ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Общая характеристика работы

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: разработка математической модели и исследование переходных процессов в распределительных сетях 6-35кВ, работающих с нейтралью заземлённой через дугогасящую катушку, при дуговых замыканиях фазы на землю, и принятие мер по повышению надёжности работы электрооборудования в указанных сетях.

Научная новизна: исследованы переходные процессы и предложены новые схемные решения по ограничению перенапряжений в сетях 6-35кВ при замыканиях фазы на землю.

Практическая ценность: практическая реализация предлагаемых решений и рекомендаций на основе анализа полученных результатов позволит существенно повысить условия работы электрооборудования и распределительных сетей.

Методы исследования: в работе принят метод математического моделирования электрических сетей с резонансно-компенсированной нейтралью.

Апробация работы: результаты исследований были доложены на студенческой научной конференции кафедры ЭС «Дни науки 2012», а также докладывались на Всеукраинской студенческой научно-технической конференции в городе Севастополе.

ВВЕДЕНИЕ

Наиболее распространенными видами повреждений в электрических сетях всех классов напряжения являются однофазные замыкания на землю. По данным в распределительных сетях 6-10кВ они составляют не менее 80-90% от общего числа случаев нарушения нормальной работы сети. В подавляющем большинстве случаев такие замыкания сопровождаются горением частичных дуг в месте пробоя или перекрытия изоляции и сложными переходными процессами с большой кратностью перенапряжений. Из анализа данных опыта эксплуатации различных по назначению электрических сетей (горные, металлургия, химия и коксохимия, а так же сети собственных нужд ТЭС) следует, что при постоянно ухудшающемся техническом состоянии их в пределах 60-80% этих замыканий в настоящее время развиваются в многоместные пробои изоляции на поврежденной фазе или переходят в междуфазные короткиезамыкания с вытекающими отсюда последствиями. Причем, при хорошем совпадении данных различных источников около 35% этих случаев объясняется термическим действием заземляющей дуги и порядка 65% - воздействием возникающих при этом дуговых перенапряжений. Отсюда очевидно, что основным направлением повышения надежности работы рассматриваемых сетей, является борьба с последствиями однофазных замыканий на землю. На основе обобщения опыта эксплуатации и проведения специальных исследований в данной работе ставилась задача оценить эффективность применяемых в настоящее время средств борьбы с воздействием заземляющих дуг и возникающими при этом перенапряжениями.

Самым распространенным в настоящее время средством защиты распределительных сетей от последствия однофазных замыканий на землю является дугогасящая катушка (ДГК). Однако, в условиях постоянного ухудшения сетей и отсутствия серийно выпускаемых средств настройки катушки, эффективность ее очень низка, а во многих случаях она даже ухудшает работу сетей из-за того, что создавая большие перекосы напряжений по фазам резко сокращает срок службы изоляции и таким образом увеличивает аварийность в сетях.

Поэтому в данной работе ставилась задача разработать меры по повышению надежности работы электрооборудования сетей с резонансно-компенсированной нейтралью. С этой целью проведены исследования переходных режимов в указанных сетях при дуговых замыканиях на землю. По результатам этих исследований предложены меры по повышению надежности работы сетей и даны рекомендации по их практической реализации, что позволит повысить надежность и безопасность обслуживания распределительных сетей.

1. Современное состояние проблемы и способы её решения

1.1 Работа сетей 6-35кВ 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 так как кратность перенапряжений на элементах сети растёт пропорционально степени несимметрии напряжения, достигая 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 случае высокого уровня эксплуатации сети с ДГК правильно используемая компенсация емкостных токов имеет следующие преимущества:

• снижает ток замыкания на землю до минимальных значений (в пределе до активных составляющих и высших гармоник). Этим она обеспечивает надежное дугогашение и безопасность при растекании тока;

• облегчает требования к заземляющим устройствам;

• ограничивает перенапряжения, возникающие при дуговых замыканиях на землю, до значений 2.5-2.6 (при степени расстройки компенсации ), безопасных для изоляции электрооборудования;

• значительно снижает скорости восстановления напряжения на поврежденной фазе, что способствует восстановлению диэлектрических свойств места повреждения в сети после каждого погасания перемежающейся заземляющей дуги;

• предотвращает набросы реактивной мощности на источники питания при дуговых замыканиях на землю, чем сохраняется качество электроэнергии у потребителей;

• предотвращает развитие в сети феррорезонансных процессов (самовольное смещение нейтрали);

• обеспечивает длительную работу кабельной линии или сети с замкнувшейся фазой;

• обеспечивает высокий процент самопогасания заземляющих электрических дуг.

