МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ НАПРЯЖЕНИЕМ 6 (10) кВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ ПО ПАРАМЕТРАМ АВАРИЙНОГО РЕЖИМА

При эксплуатации распределительной электрической сети имеет место повреждения, такие как  однофазные или многофазные замыкания на землю или на корпус электроустановок, обрывы проводов воздушных линий электропередачи, и другие повреждения в сети. Важной задачей при  эксплуатации электрических сетей является сокращение времени  определения места повреждения и быстрое проведение ремонтно-восстановительных работ. При протяженных  и разветвленных распределительных сетях напряжением 6(10) кВ задачи поиска и ликвидации аварийного режима могут эффективно решиться при использовании технических устройств, определяющих расстояния поврежденной линии и место до повреждения.

При возникновении повреждения в лини электропередачи технические аппаратные средства для определения места повреждения (ОМП) осуществляют лишь измерительную функцию, а также функцию запоминания значений токов и напряжений возникшего аварийного режима сети. Далее после отключения линии релейной защитой происходит обработка результатов измерения.

В качестве средств определения расстояния до места повреждения кабельных и воздушных линий распределительных сетей напряжением 6 (10)-35 кВ, широкое распространение получили аналоговые и цифровые осциллографы (регистраторы), измеряющие  параметры аварийного режима (ПАР) — такие как мгновенные значения апериодической составляющей тока и напряжения нулевой последовательности в режиме однофазного замыкания на землю, при одностороннем или двустороннем производстве измерений. Применяя данные устройства можно с большой точностью  определить место дефекта в линии электропередачи, ориентируясь на характеристики тока нулевой последовательности, или на зависимость расстояния до места аварии от параметров аварийного режима. Поэтому главной задачей исследования будет моделирование и аналитическое определения зависимости параметров аварийного режима от расстояния до места аварии линии электропередачи х(L)=f(I_0m)  с учетом изменения параметров в месте повреждения сети.

Современные программы для моделирования, в том числе и симуляции режимов работы электрических цепей, позволяют графоаналитически  исследовать электрическую сеть и изменять режимы ее работы, а также в режиме реального времени следить за  изменениями  электрических величин.

Этапы создания модели электрической сети 6(10) кВ состоят из нескольких действий:

1. Компонуется главная схема электрических соединений исследуемой сети. При этом определяется число и мощность потребителей электрической энергии, место их присоединения к сети; протяженность линий электропередачи; сечения и характеристика проводов в линиях электропередачи; уровень номинального напряжения системы электроснабжения потребителей и источника питания; параметры нейтрали сети.
2. По скомпонованной главной схеме соединений составляется схема замещения модульной архитектуры.
3. По справочнику или каталогам определяются все параметры схемы замещения присоединенных потребителей и источника питания.
4. Схема замещения сети с расчётными параметрами переносится в программный комплекс моделирования.

Виртуальная имитационная модель сети, представленная на рисунке 1, является одним из простейших видов конфигурации — радиальная схема электропитания нагрузки, с напряжением сети 10 кВ и протяжённостью воздушной линии 10 км, выполненной проводом марки АС-95(мм²), питающей потребитель активной мощностью Р_нагр=800 (кВт) с коэффициентом мощности cosφ=0,85. Параметры модели считаются равно  распределёнными по всей протяженности линии, где каждому участку сети с бесконечно малой длиной dх соответствует конкретное значение активного, индуктивного и ёмкостного параметров.

Величина активной проводимости g условно принимается равной 10 МОм.

Окончательно выбирается по расчетным параметрам элементов схемы виртуальная графическая модель для представления информации о режимах сети 6(10) кВ. Имитационная модель разработана в среде Еlectronics Workbench Multisim 10.1.

Разработанная схема модели способная реализовать выполнение следующих режимов работы сети 6(10) кВ: режим номинальной нагрузки потребителя; режим однофазного металлического замыкания (ОЗЗ) на землю; режим однофазного замыкания на землю через перемежающую дугу; режим однофазного замыкания на землю через большое переходное сопротивление; режим двойного замыкания на землю в случае аварии двух соседних фаз сети; режим двойного замыкания на землю в случае аварии одной фазы в двух разноудалённых местах сети; трехфазное короткое замыкание.

