ДонНТУ Портал магістрів

Реферат по темі випускної роботи

Зміст

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. В умовах постійно погіршується технічного стану мереж на передній план висувається проблема підтримки на достатньо необхідному рівні надійність електропостачання споживачів за рахунок продовження терміну служби електрообладнання зі зношеною ізоляцією. За даними досвіду експлуатації найпоширенішим видом пошкодження в цих мережах є однофазні замикання на землю, що становлять до 90% від загального числа порушень нормальної роботи мережі. Як показують дослідження в ситуації, що склалася найбільш ефективне рішення зазначеної проблеми лежить в оптимізації і управлінні режиму нейтралі мережі.

Мета роботи: розробка математичної моделі та дослідження перехідних процесів в розподільних мережах 6-35кВ, що працюють з нейтраллю заземленою через дугогасних котушку, при дугових замиканнях фази на землю, і вжиття заходів щодо підвищення надійності роботи електрообладнання у зазначених мережах.

Наукова новизна. досліджені перехідні процеси і запропоновано нові схемні рішення щодо обмеження перенапруг в мережах 6-35кВ при замиканнях фази на землю

Практична цінність: практична реалізація пропонованих рішень і рекомендацій на основі аналізу отриманих результатів дозволить істотно підвищити умови роботи електроустаткування і розподільних мереж.

Методи дослідження: в роботі прийнятий метод математичного моделювання електричних мереж з резонансно-компенсованій нейтраллю.

Апробація роботи: результати досліджень були повідомлені на студентській науковій конференції кафедри ЕС «Дні науки 2012», а також доповідалися на Всеукраїнській студентській науково-технічній конференції в місті Севастополі.

Вступ

Найбільш поширеними видами пошкоджень в електричних мережах всіх класів напруги є однофазні замикання на землю. За даними в розподільних мережах 6-10кВ вони становлять не менш 80-90% від загального числа випадків порушення нормальної роботи мережі. У переважній більшості випадків такі замикання супроводжуються горінням часткових дуг в місці пробою або перекриття ізоляції і складними перехідними процесами з великою кратністю перенапруг. З аналізу даних досвіду експлуатації різних за призначенням електричних мереж (гірські, металургія, хімія та коксохімія, а так само мережі власних потреб ТЕС) випливає, що при постійно погіршується технічний стан їх в межах 60-80% цих замикань в даний час розвиваються в багатомісні пробої ізоляції на пошкодженій фазі або переходять в міжфазні короткіезамиканія з витікаючими звідси наслідками. Причому, при хорошому збігу даних різних джерел близько 35% цих випадків пояснюється термічним дією заземлюючої дуги і порядку 65% - впливом виникають при цьому дугових перенапруг. Звідси очевидно, що основним напрямком підвищення надійності роботи розглянутих мереж, є боротьба з наслідками однофазних замикань на землю. На основі узагальнення досвіду експлуатації та проведення спеціальних досліджень в даній роботі ставилося завдання оцінити ефективність вживаних в даний час засобів боротьби з впливом заземлюючих дуг і виникаючими при цьому перенапруженнями.

Найпоширенішим в даний час засобом захисту розподільних мереж від наслідки однофазних замикань на землю є дугогасних котушка (ДГК). Однак, в умовах постійного погіршення мереж і відсутності серійно випускаються засобів настройки котушки, ефективність її дуже низька, а в багатьох випадках вона навіть погіршує роботу мереж через те, що створюючи великі перекоси напруг по фазах різко скорочує термін служби ізоляції і таким чином збільшує аварійність у мережах.

Тому в даній роботі ставилося завдання розробити заходи щодо підвищення надійності роботи електрообладнання мереж з резонансно-компенсованій нейтраллю. З цією метою проведені дослідження перехідних режимів в зазначених мережах при дугових замиканнях на землю. За результатами цих досліджень запропоновано заходи щодо підвищення надійності роботи мереж і дані рекомендації по їх практичній реалізації, що дозволить підвищити надійність і безпеку обслуговування розподільчих мереж.

