Реферат по теме выпускной работы
Содержание
- Введение
- 1. Анализ опыта эксплуатации электрооборудования сетей собственных нужд Старобешевской ТЭС
- 2. Современное состояние проблемы дуговых перенапряжений в сетях СН ТЭС и обоснование методик проведения исследований
- 3. Математическая модель для исследования переходных процессов в сети собственных нужд ТЭС
- 4. Результаты исследования переходных процессов в сети собственных нужд электростанций при дуговых замыканиях на землю
- Выводы
- Список источников
Введение
Собственные нужды электростанции являются очень важным звеном в схеме надёжности работы электростанции. Сети собственных нужд определяют надёжность работы как станции в целом, так и энергосистемы, в которую выдаётся её мощность. Современные тепловые электрические станции ТЕС строились по узловому принципу, при котором каждый генерирующий объект монтировался в виде отдельного блока. Каждый блок включает в себя котел, турбину, генератор, трансформатор.
Старобешевская станция аналогично была построена по блочному принципу, мощность турбогенераторов в настоящее время составляет 200МВт. На электростанции установлено 10 таких энергоблоков, топливом для которых является низкосортный уголь – угольный штыб.
Технологический процесс выработки электроэнергии на современных тепловых электростанциях полностью механизированный и поэтому существует большое число механизмов собственных нужд (СН), как основного электрооборудования, так и вспомогательных цехов станций. В качестве приводов этих механизмов ТЭС используются в основном электрические привода.
Основными требованиями, предъявляемыми собственным нуждам, являются обеспечение надежности и экономичности работы механизмов. Первое требование является наиболее важным, поскольку нарушение работы механизмов собственных нужд влечет за собой расстройство сложного технологического цикла производства электроэнергии, нарушение работы основного оборудования, а иногда и станции в целом и приводит развитие аварии в системную. Очень важным является также требование экономичности. Это достигается за счет уменьшения расхода электроэнергии и тепловой энергии в системе собственных нужд, усовершенствование основного и вспомогательного оборудования, снижение капитальных затрат на систему собственных нужд, регулирование продуктивности и т.д.
Для привода механизма собственных нужд на станции используется трехфазные асинхронные электродвигатели с коротко замкнутым ротором, трехфазные синхронные электродвигатели, двигатели постоянного тока.
Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором наиболее широко используются для привода механизма с.н., благодаря надежности, простоте пуска и эксплуатации. Их недостаток — большой пусковой ток.
Асинхронные двигатели с фазным ротором более сложнее: наличие щеточного аппарата обмотки ротора, регулирующего реостатом. Они применяются только для привода грузоподъемных механизмов.
Синхронные электродвигатели устанавливаются для приводов шаробарабанных мельниц.
Электродвигатели постоянного тока значительно дороже и сложнее двигателей переменного тока. Применяются для привода питателей пыли, аварийных маслонасосов турбин и аварийных маслонасосов уплотнений генератора. Номинальная мощность электродвигателя, которые применяются в сетях собственных нужд электростанции и колеблются в пределах от 250-5000кВт. Вместе с электродвигателями на шины секции СН подключаются трансформаторы 6/0,4кВ, мощность в пределах до 1000кВ.
Сеть собственных нужд 6кВ работает в режиме с изолированной нейтралью. Главным преимуществом режима сети с изолированной нейтралью является то, что однофазные замыкания — наиболее частый вид повреждения, не является здесь аварийным режимом и сеть на протяжении до четырех часов может работать в таком режиме, что обеспечивает высокую надежность электроснабжения потребителей при снижении расходов на резервирование. Однако в режиме однофазных замыканий на землю (ОЗНЗ) изоляция неповрежденных фаз может длительное время находится под линейным напряжением и через место повреждения протекает ток замыкания на землю. Это может привести к нарушению изоляции здоровых фаз и к двухфазному короткому замыканию, что приведет сеть в аварийное состояние.
