Введение ………………………………………………………………………………………………………….. 5

1 Анализ функционирования дистанционных защит и их измерительных
органов…………………………………………………………………………………………………………… 14

1.1 Общая характеристика дистанционных защит линий электропередачи …………………… 14

1.2 Микропроцессорные комплексы релейной защиты линий электропередачи и
необходимость резервирования их функций……………………………………………………………………. 24

1.3 Аналоговые устройства дистанционной защиты ……………………………………………………….. 31

1.4 Расщепление однофазных входных сигналов тока и напряжения для повышения
эффективности аналоговых устройств дистанционной защиты……………………………………… 38

1.5 Выводы ………………………………………………………………………………………………………………………… 40

2 Многофазные трансформаторные преобразователи тока и напряжения в
составе устройств дистанционной защиты …………………………………………………… 42

2.1 Общие принципы применения многофазных трансформаторных преобразователей
тока и напряжения в составе измерительных органов дистанционной защиты……………… 42

2.2 Измерительные органы дистанционной защиты на основе преобразователей с
вращающимся магнитным полем с четырехобмоточными первичными схемами ………… 45

2.3 Измерительные органы дистанционной защиты на основе преобразователей с
вращающимся магнитным полем с упрощенными первичными схемами …………………….. 53

2.4 Измерительные органы дистанционной защиты на основе многофазных
преобразователей с независимыми трансформаторными группами ………………………………. 56

2.5 Выводы ………………………………………………………………………………………………………………………… 64

3 Математическое моделирование измерительных органов резервной
дистанционной защиты линий электропередач …………………………………………… 66

3.1 Математическая модель измерительных органов дистанционной защиты на основе
многофазных трансформаторных преобразователей тока и напряжения……………………….. 66
3.2 Реализация математической модели измерительных органов дистанционной защиты
на основе многофазных трансформаторных преобразователей тока и напряжения в среде
MATLAB …………………………………………………………………………………………………………………………… 86

3.3 Исследование работы измерительных органов дистанционной защиты на основе
многофазных трансформаторных преобразователей при синусоидальных сигналах
входных напряжения и тока ……………………………………………………………………………………………… 93

3.4 Выводы ………………………………………………………………………………………………………………………. 100

4 Исследование работы измерительных органов резервной дистанционной
защиты …………………………………………………………………………………………………………. 101

4.1 Резервная дистанционная защита ЛЭП на основе многофазных трансформаторных
преобразователей тока и напряжения …………………………………………………………………………….. 101

4.2 Исследование влияния режима выпрямления и степени сглаживания входных
сигналов измерительных органов на характеристики срабатывания ……………………………. 103

4.3 Исследование работы измерительных органов дистанционной защиты при КЗ…….. 119

4.4 Исследование работоспособности дистанционной защиты при повреждении
элементов схемы измерительных органов ……………………………………………………………………… 128

4.5 Разработка опытного образца измерительного органа дистанционной защиты на
основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем………………….. 131

4.6 Испытание опытного образца измерительного органа дистанционной защиты с
помощью комплекса «РЕТОМ-51» ………………………………………………………………………………… 136

4.7 Выводы ………………………………………………………………………………………………………………………. 146

Заключение ………………………………………………………………………………………………….. 147

Список сокращений и условных обозначений ……………………………………………. 149

Список использованных источников………………………………………………………….. 150

Приложение А. Исследование условий срабатывания ИО ДЗ на основе
однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем ………….. 164
Приложение Б. Компьютерная модель ИО ДЗ на основе детекторных схем с
однофазным двухполупериодным выпрямлением …………………………………….. 169

Приложение В. Условия срабатывания ИО ДЗ на основе детекторных схем с
однофазным двухполупериодным выпрямлением …………………………………….. 170

Приложение Г. Синтаксис программы на языке MATLAB для
компьютерных испытаний и получения характеристик срабатывания
ИО ДЗ …………………………………………………………………………………………………………… 172

Приложение Д. Апробация и внедрение результатов исследований………….. 174

Во введении раскрывается актуальность темы, сформулированы цель ра- боты, научная новизна, практическая значимость и основные положения, выно- симые на защиту. Приведены сведения об апробации, реализации результатов исследований и достижениях автора.
В первой главе произведен анализ ДЗ от междуфазных КЗ линий электропе- редач и их измерительных органов, рассмотрена общая структура ДЗ, дана харак- теристика ее составных частей, показан общий принцип формирования характери- стик срабатывания. Рассмотрен современный уровень развития ДЗ ЛЭП на базе микропроцессорных терминалов защит, дана оценка о высокой эффективности МПРЗ, однако, отмечено, что в ряде случаев, связанных с вопросами электромаг- нитной совместимости, кибербезопасности, для наиболее ответственных элементов ЭЭС требуется их резервное дублирование устройствами, имеющими иной прин- цип действия, в частности электромагнитными устройствами ДЗ. Произведен крат- кий обзор существующих аналоговых (электромеханических, электромагнитных, полупроводниковых) устройств ДЗ, реализующих алгоритмы сравнения двух элек- трических величин по амплитуде и по фазе. Сделан вывод о невозможности за счет существующих аналоговых устройств ДЗ в полной мере решить задачу резервиро- вания МПРЗ, ввиду их конструктивных недостатков: увеличение быстродействия существующих аналоговых ИО приводит к значительному снижению устойчиво- сти их работы и наоборот. Предложенные в научно-технической литературе техни- ческие решения данной проблемы ввиду ряда причин эффективными не стали, по- этому задача совершенствования ИО, отличных от цифровых, для дублирующих комплектов ДЗ ЛЭП остается актуальным. Также показана актуальность использо- вания эффективных аналоговых устройств ДЗ для защиты протяженных линий 6– 35 кВ.
Во второй главе предложен способ повышения технических характеристик ИО ДЗ, реализующих алгоритм сравнения двух электрических величин по абсолют- ному значению, за счет использования специальных многофазных трансформатор- ных преобразователей (МТП) в каналах тока и напряжения (рисунок 1).
Реализация измерительно-преобразовательной части ИО ДЗ [6, 7] на базе МТП позволяют выполнять преобразование входных однофазных сигналов тока и напря- жения в многофазные системы напряжений, формировать в многофазном виде элек- трические величины Е1 и Е2, использовать для определения их абсолютных значений многофазные выпрямители V1 и V2, снизить за счет многофазного выпрямления пульсации на реагирующем элементе DA, тем самым позволив добиться повышения устойчивости работы реле на границе срабатывания с увеличением быстродей- ствия его работы, ввиду отсутствия необходимости в высокой степени фильтрации и сглаживания сигнала на входе реагирующего элемента DA. При этом, предложенные
к использованию схемы МТП за счет низкого уровня собственной инерционности
существенного влияния на быстродействия ИО не оказывают.
Рисунок 1 – Функциональная схема, условия и характеристика срабатывания ИО ДЗ на основе МТП тока и напряжения
В частности, предложено использование в качестве МТП в составе ИО ДЗ однофазные трансформаторы с вращающимся магнитным полем (ОТВП) (рисунок 2).
Рисунок 2 – Принципиальная схема ИО ДЗ на основе ОТВП и значения вторичных многофазных напряжений

