Антоненко Леонід Сергійович

Електротехнічний факультет

Кафедра електричних станцій

Спеціальність: Електричні станції

Тема випускної роботи:

Розрахунково-експериментальне дослідження перехідних процесів в системах електропостачання 6-10кВ

Керівник: Лебедєв Віктор Костянтинович

Реферат з теми випускної роботи

        Однофазні замикання на землю є найпоширенішим видом пошкодження в електричних мережах середнього класу напруги (в межах до 85-90% від загального числа порушень нормальної роботи мереж в залежності від їх призначення і конструктивного виконання) в умовах сильної зношеності ізоляції в переважній більшості випадків розвиваються в міжфазні короткі замикання або багатомісні пробої ізоляції з груповим виходом з ладу електроустаткування, супроводжуючись великим матеріальним збитком та недоотпуском електроенергії споживачам. Тому справедливо вважається, що основним напрямком боротьби за підвищення надійності роботи електричних мереж є боротьба з однофазними замиканнями на землю. Саме тому в більшості технічно розвинених країн, у тому числі і в Україні, в даний час інтенсивно ведуться роботи з удосконалення умов функціонування електроустаткування в розподільних мережах. При цьому різними дослідниками пропонуються досить суперечливі засоби підходу до вирішення зазначеної проблеми.Так одні вказують на необхідність вдосконалення існуючих напрямків з використанням компенсуючих реакторів, а інші пропонують перевести розглядені мережі в інші режими заземлення нейтралі і т.д. Все це вказує на недостатню вивченість процесів при дугових замиканнях фази на землю і нерозуміння проблем практичної реалізації пропонованих рішень. Оптимальне вирішення зазначеної проблеми може бути знайдене лише на основі глибокого розуміння електрофізичних основ характеру протікання перехідних процесів при дугових замиканнях на землю з урахуванням впливаючих факторів.

        Виходячи з викладеного в розглянутій роботі ставилося завдання дослідження дугових перенапруг в різних за призначенням і конструктивного виконання електричних мережах напругою 6-10 кВ. Наведені нижче результати цих досліджень виконані з використанням фізичних та математичних моделей для мереж з різними режимами заземлення нейтралі при зміні в широкому діапазоні параметрів електричних мереж і місця замикання фази на землю. Одночасно з цим при проведенні досліджень враховані всі найбільш значимі для отримання граничної кратності дугових перенапруг фактори, такі як: характер горіння дуги; опір в місці замикання фази на землю; міжфазні ємності, характер навантаження мережі і т.д.

        За результатами проведених досліджень в роботі запропоновані схемні рішення, практична реалізація яких дозволить суттєво знизити всі впливаючі напруги на електроустаткування з ослабленою ізоляцією і, таким чином, підвищити надійність роботи мереж за рахунок продовження терміну служби електроустаткування з постарілою ізоляцією.

Актуальність теми

        Електричні мережі 6-35кВ отримали широке розповсюдження і відносяться до мереж, що працюють з ізольованою нейтраллю. Найчастішим видом пошкодження в цих мережах є металеві або дугові однофазні замикання на землю, які супроводжуються перенапруженнями; феррорезонансними процесами; переходом ОЗЗ в міжфазні короткі замикання; пошкодженнями трансформаторів напруги та неселективними відключеннями споживачів релейним захистом.В останні роки робляться спроби впровадження в практику експлуатації заземлення нейтраллі через струмообмежувальний резистор, що встановлюється в нейтралі спеціального трансформатора, що повинно призводити до зниження рівня перенапруг і збільшення надійності функціонування захистів від замикань фази на землю.

Мета роботи

        Обгрунтування можливості встановлення резисторів з боку, з'єднаних в розімкнений трикутник, обмоток нижчої напруги трансформатора.

• Розробка і впровадження способів підвищення надійності електропостачання Докучаєвського ФДК при однофазних замиканнях на землю в мережі ПС 35 / 6 кВ «Руднічна».
• Вивчення системи електропостачання Докучаєвського ФДК, що діє . Аналіз причин неселективної роботи релейного захисту.
• Аналіз перенапруг, що виникають при однофазних замиканнях на землю.
• Розробка основного алгоритму розрахунку перехідних процесів.
• Дослідження зразків пристроїв в лабораторних і реальних умовах

Наукова новизна

        Запропоновані нові рішення щодо обмеження рівня перенапруг в мережах з ізольованою нейтраллю і удосконаленню способу виконання захисту від замикання фази на землю в електричних мережах.

Практична цінність

       Пропоновані в роботі схемні рішення знайдуть широку практичну реалізацію для підвищення надійності роботи електричних систем з ізольованою і резонансно заземленою нейтраллю.

Зміст роботи

        Для підвищення надійності роботи мереж з ізольованою нейтраллю, залежно від величини напруги мережі, при ємнісних струмах замикання на землю понад 10-30А застосовується заземлення нейтралі через індуктивний опір для компенсації ємнісних струмів [1]. Для мереж із струмами замикання менше зазначених, останнім часом застосовують заземлення нейтралі мережі через активний опір.

