ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

«Цифровая система упреждающего действия для контроля изоляции и защиты электрических сетей 6-35 кВ с изолированной нейтралью от однофазных замыканий на землю»

Рекомендуемая область пременения

Цифровая система контроля изоляции и защиты от однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью предназначена для электроэнергетики и служит для повышения надежности электроснабжения потребителей, питающихся от электрических сетей 6 – 35 кВ.

Назначение, цели и задачи проекта

Система предназначена для автоматического непрерывного контроля изоляции и защиты по упреждающему принципу сетей 6 – 35 кВ с изолированной нейтралью (предупреждения замыканий на землю, вызванных старением изоляции; определения места возникновения внезапного повреждения на землю; информационного обеспечения рабочих мест различных служб обслуживания и управления).

Цель работы заключается в разработке и реализации новых высокоэффективных средств релейной защиты систем электроснабжения 6 – 35 кВ, обладающих свойствами предупредительного действия, предназначенных для использования как в составе автоматизированных систем управления (АСУ) технологическими процессами так и автономно.

Основные научно-технические задачи, решаемые в работе:

1. Разработка микроэлектронной системы защиты, обладающей новыми свойствами предупредительного действия, повышающими эффективность защит в части предотвращения возможных внезапных аварий. Во вновь разрабатываемой системе, предназначенной для работы в составе АСУ, планируется реализовать предложенную новую концепцию построения защит, предусматривающую защиту электрической сети не только традиционным путем быстрого отключения поврежденного элемента, но и за счет предотвращения аварийных ситуаций путем предупреждения о их приближении и принятия упреждающих мер.

2. Создание научно-методических основ построения защит от однофазных замыканий на землю в сети с изолированной нейтралью на основе методов непрерывного контроля сопротивления изоляции сети с улучшенными показателями по точности и избирательности. Своеобразие новых методов заключается в способности контролировать сопротивление изоляции в широком диапазоне его изменения в нормальных условиях работы сети и определять характер и место возникновения повреждения изоляции в аварийных ситуациях.

3. Разработка и реализация методов определения места возникновения повреждения изоляции сети, обеспечивающих высокую избирательность поиска и ускорение процесса обнаружения дефектов изоляции при выполнении профилактических и ремонтных работ. Разработка алгоритмов определения места возникновения повреждения, основанных на измерении интегральных параметров и спектральном анализе токов утечки в цепях, формируемых с помощью специальных коммутаторов, соединяющих контролируемую сеть с землей.

4. Создание опытного образца системы защиты от однофазных замыканий на землю, его исследовательские, предпусковые испытания и ввод в опытную эксплуатацию в действующих электрических сетях.

5. Разработка рабочей технической документации. Разработка технологии серийного производства систем защиты. Разработка и изготовление технологической оснастки.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

Повышение интенсивности возникновения повреждений в энергосистемах в условиях, когда качество электроснабжения во многом определяет уязвимость жизнеобеспечения общества, приводит к угрожающему росту вероятности их развития в тяжёлые аварии с катастрофическими последствиями. Внезапные аварии в энергосистемах сегодня – это не только техническое нарушение электроснабжения, но и крупные социальные потрясения, высокий риск потери управления техническими и социальными процессами.

Преобладающим видом повреждений в сетях с изолированной нейтралью являются однофазные замыкания на землю (ОЗЗ). Доля ОЗЗ составляет более 75% от общего числа повреждений. Приблизительно каждое третье ОЗЗ впоследствии переходит в междуфазное короткое замыкание. Ежегодно в отечественных энергосистемах происходит более трехсот отключений базовых источников электроэнергии – турбогенераторов, фиксируется более десяти тысяч повреждений линий электропередачи (ЛЭП) и выходит из строя от 10% до 25% общего парка наиболее массовых приемников электроэнергии – электродвигателей. Практически, каждый день энергосистемы теряют по одному генератору, более 30 ЛЭП и несколько тысяч электродвигателей. Это не только огромные материальные убытки, но и высокий риск потери управления процессами в электроэнергетических системах.