1. Анализ опыта эксплуатации электрооборудования сетей собственных нужд Старобешевской ТЭС
Надежность работы электрических станций в значительной мере определяется безопасностью электрооборудования собственных нужд. Повреждение этого оборудования влечет за собой расстройство сложного технологического процесса производства электроэнергии, изменение режимов работы отдельных агрегатов или станции в целом, сопровождается недоотпуском электроэнергии потребителям. Однако как показывает опыт эксплуатации ряда крупных электростанций, эксплуатационная надежность сетей собственных нужд блоков 200 МВт и более остается на достаточно низком уровне. Достаточно обширный статический материал по повреждаемости в сетях с.н. представлен в [1]. Отдельные результаты, которых по ряду крупных тепловых электростанций приведены в табл. 1.
Из анализа табл. 1 следует, что ежегодно на тепловых электростанциях повреждается около 6% от всех установленных электродвигателей. При этом, например на Углегорской ТЭС ОАО «Донбасэнерго» в среднем ежегодно повреждается около 35 крупных электродвигателей (табл. 2), работающие в тяжелых условиях загрязнения и увлажнения, в условиях воздействия больших электродинамических перенапряжений.
Таблица 1 — Количество повреждений электродвигателей 85 блоков десяти блочных ТЭС
Таблица 2 — Количество повреждений электродвигателей различных по назначению механизмов сети СН.
Из анализа этих таблиц следует, что в сложившихся условиях повреждения электрооборудования сетей СН оказывается на достаточно высоком уровне. Анализ этих результатов показывает, что практически 90% случаев нарушения нормальной работы сети начинается с замыкания фаз на землю, поэтому главным направлением борьбы за повышение надежности рабаты сети с.н. является с однофазными замыканиями на землю. Статистические данные по повреждаемости электрооборудования в сети собственных нужд Старобешевской ТЭС представлены на рис. 1.
Из этого рисунка видно, что повреждаются в основном кабели и электродвигатели. Достаточно часто имеют место многоместные пробои изоляции с групповым выходом из строя электрооборудования.
2. Современное состояние проблемы дуговых перенапряжений в сетях СН ТЭС и обоснование методик проведения исследований
В числе исследований многочисленных коммуникационных перенапряжений, возникающих вследствие всякого рода замыканий и размыкания электрических цепей, наибольшее количество исследований было посвящено весьма распространенным перенапряжениям при дуговых замыканиях на землю в высоковольтных сетях, работающих с изолированной нейтралью.
Основоположником исследований этих перенапряжений был немецкий инженер Петерсен, который в 1916 году разработал теорию, объясняющую физическую сущность процесса возникновений максимальных перенапряжений.
В 1923 году два американских инженера Петерсон и Слепян предложили другую теорию, принципиально отличную от теории Петерсена. Позднее эти теории были дополнены результатами работы совецких исследователей Н.М. Джуварлы и Н.Н. Беляковым, которые на основании теоретических и лабораторных исследований в отношении уровней максимальных перенапряжений и формы их развития, сделали свои предложения.
В 1957 году Н.Н. Беляковым была опубликована теория возникновения перенапряжений при дуговых замыканиях на землю в сетях с изолированной нейтралью.
Как известно, при замыкании фазы на землю в сети с изолированной нейтралью в установившемся режиме напряжение на неповрежденных (здоровых) фазах возрастает до линейного значения. Однако установившемуся режиму предшествует переходной процесс, кратность перенапряжений в котором как на здоровых, так и на поврежденных фазах может достигать значительно большей величины. Процесс осложняется тем, что в подавляющем большинстве случаев замыкание на землю происходит через дугу, возникающую в результате перекрытия или пробоя изоляции. При этом горение дуги не является устойчивым, а наблюдаются повторные горения и зажигания ее (перемежающаяся дуга), которые приводят к развитию переходных колебательных процессов и возрастанию перенапряжений. Величина перенапряжений зависит как от условия гашения дуги, так и от характера процесса восстановления электрической прочности дугового промежутка после её гашения.
