Раздел 2
Развитие теории синтеза селективных устройств защиты от ОЗЗ радиальных
электрических сетей
2.1. Математическая модель высоковольтной электрической сети и устройства
защиты
2.1.1. Постановка задачи моделирования
Недостаточный учет динамических характеристик сети известными устройствами
защиты от однофазных замыканий на землю является основной причиной того, что
селективные свойства реализованы не в полной мере.
Задача обоснования схем и параметров устройства защиты от ОЗЗ, обеспечивающего
продольную селективность, может быть решена в результате исследования процессов
и выявления значимых факторов в защищаемой сети при возникновении однофазных
замыканий на землю. В связи с этим следует учитывать такие характерные
особенности ОЗЗ, как сложный гармонический состав токов замыкания с
существенной долей высокочастотных составляющих, зависимость параметров тока
ОЗЗ от характера замыкания (металлическое, дуговое и т.д.) и др. [28].
Задачей моделирования является получение зависимостей для определения значений
сосредоточенных токов однофазного замыкания на землю в зоне действия защиты по
результатам измерения параметров нулевой последовательности в различных точках
защищаемой сети.
Для решения данной задачи аналитическим способом существуют ряд методов
математического описания процессов в электрической сети и элементах устройств
защиты.
Математическое описание процессов в рассматриваемой системе может быть
осуществлено с использованием метода дифференциальных уравнений [48]. Он удобен
для анализа процессов при заданных условиях. Применительно к конкретному
объекту исследований он позволяет выполнить анализ токов и напряжений нулевой
последовательности при возникновении ОЗЗ. Однако форма представления полученных
результатов не позволяет их непосредственно использовать при разработке схем
устройств защиты.
Другим наиболее распространенным методом, который позволяет построить
математическую модель системы защиты, является метод операционного исчисления
[48,49]. Будучи широко апробированным, при решении аналогичных технических
задач, он позволяет получить аналитические зависимости, связывающие входные и
выходные величины отдельных элементов защищаемой сети и устройства защиты, а
затем на их основе анализировать всю систему в целом. Результатом применения
метода операционного исчисления является возможность получения необходимых
передаточных функций отдельных узлов защиты для обеспечения заданных
характеристик устройства. Поэтому операционный метод исследований является
предпочтительным и принят в настоящей работе.
Для исследования процессов в рассматриваемых элементах разработана структурная
схема математической модели сети и устройства защиты от ОЗЗ, показанная на рис.
2.1 [50].
где: Х - мгновенное значение тока ОЗЗ, на защищаемом участке;
V1…Vn – напряжения и токи нулевой последовательности в различных точках
электрической сети;
Y – сформированная величина, пропорциональная мгновенному значению тока ОЗЗ в
зоне действия устройства защиты;
Z – выходной сигнал селективной защиты от ОЗЗ;
K1… Km – внешние помехи;
J1…Jh – внутренние помехи.
Непосредственное измерение сосредоточенных токов однофазного замыкания на землю
в защищаемой сети не возможно. Однако при возникновении ОЗЗ в любой точке
подземной высоковольтной электрической сети в ней будут протекать токи нулевой
последовательности, распределение которых будет зависеть от параметров
защищаемой сети и от характера замыкания, определяющего гармонический состав
сосредоточенного тока замыкания на землю. При возникновении ОЗЗ напряжение
нулевой последовательности в различных точках сети также будет изменяться
[14,20]. Мгновенные значения сосредоточенных токов нулевой последовательности
на защищаемом участке электрической сети можно определить как функцию
напряжения и токов нулевой последовательности измеренных в различных точках
сети с учетом параметров элементов сети. При анализе процессов следует
учитывать внешние и внутренние помехи.
К внешним помехам следует отнести:
* токи однофазного замыкания вне зоны действия защиты;
* токи нулевой последовательности, обусловленные неодновременным замыканием
контактов коммутационных аппаратов;
* несимметрия напряжения сети;
* переходные процессы при устранении ОЗЗ вне зоны действия защиты;
* изменения параметров, обусловленные колебанием температуры, а также
влажностью и запыленностью;
* электромагнитные наводки;
* изменение конфигурации сети.
К внутренним помехам относятся:
* динамические искажения, вносимые ФНП;
* начальный небаланс ФТНП;
* начальный небаланс ФННП;
* собственные шумы электронных элементов схемы устройства защиты;
* погрешности дискретного преобразования;
* утечки тока в электронной части схемы.
Токи ОЗЗ вне зоны действия защиты, неодновременное замыкание контактов
коммутационных аппаратов, несимметрия напряжения сети и переходные процессы при
устранении ОЗЗ вне зоны действия защиты влияют на напряжение и токи нулевой
последовательности в сети. Это влияние может быть учтено при условии разработки
устройства защиты на основе распределения токов нулевой последовательности в
сети. Причем анализ этого распределения должен быть выполнен для мгновенных
значений токов и напряжений нулевой последовательности с учетом динамических
свойств элементов сети.
Колебания температуры окружающей среды и силовых жил кабельных линий становятся
причинами изменения активного сопротивления нулевой последовательности R0
[14,20,51] величину которого можно определить следующим образом:
(2.1)
где: RЗ - активное сопротивление сети заземления;
RЖ - активное сопротивление жил кабельных линий.