Введение. Причиной значительной части отказов в электрических сетях напряжением 6-36 кВ являются
внутренние перенапряжения, которые возникают при следующих видах электромагнитных переходных
процессов : дуговые замыкания; феррорезонансные процессы; коммутационные процессы, которые возникают
в двух частотных контурах при включении и отключении электрических двигателей и батарей конденсаторов,
при возникновении и ликвидации коротких замыканий [1-2].
К дополнительным факторам, присущим конкретным системам электроснабжения, относятся следующие:
- наличие токоограничивающих реакторов, которые могут привести к повышению перенапряжений;
- наличие в сети воздушных и кабельных линий, отличие волновых параметров которых приводит к возникновению перенапряжений;
- отключение пусковых токов электродвигателей вакуумными выключателями;
- отсутствие автоматической настройки дугогасящих реакторов и, как следствие, не обеспечивается компенсация токов замыкания на землю.
В ряде работ показано, что ограничить дуговые перенапряжения на уровне первого пробоя изоляции (2,2-2,6
о.е), без отключения потребителя можно путем замыкания нейтрали через высокоомный резистор. При этом
сопротивление может быть определено по формуле:
где С – суммарная емкость фазы электрической сети.
Несмотря на значительное число работ, существует проблема координации уровня изоляции в электрических сетях напряжением 6-35 кВ. Анализ использования режимов нейтрали сетей 6-35 кВ в ряде стран позволяет сделать вывод, что в настоящее время при эксплуатации этих сетей используются практически все возможные режимы заземления нейтрали, а в ряде стран переходят к режиму глухого заземления. Углубленное изучение эффективности традиционных средств с помощью современных методов исследования, использование устройств, создаваемых на основе сверхпроводниковых материалов и современных технологий, создают предпосылки для совершенствования существующих и создания новыхсредств. Так, в последние годы развивается применение сверхпроводниковых ограничителей токов (СОТ) в электрических системах, в том числе и заземления нейтралей электрических сетей. Таким образом, задача исследования компенсации токов замыкания и ограничения перенапряжений в сетях 6-35 кВ является актуальной.
Цель работы. Разработка компьютерной программы для исследования методов компенсации токов замыкания на землю и ограничения перенапряжений в сетях напряжением 6-35 кВ с учетом выполненного в работе обобщения факторов, проявляющихся в конкретных электрических сетях. Материал и результаты исследования. Основой для разработки средств исследования является пакет Matlab. Практически все элементы электрической сети имеются в библиотеке пакета. Для анализа применимости СОТ для обеспечения режима работы электрической сети необходима разработка соответствующего блока в среде Matlab.
В работе решались следующие задачи: выявление факторов, которые необходимо учитывать при обосновании мероприятий по ограничению перенапряжений:
– разработка блока СОТ, для использования в компьютерной модели;
– оценка методов компенсации и ограничения перенапряжений на примере конкретных электрических сетей.
Анализ ряда работ, связанных с экспериментальными исследовании и математическим моделированием,
позволяет выделить следующие направления и факторы:
1) отдельные мероприятия по защите от перенапряжений:
– заземление нейтрали сети через резистор (для исключения эскалации перенапряжений при замыканиях фазы на землю в сетях с компенсированной нейтралью) и нарушения условия существования ферорезонанса за счет насыщения магнитопровода трансформаторов напряжения. Величина резистора выбирается, исходя из условия разряда емкости сети за 0,01 секунду;
– установка антирезонансных трансформаторов напряжения, установка ОПН для исключения опасных ферорезонансних явлений при изолированной нейтрали сети;
– установка ОПН или RC-цепочки (желательно непосредственно в электрооборудовании, которое отключается) для защиты сети от перенапряжений, возникающих при повторных зажиганиях дуги между контактами, при отключении присоединения вакуумными выключателями.
Радикальная мера - установка и использование выключателя с высокой скоростью возобновления электрической прочности (порядком 70-90 кВ/мс);
2) комплекс мероприятий защиты от перенапряжений сетей напряжением 6-35 кВ:
- резисторы в нейтрале сети или параллельное соединение дугогасящего реактора и резистора (в зависимости от величины тока однофазного замыкания на землю);
– ОПН с параметрами, определяемыми электрической прочностью изоляции самого «слабого» в этом
отношении элемента оборудования, способом организации релейной защиты при ОЗЗ, а также режимом заземления нейтрали сети; наличием токоограничивающих реакторов;
– RC-цепочка, необходимость установки которой зависит от характеристик коммутирующей аппаратуры;
3) система защиты электрических сетей с электрическими двигателями:
– оснащение нулевой точки сети высокоомным резистором для исключения опасных перенапряжений при
дуговых замыканиях, которые охватывают все оборудование сетей; эффективного подавления разных резонансных и феррорезонансных процессов (при больших величинах токов емкостей однофазного замыкания на землю резистор устанавливается параллельно дугогасящему реактору);
– оснащение присоединений с двигателями защитными аппаратами (ОПН или RС-цепочками), устанавливаемыми преимущественно непосредственно у двигателей для обеспечения надежной эксплуатации корпусной и витковой изоляции статора двигателей при их коммутациях.