1.2 Современное состояние проблемы дуговых перенапряжений в распределительных сетях напряжением 6-35кВ, работающих с нейтралью заземлённой через дугогасящую катушку

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 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 ЭДС 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 6-35кВ.

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 математической модели для исследования переходных процессов в сети собственных нужд ТЭС

Для анализа переходных процессов в распределительной сети 6-35кВ при дуговых замыканиях на землю примем за основу схему показанную на рис. 1.

Рисунок 1 — Принципиальная схема распределительной сети с резонансно-заземлённой нейтралью

В отличие от известных математических моделей систем электроснабжения такого типа будем учитывать:

1) замыкания на землю в обмотках статора асинхронных двигателей и учёт их влияния на характер протекания процессов в зависимости от степени удалённости точки замыкания от выводов статора;

2) смещение нейтрали сети в доаварийном режиме за счёт несимметричной по фазам нагрузки или различной активно-ёмкостной проводимости фазной и междуфазной изоляции;

3) наличие специального присоединительного трансформатора для частичного заземления нейтрали через активное сопротивление или токоограничивающий реактор;

4) наличие нелинейных ограничителей перенапряжений, подключённым к сборным шинам 6кВ;

5) различные условия горения дуги — погасание дуги при переходе через ноль тока промышленной частоты или тока высокочастотных колебаний;

6) различную величину пробоя дугового промежутка при повторном зажигании перемежающейся дуги.

При составлении схемы замещения учитываем относительно малую протяжённость кабельных присоединений для условий распредсетей (до 0.5км) можно принять для всех элементов исследуемой сети сосредоточенные параметры. Будем рассматривать также исследуемую сеть как линейную, т.е. насыщением отдельных элементов пренебрегаем. Исходя из изложенного, на рис. 2 показана схема замещения исследуемой сети, принятая в основу математической модели.

Рисунок 2 — Схема замещения участка распределительной сети, работающей с резонансно-компенсированной нейтралью

На этой схеме замещения источник питания представлен фазными ЭДС, индуктивностью рассеяния L и активным сопротивлением R. В схеме замещения сеть учтена емкостями (Са, Сb, Сс) и активными сопротивлениями (Rua, Rub, Ruc) изоляции фаз на землю, индуктивно-ёмкостными (М, См) междуфазными связями, ёмкость которых имеет активное сопротивление утечки RТ. В нейтраль этого трансформатора может быть подключен токоограничивающий резистор RD или дугогасящий реактор LD. Высоковольтный асинхронный электродвигатель включён в схему замещения фазными сверхпереходными индуктивностями рассеяния L1 и сопротивлениями R1. В одной из фаз электродвигателя предусмотрена возможность изменения места возникновения однофазного замыкания на землю вдоль обмотки путём введения изменяемых сопротивлений R11, R12 и индуктивностей рассеяния L11, L12. Цепь замыкания фазы на землю в обмотке двигателя имитируется его ёмкостью Cz и активным сопротивлением дуги Rz. Оксидно-цинковые ограничители перенапряжений (ОПН), устанавливаемые на сборных шинах или выводах двигателей, учитываются нелинейными зависимостями их активного сопротивления от тока или напряжения.

Математическая модель описывается следующей системой дифференциальных уравнений:

3. Результаты исследования переходных процессов в распределительной сети с резонансно-компенсированной нейтралью и разработка мероприятий по совершенствованию условий работы электрооборудования в этих сетях

В результате большого объёма исследований, которые проводились с использованием математической модели, для разных по параметрам и режиму заземления нейтрали распределительных сетей установлено, что основным фактором, который определяет характер переходных процессов и величину перенапряжений при ОЗЗ в сети с ДГК 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.

