В умовах постійно погіршення технічного стану мереж на передній план виходить проблема підтримки на досить необхідному рівні надійність електропостачання споживачів за рахунок продовження терміну служби електрообладнання з зношеної ізоляцією. За даними досвіду експлуатації найпоширенішим видом пошкодження в цих мережах є однофазні замикання на землю, що становлять до 90% від загальної кількості порушень нормальної роботи мережі. Як показують дослідження в цій ситуації найбільш ефективне вирішення зазначеної проблеми лежить в оптимізації та управлінні режиму нейтралі мережі.
Розробка фізичної моделі мережі з рухової навантаженням і аналіз, з її допомогою, процесів при глухих і дугових замиканнях в мережах з ізольованою нейтраллю. На основі отриманих результатів розробити нові схемні рішення щодо обмеження перенапруг распредсетях 6— 10кВ при замиканнях фази на землю. Згідно з цим основними завданнями є:
• Удосконалення і доробка фізичної моделі мережі створеної в лабораторії ТЭВН кафедри ЕС.
• Розробка методики проведення експериментів і обробки результатів досліджень.
• Дослідження на фізичної моделі перехідних процесів та аналіз отриманих результатів.
• Розробка способів і нових схемних рішень для обмеження перенапруг.
Нові схемні рішення щодо обмеження перенапруг в мережах 6— 10 кВ при замиканнях фази на землю.
Практична реалізація запропонованих рішень і рекомендацій на основі аналізу отриманих результатів дозволить істотно поліпшити умови роботи електрообладнання і розподільчих мереж.
У роботі прийнятий метод фізичного моделювання електричних мереж з рухової навантаженням, розроблена і реалізована принципово нова методика обробки результатів дослідження.
Результати досліджень були повідомлені на студентській науковій конференції кафедри ЕС "День науки 2011".
1.1 Робота мереж 6 — 10 кВ в сучасних умовах
Широко застосовуються в даний час дугогасильного котушки (ДГК) як засіб захисту електрообладнання від наслідків однофазних замикань з — за наявності несиметрії по фазах не тільки не покращують роботу мережі, а навпаки, створюють несприятливі умови для роботи ізоляції електрообладнання. Перекоси напружень по фазах різко скорочують термін служби ізоляції всій електрично пов'язаної мережі і не забезпечують необхідної ефективності в режимі дугових замикань фази на землю оскільки зростання кратності перенапруження на елементах мережі пропорційно ступеня несиметрії напруги досягає величини 3Uф і більше. З — за зазначених причин аварійність в сучасних мережах досягає 120 — 140 ушкоджень у рік на кожні 100 км ліній, до 80% з яких розвиваються в междуфазные короткі замикання або багатомісні пробої ізоляції на ушкодженої фази [1].
1.2 Основні теорії, що використовуються для аналізу способів обмеження перенапруг при однофазному замикання на землюСеред численних досліджень комутаційних перенапруг, що виникають внаслідок всякого роду замикань і размыканий електричних ланцюгів, найбільша кількість досліджень було присвячено досить поширеним перенапряжениям при дугових замиканнях на землю в високовольтних мережах, що працюють з ізольованою нейтраллю.
Основоположником досліджень цих перенапруг був Петерсен, який в 1916 р. розробив теорію, що пояснює фізичну сутність процесу виникнення максимальних перенапруг.
У 1923 р. Петерс і Слепян запропонували іншу теорію, принципово відрізняється від теорії Петерсена. Пізніше ці теорії доповнювалися різними авторами на підставі теоретичних і лабораторних досліджень щодо максимальних рівнів перенапруг і форми їх розвитку [4].
У 1957 р. Н.Н.Беляковым була опублікована теорія виникнення перенапруг при дугових замикання на землю також в мережах з ізольованою нейтраллю [4].
Процес виникнення максимальних перенапруг у відповідності з теорією Петерсена має наступні характерні особливості:
а) Повторні запалювання заземлюючого дуги представляються у вигляді металевих замикань. У зв'язку з цим не враховується наявність у дуги вольт-амперной залежності, яка насправді для струмів високої частоти має явно динамічний характер, тобто напруга на дузі не має чітко виражених піків гасіння та запалювання, як це зазвичай прийнято вважати для статичної характеристики. Процес деионизации запізнюється щодо зміни струму в дузі. Повторні запалювання за Петерсену відбуваються регулярно через кожен напівперіод при максимальному навантаженні на ушкодженої фази, коли напруга джерела живлення одно максимальному значенню. Максимальні перенапруження можуть досягати величини 7.5 Uф.
б) Тривалість горіння дуги при кожному повторному запалюванні дорівнює полупериоду вільних коливань, незважаючи на те, що величина струму і швидкість його зміни з кожним півперіодом збільшується, а також збільшується його теплове і іонізуюче дію.
в) Після кожного гасіння дуги в мережі з'являється наростаюче постійна напруга зсуву Uзм.
