ДОНЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ


МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ

Автор: ШЕВЕРДИН АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ
Руководитель: СИВОКОБЫЛЕНКО ВИТАЛИЙ ФЁДОРОВИЧ

Тема: "Ограничение перенапряжений при однофазных замыканиях на

землю в сетях собственных нужд электрических станций"
                      

 СОДЕРЖАНИЕ 


          ВВЕДЕНИЕ 
          1 Математическая модель для исследования сети 
          2 Анализ значений перенапряжений при различных случаях несимметрии    
          3 Выбор оптимального способа ограничения перенапряжений 
          ВЫВОДЫ 
          СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 





                          Главная страница     Головна сторінка     Main page

ВВЕДЕНИЕ

Сети собственных нужд напряжением 6 кВ подавляющего большинства современных электростанций работают в режиме с изолированной нейтралью. Как известно, в сетях с изолированной нейтралью замыкание фазы на землю не является коротким замыканием и не требует немедленного отключения, что позволяет сохранить работоспособность этих сетей при длительных замыканиях фазы на землю путем определения, выделения и отключения места повреждения, а также создания временной схемы питания потребителей без их обесточивания. Преимуществом полностью изолированной нейтрали сети является также простота реализации такого режима, поскольку при этом отпадает необходимость в специальных устройствах для заземления нейтрали. Однако полностью изолированной нейтрали свойственны весьма серьезные недостатки, основным из которых является возможность возникновения перемежающихся дуговых замыканий фазы на землю, сопровождающихся большой кратностью перенапряжений на элементах сети. Совместное воздействие заземляющей дуги и перенапряжений создаёт весьма тяжелые условия для работы изоляции. Термическое действие дуги и перенапряжения зачастую однофазные замыкания на землю переводят в многофазные короткие замыкания или многоместные пробои изоляции на поврежденной фазе с групповым выходом из строя электрооборудования. При этом повреждаются в основном электродвигатели обладающие , как известно , меньшими запасами электрической прочности , и кабели, По данным опыта эксплуатации 60-80% однофазных замыканий в сетях 6-10 кВ развиваются в междуфазные короткие замыкания или в многоместные пробои изоляции . Причем в пределах до 40% из них происходят по причине термического действия дуги в сетях с повышенным током замыкания на землю и более 60% обусловлены пробоем изоляции при воздействии дуговых перенапряжений, чаще всего в сетях с током замыкания до 10 А, характерного для сетей собственных нужд электростанций.

Поскольку в настоящее время отсутствуют надежные средства защиты электрооборудования сетей собственных нужд от последствий однофазных замыканий на землю, то одним из успешных решений указанной проблемы может быть найдено путем оптимизации управления режимом нейтрали, обеспечивающем максимальное ограничение амплитуды и длительности всех возможных повышений напряжения и снижение до минимума тепловых потерь в месте пробоя изоляции.

Одно из направлений изучения этих процессов основано на применении метода математического моделирования. Однако известные математические модели, как правило, рассматривают только самые простые случаи возникновения замыкания фазы на землю - вблизи сборных шин и не рассматривают процессы при замыкании на землю в индуктивных обмотках двигателей, трансформаторов, а также замыкания при наличии смещения нейтрали, вызванного несимметрией нагрузки. В этой работе разработана математическая модель которая позволяет учесть эти недостатки. Модель реализована на языке программирования "Фортран".

В работе проанализированы основные способы ограничения перенапряжений и сделаны выводы о целесообразности их применения, а также предложена методика с помощью которой уровень перенапряжений достигает оптимально-приемлемой величины.

1 Математическая модель для исследования сети

В данной работе представлена математическая модель, позволяющая анализировать указанные выше явления при глухих и дуговых замыканиях фазы на землю. Рассматривается сеть 6-10 кВ, в которой для низкоомного заземления нейтрали используется специальный серийно выпускаемый трансформатор ТСКЗ -63/10 или дугогасящий реактор. На рис. 1 приведена схема замещения сети. В этой схеме источник питания представлен фазной индуктивностью рассеяния L и сопротивлением R. Сеть отражена сосредоточенными фазной C и междуфазной Cm емкостями. В цепи последней учтена имеющаяся индуктивность М. Изоляция представлена активными фазными Ra , Rb , Rc , и междуфазными Rm сопротивлениями. Специальный присоединительный трансформатор введен в схему фазными значениями индуктивности рассеяния LT и активного сопротивления RT. В нейтраль этого трансформатора может быть подключен токоограничивающий резистор RD, и реактор LD. Высоковольтный электродвигатель включен 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 по обмотке путем введения изменяемых сопротивлений R11 , R12 и индуктивностей рассеяния L11 , L12. Цепь замыкания фазы на землю в обмотке двигателя имитируется его емкостью 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. Все токи и принятые их направления показаны на схеме замещения. В режиме замыкания фазы на землю схема описывается следующей системой дифференциальных уравнений относительно неизвестных контурных токов и напряжений в узлах схемы:

Ri1 + Lpi1 + UA – UB + R(i1 + i3) + Lpi1 + Lpi3 = ea – eb ; (1)

Ri3 + Lpi3 + UC – UB + R(i1 + i3) + Lpi1 + Lpi3 = ec – eb ; (2)

RTi4 + LTpi4 + RD(i4 + i5 + i6) + LDpi4 + LDpi5 + LDpi6 – UA =0 ; (3)

RTi5 + LTpi5 + RD(i4 + i5 + i6) + LDpi4 + LDpi5 + LDpi6 – UB =0 ; (4)

RTi6 + LTpi6 + RD(i4 + i5 + i6) + LDpi4 + LDpi5 + LDpi6 – UC =0 ; (5)

 

R1i7 + L1 p i7 + R12(i7 + i8) + L12 p i7 + L12 p i8 + UF – UA = 0 ; (6)

R1i8 + L1 p i8 + R12(i7 + i8) + L12 p i7 + L12 p i8 + UF – UB = 0 ; (7)

R11 i9 + L11 p i9 + UF – UC = 0 ; (8)

Mpi16 + UPB + UB – UA = 0 ; (9)

Mpi17 + UKC + UC – UB = 0 ; (10)

Mpi18 + UNA + UA – UC = 0 ; (11)

P UA = (i13 – ) = (i1 – i4 – i7 – i16 + i18 – ) ; (12)

P UB = (i14 – ) = (– i1 – i3 – i5 – i8 – i17 + i16 – ) ; (13)

P UC = (i15 – ) = (i3 – i6 – i9 – i18 + i17 – ) ; (14)

 

 

P UF = (i10 – ) = (i7 + i8 + i9 – ) ; (15)

 

P UPB = (i16 – ) ; (16)

P UKC = (i17 – ) ; (17)

P UNA = (i18 – ) ; (18)

 

где P – оператор дифференцирования.

Для решения данной системы дифференциальных уравнений применен, обладающий повышенной численной устойчивостью, неявный метод Эйлера, общее выражение которого на каждом i-ом шаге расчёта h выглядит следующим образом:

(19)

где - вектор искомых переменных;

- вектор начальных приближений;

- текущее время расчёта;

n – количество уравнений.

 

Полученная по (19) система линейных алгебраических уравнений, записанная относительно вектора искомых уравнений , решается на каждом шаге методом Гаусса.

где А - матрица текущих коэффициентов размером ;

В - вектор - столбец начальных приближений и свободных членов системы уравнений.

 

Рисунок 1.1 – Схема замещения сети

Описанная выше модель реализована на ЭВМ в виде Фортран - программы. Для расчета доаварийного режима работы сети разработана подпрограмма, в которой использованы уравнения метода контурных токов.

Модель позволяет исследовать замыкание фазы на землю в сетях, где нейтраль заземлена через дугогасящий реактор с целью компенсации емкостного тока. При этом можно выяснить зависимость перенапряжений от степени расстройки дугогасящего реактора, т.е. определить влияние отклонения от резонансной настройки. Определение характера тока замыкания на землю при глухих и дуговых замыканиях фазы позволяет оцепить работоспособность различных типов защит от замыканий на землю. Модель позволяет также определить предельную длительность существования дугового замыкания на землю из условия термической стойкости разрядников типа ОПН.

Данная модель была использована для выбора параметров средств ограничения перенапряжений в системе собственных нужд 6 кВ тепловых и атомных электростанций

2 Анализ значений перенапряжений при различных случаях несимметрии

Данная глава посвящена анализу процессов при однофазных замыканиях на землю с помощью метода математического моделирования. За основу была принята математическая модель, описанная в предыдущей главе, которая позволяет моделировать указанные выше явления при различных значениях параметров кабельной сети, трансформаторов, двигательной нагрузки и режима работы нейтрали сети.