В [3-4] рекомендуются для компенсации токов замыкания на землю дугогасящие реакторы РОУМ, которые, по утверждению разработчиков, как при устойчивом, так и при неустойчивом горении дуги имеют безынерционный выход на режим и возврат к току компенсации. В результате анализа экспериментальных исследований в [5] сделаны выводы, что время :выхода может составлять до 6-8 секунд, реальная расстройка компенсации может превышать заданную, а в режимах однофазных дуговых замыканий на землю система«РУОМ+САНК» не имеет каких-либо преимуществ перед традиционными дугогасящими реакторами со ступенчатым или плавным регулированием индуктивного тока. В компьютерной модели необходимо учитывать особенности дугогасящих реакторов и систем управления. В ряде работ приводятся исследования по применению СОТ в сетях 6 – 35 кВ как при отдельной установке (СОТ резистивного и индуктивного типов), так и параллельно дугогасящему реактору (ДГР) в условиях нормального режима работы, режима несимметрии продольных параметров линии электропередачи, а также перемежающегося дугового замыкания. На рис. 1 приведена схема реализации устройства СОТ.
Рисунок 1 – Компьютерная модель СОТ
Блок SOT реализует сверхпроводниковый токоограничитель, который изменяет свое сопротивление со
значения R_SC (сопротивление в сверхпроводящем состоянии) на значение R_nonSC (сопротивление при исчезновении сверхпроводимости), когда на него поступает сигнал о наличии замыкания. Изменение на R_nonSC происходит с постоянной времени реагирования, задаваемой в блоке Transfer Fcn1. Значения R_SC, R_nonSC и времени реагирования задаются в маске. В модели СОТ может быть реализован необходимый закон изменения сопротивления.
Компьютерная программа реализована в пакете Matlab. Ее адекватность проверялась путем сопоставления
результатов моделирования с экспериментальными. На рис. 2 , в качестве примера, приведены результаты моделирования дугового замыкания воздушной линии (провод АС-95/16, 10 км), подключенной к шинам низкого напряжения трансформатора мощностью 16 МВА. В приведенном варианте использовались
следующие условия: сопротивление дуги 1 Ом, замыкание в фазе А происходит в момент t = 0,05, в момент времени t = 0,1 замыкание устраняется, в момент времени t = 0,188 происходит замыкание на землю фазы С. На рис. 2 приведены в о.е. напряжения фаз А, В, С, напряжение нейтрали при наличии СОТ.
Рисунок 2 – Осциллограмма напряжений фаз и напряжении нейтрали при наличии СОТ
Выводы. Разработана компьютерная программа в среде Matlab, которая позволяет при моделировании учитывать различные режимы нейтрали сети, включая использование СОТ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ
1. Евдокунин Г.А. Феррорезонансные перенапряжения при несимметричных включениях силовых трансформаторов 6-10 кВ/ Евдокунин Г.А., Кадзов Г.Д., Титенков С.С. // Известия АН. Энергетика. - 2001. – №6.
2. Кадомская К.П. Влияние разброса в действии фаз выключателей на перенапряжения, возникающие при включении толчком линии электропередачи / Кадомская К.П., Левинштейн М.Л // Электротехника.– 1960. - №1. – С. 13-17.
3. Базуткин В.В. Особенности технического перевооружения сетей среднего напряжения при больших емкостных токах замыкания на землю / Базуткин В.В., Балаков Ю.Н., Кладов Г.И., Ребров Г.Н. // Электро. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. – 2004. – №3. – С. 2-6.
4. Базуткин В.В. К проблеме компенсации емкостных токов в сетях 6-10-35 кВ / Базуткин В.В. // Электро.Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. – 2007. – №1. – С. 13-18.
5. Экспериментальное исследование эффективности дугогасящего реактора РУОМ при «металлических» и дуговых однофазных замыканиях на землю в сети 10 кв / Ширковец А.И., Ильиных М.В., Дмитриев И.Н., Астафьев С.О., Хуртов И.И., Ильин А.И., Сазонов В.Н., Багаев Д.В..// Электро.Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. – 2009. - №3. – С. 17-26.