Традиционные защиты от ОЗЗ реагируют на свершившийся факт замыкания и не позволяют с достаточной степенью точности определить место возникновения повреждения. Осуществляемое при этом экстренное отключение повреждённого участка сети не всегда является эффективной мерой сохранения требуемой степени надёжности энергосистемы, так как неожиданный перерыв поставки электроэнергии может приводить не только к значительным материальным убыткам, но и к социальным потрясениям.

Поскольку электрическому пробою изоляции, как правило, предшествует длительный процесс её старения, задачу обеспечения необходимой надёжности изоляции возлагают на систему профилактических испытаний и контроля. Традиционно используемые средства релейной защиты и сигнализации реагируют на факт свершившегося ОЗЗ и принципиально не могут его предупредить. Методы испытаний и контроля также обладают известными недостатками: сложность или громоздкость используемого оборудования, трудность интерпретации полученных оценок, недостаточная эффективность либо необходимость вывода из работы контролируемого оборудования.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

В основу действия новой системы положен коммутационный метод контроля состояния изоляции, не имеющий зоны нечувствительности. Он основан на анализе сигналов, формируемых специально созданными цепями, определённым образом соединяющими с землёй защищаемую сеть.

Упрощенная схема замещения контролируемой сети с внедрёнными элементами защиты, соединяющими защищаемую сеть с землёй, представлена на рис. 1. На схеме приняты следующие обозначения: E_A, E_B и E_C – э.д.с. источника (генератора); R_ИЗ.A, R_ИЗ.B, R_ИЗ.C и C_ИЗ.A, C_ИЗ.B, C_ИЗ.C – условно принятые сосредоточенными активные сопротивления изоляции и ёмкости фаз сети относительно земли; TV – измерительный трансформатор напряжения, предназначенный для получения опорного сигнала промышленной частоты (50 Гц), а также для измерения амплитудного (действующего) значения фазных напряжений; VD₁?VD₆, R_1,R₂ и R_Ш – вновь введённые элементы, составляющие высоковольтный преобразовательный блок. Заменить распределённые сопротивление изоляции и ёмкость относительно земли каждой из фаз соответствующими сосредоточенными элементами позволяет то обстоятельство, что длина электромагнитной волны промышленной частоты (50 Гц) в пространстве составляет 6000 км, что значительно превышает геометрические размеры распределительной сети среднего напряжения.

Суть метода заключается в следующем. В каждый момент времени с помощью коммутатора на основе диодов VD₁?VD₆ в сети выбираются фазы с наибольшим и наименьшим по абсолютному значению напряжением относительно земли. Эти фазы через ограничительные сопротивления R₁ и R₂ посредством шунта R_Ш соединяются с землёй. Возникающий при этом ток утечки I_УТ, оцениваемый по мгновенным значениям напряжения на шунте, несёт полную информацию о месте повреждения (в рамках системы действующих в сети напряжений) и общем сопротивлении изоляции сети относительно земли.

В случае симметричного снижения сопротивления изоляции или (в пределе) к ОЗЗ в нейтрали защищаемой сети указанная схема замещения может быть упрощена (рис. 2). Здесь Z_ИЗ – приведённое полное сопротивление изоляции сети относительно земли. Именно это сопротивление контролирует устройство, использующее коммутационный метод защиты.

При несимметричном снижении сопротивления изоляции (в предельном случае при ОЗЗ непосредственно одной из фаз) Z_ИЗ будет выражать эквивалентное сопротивление изоляции защищаемой сети относительно земли, величина которого может служить одним из основных критериев исправности изоляции распределительной сети.