Преобразователи тока ОТВП(i) и напряжения ОТВП(u) имеют шестифазные
вторичные обмотки, работающие в режиме близком к холостому ходу. Количество витков вторичных обмоток определяет значения величин k1, k2, k3, а их простран- ственный сдвиг относительно вращающегося магнитного поля определяет значе- ния величин φ1, φ2, φ3 соответственно. Круговые вращающиеся магнитные поля в преобразователях обеспечиваются соответствующим расположением и выбором параметров элементов первичных обмоток L1 – L4, а также применением необходи- мых балластных элементов Lб и Rб. Конденсатор С выполняет сглаживание незна- чительных пульсаций выпрямленного напряжения, емкость его невелика и не ока- зывает существенного влияния на быстродействие устройства в переходных режи- мах. Сформированные вторичными обмотками шестифазные системы напряжений выпрямляются при помощи 12-ти пульсных выпрямителей V1, V2.
В работе произведен анализ использования в составе ИО ОТВП с различ- ными схемами соединения первичных обмоток. Выполнение ОТВП по четы- рехобмоточной схеме является наиболее приемлемым решением с точки зрения получения кругового вращающегося магнитного поля. Для нее получены, с уче- том активных сопротивлений обмоток и балластного дросселя, выражения опре- деляющие характеристику срабатывания:
Z 0,691kt3 e(25oφ3′-φ2’180o); 0 kt2 
φ 25o φ’φ’180o; . 0 32 
r 0,691kt1  kt2 
Отмечен ряд особенностей при применении ОТВП в составе измерительных органов ДЗ, а именно некоторые ограничения широкого регулирования углов мак- симальной чувствительности направленных ИО ДЗ и отсутствие возможности по- лучения на вторичных обмотках симметричных систем многофазных напряжений при упрощении схем первичных цепей ОТВП (уменьшении числа элементов пер- вичных цепей преобразователей). При этом в большинстве случаев применение ОТВП в качестве МТП способно удовлетворить поставленные в работе цели. Од- нако для преодоления отмеченных трудностей предложено использование в со- ставе ИО многофазных преобразователей тока и напряжения с независимыми трансформаторными группами (МПНТГ) (рисунок 3).
Основным достоинством применения МПНТГ является отсутствие необ- ходимости получения равенства модулей базисных ЭДС катушек К1 и К2 и 90- градусного сдвига между ними для формирования выходных симметричных си- стем многофазного напряжения (рисунок 4), что позволяет упростить первичные схемы преобразователей.
Таким образом, использование параметров L2 =2,25L1; L3 = L1; Rб = 2,5ωL1 для трехобмоточных первичных схем позволяет получение симметричных систем многофазного напряжения (рисунок 3), при базисных ЭДС катушечных групп К1 и К2 отличающихся на 10 % по абсолютному значению и имеющих фазовый сдвиг относительно друг друга на уровне 60o. Реализуемая РС на их основе характери- стика срабатывания будет определена:
Z 1,067kt3 L e(26o3-2180o) 0k1 
t2
φ 52o   180o .
0k32  r 1,067 t1 L 
k1 t2
Рисунок 3 – Принципиальная схема ИО ДЗ на основе МПНТГ и значения вторичных многофазных напряжений
Рисунок 4 – Механизм формирования многофазной системы выходных напряжений МПНТГ

