Повышение безопасности распределительных сетей 10 кВ путем прогнозирования однофазных замыканий на землю

Для энергетических предприятий и других организаций, обслуживающих распределительные сети 10 кВ обеспечение их надежной и безопасной работы является актуальной задачей.

Наиболее частым видом повреждений в сетях являются однофазные замыкания на землю, которые нередко приводят к серьезным авариям, а также создают повышенную опасность для людей и животных.

Любой опытный работник распределительных сетей может привести множество примеров несчастных случаев, явившихся результатом работы сети с однофазным замыканием на землю.

Показатель аварийности ВЛ 10 кВ в расчете на 100 км линий составляет 6-7 аварий в год для районов с умеренным климатом и 20-30 аварий в год для районов со сложными климатическими условиями [1].

При этом стоит отметить, что любая распределительная сеть включает в себя линии электропередачи 10 кВ разной длины, отличающихся при этом друг от друга техническим состоянием, и соответственно количеством повреждений. Также необходимо принять во внимание и тот факт, что распределение замыканий на землю в течение года неравномерно и определяется степенью влияния погодно-климатических факторов, зависящих от времени года, месяца и даже декады.

Таким образом, существующий показатель аварийности сети в расчете на 100 км линий в год не позволяет энергетическим предприятиям контролировать аварийность отдельных категорий линий и обеспечивать их надежную и безопасную работу в течение года.

На основании вышеизложенного, перед авторами данной публикации была поставлена задача – разра ботать метод прогнозирования однофазных замыканий на землю, который позволил бы энергетическим предприятиям, осуществлять подекадный мониторинг аварийности распределительной сети и планировать целенаправленное распределение сил и средств для разных категорий линий, обеспечивая при этом их надежную и безопасную работу.

Для решения поставленной задачи на основании метода экспертных оценок, проведенного среди специалистов Орловских электрических сетей ВЛ 10 кВ были классифицированы на следующие категории, по длине – до 25 км, от 25 до 50 км и более 50 км, по техническому состоянию – хорошее, удовлетворительное, неудовлетворительное.

Для каждой категории линий был осуществлен сбор информации о количестве однофазных замыканий на землю по декадам в течении трех лет.

На рис. 1 в качестве примера представлена гистограмма распределения однофазных замыканий на землю на 100 км по декадам для 2004-2006 г. для линий 10 кВ Орловских электрических сетей, длиной до 25 км, находящихся в хорошем техническом состоянии.

Гистограмме свойственны два ярко выраженных периода, характеризующихся плавным ростом числа замыканий и последующим их снижением, это период с апреля по вторую декаду октября включительно, а также период с третьей декады октября по март включительно. Данное обстоятельство объясняется, действием разных погодно-климатических факторов, свойственных каждому периоду. Необходимо отметить то, что и техническое состояние и длинна, также определяют количество замыканий, возникающих на линии, это объясняется тем, что линии, находящиеся в плохом техническом состоянии более уязвимы в отношении возникновения однофазных замыканий на землю, а протяженные линии имеют большой емкостный ток замыкания на землю, поэтому они испытывают на себе более высокие перенапряжения.

■ 2004 г. □ 2005 г. □ 2006 г.

Рис. 1.-Гистограмма распределения однофазных замыканий на землю (PYP_|1000 км по декадам за 2004-2006гг. для линий длиной до 25 км, находящихся в хорошем техническом состоянии

ся с использованием зависимостей:

На основании вышеизложенного следует, что количество замыканий на землю воздушных линий 10 кВ, имеющих разные длину и техническое состояние, находится в определенной зависимости от погодноклиматических факторов, что позволяет для каждой категории линий применить методы вероятного прогнозирования, основанные на применении элементов регрессионного анализа [2].

В качестве основных погодно-климатических факторов, влияющих на количество замыканий на землю, были выбраны следующие:

Теплый период (с апреля по вторую декаду октября включительно):

Х 1 – средняя декадная температура поверхности (⁰С);

Х2 – средняя декадная скорость ветра (м/с);

Х3 – количество осадков за декаду (мм);

Х4 – количество часов грозовой деятельности за декаду (ч).

Холодный период (с третьей декады октября по март включительно)

Х 1 – средняя декадная температура воздуха (⁰С);

Х 2 – средняя декадная скорость ветра (м/с);

Х 3 – количество осадков за декаду (мм);

Х 4 – количество дней с гололедной нагрузкой за декаду (дней).