г) Відновлення напруги на ушкодженої фази після гасіння дуги має коливальний характер з високочастотним піком, що перевищує величину фазної напруги. Проте, очікується, що діелектрична міцність місця ушкодження зростає швидше, ніж восстанавливающееся напруга.
д) При кожному напівперіоді перенапруження змінюють свій знак.
Характерними особливості виникнення перенапруг по теорії Петерса і Слепяна є:
а) Повторні запалювання подаються також у вигляді металевого замикання на землю. Вони відбуваються регулярно через кожен період при максимальному значенні напруги на ушкодженої фази (при першому і всіх подальших зажиганиях відповідно ± Uф і ±2 Uф).
б) Тривалість горіння дуги при кожному повторному запалюванні дорівнює полупериоду промислової частоти.
в) Оскільки гасіння дуги відбуваються при кожному проходженні струму промислової частоти через нульове значення, то піки гасіння відсутні. Відновлення напруги на ушкодженої фази після гасіння дуги відбувається плавно з промислової частотою.
г) Однакові (за винятком першого) перенапруження при кожному запалюванні дуги утворюються в результаті немінливих початкових і кінцевих напруг на пошкоджених фазах, відповідно ±0.5Uф і ±1.5Uф. д) Перенапруження знака не змінюють.
Для виникнення максимальних перенапруг за Бєлякова необхідно збіг двох основних умов в одному циклі, а саме :а) Перше запалювання дуги має відбутися ранбше максимуму е.р.с. ушкодженої фази, щоб до моменту гасіння ( максимуму напруги на ушкодженої фази ) перший пік відновлюється напруги досягав величини 0.4Uф.
б) Друга запалювання дуги, при якому на відстає фазі виникають найбільші перенапруження 3.2Uф, повинне відбутися саме в момент при напрузі ушкодженої фази, приблизно дорівнює 2.2Uф, тобто більше, ніж перше запалювання.
1.3 Огляд існуючих способів обмеження перенапруг в мережах 6 — 10 кВМережі одного і того ж номінальної напруги при різних способах заземлення нейтралі мають ряд відмінностей в технічних і економічних показниках. Спосіб заземлення нейтралі в першу чергу впливає на величину струму замикання на землю. Тому ПУЕ всі електричні мережі, в залежності від величини струму, що підрозділяє на мережі з малим і мережі з великим струмом замикання на землю. Згідно з прийнятим в Україні нормам мережі 6 — 10 кВ відносяться до мереж з малим струмом замикання на землю.
2.РОЗРОБКА СХЕМИ ФІЗИЧНОЇ МОДЕЛІ РОЗПОДІЛЬНОЇ МЕРЕЖІ З РУХОВОЇ НАВАНТАЖЕННЯМ І ВИБІР МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕННЯ ЕКСПЕРЕМЕНТУ.Дослідження проводилися на спеціально розробленої моделі распредсеті з рухової навантаженням і створеної в лабораторії ТВН ДонНТУ, відповідно до розрахункової схеми рис. 2.1. При цьому, згідно з даними досвіду експлуатації про характер розвитку ушкоджень електроустаткування за перенапруження при дугових замиканнях фази на землю в мережах власних потреб, були проведені дві серії дослідів. У першій — замикання фази на землю здійснювалося в живильної кабельної мережі, а перенапруження вимірювалась в різних точках мережі, у тому числі і за відпайки статорних обмоток електродвигунів. У другій — замикалася обмотка електродвигуна на корпус на різній відстані від її початку, а перенапруження вимірювалась в точках мережі, що і в першій серії. Для оцінки впливу параметрів електромережі на величину напруги у дослідах моделювались еквівалентні по ємності мережі власних потреб блоків 200, 300 і 800МВт шляхом підключення різного числа кабельних осередків. Імітація дугового замикання фази на землю в різних точках кабельної мережі здійснювалася за допомогою пристрою зрізу, що підключається до висновків модельних осередків кабельної мережі і відпайки статорних обмоток електродвигунів [3].
Безпосереднє осцилографування перехідних процесів для дослідження перенапруг при такому великому числі факторів, що впливають на них, вимагає значних витрат часу на проведення експерименту та подальшу обробку отриманої інформації. Справа в тому, що перехідні процеси при дугових замиканнях фази на землю є, як відомо, короткочасними і періодично повторюються, тому їх перегляд можливий тільки після осцилографування і фотографічної обробки фотоплівки. Більш зручно такі короткочасні явища отримувати у вигляді фотографій, що дозволяє заздалегідь проглянути велике число осцилограм досліджуваних процесів і відібрати для подальшого запису на фотоплівку найбільш характерну з точки зору поставленої задачі, інформацію. В даній роботі це досягнуто шляхом періодизації перехідних процесів, тобто повторення з накладенням співпадаючих зображень один на одного з допомогою керованого пристрої(рис.2.1), відображає процес дугового замикання фази на землю в кожен напівперіод промислової частоти. Фотографування явища з екрану электронопроминевого осцилографа С1 — 81 проводилося за допомогою фотоапарата. Отримана при цьому мінімальну кількість осцилограм значно скоротило обсяг часу, використовуваного на їх обробку.
