РЗА-2010

Подождите немного. Документ загружается.

Релейная защита и автоматика энергосистем

330

Располагать электронику внутри цилиндрического токопровода, как показывают исследования,

наиболее эффективно. В соответствии с законом полного тока

(1)

и исходя из осевой симметрии магнитное поле внутри бесконечно длинного цилиндрического про-

водника с током отсутствует.

Численный расчет электромагнитного поля реальной конструкции (рис. 2) также подтверждает

минимальное значение поля внутри токопровода.

1. РАСПОЛОЖЕНИЕ МИКРОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

ВНУТРИ ТОКОПРОВОДЯЩИХ ЭКРАНОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ

В КАЧЕСТВЕ ТОКОПРОВОДОВ

В цифровом трансформаторе тока (ЦТТ) предусматривается расположение микропроцессорной

аппаратуры с АЦП внутри токопроводящего экрана, используемого непосредственно в качестве

токопровода (рис. 1).

Рис. 2. Расчет напряженности [А/м] магнитного поля в трубе при первичном токе 1000 А

∫

−=

∫

−=

∫

Рис.1. Токопровод с полостью для размещения микроэлектроники

2. ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ПОЛЕЙ НА МИКРОЭЛЕКТРОНИКУ

ВНУТРИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ТОКОПРОВОДА

Внешнее электромагнитное поле (поле соседних проводов) также оказывает реальное электро-

магнитное воздействие. Токопроводящий цилиндр для вешнего поля выступает как экран. Для пред-

Москва, 1–4 июня 2010 г.

331

Поле внутри Н

определяется внешним полем Н

с учетом компенсационного эффекта – поля обра-

зованного током по окружности цилиндра, плотность которого определяется по уравнению: δ = E ⋅ γ

⋅

где γ электропроводность материала. Несложно показать, что чем выше электропроводность, тем

выше коэффициент экранирования, так как электропроводность материала величина конечная, то и

абсолютного исключения поля внутри трубы добиться не удастся. Кроме того, экранирующий эффект

зависит от частоты и полностью отсутствует при неизменном во времени магнитном поле (табл. 1).

Магнитная проницаемость цилиндра оказывает существенное влияние на формирование картины

магнитного поля, однако магнитное поле внутри трубы по величине как правило не снижается.

Экранное затухание b

для высоких и низких частот может быть определено приближенно по

формуле [3]:

(4)

где, D – внутренний диаметр трубы, d – толщина стенки,

– эквивалентная глубина

проникновения, m – коэффициент, для цилиндрического экрана равный двум.

варительной оценки электромагнитного воздействия, поле можно разложить на две компоненты:

продольную и поперечную.

2.1. Цилиндрический экран в продольном магнитном поле

Рассмотрим цилиндрический провод в продольном магнитном поле (рис. 3).

Здесь внешнее магнитное поле H



наводит в проводнике ЭДС электромагнитной индукции, ко-

торая определяется из уравнения:

(2)

Для синусоидально изменяющегося магнитного поля уравнение может быть записано так:

(3)

Рис. 3. Цилиндрический экран в поперечном магнитном поле

−=

∫

⎪

⎩

⎪

⎨

⎧

>⋅+

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

≈=

,d

m22

,d

lnb

γωμ

∫

d

ldE

−=

∫

Релейная защита и автоматика энергосистем

332

2.2. Цилиндрический экран в поперечном магнитном поле

Поперечное магнитное поле также ослабляется внутри цилиндрического проводника (рис. 4).

При низкочастотном электромагнитном воздействии существенную роль играет магнитная со-

ставляющая поля. В данном случае на экранирующий эффект существенным образом влияет маг-

нитная проницаемость материала μ (в отличие от экранирующего эффекта в продольном магнитном

поле). Для цилиндрического экрана с внутренним радиусом трубы r

, внешним r

и относительной

магнитной проницаемостью металла экрана μ коэффициент экранирования однородного поля с

напряженностью Н

определяется по формуле

(5)

На высоких частотах преобладает электромагнитное экранирование. Наведенная электрическая

компонента поля вдоль проводника (рис. 4) приводит к возникновению токов, которые, в свою оче-

редь, создают компенсирующее магнитное поле внутри цилиндра (табл. 2).

Таблица 1

Картины силовых линий магнитного поля при продольном внешнем поле

( )

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

+==



−=

∫

⎪

⎩

⎪

⎨

⎧

>⋅+

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

≈=

γωμ

#$*X+ %&+ '!0$%#X L#

= 1

= 10

= 100

f=0 <0

f=10 <0

f=50 <0

f=100 <0

Москва, 1–4 июня 2010 г.