С момента замыкания на землю через дугу проходит ёмкостный ток рабочей частоты:
и ток высокочастотных колебаний. Можно предположить, что гашение дуги происходит при прохождении через нуль тока высокочастотных колебаний (теория Петерсена) либо при прохождении тока рабочей частоты через нулевое значение (теорие Петерса и Слепяна), а зажигается при максимуме напряжения на повреждённой фазе.
Согласно теории Петерсена, максимальные перенапряжения на здоровых фазах в переходном режиме могут быть определены по формуле:
где Uф – амплитуда фазного напряжения;
– коэффициент, зависящий от соотношения междуфазных и ёмкостей по отношению к земле С0 для исследуемой сети;
– коэффициент, зависящий от ёмкости, индуктивности источника питания и активного сопротивления утечек через изоляцию сети;
– выражение, определяющее затухание амплитуды переходного процесса, связанного с утечками энергии через активные сопротивления сети. Максимальное напряжение на повреждённой фазе при этом может быть оценено по выражению:
Согласно этой теории перенапряжения на неповреждённых фазах могут повышаться до 7.5Uф, а на повреждённой фазе они достигают 3.7 Uф. По Петерсу и Слепяну гашение дуги происходит через полпериода после зажигания, когда свободные колебания затухают и мгновенные значения напряжения на неповреждённых фазах достигает своего максимального значения, а смещение нейтрали:
максимальное значение перенапряжений на здоровых фазах составит
а напряжение на повреждённой фазе в зависимости от момента её пробоя определяется из выражения
Таким образом, согласно теории Петерса и Слепяна, в результате перезарядки емкостей проводов при зажигании и гашении дуги напряжения на исправном проводе достигает значений 3.5Uф, а на повреждённом проводе – 2 Uф. Указанные значения перенапряжений хорошо согласуются с результатами расчётов для здоровой и повреждённой фаз, с учётом затухания и междуфазной ёмкости в реальных сетях.
Согласно теории Н.Н. Белякова для возникновения максимального перенапряжения совсем не обязателен ряд повторных зажиганий дуги. Достаточно рассмотреть лишь один цикл зажигание-гашение-зажигание.
Предположенная Н.Н. Беляковым теория занимает промежуточное положение между теориями Петерсена и Петерса и Слепяна. Если по Петерсену процесс горения дуги должен прекратиться при первом же прохождении тока колебаний через нуль, а по Петерсу и Слепяну – при прохождении через нулевое значение тока промышленной частоты, то для возникновения максимальных перенапряжений по Н.Н. Белякову необходимо совпадение двух основных условий в одном цикле зажигание-гашение-зажигание дуги.
Как показали исследования (Н.Н. Беляков), в реальных условиях возможны оба варианта поведения дуги, однако кратности перенапряжений определяются не столько тем, в какой момент происходит гашение дуги, сколько свойствами дугового промежутка и характером процесса нарастания его электрической прочности.
Н.Н. Беляковым учётом реальных физических процессов, имеющих место на дуговом промежутке, предложены следующие математические выражения для определения Uпер и Uпер.п.ф.:
где Uсм – смещение нейтрали; остальные величины имеют тот же смысл, что и ранее
По теории Н.Н. Белякова, в трёхфазной системе с учётом затухания высокочастотных колебаний максимальные перенапряжения на здоровых фазах не превышают значений (3.2-3.4)Uф, а на повреждённой Uпер.п.ф. – 2.2 Uф. Многочисленные эксперименты в реальных сетях 6-10кВ подтвердили, что перенапряжения при дуговых замыканиях на землю не превышают указанных величин. Длительные перенапряжения такого порядка для сетей с изолированной нейтралью опасны только для ослабленной изоляции электрооборудования, которое может быть в системе. Следует заметить, что эти перенапряжения опасны не только своей амплитудой, но и длительностью, и высокочастотным характером процесса. Кроме того, они охватывают всю сеть в целом, что повышает вероятность перекрытия изоляции, которое может произойти не только у места замыкания, но и в удалённых точках. Одновременно с этим, как уже отмечалось, длительное существования дуги замыкания на землю обычно приводит к междуфазному короткому замыканию, сопровождающемуся отключением электроустановки. Поэтому в тех случаях, когда нельзя рассчитывать на самопроизвольное угасание дуги, необходима быстрая ликвидация дуги замыкания на землю, которая может быть достигнута путём ограничения тока через дуговой промежуток и уменьшения скорости восстановления напряжения.
