Актуальность

Актуальность темы. Однофазные замыкания на землю являясь самым распространённым видом повреждения в электрических сетях среднего класса напряжения (в пределах до 85-90% от общего числа нарушений нормальной работы сетей в зависимости от их назначения и конструктивного исполнения) в сложившихся условиях сильной изношенности изоляции  в подавляющем большинстве случаев развиваются в междуфазные короткие замыкания или многоместные пробои изоляции с групповым выходом из строя электрооборудования, сопровождаясь большим материальным ущербом и недоотпуском электроэнергии потребителям. Поэтому справедливо считается, что основным направление борьбы за повышения надёжности работы электрических сетей является борьба с однофазными замыканиями на землю. На мой взгляд, оптимальное решение указанной проблемы может быть найдено только на основе глубокого понимания электрофизических основ характера протекания переходных процессов при дуговых замыканиях на землю с учётом всех влияющих факторов.

Исходя из изложенного в рассматриваемой работе ставилась задача исследования перенапряжений в электрической сети Докучаевского ферродоломитного комбината (ФДК) напряжением 6 кВ ПС 35/6 кВ "Рудничная". При отсутствии надежных средств защиты электрооборудования от последствий дуговых перенапряжений, эффективное решение проблемы может быть найдено в оптимизации и управлении режимом нейтрали сети. А метод компьютерного моделирования, примененный в данной работе отличается большим объемом полученных результатов при низких материальных затратах и высокой точности расчетов.

Цель и задачи работы

Цель работы:  Разработать математическую модель для исследования перенапряжений и анализа переходных процессов при однофазных замыканиях в сетях с изолированной нейтралью, методы повышения надёжности работы этих сетей. Выработать на основе полученных результатов перечень рекомендаций по устранению негативных последствий. В соответствии с этим основными задачами являются:

• Разработка и внедрение способов повышения надежности электроснабжения Докучаевского ФДК при однофазных замыканиях на землю в сети ПС 35/6 кВ "Рудничная".
• Изучение действующей системы электроснабжения Докучаевского ФДК. Анализ причин неселективной работы релейной защиты.
• Разработка алгоритма, программы и расчеты на ЭВМ процессов при замыканиях фазы на землю, и разработка принципов выполнения усовершенствования феррорезонансных процессов.
• Исследование образцов устройств в лабораторных и реальных условиях

Научная новизна

Научная новизна: предложены новые решения по ограничению уровня перенапряжений в сетях с изолированной нейтралью и усовершенствованию способа выполнения защиты от  замыканий фазы на землю в электрических сетях.

Практическая ценность

Практическая ценность: Предлагаемые в работе схемные решения найдут широкую практическую реализацию для повышения надёжности работы электрических систем с изолированной и резонансно заземлённой нейтралью.

Обзор существующих исследований и разработок по теме

Исследованиями данной проблемы занимается долгое время кафедра "Электрические станции", ее преподаватели - Сивокобыленко В.Ф., проф., зав. каферы ЭС, Левшов А.В., к.т.н., декан ЭтФ, Лебедев В.К., к.т.н., доцент кафедры ЭС, Дергилев М.П., к.т.н., доцент кафедры ЭС, студенты - Бакалов В.А., Маляр Д.Н., Живых Д.А., Цыганков В.А., Панков В.М. Их работы можно просмотреть перейдя в моем сайте к ссылкам.

В таких журналах как "Новости ЭлектроТехники", "Энергетик", "Электрические стации" приведены статьи ученых, инженеров, аспирантов, занимающихся данной проблемой. Некоторые из этих статей также можно просмотреть перейдя к разделу "Ссылки".

