ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Анимация. 7 кадров. Задержка 0,5 сек. Выполнена с помощью программы Easy GIF Animator.

В наше время жизнь без электроэнергии практически невозможна. Она применяется во всех областях человеческой деятельности, и ее необходимость для дальнейшего развития человеческого общества является очевидной. Со времен зарождения энергетики вопрос бесперебойной подачи электроэнергии надлежащего качества являлся неотъемлемой частью общей концепции электрификации. Не утратил он свою актуальность и на сегодняшний день. Особую актуальность он приобретает с учетом ситуации сложившейся на сегодняшний момент в энергетики Украины. В условиях постоянно ухудшающегося технического состояния основного силового оборудования, значительная часть которого выработала свой ресурс, вероятность и частота возникновения аварийных ситуаций резко возрастает, что непременно приводит к снижению качества и надежности электроснабжения.

Электроэнергию можно передавать на большие расстояния, что позволяет обслуживать широкий круг потребителей, включая регионы, не обеспеченные достаточными ресурсами органического топлива [1].

1. Актуальность темы

Электрические сети 6-35кВ получили широкое распространение и относятся к сетям, работающим с изолированной нейтралью. Наиболее характерными потребителями являются двигательные нагрузки [2].

Однофазные замыкания на землю являются самым распространённым видом повреждения в электрических сетях среднего класса напряжения (в пределах до 90% от общего числа нарушений нормальной работы сетей в зависимости от их назначения и конструктивного исполнения) [3].

Поэтому борьба с ними является стратегическим направлением работы по повышению надежности систем электроснабжения [4].

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью работы является разработка программы для расчетов переходных процессов и оценка влияния двигательной нагрузки на параметры дуговых перенапряжений при замыканиях на землю в распределительных сетях с изолированной нейтралью с помощью Microsoft Visual Studio С ++.

Основные задачи исследования:

  1. Разработка математической модели системы «источник питания – кабель – электродвигатель».
  2. Написание программы для расчета системы на языке программирования Visual С ++.
  3. Анализ переходных процессов при замыканиях на землю в распределительных сетях с изолированной нейтралью.
  4. Оценка влияния нагрузки двигателя на параметры дуговых перенапряжений.

Объект исследования: типовая схема электроснабжения потребителей электрической энергией.

Предмет исследования: влияние нагрузки двигателя на параметры дуговых перенапряжений при замыканиях на землю в распределительных сетях с изолированной нейтралью.

В рамках магистерской работы планируется получение актуальных научных результатов по следующим направлениям:

  1. Разработка программы в Microsoft Visual Studio С ++ для расчета типовой схемы трехфазной электрической сети.
  2. Исследование перенапряжений и влияния двигательной нагрузки на параметры переходных процессов при замыкании на землю.

Математический анализ, расчеты на ЭВМ и экспериментальные исследования на модели сети и в реальных сетях показали, что одной из причин одновременного повреждения нескольких единиц электрооборудования могут быть резонансные перенапряжения, возникающие в разрядных контурах замкнувшейся фазы. Большая кратность и вероятность их появления резко возрастает с увеличением параметров сети и мощности электроприемников. Локализуясь в местах подключения больших индуктивных сопротивлений, они могут возникнуть одновременно на нескольких присоединениях, что и может быть причиной группового повреждения электрооборудования [5].

3. Обзор исследований и разработок

3.1 Общие сведения о проблеме

Как следует из опыта эксплуатации, в сетях 6 кВ с.н. мощных энергоблоков (300 и 500 МВт) тепловых электростанций, работающих на пылевидном топливе, происходят довольно часто повреждения электродвигателей различных технологических механизмов.

Порядок эксплуатации каждого из них установлен инструкцией по эксплуатации технологического механизма. Длительные замыкания на землю в сети, как правило, не допускаются. Однако ежегодные повреждения электродвигателей только от электрических воздействий составляют в среднем 7,6% числа установленных. На некоторых ГРЭС и ТЭЦ удельная повреждаемость электродвигателей достигает 13%.