Формирование фазового сдвига между выходными системами напряжений
МПНТГ и входными сигналами тока и напряжения путем выбора коэффициен- тов трансформации катушек К1 и К2 способствует более точному регулированию угла максимальной чувствительности направленных РС.
В третьей главе выполнено математическое описание ИО ДЗ на основе МТП в виде систем дифференциальных уравнений по законам Кирхгофа, на ос- новании которых для ИО на основе ОТВП представлена математическая модель в виде матричных уравнений и алгоритм работы устройства (рисунок 5).
Рисунок 5 – Математическая модель и алгоритм работы ИО ДЗ на основе ОТВП
В приведенной на рисунке 5 математической модели РС U – вектор входных
напряжений, i – вектор токов, E , E – векторы сравниваемых величин, I , I 1 2 ВЫХ 1
ВЫХ 2
– векторы токов вторичных обмоток ОТВП, RН1,RН2 – векторы сопротивлений
нагрузки вторичных обмоток ОТВП, UВЫХ – напряжение, подаваемое на нуль-ин- дикатор, R – сопротивление сглаживающей цепи, С – емкость сглаживающей цепи, UНИ – напряжение подаваемое на нуль-индикатор с учетом сглаживающей RC цепи,
R – матрица активных сопротивлений, L – матрица собственных и взаимных ин- дуктивностей.
Компьютерная реализация математической модели ИО на основе ОТВП вы- полнена с помощью графической среды Simulink пакета MATLAB на базе динами- ческого блока пространства состояний, также предложена программа в среде MATLAB для определения параметров предложенного устройства, управления его
Simulink-моделью и получения полных расчетных рабочих характеристик в авто-
матическом режиме [свид. о рег. программы ЭВМ No 2017618265].
На их основе выполнено моделирование синусоидального режима работы ИО на основе ОТВП и экспериментальное формирование направленной и нена- правленной (φмч = 70o) его характеристик срабатывания радиусом r0 = 10 Ом. По- лученные результаты (рисунок 6) подтвердили сходимость изложенных теорети- ческих основ получения характеристик срабатывания, составленных математи- ческой и компьютерной моделей, а также разработанных алгоритмов проведения
экспериментальных исследований.
L 0,945ìÃí; L 2,872Ãí; 1i 1u
Рисунок 6 – Основные диаграммы работы ИО на основе ОТВП при синусоидальных входных величинах тока и напряжения
В четвертой главе представлена функциональная схема ДЗ, содержащая ИО на основе МТП (рисунок 7). Ввиду включения фазных ИО по схеме ИЛИ эксплуатационные характеристики ДЗ напрямую определяются поведением ее ИО в различных режимах работы. Поэтому приведенные экспериментальные ис- следования ИО на основе МТП можно в полной мере отнести к ДЗ в целом.
Для предложенных ИО исследованы возможности увеличения быстродей- ствия и устойчивости функционирования за счет применения низкоинерционных схем МТП и снижения величины постоянной времени сглаживающего фильтра на выходе устройства. Получены экспериментальные зависимости степени иска-
La1 Lb1 Lc1 Ld1 Le1 Lf1 91,5ìÃí; LLLLLL1,332Ãí;
     .
a2 b2 c2 d2 e2 f2
La3 Lb3 Lc3 Ld3 Le3 Lf3 58,5ìÃí;
 k1 9,84e0oj k2 0,681e0oj;k3 7,87e225o j

жения характеристики срабатывания ИО на основе МТП и времени срабатыва- ния от величины постоянной времени сглаживающего фильтра (Tf) на его выходе для синусоидальных входных тока и напряжения и при искажении формы сиг- нала тока (рисунки 8, 9). Сделан вывод о достаточности Tf на уровне 0,004–0,0075 с для достижения требуемых показателей быстродействия и устойчивости ра-
боты устройства.
Исследовано поведение предложенных ИО ДЗ в режимах близких к меж-
дуфазным КЗ. Произведен сравнительный анализ влияния апериодической состав- ляющей тока КЗ с постоянными времени затухания Та = 0,05 с и Та = 0,1 с на работу ИО на основе МТП и двухполупериодных схем выпрямления (типа реле ДЗ-2). Вы- явлено, что при полной трансформации ТТ апериодическая составляю-
Рисунок 7 – Ступень ДЗ ЛЭП с использованием ИО на основе МТП тока и напряжения

Рисунок 8 – Зависимость степени искажения характеристики срабатывания ИО на основе МТП от Tf
Рисунок 9 – Зависимость времени срабатывания ИО на основе МТП от величины входного сопротивления для различных постоянных времени сглаживания Tf (1 – 0 с; 2 – 0,001 с; 3 – 0,004 с; 4 – 0,0075 с; 5 – 0,01 с; 6 – 0,015 с; 7 – 0,02 с)
щая тока КЗ существенного влияния на быстродействие и устойчивость работы ИО не оказывает. При насыщении ТТ апериодической слагающей тока КЗ наблюдается замедление работы ИО на границе зоны срабатывания и снижение устойчивости ра- боты ввиду временного уменьшения амплитуды входного тока, что подтверждается диаграммами работы реле (рисунки 10, 11), при этом из них же следует, что сраба- тывание ИО на основе МТП достигается в момент 0,02 с (в 2,5 раза раньше по срав- нению с традиционными схемами реле), при этом сохраняется достаточное время фиксации сработанного состояния для отключения присоединения.

а)
Рисунок 10 – Диаграмма работы ИО ДЗ на основе МТП тока и напряжения (а) и на основе
б)
однофазных двухполупериодных схем выпрямления (б) на границе зоны срабатывания
при постоянной времени апериодической составляющей тока КЗ Tа = 0,05 c
а) б)
Рисунок 11 – Диаграмма работы ИО ДЗ на основе МТП тока и напряжения (а)
и на основе однофазных двухполупериодных схем выпрямления (б) на границе зоны срабатывания при постоянной времени апериодической составляющей тока КЗ Tа = 0,01 c
Проанализирована работоспособность схемы ИО на основе МТП при раз-
личных повреждениях (таблица 1).
Таблица 1
Повреждения
Повреждение сглаживающего фильтра Повреждение «фильтра-пробки» 100 Гц Повреждения первичных обмоток преобразователей тока и напряжения ИО ДЗ Повреждения вторичных обмоток преобразователей тока и напряжения ИО ДЗ
Последствия повреждений
ИО на основе МТП
Увеличение зоны нестабильной работы (FZ = 25 %) Данный элемент не предусмот- рен конструкцией
Потеря защитных функций, вы- ход схемы из строя
Увеличение зоны нестабильной работы (FZ = 12 %)
Классические схемы ИО ДЗ (типа реле ДЗ-2) Увеличение зоны нестабиль- ной работы (FZ = 50 %) Потеря защитных функций, выход схемы из строя
Потеря защитных функций, выход схемы из строя
Потеря защитных функций, выход схемы из строя
Повреждения в цепях некоторых обмоток многофазных вторичных систем ИО на основе МТП не приводят к полному выходу из строя устройства, и способ- ствуют некоторому увеличению уровня пульсации напряжения на входе логиче- ской части, при этом зона нестабильной работы реле несколько увеличивается. Стоит отметить, что в соответствии с полученной статистикой использования устройств РЗ повреждения обмоток их функциональных частей в виде электромаг- нитных элементов (трансформаторов, трансреакторов) довольно редки, не более 2 % случаев, также в соответствии со статистическими данными основная доля по- вреждений (15–20 %) приходится на конденсаторы фильтров логической части ана- логовых устройств ДЗ, влияние которых значительно снижено, для схем реле на основе МТП тока и напряжения.
Отсутствие необходимости в оперативном питании измерительно-преоб- разовательной части ИО на основе МТП также способствует повышению рабо- тоспособности схем ДЗ в нештатных ситуациях.
Для подтверждения эффективности использования МТП в схемах ДЗ выпол- нен экспериментальный образец ИО на основе ОТВП (рисунок 12) и произведены его сравнительные испытания со ступенью дистанционной защиты микропроцес- сорного терминала REF630 (фирмы Asea Brown Boveri Ltd.) с использованием ком- плекса РЕТОМ-51 (НПП «Динамика», г. Чебоксары). Получены сопоставимые ха- рактеристики срабатывания в комплексной плоскости для обоих устройств (рису- нок 13), при этом собственное время срабатывания ИО на основе ОТВП в большей части рабочей зоны ниже, чем у аналога (рисунок 14).
Рисунок 12 – Экспериментальный образец ИО на основе ОТВП
а) б)
Рисунок 13 – Характеристики срабатывания в комплексной плоскости экспериментального образца ИО на основе ОТВП (а) и терминала REF630 (б)
Рисунок 14 – Зависимости времени срабатывания от входного сопротивления для ИО на основе ОТВП (1) и терминала REF630 (2)