1. Сучасний стан проблеми та способи її вирішення

1,1 Робота мереж 6-35кВ в сучасних умовах.

Широко застосовуються в даний час дугогасні котушки (ДГК) як засіб захисту електрообладнання від наслідків однофазних замикань через наявність несиметрії за фазами не тільки не покращують роботу мережі, а навпаки, створюють більш несприятливі умови для роботи ізоляції електрообладнання. Перекоси напруг по фазах різко скорочують термін служби ізоляції всієї електрично пов'язаної мережі і не забезпечують необхідної ефективності в режимі дугових замикань фази на землю так як кратність перенапруг на елементах мережі зростає пропорційно ступеня несиметрії напруги, досягаючи величини 3Uф і більше. Через зазначених причин аварійність в сучасних мережах досягає 120-140 ушкоджень на рік на кожні 100 км ліній, до 80% з яких розвиваються в міжфазні короткі замикання або багатомісні пробої ізоляції на пошкодженій фазі.

У разі високого рівня експлуатації мережі з ДГК правильно використовувана компенсація ємнісних струмів має такі переваги:

• знижує струм замикання на землю до мінімальних значень (в межах до активних складових і вищих гармонік). Цим вона забезпечує надійне дугогасіння і безпека при розтіканні струму;

• полегшує вимоги до заземлювальних пристроїв;

• обмежує перенапруги, що виникають при дугових замиканнях на землю, до значень 2,5-2,6 (при ступені розладу компенсації), безпечних для ізоляції електрообладнання;

• значно знижує швидкості відновлення напруги на пошкодженій фазі, що сприяє відновленню діелектричних властивостей місця ушкодження в мережі після кожного згасання переміжної заземлюючої дуги;

• запобігає накиди реактивної потужності на джерела живлення при дугових замиканнях на землю, чим зберігається якість електроенергії у споживачів;

• запобігає розвитку в мережі ферорезонансних процесів (самовільне зміщення нейтралі);

• забезпечує тривалу роботу кабельної лінії або мережі з замкнувшейся фазою;

• забезпечує високий відсоток самопогасанія заземлюючих електричних дуг.

1,2 Сучасний стан проблеми дугових перенапруг в розподільних мережах напругою 6-35кВ, що працюють з нейтраллю заземленою через дугогасних котушку

У числі досліджень численних комутаційних перенапруг, що виникають внаслідок всякого роду замикань і розмикань 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, яка пояснює фізичну сутність процесу виникнення максимальних перенапруг.

У 1923 р. Петерс і Слепян запропонували іншу теорію, принципово відмінну від теорії Петерсена.

Пізніше ці теорії доповнювалися різними авторами на підставі теоретичних і лабораторних досліджень щодо рівнів максимальних перенапруг і форми їх розвитку.

У 1957 р. Н.Н.Беляковим була опублікована теорія виникнення перенапруг при дугових замикання на землю також в мережах з ізольованою нейтраллю.

Процес виникнення максимальних перенапруг у відповідності з теорією Петерсена має такі характерні особливості:

а) Повторні запалювання заземлюючої дуги представляються у вигляді металевих замикань. У зв'язку з цим не враховується наявність у дуги вольт-амперної 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 деіонізації запізнюється щодо зміни струму в дуге.Повторние запалювання по Петерсену відбуваються регулярно через кожен напівперіод при максимальній напрузі на пошкодженій фазі, коли напруга джерела живлення дорівнює максимальному значенню. Максимальні перенапруги можуть досягати величини 7,5 Uф.

б) Тривалість горіння дуги при кожному повторному запаленні дорівнює напівперіоду вільних коливань, незважаючи на те, що величина струму і швидкість його зміни з кожним напівперіодом збільшується, а також збільшується його теплове і іонізуюче дію.

