ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИЕРСИТЕТ

Маляр Дмитрий Николаевич

Магистерская работа:

“Анализ процессов при глухих и дуговых замыканиях в сетях с изолированной нейтралью”

Специальность “Электрические станции”

Автореферат магистерской выпускной работы

Руководитель работы: д. т. н., проф. Сивокобыленко Виталий Федорович

 

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

 

Актуальность темы. В условиях большой изношенности изоляции электрооборудования распределительных сетей 6-10кВ особую роль приобретает проблема поддержания на достаточно необходимом уровне надежности питания потребителей электрической энергии. Поскольку основным видом повреждения в указанных сетях являются однофазные замыкания на землю (до 90% от общего числа нарушений нормальной работы сети), то борьба с ними является стратегическим направлением работы по повышению надежности систем электроснабжения. При отсутствии надежных средств защиты электрооборудования от последствий дуговых перенапряжений, эффективное решение проблемы может быть найдено в оптимизации и управлении режимом нейтрали сети. А метод компьютерного моделирования, примененный в данной работе отличается большим объемом полученных результатов при низких материальных затратах и высокой точности расчетов.

Цель работы:  Разработать математическую модель для анализа процессов при глухих и дуговых замыканиях в сетях с изолированной нейтралью. Выработать на основе полученных результатов перечень рекомендаций по устранению негативных последствий однофазных коротких замыканий на землю. В сответствии с этим основными задачами являются:

1)      Разработка математической модели типовой сети с изолированной нейтралью.

2)      Исследование на математической модели переходных процессов на ЭВМ и анализ полученных результатов.

3)      Разработка способов ограничения перенапряжений и сокращение длительности дуговых замыканий. Схемная реализация разработанных способов.

4)      Исследование эффективности разработанных способов на физической модели и действующей подстанции.

Научная новизна: предложены новые решения по ограничению уровня перенапряжений в сетях с изолированной нейтралью.

Практическая ценность: воплщение в жизнь рекомендаций на основе анализа полученных результатов имеет положительный экономический эффект для энергопредприятий.

Методы исследования. При решении дифференциальных уравнений сети, составляющих основу математической модели использовался метод Гаусса; исследования ПП проводились методом компьютерного моделирования.

Апробация работы. Основные положения работы были опубликованы на внутривузовской конференции "Проблемы автоматизации. Поиск молодых".

 

Перечень публикаций. Материалы работы были опубликованы в статьях «Исследование и оптимизация режимов нейтрали распределительных сетей 6-10кВ» и «Исследование перенапряжений в сетях с изолированной нейтралью», а также в электронной публикации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

 

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И СПОСОБЫ ЕЁ РЕШЕНИЯ

                        

1.1          Работа сетей 6-10 кВ в настоящее время

 

 

Широко распространённые сети среднего напряжения ( сети промышленных предприятий, городов, сети собственных нужд электростанций и т.д. ), как правило, являются очень разветвлёнными и труднодоступными, так как это в большинстве своём кабельные линии, проложенные в земле. В настоящее время они находятся в критическом состоянии из-за постоянно ухудшающегося технического состояния, вызванного хроническим отсутствием средств на своевременную замену и качественный ремонт электрооборудования с длительным сроком эксплуатации. По данным опыта эксплуатации за последние годы удельная повреждаемость электрооборудования возросла в несколько раз и примерно составляет 120-140 и более единиц на каждые 100 км кабельной сети. Плохое техническое состояние сетей 6-10 кВ ускоряет процесс старения изоляции, причём, ослабление её развивается столь быстро, что приводит к пробоям в период между очередными профилактическими испытаниями при рабочем напряжении или перенапряжениях, незначительно его превышающих.

            Особенно велика повреждаемость электродвигателей, имеющих, как известно, меньшие конструктивные запасы электрической прочности и подвергающиеся повышенному эксплуатационному износу по сравнению с другим электрооборудованием. Так по статистическим данным среднегодовая повреждаемость электродвигателей на предприятии колеблется в пределах (3.2-5.7)% от их общего числа.