333

Таблица 2

Картины силовых линий магнитного поля при поперечном внешнем поле

()

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

+==

#$*X+ %&+ '!0$%#X L#

= 1

= 10

= 100

f=0 <0

f=10 <0

f=50 <0

f=100 <0

Рис. 4. Цилиндрический экран в поперечном магнитном поле

2.3. Исследование влияния неоднородного

магнитного поля в ЦТТН

Представленное выше разложение на собственное поле проводящей трубы, а также внешние

однородные продольное и поперечное поля позволяет оценить экранирующий эффект. Однако для

Релейная защита и автоматика энергосистем

334

исследования влияния поля токопроводящих частей ЦТТН представленного в [1-2] необходимо

полноценное трехмерное полевое моделирование с учетом полной геометрии токопроводящих эле-

ментов. Для этого была создана полевая модель, геометрия которой представлена на рис. 5. Модель

позволяет изучить распределение магнитного поля как внутри, так и вне измерительной и преобра-

зующих частей цифрового трансформатора тока.

В основе моделирования использованы уравнения, записанные в пространственно-частотной

области:

(6)

Для решения уравнения (6) должны быть дополнены необходимыми граничными условиями. Ре-

шение указанной задачи было выполнено с помощью программной среды COMSOL Multyphysics, в

которой полученные трехмерные картины полей (рис. 6) позволяют точно определить уровни электро-

магнитных воздействий, выбрать материал и размеры дополнительных экранирующих элементов.

( ) ( )

(

)

( )

.UAAj

,UAj

=∇+×∇×∇+

=∇+∇−

−−

γμμωγ

γωγ

Рис. 6. Картина магнитного поля ЦТТН

()()

()

=∇+×∇×∇+

=∇+∇−

−−

γμμωγ

γωγ



Рис. 5. Трехмерная модель токопроводящей части ЦТТН

()()

()

=∇+×∇×∇+

=∇+∇−

−−

γμμωγ

γωγ



Проведенные исследования показали, что расположение микроэлектроники внутри цилиндри-

ческого провода с током позволяет исключить основную компоненту электромагнитного поля,

созданную собственным током. Кроме того, цилиндрический провод является экраном и для полей

наведенных токами соседних проводов. При этом экранирующий эффект может быть оценен на осно-

ве приближенных формул и более точно вычислен на основе компьютерного конечно-элементного

математического моделирования.

Москва, 1–4 июня 2010 г.

335

ЛИТЕРАТУРА

[1] Создание нового класса высоковольтного энергетического оборудования – цифровых трансфор-

маторов тока для ОРУ 220 KB (110-750 kB) станций и подстан ций энергосистем. Гречухин В.Н.,

Лебедев В.Д., Лебедев Д.А., Наумов А.В., Тимофеев Е.Н., Баженов О.А., Трубачев С.Е., Гло-

тов А.А. // Выставка научных достиже ний Ивановской области. III Ивановский инновационный

салон «ИННОВАЦИИ 2006». С. 109.

[2] Гречухин В.Н. Электронные трансформаторы тока и напряжения. Состояние, перспективы раз-

вития и внедрения на ОРУ 110-750 кВ станций и подстанций энергосистем // Вестник ИГЭУ.

Вып. 4. 2006. С. 35-42.

[3] Дьяков А.Ф., Максимов Б.К., Борисов Р.К., Кужекин И.П., Жуков А.В. Электромагнитная совме-

стимость в электроэнергетике и электротехнике / Под ред. А.Ф. Дьякова. Энергоатомиздат, 2003.

768 c.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРЕ

Лебедев Владимир Дмитриевич – кандидат технических наук, доцент кафедры ТОЭЭ Ивановского

государственного энергетического университета им. В.И. Ленина (ИГЭУ)

153003, г. Иваново, ул. Рабфаковская, д. 34

Тел. 8 (4932) 26 -99-53, 26-99-03, 8 (910) 691-97-76

vd_lebedev@mail.ru

Релейная защита и автоматика энергосистем

336

АВТОМАТИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ

ПАРАМЕТРОВ ДЕФЕКТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ

ИЗОЛЯЦИИ В СЕТИ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ

Н.В. ГРЕБЧЕНКО, А.А. СИДОРЕНКО, И.В. БЕЛЬЧЕВ

Донецкий национальный технический университет, Украина

Во многих случаях короткие замыкания происходят в результате предельного ухудшения состоя-

ния электрической изоляции оборудования электрических систем. Такие повреждения, как правило,

можно предотвратить. Для этого необходимо выявить дефект изоляции на ранней стадии его развития

и провести необходимые работы по восстановлению характеристик изоляции. Решать задачу своев-

ременного выявления дефектов изоляции позволяет непрерывное диагностирование электрообору-

дования. Для его реализации целесообразно дополнить современные микропроцессорные системы

защиты функцией диагностирования.