Помимо испытаний при синусоидальных входных сигналах тока и напря- жения были произведены исследования работы полученного устройства при ис- каженных входных сигналах тока (рисунок 15).
Рисунок 15 – Зависимости степени искажения характеристики срабатывания от искажения входного сигнала тока ИО на основе ОТВП (1) и терминала REF630 (2)
Для терминала REF630 установлена прямо пропорциональная зависимость роста ошибки срабатывания от снижения доли первой гармоники в составе иска- женного входного сигнала. Для ИО со смещенной характеристикой данное вли- яние усиливается ростом фазового сдвига первой гармоники искаженного вход- ного тока относительно входного напряжения. Применение МТП в составе ИО ДЗ позволило добиться некоторого снижения влияния искажения формы сигнала тока при перегрузке первичных ТТ по сравнению с зарубежным аналогом.
В приложениях приведены в табличном виде результаты исследования быстродействия и устойчивости работы ИО ДЗ на основе МТП и традиционных схем с двухполупериодным выпрямлением. Представлены используемые в ра- боте компьютерные модели ИО ДЗ, синтаксис программы на языке MATLAB для компьютерных испытаний и получения характеристик срабатывания ИО на ос- нове МТП, а также информация о внедрении и апробации результатов исследо- ваний.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
В ходе выполнения диссертационной работы были получены следующие выводы и результаты:
1. Задача повышения быстродействия и устойчивости функционирования электромагнитных измерительных органов ДЗ от междуфазных КЗ решена за счет применения схем многофазных трансформаторных преобразователей тока и напряжения в виде однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем и независимыми катушечными группами, обладающих меньшей инерци- онностью.
2. Для измерительных органов ДЗ на основе многофазных трансформа- торных преобразователях тока и напряжения со сравнением двух электрических

величин по абсолютному значению, предложена адаптация существующей ме- тодики формирования требуемых характеристик срабатывания в комплексной
плоскости. в зависимости от параметров схем преобразователей.
3. Разработана математическая модель полученных измерительных орга- нов ДЗ и выполнено компьютерное моделирование режимов их работы в среде Simulink программного комплекса MATLAB, которое подтвердило повышение быстродействия и устойчивости функционирования устройств с многофазными трансформаторными преобразователями тока и напряжения и фильтрующими элементами на входе логической части с постоянной времени не более 0,004–
0,0075 c.
4. По сравнению с классическими схемами реле на основе сравнения двух
электрических величин по абсолютному значению для предлагаемых измери- тельных органов ДЗ достигнуто улучшение быстродействия на 0,02–0,04 с и уве- личение длительности фиксации сработанного состояния при оценке влияния апериодической составляющей тока КЗ в режимах насыщения первичных изме- рительных ТТ.
5. Установлена возможность сохранения работоспособности схем ДЗ на основе многофазных трансформаторных преобразователей без существенного ухудшения показателей быстродействия и устойчивости функционирования при внутренних повреждениях измерительных органов, в условиях искажения вход- ных сигналов тока при насыщении трансформаторов тока и наличии апериоди- ческих составляющих.
6. Изготовлен опытный образец измерительного органа ДЗ – реле сопро- тивления на основе однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем, сравнительные испытания которого с микропроцессорным измеритель- ным органом сопротивления терминала REF630 (ABB) с использованием устрой- ства РЕ-ТОМ-51 подтвердили преимущественное совпадение рабочих характе- ристик указанных устройств. При этом отмечено некоторое улучшение показа- телей работы предлагаемых ИО по сравнению с микропроцессорным анало- гом: по быстродействию – на 0,025 с, по устойчивости функционирования – на 5–8 % уменьшено искажение рабочей характеристики срабатывания при искаже- нии входного тока.
7. Результаты исследований, связанные с моделированием работы изме- рительных органов дистанционной защиты внедрены в производственную дея- тельность ООО «Новали», получено заключение ПАО «Кубаньэнерго» о полез- ности представленных технических решений при выполнении модернизации су- ществующих аналоговых комплектов дистанционной защиты линий электропе- редачи. Разработанные модели многофазных преобразователей использованы в учебном процессе ФГБОУ ВО «КубГТУ» при подготовке студентов по направ- лению 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника».