            Учитывая вышеизложенное, в настоящее время на передний план выдвигается проблема поддержания на достаточном эксплуатационном уровне работоспособности сетей 6-10 кВ и максимальное продление их срока службы. Одним из успешных решений данной проблемы является способ заземления нейтрали.

 

 

1.2          Основные теории, используемые для анализа перенапряжений при однофазном замыкании на землю

 

 

В числе исследований многочисленных коммутационных перенапряжений, возникающих вследствие всякого рода замыканий и размыканий электрических цепей, наибольшее количество исследований было посвящено весьма распространённым перенапряжениям при дуговых замыканиях на землю в высоковольтных сетях, работающих с изолированной нейтралью.

Основоположником исследований этих перенапряжений был Петерсен, который в 1916 г. разработал теорию, объясняющую физическую сущность процесса возникновения максимальных перенапряжений.

В 1923 г. Петерс и Слепян предложили другую теорию, принципиально отличную от теории Петерсена.

Позднее эти теории дополнялись различными авторами на основании теоретических и лабораторных исследований в отношении уровней максимальных перенапряжений и формы их развития.

В 1957 г. Н.Н.Беляковым была опубликована теория возникновения перенапряжений при дуговых замыкания на землю также в сетях с изолированной нейтралью.

Процесс возникновения максимальных перенапряжений в соответствии с теорией Петерсена имеет следующие характерные особенности :

а) Повторные зажигания заземляющей дуги представляются в виде металлических замыканий. В связи с этим не учитывается наличие у дуги вольт-амперной зависимости, которая в действительности для токов высокой частоты имеет явно динамический характер, т.е. напряжение на дуге не имеет чётко выраженных пиков гашения и зажигания, как это обычно принято считать для статической характеристики. Процесс деионизации запаздывает относительно изменения тока в дуге.

Повторные зажигания по Петерсену происходят регулярно через каждый полупериод при максимальном напряжении на повреждённой фазе, когда напряжение источника питания равно максимальному значению. Максимальные перенапряжения могут достигать величины 7.5 U_ф.

б) Длительность горения дуги при каждом повторном зажигании равна полупериоду свободных колебаний, несмотря на то, что величина тока и скорость его изменения с каждым полупериодом увеличивается, а также увеличивается его тепловое и ионизирующее действие.

в) После каждого гашения дуги в сети появляется нарастающее постоянное напряжение смещения U_см.

г)  Восстановление напряжения на повреждённой фазе после гашения дуги имеет колебательный характер с высокочастотным пиком, превышающим величину фазного напряжения. Однако, предположено, что диэлектрическая прочность места повреждения нарастает быстрее, нежели восстанавливающееся напряжение.

д) При каждом полупериоде перенапряжения изменяют свой знак.

Характерными особенности возникновения перенапряжений по теории Петерса и Слепяна являются :

а) Повторные зажигания представляются также в виде металлического замыкания на землю. Они происходят регулярно через каждый период при максимальном значении напряжения на повреждённой фазе ( при первом и всех последующих зажиганиях соответственно ± U_ф и ±2 U_ф ).

б) Длительность горения дуги при каждом повторном зажигании равна полупериоду промышленной частоты.

в) Поскольку гашения дуги происходят при каждом прохождении тока промышленной частоты через нулевое значение, то пики гашения отсутствуют. Восстановление напряжения на повреждённой фазе после гашения дуги происходит плавно с промышленной частотой.

г) Одинаковые ( за исключением первого ) перенапряжения при каждом зажигании дуги образуются в результате неизменяющихся начальных и конечных напряжений на повреждённых фазах, соответственно ±0.5U_ф и ±1.5U_ф.

д) Перенапряжения знака не изменяют.

Для возникновения максимальных перенапряжений по Белякову необходимо совпадение двух основных условий в одном цикле, а именно :

а) Первое зажигание дуги должно произойти ранбше максимума э.д.с. повреждённой фазы, чтобы к моменту гашения ( максимума напряжения на повреждённой фазе ) первый пик восстанавливающегося напряжения достигал величины 0.4U_ф.