Как известно, наибольшие перенапряжения при замыкании фазы на землю могут возникать, если момент замыкания происходит в максимум напряжения поврежденной фазы, а погасание дуги - при переходе через "ноль" высокочастотной составляющей тока замыкания или составляющей промышленной частоты. На рис.2.1 приведена осциллограмма многократных пробоев фазы С на землю при t1 = 0.005с, t2 = 0.015с, t3 = =0.025с, t4 = 0.035с , t5 =0.045с в момент максимума напряжения на поврежденной фазе С и погасаний дуги при первом переходе через "ноль" тока высокочастотных колебаний. Из осциллограммы следует, что при первом замыкании фазы на землю напряжения на здоровых фазах не превышают 2,5Uф, но при последующих пробоях напряжения здоровых фаз возрастают до 4,6 Uф , т. е. при таком виде замыкания происходит процесс эскалации напряжений. Аналогичным образом происходит нарастание напряжения на поврежденной фазе (от 2,6 до 3,8 Uф) и напряжения смещения нейтрали (от 1,57 до 3 Uф). Параметры сети мало сказываются на кратности перенапряженй, заметно влияя только на частоту высокочастотных колебаний и амплитуду броска тока в месте замыкания. Анализ перенапряжения для случая погасания дуги при переходе через "ноль" тока промышленной частоты и замыканиях на максимуме напряжения поврежденной фазы показал, что при первом замыкании фазы на землю напряжения на здоровых фазах не превышают 2,5 Uф, а при повторных пробоях увеличивается до (3,2-3,3) Uф , оставаясь в дальнейшем неизменным. Таким образом увеличение кратности напряжений выше З Uф на здоровых фазах в режимах дугового замыкания фазы на землю является причиной пробоя изоляции в других точках сети и возникновению многофазных коротких замыканий.

Рисунок 2.1 – Замыкание фазы С на землю и погасание дуги при первом переходе через “ноль” тока высокочастотных колебаний ( С = 3 мкФ, ICZ = 10 А)

 

В условиях отсутствия надежных средств защиты сетей собственных нужд ТЭС и АЭС от последствий однофазных замыканий на землю, ведется поиск эффективного решения проблемы повышения надежности работы оборудования собственных нужд в таких режимах. Поэтому в последние годы были разработаны ведомственные циркуляры, предписывающие перевод сетей собственных нужд ТЭС и АЭС из режима с изолированной нейтралью в режим с частичным заземлением через небольшое активное сопротивление, устанавливаемого в нейтрали специального присоединительного трансформатора. Первоначально величина этого токоограничиваюшего резистора была принята 100 Ом, что предполагало ограничение величины перенапряжений и обеспечение надежной работы релейной защиты от однофазных замыканий на землю. На рис. 2.2 приведена осциллограмма дугового замыкания фазы С на землю при наличии присоединительного трансформатора мощностью бЗкВА и величиной резистора в его нейтрали равной 100 Ом. Как видно из рис,2.2 применение токоограничивающего резистора позволяет снизить кратности перенапряжений на здоровых фазах А и В до величины 2.38 UФ. Однако, как показал опыт эксплуатации, внедрение этого мероприятия не привело к заметному повышению надежности работы сетей 6 кВ собственных нужд электростанций, что свидетельствует о слабой изученности этого вопроса и отсутствии строгого научного обоснования для технической реализации данного способа. Так, до сих пор, из-за отсутствия обоснованной методики дискуссионным остается вопрос выбора величины сопротивления заземляющего резистора. Например: по результатам последних исследований с целью снижения термического действия дуги в месте замыкания фазы на землю и повышения термостойкости самого резистора рекомендовано применять высокоомный резистор величиной 1000 Ом. Не исследованы вопросы о последствиях существенного увеличения тока замыкания на землю в сети с заземлением нейтрали через небольшое активное сопротивление и надежности срабатывания релейной защиты от однофазных замыканий, выполненной на базе простых электромеханических реле. Для восполнения данного пробела были проведены исследования на математической модели режимов дуговых замыканий на землю при разных величинах сопротивления резистора, мощности присоединительного трансформатора, суммарной емкости сети и различном повторном напряжении пробоя поврежденной фазы. Как видно на рис. 2.3 кратности перенапряжении существенно зависит от условий гашения дуги и величины суммарной емкости сети. Для реальных сетей ТЭС и АЭС, где токи замыкания за землю, как правило, не превышают 20 А, можно рекомендовать установку резистора величиной до 400 Ом, при этом максимальные кратности перенапряжений не будут превышать 2,7 Uф при одновременном снижении термического действия дуги в месте замыкания и повышения термической стойкости самого резистора.