Актуальность темы диссертации и степень ее разработанности.
Дистанционные защиты (ДЗ) от междуфазных коротких замыканий (КЗ) нашли
применение в электрических сетях сложной конфигурации, а также системах с
существенным различием режимов работы генерирующих мощностей, где
защиты реагирующие на изменение одной из величин при КЗ (тока, напряжения)
могут оказаться неэффективными. Основными измерительными органами (ИО)
ДЗ являются реле сопротивления (РС), реагирующие на отношение входных
величин напряжения и тока пропорциональное сопротивлению участка сети до
места КЗ. Качество работы ДЗ напрямую зависит от совершенства характеристик
реле сопротивления в ее составе.
Основные дистанционные методы определения КЗ в электрических сетях
были сформулированы в работах Фабриканта В.Л., Атабекова Г.И., Дроздова
А.Д., Федосеева А.М., Шнеерсона Э.М., Бреслера А.М. в 1950-х годах и с тех пор
существенных изменений не претерпели. На их основе разработаны и
эксплуатируются устройства, которые по конструктивному исполнению можно
разделить на три класса: электромеханические, полупроводниковые и
микроэлектронные, а также микропроцессорные.
На современном этапе развития энергосистем, а также с учетом
общемировых концепций по переходу к «умным сетям», соединению
электрической сети с сетью передачи данных, ведущие зарубежные и
отечественные электротехнические компании делают ставку на производство и
внедрение новейших многофункциональных микропроцессорных терминалов
релейной защиты (МПРЗ), позволяющих в своем составе реализовать помимо
функции дистанционной защиты, ряд других защит, а также функции управления,
коммуникации, индикации, регистрации аварийных событий и т.д. При этом,
постоянно увеличивающаяся вычислительная мощность применяемых
процессоров, а также современные алгоритмы, в том числе предложенные
Шнеерсоном Э.М., Нудельманом Г.С., Аржанниковым Е.А., Куликовым А.Л.,
Коробейниковым Б.А., Ефремовым В.А., Филипповым С.А., Мартыновым М.В.,
Лямецем Ю.Н. позволили реализовывать устройства цифровой ДЗ с достаточно
высокими эксплуатационными показателями по точности и быстродействию
работы, а также широкими возможностями адаптации характеристик
срабатывания измерительных органов к параметрам защищаемых объектов.
Указанные достоинства, совмещенные с фактами достаточной технологичности
изготовления микропроцессорных устройств защиты в современных
производственных условиях, а также возможностями их интеграции в сети
передачи данных, в том числе по протоколу МЭК 61850, позволяют сделать
вывод о дальнейшем увеличении их распространенности на объектах
электроэнергетики.
Однако, несмотря на бесспорные достоинства, устройств МПРЗ, в ряде
случаев, описанных в публикациях Гуревича В.И., Щедрикова Б.Д., Антипина
В.В., Clark O. M., Gavender R. E., Phadke A. G., Ward S., O’Brien J., Beresh B.,
затронутых в работах Нудельмана Г.С., Шалина А.И., Засыпкина А.С., Кужекова
С.Л., Богдана А.В., Сушко В.А., Донченко А.М., отмечаются их отдельные отказы
в условиях сложной электромагнитной обстановки, уязвимость к
кибернетическим угрозам и хакерским атакам.. В связи с данным фактом, для
повышения надежности защиты наиболее ответственных элементов
электроэнергетической системы применяется резервное дублирование МПРЗ,
аналогичными устройствами, реализованными на других элементных базах
(электромеханическими, электромагнитными, полупроводниковыми и т. д.).
Применительно к ДЗ, такими устройствами обычно выступают
электромеханические или полупроводниковые РС типа LZ-31, КРС-500, ДЗ-2, ДЗ-
10, ДЗ-500, БРЭ2801. При этом, ввиду ряда причин, в том числе связанных с
остановкой технического совершенствования данных устройств в последние
годы, их эксплуатационные характеристики уступают цифровым аналогам.
Таким образом, вопрос совершенствования измерительных органов
сопротивления, отличных от цифровых, для комплектов ДЗ ЛЭП остается
актуальным. Кроме того, простые ДЗ на базе аналоговых реле, выполняющих
требования сейсмостойкости, могут найти применение в составе основных и
дублирующих комплектов РЗ сети 6-35 кВ собственных нужд АЭС и крупных
ТЭС. Применительно к описанным выше проблемам, достаточно интересной
выглядит задача повышения эффективности ДЗ, за счет использования в составе
фазных измерительных органов защиты – реле сопротивления, специальных
многофазных трансформаторных преобразователей входных сигналов тока и
напряжения.
Целью работы является получение высоких показателей быстродействия и
устойчивости функционирования электромагнитных устройств ДЗ от
междуфазных КЗ за счет выполнения их измерительных органов на основе
многофазных трансформаторных преобразователей тока и напряжения.
Для достижения поставленной цели в работе ставятся и решаются
следующие задачи:
1. Анализ и классификация существующих технических решений по
реализации ДЗ от междуфазных КЗ, в том числе, для задач резервного
дублирования цифровых терминалов защит ответственных элементов
электрической сети.
2. Формирование вариантов измерительных органов ДЗ на основе
различных схем многофазных трансформаторных преобразователей тока и
напряжения, а также определение их параметров в зависимости от требуемой
характеристики срабатывания.
3. Разработка математической модели измерительных органов ДЗ на
основе многофазных трансформаторных преобразователей тока и напряжения.
4. Исследование функционирования измерительных органов ДЗ на основе
многофазных трансформаторных преобразователей тока и напряжения в различных
режимах.
5. Обоснование преимуществ предложенных технических решений путем
проведения сравнительных исследований работы измерительных органов ДЗ на
основе многофазных трансформаторных преобразователей тока и напряжения и
аналогов методами компьютерного и имитационного моделирования.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработаны схемы измерительных органов ДЗ от междуфазных КЗ,
отличающиеся выполнением измерительно-преобразовательной части на основе
малоинерционных электромагнитных преобразователей тока и напряжения в виде
однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем и с
независимыми катушечными группами, реализующие алгоритм сравнения двух
электрических величин по абсолютному значению.
2. Для получения требуемых характеристик срабатывания
измерительных органов ДЗ впервые установлены расчетные соотношения между
параметрами элементов схем измерительно-преобразовательной части устройств
на основе электромагнитных преобразователей тока и напряжения в виде
однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем и с
независимыми катушечными группами.
3. Предложено математическое описание полученных измерительных
органов ДЗ, отличающееся использованием матричных уравнений, позволяющих
выполнить моделирование предложенных устройств, а также исследование их
работы в различных режимах.
4. Определена величина постоянной времени сглаживающего фильтра
на выходе измерительных органов ДЗ на основе многофазных трансформаторных
преобразователей тока и напряжения, отличающаяся сниженным значением по
сравнению с необходимой для традиционных схем, чем обеспечиваются
быстродействие и устойчивость функционирования ДЗ в различных режимах
работы.
Теоретическая значимость результатов диссертационной работы:
1. Представленные теоретические положения позволяют установить
особенности применения в составе измерительных органов ДЗ различных схем
малоинерционных электромагнитных преобразователей тока и напряжения в виде
в виде однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем и с
независимыми катушечными группами при реализации характеристик
