Агутін Олексій Миколайович
Факультет електротехнічний
Кафедра електричні станції
Спеціальність «Електричні станції»
Перехідні процеси в мережах з двигунним навантаженням при дугових замиканнях на землю
Науковий керівник: к.т.н., доц. Дергільов Михайло Павловіч
Реферат з теми випускної роботи
ЗМІСТ:
ВСТУП1 Сучасний стан дослідження дугових перенапруг в межах с.н. ТЕС та обгрунтування методик проведення досліджень
2 Математична модель для дослідження перехідних процесів у мережі власних потреб ТЕС
3 Результати дослідження перехідних процесів у мережі власних потреб електростанцій при дугових замиканнях на землю
Результати роботи
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
ВСТУП
Як відомо в режимі однофазних замикань на землю в розподільних мережах досить часто мають місце випадки багатомісних пробоїв ізоляції з груповим виходом з ладу електрообладнання.
Післяаварійний аналіз та обстеження пошкодженого електрообладнання показує, що в багатьох випадках причиною відмови є електричний пробій ізоляції через перенапруження, що виникають при дугових замиканнях на землю. Оскільки, зазначені вище пошкодження важко пояснюються традиційними уявленнями про механізм розвитку дугових перенапруг, то в даній роботі ставилося завдання виявлення режимів, що супроводжуються небезпечними для ізоляції перенапруги.
Математичний аналіз, розрахунку на ЕОМ та експерементальні дослідження на моделі мережі і в реальних мережах показали, що однією з причин одночасного пошкодження декількох одиниць електрообладнання можуть бути резонансні перенапруги, що виникають у розрядних контурах замкнутої фази.Більша кратність і ймовірність їх появи різко зростає із збільшенням параметрів мережі та потужності електроприймачів. Локалізуючись в місцях підключення великих індуктивних опорів, вони можуть виникнути одночасно на декількох приєднаннях, що і може бути причиною групового пошкодження електроустаткування.
Великі перенапруги виникають також у статорній обмотці електродвигуна при замиканні її на корпус. Дослідження, виконані на різних за потужністю електродвигунах показали, що при дуговому замиканні на корпус в статорній обмотці виникають швідкогаснущі перенапруги до 5Uф з частотою до декількох десятків кілогерц, тобто значно перевищують норми віпробувальної напруги електродвигунів (2,74 Uф).
Оскільки зазначені перенапруги носять локальний характер, а місце їх виникнення визначається конфігурацією та параметрами мережі, характером горіння дуги і точкою замикання фази на землю, то поширення в даний час засобів обмеження та реєстрації перенапруження у даному випадку виявляються не ефективними.
На основі аналізу результатів досліджень намічені шляхи обмеження цих перенапруг, що дозволяють також істотно знизити перенапруги на непошкоджених фазах.
1 Сучасний стан дослідження дугових перенапруг в межах с.н. ТЕС та обгрунтування методик проведення досліджень
Як відомо, при замиканні фази на землю в мережі з ізольованою нейтраллю в усталеному режимі напруга на непошкоджених (здорових) фазах зростає до лінійного значення. Однак сталому режиму передує перехідний процес, кратність перенапруг в якому як на здорових, так і на пошкоджених фазах може досягати значно більшої величини. Процес ускладнюється тим, що в переважній більшості випадків замикання на землю відбувається через дугу, яка виникає в результаті перекриття або пробою ізоляції. При цьому горіння дуги не є стійким, а спостерігаються повторні горіння і запалювання її (переміжна дуга), які призводять до розвитку перехідних коливальних процесів і зростання перенапруг. Величина перенапруг залежить як від умови гасіння дуги, так і від характеру процесу виникнення електричної міцності дугового проміжку після її гасіння.
З моменту замикання на землю через дугу проходить ємкісній струм робочої частоти:
і струм високочастотних коливань. Можна припустити, що гасіння дуги відбувається при проходженні через нуль струму високочастотних коливань (теорія Петерсена) або при проходженні струму робочої частоти через нульове значення (теорія Петерса і Сліп'яна), а запалюється при максимумі напруги на пошкодженій фазі.