Основные виды электрических повреждений электродвигателей – повреждения изоляции обмоток статоров (около 70%) и перекрытия или пробои изоляции в коробках выводов (около 25%). Наиболее часто повреждаются электродвигатели шаровых мельниц, угледробилок, питательных электронасосов, дымососов, мельничных и дутьевых вентиляторов.

Повреждения электродвигателей при замыканиях на землю от безопасных перенапряжений составляют 84% числа поврежденных при электрических воздействиях, из них при отключениях двухфазных к.з. с землей 39%. На долю повреждений при отключениях разворачивающихся электродвигателей во время их пуска (при обрывах пусковых токов) приходится 16%, в том числе 2% на отключения заторможенных электродвигателей [6].

В условиях постоянного ухудшения состояния распределительных электрических сетей, из-за отсутствия необходимых средств на своевременную замену изношенного электрооборудования, всё острее становится проблема обеспечения надежной работы систем электроснабжения потребителей. Распределительные сети работают в условиях загрязнения, увлажнения, частых электродинамических и термических перегрузок. По данным опыта эксплуатации Донецких электрических сетей, в настоящее время удельная повреждаемость их составляет более 130 повреждений в год на каждые 100 км сети, что на порядок выше нормы. В подавляющем большинстве случаев (до 90%) повреждение начинается с пробоя изоляции на землю, а затем зачастую развивается в междуфазные короткие замыкания или многоместные пробои изоляции с групповым (две, три и более единицы) выходом из строя электрооборудования.

Основной причиной повреждений являются дуговые перенапряжения, величина которых по результатам исследований (рис.1) может составлять (3,2-3,5)Uф, а при наличии в сети несимметрии напряжений по фазам перенапряжения могут существенно возрасти. Особенно это характерно для сетей с небольшим емкостным током замыкания на землю, где установка дугогасящих катушек не нормируется или требует существенных дополнительных вложений. Для этих сетей в настоящее время предлагается режим с заземлением нейтрали через активное сопротивление.

Процессы при дуговом замыкании фазы С на землю в сети с изолированной нейтралью

Рисунок 1 – Процессы при дуговом замыкании фазы С на землю в сети с изолированной нейтралью (ток глухого замыкания на землю – 30А, гашение дуги при переходе через нуль тока после затухания его высокочастотной составляющей).

В случае отсутствия свободного доступа к нейтральной точке сети, заземляющий резистор рекомендовано подключать к нейтрали специального присоединительного трансформатора небольшой мощности со схемой соединения обмоток Υ/Δ. Такой режим заземления нейтрали позволяет эффективно ограничить дуговые перенапряжения до уровня, безопасного для эксплуатации электрических машин, трансформаторов и кабелей с ослабленной изоляцией. Ограничение перенапряжений при резистивном заземлении нейтрали осуществляется за счет разряда емкости здоровых фаз и снижения напряжения на нейтрали до значения, исключающего эскалацию перенапряжений при последующих пробоях ослабленной изоляции аварийной фазы (рис. 2).

Процессы при дуговом замыкании фазы С на землю в сети с резистивно–заземленной нейтралью

Рисунок 2 – Процессы при дуговом замыкании фазы С на землю в сети с резистивно–заземленной нейтралью через 150 Ом.

Одновременно с этим заземляющие резисторы эффективно подавляют всевозможные резонансные и феррорезонансные перенапряжения. Они способствуют ликвидации сверхтоков, обусловленных насыщением магнитопроводов измерительных трансформаторов и трансформаторов контроля изоляции и исключают, тем самым, термическое разрушение их обмоток и повышают надежность и селективность работы простейших защит от однофазных замыканий на землю(ОЗНЗ). Следует, однако, отметить, что готовые рецепты для выбора номинала заземляющего резистора в настоящее время отсутствуют, вместе с тем исключить эскалацию напряжения на нейтрали в режиме ОЗНЗ можно только в условиях обеспечения разряда емкости здоровых фаз за время бестоковой паузы, то есть за t = 0,008 – 0,01 c.

