Автореферат по магистрской работе на тему:

«Особенности переходных процессов в электрических сетях с двигательной нагрузкой при дуговых замыканиях фазы на землю»

        ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

        Актуальность темы. Распределительные сети напряжением 6-10кВ являются наиболее протяжёнными и работают в весьма трудных условиях постоянных воздействий на электрооборудование, загрязнений, увлажнений, частых перегревов и электродинамических перегрузок. Основными потребителями сетей данного класса напряжения являются электродвигатели, применяемые для механизмов, например, собственных нужд электростанций, промышленных предприятий металлургической и химической промышленности, коммунального хозяйства и т.д. При этом для привода механизмов используется трехфазные асинхронные электродвигатели с коротко замкнутым ротором, трехфазные синхронные электродвигатели и двигатели постоянного тока. Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором наиболее широко используются для привода механизмов, благодаря надежности, простоте пуска и эксплуатации. Их недостаток — большой пусковой ток.В сложившихся условиях большой изношенности изоляции электрооборудования распределительных сетей 6-10кВ особую роль приобретает проблема поддержания на достаточно необходимом уровне надежности питания потребителей электрической энергии. 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. Опыт эксплуатации этих сетей показывает, что наиболее повреждаемым элементом рассматриваемых сетей являются электродвигатели, обладающие, как известно, минимальным запасом электрической прочности. В последнее время в условиях сильной изношенности изоляции электрооборудования рассматриваемых сетей сопровождается многоместными пробоями изоляции с групповым выходом из строя оборудования. При отсутствии надежных средств защиты электрооборудования от последствий дуговых перенапряжений, эффективное решение проблемы может быть найдено путём глубокого изучения процессов, происходящих при дуговых замыканиях, и принятия соответствующих мер для защиты электродвигателей от воздействия перенапряжений. Весьма актуальным, при проведении таких исследований, является выбор эффективного метода проведения исследований, который отличался бы простотой и высокой степенью надёжности получаемых результатов. На наш взгляд, наиболее эффективным является метод физического моделирования рассматриваемых сетей с двигательной нагрузкой.

        Цель работы: разработать физическую модель электрической сети с двигательной нагрузкой и провести большой объём исследований по оценке влияния указанной нагрузки на параметры дуговых перенапряжений, как наиболее частого вида повреждения в этих сетях, и по результатам исследования определить причины высокой повреждаемости элетродвигателей в рассматриваемых сетях, и наметить пути совершенствования условий работы электрооборудования в распределительных сетях среднего класса напряжения. И на основе полученных результатов выработать перечень рекомендаций по устранению негативных последствий однофазных коротких замыканий на землю.

      В соответствии с этим основными задачами работы являются: 1) Разработка физической модели электрической сети с изолированной нейтралью и двигательной нагрузкой; 2) Проведение необходимого объёма исследований для оценки влияния двигательной нагрузки на качественные и количественные параметры дуговых перенапряжений; 3) Разработка способов ограничения перенапряжений и сокращение длительности дуговых замыканий. Схемная реализация разработанных способов; 4) Исследование эффективности разработанных способов на физической модели и действующей подстанции.

        Научная новизна: выявлены принципиально новые процессы в электрических сетях с двигательной нагрузкой, позволяющие объяснить причины группового повреждения электродвигателей в рассматриваемых сетях и предложены новые решения по ограничению уровня перенапряжений в сетях с изолированной нейтралью.

        Практическая ценность: практическая реализация предлагаемых решений позволит существенно улучшит условия работы электрооборудования при сниженных уровнях изоляции и сократить повреждаемость электродвигателей, как элементов, имеющих меньшие запасы по изоляции.

        Методы исследования: Физическое моделирование электрических сетей с двигательной нагрузкой и проведение исследований по принципиально новой, разработанной в работе, методике регистрации перенапряжений и обработке результатов исследования.

        Апробация работы: Основные положения работы докладывались и были одобрены на Внутривузовской студенческой конференции «Дни науки – 2010».

        СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

        1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И СПОСОБЫ ЕЁ РЕШЕНИЯ.