в) Після кожного гасіння дуги в мережі з'являється дедалі більше постійна напруга зсуву Uсм.

г) Відновлення напруги на пошкодженій фазі після гасіння дуги має коливальний характер з високочастотним піком, що перевищує величину фазної напруги. Однак, припущено, що діелектрична міцність місця пошкодження наростає швидше, ніж відновлюється напруга.

д) При кожному напівперіод перенапруги змінюють свій знак.

Характерними особливості виникнення перенапруг з теорії Петерса і Слепян є:

а) Повторні запалювання представляються також у вигляді металевого замикання на землю. Вони відбуваються регулярно через кожен період при максимальному значенні напруги на пошкодженій фазі (при першому і всіх наступних запалювання відповідно ± Uф і ± 2 Uф).

б) Тривалість горіння дуги при кожному повторному запаленні дорівнює напівперіоду промислової частоти.

в) Оскільки гасіння дуги відбуваються при кожному проходженні струму промислової частоти через нульове значення, то піки гасіння відсутні. Відновлення напруги на пошкодженій фазі після гасіння дуги відбувається плавно з промислової частотою.

г) Однакові (за винятком першого) перенапруження при кожному запалюванні дуги утворюються в результаті незмінних початкових і кінцевих напруг на пошкоджених фазах, відповідно ± 0.5Uф і ± 1.5Uф.

д) Перенапруження знака не змінюють.

Для виникнення максимальних перенапруг по Белякова необхідно збіг двох основних умов в одному циклі, а саме:

а) Перше запалювання дуги має відбутися ранбше максимуму ЕРС пошкодженої фази, щоб до моменту гасіння (максимуму напруги на пошкодженій фазі) перший пік відновлюється напруги досягав величини 0.4Uф.

б) Друге запалювання дуги, при якому на відстаючої фазі виникають найбільші перенапруги 3.2Uф, має відбутися саме в момент при напрузі пошкодженої фази, приблизно рівному 2.2Uф, тобто більше, ніж перше запалювання.

1,3 Огляд існуючих способів обмеження перенапруг в мережах 6-35кВ.

Мережі одного і того ж номінального 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, підрозділяє на мережі з малим і мережі з великим струмом замикання на землю. Згідно з прийнятими в Україну нормам мережі 6-10 кВ відносяться до мереж з малим струмом замикання на землю.

2. Розробка математичної моделі для дослідження перехідних процесів в мережі власних потреб ТЕС

Для аналізу перехідних процесів в розподільній мережі 6-35кВ при дугових замиканнях на землю приймемо за основу схему показану на рис. 1.

Рісунок 1 - Принципова схема розподільної мережі з резонансно-заземленою нейтраллю

На відміну від відомих математичних моделей систем електропостачання такого типу будемо враховувати:

1) замикання на землю в обмотках статора асинхронних двигунів і облік їх впливу на характер протікання процесів в залежності від ступеня віддаленості точки замикання від висновків статора;

2) зміщення нейтралі мережі в доаварійному режимі за рахунок несиметричною по фазах навантаження або різної активно-ємнісний провідності фазної і междуфазное ізоляції;

3) наявність спеціального приєднувального трансформатора для часткового заземлення нейтралі через активний опір або струмообмежувальним реактор;

4) наявність нелінійних обмежників перенапруг, підключеним до збірних шин 6кВ;

5) різні умови горіння дуги - згасання дуги при переході через нуль струму промислової частоти або струму високочастотних коливань;

6) різну величину пробою дугового проміжку при повторному запаленні переміжної дуги.

При складанні схеми заміщення враховуємо відносно малу протяжність кабельних приєднань для умов распредсетей (до 0.5км) можна прийняти для всіх елементів досліджуваної мережі зосереджені параметри. Будемо розглядати також досліджувану мережу як лінійну, тобто насиченням окремих елементів нехтуємо. Виходячи з викладеного, на рис. 2 показана схема заміщення досліджуваної мережі, прийнята в основу математичної моделі.