Основная часть

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И СПОСОБЫ ЕЁ РЕШЕНИЯ

1.1 Работа сетей 6-35 кВ в настоящее время 

Распределительные сети 6-35 кВ являются самыми протяжёнными с наиболее тяжелым режимом работы электрооборудования. Поэтому от надежности их работы в значительной мере зависит безаварийность электроснабжения потребителей и эксплуатационная гибкость функционирования энергосистемы в целом, что особенно актуально в условиях постоянно ухудшающегося технического состояния сетей из-за сильной изношенности изоляции электрооборудования. Распределительные сети 6-35 кВ обеспечивают электроснабжение потребителей крупных промышленных объектов, потребителей собственных нужд электростанций, сельскохозяйственных потребителей, предприятий горнодобывающей промышленности, объектов коммунального хозяйства и т.д. Для питания потребителей  на  каждой  подстанции установлено не менее двух трёхобмоточных трансформаторов мощностью в пределах от 16 МВА до сотен МВА и напряжением 35-220 кВ. От вторичных обмоток этих трансформаторов напряжением 6-35 кВ питаются секции шин закрытых распределительных устройств.

По конструктивному исполнению распределительные сети 6-35 кВ в подавляющем большинстве случаев в пределах до 15% от общей протяжённости выполнены воздушными, до 2-5% – смешанные воздушно-кабельные сети, а большая часть из них представляют собой кабельные сети. Промышленная и коммунальная нагрузка, как правило, хорошо резервируется, с этой целью на распределительные пункты (РП) заводятся чаще два ввода – один на каждую секцию шин распределительного пункта. В отдельных случаях второй ввод прокладывается от другой секции РП или даже  от другого  РП. В связи с этим ток однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) в анормальных режимах, когда включаются межсекционные масляные выключатели или подключаются вторые резервные вводы, может, резко возрасти. В целом параметры участков сетей по току замыкания могут меняться в широких пределах от 50% до 100% в нормальном режиме и до 200% в режиме подключения других секций РП на один силовой трансформатор. В целом величина тока замыкания на шинах отдельных РП может изменятся в пределах от 1,5 А для воздушных участков сети и до 200А на отдельных участках кабельных сетей. Наиболее широко наблюдаемые значения тока замыкания, которые характерны для подавляющего числа подстанций промышленного назначения, лежит в пределах 40-70 А.

Распределительные сети 6-35 кВ работают в режиме с изолированной нейтралью[1,2]. Контроль состояния изоляции осуществляется с помощью трансформатора напряжения типа НТМИ-6. В настоящее время при замыкании на землю в сети 6 кВ срабатывает защита, выполненная на реле максимального напряжения, подключенная к разомкнутому треугольнику ТН, являющемуся фильтром напряжения нулевой последовательности. Данная защита действует на сигнал, а поиск поврежденного элемента сети осуществляется путем поочередного отключения присоединений. Кроме этого на присоединениях сети от однофазных замыканий на землю предусмотрена токовая защита нулевой последовательности, которая подключается к трансформатору тока нулевой последовательности. Однако из-за малой величины тока замыкания на землю эта защита не всегда оказывается чувственной при замыкании на землю или срабатывает не селективно.

Главным преимуществом сети с изолированной нейтралью является то, что однофазные замыкания, наиболее частый вид повреждения, не являются здесь аварийным режимом и сеть, в течение до четырех часов, может работать в таком режиме, что обеспечивает высокую надежность электроснабжения потребителей при снижении расходов на резервирование. Однако в режиме однофазного замыкания на землю изоляция неповрежденных фаз может длительно находиться под линейным напряжением и через место повреждения протекает ток замыкания на землю. Это может привести к разрушению изоляции здоровой фазы и приведет к двухфазному короткому замыканию, что переведёт сеть в аварийное состояние.

Учитывая вышеизложенное, в настоящее время на передний план выдвигается проблема поддержания на достаточном эксплуатационном уровне работоспособности сетей 6-35 кВ и максимальное продление их срока службы. Одним из успешных решений данной проблемы является способ заземления нейтрали.

