Актуальность темы. В условиях постоянно ухудшающегося технического состояния сетей на передний план выдвигается проблема поддержания на достаточно необходимом уровне надежность электроснабжения потребителей за счет продления срока службы электрооборудования с изношенной изоляцией. По данным опыта эксплуатации самым распространенным видом повреждения в этих сетях являются однофазные замыкания на землю, составляющие до 90% от общего числа нарушений нормальной работы сети. Как показывают исследования в сложившейся ситуации наиболее эффективное решение указанной проблемы лежит в оптимизации и управлении режима нейтрали сети.

Цель работы: Анализ с помощью математической модели процессов при глухих и дуговых замыканиях в сетях с изолированной нейтралью. На основе полученных результатов выработать новые способы ограничения перенапряжении в сетях при замыканиях фазы на землю.

В соответствии с этим основными задачами являются:

Научная новизна: предложены новые способы ограничения перенапряжений перенапряжений в сетях,при замыканиях фазы на землю.

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 в среде MathCad и с помощью специализированной программы разработанной на кафедре “Электрические станции”.

1.1 Работа сетей в современных условиях.

Широко применяемые в настоящее время дугогасящие катушки(ДГК) как средство защиты электрооборудования от последствий однофазных замыканий из-за наличия несимметрии по фазам не только не улучшают работу сети, а наоборот, создают более неблагоприятные условия для работы изоляции электрооборудования. Перекосы напряжений по фазам резко сокращают срок службы изоляции всей электрически связанной сети и не обеспечивают требуемой эффективности в режиме дуговых замыканий фазы на землю т.к. росту кратности перенапряжения на элементах сети пропорционально степени несимметрии напряжения достигает величины 3Uф и более. Из-за указанных причин аварийность в современных сетях достигает 120-140 повреждений в год на каждые 100 км линий, до 80% из которых развиваются в междуфазные короткие замыкания или многоместные пробои изоляции на поврежденной фазе.

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.

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.

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.

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 :

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.

д) Перенапряжения знака не изменяют.

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

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 способов ограничения перенапряжений в сетях.

Рисунок 1-Схема замещения сети

2.2 Дифференциальные уравнения математической модели

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

, где p - оператор дифференцирования.

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

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.

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.

1) Доработана 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.

1. Евдокунин Г. А., Гудилин С. В., Корепанов А. А. Выбор способа заземления нейтрали в сетях. 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.