Рисунок 2 - Схема заміщення ділянки розподільної мережі, що працює з резонансно-компенсованій нейтраллю

На цій схемі заміщення джерело живлення представлений фазними ЕРС, індуктивністю розсіювання L і активним опором R. У схемі заміщення мережа врахована ємностями (Са, СB, Сс) і активними опорами (Rua, Rub, Ruc) ізоляції фаз на землю, індуктивно -ємнісними (М, См) міжфазних зв'язками, ємність яких має активний опір витоку РТ. У нейтраль цього трансформатора може бути підключений струмообмежувальним резистор RD або дугогасильний реактор LD. Високовольтний асинхронний електродвигун включений в схему заміщення фазними надперехідного індуктивностями розсіювання L1 і опорами R1. В одній з фаз електродвигуна передбачена можливість зміни місця виникнення однофазного замикання на землю уздовж обмотки шляхом введення змінюваних опорів R11, R12 і індуктивностей розсіювання L11, L12. Ланцюг замикання фази на землю в обмотці двигуна імітується його ємністю Cz і активним опором дуги Rz. Оксидно-цинкові обмежувачі перенапруг (ОПН), що встановлюються на збірних шинах або висновках двигунів, враховуються нелінійними залежностями їх активного опору від струму або напруги.

Математична модель описується наступною системою диференціальних рівнянь:

3.Результати дослідження перехідних процесів в розподільній мережі з резонансно-компенсованій нейтраллю і розробка заходів щодо вдосконалення умов роботи електрообладнання в цих мережах

В результаті великого обсягу досліджень, які проводилися з використанням математичної моделі, для різних за параметрами та режиму заземлення нейтралі розподільних мереж встановлено, що основним фактором, який визначає характер перехідних процесів і величину перенапруг при ОЗЗ в мережі з ДГК є ємність фаз по відношенню до землі і міжфазних ємність, індуктивність джерела живлення і трансформаторів, характер навантаження, опір в місці замикання фази на землю і т.д. Для виникнення граничних кратностей перенапруг в мережі з заданими параметрами вирішальне значення надають: величина миттєвого значення напруги на пошкодженій фазі в момент первинного запалювання дуги, момент згасання дуги і напруга при повторному і подальшому запалюванні дуги.

Нижче наведені розрахункові осцилограми перехідних процесів в досліджуваних мережах при різних параметрах і режимах налаштування ДГК. Перший і наступні пробої сталися при максимумі напруги пошкодженої фази, а гасіння дуги в момент проходження струму промислової частоти (рис. 3) і повного струму замикання (рис. 4) через нуль.

Найбільш поширеним в даний час способом зниження аварійних наслідків від однофазних замикань є дугогасильний реактор (ДГР), який зберігає переваги мереж з ізольованою нейтраллю. Ефективність застосування ДГР в значній мірі визначається ступенем його налаштувань на значення ємнісного струму замикання на землю. При цьому підключення реактора до нейтралі мережі сприяє: істотного зниження теплових втрат на дуговому проміжку за рахунок зниження струму замикання на землю до рівня активної складової вищих гармонік і струмів несиметрії, і як наслідок, самовільне згасання дуги, зменшення числа повторних запалювання дуги за рахунок істотного зниження швидкості (до сотень періодів промислової частоти) відновлення напруги на дуговому проміжку після згасання дуги, виключення повторних пробоїв на дуговому проміжку при напрузі більше фазного, що робить неможливим ескалацію перенапруг в мережі з резонансним заземленням нейтралі і дозволяє зберегти кратність дугових перенапруг на рівні першого пробою ізоляції , тобто в межах (2,4-2,6) Uф. Однак, як показали наші широкомасштабні дослідження, домогтися очікуваних результатів можна тільки в строго симетричних мережах при коефіцієнті настройки ДГР в межах (0.98-1.02), що добре ілюструється отриманими розрахунковими осцилограмами зміни напруги і струму в мережі з ДГР в умовах настройки його близьким до резонансної (рис. 3).