Резистивное заземление в сочетании с релейной защитой от однофазных замыканий на землю позволяет существенно повысить надежность работы широко внедряемых в последние годы ограничителей перенапряжений ОПН, которые, как известно, обладают недостаточной термостойкостью при длительных воздействиях дуговых перенапряжений.

Проблема повышения надежности работы распределительных сетей напряжением 6-10 кВ складывается из комплекса задач, эффективное решение каждой из которых может быть найдено индивидуально с учетом характерных особенностей каждой электрической системы питания и потребления на основе проведения большого объема научных и экспериментальных исследований, в том числе и в реальных сетях. Получение максимума преимуществ от выбранного способа увязывается со специфическими требованиями, предъявляемыми к сети, основными из которых, как правило, являются надежность системы электроснабжения потребителей и стоимость обеспечения заданного уровня надежности [7].

3.2 Обзор работ исследователей

В числе многочисленных исследований наибольшее количество было посвящено весьма распространённым перенапряжениям при дуговых замыканиях на землю в высоковольтных сетях, работающих с изолированной нейтралью.

Основоположником исследований 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 7.5Uф.

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 особенностями 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 ±2Uф).

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 раньше 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 [8].

Все исследователи считали, что характер переходных процессов и величина перенапряжений определяется только параметрами сети по току замыкания. При этом утверждали, что вид нагрузки никакого влияния не оказывает на качественные и количественные параметры переходных процессов при замыканиях на землю.

По результатам их исследований были предложены различные мероприятия по повышению надежности работы этих сетей, однако их практическая реализация не обеспечила работу оборудования на надежном уровне. При этом повреждаются в основном электродвигатели.

Предварительные исследования показали, что двигательная нагрузка может оказать существенное влияние на параметры дуговых перенапряжений.

4. Подход к разработке математической модели

Для проведения исследований переходных процессов в распределительной сети 6-35кВ с изолированной нейтралью и оценки влияния нагрузки двигателя принята типовая схема электроснабжения потребителей.

Каждая секция сборных шин рассматриваемых сетей питается от довольно мощных (40 МВА и более) трехфазных масляных трансформаторов. Для упрощения и большей универсальности модели высшая и низшая обмотки силового трансформатора приняты соединенными в звезду. Это дает возможность моделировать сети как с изолированной нейтралью, так и с нейтралью, частично заземленной через различные по величине небольшие активные сопротивления R, а также с компенсацией емкостных токов на землю через регулируемые дугогасящие реакторы (ДГР).

Полная схема замещения сети

Рисунок 3 – Полная схема замещения сети

В принятой схеме замещения учтены следующие существенные факторы:

  1. Все элементы, в том числе и двигательная нагрузка, в схеме замещения представлены распределенными параметрами, что позволит получить наиболее полное представление о физике процессов при дуговых замыканиях фазы на землю в сетях с компенсацией емкостных токов.
  2. В схеме замещения учтены активные фазные проводимости утечек через изоляцию, что по данным измерений в условиях постоянно ухудшающегося технического состояния электрических сетей приобретает реальную величину, а в некоторых случаях становятся сравнимы с емкостной проводимостью.
  3. Учтена двигательная нагрузка и таким образом впервые поставлена задача оценить влияние многоконтурности каждого присоединения на качественные и количественные параметры переходных процессов при однофазных замыканиях на землю как на здоровых, так и на поврежденных фазах сети.
  4. Схема замещения позволяет исследовать влияние асимметрии напряжения по фазам, создаваемой как емкостной, так и активной проводимостями утечек через изоляцию, на кратность дуговых перенапряжений в сетях с изолированной нейтралью и компенсацией емкостных токов на землю.