1.2 Основные теории, используемые для анализа перенапряжений при однофазном замыкании на землю

Вопросом изучения процессов при однофазных замыканиях на землю в распределительных сетях специалистами всех технически развитых стран традиционно уделялось повышенное внимание. За несколько десятилетий накоплен большой научный и экспериментальный материал, предложены меры по защиты сетей от последствия однофазных замыканий на землю. Однако сложность переходных процессов, многообразие влияющих факторов и бурное развитие электрических сетей постоянно порождают новые проблемы, от решения которых всецело зависит уровень эксплуатационной надёжности.

При изучении физической картины процессов в трехфазной электрической сети при однофазном замыкании на землю установлено, что кратность дуговых перенапряжений в значительной мере определяется свободной составляющей напряжения в переходном режиме[6,8,9].

Свободные колебания, накладываясь на установившееся значение напряжений фаз сети, приводят к возникновению перенапряжений, на величину которых наряду с другими факторами большое влияние оказывает характер горения дуги в месте замыкания фазы на землю. В сетях с изолированной нейтралью при пробое изоляции одной из фаз на землю в зависимости от величины тока замыкания возможны три режима горения заземляющей дуги.

1.При весьма большом токе дуга горит устойчиво, падение напряжения на дуге сравнительно мало, и вследствие большой остаточной проводимости при проходе тока через нуль не успевает восстанавливаться сколько-нибудь значительная электрическая прочность.

2.При достаточно малом токе дуга горит неустойчиво и после одного или нескольких повторных зажиганий и погасаний, несколько раздувшись за счёт тепловых потоков, дуга гаснет окончательно, изоляция восстанавливает свою электрическую прочность и сеть восстанавливает свой нормальный режим работы.

3.При промежуточном значении тока наблюдаются многократные повторные погасания и зажигания дуги, сопровождающиеся колебательными перезарядками емкостей сети и перенапряжениями. Именно этот режим замыкания фазы на землю с перемежающейся дугой в условиях эксплуатации сопровождается наибольшими как по величине, так и по длительности перенапряжениями, обусловленными смещением нейтрали системы, остаточными зарядами на емкостях линий при гашениях дуги. Поэтому этому режиму, представляющему наибольшую опасность для изоляции электрооборудования  традиционно уделялось большое внимание специалистами всех технически развитых стран.

Основоположником исследований этих перенапряжений был немецкий инженер Петерсен, который в 1916 году разработал теорию, объясняющую физическую сущность процесса возникновения максимальных перенапряжений. Согласно этой классической теории в основу рассмотрения процесса дугового перемежающегося замыкания фазы на землю положено предположение о погасании дуги при прохождении через нуль тока высокочастотных колебаний и новом ее зажигания при максимуме напряжения на поврежденной фазе. При этом цикл зажигание и погасания дуги повторяется каждый полупериод рабочей частоты сети, а максимальные напряжения на фазах постоянно возрастают.

В 1923 году Петерс и Слепян предложили другую принципиально отличную от ранее рассмотренной теорию генерации дуговых перенапряжений. На основе проведенных исследований ими было установлено, что дуговой промежуток не успевает сколько-нибудь существенно восстановить свою электрическую прочность при быстром проходе через нуль высокочастотных колебаний. По этой гипотезе дуговой промежуток успевает восстановить свою электрическую прочность и дуга погаснет после затухания высокочастотных колебаний, когда медленно проходит через нуль сравнительно небольшой ток промышленной частоты, определяющийся ёмкостью сети, а повторные её зажигания происходят также при максимуме напряжения на поврежденной фазе.

Позднее эти теории дополнялись различными авторами на основании теоретических и лабораторных исследований в отношении уровней максимальных перенапряжений и формы их развития.

