Антоненко Леонид Сергеевич

Факультет:Электротехнический

Кафедра: электрических станций

Специальность: Электрические станции

Тема выпускной работы:

Расчетно-экспериментальное исследование переходных процессов в системах электроснабжения 6-10кВ

Научный руководитель: Лебедев Виктор Константинович

Автореферат

Введение

        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 направлением борьбы за повышения надёжности работы электрических сетей является борьба с однофазными замыканиями на землю. Именно поэтому в большинстве технически развитых стран, в том числе и в Украине, в настоящее время интенсивно ведутся работы по совершенствованию условий функционирования электрооборудования в распределительных сетях. При этом различными исследователями предлагаются весьма противоречащие друг другу способы подхода к решению указанной проблемы. Так одни указывают на необходимость совершенствования существующих направлений с использованием дугогасящих компенсирующих реакторов, а другие предлагают перевести рассматриваемые сети в иные режимы заземления нейтрали и т.д. Всё это указывает на недостаточную изученность процессов при дуговых замыканиях фазы на землю и недопонимание проблем практической реализации предлагаемых решений. 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 все влияющих факторов.

        Исходя из изложенного в рассматриваемой работе ставилась задача исследования дуговых перенапряжений в разных по назначению и конструктивному исполнению электрических сетях напряжением 6-10 кВ. Представленные ниже результаты этих исследований выполнены с использованием физических и математических моделях для сетей с разными режимами заземления нейтрали при варьировании в широком диапазоне параметров электрических сетей и места замыкания фазы на землю. Одновременно с этим при проведении исследований учтены все наиболее значимые для получения предельных кратностей дуговых перенапряжений факторы, такие как: характер горения дуги; сопротивление в месте замыкания фазы на землю; междуфазные ёмкости, характер нагрузки сети и т.д.

        По результатам проведенных исследований в работе предложены схемные решения, практическая реализация которых позволит существенно снизить все воздействующие напряжения на электрооборудование с ослабленной изоляцией и, таким образом, повысить надёжность работы сетей за счёт продления срока службы электрооборудования с состарившейся изоляцией.

Актуальность темы

        Электрические сети 6-35кВ получили широкое распространение и относятся к сетям, работающим с изолированной нейтралью. Наиболее частым видом повреждения в этих сетях являются металлические или дуговые однофазные замыкания на землю, которые сопровождаются перенапряжениями; феррорезонансными процессами; переходом ОЗЗ в междуфазные короткие замыкания; повреждениями трансформаторов напряжения и неселективными отключениями потребителей релейной защитой. В последние годы предпринимаются попытки внедрения в практику эксплуатации заземления нейтралей через токоограничивающий резистор, устанавливаемый в нейтрали специального трансформатора, что должно приводить к снижению уровня перенапряжений и увеличению надежности функционирования защит от замыканий фазы на землю.

Цель работы

        Обоснование возможности установки резисторов со стороны, соединенных в разомкнутый треугольник, обмоток низшего напряжения нейтралеобразующего трансформатора.

• 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.
• анализ перенапряжений, возникающих при однофазных замыканиях на землю.
• разработка основного алгоритма расчета переходных процессов.
• Исследование образцов устройств в лабораторных и реальных условиях

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

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

Содержание работы

        Для повышения надежности работы сетей с изолированной нейтралью, в зависимости от величины напряжения сети, при емкостных токах замыкания на землю свыше 10-30А применяется заземление нейтрали через индуктивное сопротивление для компенсации емкостных токов [1]. Для сетей с токами замыкания меньше указанных, в последнее время применяют заземление нейтрали сети через активное сопротивление.