Рисунок 2.2 - Замыкание фазы С на землю и погасание дуги при первом переходе через “ноль” тока высокочастотных колебаний ( RD = 100 Ом, С = 3 мкФ, ICΣ = 9 А)

В табл.2.1 приведены результаты моделирования дугового замыкания на землю при различных значениях напряжения повторного пробоя, емкости сети и возможном значении активного сопротивления дуги в месте замыкания RZ. Анализ приведенных в табл. результатов показывает, что при сопротивлении резистора 100 Ом количество пробоев дугового промежутка за один период промышленной частоты может колебаться от 2 до 15 в зависимости от емкости сети и величины пробивного напряжения. При сопротивлении резистора 100 Ом количество пробоев дугового промежутка не зависит от емкости сети, величина же среднеквадратичного тока замыкания Iср.кв. за один период возрастает с увеличением суммарной емкости сети и не зависит от величины пробивного напряжения дугового промежутка.

Аналогичные исследования, проведенные для присоединительного трансформатора мощностью 630 кВт, показали, что увеличение на порядок мощности присоединительного трансформатора практически не сказывается на кратности перенапряжений, количестве пробоев дугового промежутка и среднеквадратичном значении тока замыкания.

Отметим также, что применяемые решения, в отношении резистивного заземления нейтрали, не

исключают работу сети собственных нужд с полностью изолированной нейтралью, когда, например, замыкание возникает на ответственном присоединении, которое согласно правил безопасности не подлежит отключению. В этих случаях отключается присоединительный трансформатор вместе с заземляющим резистором и в сети возможны длительные дуговые замыкания. Устранение этих недостатков требует дальнейших анализов и разработок.

Анализ полученных в данной работе результатов позволяет сделать вывод о том, что наличие особенностей в характере переходных процессов в сети с резистивно-заземленной нейтралью, где частотные параметры тока и напряжения могут меняться в широких пределах, может быть причиной того, что широко распространенные в настоящее время в сетях с.н. электростанций реле РТЗ - 51 (РТЗ-50, РТ - 40/0,2) в условиях часто повторяющихся пробоев, так называемых клевков, не успевают успешно сработать, и могут находиться в таком состоянии длительное время даже при больших токах замыкания на землю. Хотя и небольшое по величине, но длительно действующие в этом случае перенапряжения могут вызвать повреждение электрооборудования сети, Исходя из изложенного, можно заключить, что резистивное заземление нейтрали сети собственных нужд электростанций не исключает возможности повреждения электрооборудования в условиях неустойчивого горения дуги, что и подтверждается в эксплуатации.

К числу недостатков резисторного заземления сети 6 кВ следует также отнести низкую термостойкость бэтелового резистора при его величине 100-400 Ом, т.к. допустимая длительность замыкания на землю при этом не превышает 1,2 минуты. По истечении этого времени присоединительный трансформатор должен быть отключен и сеть переводится в режим с изолированной нейтралью со всеми присущими ей недостатками.

 

Рисунок 2.3 - Зависимости кратности перенапряжений от величины сопротивления резистора в нейтрали присоединительного трансформатора при пробоях на максимуме напряжения поврежденной фазы I - гашение дуги при ''ноле" промышленной частоты (С = 3; 5,25 мкФ), II - гашение дуги при "ноле" в/ч колебаний (С = 3 мкФ; ICΣ = 9 А), III- гашение дуги при "ноле" в/ч колебаний (С = 5.25 мкФ; ICΣ = 18 А).

Таблица 2.1 - Дуговое замыкание фазы на землю при заданных значениях напряжения пробоя и гашение дуги при переходе через “ноль” тока высокочастотных колебаний

STP кВА

RД ,Ом

С, мкФ

UПР,

в

Кол-во пробоев

Iср.кв А (RZ=0.5 0м)

Iср.кв А (RZ=4Ом)

63

100

2

3000

15

104,07

64,46

400

5

66,95

39,36

1000

5

67,01

40.59

100

6

3000

7

169.85

82,89

400

5

152,88

75,91

1000

5

153,24

76,86

100

2

4900

5

94,38

54,47

400

2

66,88

42,20

1000

2

66,99

42,34

100

6

4900

2

153,7

82.83

400

2

154,06

83,24

1000

2

153,57

83,57

Итак: резистивное заземление нейтрали присоединительного трансформатора позволяет ограничить перенапряжения до 2,2 -2,4Uф в сети с.н. 6кВ; для конкретных сетей с.н. в зависимости от величин емкостного тока требуется выбор оптимальной величины заземляющего резистора и оценка его влияния на перемежающуюся дугу с учетом его термостойкости; требуется дальнейшая разработка способов повышения надежности функционирования сетей с.н. ТЭС и АЭС, т.к. резистивное заземление и применяемая релейная защита не решают в полной мере проблему исключения перенапряжений при замыкании на землю через дугу.