Таким образом, перенапряжениям при дуговых замыканиях фазы на землю традиционно уделялось большое внимание ведущими специалистами мировой энергетики. Исследования проводились как в реальных сетях, так и на математических моделях, и на физических моделях электрических сетей. За более чем полувековой период работы накоплен большой теоретический и экспериментальный материал, реализация которого в практику позволила существенно повысить надёжность работы электрооборудования сетей рассматриваемого класса напряжения. Однако до настоящего времени в литературе имеется много противоречивых, а иногда и противоположных данных, полученными различными исследователями по рассматриваемой проблеме. Такие противоречия обусловлены сложностью и многообразием факторов, влияющих на характер переходных процессов и величину перенапряжений в разных по параметрам и режиму заземления нейтрали электрических сетях.
В настоящее время в условиях постоянного ухудшения состояния изоляции электрооборудования систем электроснабжения собственных нужд ТЭС из-за отсутствия средств на замену и качественного восстановления изношенного электрооборудования актуальность этой проблемы ещё больше возрастает, так как показано ранее, они являются основной причиной повреждаемости электрооборудования. Поскольку надёжные средства защиты от дуговых перенапряжений отсутствуют, то успешное решение проблемы может быть найдено только в оптимизации режимов нейтрали сетей собственных нужд в сочетании с различными схемными решениями.
Наиболее достоверные результаты могут быть получены при проведении опытов в реальных сетях, но возможности этого метода ограничены рядом объективных факторов, основными из которых являются: невозможность идентификации условий проведения экспериментов от опыта к опыту; сложность регистрации таких быстропротекающих и не периодически повторяющихся процессов, какие имеют место при однофазных замыканиях на землю; ограниченность объёма исследований, вызванной неизбежностью вывода из строя дорогостоящего электрооборудования при проведении большого числа опытов и т.д. Всё это не даёт возможность получить требуемого объёма информации, позволяющего дать правдивые ответы на большое число стоящих перед проблемой вопросов.
Возможности математических методов моделирования переходных процессов при ОЗНЗ ограничены громоздкостью схем замещения в случае удовлетворения требований учёта необходимых элементов сети и достаточности распределения их параметров, трудностью определения параметров схемы замещения отдельных элементов сети, чрезвычайной сложностью моделирования заземляющих дуг, большим объёмом расчётной части и т.д. Принятие всяких допущений при составлении схем замещения приводит к резкому снижению эффективности проводимых исследований.
3. Математическая модель для исследования переходных процессов в сети собственных нужд ТЭС
Для анализа переходных процессов в сети собственных нужд ТЭС при дуговых замыканиях на землю примем за основу схему электроснабжения с.н. ТЭС показанную на рис. 2.
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 6 кВ;
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 собственных нужд электростанций (до 0.5 км) 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. 3 показана схема замещения исследуемой сети, принятая в основу математической модели.
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:
4. Результаты исследования переходных процессов в сети собственных нужд электростанций при дуговых замыканиях 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.
Ниже приведены расчётные осциллограммы переходных процессов в сети с.н. ТЭС при дуговых замыканиях на землю. Первый и последующие пробои произошли при максимуме напряжения повреждённой фазы, а гашение дуги в момент прохождения тока промышленной частоты (рис. 4) и полного тока замыкания (рис. 5) через нуль.