Ниже приведены расчётные осциллограммы переходных процессов в исследуемых сетях при разных параметрах и режимах настройки ДГК. Первый и последующие пробои произошли при максимуме напряжения повреждённой фазы, а гашение дуги в момент прохождения тока промышленной частоты (рис. 3) и полного тока замыкания (рис. 4) через нуль.

Наиболее распространённым в настоящее время способом снижения аварийных последствий от однофазных замыканий является дугогасящий реактор (ДГР), который сохраняет преимущества сетей с изолированной нейтралью. Эффективность применения ДГР в значительной мере определяется степенью его настроек на значение ёмкостного тока замыкания на землю. При этом подключение реактора к нейтрали сети способствует: существенному снижению тепловых потерь на дуговом промежутке за счёт снижения тока замыкания на землю до уровня активной составляющей высших гармоник и токов несимметрии, и как последствие, самовольное погасание дуги; уменьшение числа повторных зажиганий дуги за счёт существенного снижения скорости (до сотен периодов промышленной частоты) восстановления напряжения на дуговом промежутке после погасания дуги; исключение повторных пробоев на дуговом промежутке при напряжении больше фазного, что делает невозможным эскалацию перенапряжений в сети с резонансным заземлением нейтрали и позволяет сохранить кратность дуговых перенапряжений на уровне первого пробоя изоляции, т.е. в пределах (2.4-2.6)Uф. Однако, как показали наши широкомасштабные исследования, добиться ожидаемых результатов можно только в строго симметричных сетях при коэффициенте настройки ДГР в пределах (0.98-1.02), что хорошо иллюстрируется полученными расчётными осциллограммами изменения напряжения и тока в сети с ДГР в условиях настройки его близкому к резонансной (рис. 3).

Растройка компенсации приводит к существенному снижению эффективности от использования ДГР. Так, например, растройка компенсации больше чем на 5% ведёт к резкому увеличению кратности перенапряжений, а при настройке ДГР в режиме перекомпенсации (рекомендуется ПТЭ) на 25% кратность перенапряжений в сети с ДГР уже может достичь 3Uф и более. При возникновении в сети несимметрии напряжений по фазам кратность неограниченных перенапряжений может резко возрасти, поскольку здесь, так же как и в сети с изолированной нейтралью величина перенапряжений увеличивается пропорционально смещению нейтрали. Росту перенапряжений способствует и тот факт, что при неточной настройке ДГР процесс выравнивания напряжений фаз после погасания дуги носит характер биения (рис. 4), амплитуда и частота которых определяется степенью растройки компенсации и добротностью колебательного контура. При точной настройке ДГР или при небольшой перекомпенсации, возникновение биений при ОЗНЗ возможно при отключении присоединения с большим ёмкостным током подпитки. Опасность биений заключается в том, что для бумажно-масленной изоляции кабелей, которая самовостанавливается, повторное замыкание на повреждённой фазе может произойти при напряжении близком к 2Uф, что приведёт к максимальным перенапряжениям на здоровых фазах.

Рисунок 3 — Процессы при замыкании фазы С на землю в сети с ДГР в условиях настройки его близкой к резонансной (ток замыкания фазы на землю – 30 А)

Рисунок 4 — Процессы при замыкании фазы С на землю в сети с ДГР (ток замыкания фазы на землю – 30 А, перекомпенсация 10%)

В планах усовершенствования условий работы электрооборудования в сетях с большим ёмкостным током замыкания перспективным считается переход на комбинированный способ заземления, путём параллельного включения к существующим реакторам высокоомных резисторов. Правильно выбранная величина шунтирующего ДГР резистора позволяет: исключить возможность значительного смещения нейтрали даже при резонансной настройке реактора и наличии в сети несимметрии напряжений по фазам; эффективно ограничить кратность дуговых перенапряжений до уровня, который определяется первым замыканием фазы на землю, т.е. до (2.3-2.5) Uф; полностью исключает возможность появления биений напряжения по фазам после погасания дуги даже при значительной растройке реактора и как последствие, избежать возможности появления многократных повторных зажиганий дуги на повреждённой фазе при пробивных напряжениях выше фазных; исключить возможность появления резонансных процессов в сети с ДГР и феррорезонансных процессов в трансформаторах напряжения; снизить уровень гармоник в сети, которые генерируются несимметричной нагрузкой и ДГР; улучшить селективность и надёжность работы защит от замыканий на землю в сетях с компенсированной нейтралью.

