Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

ОСОБЕННОСТИ НАПРЯЖЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ ПРИ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЯХ НА ЗЕМЛЮ

Борковский С.О. 1 Горева Т.С. 1 Пюкке Г.А. 2 Горева Т.И. 1
1 Дальневосточный федеральный университет (филиал)
2 Камчатский государственный технический университет
В статье рассмотрена методика диагностирования наличия однофазного замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью. Представлены результаты стендовых испытаний на лабораторном оборудовании, моделирующем электромагнитные переходные процессы, протекающие в электроэнергетических системах 6–10 кВ. Произведен анализ гармонических составляющих напряжения, осциллограмм фазных напряжений «здоровых» и поврежденных фаз, векторных диаграмм фазных напряжений при повреждениях в различных частях энергосистемы: близкое и удаленное короткое замыкание, исследование напряжений в месте повреждения. Также в статье говорится о том, что наиболее перспективным направлением диагностирования однофазных замыканий на землю является изучение напряжений нулевой последовательности, а не токов, что в дальнейшем позволит отказаться от применения однотрансформаторных фильтров токов нулевой последовательности и перейти к использованию трансформаторов напряжений, включенных на сумму векторов напряжений.
замыкание на землю
гармонические составляющие
диаграмма напряжения
несинусоидальность
анализатор качества электроэнергии
электрические сети торфо- и нефтеразработок
1. Астафьева Н.М. Вейвлет-анализ: основы теории и применение // Успехи физических наук. – 1998. – 26 c.
2. Борковский С.О., Горева Т.С., Горева Т.И. Проблема диагностики однофазных замыканий на землю в сетях с малыми токами замыкания на землю // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 9–5. – С. 954–959.
3. ГОСТ 13109-97 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная совместимость нормы качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения».
4. Горева Т.С., Кузнецов С.Е., Портнягин Н.Н., Горева Т.И. Анализатор импульсных и флуктуационные помех случайного характера в системах электроснабжения с идентификацией структурных компонент в ортогональном вейвлет базисе: Свидетельство об отраслевой регистрации комплекса программ для ЭВМ № 16624. – М.: ИНИМ РАО, 2011. – 15 с.
5. Горева Т.С., Портнягин Н.Н. Методы построения активных фильтров подавления импульсных помех в сетях электропитания промысловых судов: монография. – М.: Изд-во «Академия Естествознания», 2010. – 102 с.
6. Кабышев А.В., Обухов С.Г. Расчет и проектирование систем электроснабжения объектов и установок: учебное пособие. – Томск: Изд-во ТПУ, 2006. – 248 с.
7. Овчаренко Н. И. Автоматика энергосистем: учебник для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Издательский дом МЭИ, 2007. – 296 с.
8. Сенигов П.Н., Галишников Ю.П., Манцеров Е.А., Карпеш М.А. Руководство по выполнению базовых экспериментов. «Модель комплексной электрической нагрузки». – Челябинск, 2003. – 210 с.

Поставим задачей определение особенностей, присущих фазным и линейным напряжениям электрической сети с изолированной нейтралью при возникновении в ней бездугового однофазного короткого замыкания на землю.

Однолинейная электрическая схема упрощенной системы электроснабжения предприятия нефтедобычи представлена на рис. 1.

pic_1.wmf

Рис. 1. Однолинейная схема разветвленной электрической сети с двумя присоединениями

pic_2.wmf

Рис. 2. Трехфазная схема разветвленной электрической сети с двумя присоединениями

Трехфазная схема системы электроснабжения района нефтедобычи представлена на рис. 2.

Как правило, питание электроустановок нефтяной промышленности осуществляется с помощью воздушных линий электропередач напряжением 6–10 кВ по радиальной схеме. К основным энергоустановкам данной отрасли промышленности относятся: компрессорные станции, водяные насосы и насосы перекачки нефти, буровые станции, водяные насосы поддержания пластового давления, трансформаторные подстанции 6(10) кВ/0,4 кВ. При этом солидную долю нагрузки составляют электродвигатели – высоковольтные на напряжение 6 кВ (приводы буровых насосов, лебедок) и низковольтные – 0,4 кВ (двигатели вспомогательных агрегатов) [6].