б) Второе зажигание дуги, при котором на отстающей фазе возникают наибольшие перенапряжения 3.2U_ф, должно произойти именно в момент при напряжении повреждённой фазы, приблизительно равном 2.2U_ф, т.е. больше, чем первое зажигание.

 

 

 

 

1.3 Обзор существующих методов ограничения перенапряжений в

сетях 6-10 кВ

 

 

Сети одного и того же номинального напряжения при разных способах заземления нейтрали имеют ряд различий в технических и экономических показателях. Способ заземления нейтрали в первую очередь влияет на величину тока замыкания на землю. Поэтому ПУЭ все электрические сети, в зависимости от величины тока, подразделяет на сети с малым и сети с большим током замыкания на землю. Согласно принятым в Украине нормам сети 6-10 кВ относятся к сетям с малым током замыкания на землю.

 

 

2 РАЗРАБОТКА НА ЭВМ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СЕТИ 6-10 кВ

 

2.1 Схема замещения сети

 

 

            Для математического моделирования за основу взята сеть изображённая на рис.1, в которой для низкоомного заземления нейтрали используется специальный присоединительный трансформатор 10/0.4 кВ.

Рисунок 1-Схема замещения сети

На схеме замещения рабочий трансформатор, являющийся источником питания, представлен фазной индуктивностью рассеяния L, активным сопротивлением R и источником ЭДС Е. Сеть отражена сосредоточенными фазной С_i и междуфазной С_m ёмкостями, активными сопротивлениями изоляции R_i и R_m и междуфазной индуктивностью М. Специальный присоединительный трансформатор введён в схему замещения фазными значениями индуктивности рассеяния L_т2 и активного сопротивления R_т2. Трансформатор напряжения, введённый для учёта влияния феррорезонансных процессов в сети, представлен фазным значением активного сопротивления R_т1 и нелинейной зависимостью его фазной индуктивности рассеяния  L_т1 от величины протекающего тока. Три высоковольтных асинхронных электродвигателя представлены в схеме замещения фазными сверхпереходными индуктивностями рассеяния L₁, L₂, L₃ и активными сопротивлениями R₁, R₂, R₃. Первый и  второй электродвигатели подключаются к сети с помощью кабелей, представленных П-образной схемой замещения : индуктивности L¢₁, L¢₂ ; активные сопротивления R¢₁, R¢₂ ; активные сопротивления изоляции R_i1, R_i2, R¢_i2 ; ёмкостные утечки через изоляцию C_i1, C_i2, C¢_i1, C¢_i2 , причём в ёмкости C_i1, C_i2 входит и ёмкость фазы каждого электродвигателя относительно земли. Оксидно-цинковые ограничители  перенапряжений ( ОПН ), устанавливаемые на сборных шинах, учитываются нелинейными зависимостями их активного сопротивления R¢_i1 от напряжения. В нейтраль присоединительного трансформатора может подключаться дугогасящая катушка ( L_д, R_д ) или токоограничивающий резистор R_д. В нейтраль рабочего трансформатора может подключаться токоограничивающий резистор ( R_r1 или R_r2 ) или ёмкость  C_r , включаемая как сама, так и  вместе с токоограничивающим резистором ( последовательно или параллельно ). Замыкание фазы на землю имитируется активным сопротивлением дуги, включаемым вместо активного сопротивления изоляции в любом месте схемы замещения. .

 

 

            2.2 Дифференциальные уравнения математической модели

 

 

            Используя построенный для схемы замещения граф цепи составляем следующую систему дифференциальных уравнений относительно неизвестных контурных токов :

 

            R_bi₁+L_bpi₁+U_B-U_A+R_a(i₁+i₂+i₃₀)+L_ap(i₁+i₂+i₃₀)=e_b-e_a  ;                    ( 2.1 )

            R_ci₂+L_cpi₂+U_C-U_A+R_a(i₁+i₂+i₃₀)+L_ap(i₁+i₂+i₃₀)=e_c-e_a   ;                   ( 2.2 )

