Управляемая коммутация токов короткого замыкания

28.02.2019

УДК 621.3.027.5

Управляемая коммутация токов короткого замыкания

Павлюченко Д.А., канд. техн. наук, доцент, зав. кафедрой систем электроснабжения предприятий;

Шевцов Д.Е., старший преподаватель кафедры систем электроснабжения предприятий;

Новосибирский государственный технический университет, 630073, г. Новосибирск, проспект К. Маркса, 20.

Аннотация

В статье рассматривается концепция управляемой коммутации в электрических сетях среднего напряжения. Представлены основные ее принципы и особенности при коммутации токов короткого замыкания. Выполнен обзор перспективных направлений исследования задачи синхронизации при отключении токов короткого замыкания.

Ключевые слова

Управляемая коммутация, ток короткого замыкания, время горения дуги, синхронный вакуумный выключатель.

Введение

Изменение нормального режима работы электрической сети посредством проведения коммутаций выключателями или возникновение аварийного режима – короткого замыкания – сопровождаются переходными процессами, которые физически представляют собой перераспределение накопленной энергии между индуктивными и емкостными элементами сети. При этом отключение может сопровождаться повышенными высокочастотными напряжениями, включение – значительными бросками тока, а аварийный режим – сверхтоками. Это, в конечном счете, приводит к негативному влиянию на электрические параметры сети и ускоренному износу оборудования.

Актуальным направлением, позволяющим минимизировать перенапряжения и броски тока при коммутациях при нормальных режимах работы, а также снизить электрическое воздействие токов аварийного режима на сам выключатель, является применение управляемой (синхронной) коммутации.

Общие принципы управляемой коммутации токов короткого замыкания

Концепция управляемой или синхронной коммутации представляет собой последовательную пофазную коммутацию по заданному алгоритму при переходе синусоиды тока (напряжения) через ноль. Такая коммутация позволяет предотвратить появление опасных бросков тока и перенапряжений, увеличить коммутационный ресурс оборудования.

Управляемое отключение токов короткого замыкания дает возможность сократить время горения дуги до минимальных значений, обеспечивая уменьшение электрической эрозии частей дугогасительного устройства и повышение ресурса выключателя [1].

В отличие от коммутации токов нормального режима коммутация аварийных токов должна быть осуществлена как можно быстрее, т.к. длительное протекание тока короткого замыкания может вызвать повреждение оборудования. Поэтому в этом режиме нет возможности выжидания наилучшего с точки зрения уменьшения перенапряжений момента времени коммутации. Однако в аварийном режиме возможно минимизировать воздействие сверхтока на выключатель за счет снижения времени горения дуги в дугогасительной камере.

При отключении короткого замыкания минимальное время горения дуги представляет собой наименьшее время, за которое контакты выключателя расходятся на расстояние достаточное для успешного гашения дуги при первом переходе тока через ноль. Максимальное время горения дуги возникает, когда выключатель не может произвести успешное отключение при первом прохождении аварийного тока через ноль. Это происходит в том случае, когда разделение контактов выключателя начинается до первого перехода тока через ноль за время меньшее минимального времени горения дуги, что в результате приводит к существенному увеличению продолжительности горения дуги.

Безусловно, при неуправляемом отключении тока короткого замыкания в большинстве случаев длительность горения дуги превосходит минимальную, а в некоторых случаях достигает максимальной величины. Избыток времени горения дуги добавляет электрическую эрозию частям дугогасительного устройства и снижает ресурс выключателя. Минимизация избытка времени горения дуги является основной целью управляемой коммутации в аварийном режиме [2].