3 Выбор оптимального способа ограничения перенапряжений

Для выбора оптимального способа ограничения перенапряжений рассмотрим основные достоинства и недостатки из нижеперечисленных методик. К основным спосбам ограничения перенапряжений относятся:

1) применение ОПН (нелинейных ограничителей перенапряжений);

2) применение разрядников;

3) применение устройств компенсации емкостных токов ( дугогасящих трансформаторов ТАДТМ-25/6);

4) установка активного сопротивления в нейтраль специального присоединительного трансформатора.

К основным недостаткам первых двух способов относятся: недостаточная степень защиты оборудования от перенапряжений, влияние места расположения разрядников и ОПН на величину перенапряжений.

Применение устройств компесации емкостных токов осложнено большой степенью точности настройки таких систем, так как емкость сети зависит от её конфигурации и в процессе эксплуатации она может меняться в больших пределах, поэтому не всегда удаётся точно настроить устройство, а значит эффективность его работы будет невелика.

Установка активного сопротивления в нейтраль специального присоединительного трансформатора снижает уровень перенапряжений, однако оптимальной величины этого резистора до сих пор не установлено. Это объясняется тем, что его величина связана с особенностями конфигурации сети и для разных режимов работы системы требуется постоянная коррекция сопротивления для более эффективной работы.

Учитывая все эти недостатки предлагается следующий способ ограничения перенапряжений: в момент замыкания на землю фазу где произошло повреждение шунтировать, тем самым переводить сеть в режим глухого замыкания и в первый момент ограничивать перенапряжения с помощью ОПН. Применение этого способа даёт самое оптимальное снижение уровня перенапряжений, напряжения на нормальных фазах увеличивается до линейного, что является допустимым для изоляции, а также отсутствие сверхпереходных процессов при этом подтверждает эффективность этого метода.

ВЫВОДЫ

В ходе выполнения работы были рассмотрены основные способы ограничения перенапряжений в сетях напряжением 6 -35 кВ при возникновении замыканий на землю, а также были проанализированы их основные особенности и недостаки. На основании которых был сделан вывод о целесообразности применения каждого из рассмотренных способов.

Была разработана математическая модель электрической сети на языке программирования "Фортран" с помощью которой проведен анализ различных режимов работы при вознекновении всевозможных повреждений. Достоинством этой модели является то, что она позволяет моделировать явления при глухих и дуговых замыканиях фазы на землю.

При выполнении анализа значений перенапряжений при различных случаях несимметрии установлена их кратность, что позволяет выбрать оптимальный способ для снижения влияния повреждений на работоспособность энергоситемы.

Предложен способ ограничения перенапряжений с применением шунтирования повреждённой фазы и таким образом перевода сети в режим глухого зазамления нейтрали, что позволяет уменьшить уровень перенапряжений до допустимой для изоляции величины. Особеннностью этого способа является то, что в первый момент ограничение происходит за счёт ОПН. Таким образом происходит комбинирование средств ограничения перенапряжений.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Правила устройства электроустановок. - М: Энергоатомиздат, 1986г.

2. Евдокунин Г.А., Гудилин С.В., Корепанов АА. Выбор способа заземления нейтрали в сетях 6-10 кВ. -Электричество, 1998,№ 12.

3. Подъячев В.Н., Плессер М.А., Беляков Н.Н., Кузьмичева К.И. - Энергетик, 1999, №2.

4. Лихачев Ф.А. Заземление на землю в сетях с изолированной нейтралью и компенсацией емкостных токов. М., Энергия, 1971г.

5.Циркуляр Ц-01-88. О повышении надежности сетей 6 кв собственных нужд энергоблоков АЭС. - М., 1988.

6. Влияние способа заземления нейтрали сети собственных нужд блока 500 МВт на перенапряжения и работу релейной защиты / В. А. Зильберман, И. М. Эпштейн, Л. С. Петрищев и др. — Электричество, 1987. № 12.

7. Режимы нейтрали в электрических системах. Киев: Наукова думка, 1974.

8. Маврицын А. М., Петров О. А. Электроснабжение угольных разрезов. М.: Недра, 1977.

9. Лихачев Ф. А. Инструкция по выбору, установке и эксплуатации дугогасящих катушек. М.: Энергия, 1971.

10. Гиря В. И., Петров О. А. Классификация систем автоматического регулирования настройки дугогасящих реакторов.— В кн.: Автоматизация энергосистем и энергоустановок промышленных предприятий. Челябинск: ЧПИ, 1977.

11. Гиря В. И., Петров О. А. Автоматическая настройка компенсации емкостных токов.— Электрические станции, 1977. № 3.