Растройка компенсації призводить до істотного зниження ефективності від використання ДГР. Так, наприклад, растройка компенсації більше ніж на 5% веде до різкого збільшення кратності перенапруг, а при налаштуванні ДГР в режимі перекомпенсації (рекомендується ПТЕ) на 25% кратність перенапруг в мережі з ДГР вже може досягти 3Uф і більше. При виникненні в мережі несиметрії напруг по фазах кратність необмежених перенапруг може різко зрости, оскільки тут, так само як і в мережі з ізольованою нейтраллю величина перенапруг збільшується пропорційно зміщення нейтралі. Зростанню перенапруг сприяє і той факт, що при неточною налаштуванні ДГР процес вирівнювання напружень фаз після згасання дуги носить характер биття (рис. 4), амплітуда і частота яких визначається ступенем растройкі компенсації і добротністю коливального контуру. При точного настроювання ДГР або при невеликій перекомпенсації, виникнення биття при ОЗНЗ можливо при відключенні приєднання з великим ємнісним струмом підживлення. Небезпека биття полягає в тому, що для паперово-масляну ізоляції кабелів, яка самовостанавлівается, повторне замикання на пошкодженій фазі може відбутися при напрузі близькому до 2Uф, що призведе до максимальних перенапруг на здорових фазах.

Рисунок 3 - Процеси при замиканні фази С на землю в мережі з ДГР в умовах настройки його близькою до резонансної (струм замикання фази на землю - 30 А)

Рисунок 4 - Процеси при замиканні фази С на землю в мережі з ДГР (струм замикання фази на землю - 30 А, перекомпенсації 10%)

У планах удосконалення умов роботи електрообладнання в мережах з великим ємнісним струмом замикання перспективним вважається перехід на комбінований спосіб заземлення, шляхом паралельного включення до існуючих реакторів високоомних резисторів. Правильно вибрана величина шунтуючого ДГР резистора дозволяє: виключити можливість значного зсуву нейтралі навіть при резонансної налаштування реактора і наявності в мережі несиметрії напруг по фазах; ефективно обмежити кратність дугових перенапруг до рівня, який визначається першим замиканням фази на землю, тобто до (2,3-2,5) Uф, повністю виключає можливість появи биття напруги по фазам після згасання дуги навіть при значній растройке реактора і як наслідок, уникнути можливості появи багатократних повторних запалювання дуги на пошкодженій фазі при пробивних напругах вище фазних, виключити можливість появи резонансних процесів в мережі з ДГР і ферорезонансних процесів в трансформаторах напруги, знизити рівень гармонік в мережі, які генеруються несиметричною навантаженням і ДГР;. покращити селективність та надійність роботи захистів від замикань на землю в мережах з компенсованою нейтраллю

Висновки

  1. У сформованих умовах постійного зниження ізолюючої здатності електричної ізоляції розподільних мереж і відсутність коштів на заміну або якісний ремонт викладеного електрообладнання та відсутність надійних засобів захисту від перенапруг ефективне вирішення проблеми надійності систем електропостачання слід шукати в оптимізації режиму нейтралі мережі.

  2. Найпоширенішим в даний час засобом захисту розподільних мереж від наслідки однофазних хамиканій є дугогасних котушка, що підключається до нейтральної точки мережі. Однак, в сучасних умовах поганого стану ізоляції електричних мереж та наявності несиметрії напруг по фазах ефективність від застосування ДГК дуже низька, а іноді створюючи великі Пекос по фазах вона істотно знижує термін служби ізоляції електрообладнання.

