Исследование перенапряжений в сетях с резонансно заземленной нейтралью
Маляр Д.Н.
Донецкий национальный технический университет
Кафедра «Электрические станции»
Адрес электронной почты : dimitry@ukrtop.com
Abstract.
Malyar D., Research overvoltages in networks with isolated neutral.
In given article the problems connected to operation of networks with isolated neutral are considered. The analysis of results of research of the various modes received on described mathematical model is offered.The reasons of occurrence ferroresonant modes are described. Various decisions for prevention of consequences are offered at single-phase short circuits in networks with isolated neutral.
Сети 6-35кВ, работающие в режиме с изолированной нейтралью, являются наиболее массовыми. Поэтому от надежности их работы в большой мере зависит бесперебойность снабжения потребителей электрической энергии, что особенно актуально в контексте текущего высокого уровня изношенности изоляции электрооборудования распределительных сетей. Поскольку основным видом повреждения в указанных сетях являются однофазные замыкания на землю (до 90% от общего числа нарушений нормальной работы сети), то борьба с ними является стратегическим направлением работы по повышению надежности систем электроснабжения. Опасность дуговых замыканий определяется не столько их величиной, а в большей мере тем, что они создают благоприятные условия для пробоя ослабленных мест изоляции неповрежденных фаз в других точках сети. Пробой изоляции на неповрежденной фазе ведет к двойному замыканию через землю, которое может вызвать повреждение токоограничивающих реакторов. А при отключении к двойного замыкания могут возникнуть перенапряжения с кратностью до 3,5 о.е. Дуговые перенапряжения могут представлять опасность для электродвигателей, так как прочность их изоляции после капитального ремонта находится на уровне 2,6-2,9 о.е.
Ко всему прочему ситуация приобретает неоднозначный характер еще и в связи с тем, что широко применяемые в настоящее время дугогасящие катушки, как средство защиты сетей от последствия однофазных замыканий на землю, изначально обладая рядом известных положительных сторон, в условиях постоянно ухудшающихся резонансных характеристик контура нулевой последовательности и отсутствия унифицированных и серийно выпускаемых промышленностью устройств автоматического регулирования компенсацией в сложившихся условиях эксплуатации электрических сетей 6-10кВ не могут быть полностью реализованы на уровне установленных требований. Проблема усложняется ещё и тем, что при создании рынка электроэнергии подстанции, на которых установлены автоматические компенсаторы, и электрические сети, где в них нуждаются, оказались в разном ведомственном подчинении, что привело к резкому снижению уровня эксплуатации средств автокомпенсации и адекватным изменениям в эффективности практического использования этих средств, сопровождающихся резким повышением удельной повреждаемости в сетях с дугогасящими катушками и сответствуюшим снижением надёжности и безопасности функционирования систем электроснабжения .
Исходя из этого, требуется анализ предельных кратностей перенапряжений при дуговых, феррорезонансных и коммутационных переходных процессах. При отсутствии надежных средств защиты электрооборудования от последствий дуговых перенапряжений, эффективное решение проблемы может быть найдено в оптимизации и управлении режимом нейтрали сети.
Для анализа и решения вышеизложенной задачи могут с успехом применены как методы компьютерного моделирования, так и исследования на физической модели. Ярким примером удачного применения компьютерного моделирования может служить программа расчсета режимов работы сети, разработанная силами научной школы кафедры «Электрические станции». За основу взята схема сети, представленная на рисунке1.
Рисунок 1-Схема замещени сети
Данная математическая модель сети 6-10 кВ, отличается возможностью учёта влияния на исследуемые процессы двигательной нагрузки, длины кабеля от сборных шин до выводов электродвигателя, влияния двигателей друг на друга, междуфазной ёмкости сети, активной и ёмкостной проводимостей утечек через изоляцию, нелинейной характеристики ОПН, феррорезонансных процессов из-за наличия трансформатора напряжения и т.д. Модель описана системой нелинейных и дифференциальных уравнений и обладет численной устойчивостью. Схема замещения цепи описана следующей системой дифференциальных уравнений относительно неизвестных контурных токов:
, где p - оператор дифференцирования.
Как видим, в результате получилась система дифференциальных уравнений 49-го порядка, поэтому расчёты в программе ведутся в матричной форме. Проверка на сходимость результатов расчёта сети на ПЭВМ с теоретическими и экспериментальными данными проводилась на основе теорий Петерсена и Петерса-Слепяна и показала полную состоятельность данного метода расчета.
