ на линиях w1 в точке 4 и на линии w2 в точке 2, соответственно.
Источники информации
1. Правила устройства электроустановок. М. Энергоиздат.2010.
2. Методические указания по проектированию систем электроснабжения до 1 кВ с изолированной нейтралью на объектах капитального строительства Министерства обороны. Утверждены 19.02.08. М.-СПб, 2008.
3. Шнеерсон Э.М. Цифровая релейная защита. М.: Энергоатомиздат, 2007.
4. Цифровой блок релейной защиты типа БМРЗ-100. Руководство по эксплуатации. ДИВГ.648228.024 РЭ. 2013.
5. Лосев С.Б., Чернин А.Б. Вычисление электрических величин в несимметричных режимах электрических систем. М., Энергоатомиздат, 1985. 5.
6. Федосеев A.M., Федосеев М.А. Релейная защита электроэнергетических систем. М. Энергоатомиздат.1992.
7. Глухов О.А., Михайлов А.К., Фоминич Э.Н. Системы контроля изоляции в системах электроснабжения с изолированной нейтралью. Технологии ЭМС. 2007. №3 (22).
8. Владимиров Ю.Ф. Расчеты несимметричных режимов в применении к анализу условий безопасности в электроустановках. СПб.: ВИ(ИТ) ВА МТО. 2014.
9. Владимиров Ю.Ф., Фоминич Э.Н. Математическое моделирование режимов электрических сетей с изолированной нейтралью для прогнозирования поведения цифровых устройств защиты и контроля. Военный инженер. СПб. 2017, №1(3).
10. Отчет о НИР "Безграничность". СПб.: ВИСИ, 1996; №548904.
11. Владимиров Ю.Ф. К опытному определению параметров режима однофазного замыкания на физической модели линии электрической сети. СПб.: ВИТУ, 1999, №559629.