Обширные исследования дуговых перенапряжений в сетях 6-10 кВ с изолированной нейтралью проведены Н.Н. Беляковым  и Ч.М. Джуварлы, которые показали, что существенную роль в механизме развития дуговых перенапряжений играет характер восстановления электрической прочности дугового промежутка после гашения дуги [10,11]. От скорости восстановления прочности дугового промежутка зависит возможная амплитуда смещения потенциала всей системы, а, следовательно, и возможные перенапряжения. Установлено, что обычно дуга пытается погаснуть при каждом проходе полного тока (с высокочастотной составляющей) через нуль. Однако при этом сравнительно быстро (с частотой собственных колебаний сети) на дуговом промежутке восстанавливается напряжение, которое получило специальное название " пик гашение" Uп.г., величина которого равна удвоенному значению Uсм – Uф, то есть:

Uп.г.=2(Uсм–Uф)

Сложность процессов и многофакторность зависимости перенапряжений при дуговых замыканиях фазы на землю подтверждается также противоречивостью результатов обширных исследований, проведённых за последние десятилетия специалистами из разных странам в различных по назначению распределительных сетях с изолированной и резонансно заземленной нейтралью для оценки реальной картины опасности этих перенапряжений для изоляции электрооборудования. Конечные результаты этих работ содержат в основном противоречивые сведения о максимальных кратностях перенапряжений и не раскрывают физической сущности явлений [9,12-17].

Следует также обратить внимание на тот факт, что при проведении исследований процессов в режиме перемежающихся дуговых замыканий фазы на землю всегда считалось, что сеть симметрична, то есть не учитывали естественно возникающее в условиях эксплуатации или искусственно создаваемое в сетях с дугогасящей катушкой смещение нейтрали сети, а также пренебрегали активным сопротивлением утечек через изоляцию, предполагая, что активная проводимость значительно меньше ёмкостной проводимости сети.

Таким образом, в сложившихся условиях постоянно ухудшающегося технического состояния сетей из-за отсутствия средств на своевременную замену и качественное восстановление повреждённого электрооборудования проблема поддержания электроустановок на достаточном эксплуатационном уровне в значительной мере будет зависеть от правильного понимания условий его работы в сетях с ослабленной изоляцией и, в частности, знания законов динамики изменения параметров и характеристик сетей по мере ухудшения состояния их изоляции и её влияние на качественные и количественные параметры переходных процессов при перемежающихся дуговых замыканиях фазы на землю.

1.3 Обзор существующих методов ограничения перенапряжений в сетях 6-35 кВ

Сети одного и того же номинального напряжения при разных способах заземления нейтрали имеют ряд различий в технических и экономических показателях. Способ заземления нейтрали в первую очередь влияет на величину тока замыкания на землю. Поэтому ПУЭ все электрические сети, в зависимости от величины тока, подразделяет на сети с малым и сети с большим током замыкания на землю. Согласно принятым в Украине нормам сети 6-35 кВ относятся к сетям с малым током замыкания на землю.

2 РАЗРАБОТКА НА ЭВМ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СЕТИ Докучаевского ФДК  ПС 35/6 кВ "Рудничная"

2.1 Схема замещения сети

Для математического моделирования схемы Докучаевского ФДК ПС 35/6 кВ "Рудничная" (рис.1) используем ее схему замещения (рис. 2).

Рисунок 2.1 - Схема Докучаевского ФДК ПС 35/6 кВ "Рудничная"

Рисунок 2.2 - Схема замещения Докучаевского ФДК ПС 35/6 кВ "Рудничная"

На схеме замещения рабочий трансформатор, являющийся источником питания, представлен фазной индуктивностью рассеяния L, активным сопротивлением R и источником ЭДС Е. Сеть отражена сосредоточенными фазной С_и и междуфазной С_м ёмкостями, активными сопротивлениями изоляции R_и и R_м. Трансформатор напряжения, введённый для учёта влияния феррорезонансных процессов в сети, представлен фазным значением активного сопротивления R_т1 и нелинейной зависимостью его фазной индуктивности рассеяния  L_т1 от величины протекающего тока. Два присоединения (фидеры) представлены в схеме замещения активными сопротивлениями R_пр и емкостями С_пр. Замыкание фазы на землю имитируется активным сопротивлением дуги, включаемым вместо активного сопротивления изоляции в любом месте схемы замещения.