            R_T2ai₃+L_T2api₃+R_d(i₃+i₄+i₅)+L_dp(i₃+i₄+i₅)-U_A=0                                ( 2.3 )

            R_T2bi₄+L_T2bpi₄+R_d(i₃+i₄+i₅)+L_dp(i₃+i₄+i₅)-U_B=0 ;                              ( 2.4 )

            R_T2ci₅+L_T2cpi₅+R_d(i₃+i₄+i₅)+L_dp(i₃+i₄+i₅)-U_C=0 ;                               ( 2.5 )

            R_3ai₆+L_3api₆+R_3c(i₆+i₇)+L_3cp(i₆+i₇)+U_C-U_A=0  ;                                  ( 2.6 )

            R_3bi₇+L_3bpi₇+R_3c(i₆+i₇)+L_3cp(i₆+i₇)+U_C-U_B=0  ;                                  ( 2.7 )

            R_T1ai₈+L_T1api₈-U_A=0  ;                                                                          ( 2.8 )

            R_T1bi₉+L_T1bpi₉-U_B=0  ;                                                                          ( 2.9 )

            R_T1ci₁₀+L_T1cpi₁₀-U_C=0  ;                                                                       ( 2.10 )

            R¢_1ai₁₁+L¢_1api₁₁+U_R-U_A=0  ;                                                                 ( 2.11 )

            R¢_1bi₁₂+L¢_1bpi₁₂+R_1b(i₁₂-i₁₃)+L_1bp(i₁₂-i₁₃)+R_1a(i₁₂-i₁₃+i₁₄-i₁₅)+

               +L_1ap(i₁₂-i₁₃+i₁₄-i₁₅)+U_R-U_B=0  ;                                                       ( 2.12 )

            U_S-U_R+R_1a(i₁₃-i₁₂-i₁₄+i₁₅)+L_1ap(i₁₃-i₁₂-i₁₄+i₁₅)+R_1b(i₁₃-i₁₂)+

              +L_1bp(i₁₃-i₁₂)=0  ;                                                                               ( 2.13 )

            R¢_1ci₁₄+L¢_1cpi₁₄+R_1c(i₁₄-i₁₅)+L_1cp(i₁₄-i₁₅)+R_1a(i₁₄+i₁₂-i₁₃-i₁₅)+

               +L_1ap(i₁₄+i₁₂-i₁₃-i₁₅)+U_R-U_C=0  ;                                                       ( 2.14 )

            U_T-U_R+R_1a(i₁₅-i₁₂+i₁₃-i₁₄)+L_1ap(i₁₅-i₁₂+i₁₃-i₁₄)+R_1c(i₁₅-i₁₄)+

              +L_1cp(i₁₅-i₁₄)=0  ;                                                                               ( 2.15 )

            R¢_2ai₁₆+L¢_2api₁₆+R_2a(i₁₆-i₁₇)+L_2ap(i₁₆-i₁₇)+R_2c(i₁₆-i₁₇+i₁₈-i₁₉)+

               +L_2cp(i₁₆-i₁₇+i₁₈-i₁₉)+U_G-U_A=0  ;                                                      ( 2.16 )

            U_M-U_G+R_2c(i₁₇-i₁₆-i₁₈+i₁₉)+L_2cp(i₁₇-i₁₆-i₁₈+i₁₉)+R_2a(i₁₇-i₁₆)+

              +L_2ap(i₁₇-i₁₆)=0  ;                                                                               ( 2.17 )

            R¢_2bi₁₈+L¢_2bpi₁₈+R_2b(i₁₈-i₁₉)+L_2bp(i₁₈-i₁₉)+R_2c(i₁₈+i₁₆-i₁₇-i₁₉)+

               +L_2cp(i₁₈+i₁₆-i₁₇-i₁₉)+U_G-U_B=0  ;                                                       ( 2.18 )

            U_V -U_G+R_2c(i₁₉-i₁₆+i₁₇-i₁₈)+L_2cp(i₁₉-i₁₆+i₁₇-i₁₈)+R_2b(i₁₉-i₁₈)+

              +L_2bp(i₁₉-i₁₈)=0  ;                                                                               ( 2.19 )