Для определения независимых контуров составим граф исследуемой сети. При этом за ветви дерева (толстые линии) принимаем ветви междуфазных емкостей и активных сопротивлений утечки через изоляцию, обозначаем на графе одной линией. Также за ветви дерева принимаем ветвь активного сопротивления в нейтрали трансформатора. Оставшиеся ветви графа – хорды, которые образуют замкнутые контура. Стрелки указывают направление ветвей.

Граф исследуемой сети

Рисунок 4 – Граф исследуемой сети

Имея граф сети выберем 25 независимых контуров, при этом положительное направление контуров задается направлением хорд, входящих в контур.

Для указанных контуров составляем дифференциальные уравнения, например:

Дифференциальные уравнения для определения напряжения на емкостях определяются с первого закона Кирхгофа и имеют вид:

ЭДС трехфазного источника представим как синусоидальную функцию времени:

Для решения полученной системы дифференциальных уравнений на ЭВМ принят неявный метод Эйлера, который владеет хорошей числовой устойчивостью, точностью, относительной простотой и высокой скоростью расчета.

Формула метода Эйлера с независимой переменной х в матричном виде имеет вид:

где – вектор зависимых переменных системы дифференциальных уравнений;

h – шаг расчета по независимой переменной х;

– вектор-функция правых частей системы дифференциальных уравнений .

Для решения ДР неявным методом Ейлера необходимо превратить исходную систему к виду:

которую потом можно решить как матричное уравнение.

Полученное матричное уравнение решается на каждом шаге интегрирования с помощью ЭВМ. Для проведения исследований составляется программа на языке программирования Visual С++.

Выводы

Магистерская работа посвящена актуальному научному вопросу. Все исследователи утверждали, что вид нагрузки никакого влияния не оказывает на параметры переходных процессов при замыканиях на землю. Однако в данной магистерской работе стоит задача проверить это на примере учёта двигательной нагрузки в распределительной сети с изолированной нейтралью.

Основные этапы работы:

  1. Разработка математической модели системы.
  2. Написание программы для расчета системы.
  3. Проведение экспериментальных исследований и расчетов на ЭВМ.
  4. Анализ полученных данных и оценка влияния двигательной нагрузки.

При написании данного реферата магистерская работа не завершена.

Список источников

  1. Гительман Л.Д. Эффективная энергокомпания. Электронная библиотека. 2002. – 545 с.
    [электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.ekon.oglib.ru.
  2. Сивокобыленко В.Ф., Лебедев В.К. Выбор величины резистора для заземления нейтрали в сетях 6-35 кВ. Вісник приазовського державного технічного університету. Вип.№18. 2008 р.
    [электронный ресурс]. – Режим доступа: http://archive.nbuv.gov.ua.
  3. Сивокобыленко В.Ф., Лебедев В.К., Коваленко Е.В., Маслова А.И. Создание математической модели для сети 6-10 кВ. Публикация: Донецкий национальный технический университет.
    [электронный ресурс]. – Режим доступа: http://et–school.com.ua.
  4. Хижняк Алексей Николаевич. Современные способы защиты от однофазных замыканий в сетях с изолированной нейтралью. 2006.
    [электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.masters.donntu.ru.
  5. А.Н. Агутин, М.П. Дергилёв. Переходные процессы в сетях с двигательной нагрузкой при дуговых замыканиях фазы на землю. 2011.
    [электронный ресурс]. – Режим доступа: http://masters.donntu.ru.
  6. Лихачев Ф. А., канд. техн. наук Союзтехэнерго. Перенапряжения в сетях 6 кВ собственных нужд.
    [электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.masters.donntu.ru.
  7. Сивокобыленко В.Ф., Дергилев М.П., Левшов А.В. Резистивное заземление нейтрали в распределительных сетях 6-10 кВ. – Электронный архив ДонНТУ. 2006.
    [электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ea.donntu.ru.
  8. Публикация Живых Денис Александрович. Усовершенствование способов ограничения перенапряжений в сетях 6-10 кВ при замыканиях фазы на землю. 2003.
    [электронный ресурс]. – Режим доступа: http://masters.donntu.ru.