срабатывания защиты.
2. Установленные автором расчетные соотношения между параметрами
элементов схем измерительно-преобразовательной части позволяют применить
существующую методику определения характеристики срабатывания для
измерительных органов ДЗ на основе многофазных трансформаторных
преобразователей тока и напряжения, использующих алгоритм сравнения двух
электрических величин по абсолютному значению.
3. Разработанная математическая модель измерительных органов ДЗ на
основе многофазных трансформаторных преобразователей тока и напряжения
позволяет выполнять изучение его работы в установившихся и переходных
режимах.
Практическая значимость результатов диссертационной работы:
1. Разработанные новые схемы измерительных органов ДЗ на основе
многофазных трансформаторных преобразователей тока и напряжения позволяют
реализовать ДЗ ЛЭП от междуфазных КЗ не требующую организации
оперативного питания измерительных органов, устойчивую к внешним
электромагнитным воздействиям и основным внутренним повреждениям в схеме
измерительных органов.
2. Разработанная программа ЭВМ в среде MATLAB позволяет выполнять
определение параметров схемы измерительных органов ДЗ на основе
многофазных трансформаторных преобразователей тока и напряжения в
зависимости от требуемой характеристики срабатывания и проведение
компьютерных экспериментов с их моделью.
3. Полученные экспериментальные измерительные органы ДЗ в виде
реле сопротивления на основе многофазных трансформаторных преобразователей
тока и напряжения и их сравнение с существующими аналоговыми и
микропроцессорными устройствами ДЗ показали улучшение быстродействия и
устойчивости работы в режимах междуфазных КЗ, при использовании в составе
резервных и дублирующих защит.
4. Результаты диссертационной работы прошли апробацию в ПАО
«Кубаньэнерго» и рекомендованы к использованию при модернизации
существующих аналоговых комплектов ДЗ ЛЭП и выполнении резервного
дублирования микропроцессорных устройств защиты ответственных
присоединений, внедрены в производственной деятельности ООО «Новали» при
проверке и наладке РЗ, а также используются в учебном процессе на кафедре
«Электроснабжение промышленных предприятий» ФГБОУ ВО «Кубанский
государственный технологический университет» при изучении курса
«Современная релейная защита и противоаварийная автоматика
электроэнергетических систем» при подготовке студентов по направлению
13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника».
Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач
использовались методы математического и физического моделирования, методы
параметрической оптимизации, теория переходных процессов в
электроэнергетических системах, теория пространства состояний, теория
электрических цепей, теория электрических машин. Исследования поведения
полученных устройств релейной защиты в различных режимах работы
производились на базе компьютерной модели в среде Simulink программного
комплекса MATLAB, а также путем экспериментального испытания опытного
образца устройства с применением комплекса РЕТОМ-51.
Достоверность полученных результатов.
Достоверность научных результатов, приведенных в диссертации,
подтверждается корректным использованием методов математического
моделирования, параметрической оптимизации, теоретических положений
электротехники, электрических машин, а также сходимостью результатов
расчетов, компьютерного и физического моделирования
Соответствие паспорту специальности.
В диссертационной работе рассматриваются вопросы совершенствования ДЗ
ЛЭП, которые можно отнести к научной специальности 05.14.02 –
«Электрические станции и электроэнергетические системы» технической отрасли
науки:
– по формуле специальности «к исследованиям по развитию и
совершенствованию теоретической и технической базы электроэнергетики с
целью обеспечения надежной транспортировки и снабжения потребителей
электроэнергией», в частности, относящимся к пунктам областей исследования
научной специальности:
– к п.6 «Разработка методов математического и физического моделирования
в электроэнергетике» – представленные в работе модели измерительных органов
ДЗ, а также определяющие их характеристики срабатывания расчетные
соотношения между параметрами многофазных трансформаторных
преобразователей тока и напряжения в составе измерительно-преобразовательной
части;
– к п.9 «Разработка методов анализа и синтеза систем автоматического
регулирования, противоаварийной автоматики и релейной защиты в
электроэнергетике» – представленные в работе схемы измерительных органов ДЗ
на основе на основе многофазных трансформаторных преобразователей тока и
напряжения, исследования быстродействия работы и устойчивости
функционирования предложенных реле ДЗ в режимах междуфазных КЗ.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Теоретические аспекты применения многофазных трансформаторных
преобразователей тока и напряжения в составе измерительных органов ДЗ.
2. Возможность получения требуемых характеристик срабатывания
измерительных органов ДЗ на основе различных схем многофазных
трансформаторных преобразователей тока и напряжения.
3. Математическая модель измерительных органов ДЗ на многофазных
трансформаторных преобразователей тока и напряжения;
4. Доказательство эффективности ДЗ при использования многофазных
трансформаторных преобразователей тока и напряжения в измерительных
органах, в т. ч. при искажении входных сигналов от трансформаторов тока..
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и
обсуждались:
– на международной выставке и конференции «Go Big. 2016 IEEE PES
Transmission & Distribution Conference & Exposition» (Даллас, США, 2016 г.);
– на международных научных конференциях «Кибернетика энергетических
систем» (ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова, Новочеркасск, 2018 – 2019 г.)
– на международных научных конференциях «Технические и
технологические системы» (Краснодар, 2012 – 2018 г.);
– на семнадцатой Всероссийской научно-технической конференции «Пути
повышения надежности, эффективности и безопасности энергетического
производства» (Геленджик, 2014 г.);
– на заседании «Национального конгресса по энергетике 2014» (Казань,
2014).
– на международной научной конференции «Повышение эффективности
разработки нефтяных и газовых месторождений на поздней стадии» (Краснодар,
2017 г.);
– на итоговых региональных научно-практических конференциях молодых
инноваторов Кубани «Молодежные научно-инновационные проекты
Краснодарского края», в рамках конкурса «У.М.Н.И.К.» (Краснодар, 2015 г.), по
результатам конкурса работа поддержана грантом;
– на шестой Международной научно-практической конференции «Научно-
техническое творчество молодежи – путь к обществу, основанному на знаниях»
(Москва, 2014 г), по результатам конференции работа была отмечена медалью
«Лауреат ВВЦ»;
– на заседании III Конкурса молодежных научных и инновационных проектов
«InnoTech 2013» (Краснодар, 2013 г.), по результатам конкурса работа отмечена
дипломом первой степени.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, из них
1 – в издании, индексируемом международной научной базой Scopus, 4 – в
периодических изданиях, рекомендованных ВАК России для публикации научных
работ, 2 – патенты на полезные модели РФ, 1 – свидетельство о регистрации
программы ЭВМ.
Структура и объѐм диссертации. Диссертационная работа состоит из
введения, четырех глав и заключения. Работа содержит 177 страниц, 69 рисунков,
7 таблиц, 121 источник и 5 приложений.
1 Анализ функционирования дистанционных защит и их
измерительных органов