Рис. 1. Схема замещения распределительной сети среднего напряжения с изолированной
нейтралью с элементами устройства защиты

С целью анализа формы и интегрального значения тока утечки целесообразно представить последний рядом Фурье:

коэффициенты которого могут быть определены из следующих соотношений:

Рис. 2. Упрощенная схема замещения контролируемой сети

Выражения (1) и (2) позволяют определить амплитуду и начальный фазовый сдвиг каждой выделяемой гармоники, анализ которых даёт возможность осуществлять непрерывный автоматический контроль основных параметров изоляции и в случае постепенного ухудшения последних (например, при старении изоляции) – прогнозировать развивающиеся однофазные замыкания на землю; за счёт высвободившегося резерва времени предпринимать необходимые меры и предотвращать однофазное замыкание на землю до того, как оно произошло. Для внезапных ОЗЗ система, выполняющая такой анализ, как и традиционные средства защиты, позволяет произвести отключение повреждённого оборудования, а кроме того (в отличие от других известных устройств), определить повреждённую фазу (обмотку) генератора или потребителя и оценить удалённость места повреждения от шин питающей подстанции.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Для оценки срока окупаемости можно воспользоваться общепринятым упрощенным показателем срока окупаемости проекта:

n_У = СI / P_K .

Здесь n_У – упрощенный для целей прогнозирования показатель срока окупаемости; СI – размер инвестиций (можно принять равным стоимости проекта, т.е. 1,5 млн. руб.); P_K – ежегодный чистый доход.

Ежегодный чистый доход можно оценить так:

P_K = CPxW = 15 х 100 = 1500 тыс. руб.,

где СР – цена выпускаемой системы контроля параметров и защиты (для целей прогнозирования можно принять СР = 15 тыс. руб.); W – ежегодный выпуск системы контроля параметров и защиты КИЗ-2000 (учитывая реальные условия производства микроэлектронной аппаратуры в г. Вологда можно принять W = 100 изделий в год).

Тогда n_У = СI / P_K = 1500 / 1500 = 1 год.

Срок окупаемости проекта 1 год.

Обоснование:

Повышение надежности работы энергосистемы, снижение затрат на поиск мест повреждения, снижение затрат на ремонт и эксплуатацию основного оборудования и средств релейной защиты за счет новых упреждающих возможностей, высокой точности контроля за состоянием оборудования, автоматизации и снижения трудоемкости процедур проверки и настройки средств защиты.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Используя технические показатели новой системы защиты и контроля в сравнении с базовым объектом можно оценить ожидаемый годовой экономический эффект от его использования в производственных условиях, применительно к электрической системе ОАО “Вологдаэнерго”:

Э = П [А (ВБ - ВН) + ЕН (СБ - СН)] КП ,

где А – среднее значение ущерба от повреждения одной линии электропередачи (ЛЭП); ВБ и ВН – доля ЛЭП, которые выходят из строя при использовании базового и нового устройства в год, соответственно; ЕН – принятый нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений (можно принять ЕН = 0,15); СБ и СН – оптовые цены базового и нового устройств, соответственно; П – количество ЛЭП в энергосистеме; КП – переходный множитель для цен разных лет.

В соответствии со статистическими данными, опубликованными в открытой печати, в среднем ежегодно выходят из строя 50% ЛЭП 6-10 кВ.

Средний ущерб от аварии на одной ЛЭП 6-10 кВ составляет около 6000 руб. (в ценах 1997 г.). Причем, ущерб от недоотпуска электроэнергии – более 1000 руб. и затраты на ликвидацию аварии, включающие в себя стоимость заменяемого оборудования, амортизацию коммутационной аппаратуры и оплату работ по восстановлению поврежденной линии, – не менее 5000 руб.

Пусть при использовании нового устройства количество аварийных отключений ЛЭП 6-10 кВ снизится и будет составлять ежегодно не более 10% ЛЭП.

Средняя оптовая цена базового образца защиты ЛЭП 6-10 кВ – устройства контроля замыканий на землю на базе трансформатора напряжения составляет 4500 руб. (в ценах 1997 г.), а нового устройства защиты – 15000 руб. (в тех же ценах).

Парк ЛЭП 6-10 кВ ОАО “Вологдаэнерго” составляет около 1200 (общая протяженность только воздушных ЛЭП этого класса напряжения 19483 км. при средней длине линии 15 км.).

Использование нового устройства защиты целесообразным для группы ЛЭП, присоединенных к шинам одной подстанции. При среднем количестве присоединенных к шинам подстанции ЛЭП - 8, в ОАО “Вологдаэнерго” необходимо установить 1200/8 = 150 комплектов новых систем защиты.