Відповідно до теорії Петерсена, максимальні перенапруги на здорових фазах в перехідному режимі можуть бути визначені за формулою:
де Uф - амплітуда фазної напруги;
– коефіцієнт, що залежить від співвідношення міжфазних ємкостей по відношенню до землі с0 для досліджуваної мережі;
– коефіцієнт, що залежить від ємкості, індуктивності джерела живлення і активного опору витоків через ізоляцію мережі;
– вираз, що визначає затухання амплітуди перехідного процесу, пов'язаного з витоками енергії через активні опори мережі.
Максимальна напруга на пошкодженій фазі при цьому може бути оцінена за виразом:
Відповідно до цієї теорії перенапруги на непошкоджених фазах можуть підвищуватися до 7.5Uф, а на пошкодженій фазі вони досягають 3.7 Uф.
За Петерсоном і Слепяном гасіння дуги відбувається через полперіода після запалювання, коли вільні коливання загасають і миттєві значення напруги на непошкоджених фазах досягає свого максимального значення, а зсув нейтралі:
максимальне значення перенапруг на здорових фазах складе
а напруга на пошкодженій фазі в залежності від моменту її пробою визначається з виразу
Таким чином, відповідно до теорії Петерса і Слепяна, в результаті перезарядки ємностей проводів при запаленні і гасінні дуги напруги на справному дроті досягає значень 3.5Uф, а на пошкодженій дроті - 2 Uф. Зазначені значення перенапруг добре узгоджуються з результатами розрахунків для здорової і ушкодженої фаз, з урахуванням затухання та міжфазних ємності в реальних мережах [1].
Відповідно до теорії М.М. Белякова для виникнення максимального перенапруги зовсім не обов'язковий ряд повторних запалень дуги. Досить розглянути лише один цикл запалювання-гасіння-запалювання.
Таким чином, перенапряжениям при дугових замиканнях фази на землю традиційно приділялася велика увага провідними фахівцями світової енергетики. Дослідження проводилися як в реальних мережах, так і на математичних моделях, і на фізичних моделях електричних мереж. За більш ніж півстолітній період роботи накопичений великий теоретичний і експериментальний матеріал, реалізація якого в практику дозволила істотно підвищити надійність роботи електрообладнання мереж розглянутого класу напруги. Однак до теперішнього часу в літературі є багато суперечливих, а іноді й протилежних даних, отриманими різними дослідниками з даної проблеми. Такі протиріччя обумовлені складністю і різноманіттям факторів, що впливають на характер перехідних процесів і величину перенапруг у різних за параметрами і режиму заземлення нейтралі електричних мережах.
В даний час в умовах постійного погіршення стану ізоляції електрообладнання систем електропостачання власних потреб ТЕС через відсутність коштів на заміну та якісного відновлення зношеного електрообладнання актуальність цієї проблеми ще більше зростає, так як показано раніше, вони є основною причиною пошкоджуваності електрообладнання. Оскільки надійні засоби захисту від дугових перенапруг відсутні, то успішне рішення проблеми може бути знайдено тільки в оптимізації режимів нейтралі мереж власних потреб у поєднанні з різними схемними рішеннями.
2 Математична модель для дослідження перехідних процесів у мережі власних потреб ТЕС
Для проведення досліджень використана фізична модель електричної мережі з руховим навантаженням, принципова схема якої представлена на рис 1. Схема включає в себе: розділовий трансформатор, напругою 0,4 / 0,4 кВ, потужністю 100кВА, модель живильних кабелів, виконаних у вигляді RLC ланцюжків і реальних електродвигунів, потужністю від 3 до 10 кВт. Фізична модель забезпечена пристроєм відтворення дугових замикань в мережі, виконаної на основі тиристора Т9-200 і пристроєм управління його.
Рисунок 1 — Принципова схема фізичної моделі електричної мережі з двигунним навантаженням.