В ходе выполнения диссертационной работы были получены следующие
выводы и результаты:

1. Задача повышения устойчивости функционирования
электромагнитных измерительных органов ДЗ от междуфазных КЗ при
сохранении быстродействия решена за счет применения схем многофазных
трансформаторных преобразователей тока и напряжения в виде однофазных
трансформаторов с вращающимся магнитным полем и независимыми
катушечными группами, обладающих меньшей инерционностью.
2. Для измерительных органов ДЗ на основе многофазных
трансформаторных преобразователях тока и напряжения со сравнением двух
электрических величин по абсолютному значению, предложена адаптация
существующей методики формирования требуемых характеристик срабатывания
в комплексной плоскости в зависимости от параметров схем преобразователей.
3. Разработана математическая модель полученных измерительных
органов ДЗ и выполнено компьютерное моделирование режимов их работы в
среде Simulink программного комплекса MATLAB, которое подтвердило
повышение быстродействия и устойчивости функционирования устройств с
многофазными трансформаторными преобразователями тока и напряжения и
фильтрующими элементами на входе логической части с постоянной времени не
более 0,004 – 0,0075 c.
4. По сравнению с классическими схемами реле на основе сравнения
двух электрических величин по абсолютному значению для предлагаемых
измерительных органов ДЗ достигнуто улучшение быстродействия на 0,02 – 0,04
с и 1,5 -2,5-кратное увеличение длительности фиксации сработанного состояния
при оценке влияния апериодической составляющей тока КЗ в режимах
насыщения первичных измерительных ТТ.
5. Установлена возможность сохранения работоспособности схем ДЗ с
использованием многофазных трансформаторных преобразователей тока и
напряжения без существенного изменения характеристики срабатывания и
снижения быстродействия при внутренних повреждениях измерительных
органов, в условиях искажения входных сигналов тока при насыщении
трансформаторов тока и наличии апериодических составляющих.
6. Изготовлен опытный образец измерительного органа ДЗ – реле
сопротивления на основе однофазных трансформаторов с вращающимся
магнитным полем, сравнительные испытания которого с микропроцессорным
измерительным органом сопротивления терминала REF630 (ABB) с
использованием устройства РЕТОМ-51 подтвердили преимущественное
совпадение рабочих характеристик указанных устройств. При этом отмечено
некоторое улучшение показателей работы предлагаемых ИО по сравнению с
микропроцессорным аналогом: по быстродействию – на 0,025 с, по устойчивости
функционирования – на 5 – 8 % уменьшено искажение рабочей характеристики
срабатывания при искажении входного тока.
7. Результаты диссертационной работы по моделировании работы
измерительных органов ДЗ внедрены в производственную деятельность ООО
«Новали», отмечена значимость полученных технических решений при
конструкторской разработке ДЗ от междуфазных КЗ ЛЭП. При апробации
диссертационной работы в ПАО «Кубаньэнерго» получено заключение об их
полезности при выполнении модернизации существующих аналоговых
комплектов ДЗ ЛЭП, а также выполнения резервного дублирования
микропроцессорных устройств защиты ответственных присоединений.
Разработанные модели многофазных преобразователей использованы в учебном
процессе ФГБОУ ВО «КубГТУ» при подготовке студентов по направлению
13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника».
Список сокращений и условных обозначений

ДЗ – дистанционная защита;
ИО  измерительный орган;
ИПЧ – измерительно-преобразовательная часть;
КЗ  короткое замыкание;
ЛЧ – логическая часть;
ЛЭП – линия электропередачи;
МПРЗ  микропроцессорная релейная защита;
МПНТГ – многофазный преобразователь с независимыми
трансформаторными группами;
МТП – многофазный трансформаторный преобразователь;
НИ – нуль-индикатор;
ОТВП  однофазный трансформатор с вращающимся
магнитным полем;
ОУ – операционный усилитель;
ПВМП – преобразователь с вращающимся магнитным полем;
РЗ  релейная защита;
РЗА  релейная защита и автоматика;
РС – реле сопротивления
ТН  трансформатор напряжения;
ТТ  трансформатор тока;
ЭЭС – электроэнергетическая система

Заказать новую

Лучшие эксперты сервиса ждут твоего задания

от 5 000 ₽

Не подошла эта работа?