Рис. 1. Принцип управляемого отключения тока короткого замыкания

                                                                                                                     (1)

На рис. 1 поясняется принцип управляемого аварийного отключения. В произвольный момент времени t_sc происходит короткое замыкание. Через некоторое время t_response реле защиты обнаруживает аварийный режим и подает команду на отключение выключателя синхронизирующему устройству в момент времени t_command. Эта команда задерживается контроллером на некоторый промежуток времени синхронизации T_cont. Интервал времени T_cont рассчитывается по выражению (1) относительно собственного времени отключения выключателя T_opening и минимального времени горения дуги T_arcing, при котором происходит успешное отключение при первом переходе тока через ноль. Время t_separate, соответствует моменту времени полного расхождения контактов. T_zero – интервал времени от момента подачи команды на отключение до перехода тока через ноль, при котором происходит успешное отключение.

Обзор направлений исследования задачи синхронизации при отключении токов короткого замыкания

Использование принципов управляемой коммутации при отключении тока короткого замыкания представляет собой гораздо более сложную задачу, чем для коммутации токов нормального режима. Наибольшая сложность заключается в прогнозировании моментов времени перехода тока через ноль из-за наличия апериодической составляющей переходного процесса. Поэтому все, или практически все существующие серийно выпускаемые устройства, реализующие управляемую коммутацию, применяются для нормальных режимов, а не для синхронного отключения токов короткого замыкания.

Однако данная задача все же может быть решена как с помощью традиционных математических методов, так и методов искусственного интеллекта [2-6]. В случае же невозможности нахождения нолей тока отключение в аварийном режиме должно осуществляться по традиционной схеме.

Например, согласно подходу, предложенному в [3], непосредственной целью синхронизации является не будущий ноль тока, а некоторое мгновенное значение тока короткого замыкания, предшествующее текущему нолю. Это значение определяется на основе быстродействующей оценки (в результате многократной обработки измеренных данных) фазового угла напряжения источника при возникновении короткого замыкания в начальные четверть-полпериода тока. Авторы называют их «safe points» и предлагают набор таких точек для различных видов короткого замыкания: симметричных, несимметричных.

Рис. 2. Принцип управляемого отключения, основанный на определении симметричных (а) и несимметричных (b) «safe points» [3]

Вычисление требуемого фазового угла авторы предлагают с помощью упрощенной линейной регрессионной модели:

                                                                       (2)

где   – амплитуда периодической составляющей тока короткого замыкания;

– амплитуда апериодической составляющей тока короткого замыкания;

– фазовый угол напряжения источника при ;

– угловая частота.

Решение сформированной на основании выражения (2) оценки системы уравнений для совокупности измеренных данных приводит к определению параметров модели и значений «safe points»

.

Основным достоинством данного подхода является его простая вычислительная процедура, недостаток же заключаются в необходимости получения большого количества данных для точной оценки требуемого времени за минимальный промежуток времени.

В отличие от вышеизложенного, подход, представленный в [4], основан на предсказании будущей токовой зависимости и синхронизации относительно наиболее раннего нулевого значения тока.

В предложенной модели тока короткого замыкания

                             (3)

где – амплитуда тока короткого замыкания;

     – ток нормального режима, предшествующего короткому замыканию при

      – постоянная времени затухания апериодической составляющей;

      – угол сдвига фаз между напряжением и током.

Неизвестными параметрами уравнения являются В дальнейшем анализируемая регрессионная модель (3) линеаризуется и решается методом взвешенных наименьших квадратов для совокупности снятых значений прогнозируемой токовой зависимости.

В качестве полученных преимуществ подхода авторы указывают на большую гибкость используемых данных, нечувствительность к форме анализируемой токовой зависимости, относительно простую математическую процедуру. Как недостаток можно отметить все-таки значительный объем данных, необходимых для качественной оценки, допущение линейности зависимости и.т.д.

В [5] предлагается новый метод прогнозирования первого ближайшего нуля анализируемого тока короткого замыкании. По сути, он основывается на качественной, без проведения дополнительных расчетов в целях экономии времени, оценке начальных значений составляющих апериодической составляющей. Это позволяет получить предварительную оценку вида короткого замыкания, что облегчает и ускоряет процесс поиска ноля тока.

