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.
Разработка физической модели сети с двигательной нагрузкой и анализ, с её помощью, процессов при глухих и дуговых замыканиях в сетях с изолированной нейтралью. На основе полученных результатов разработать новые схемные решения по ограничению перенапряжений в распредсетях 6 — 10кВ при замыканиях фазы на землю.
В соответствии с этим основными задачами являются:
• Совершенствование и доработка физической модели сети созданной в лаборатории ТЭВН кафедры ЭС.
• Разработка методики проведения экспериментов и обработки результатов исследований.
• Исследование на физической модели переходных процессов и анализ полученных результатов.
• Разработка способов и новых схемных решений для ограничения перенапряжений.
Предложены новые схемные решения по ограничению перенапряжений в сетях 6 — 10 кВ при замыканиях фазы на землю.
Практическая ценность: практическая реализация предлагаемых решений и рекомендаций на основе анализа полученных результатов позволит существенно улучшить условия работы электрооборудования и распределительных сетей.
В работе принят метод физического моделирования электрических сетей с двигательной нагрузкой, разработана и реализована принципиально новая методика обработки результатов исследования.
Результаты исследований были доложены на студенческой научной конференции кафедры ЭС «День науки 2011».
1.1 Работа сетей 6 — 10 кВ 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 [1].
1.2 Основные теории, используемые для анализа способов ограничения перенапряжений при однофазном замыкании на землюВ 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 [4].
В 1957 г. Н.Н.Беляковым была опубликована теория возникновения перенапряжений при дуговых замыкания на землю также в сетях с изолированной нейтралью [4].
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 Uф.
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 Uсм.
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 ± Uф и ±2 Uф).
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 ±0.5Uф и ±1.5Uф.
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 0.4Uф.
б) Второе зажигание дуги, при котором на отстающей фазе возникают наибольшие перенапряжения 3.2Uф, должно произойти именно в момент при напряжении повреждённой фазы, приблизительно равном 2.2Uф, т.е. больше, чем первое зажигание.
1.3 Обзор существующих способов ограничения перенапряжений в сетях 6-10 кВСети 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 СХЕМЫ ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ С ДВИГАТЕЛЬНОЙ НАГРУЗКОЙ И ВЫБОР МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРЕМЕНТАИсследования проводились на специально разработанной модели распредсети с двигательной нагрузкой и созданной в лаборатории ТВН ДонНТУ, в соответствии с расчетной схемы рис. 2.1. При этом, согласно данным опыта эксплуатации о характере развития повреждений электрооборудования за перенапряжения при дуговых замыканиях фазы на землю в сетях собственных нужд, были проведены две серии опытов. В первой — замыкание фазы на землю осуществлялось в питающей кабельной сети, а перенапряжения измерялись в различных точках сети, в том числе и по отпайки статорных обмоток электродвигателей. Во второй — замыкалась обмотка электродвигателя на корпус на разном удалении от ее начала, а перенапряжения измерялись в тех же точках сети, что и в первой серии. Для оценки влияния параметров питающей сети на величину перенапряжений в опытах моделировались эквивалентные по емкости сети собственных нужд блоков 200, 300 и 800МВт путем подключения различного числа кабельных ячеек. Имитация дугового замыкания фазы на землю в различных точках кабельной сети осуществлялась с помощью устройства среза, подключаемого к выводам модельных ячеек кабельной сети и отпайки статорных обмоток электродвигателей [3].
Непосредственное осциллографирование переходных процессов для исследования перенапряжений при столь большом числе факторов, влияющих на них, потребовало бы значительных затрат времени на проведение эксперимента и последующую обработку полученной информации. Дело в том, что переходные процессы при дуговых замыканиях фазы на землю является, как известно, кратковременными и повторяются периодически, поэтому их просмотр возможен только после осциллографирования и фотографической обработки фотопленки. Более удобно такие кратковременные явления получать в виде фотографий, что позволяет заранее просмотреть большое число осциллограмм изучаемых процессов и отобрать для последующей записи на фотопленку наиболее характерную с точки зрения поставленной задачи, информацию. В данной работе это достигнуто путем периодизации переходных процессов, т.е. повторение с наложением совпадающих изображений друг на друга с помощью управляемого устройства (рис.2.1), отображающий процесс дугового замыкания фазы на землю в каждый полупериод промышленной частоты. Фотографирование явления с экрана электронопроминевого осциллографа С1 — 81 производилось с помощью фотоаппарата. Полученная при этом минимальное количество осциллограмм значительно сократило объем времени, используемого на их обработку.