Закажи новую работу, сделанную по твоим требованиям

Читать

Публикации автора в научных журналах

Об улучшении работы систем электроснабжения с собственной генерацией при применении в составе дистанционных органов релейной защиты однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем

Г.А. Захаров // Вестник СамГТУ. Техн. науки. – 2– Вып. No 1(45). – С. 108 – 115;Измерительный орган резервной дистанционной защиты на основе од- нофазно-многофазных преобразователей / Б.А. Коробейников, Г.А. Захаров, А.Г. Печенкин, А.В. Богдан // Известия высших учебных заведений. Электроме- ханика. – 2– No – С. 55–60;

Исследование влияния режима выпрямления и степени сглаживания входных сигналов на работу дистанционного органа на основе преобразователей с вращающимся магнитным полем

Г.А. Захаров, А.И. Ищенко // Технические и технологические системы: материалы седьмой между- народной научной конференции «ТТС-15» (7–9 октября 2015 года) / ФГБОУ ВПО «КубГТУ», КВВАУЛ им. А.К. Серова; под общей редакцией Б.Х. Гайтова. – Краснодар : Издательский Дом – Юг, 2– 335 с.Захаров Г.А. Исследование влияния искажения входного сигнала тока на работу дистанционного органа на основе преобразователей с вращающимся магнитным полем / Г.А. Захаров, Д.И. Сидоров // Технические и технологиче- ские системы: материалы седьмой международной научной конференции «ТТС- 15» (7–9 октября 2015 года) / ФГБОУ ВПО «КубГТУ», КВВАУЛ им. А.К. Серова; под общей редакцией Б.Х. Гайтова. – Краснодар : Издательский Дом – Юг, 2– 335 с.

Сравнительный анализ работы дистанционного органа на основе преобразователей с вращающимся магнитным полем и терминала REF630

Г.А. Захаров, Ж.И. Шевченко // Технические и технологические си- стемы. Материалы восьмой международной научной конференции «ТТС-16» /23Кубанский государственный технологический университет, Краснодарское выс- шее военное авиационное училище летчиков имени А.К. Серова; под общей ре- дакцией Б.Х. Гайтова. – Краснодар : Издательский Дом – Юг, 2–С. 82

Помогаем с подготовкой сопроводительных документов

Совместно разработаем индивидуальный план и выберем тему работы Подробнее

Помощь в подготовке к кандидатскому экзамену и допуске к нему Подробнее

Поможем в написании научных статей для публикации в журналах ВАК Подробнее

Структурируем работу и напишем автореферат Подробнее

Хочешь уникальную работу?

Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!

Закончила ГУУ с отличием "Бухгалтерский учет, анализ и аудит". Выполнить разные работы: от рефератов до диссертаций. Также пишу доклады, делаю презентации, повышаю уни... Читать все

Закончила ГУУ с отличием "Бухгалтерский учет, анализ и аудит". Выполнить разные работы: от рефератов до диссертаций. Также пишу доклады, делаю презентации, повышаю уникальности с нуля. Все работы оформляю в соответствии с ГОСТ.

#Кандидатские #Магистерские

0 Выполненных работ

Окончил КазГУ с красным дипломом в 1985 г., после окончания работал в Институте Ядерной Физики, защитил кандидатскую диссертацию в 1991 г. Работы для студентов выполня... Читать все

Окончил КазГУ с красным дипломом в 1985 г., после окончания работал в Институте Ядерной Физики, защитил кандидатскую диссертацию в 1991 г. Работы для студентов выполняю уже 30 лет.

#Кандидатские #Магистерские

2271 Выполненная работа

Окончила магистратуру Воронежского государственного университета в 2009 г. В 2014 г. защитила кандидатскую диссертацию. С 2010 г. преподаю в Воронежском государственно... Читать все

Окончила магистратуру Воронежского государственного университета в 2009 г. В 2014 г. защитила кандидатскую диссертацию. С 2010 г. преподаю в Воронежском государственном университете инженерных технологий.

#Кандидатские #Магистерские

66 Выполненных работ

Профессиональный журналист, филолог со стажем более 10 лет. Имею профильную диссертацию по специализации "Радиовещание". Подробно и серьезно разрабатываю темы научных... Читать все

Профессиональный журналист, филолог со стажем более 10 лет. Имею профильную диссертацию по специализации "Радиовещание". Подробно и серьезно разрабатываю темы научных исследований, связанных с журналистикой, филологией и литературой

#Кандидатские #Магистерские

33 Выполненных работы

Работаю только по книгам, учебникам, статьям и диссертациям. Никогда не использую технические способы поднятия оригинальности. Только авторские работы. Стараюсь учитыв... Читать все

Работаю только по книгам, учебникам, статьям и диссертациям. Никогда не использую технические способы поднятия оригинальности. Только авторские работы. Стараюсь учитывать все требования и пожелания.

#Кандидатские #Магистерские

213 Выполненных работ

Занимаюсь написанием студенческих работ (дипломные работы, маг. диссертации). Участник международных конференций (экономика/менеджмент/юриспруденция). Постоянно публик... Читать все

#Кандидатские #Магистерские

1386 Выполненных работ

Практикую гражданское, семейное право. Преподаю указанные дисциплины в ВУЗе. Выполняла работы на заказ в течение двух лет. Обучалась в аспирантуре, подготовила диссерт... Читать все

Практикую гражданское, семейное право. Преподаю указанные дисциплины в ВУЗе. Выполняла работы на заказ в течение двух лет. Обучалась в аспирантуре, подготовила диссертационное исследование, которое сейчас находится на рассмотрении в совете.

#Кандидатские #Магистерские

18 Выполненных работ

Красный диплом референта-аналитика информационных ресурсов, 8 лет преподавания. Опыт написания работ вплоть до докторских диссертаций. Отдельно специализируюсь на повы... Читать все

Красный диплом референта-аналитика информационных ресурсов, 8 лет преподавания. Опыт написания работ вплоть до докторских диссертаций. Отдельно специализируюсь на повышении уникальности текста и оформлении библиографических ссылок по ГОСТу.

#Кандидатские #Магистерские

132 Выполненных работы

Журналист. Младший научный сотрудник в институте РАН. Репетитор по английскому языку (стаж 6 лет). Также знаю французский. Сейчас занимаюсь написанием диссертации по и... Читать все

Журналист. Младший научный сотрудник в институте РАН. Репетитор по английскому языку (стаж 6 лет). Также знаю французский. Сейчас занимаюсь написанием диссертации по истории. Увлекаюсь литературой и темой космоса.

#Кандидатские #Магистерские

11 Выполненных работ