       Так, наприклад, у мережі власних потреб 6 кВ теплових (ТЕС) і атомних (АЕС) електричних станцій згідно [2] потрібно заземлення нейтралі мережі через низькоомний резистор величиною 100 Ом, який підключається до нейтралі спеціального трансформатора ТСНЗ-63-10 потужністю 63 кВА . Встановлення такого резистора згідно [2] збільшує струми замикання на землю, що забезпечує селективну роботу релейного захисту, яка діє на відключення пошкодженого приєднання. Однак з метою зниження термічної дії дуги та підвищення термостійкість самого резистора, в [3] рекомендується застосування високоомних резисторів величиною 1000-2000 Ом. До позитивних сторін установки резисторів відносяться зниження рівня перенапруг до (2,2-2,5) Uф, запобігання виникнення ферорезонансних процесів і підвищення чіткості дії релейного захисту. Спочатку в якості заземлюючих резисторів використовувалися стеклоепоксидні бетелові резистори, до недоліків яких належать громіздкість конструкції і обмежена термічна стійкість, що не дозволяло широко їх використовувати в системах електропостачання відповідальних споживачів. В даний час Новосибірським підприємством «ПНП Болід» розроблені й випускаються резистори з матеріалу «Еком» (електропровідний композиційний матеріал - кераміка з електропровідними добавками), які мають підвищену термостійкість і можуть довгостроково (до 6 год) залишатися у роботі при однофазних замиканнях на землю. Однак недоліком таких резисторів є висока вартість, громіздкість конструкції, складність монтажу та наладки. У зв'язку з викладеним, актуальним є подальше вдосконалення способу збільшення активної складової струму замикання на землю, не вимагає установки високовольтних резисторiв.

Результати досліджень

        У електричних мережах 6-35 кВ, які можуть тривало працювати із замиканням фази на землю, трансформатор вибирають з номінальною фазною напругою первинних обмоток, рівною лінійній напрузі мережі, а нейтраль обмоток вищої напруги заземляють через резистор (ріс.1).

                                    Рисунок 1. Схема підключення резистора до нейтралі обмоток трансформатора

        При вирішенні питань, пов'язаних з підключенням резистора за допомогою трансформатора, необхідно вибрати відповідний трансформатор, величину резистора, його потужність і спосіб підключення. В даний час Московським електрозаводом для мереж 6 кВ серійно випускається спеціальний сухий трансформатор для заземлення нейтралі типу ТСНЗ-63/10 з номінальною напругою 10 кВ і потужністю 63 кВА, з групою з'єднання обмоток зірка з нульовим виводом-трикутник. При цьому лінійні кінці обмоток нижчої напруги не виводять, оскільки трансформатор не розрахований на підключення навантаження, а тільки на підключення резистора до нейтралі обмоток вищої напруги. Слід зазначити, що даний трансформатор використовується, в основному, лише в мережах 6 кВ власних потреб електростанцій для заземлення нейтралі через резистор величиною порядка 100 Ом. Для інших же систем електропостачання необхідно визначити необхідну потужність трансформатора з урахуванням реальних параметрів мережі і резистора, що підключається. Для цих цілей можуть бути використані, при незначній реконструкції, звичайні сухі або масляні трансформатори, що серійно випускаються, нейтраль обмоток вищої напруги яких не має виводу. Реконструкція трансформаторів полягає в тому, що додатково встановлюється вивід для нейтралі обмоток вищої напруги, який заземляють через резистор.

        При виникненні дугового замикання в мережі з ізольованою нейтраллю і згасанні дуги у момент переходу через “нуль” високочастотної складової, заряджені ємності мережі не мають дороги розряду, що і є причиною виникнення перенапруг величиною до (3–4) Uф при повторних запаленнях дуги. Включення резистора в нейтраль розряджає ємність мережі, що запобігає процесу накопичення зарядів на ній і можливості появи великих перенапруг.

        Високовольтний резистор повинен також запобігати виникненню ферорезонансного процесу в мережі при переміжному характеру горіння дуги. Ці процеси можуть виникати при високій мірі намагнічення магнітопроводів трансформаторів напруги, що мають заземлену нейтраль, через індуктивність обмоток яких стікає ємнісний заряд після згасання дуги. Насичення магнітопроводів трансформаторів можуть виникнути, якщо енергія, запасена в ємностях мережі до моменту згасання дуги ( W_l), виявиться більше електромагнітної енергії ( W_l), запасеної в індуктивностях вказаних вище трансформаторів. Іншими словами, якщо на ємності залишається заряд, величина якого достатня для високої міри насичення магнітопровода трансформатора при розряді ємності на землю через одну з обмоток, то в мережі виникає ферорезонансний процес:

W_c>W_L

       Насиченню магнітопровода можна запобігти, якщо розряд ємності після згасання дуги протікає за час менше напівперіоду промислової частоти мережі (0,01с). Знаючи, що процес загасання ємності через резистор повинен статися за 3,6 постійної часу розряду ємності, величину резистора можна визначити як:

0.01·(3.6·C)^-1≥R

       Потужність, на яку має бути розрахований резистор, а також і трансформатор, знаходимо з умови:

P≥R·(3·U_ф·w·C)²

       При цьому слід мати на увазі, що активна складова струму замикання на землю, обумовлена опором резистора, не повинна перевищувати величину ємнісного струму мережі. Рівень перенапруг в мережі тим вище, чим більше опір резистора і потужність трансформатора. Тому не слід приймати потужність трансформатора дуже завишену.