       Так, например, в сети собственных нужд 6 кВ тепловых (ТЭС) и атомных (АЭС) электрических станций согласно [2] требуется заземление нейтрали сети через низкоомный резистор величиной 100 Ом, который подключается к нейтрали специального трансформатора ТСНЗ-63-10 мощностью 63 кВА. Установка такого резистора согласно [2] увеличивает токи замыкания на землю, что обеспечивает селективную работу релейной защиты, которая действует на отключение поврежденного присоединения. Однако с целью снижения термического действия дуги и повышения термостойкости самого резистора, в [3] рекомендуется применение высокоомных резисторов величиной 1000-2000 Ом. К положительным сторонам установки резисторов относятся снижение уровня перенапряжений до (2,2-2,5)Uф, предотвращение возникновения феррорезонансных процессов и повышение четкости действия релейной защиты. Первоначально в качестве заземляющих резисторов использовались стеклоэпоксидные бетэловые резисторы, к недостаткам которых относятся громоздкость конструкции и ограниченная термическая стойкость, что не позволяло широко их использовать в системах электроснабжения ответственных потребителей. В настоящее время Новосибирским предприятием «ПНП Болид» разработаны и выпускаются резисторы из материала «Эком» (электропроводящий композиционный материал - керамика с электропроводящими добавками), которые имеют повышенную термостойкость и могут длительно (до 6 ч) оставаться в работе при однофазных замыканиях на землю. Однако недостатком таких резисторов является высокая стоимость, громоздкость конструкции, сложность монтажа и наладки. В связи с изложенным, актуальным является дальнейшее совершенствование способа увеличения активной составляющей тока замыкания на землю, не требующего установки высоковольтных резисторов.

Результаты исследований

        В электрических сетях 6-35 кВ, которые могут длительно работать с замыканием фазы на землю, нейтралеобразующий трансформатор выбирают с номинальным фазным напряжением первичных обмоток, равным линейному напряжению сети, а нейтраль обмоток высшего напряжения заземляют через резистор (рис.1).

                                    Рисунок 1. Схема подключения резистора к нейтрали обмоток трансформатора

        При решении вопросов, связанных с подключением резистора с помощью нейтралеобразующего трансформатора, необходимо выбрать соответствующий трансформатор, величину резистора, его мощность и способ подключения. В настоящее время Московским электрозаводом для сетей 6 кВ серийно выпускается специальный сухой трансформатор для заземления нейтрали типа ТСНЗ-63/10 с номинальным напряжением 10 кВ и мощностью 63 кВА, с группой соединения обмоток звезда с нулевым выводом-треугольник. При этом линейные концы обмоток низшего напряжения не выводят, так как трансформатор не рассчитан на подключение нагрузки, а только на подключение резистора к нейтрали обмоток высшего напряжения. Следует отметить, что данный трансформатор используется, в основном, только в сетях 6 кВ собственных нужд электростанций для заземления нейтрали через резистор величиной порядка 100 Ом. Для других же систем электроснабжения необходимо определить требуемую мощность нейтралеобразующего трансформатора с учетом реальных параметров сети и подключаемого резистора. Для этих целей могут быть использованы, при незначительной реконструкции, обычные сухие или масляные серийно выпускаемые трансформаторы, нейтраль обмоток высшего напряжения которых не имеет вывода. Реконструкция трансформаторов заключается в том, что дополнительно устанавливается вывод для нейтрали обмоток высшего напряжения, который заземляют через резистор. [1-4]

        При возникновении дугового замыкания в сети с изолированной нейтралью и погасании дуги в момент перехода через “ноль” высокочастотной составляющей, заряженные емкости сети не имеют пути разряда, что и является причиной возникновения перенапряжений величиной до (3–4)Uф при повторных зажиганиях дуги. Включение резистора в нейтраль разряжает емкость сети, что предотвращает процесс накопления зарядов на ней и возможность появления больших перенапряжений.[8]

        Высоковольтный резистор должен также предотвращать возникновение феррорезонансного процесса в сети при перемежающемся характере горения дуги. Эти процессы могут возникать при высокой степени намагничивания магнитопроводов трансформаторов напряжения, имеющих заземленную нейтраль, через индуктивность обмоток которых стекает емкостной заряд после погасания дуги. Насыщение магнитопроводов трансформаторов могут возникнуть, если энергия, запасенная в емкостях сети к моменту погасания дуги ( W_c), окажется больше электромагнитной энергии ( W_L), запасенной в индуктивностях указанных выше трансформаторов. Другими словами, если на емкости остается заряд, величина которого достаточна для высокой степени насыщения магнитопровода трансформатора при разряде емкости на землю через одну из обмоток, то в сети возникает феррорезонансный процесс:

W_c>W_L

       Насыщение магнитопровода можно предотвратить, если разряд емкости после погасания дуги протекает за время менее полупериода промышленной частоты сети (0,01с). Зная, что процесс затухания емкости через резистор должен произойти за 3,6 постоянной времени разряда емкости, величину резистора можно определить как:

0.01·(3.6·C)^-1≥R

       Мощность, на которую должен быть рассчитан резистор, а также и трансформатор, находим из условия:

P≥R·(3·U_ф·w·C)²

       При этом следует иметь в виду, что активная составляющая тока замыкания на землю, обусловленная сопротивлением резистора, не должна превышать величину емкостного тока сети. Уровень перенапряжений в сети тем выше, чем больше сопротивление резистора и мощность трансформатора. Поэтому не следует принимать мощность трансформатора слишком завышенной.

        Такого же уровня токи нулевой последовательности в первичной сети, как и в схеме на рис.1 А), можно получить, если подключить резистор к низковольтным обмоткам трансформатора, соединенным в разомкнутый треугольник, а нейтраль обмоток высшего напряжения заземлить (рис.1 В)).Использование схемы (рис.1 В)) не требует установки громоздкого высоковольтного резистора, а позволяет использовать серийно выпускаемые проволочные фехралевые резисторы, имеющие относительно низкую стоимость, малые габариты и выполняющие те же функции, что и высоковольтный резистор в схеме рис.1А). Реконструкция серийно выпускаемых трансформаторов при этом состоит в дополнительном выводе нулевого соединения звезды обмоток высшего напряжения. Обмотки низшего напряжения пересоединяют в разомкнутый треугольник, используя те же выводы.

РАЗРАБОТКА НА ЭВМ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СЕТИ Докучаевского ФДК ПС 35/6 кВ «Рудничная»

       В магистерской работе представлена математическая модель, позволяющая анализировать переходные процессы при замыкании фазы на землю в сетях 6 – 35 кВ. На рис. 2 приведена схема замещения сети. В этой схеме источник питания представлен фазной индуктивностью рассеяния L и сопротивлением R. Сеть отражена сосредоточенными фазной С и междуфазной См емкостями. Изоляция представлена активными фазными Rи и междуфазными Rм сопротивлениями. Присоединения в схеме замещения представлены в виде сопротивлений Rпр и емкостей Спр. В качестве ограничителей перенапряжения устанавливаются разрядники. [4] На рис. 3 приведен граф сети, где обозначены ветви дерева и хорды. При исследовании переходных процессов при замыкании фазы на землю в сетях 6 – 35 кВ использованы формализованные топологические методы анализа электрических цепей, такие как метод контурных токов и неявный метод Эйлера.На рис. 4 приведены результаты расчета замыкания фазы на землю.

                                    Рисунок 2. Схема замещения сети

                                    Рисунок 3. Граф сети

Рисунок 3 - Результаты расчета замыкания фазы на землю.
Количество кадров в анимации - 7.
Количество циклов - 6
Размер - 129 КБ

Основные результаты

• Разработана математическая модель типовой сети Докучаевского ФДК 6 кВ ПС 35/6 кВ «Рудничная» с изолированной нейтралью
• Изучена действующая система электроснабжения Докучаевского ФДК. Проанализированы причины неселективной работы релейной защиты.
• Исследована математическая модель переходных процессов на ЭВМ и сделан анализ полученных результатов.
• Разработаны алгоритм, программы и расчеты на ЭВМ процессов при замыканиях фазы на землю, а также принципы выполнения усовершенствования феррорезонансных процессов.
• Исследованы образцы устройств в лабораторных и реальных условиях

Заключение

       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.

Литература

Важное замечание

        При написании данного автореферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2009г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.