В настоящее время наиболее широко применяются методы диагностирования на отключенном

оборудовании, зачастую для их применения временно создаются специальные схемы для измерений,

и благодаря этому такие методы имеют достаточно высокую точность определения места дефекта.

Чем точнее определено место дефекта, тем быстрее и с меньшими затратами удается устранить этот

дефект. А если удается определить не только место, но и величину сопротивления изоляции в ме-

сте дефекта, то можно прогнозировать предельно допустимое время работы с таким дефектом [1].

Однако в настоящее время нет методов, позволяющих в рабочем режиме присоединения кабель-

электродвигатель (ЭД) 6-10 кВ выявлять параметры дефектов изоляции. Многие методы ориенти-

рованы на выявление замыканий на землю в рабочем режиме, но параметры дефектов изоляции

они не определяют [2-5].

Целью работы является создание алгоритма определения параметров дефектов электрической изо-

ляции оборудования, предназначенного для реализации в микропроцессорных системах защиты.

Современные системы выявления дефектов изоляции на ранней стадии развития должны работать

в автоматическом режиме и не требовать отключения оборудования для проведения необходимых

измерений.

Одним из методов выявления дефектов изоляции является решение системы уравнений текущего

состояния, в котором в качестве входных используются параметры режима. В результате решения

определяются величины комплексных проводимостей изоляции фаз [6]. Благодаря этому представля-

ется возможность выявления дефектов изоляции. Но место дефекта в этом методе не определяется.

На рис. 1 приведен общий алгоритм определения параметров дефектов изоляции присоединений

кабель-электродвигатель.

Исследования показали, что точность расчета места дефекта изоляции выше в случае использова-

ния разных алгоритмов в зависимости от степени дефекта. По значению напряжений фаз по отноше-

нию к земле не всегда возможна идентификация замыкания на землю. Например, при замыкании в

обмотке статора ЭД контролируемые напряжения могут иметь такие же значения, как и при дефекте

изоляции в питающем кабеле или в другой точке обмотки статора ЭД.

Однозначно можно определить, что возник дефект или замыкание по вектору тока нулевой по-

следовательности, фаза которого определяется по отношению к вектору линейного напряжения [7].

Каждой величине дефекта и точке дефекта соответствует только один вектор 3İ

. Поэтому в результате

итерационного процесса определения параметров дефекта путем расчета вектора 3İ

для предполагае-

мых параметров дефекта и его сравнения с действительным значением вектора 3İ

достаточно точно

определяется сопротивление Z

def

Москва, 1–4 июня 2010 г.

337

Для определения параметров дефекта изоляции (b , Z

def

) в рабочем режиме используются алгорит-

мы, которые получены на основании системы уравнений текущего состояния. Система составлена в

соответствии со схемой замещения (рис. 2).

Система уравнений, описывающая текущее состояние:

(1)

Просуммировав уравнения системы (1) и выполнив некоторые преобразования, получим:

. (2)

Для определения продольного сопротивления фазы присоединения Z

запишем другое уравне-

ние:

. (3)

Из уравнения (3) найдем сопротивление Z

Рис. 1. Общий алгоритм определения параметров дефектов изоляции

присоединений кабель-электродвигатель

Рис. 2. Схема замещения присоединения кабель-электродвигатель

Релейная защита и автоматика энергосистем

338

. (4)

В выражениях (2) и (4) в качестве тока İ

в месте дефекта может приниматься ток нулевой после-

довательности 3İ

без учета собственной емкости присоединения.

Полученное выражение (2) используется для нахождения значения удаленности до места дефекта b

после того, как в результате решения системы уравнений текущего состояния присоединения было

найдено значение Z

def

Поэтому предложен специальный метод, для использования которого нет необходимости пред-

варительного определения сопротивления дефекта изоляции.

Для определения удаленности b при неизвестной величине сопротивления дефекта Z

def

составим

новую систему уравнений:

(5)

Если принять, что продольные сопротивления фаз присоединения равны между собой Z

= Z

, а также İ

= İ

+ İ

, то из системы (5) найдем:

, (6)

где продольное сопротивление фазы нагрузки находится:

(7)

По схеме замещения (рис. 2) запишем:

(8)

Из (8) получим:

(9)

Предложенные алгоритмы определения параметров дефектов изоляции использовались на фи-

зической модели присоединения кабель-электродвигатель. Некоторые результаты приведены в

таблице.