Как отмечалось выше, в большинстве существующих сетей 6-10 кВ Украины по различным причинам не удаётся добиться настройки ДГК в резонанс и дугогасительные катушки находятся в режиме или недокомпенсации или перекомпенсации, часто превышающем допустимый правилами предел в 5%. В качестве примера в сети с током замыкания на землю 30 А была взята расстройка ДГК на + 25% и – 25% ( рис. 2 ). Вызванный раскомпенсацией процесс биения напряжений приводит к тому, что восстанавливающееся напряжение на больной фазе превышает фазное, в данном случае в 1.68 и 1.71 раз. Хотя к этому моменту электрическая прочность в месте пробоя успевает восстановиться, происходит повторный пробой из-за повышенного напряжения.
Рисунок 2 – Замыкание фазы на землю в сети с током замыкания на землю 30 А (расстройка ДГК на – 25% )
Основываясь на данных проведенных исследований, можно сделать вывод, что бесспорным преимуществом дугогасительной катушки является уменьшение тока однофазного замыкания на землю, что способствует быстрому гашению возникаемой дуги. Но отсутствие в настоящее время хороших авторегуляторов для настройки ДГК в резонанс, сводит на нет это преимущество и на передний план выходят недостатки, присущие ДГК. Во-первых, в нормальном эксплуатационном режиме при наличии несимметрии в сети катушка создаёт большое напряжение смещения нейтрали, которое приводит к преждевременному старению изоляции. Во-вторых, даже при небольшой расстройке катушки, после замыкания на землю, напряжение на больной фазе восстанавливаясь превышает Uф, что создаёт большую вероятность возникновения нового пробоя с высоким уровнем перенапряжений по фазам.
Большой научный интерес вызывает также исследование феррорезонансных режимов. Феррорезонансные процессы возникают в трехфазных сетях, где линейные элементы – индуктивности, емкости и активные сопротивления сложным образом соединены между собой и с нелинейными индуктивностями, образованными обмотками силовых и измерительных трансформаторов. Феррорезонанс в подобных контурах, является нелинейным резонансом, и характеризуется значительными повышениями и искажения формы напряжения на элементах схемы и токов на них. Если аналитическое описание переходного процесса в линейной схеме можно получить на основе решения системы линейных дифференциальных уравнений (при этом решение однозначно и принципиальных трудностей в его получении нет), то система дифференциальных уравнений даже простейшего последовательного нелинейного колебательного не имеет однозначного решения по причине зависимости его индуктивности от приложенного напряжения (потокосцепления). Исходя из этого практически единственным достоверным способом исследования феррорезонансных явлений в трехфазных сетях является компьютерное моделирование переходных процессов, которое воплощено в вышеописанной математической модели.
Таким образом, 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. В процессе анализа результатов исследования установлено, что традиционно применяемые в нашей стране режимы заземления нейтрали распределительных сетей 6-10кВ в сложившихся условиях не удовлетворяют требованиям современного состояния изоляции электрооборудования, и потому должны совершенствоваться, однако показано, что однозначного решения этой проблемы не существует.
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.. С целью снижения влияния режима нейтрали на условия работы электрооборудования нами предложены схемные решения, практическая реализация которых позволяет исключить возможность однофазных замыканий в междуфазные короткие замыкания, групповой выход из строя электрооборудования и многоместные пробои изоляции на поврежденной фазе, что существенно повысит надежность работы распределительных сетей в сложившихся условиях.
Список литературы
1. Правила устройства электроустановок. М.: Энергоатомиздат. 1986 г.
2. Лихачев Ф. А. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов. М.: Энергия, 1971.
3. Справочник по электрическим установкам высокого напряжения. Под редакцией И. А. Баумштейна, С. А. Баженова. М.: Энергоатомиздат, 1989.
4. Евдокунин Г. А., Коршунов Е. В., Сеппинг В. А., Ярвик Я. Я. Методы расчета на ЭВМ электромагнитных переходных процессов в ферромагнитных устройствах с произвольной структурой магнитной и электрической цепей. Электротехника, 1991, N 2.
5. Евдокунин Г. А., Гудилин С. В., Корепанов А. А. Выбор способа заземления нейтрали в сетях 6-10 кВ. Электричество, 1998, N 12