На основании данных метеостанции г. Курска, а также справочных данных [3] был произведен выбор уровней и интервалов варьирования выбранных факторов, натуральные значения уровней факторов переводили в кодовые безразмерные величины (кодировали) по формуле:

b0 —

N

J — 1 X 0 ' yUC

N

N

^ Xi ' yUC

U — 1 i ^UC

bi —

iN

Xi =

xi

^^^^^^e

xio

A xi

где Х _i – кодовое значение i -го фактора; x_i – нату-

ральное текущее значение i -го фактора; x_io – основ-

ной уровень фактора; A xi - интервал (полуинтервал)

варьирования i -го фактора.

Рассчитанные кодированные значения факторов для нижнего и верхнего уровней варьирования соот-

ветственно равны:

H У i

^^^^^^s

1; X _i ^ВУ

= 1.

Для описания зависимости количества замыканий на землю (Y) от четырёх влияющих факторов (Х₁, Х₂, Х 3 , Х 4 ), использовалось математическое уравнение первого порядка:

Y — b о + b^ X i + b 2 X 2 + Ь з X 3 + b 4 X 4 + b12 X 1 X 2 +

+ Ь 1з X 1 X 3 + b14 X 1 X 4 + b 23 X 2 X 3 + b 24 X 2 X 4 +

⁺ b 34 X 3 X 4 + bi23 X 1 X 2 X 3 + bi24 X 1 X 2 X 4 +

⁺ b 134 X 1 X 3 X 4 + b 234 X 2 X 3 X 4 +

+ b 1234 X 1 X 2 X 3 X 4

Коэффициенты уравнения регрессии определяют-

bij—

N

U _—1 Xi ' Xj 'yUC

N

N

U= 1 Xi ' Xj ' Xk ' yUC b —------------------- ijk

N

Z Xi-Xj • Xk • ^X_ryuc

— U—1-----------------------,(3)

ijkl

где y_UC – среднее за три года значение количества замыканий за декаду.

После нахождения коэффициентов уравнения для разных категорий и периодов года, и проверки их статической значимости с помощью критерия Стьюдента, уравнения принимают завершенный вид.

В качестве примера представим полученные уравнения для ранее рассмотренной категории линий – длиной до 25 км, находящихся в хорошем техническом состоянии для теплого и холодного периодов года.

Уравнение регрессии для линий длиною от 0 до 25 км, находящихся в хорошем техническом состоянии для теплого периода года:

Y=0,1017438+0,0042429X 1 +0,0018000X 2 +

+0,0042858X 4 -0,0018964X 1 X 2 -         (4)

-0,0023036X 1 X 4 +0,0017464X 1 X 2 X 3 X 4

Уравнение регрессии для линий длиною от 0 до 25 км, находящихся в хорошем техническом состоянии для холодного периода года.

Y=0,0857563+0,0059305X 1 +0,0015076X 2 +

+0,0036476X 4 -0,0020935X 1 X 2 -

-0,0018399X 1 X 4 +0,0020971X 1 X 2 X 4 +       (5)

+0,0017005X 2 X 3 X 4

Проверка адекватности полученных уравнений по F-критерию (критерию Фишера) доказывает то, что они достаточно точно характеризуют влияние рассматриваемых факторов на возникновение замыканий на землю.

На основании полученных результатов и анализа уравнения регрессии можно сделать следующие выводы.

Наибольшее влияние на возникновение замыканий на землю за декаду, как в теплый, так и в холодный период оказывает средняя декадная температура. Существенное воздействие на возникновение замыканий на землю оказывает количество часов грозовой деятельности за декаду, особенно сильное воздействие грозы сказывается при относительно низких летних температурах, примерно такое же воздействие

оказывает количество дней с гололедной нагрузкой за декаду. Менее значительное влияние в течение теплого и холодного периодов года оказывает средняя де кадная скорость ветра, причем влияние ветра усиливается при снижении средней декадной температуры. Отдельного влияния количества осадков за декаду в течение года, практически не наблюдается, однако совместное влияние осадков с другими погодными факторами оказывает незначительное воздействие на возникновение замыканий на землю.

Для автоматической обработки большого количества данных при прогнозировании однофазных замыканий на землю, разработано программное обеспечение SIZAM – синоптик замыканий, рабочее окно программы представлено на рисунке 2.

Рисунок 2 – Рабочее окно программы SIZAM

Таким образом, предложенный метод прогнозирования однофазных замыканий на землю в распределительных сетях 10 кВ позволит энергетическим предприятиям (на основании имеющихся у них данных по разным категориям линий, а также на основании поступающих сводок прогноза погоды) своевременно осуществлять ремонтно-восстановительные работы на наиболее уязвимых линиях, что позволит предотвратить массовое возникновение замыканий на землю, а следовательно повысит безопасность распределительной сети.