Рисунок 2.1 - Принципиальная схема физической модели распределительной сети с двигательной нагрузкой
Для удобства обмеров осциллограмм их увеличение при печати на фотобумаге выбиралось таким образом, чтобы одна клетка масштабной сетки осциллографа имела размер 10х10мм. При этом, в случае отсутствия специальных оговорок, за масштабную единицу напряжения взята амплитуда фазного напряжения, равная 0,5 клетки, а масштаб времени принят из расчета 100мкс на одну клетку экрана осциллографа.
Для примера на рис. 2.2а, б приведены осциллограммы переходных процессов на здоровых фазах, снятые по разработанной методике, по характеру и величине перенапряжений хорошо согласуются с осциллограммами, полученными в реальных сетях.
Рисунок 2.2 а,б — неповреждённые фазы
Там же (рис.2.2в) приведена и осциллограмма напряжения в нейтрали электродвигателя, трапециидальний характер которого подтверждает правильность воспроизводимого перемежающегося дугового замыкания фазы на землю. Результаты исследований показали, что величина перенапряжений на здоровых фазах не зависит от места замыкания фазы на землю, а при прочих равных условиях определяется только моментом замыкания. Перенапряжения определяются величиной наложенной высокочастотной составляющей на постоянное напряжение здоровых фаз относительно земли. Частота наложенной составляющей определяется параметрами подзарядных контуров, включающих в себя в основном индуктивность рассеяния источника питания и емкость неповрежденных фаз, т.е:
где L тр — индуктивность рассеяния питающего трансформатора;
Сс — емкость поврежденной фаз сети.
Частота наложенных колебаний определяется параметрами сети и моделируемых сетей она составляла от сотен Гц до нескольких кГц.Максимальная кратность перенапряжений на здоровых фазах, полученная при проведении экспериментов, составила 3,2 U ф. при этом на другой здоровой фазе перенапряжения составили 2,4 U ф. напряжение в нейтрали имеет также вид высокочастотных колебаний, наложенных на напряжение смещения нейтрали, но в отличие от напряжения на здоровых фазах, частота колебаний здесь заметно выше. Поэтому на традиционно используемых для исследования этих процессов шлейфным осциллографов с механическим разверткой эти колебания практически не фиксируются. В то же время вызываемые ими перенапряжения достигают двух и более кратной величины [1].
Для оценки влияния параметров сети и установлении предельной кратности перенапряжений на элементах сети, удаленных на разное расстояние от источника питания были проведены исследования для сетей с характерными для различных режимов работы сети параметрами по току замыкания. Опыты проведены при токах в пределах от 2,4А до 20А.
Исследования выполнены для различных по параметрам сетей, показали, что кратность перенапряжений, зависит от параметров сети, во всей электрически связанной сети в разных точках: на шинах, зажимах электродвигателей различных по мощности, по длине кабеля отличаются друг от друга и по величине и по частотным параметрам. Наиболее высокие перенапряжения имеют место на зажимах электродвигателей наиболее удаленных от источника питания. Причем на двигателях меньшей мощности эти перенапряжения меньше, чем на двигателях большей мощности. Для рассматриваемой схемы они составили 3,6 U Ф против 3,2 U Ф на шинах секции сети с двигательной нагрузкой.На шинах и по длине кабеля величина перенапряжений оказалась примерно одинаковой.
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) Разработана физическая модель распределительной сети с двигательной нагрузкой.
2) Исследованы на физической модели переходные процессы в сетях с двигательной нагрузкой при дуговых замыканиях фазы на землю и проведен анализ полученных результатов.
3) Разработаны способы ограничения и ряд схемных решений по снижению кратности и длительности дуговых перенапряжений Осуществлена схемная реализация разработанных способов.
4) Исследована эффективность разработанных способов на физической модели и действующей подстанции.
При написании данного автореферата магистерская работа еще не завершена. Дата окончательного завершения работы: декабрь 2011 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его научного руководителя после указанной даты.