На цій схемі заміщення джерело напруги представлений фазними ЕРС, індуктивністю розсіювання L і активним опором R. У схемі заміщення мережа врахована ємностями (Са, СB, Сс) і активними опорами (Rua, Rub, Ruc) ізоляції фаз на землю, індуктивно-ємнісними (М, См) міжфазних зв'язками, ємність яких має активний опір витоку RТ. У нейтраль цього трансформатора може бути підключений струмообмежуючі резистор RD або дугогасильний реактор LD. Високовольтний асинхронний електродвигун включений у схему заміщення фазними сверхпереходнимі індуктивностями розсіювання L1 і опорами R1. В одній з фаз електродвигуна передбачена можливість зміни місця виникнення однофазного замикання на землю уздовж обмотки шляхом введення змінюваних опорів R11, R12 і індуктивностей розсіювання L11, L12. Ланцюг замикання фази на землю в обмотці двигуна імітується його ємністю Cz і активним опором дуги Rz. Оксидно-цинкові обмежувачі перенапруг (ОПН), що встановлюються на збірних шінaх або висновках двигунів, враховуються нелінійними залежностями їх активного опору від струму або напруги [4].
3 Результати дослідження перехідних процесів у мережі власних потреб електростанцій при дугових замиканнях на землю
В результате большого объёма исследований, которые проводились с использованием математической модели, для разных по параметрам и режиму заземления нейтрали сетей с.н. ТЭС установлено, что основным фактором, который определяет характер переходных процессов и величину перенапряжений при ОЗНЗ в сети с изолированной нейтралью является ёмкость фаз по отношению к земле и междуфазная ёмкость, индуктивность источника питания и трансформаторов, характер нагрузки, сопротивление в месте замыкания фазы на землю и т.д. Для возникновения предельных кратностей перенапряжений в сети с заданными параметрами решающее значение оказывают: величина мгновенного значения напряжения на повреждённой фазе в момент первичного зажигания дуги, момент погасания дуги и напряжение при повторном и последующем зажигании дуги.
Нижче наведені розрахункові осцилограми перехідних процесів у мережі с.н. ТЕС при дугових замиканнях на землю. Перший і наступні пробої відбулися при максимумі напруги пошкодженої фази, а гасіння дуги в момент проходження струму промислової частоти (рис. 2) і повного струму замикання (мал. 3) через нуль.
Рисунок 2 — Процеси при дуговому замиканні фази С на землю в мережі з ізольованою нейтраллю (струм замикання фази на землю - 30 А)
Рисунок 3 — Процеси при дуговому замиканні фази С на землю в мережі з ізольованою нейтраллю (струм замикання фази на землю - 30 А)
Як показали дослідження для різних за параметрами електричних мереж с.н. ТЕС максимум перенапруг на випереджаючої фазі після пробою ізоляції досягає (2.4-2.5) Uф, а при наступних пробоях величина перенапруг на здорових фазах виростає. Ескалація (поступове наростання) перенапруг в мережі при горінні дуги за другим сценарієм обумовлено зростанням напруги на нейтралі в процесі багаторазового запалювання і гасіння дуги струму замикання в дуговому проміжку. Для мереж с.н. ТЕС, з характерними для них параметрами, величина перенапруг може скласти (3.2-3.5) Uф. При появі в мережі несиметрії напруг по фазах перенапруги можуть істотно зрости, так як дослідженнями встановлено, що кратність дугових перенапруг виростає приблизно пропорційно величині зсуву нейтралі.
Найбільш поширеним в даний час способом зниження аварійних наслідків від однофазних замикань є дугогасильний реактор (ДГР), який зберігає переваги мереж з ізольованою нейтраллю. Ефективність застосування ДГР в значній мірі визначається ступенем його настройок на значення ємнісного струму замикання на землю. При цьому підключення реактора до нейтралі мережі сприяє: істотного зниження теплових втрат на дуговому проміжку за рахунок зниження струму замикання на землю до рівня активної складової вищих гармонік і струмів несиметрії, і як наслідок, самовільне погасання дуги; зменшення кількості повторних запалювання дуги за рахунок істотного зниження швидкості (до сотень періодів промислової частоти) відновлення напруги на дуговому проміжку після згасання дуги; виключення повторних пробоїв на дуговому проміжку при напрузі більше фазного, що робить неможливим ескалацію перенапруг в мережі з резонансним заземленням нейтралі і дозволяє зберегти кратність дугових перенапруг на рівні першого пробою ізоляції , тобто в межах (2.4-2.6) Uф. Однак, як показали наші широкомасштабні дослідження, домогтися очікуваних результатів можна тільки в строго симетричних мережах при коефіцієнті налаштування ДГР в межах (0.98-1.02), що добре ілюструється отриманими розрахунковими осциллограмами зміни напруги і струму в мережі з ДГР в умовах налаштування його близькому до резонансної (рис. 4).