Рисунок 4 — Процессы при дуговом замыкании фазы С на землю по теории Петерса и Слепяна в сети с изолированной нейтралью (ток замыкания фазы на землю – 30 А)
Рисунок 4 — Процессы при дуговом замыкании фазы С на землю по теории Петерса и Слепяна в сети с изолированной нейтралью (ток замыкания фазы на землю – 30 А)
Как показали исследования для разных по параметрам электрических сетей СН ТЭС максимум перенапряжений на опережающей фазе после пробоя изоляции достигает (2.4-2.5)Uф, а при последующих пробоях величина перенапряжений на здоровых фазах вырастает до 3,5 и даже 4Uф. Эскалация (постепенное нарастание) перенапряжений в сети при горении дуги по второму сценарию обусловлено ростом напряжения на нейтрали в процессе многократного зажигания и гашения дуги тока замыкания в дуговом промежутке. Для сетей СН ТЭС, с характерными для них параметрами, величина перенапряжений может составить (3.2-3.5)Uф. При появлении в сети несимметрии напряжений по фазам перенапряжения могут существенно вырасти, так как исследованиями установлено, что кратность дуговых перенапряжений вырастает приблизительно пропорционально величине смещения нейтрали.
В современных условиях, улучшить работу электрооборудования сети собственных нужд можно за счёт перевода сети из режима с изолированной нейтралью в режим с резистивно-заземлённой нейтралью, т.е. заземлением нейтрали через активный резистор величиной порядка 130-150Ом.
Ограничение кратности дуговых перенапряжений при резистивном заземлении нейтрали происходит за счёт разряда ёмкости здоровых фаз и снижению напряжения на нейтрали до значения, которое исключает эскалацию перенапряжений при повторных пробоях ослабленной изоляции аварийной фазы. Расчётная осциллограмма переходного процесса в сети с.н. ТЭС с резистивно-заземлённой нейтралью представлена на рис. 6.
Рисунок 6 — Процессы при замыкании фазы С на землю в сети с резистивно-заземлённой нейтралью
Выводы
В результате выполнения работы был дан анализ процессов, которые имеют место в сетях собственных нужд ТЭС при дуговых замыканиях на землю. Следует отметить, что исследования велись с учётом текущего состояния сетей на основании реальных эксплуатационных данных.
Основные результаты работы заключаются в следующем:
1) дана оценка настоящего состояния проблем сетей собственных нужд ТЭС, откуда мы видим, что немедленно необходимо заменить электрическое оборудование, потому что его изоляция практически износилась, или использовать необходимые меры для обеспечения работы оборудования в конкретных условиях;
2) для расчёта использовалась математическая модель сети собственных нужд ТЭС написанная на языке программирования Fortran, с учётом возможности воспроизведения разных режимов её работы;
3) определены предельные кратности дуговых перенапряжений в сети собственных нужд для условий Старобешевской ТЭС;
4) рассмотрен вариант заземления нейтрали через высокоомный резистор, а также дана оценка данного метода заземления.
Список источников
1. Перехідні процеси в системах електропостачання власних потреб електростанцій: Навч. посібник/ В.Ф. Сивокобиленко, В.К. Лебедєв — Донецьк: РВА ДонНТУ, 2002. — 136 с.
2. Долгинов А.И. Техника высоких напряжений в электротехнике. — Москва: "Энергия", 1968. — 464 с.
3.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.
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. Лихачев Ф.А. Перенапряжения в сетях собственных нужд // Электрические станции. — 1983. — №10.— C. 37– 41.
6. 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.
7. 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.
8. Неклепаев Б.Н., Крючков И.П. Электрическая часть электростанций и подстанций. — Москва: Энергоатомиздат, 1989. — 490 с.
9. Гиндулин Ф.А., Гольдштейн В.Г., Дульзон А.А., Халилов Ф.А. Перенапряжения в сетях 6-35 кВ. — Москва: Энергоатомиздат, 1989. — 234 с.
10. Сирота И.М., Кисленко С.Н., Михайлов А.М. Режимы нейтрали электрических сетей. — Киев.: Наук. Думка, 1985 . — 190 с.
11. Лихачев Ф.В. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов. — Москва: Энергия, 1971. — 254 с.