        1.1 Работа сетей 6-10 кВ в настоящее время.
        Широко распространённые сети среднего напряжения с двигательной нагрузкой (сети промышленных предприятий, городов, сети собственных нужд электростанций и т.д.), как правило, являются очень разветвлёнными и труднодоступными, так как это в большинстве своём кабельные линии, проложенные в земле. В настоящее время они находятся в критическом состоянии из-за постоянно ухудшающегося технического состояния, вызванного хроническим отсутствием средств на своевременную замену и качественный ремонт электрооборудования с длительным сроком эксплуатации. По данным опыта эксплуатации за последние годы удельная повреждаемость электрооборудования возросла в несколько раз и примерно составляет 120-140 и более единиц на каждые 100 км кабельной сети. Плохое техническое состояние сетей 6-10 кВ ускоряет процесс старения изоляции, причём, ослабление её развивается столь быстро, что приводит к пробоям в период между очередными профилактическими испытаниями при рабочем напряжении или перенапряжениях, незначительно его превышающих.
        Особенно велика повреждаемость электродвигателей, имеющих, как известно, меньшие конструктивные запасы электрической прочности и подвергающиеся повышенному эксплуатационному износу по сравнению с другим электрооборудованием. Так по статистическим данным среднегодовая повреждаемость электродвигателей на предприятии колеблется в пределах (12-14)% от их общего числа.
        Учитывая вышеизложенное, в настоящее время на передний план выдвигается проблема поддержания на достаточном эксплуатационном уровне работоспособности сетей 6-10 кВ и максимальное продление их срока службы.

        1.2 Современное состояние проблемы исследования дуговых перенапряжений в распределительных сетях среднего класса напряжения.
        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 1916г. 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 возникновения электрической прочности дугового промежутка после её гашения.
        С момента замыкания на землю через дугу проходит ёмкостный ток рабочей частоты:

        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.:

        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 6-10 кВ 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. Особенно следует подчеркнуть, что все эти исследования проводились без учёта нагрузки, и считалось, что предельная их кратность зависит только от параметров сети и не зависит от нагрузки.

        2 РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ С ДВИГАТЕЛЬНОЙ НАГРУЗКОЙ И РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОВОДИМЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

        2.1 Принципиальная схема физической модели электрической сети с двигательной нагрузкой
        Для проведения исследований использована физическая модель электрической сети с двигательной нагрузкой, принципиальная схема которой представлена на рис 1. Схема включает в себя: разделительный трансформатор, напряжением 0,4/0,4кВ, мощностью 100кВА, модель питающих кабелей, выполненных в виде R-L-C цепочек и реальных электродвигателей, мощностью от 3 до 10 кВт. Физическая модель снабжена устройством воспроизведения дуговых замыканий в сети, выполненной на основе тиристора Т9-200 и устройством управления его.

        2.2 Анализ результатов исследований.
        На основе большого объема исследований, выполненных с использованием физической модели сети и отдельных опытах в реальных сетях, нами обнаружены принципиально новые явления как в качественных, так и в количественных параметрах дуговых перенапряжений в распределительных сетях с двигательной нагрузкой. Показано, что проводимы ранее исследования дуговых перенапряжений без учёта нагрузки не соответствуют ни характеру распределения перенапряжений, ни их качественным и количественным параметрам, наблюдаемых в распределительных сетях с двигательной нагрузкой. Полученные результаты исследований позволяют объяснить широко наблюдаемые в настоящее время в эксплуатации случаи многоместных пробоев изоляции с групповым выходом из строя электрооборудования. Это требует 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.

        ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ:
        1) Разработана физическая модель электрической сети с изолированной нейтралью и двигательной нагрузкой.
        2) Проведен большой объём экспериментальных исследований дуговых перенапряжений на физической модели сети с двигательной нагрузкой, при широком варьировании параметров сети и места замыкания фазы на землю.
        3) Полученные результаты исследований показали, что двигательная нагрузка оказывает большое влияние как на качественные, так и на количественные параметры дуговых перенапряжений.
        4) По результатам исследований предложен ряд схемных решений, практическая реализация которых позволит существенно улучшить условия работы электрооборудования в рассматриваемых сетях с двигательной нагрузкой и снизить повреждаемость электродвигателей в условиях эксплуатации. Разработаны способы ограничения перенапряжений и сокращение длительности дуговых замыканий. Осуществлена схемная реализация разработанных способов.
        5) Исследована эффективность разработанных способов на физической модели и действующей подстанции.

        ПЕРЕЧЕНЬ ПУБЛИКАЦИЙ

1. Лихачев Ф.В. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов. — Москва: Энергия, 1971. — 254 с.
2. 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.
3. Евдокунин Г. А., Гудилин С. В., Корепанов А. А. Выбор способа заземления нейтрали в сетях 6-10 кВ. Электричество, 1998, N 12
4. Брянцев А.М., Базылев Б.И., Бики М.А., Уколов С.В., Долгополов А.Г.. Лурье А.И., Евдокунин ГА., Славин Г.А. Управляемые подмагничиванием шунтирующие реакторы - новое электротехническое оборудование. Электротехника, N 7, 1999.
5. Серов В. И., Шуцкий В. И., Ягудаев Б. М. Методы и средства борьбы с замыканиями на землю в высоковольтных системах горных предприятий. - М.: Наука, 1985.