Рис. 3. Временные компоненты для определения ноля тока [5]

Согласно рис. 3 временной интервал , необходимый для прогнозирования тока короткого замыкания

где – время сбора данных о составляющих тока короткого замыкания;

      – время отключения выключателя;

      – время до первого ноля тока короткого замыкания.

При этом токовая зависимость, а также первое нулевое значение тока определяются на основе расчета апериодической составляющей тока короткого замыкания

                                               .                                            (4)

Параметры a и k рассчитываются в результате анализа следующей системы уравнений, предложенной авторами

где – количество измерений данных.

В [5] отмечают сбалансированность быстродействия и точности подхода. Однако по нашему мнению требуются дополнительные исследования и анализ обоснованности принятых допущений и уровня их влияния на получаемые результаты.

Наиболее перспективными представляются исследования, изложенные в [6]. Анализ тока короткого замыкания авторами производится по традиционной модели с учетом периодической и апериодической составляющих тока

         ,                (5)

где – амплитуда тока короткого замыкания;

    – ток нормального режима, предшествующего короткому замыканию в момент замыкания.

После преобразований и линеаризации функцией Тейлора токовая модель (5) может быть записана как

       ,                       (6)

где .

Для совокупности n данных измерений получается следующая система уравнений

                                                                                                                      (7)

где – время дискретизации измерений.

Обычно используемый для расчета метод наименьших квадратов в значительной степени зависит от количества обрабатываемых данных n. При этом постоянный поток данных в контроллер и, как следствие, необходимость проведения полного объема математических вычислений на каждом цикле обновления данных, ограничивает применение данного метода в онлайн расчетах.

Авторами предлагается использовать для этих целей адаптивный метод наименьших квадратов – рекурсивный – который итеративно корректирует текущие результаты с учетом новых поступающих данных

,              (8)

где

      – коэффициенты коррекции;

      – новое измеренное значение;

      – элемент матрицы H;

     – новые значения оценки.

Начальные значения ( =1000, I – единичная матрица).

Заключение

Реализация принципов управляемой коммутации токов короткого замыкания позволит получить ряд преимуществ, непосредственно связанных с самим защитно-коммутационным аппаратом, а именно: снизить эрозию частей дугогасительного устройства и, как следствие, увеличить ресурс выключателя, а также улучшить характеристики выключателя – увеличить его отключающую способность.

Большинство способов синхронизации при отключении токов короткого замыкания реализованы на оценке и прогнозировании токовой зависимости с помощью регрессионного анализа с различными модификациями метода наименьших квадратов.

Работа выполнена в рамках Программы стратегического развития НГТУ, проект С-6.

Библиографический список

1.     Бунин Р.А. Управляемый вакуумный разрядник с высокой отключающей способностью. – Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук (05.09.01). – Москва, МЭИ. – 2014. – 167 с.

2.     Белкин Г.С. Применение самоуправляемых аппаратов (аппаратов, обладающих «интеллектом») для коммутации цепей высокого напряжения // Электротехника. – 2005. – №12. – С. 3-9.

3.     Poltl A., Frohlich K. A New Algorithm Enabling Controlled Short Circuit Interruption, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 18, No. 3, 2003, pp. 802-808.

4.     Thomas R., Daalder J., Solver C.-E., An adaptive self-checking algorithm for controlled fault interruption, 18th International Conference on Electricity Distribution, Turin, Italy, 2005, pp. 291-295.

5.     Munteanu F. Intelligent fault interruption, Annals of the University of Craiova, Electrical Engineering series, No. 30, 2006, pp. 212-217.

6.     Huang Z., Duan X., Zou J. Recursive least square algorithm with a compensation formula for fault current parameters estimation, Journal of Convergence Information Technology (JCIT), Vol. 7, No. 8, 2012, pp. 101-109.