Таким образом, ожидаемый экономический эффект от использования новой системы защиты в отечественном сельском хозяйстве составляет:

Э = 1200/8 [6000 (0,5 – 0,1) + 0,15 (4500 – 15000)]  = 123750 = 123 тыс. руб

Учитывая то, что ОАО “Вологдаэнерго” - региональная энергосистема средних по России показателей, можно определить ожидаемый экономический эффект от использования вновь разрабатываемой системы КИЗ-2000 во всех региональных энергосистемах следующим образом:

ЭОБЩ = 30 х Э = 3,7 млн. руб.

Таким образом, ожидаемый экономический эффект составляет 3,7 млн. руб.

Оценка объема продаж. Потребность в новых высокоэффективных системах защиты целесообразно оценивать по реальному парку действующих подстанций. Для ОАО “Вологдаэнерго” 1200/8 = 150 комплектов. По всем региональным энергосистемам, примерно, 4500 комплектов.

Новые потребительские свойства продукции

Использование новой системы защиты с упреждающим выявлением аварийных ситуаций открывает широчайшие возможности для безаварийной эксплуатации энергетических систем. Благодаря действиям этой системы защиты можно заблаговременно узнать о приближении возможной аварии, вывести из работы дефектный элемент энергосистемы и тем самым избежать внезапной аварии с экстренным отключением питания потребителей электроэнергии.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Комплектующие системы по устойчивости и прочности к воздействию механических и климатических факторов должны относиться к группе эксплуатации по механике М39 по ГОСТ 17516.1-90, к группе эксплуатации по климатическим воздействиям УХЛЗ по ГОСТ 15150-69 и должны сохранять свою работоспособность при величине воздействующих факторов.
1. Повышенная температура окружающей среды, 45 °C
2. Пониженная температура окружающей среды, 1°C
3. Относительная влажность воздуха, % при температуре окружающей среды 25 °C 80
4. Синусоидальная вибрация частоты, 10-100 Гц,
5. Максимальное ускорение, 2,5 (0,25) м/с2.

Комплектующие системы должны также сохранять работоспособность в условиях хранения после воздействия факторов:
1. Повышенная температура окружающей среды, 50 °C
2. Пониженная температура окружающей среды, -40 °C
3. Относительная влажность воздуха, % при температуре окружающей среды 25 °C 98
4. Синусоидальная вибрация частоты, 10-100 Гц,
5. Максимальное ускорение, 2,5 (0,25) м/с2.

Стадия и уровень разработки

Предложены, исследованы и реализованы новые методы непрерывного контроля активного сопротивления и ёмкости изоляции электрической сети 6-10 кВ, позволяющие прогнозировать развивающиеся однофазные замыкания на землю; а также методы определения места внезапного повреждения изоляции при работающем оборудовании с нахождением повреждённого присоединения, идентификацией способа соединения обмоток повреждённого оборудования, выявлением повреждённой фазы (обмотки) и оценкой расположения точки повреждения внутри неё.
Разработано программное обеспечение, реализующее предложенные алгоритмы контроля состояния изоляции и защиты от однофазных замыканий на землю в режиме времени, максимально приближенном к реальному.
Создан и испытан в условиях действующей реальной электрической сети 6 кВ опытный образец системы контроля изоляции и защиты от однофазных замыканий на землю.

Предлагаемые инвестиции

1,5 млн. руб.

Рынки сбыта

Объекты электроэнергетики: предприятия, производящие, распределяющие и потребляющие электрическую энергию, имеющие в эксплуатации электрические сети 6-35 кВ с изолированной нейтралью.

Возможность и эффективность импортозамещения

Со временем (с развитием используемых алгоритмов) возможна.

Возможность выхода на мировой рынок

Возможна (для государств, энергосистемы которых имеют участки, работающие в режиме изолированной нейтрали).

Срок окупаемости (в месяцах)

12

Дата поступления материала

28.11.2006