Выводы

  1. В сложившихся условиях постоянного снижения изолирующей способности электрической изоляции распределительных сетей и отсутствия средств на замену или качественный ремонт изложенного электрооборудования и отсутствия надежных средств защиты от перенапряжений эффективное решение проблемы надежности систем электроснабжения следует искать в оптимизации режима нейтрали сети.
  2. Самым распространенным в настоящее время средством защиты распределительных сетей от последствия однофазных хамыканий является дугогасящая катушка, подключаемая к нейтральной точке сети. Однако, в современных условиях плохого состояния изоляции электрических сетей и наличия несимметрии напряжений по фазам эффективность от применения ДГК очень низка, а иногда создавая большие пекосы по фазам она существенно снижает срок службы изоляции электрооборудования.
  3. Большой объем исследований установившихся режимов работы сетей с ДГК, выполненный на физический моделях кабельных сетей показал, что изменение в широком диапазоне сквозной активной проводимости через изоляцию меньше смещает нейтраль электрической сети, чем изменение емкостной проводимости фаз по отношению к земле.
  4. Расчетно-экспериментальные исследования переходных процессов в сети с ДГК при однофазных замыканиях на землю, выполненные с использованием математической и физической моделей сети, показали, что в условиях расстройки ДГК и наличии в сети даже допустимого по ПТЭ (до15%) напряжения смещения нейтрали исключаетвозможность получения ожидаемых от применения ДГК результатов.
  5. Существенное повышение эффективности от применения ДГК может быть достигнуто при подключении параллельно катушки необходимой величины активного резистора, обеспечивающего снижение перенапряжений до безопасной для электрооборудования величины, симметрирование фазных напряжений сети и возможности успешного применения защит нулевой последовательности от замыканий фазы на землю.
  6. В работе приведена оценка экономической эффективности проведенных исследований, рассмотрены вопросы охраны труда и промышленной санитарии, а защиты окружающей среды от вредных выбросов тепловых электростанций.

Список литературы

  1. Сивокобыленко В.Ф., Дергилёв М.П. Режимы работы нейтрали распределительных сетей 6-10 кВ. — Сб. научных трудов ДонГТУ. Серия: Электротехника и энергетика, вып. 67: — Донецк: ДонНТУ, 2003. — С. 49 – 58.
  2. Черников А.А. Компенсация емкостнвх токов в сетях с незаземленной нейтралью. М., “Энергия” 1974. 96с
  3. Отчет по научно – исследовательской работе “Исследование перенапряжений и разработка мероприятий по их ограничению в сетях собсвенных нужд блочных ТЭС, №76085390, г. Донецк. 1976. 156с.
  4. Перехідні процеси в системах електропостачання власних потреб електростанцій: Навч. посібник/ В.Ф. Сивокобиленко, В.К. Лебедєв — Донецьк: РВА ДонНТУ, 2002. — 136 с.
  5. Долгинов А.И. Техника высоких напряжений в электротехнике. — Москва: "Энергия", 1968. — 464 с.
  6. 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.
  7. Лихачев Ф.А. Перенапряжения в сетях собственных нужд // Электрические станции. — 1983. — №10.— C. 37– 41.
  8. 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.
  9. 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.
  10. Гиндулин Ф.А., Гольдштейн В.Г., Дульзон А.А., Халилов Ф.А. Перенапряжения в сетях 6-35 кВ. — Москва: Энергоатомиздат, 1989. — 234 с.
  11. Сирота И.М., Кисленко С.Н., Михайлов А.М. Режимы нейтрали электрических сетей. — Киев.: Наук. Думка, 1985 . — 190 с.
  12. Лихачев Ф.В. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов. — Москва: Энергия, 1971. — 254 с.