2.2 Дифференциальные уравнения математической модели

Составляем граф сети Докучаевского ФДК ПС 35/6 кВ "Рудничная" (рис2.3).

Рисунок 2.3 – Граф сети Докучаевского ФДК ПС 35/6 кВ "Рудничная"

Узлов  q = 14
Ветвей р = 25
ветви дерева рд = 13
хорды рх = 12

Используя построенный для схемы замещения граф цепи (рис. 2.3) составляем следующую систему дифференциальных уравнений относительно неизвестных контурных токов:

І_х=[і₁,i₂,i₃, і₄,i₅,i₆, і₇,i₈,i₉, і₁₀,i₁₁,i₁₂,];

i₂₂=i₁₉=і₁+i₂+i₃+і₄+i₅+i₆+і₇+i₈+i₉+і₁₀+i₁₁;
i₂₃=-i₂-i₃+i₅+i₆+i₈+i₉+і₁₀+i₁₁+i₁₂;
i₂₄=-i₃+i₆+i₉+i₁₁+і₁₂;
i₂₅=і₁+i₂+i₃;

Контура: 1) 1,19,22,25;  2) 2,19,22,-23,25;  3) 3,19,22,-23,-24,25;  4) 4,-19,-22,13;  5) 5,14,-19,-22,23;  6) 6,15,-19,-22,23,24;  7) 7,19,-19,-22;  8) 8,17,-19,-22,23;  9) 9,18,-19,-22,23,24;  10) 10,-19,20,-22,23;  11) 11,-19,21,-22,23,24;  12) 12,23,24.

За напряжения U_k, U_n, U_p принимаем напряжения в ветвях 23,24,12 соответственно между индуктивностью и емкостью.

Перечень нерешенных проблем

Задача дальнейших исследований состоит в совершенствовании структуры математической модели сети 6-35 кВ и разработки на базе современной микропроцессорной техники и ПЭВМ способов и устройств автоматического поиска поврежденного присоединения с целью локализации аварии и быстрейшего восстановления нормального режима работы сети для повышения надежности функционирования систем электроснабжения потребителей электрической энергии.

Текущие и планируемые результаты по теме

Основные результаты работы:

Заключения и выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЯ И ВЫВОДЫ

На основе большого объема исследований, выполненных с использованием математических и физических моделей сети и отдельных опытах в реальной сети, обнаружены принципиально новые явления, требующие  нового подхода к выбору и расстановке средств защиты от 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