Режим первый (режим номинальной нагрузки) реализуется включением схемы без коммутации замыкающих цепей поперечной части ветви. Схема оснащена виртуальными осциллографами, вольтметрами, амперметрами, с компоновкой сопротивлений и емкостей ветвей и цепи нагрузки. В ветвях схемы замещения  протекают токи, соответствующие значениям токам в реальной сети при расчётной нагрузке потребителей. В этом режиме возможно наблюдать только рабочие значения токов при малых возмущениях от переходных процессов при коммутации количества и изменения мощности приемников электроэнергии.

Режим второй (однофазное металлическое замыкание на землю) реализуется в имитационной модели включением замыкающей ветви с одной из фаз на землю, с установленными в ней последовательно коммутирующим ключом и активным сопротивлением с небольшой величиной — порядка 5-10 Ом. Сначала схема запускается в номинальном режиме, а в процессе работы переключателем  производится замыкание одной фазы на землю. В цепи места аварии устанавливается вольтметр.

Режимы третий (режим однофазного замыкания на землю через перемежающую дугу) и 4 (режим однофазного замыкания на землю через большое переходное сопротивление) производятся аналогично режиму второму, исключая значение сопротивления короткого замыкания (в режиме третьем сопротивление следует принимать порядка 0,5 Ом с изменением параметров, в режиме четвертом — более 50 Ом переходной активное сопротивление).

Режим пятый, который имитирует двойное двухфазное замыкание на землю, формируется в последовательной коммутации в месте замыкания добавлением в две фазы активные сопротивлении через коммутационные ключи. Величины сопротивление варьируются в такой же последовательности, как и в третьем и четвёртом режимах с учетом вида аварийной ситуации.

При моделировании шестого режима — режим двойного однофазного замыкания на землю, на одну фазу добавляются две замыкающих цепи на землю в разных участках схемы замещения. Величины сопротивлений выставляются аналогично предыдущим рекомендациям.

При производстве измерений исследуются изменения фазных токов и токов нулевой последовательности  в случае без дуговых замыканий на землю и К_дв, металлических ОЗЗ и К_дв , дуговом однофазном замыкании на землю  с частотой колебаний f=20 Гц. Фиксирование электронных осциллограмм производится отдельно для однофазного замыкания на землю фазы «С» на расстоянии примерно в 2,5 км от источника питания, с включением  через комплексное полное переходное сопротивление Z_п. В дальнейшем имитируется двойное замыкание на землю в последовательности создания ОЗЗ фазы «С» на расстоянии 2,5 км от источника питания и затем замыкание на землю фазы «В» на расстоянии в 7,5 км через переходное сопротивление Z_п2. Величины сопротивлений продольной части ветви при имитации пересчитываются в соответчики с изменениями длин линии.

Определяется индуктивность дугогасящего реактора (катушки) по параметрам ёмкости, рассчитанной выше. Режим возникновения  резонанса токов происходит в случае равенства проводимостей дугогасящего реактора (катушки) bLp и ёмкостной проводимости bC, определяется по выражению [1]:

показывает, что в случае металлического однофазного замыкания на землю ток I₀ равен 524 мА, что объясняется достоверной настройкой дугогасящей катушки, однако при двойном К_дв значение I₀ равно 1330 мА, хотя предположительно  должно составлять несколько десятков ампер.

Бездуговые однофазные замыкания на землю и двойные К_дв, происходят, как указано выше, в схеме через переходные полные сопротивления Z_п1 и Z_п2.

В случае однофазного замыкания на землю фазы «С» (замкнулся ключ S1 на рисунке 1) через переходное сопротивление в значение Z_п1=39 Ом ток в фазе I_ф.С составляет несколько сот мА. При двойном К_дв (замыкается дополнительный ключ S2 в схеме замещения) через переходные сопротивления  величин Z_п1=39 Ом, Z_п2=40 Ом.

