О результатах мониторинга перенапряжений при однофазных дуговых замыканиях на землю в распределительных кабельных сетях *
* Авторы выражают благодарность главному инженеру городских электрических сетей г. Барнаула Афанасьеву В. А., начальникам отделов соответственно диспетчерской службы ПТЛ Лаврину А. И. и Хейфману О. Г. за содействие и техническую помощь при проведении экспериментов на энергетических объектах г. Барнаула.
Качесов В. Е., Ларионов В. Н., Овсянников А. Г.
Городские кабельные распределительные сети, являющиеся неотъемлемым звеном в цепи передачи электрической энергии и достигающие по суммарной протяженности сотен километров, в значительной степени определяют надежность электроснабжения электропотребителей большинства современных городов. Наряду с механическими и тепловыми перегрузками кабельные линии подвержены электрическим перегрузкам - перенапряжениям, связанным с различного рода переходными процессами в сети. Последние являются причиной как, собственно, пробоя изоляции кабелей, так и ухудшения ее электрических характеристик в длительном процессе эксплуатации.
Перенапряжения, представляющие лишь малый временной интервал различного рода переходных процессов, в большей своей части являются случайными величинами. Поэтому основные характеристики перенапряжений - амплитуда, длительность и частота их появления имеют значительные разбросы. В то же время координация изоляции сетей должна исходить из реальных характеристик воздействующих перенапряжений, определяемых схемой сети и составом ее оборудования.
Определение реального потока перенапряжений и их характеристик, оценка текущего состояния изоляции всей сети и отдельных ее компонентов, а также правильность работы некоторого оборудования могут быть осуществлены на основе непрерывного мониторинга аномальных режимов сети.
К сожалению, этому вопросу не уделялось должного внимания в последнее время. Одной из причин такой ситуации была сложность реализация такого мониторинга, а другой - бурное развитие различною рода систем моделирования переходных процессов. Например, для этих целей широко используется известная программа Electromagnetic Transients Program (EMTP) [1]. Однако, во-первых, идеально совершенных программ моделирования не существует, а во-вторых, до сих пор не отработана даже теплофизическая модель горения дуги (особенно в закрытом канале), которая в значительной степени определяет протекание многих переходных процессов, связанных с дуговыми перенапряжениями. Поэтому только мониторинг может представить реальный поток аномальных режимов и действительную картину процессов, происходящих в сети.
Аппаратно-программный комплекс для мониторинга. Современные средства вычислительной и измерительной техники позволяют осуществлять контроль за быстропротекающими переходными процессами, а в ряде случаев и их управлением. Частотный спектр внутренних перенапряжений, имеющих место в распределительных сетях, находится в большинстве случаев в диапазоне единиц -десятков килогерц, что позволяет применять для их регистрации относительно недорогие современные средства регистрации - аналого-цифровые преобразователи (АЦП) средней производительности.
Рис. 1. Аппаратно-программный комплекс для мониторинга переходных процессов в распределительных сетях
Рис. 2. Схема подключения измерительного комплекса
Использование последних в сочетании с современными ЭВМ дает возможность внедрять непрерывный мониторинг перенапряжений и их обработки, а соединение последнего с современными средствами коммуникации позволяет строить системы непрерывной диагностики состояния изоляции.
Разработанный на кафедре техники и электрофизики высоких напряжений НГТУ аппаратно-программный комплекс [2, 3] позволяет регистрировать напряжения на шинах питающих подстанций распределительных сетей в аварийных (при необходимости в нормальных) режимах, а также токи в отдельных присоединениях. Комплекс построен на базе многоканального аналого-цифрового преобразователя с полосой пропускания до десятков килогерц (в одноканальном режиме - до сотен килогерц), работающего в составе IBM PC совместимого компьютера.
Системный блок персональной ЭВМ (со встроенным в него АЦП) запитывается от источника бесперебойного питания, предназначенного для исключения проникновения помех и останова регистрации при возникновении переключений на устанавливаемых объектах - главных питающих пунктах (ГПП) или распределительных подстанциях (РП). АЦП подключается посредством коаксиальных кабелей к высоковольтным делителям, которые монтируются в ячейках измерительных трансформаторов напряжения (или резервных ячейках, если таковые имеются). Для регистрации тока в дугогасящей катушке (ДГК) на ее заземляющем спуске устанавливается ШТТ. Типичная комплектация системы мониторинга приведена на рис. 1.
В качестве датчиков первичных сигналов используются широкополосные трансформаторы тока (ШТТ) и емкостные делители напряжения (ЕДН), выполненные на базе высокостабильных высоковольтных конденсаторов. Высоковольтное плечо делителей выполнено из конденсаторов типа ФГТИ-20-1100 пФ, низковольтное - из керамических конденсаторов К73-17-4,7 мкФ, подобранных по емкости для обеспечения коэффициентов деления делителей всей фаз с разбросом не более 2%. Входное сопротивление АЦП, составляющее 1 МОм, определяет постоянную времени делителя (т.е. границу пропускания в области низших частот). Высшая частота регистрации зависит от числа опрашиваемых каналов и минимального времени преобразования. Время преобразования применяемого 12-разрядного АЦП в многоканальном режиме составляет 3 мкс, что., например, при регистрации напряжений на двух секциях шин дает шаг опроса каждого канала измерения 3x6 = = 18 мкс. С таким шагом удовлетворительно регистрируются процессы с частотой до 5 - 7 кГц.
Схема подключения измерительного комплекса представлена на рис. 2.
Частота колебаний свободной составляющей напряжения после гашения дуги при однофазном дуговом замыкании (ОДЗ) приближенно (без учета индуктивностей питаемых трансформаторов и линий) может быть оценена по выражению
где L и С - индуктивность рассеяния источника и емкость сети по прямой последовательности. Для большинства схем протяженных кабельных сетей эта частота не превосходит 3 кГц, поэтому указанная верхняя граница регистрируемых частот позволяет удовлетворительно отображать высокочастотные составляющие процессов.
Реакция измерительного комплекса на прямоугольный импульс с амплитудой 10 В и временем нарастания 0,2 мкс приведена на рис. 3 (емкость верхнего плеча делителя увеличена до 0,23 мкФ, длина коаксиального кабеля 15 м).
Из рис. 3, б видно, что низкочастотные процессы удовлетворительно регистрируются при частотах вплоть до долей герц (значение нижней границы полосы пропускания всего измерительного тракта по уровню 1 дБ составляет 0,1 Гц).
При регистрации перенапряжений в зависимости от типа используемого АЦП программа обслуживания измерительной системы по сигналу программного или аппаратного компаратора останавливает АЦП, работающий в режиме электронного
Рис. 3. Реакция измерительной схемы на прямоугольный импульс:
а - область малых времен; б - область больших времен
самописца, регистрируя как переходный процесс, так и предаварийный режим.
Работа АЦП в режиме прямого доступа к памяти (ПДП) позволяет реализовать непрерывное измерение информации по всем входным каналам и ее одновременный анализ. На этом принципе реализуется режим самописца без использования каких-либо внешних компараторов (что намного упрощает измерительный комплекс и повышает его надежность). Основа алгоритма обработки информации (рис. 4) состоит в том, что создаются два одинаковых блока данных, и весь цикл измерения заключается в одновременном анализе данных предыдущего блока и заполнении (чтении из АЦП) последующего (исключение составляет самый первый измеряемый блок, поскольку данные для обработки еще отсутствуют).
Трехлетний опыт эксплуатации программноаппаратного комплекса на различных объектах городских распределительных сетей г. Барнаула позволил накопить данные о реальных аварийных событиях, связанных с различного рода переходными процессами в сети.