Литература

1. Петренко Л.И. Электрические сети и системы – Киев: Вища школа, 1981. – 320с.
2. Правила устройства электроустановок. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 640 с
3. Дергилев М.П. Недостаточность резистивного замыкания нейтрали в задачах борьбы с перенапряжением в сетях 6-35 кВ // Сборник докладов „Релейная защита и автоматика энергосистем 2004”.- Москва, ВВЦ, павильон „Электрификация”.-с.211-214.
4. Дергилев М.П. Проблемы применения резистивного заземления нейтрали в сетях 6-35 кВ // Труды ХIV Уральской научно-технической конференции по обмену опытом проектирования, наладки и эксплуатации устройств релейной защиты и автоматики.- г.Екатеринбург, 21-23 апреля 2004 г.-с.103-108.
5. Лихачев Ф.А. Замыкание на землю в сетях с изолированной нейтралью и компенсацией емкостных токов. – М.: Энергия, 1971. – 152 с.
6. Сивокобыленко В.Ф., Дергилев М.П., Иванов С.А. и др. Ограничение перенапряжений в системе собственных нужд электростанций // Энергетика и электрификация, 1996, №4. – С. 20 – 22.
7. Гиндуллин Ф.А., Гольштейн В.Г., Дульзон А.А., Халилов Ф.Х. Перенапряжения в сетях 6 – 35 кВ. – М.: Энергоатомиздат, 1989 – 192 с.
8. Сирота И.М., Кисленко С.Н., Михайлов А.М. Режимы нейтрали электрических сетей. Киев: Наукова думка, 1985. – 264 с.
9. Беляков Н.Н. Исследование перенапряжений при дуговых замыканиях на землю в сетях 6 – 10 кВ с изолированной нейтралью // Электричество, 1957, № 5. – С. 31 – 36.
10. Вольпов К.Д. Измерение максимальных уровней внутренних перенапряжений в сетях 6, 35, 110 кВ “Донбассэнерго” // Изв. Вузов СССP, Энергетика, 1962, № 3 – С. 1 –4.
11. Халилов Ф.Х. Коммутационные перенапряжения в сетях 6 –10 кВ // Промышленная энергетика, 1985, № 11. – С. 37 – 41.
12. Дударев Л.Е., Волошек И.В. Особенности дуговых замыканий фазы на землю в сетях с нейтралью, заземленной через резистор // Электричество, 1993, №8. – С. 26 – 31.
13. Дударев Л.Е., Волошек И.В. К анализу переходных процессов в сети с изолированной нейтралью // Электричество, 1990, № 4. – С. 61 – 64.
14. Сивокобыленко В.Ф., Лебедев В.К., Махинда Сильва. Математическая модель для исследования переходных процессов при замыкании фазы на землю в сетях 6 – 10 кВ // Сб. научн. тр. ДонГТУ, Серия: Электротехника и энергетика, выпуск 4: – Донецк: ДонГТУ, 1999. – С. 221 – 226.
15. Сивокобыленко В.Ф., Дергилев М.П., Левшов А.В., Мусиенко А.Г. Совершенствование работы распределительных сетей напряженим 6-10 кВ // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Електротехніка і енергетика, випуск 67.- Донецьк: ДонНТУ.-2003.- с.69-79.
16. Мусиенко А.Г., Сивокобыленко В.Ф., Дергилёв М.П. Пути повышения надёжности работы городских распределительных сетей напряжением 6-10 кВ // журнал «Электрические сети и системы» №3.- Донецкие электрические сети, ДонНТУ 2004 г.- с.18-26.
17. Дергилёв М.П., Обабков В.К. Неснижаемые кратности перенапряжений в сети 6-35 кВ с резистивным заземлением нейтрали // VIII Симпозиум Электротехника 2010 год. Перспективные виды электротехнического оборудования для передачи и распределения электроэнергии. – Сборник тезисов. Моск. область, 24-26 май, 2005. – c.51-52. (Полная версия статьи на электронных носителях – 8 страниц). 
18. Петров О.А. Точность систем автоматической настройки компенсации емкостных токов однофазного замыкания на землю в электрических сетях. Электрические станции. №11, 1989.
19. Дмоховская Л.Ф., Ларионов В.П., Пинталь Ю.С. и др. Техника высоких напряжений. Учебник для студентов электротехнических и электроэнергетических специальностей вузов. Под общей ред. Д.В. Разевига. Изд. 2-е, перераб. и доп. –М., «Энергия», 1976.
20. Дергилёв М.П., Обабков В.К. Кратности дуговых перенапряжений в сети 6-35 кВ с резистивным заземлением нейтрали // Пути повышения надежности, экономичности и безопасности энергетического производства: Материалы Всеросс. науч.-техн. конф. – Дивноморское, 6-10 июня 2005 г. – с.267-277.
21. Сивокобыленко В.Ф., Дергилёв М.П., Лебедев В.К. Повышение надёжности работы электрических сетей с резистивно-заземлённой нейтралью //Вісник Приазовського державного технічного університету: Зб. наук.пр. – вип. 15. – ч.2. – Маріуполь, 2005. – с.20-24