Нетипичным режимом аварии в сетях являются дуговые однофазные и двойные короткие замыкания на землю.

Особенностью  данных  повреждений является тот фактор, что в месте замыкания фаз на землю образуется нелинейное переходное сопротивление в виде дуги, значение которого в свою очередь зависит от мощности источника питания и от частоты колебаний между индуктивностью и ёмкостью электрической сети. С высокой точностью определить величину комплексного сопротивления дуги при анализе параметров аварийного режима с практической точки зрения задача сложная; так как необходимо учитывать изменение таких факторов различной значимости, как влажность грунта в месте аварии, сезонность года, температура окружающей среды, длина дуги, и много другое [2].

Перемежающаяся дуга в месте дуговых замыканий на землю может  существовать длительное время, в режиме работы сети без отключения, и с повышением частоты коммутации ключом S1 от 5 до 20 Гц, происходит увеличение амплитуды I₀ в режиме переходного процесса, являющегося причиной повышения кратности внутренних перенапряжений (к=3…5). Результаты имитационного и графоаналитического моделирования режимов для изменяющихся состояний сети, свидетельствуют о том, что уже на низких частотах от 20 до 80 Гц, появляются гармоники высших порядков, наличие которых ускоряет процесс износа изоляции электрооборудования на воздушных линиях электропередачи.

Далее исследовали явления при изменении значения I₀ в режиме дуговых замыканиях на землю с различной частотой коммутации петли однофазного замыкания на землю. В схеме замещения имитационной модели  перемежающаяся дуга представлена посредством ВЧ-генератора, сигналы  которого подаются на катушку электромагнита постоянного тока. Контакты электромагнита при этом периодически закорачивают и раскорачивают петлю замыкания, тем самым имитируя повторное зажигание и гашения дуги в месте аварии.

Дуговые однофазные замыкания на землю, в частности при высоких частотах, зачастую приводят к пробою изоляции линейной арматуры воздушных линий на  неповреждённых фазах, особенно в местах  ослабления или старения изоляции сети. Это может привести к двойным однофазным замыканиям на землю в различных местах сети. Данная ситуация рассмотрена и представлена на рисунках 4 и 5, когда при имеющемся дуговом замыкании фазы «С» с частотой в 20 Гц, произошел пробой изоляции фазы «В». Эксперимент  показал,  что значение тока I₀ как до, так и после двойного К_дв не превышает величины в 25 А.

Так, при без дуговом металлическом однофазном замыкании на землю ток равен  I₀=524 мА, при однофазном замыкании на землю через полное переходное сопротивление Z_п1=39 Ом ток I₀=489 мА, а при возрастании частоты коммутации петли замыкания на землю с частотой в 20 Гц  ток равен всего I₀=8,78 А.

При  частоте в 25 Гц ток равен I₀=59,0 А. Для двойного замыкания К_дв наблюдается аналогичная зависимость изменения тока ОЗЗ. При металлическом двойном замыкании К_дв ток I₀ равен  1330 мА, при К_дв с переходными сопротивлениеми  Z_п1=39 Ом, Z_п2=40 Ом ток  I₀  равен 984 мА, при дуговом замыкании фазы «С»  с частотой в 20 Гц и последующем замыкании фазы «В» ток равен уже  I₀=8,44 А.

Список литературы:

1. Идельчик В.И. Электрические сети и системы. М.: Энергоатомиздат, 1989. —

         592с.

2. Шалыт Г.М. Определение мест повреждения в электрических сетях. М.:

         Энергоиздат, 1982. — 310 с.[schema type=»book» name=»МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ НАПРЯЖЕНИЕМ 6 (10) кВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ ПО ПАРАМЕТРАМ АВАРИЙНОГО РЕЖИМА» author=»Кушнир Валентина Геннадьевна, Кошкин Игорь Владимирович, Кушнир Алексей Сергеевич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-04-20″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 28.03.2015_03(12)» ebook=»yes» ]