Моделирование режима работы энергосистемы проводилось на учебном лабораторном комплексе «Модель комплексной электрической нагрузки». Данное оборудование позволяет воспроизводить электромагнитные и электромеханические процессы в комплексной нагрузке, имеющие место при установившейся работе, возмущениях и управляющих воздействиях [8].

Параметры работы энергосистемы измерялись следующими приборами:

Анализатор качества электроэнергии АКЭ-823; анализатор качества электроэнергии Fluke 43B. Данные контрольно-измерительные приборы позволяют снимать в режиме реального времени осциллограммы фазных и линейных напряжений электрической сети с возможностью их последующий цифровой обработки и создания отчетов в ППО Microsoft Excel 2010. Кроме этого имеется возможность измерения гармонических составляющих напряжений электрической сети и построения АЧХ при различных режимах работы. Подробнее о функциональных возможностях приборов можно прочитать в [2, 4].

Внешний вид приборов и лабораторного стенда представлен на рис. 3.

Методика измерений

Рассматриваемая модель электрической системы (рис. 1, 2) представляет собой частный случай реальной электрической сети напряжением 10(6) кВ с изолированной нейтралью. Данная система состоит из двух параллельных линий электропередач ВЛ1 и ВЛ2. Основными параметрами, характеризующими линии, являются: активное сопротивление – R, – определяющее длину линии, индуктивное сопротивление – L, определяющее конструктивные особенности ЛЭП и значение емкости фаз относительно земли – С, определяющее суммарную протяженность линий электропередач всей энергосистемы. В качестве нагрузки к одной из линий подключён асинхронный двигатель, моделирующий высоковольтные двигатели насосов нефтеперекачки, а к другой – трансформатор, моделирующий трансформаторную подстанцию 10(6)/0,4 кВ с активно-индуктивной нагрузкой.

В процессе работы энергосистемы будем записывать осциллограммы напряжений и проводить гармонический анализ напряжений для двух режимов работы:

1. Нормальный режим работы.

2. Аварийный режим работы, включающий в себя:

2.1. однофазное замыкание на землю фазы «А» на линии электропередачи ВЛ1(точка К1);

2.2. однофазное замыкание на землю фазы «А» на линии электропередачи ВЛ2 (точка К2);

Целью эксперимента является выделение особенностей, присущих напряжениям электрической сети при различных режимах работы, связанных с возникновением ЗНЗ.

Результаты эксперимента

1. Нормальный режим работы

Фазные напряжения неповрежденной сети представлены на рис. 4.

pic_3.tif pic_4.tif

Рис. 3. Контрольно-измерительные приборы и лабораторный стенд для моделирования режимов работы ЭЭС

pic_5.tif

Фазные напряжения АКЭ-823

pic_6.tif

 Напряжение фазы «А», Fluke 43B

Рис. 4. Напряжения фаз относительно земли в нормальном режиме

pic_7.tif

 Гармонический анализ фазных напряжений, АКЭ-823

 pic_8.tif

Гармонический анализ напряжения фазы «А», Fluke 43B

Рис. 5. Гармонический анализ фазных напряжений

Таблица 1

Амплитудные значения величин гармоник, АКЭ-823

Номер гармоники

Частота, Гц

Амплитуда, %

U1

U2

U3

1

50

–100

100

100

3

150

0,32

0,39

–0,5

5

250

–1,74

–1,96

1,85

7

350

0,68

–0,76

0,67

11

550

–1,26

0,79

–1,0

13

650

–0,29

0

0

pic_9.tif

pic_10.tif

Рис. 6. Вейвлет-анализ напряжений и гистограмма помехи [4, 5]

Гармонический анализ фазных напряжений при нормальном режиме работы представлен на рис. 5.

Амплитудные значения величин гармоник напряжения сведены в табл. 1

Вейвлет-анализ напряжений и гистограмма помехи представлены на рис. 6

В нормальном режиме работы электроэнергетической системы гармонический состав напряжений определяет основная гармоника 50 Гц, обнаружены следы 5-й и 11-й гармонических составляющих.

2. Аварийный режим работы

2.1. Однофазное замыкание на землю фазы «А» на линии электропередачи ВЛ1, – точка К1 – близкое к источнику питания ЗНЗ.

Фазные напряжения поврежденной сети представлены на рис. 7.

Гармонический анализ фазных напряжений при аварийном режиме работы представлен на рис. 8.

Амплитудные значения величин гармоник напряжения сведены в табл. 2.