Таблица

Результаты экспериментального определения удаленности локальных дефектов изоляции (Z

def

= 200 Ом)

Расчет по формуле (2) Расчет по формуле (6)

b, о.е. Погрешность, % b, о.е. Погрешность, %

Дефект изоляции в обмотке статора ЭД, b=0,513 о.е. 0,5506 -7,32 0,4805 6,33

Дефект изоляции в обмотке статора ЭД, b=0,565 о.е. 0,5995 -6,1 0,5228 7,47

Дефект изоляции в обмотке статора ЭД, b=0,687 о.е. 0,72 -4,86 - -

Дефект изоляции в обмотке статора ЭД, b=0,761 о.е. 0,785 -3,15 - -

Рассмотренный общий алгоритм определения параметров дефектов изоляции прошел проверку

в лабораторных условиях и рекомендуется для реализации в микропроцессорных терминалах, ис-

пользуемых для защиты и управления электродвигателями 6-10 кВ.

– U

– İ

••

Москва, 1–4 июня 2010 г.

339

ВЫВОДЫ

1. Для повышения надежности работы широко применяемых присоединений нагрузки – при-

соединений электродвигателей, необходимо оснастить средствами непрерывного диагностирования.

Обязательному выявлению подлежат локальные дефекты изоляции питающего кабеля и обмотки

статора электродвигателя.

2. Реализовать функцию диагностирования целесообразно путем расширения функциональных

возможностей цифровой релейной защиты присоединений.

3. Основными требованиями к выявлению локальных дефектов являются:

- диагностирование в рабочих режимах, т. е. без отключения присоединений;

- распознавание вида дефекта изоляции – распределенный или локальный;

- определение расположения локального дефекта путем оценки удаленности от начала при-

соединения и нахождения величины эквивалентного сопротивления изоляции в месте локального

дефекта изоляции.

4. Разработанные алгоритмы определения параметров локальных дефектов изоляции, основанные

на использовании измерений параметров рабочего режима (токи фаз, напряжения фаз относительно

земли) и решении системы уравнений текущего состояния, прошли экспериментальную проверку и

рекомендуются к реализации в микропроцессорных защитах электродвигателей.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Булычев А.В., Нудельман Г.С. Упреждающие функции релейной защиты // Сборник докладов

международной НТК «Современные направления развития систем релейной защиты и автома-

тики энергосистем». М., 2009. С. 72-78.

[2] Фигурнов Е.П., Бодров П.А. Определение места однофазного замыкания на землю в высоковольт-

ных линиях электроснабжения автоблокировки железных дорог // Релейная защита и автоматика

энергосистем 2004. Сборник докладов. ВВЦ. М., 2004. С. 88-93.

[3] Welfonder T., Leitloff V., Feuillet R., Vitet S. Location Strategies and Evaluation of Detection Algorithms

for Earth Faults in Compensated MV Distribution Systems. IEEE Transactions on Power Delivery, 2000.

Vol. 15. No. 4. Oct.

[4] Качесов В.Е. Метод определения зоны однофазного замыкания в распределительных сетях под

рабочим напряжением // Электричество. 2005. № 6. С. 9-19.

[5] Стогний Б.С. Определение места однофазного замыкания на землю. Стогний Б.С., Рогоза В.В.,

Сопель М.Ф., Голубов О.Ю. // Техн. електродинаміка. 2007. № 2. С. 60-63.

[6] Grebchenko N.V., Koval I.I., Sidorenko A.A., Smirnova M.A. Definition of complex admittance of

electric isolation without disconnecting of electrical equipment Compatibility and Power Electronics

СPE2009. 6

[7] Гребченко Н.В., Сидоренко А.А. Интеллектуальная система для определения места и степени

ло каль ных дефектов изоляции в сети с изолированной нейтралью. Сборник докладов. Релейная

защита и автоматика энергосистем-2006. ВВЦ. М., 2006. С. 150-152.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ

Гребченко Николай Васильевич — доктор технических наук, профессор, декан электротехнического

факультета Донецкого национального технического университета, Украина.

Сидоренко Алексей Анатольевич – инженер, директор Мироновской ТЭС ОАО «Донецкоблэнерго»,

Украина.

Бельчев Илья Владимирович – ассистент кафедры «Электрические станции» Донецкого национального

технического университета, Украина.