Рисунок 4 — Процеси при замиканні фази С на землю в мережі з ДГР в умовах налаштування його близької до резонансної (струм замикання фази на землю - 30 А)
Растройка компенсації призводить до істотного зниження ефективності від використання ДГР. Так, наприклад, растройка компенсації більше ніж на 5% веде до різкого збільшення кратності перенапруг, а при налаштуванні ДГР в режимі перекомпенсації (рекомендується ПТЕ) на 25% кратність перенапруг в мережі з ДГР вже може досягти 3Uф і більше [3]. При виникненні в мережі несиметрії напруги по фазам кратність необмежених перенапруг може різко зрости, оскільки тут, так само як і у мережі з ізольованою нейтраллю величина перенапруг збільшується пропорційно зміщення нейтрали. Зростанню перенапруг сприяє й той факт, що при неточною налаштуванні ДГР процес вирівнювання напружень фаз після згасання дуги носить характер биття, амплітуда і частота яких визначається ступенем растройкі компенсації і добротністю коливального контуру. При точній настройці ДГР або при невеликій перекомпенсації, виникнення биття при ОЗНЗ можливо при відключенні приєднання з великим ємнісним струмом підживлення. Небезпека биття полягає в тому, що для паперово-масленной ізоляції кабелів, яка самовостанавлівается, повторне замикання на пошкодженій фазі може відбутися при напрузі близькому до 2Uф, що призведе до максимальних перенапряжениям на здорових фазах.
Результати роботи
1) Розроблено фізичну модель електричної мережі з ізольованою нейтраллю і руховим навантаженням.
2) Проведено великий обсяг експериментальних досліджень дугових перенапруг на фізичній моделі мережі з руховим навантаженням, при широкому варіюванні параметрів мережі та місця замикання фази на землю.
3) Отримані результати досліджень показали, що двигунне навантаження робить великий вплив як на якісні, так і на кількісні параметри дугових перенапруг.
4) За результатами досліджень запропоновано ряд схемних рішень, практична реалізація яких дозволить істотно поліпшити умови роботи електрообладнання в розглянутих мережах з двигунним навантаженням і знизити пошкоджуваність електродвигунів в умовах експлуатації. Розроблено способи обмеження перенапруг і скорочення тривалості дугових замикань. Здійснено схемна реалізація розроблених способів.
5) Досліджено ефективність розроблених способів на фізичній моделі та діючої підстанції.
*Список результатів не закінчено, тому що магістерська робота знаходиться в процесі доопрацювання, остаточну версію можна взяти у автора в січні 2012.
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1.Перехідні процеси в системах електропостачання власних потреб електростанцій: Навч. посібник/ Сивокобиленко В.Ф., Лебедєв В.К. — Донецьк: РВА ДонНТУ, 2002. — 136 с.
2.Лихачев Ф.В. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов. — Москва: Энергия, 1971. — 254 с.
3.Дергилев М.П., Обабков В.К. Неснижаемые кратности перенапряжений в сети 6-35 кВ с резистивным заземлением нейтрали. // Наука, техника, бизнес в энергетике. — Екатеринбург. — 2002. — №5. — С. 10 – 14.
4.Сивокобыленко В.Ф., Лебедев В.К., Махинда Сильва. Анализ процессов дуговых замыканий на землю в сетях собственных нужд ТЭС и АЭС. — Сб. научных трудов ДонГТУ. Серия: Электротехника и энергетика, вып. 17: — Донецк: ДонГТУ, 2000. — С. 129 – 133.
5.Зильберман В.А., Эпштейн И.М. др. Влияние способа заземления нейтрали сети собственных нужд блока 500 МВт на перенапряжения и работу релейной защиты. // Электричество. — 1987. — №12. — С. 52 – 56.
6.Сирота И.М., Кисленко С.Н., Михайлов А.М. Режимы нейтрали электрических сетей. — Киев.: Наук. Думка, 1985 . — 190 с.
7.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.