        Такого ж рівня струми нульової послідовності в первинній мережі, як і в схемі на ріс.1 А), можна отримати, якщо підключити резистор до низьковольтних обмоткам трансформатора, з'єднаним в розімкнений трикутник, а нейтраль обмоток вищої напруги заземлити (ріс.1 В)).Використання схеми (рис.1 В) не вимагає установки громіздкого високовольтного резистора, а дозволяє використовувати дротяні фехральові резистори, що серійно випускаються, мають відносно низьку вартість, малі габарити і виконують ті ж функції, що і високовольтний резистор в схемі ріс.1А). Реконструкція трансформаторів, що серійно випускаються, при цьому полягає в додатковому виведенні нульового з'єднання зірки обмоток вищої напруги. Обмотки нижчої напруги з'єднують в розімкнений трикутник, використовуючи ті ж виводи.

РОЗРОБКА НА ЕОМ МАТЕМАТИЧНОЇ МОДЕЛІ МЕРЕЖІ Докучаєвського ФДК ПС 35/6 кВ «Руднічна»

        магістерській роботі представлена математична модель, що дозволяє аналізувати перехідні процеси при замиканні фази на землю в мережах 6 – 35 кВ. На рис. 2 приведена схема заміщення мережі. У цій схемі джерело живлення представлене фазною індуктивністю розсіяння L і опором R. Мережа відбита зосередженими фазною С і міжфазними См ємностями. Ізоляція представлена активними фазними Rі і міжфазними опорами Rм.Приєднання в схемі заміщення представлені у вигляді опорів Rпр і ємностей Спр. Як обмежувачі перенапруження встановлюються розрядники. На рис. 3 приведений граф мережі, де позначені гілки дерева і хорди.При дослідженні перехідних процесів при замиканні фази на землю в мережах 6 – 35 кВ використані формалізовані топологічні методи аналізу електричних ланцюгів, такі як метод контурних струмів і неявний метод Ейлера.На рис. 4 приведені результати розрахунку замикання фази на землю.

                                    Рисунок 2.Схема заміщення мережі

                                    Рисунок 3. Граф мережі

Рисунок 3 -Результати розрахунку замикання фази на землю.
Кількість кадрів в анімації - 7.
Кількість циклів - 6
Розмір - 129 КБ

Основні результати

• Розроблена математична модель типової мережі Докучаєвського ФДК 6 кВ ПС 35/6 кВ «Руднічна» з ізольованою нейтраллю.
• Вивчена система електропостачання Докучаєвського ФДК, що діє. Проаналізовані причини неселективної роботи релейного захисту.
• Досліджена математична модель перехідних процесів на ЕОМ і зроблений аналіз отриманих результатів.
• Розроблені алгоритм, програми і розрахунки на ЕОМ процесів при замиканнях фази на землю, а також принципи виконання удосконалення ферорезонансних процесів.
• Досліджені зразки пристроїв в лабораторних і реальних умовах.

Висновок

       На основі великого об'єму досліджень, виконаних з використанням математичних і фізичних моделей мережі і окремих дослідах в реальній мережі, виявлені принципово нові явища, що вимагають нового підходу до вибору і розставляння засобів захисту від перенапружень.В процесі аналізу результатів дослідження встановлено, що традиційно вживані в нашій країні режими заземлення нейтралі розподільних мереж 6-10кВ в умовах, що склалися, не задовольняють вимогам сучасного стану ізоляції електроустаткування, і тому повинні удосконалюватися, проте показано, що однозначного вирішення цієї проблеми не існує.

       При виборі режиму нейтралі для кожної конкретної мережі повинні враховуватися її специфічні особливості, зокрема: її параметри, стан ізоляції, категорія споживачів, наявність засобів захисту від замикань на землю, вимоги до електробезпеки і так далі.З метою зниження впливу режиму нейтралі на умови роботи електроустаткування нами запропоновані схемні рішення, практична реалізація яких дозволяє унеможливити однофазні замикання, міжфазні короткі замикання, груповий вихід з ладу електроустаткування і багатомісні пробої ізоляції на пошкодженій фазі, що істотно підвищить надійність роботи розподільних мереж в умовах, що склалися.

Література

Важливе зауваження

        При написанні даного автореферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2009г. Повний текст роботи і матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після вказаної дати.