Рисунок 2.1 – Принципова схема фізичної моделі розподільної мережі з рухової навантаженням
Для зручності обмірів осцилограм їх збільшення при друку на фотопапері вибиралося таким чином, щоб одна клітинка масштабної сітки осцилографа мала розмір 10х10мм. При цьому, у разі відсутності спеціальних положень, за масштабну одиницю напруги взята амплітуда фазної напруги, що дорівнює 0,5 клітини, а масштаб часу прийнято з розрахунку 100мкс на одну клітинку екрану осцилографа.
Для прикладу на рис. 2.2а, б наведені осцилограми перехідних процесів на здорових фазах, зняті за розробленою методикою, за характером і величиною перенапруг добре узгоджуються з осциллограммами, отриманими в реальних мережах.
Рисунок 2.2 а,б — неушкоджені фази
Там же (рис.2.2в) наведена і осцилограма напруги в нейтралі електродвигуна, трапециидальний характер якого підтверджує правильність відтвореного що перемежовувався дугового замикання фази на землю. Результати досліджень показали, що величина перенапруг на здорових фазах не залежить від місця замикання фази на землю, а при інших рівних умовах визначається тільки моментом замикання. Перенапруження визначається величиною накладеної високочастотної складової на постійну напругу здорових фаз щодо землі. Частота накладеної складової визначається параметрами подзарядних контурів, що включають у себе в основному індуктивність розсіювання джерела живлення і ємність непошкоджених фаз, тобто:
де L тр — індуктивність розсіювання живильного трансформатора;
Сс — ємність пошкодженої фаз мережі.
Частота накладених коливань визначається параметрами мережі і модельованих мереж вона становила від сотень Гц до декількох кГц. Максимальна кратність перенапруг на здорових фазах, отримана при проведенні експериментів, склала 3,2 U ф. при цьому на інший здорової фазі перенапруження склали 2,4 U ф. напруга в нейтралі має також вид високочастотних коливань, накладених на напруга зсуву нейтралі, але на відміну від напруги на здорових фазах, частота коливань тут помітно вище. Тому на традиційно використовуються для дослідження цих процесів шлейфним осцилографів з механічним розгорткою ці коливання практично не фіксуються. В той же час викликувані ними перенапруження досягають двох і більше кратною величини [1].
Для оцінки впливу параметрів мережі та встановлення граничної кратності перенапруг на елементах мережі, віддалених на різну відстань від джерела живлення були проведені дослідження для мереж з характерними для різних режимів роботи мережі параметрами по струму замикання. Проведені досліди при струмах в межах від 2,4А до 20А.
Дослідження виконані для різних параметрів мереж, показали, що кратність перенапруг, залежить від параметрів мережі, у всій електрично пов'язаної мережі в різних точках: на шинах, затисках електродвигунів різних за потужністю, по довжині кабелю відрізняються один від одного і за величиною і з частотним параметрами. Найбільш високі перенапруження мають місце на затисках електродвигунів найбільш віддалених від джерела живлення. Причому на двигунах меншої потужності ці перенапруження менше, ніж на двигунах більшої потужності. Для розглянутої схеми вони склали 3,6 U Ф проти 3,2 U Ф на шинах секції мережі з рухової навантаженням. На шинах і по довжині кабелю величина перенапруг виявилася приблизно однаковою.
3. АНАЛІЗ РЕЗУЛЬТАТІВ ДОСЛІДЖЕННЯНа основі великого обсягу досліджень, виконаних з використанням математичних і фізичних моделей мережі і окремих дослідах в реальних мережах, нами виявлено принципово нові явища, які потребують нового підходу до вибору і розстановці засобів захисту від дугових перенапруг.
При виборі режиму нейтралі для кожної конкретної мережі повинні враховуватися її специфічні особливості, зокрема: її параметри, стан ізоляції, категорія споживачів, наявності засобів захисту від замикань на землю, вимоги електробезпеки і т.д.
1) Розроблена фізична модель розподільної мережі з рухової навантаженням.
2) Досліджені на фізичної моделі перехідні процеси в мережах з рухової навантаженням при дугових замиканнях фази на землю та проведено аналіз отриманих результатів.
3) Розроблені способи обмеження і ряд схемних рішень щодо зниження частоти і тривалості дугових перенапруг Здійснена схемная реалізація розроблених способів.
4) Досліджено ефективність розроблених способів на фізичної моделі та діючої підстанції.
При написанні даного автореферату магістерська робота ще не завершена. Дата остаточного завершення роботи: грудень 2011 Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його наукового керівника після зазначеної дати.