  3. Великий обсяг досліджень сталих режимів роботи мереж з ДГК, виконаний на фізичний моделях кабельних мереж показав, що зміна в широкому діапазоні наскрізний активної провідності через ізоляцію менше зміщує нейтраль електричної мережі, ніж зміна ємнісний провідності фаз по відношенню до землі.

  4. Розрахунково-експериментальні дослідження перехідних процесів в мережі з ДГК при однофазних замиканнях на землю, виконані з використанням математичної та фізичної моделей мережі, показали, що в умовах розладу ДГК і наявності в мережі навіть допустимого по ПТЕ (до15%) напруги зміщення нейтралі ісключаетвозможность отримання очікуваних від застосування ДГК результатів.

  5. Істотне підвищення ефективності від застосування ДГК може бути досягнуто при підключенні паралельно котушки необхідної величини активного резистора, що забезпечує зниження перенапруг до безпечної для електрообладнання величини, симетрування фазних напруг мережі та можливості успішного застосування захистів нульової послідовності від замикань фази на землю.

  6. У роботі наведено оцінку економічної ефективності проведених досліджень, розглянуто питання охорони праці та промислової санітарії, а захисту навколишнього середовища від шкідливих викидів теплових електростанцій.

Список літератури

  1. Сивокобиленко В.Ф., Дергільов М.П. Режими роботи нейтралі розподільних мереж 6-10 кВ. - СБ наукових праць ДонДТУ. Серія: Електротехніка і енергетика, вип. 67: - Донецьк: ДонНТУ, 2003. - С. 49 - 58.

  2. Черніков О.О. Компенсація емкостнвх струмів в мережах з незаземленій нейтраллю. М., "Енергія" 1974 року. 96с

  3. Звіт по науково - дослідній роботі "Дослідження перенапруг і розробка заходів щодо їх обмеження в мережах собсвенно потреб блочних ТЕС, № 76085390, м. Донецьк. 1976 рік. 156с.

  4. Перехідні процеси в системах електропостачання власним потреб електростанцій: Навч. посібник / В.Ф. Сівокобіленко, В.К. Лебедєв - Донецьк: РВА ДонНТУ, 2002. - 136 с.

  5. Долгинов А.І. Техніка високих напруг в електротехніці. - Москва: "Енергія", 1968. - 464 с.

  6. Сивокобиленко В.Ф., Лебедєв В.К., Махінда Сільва. Аналіз процесів дугових замикань на землю в мережах власних потреб ТЕС і АЕС. - СБ наукових праць ДонДТУ. Серія: Електротехніка і енергетика, вип. 17: - Донецьк: ДонДТУ, 2000. - С. 129 - 133.

  7. Лихачов Ф.А. Перенапруження в мережах власних потреб / / Електричні станції. - 1983. - № 10 -. С. 37 - 41.

  8. Зільберман В.А., Епштейн І.М. ін Вплив способу заземлення нейтралі мережі власних потреб блоку 500 МВт на перенапруження і роботу релейного захисту. / / Електрика. - 1987. - № 12. - С. 52 - 56.

  9. Дергільов М.П., ??Обабка В.К. Незнижувані кратності перенапруг в мережі 6-35 кВ з резистивним заземленням нейтралі. / / Наука, техніка, бізнес в енергетиці. - Єкатеринбург. - 2002 рік. - № 5. - С. 10 - 14.

  10. Гіндулін Ф.А., Гольдштейн В.Г., Дульзон А.А., Халілов Ф.А. Перенапруження в мережах 6-35 кВ. - Москва: Вища школа, 1989. - 234 с.

  11. Сирота І.М., Кисленко С.Н., Михайлов А.М. Режими нейтралі електричних мереж. - Київ: Наук .. Думка, 1985. - 190 с.

  12. Лихачов Ф.В. Замикання на землю в мережах з ізольованою нейтраллю і з компенсацією ємнісних струмів. - Москва: Енергія, 1971. - 254 с.