Вейвлет-анализ напряжений и гистограмма помехи представлены на рис. 9.

pic_11.tif  

Фазные напряжения АКЭ-823

pic_12.tif

Напряжение фазы «А», Fluke 43B

Рис. 7. Напряжения фаз относительно земли в аварийном режиме

pic_13.tif 

Гармонический анализ фазных напряжений, АКЭ-823

pic_14.tif

Гармонический анализ напряжения фазы «А», Fluke 43B

Рис. 8. Гармонический анализ фазных напряжений

Таблица 2

Амплитудные значения величин гармоник, АКЭ-823

Номер гармоники

Частота, Гц

Амплитуда, %

U1

U2

U3

1

50

–100

100

–100

2

100

–1,06

0

0

3

150

10,27

0,32

0,28

4

200

–0,45

0

0

5

250

29,21

1,02

–0,84

7

350

–5,67

–0,31

0,38

8

400

–1,94

0

0

9

450

0,83

0

0

11

550

15,02

–0,32

0,39

13

650

–16,33

0

0

pic_15.tif

pic_16.tif

Рис. 9. Вейвлет-анализ напряжений и гистограмма помехи, представлен на рисунке [4, 5]

При близком к источнику питания ЗНЗ наблюдается резкое снижение остаточного напряжения поврежденной фазы, при этом переходной процесс длится порядка 2–2,5 периодов.

2.2. Однофазное замыкание на землю фазы «А» на линии электропередачи ВЛ2 – точка К2 – удаленное от источника питания ЗНЗ

Фазные напряжения поврежденной сети представлены на рис. 10.

Гармонический анализ фазных напряжений при аварийном режиме работы представлен на рис. 11.

Амплитудные значения величин гармоник напряжения сведены в табл. 3.

Вейвлет-анализ напряжений и гистограмма помехи для дальнего КЗ представлены на рис. 12.

pic_17.tif

 Фазные напряжения АКЭ-823

 pic_18.tif

Напряжение фазы «А», Fluke 43B

Рис. 10. Напряжения фаз относительно земли в аварийном режиме

pic_19.tif

Гармонический анализ фазных напряжений, АКЭ-823

 pic_20.tif

Гармонический анализ напряжения фазы «А», Fluke 43B

Рис. 11. Гармонический анализ фазных напряжений

Таблица 3

Амплитудные значения величин гармоник, АКЭ-823

Номер гармоники

Частота, Гц

Амплитуда, %

U1

U2

U3

1

50

–100

100

–100

2

100

0,22

0

0

3

150

–10,21

–2,13

2,34

4

200

0

0

0

5

250

12,91

1,25

1,31

7

350

–5,36

–0,51

–0,36

8

400

0

0

0

9

450

0,95

0

0

11

550

2,75

–0,48

0,41

13

650

1,28

–0,021

0

При однофазном замыкании на землю ярко выражена несинусоидальность напряжений, связанная с переходными процессами разряда емкости поврежденной фазы и подзарядом емкости неповрежденных фаз до линейных значений. Гармонический анализ фазных напряжений выявил резкое возрастание нечетных гармоник под номерами: 3, 5, 7, 11, 13 по сравнению с нормальным режимом работы, при этом данные гармонические составляющие возникают только в фазном напряжении поврежденной фазы.

pic_21.tif

pic_22.tif

Рис. 12. Вейвлет-анализ напряжений и гистограмма помехи [4, 5]

Общие выводы

1. В нормальном режиме заметна несинусоидальность напряжений, связанная с наличием в составе нагрузки электродвигателя а также трансформаторов.

2. В нормальном режиме наиболее выражены нечетные гармоники: 3, 5, 7, 11 и 13-я, при этом их процентное содержание не превышает значений предельно допустимых концентраций, указанных в [3].

3. Концентрации других четных гармоник незначительны (менее 0,1 %) или равны 0.

4. При однофазном замыкании на землю ярко выражена несинусоидальность напряжений, связанная с переходными процессами разряда емкости поврежденной фазы и подзарядом емкости неповрежденных фаз до линейных значений;

5. Гармонический анализ фазных напряжений выявил резкое возрастание нечетных гармоник под номерами 3, 5, 7, 11, 13 по сравнению с нормальным режимом работы, при этом данные гармонические составляющие возникают только в фазном напряжении поврежденной фазы.