            R¢_2ci₂₀+L¢_2cpi₂₀+U_G-U_C=0  ;                                                                 ( 2.20 )

            Mpi₂₁+U_NA+U_A-U_C=0  ;                                                                      ( 2.21 )

            Mpi₂₂+U_PB+U_B-U_A=0  ;                                                                       ( 2.22 )

            Mpi₂₃+U_KC+U_C-U_B=0  ;                                                                       ( 2.23 )

            U_A1-U_A+Mpi₂₄=0  ;                                                                              ( 2.24 )

            U_B1-U_B+Mpi₂₅=0  ;                                                                               ( 2.25 )

            U_C1-U_C+Mpi₂₆=0  ;                                                                               ( 2.26 )

            U_A2-U_A+Mpi₂₇=0  ;                                                                              ( 2.27 )

            U_B2-U_B+Mpi₂₈=0  ;                                                                               ( 2.28 )

            U_C2-U_C+Mpi₂₉=0  ;                                                                               ( 2.29 )

            R_r1i₃₀+U_X-U_A+R_a(i₃₀+i₁+i₂)+L_ap(i₃₀+i₁+i₂)=-e_a  ;                                 ( 2.30 )

, где  p - оператор дифференцирования.

            К уравнениям ( 2.1-2.30 ) добавляются ещё 19 дифференциальных уравнений, записанных относительно напряжений на ёмкостях по типу (2.31)

 

CpU_A = ( i – U_A/R_iA )  ;                                              ( 2.31 )

                     

3. Анализ результатов исследования

 

На основе большого объема исследований, выполненных с использованием математических и физических моделей сети и отдельных опытах в реальных сетях, нами обнаружены принципиально новые явления, требующие  нового подхода к выбору и расстановке средств защиты от дуговых перенапряжений. В процессе анализа результатов исследования установлено, что традиционно применяемые в нашей стране режимы заземления нейтрали распределительных сетей 6-10кВ в сложившихся условиях не удовлетворяют требованиям современного состояния изоляции электрооборудования, и потому должны совершенствоваться, однако показано, что однозначного решения этой проблемы не существует.

При выборе режима нейтрали для каждой конкретной сети должны учитываться ее специфические особенности, в частности: ее параметры, состояние изоляции, категория потребителей, наличия средств защиты от замыканий на землю, требования к электробезопасности и т.д.. С целью снижения влияния режима нейтрали на условия работы   электрооборудования нами предложены схемные решения, практическая реализация которых позволяет исключить возможность однофазных  замыканий в междуфазные короткие замыкания, групповой выход из строя электрооборудования и многоместные пробои изоляции на поврежденной фазе, что существенно повысит надежность работы распределительных сетей  в сложившихся условиях.

 

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ:

1)      Разработана математическая модель типовой сети с изолированной нейтралью.

2)      Исследована на математическая модель переходных процессов на ЭВМ и сделан анализ полученных результатов.

3)      Разработаны способы ограничения перенапряжений и сокращение длительности дуговых замыканий. Осуществлена схемная реализация разработанных способов.

4)      Исследована эффективности разработанных способов на физической модели и действующей подстанции.

ПЕРЕЧЕНЬ ПУБЛИКАЦИЙ

1. Евдокунин Г. А., Гудилин С. В., Корепанов А. А. Выбор способа заземления нейтрали в сетях 6-10 кВ. Электричество, 1998, N 12

2. Брянцев А.М., Базылев Б.И., Бики М.А., Уколов С.В., Долгополов А.Г.. Лурье А.И., Евдокунин ГА., Славин Г.А. Управляемые подмагничиванием шунтирующие реакторы - новое электротехническое оборудование. Электротехника, N 7, 1999.

3. Серов В. И., Шуцкий В. И., Ягудаев Б. М. Методы и средства борьбы с замыканиями на землю в высоковольтных системах горных предприятий. - М.: Наука, 1985.