6. Гармонический состав фазных напряжений неповрежденных «здоровых» фаз при наличии ЗНЗ в системе мало отличается от гармонического состава при нормальном режиме работы.

7. Сравнительный анализ гармонического состава напряжений при разного рода повреждениях выявил, что величина 3 гармоники зависит от протяженности ВЛ (или от близости места ЗНЗ) – чем ближе место ЗНЗ к источнику питания или чем меньшим активным сопротивлением ВЛ оно ограничено (т.е. чем короче линия), тем более значительна величина 3 гармоники.

Таким образом, данные результаты экспериментов могут быть использованы для разработки алгоритмов действия селективной релейной защиты от однофазных коротких замыканий на землю в сетях с изолированной и компенсированной нейтралями. Наиболее актуальным видится выделение 3, 5, 7, 11, 13 гармонических составляющих напряжения, что позволит отказаться от измерительных трансформаторов тока нулевой последовательности и необходимости использования кабельных вставок, что особенно затруднительно на воздушных линиях электропередач.

Современная цифровая вычислительная техника дает возможность выполнить микропроцессорное устройство релейной защиты, существенно повышающее ее надежность и селективность функционирования при ЗНЗ в сетях с изолированной нейтралью. Реализация алгоритма функционирования такой защиты основывается на базе вейвлет-преобразования временной функции. Измерительный орган микропроцессорного комплекта защиты сможет выделять сигнал всех высших гармонических составляющих, содержащихся в напряжении нулевой последовательности, что более целесообразно, чем выделение какой-либо одной гармоники.

В связи с этим механизм выделения гармонического спектра предлагается выполнять на основе вейвлет-преобразования. Вейвлет-преобразование удобно использовать для анализа нестационарных (несинусоидальных) сигналов, где оно оказывается более эффективным, чем традиционное преобразование Фурье. Применимо использовать вейвлет-преобразование для обнаружения и распознания локальных особенностей сигналов электромагнитных переходных процессов в системах электроснабжения. В настоящее время вейвлет-преобразование находит все более широкое применение для прогноза временных рядов (или сигналов). Таким образом, можно прогнозировать развитие переходного процесса в определенный момент времени [8].

Современные микропроцессорные устройства противоаварийной автоматики, предназначенные для распределительных сетей с изолированной и компенсированной нейтралью, а также для защиты электродвигателей, выполняют следующие функции:

– отключение междуфазных КЗ программными трехступенчатыми токовыми или дистанционными защитами;

– отключение однофазных замыканий на землю программной защитой, действующей от высших гармоник тока нулевой последовательности;

– отключение при несимметрии (при «потере» фазы) электродвигателем и другие функции.

Микропроцессор выполняет функции нерекурсивных цифровых частотных фильтров принужденных составляющих переходного процесса КЗ, выделяя их ортогональные составляющие и симметричную составляющую обратной последовательности, и вычисляет сумму гармоник (7-й и близких к ней) тока нулевой последовательности [7].

Ортогональные составляющие формируются нерекурсивными и адаптивными частотными фильтрами на основе преобразований Фурье. Для анализа нестационарных сигналов более эффективным, чем традиционное преобразование Фурье, является вейвлет-преобразование. Поэтому вейвлет-преобразование применимо использовать для обнаружения и распознания локальных особенностей напряжений при электромагнитных переходных процессах в системах электроснабжения. Вейвлет-преобразование можно применять и для прогноза временных рядов (или сигналов), что позволит прогнозировать развитие переходного процесса в определенный момент времени [8].

Рецензенты::

Портнягин Н.Н., д.т.н., доцент, профессор кафедры «Теоретическая электротехника и электрофикация нефтяной и газовой промышленности», Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина, г. Москва;

Потапов В.В., д.т.н., профессор, зав. лаборатории химии кремнезема в современных гидротермальных процессах, ФГБУН «Научно-исследовательский геотехнологический центр» Дальневосточного отделения Российской академии наук, г. Петропавловск-Камчатский.

Работа поступила в редакцию 01.04.2015.


Библиографическая ссылка

Борковский С.О., Горева Т.С., Пюкке Г.А., Горева Т.И. ОСОБЕННОСТИ НАПРЯЖЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ ПРИ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЯХ НА ЗЕМЛЮ // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 2-12. – С. 2545-2552;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=37520 (дата обращения: 19.11.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074