Реферат за темою випускної роботи
Зміст
- Введення
- 1. Аналіз досвіду експлуатації електрообладнання мереж власних потреб Старобешівської ТЕС
- 2. Сучасний стан проблеми дугових перенапруг в мережах СН ТЕС та обгрунтування методик проведення досліджень
- 3. Математична модель для дослідження перехідних процесів в мережі власних потреб ТЕС
- 4. Результати дослідження перехідних процесів в мережі власних потреб електростанцій при дугових замиканнях на землю
- Висновки
- Список джерел
Введення
Власні потреби електростанції є дуже важливою ланкою в схемі надійності роботи електростанції. Мережі власних потреб визначають надійність роботи як станції в цілому, так і енергосистеми, в яку видається її потужність. Сучасні теплові електричні станції ТЕС будувалися по вузловому принципу, при якому кожен генерує об'єкт монтувався у вигляді окремого блоку. Кожен блок включає в себе котел, турбіну, генератор, трансформатор.
Старобешівська станція аналогічно була побудована за блочним принципом, потужність турбогенераторів в даний час складає 200МВт. На електростанції встановлено 10 таких енергоблоків, паливом для яких є низькосортне вугілля - вугільний штиб.
Технологічний процес вироблення електроенергії на сучасних теплових електростанціях повністю механізований і тому існує велика кількість механізмів власних потреб (СН), як основного електрообладнання, так і допоміжних цехів станції. В якості приводів цих механізмів ТЕС використовуються в основному електричні приводу.
Основними вимогами, що пред'являються власних потреб, є забезпечення надійності та економічності роботи механізмів. Перша вимога є найбільш важливим, оскільки порушення роботи механізмів власних потреб тягне за собою розлад складного технологічного циклу виробництва електроенергії, порушення роботи основного обладнання, а іноді і станції в цілому та призводить розвиток аварії в системну. Дуже важливим є також вимога економічності. Це досягається за рахунок зменшення витрати електроенергії та теплової енергії в системі власних потреб, удосконалення основного та допоміжного обладнання, зниження капітальних витрат на систему власних потреб, регулювання продуктивності і т.д.
Для приводу механізму власних потреб на станції використовується трифазні асинхронні електродвигуни з коротко замкнутим ротором, трифазні синхронні електродвигуни, двигуни постійного струму.
Асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором найбільш широко використовуються для приводу механізму С.Н., завдяки надійності, простоті пуску та експлуатації. Їх недолік - великий пусковий струм.
Асинхронні двигуни з фазним ротором більш складніше: наявність щіткового апарата обмотки ротора, що регулює реостатом. Вони застосовуються тільки для приводу вантажопідіймальних механізмів.
Синхронні електродвигуни встановлюються для приводів шаробарабанних млинів.
Електродвигуни постійного струму значно дорожче і складніше двигунів змінного струму. Застосовуються для приводу живильників пилу, аварійних маслонасосів турбін і аварійних маслонасосів ущільнень генератора. Номінальна потужність електродвигуна, що застосовуються в мережах власних потреб електростанції і коливаються в межах від 250-5000кВт. Разом з електродвигунами на шини секції СН підключаються трансформатори 6/0, 4кВ, потужність в межах до 1000кв.
Мережа власних потреб 6кВ працює в режимі з ізольованою нейтраллю. Головною перевагою режиму мережі з ізольованою нейтраллю є те, що однофазні замикання - найбільш частий вид ушкодження, не є тут аварійним режимом і мережа на протязі до чотирьох годин може працювати в такому режимі, що забезпечує високу надійність електропостачання споживачів при зниженні витрат на резервування. Проте в режимі однофазних замикань на землю (ОЗНЗ) ізоляція непошкоджених фаз може тривалий час знаходиться під лінійною напругою і через місце пошкодження протікає струм замикання на землю. Це може привести до порушення ізоляції здорових фаз і до двофазному короткого замикання, що призведе мережу в аварійний стан.
1. Аналіз досвіду експлуатації електрообладнання мереж власних потреб Старобешівської ТЕС
Надійність роботи електричних станцій в значній мірі визначається безпекою електрообладнання власних потреб. Пошкодження цього обладнання тягне за собою розлад складного технологічного процесу виробництва електроенергії, зміна режимів роботи окремих агрегатів або станції в цілому, супроводжується недоотпуска електроенергії споживачам. Однак як показує досвід експлуатації низки великих електростанцій, експлуатаційна надійність мереж власних потреб блоків 200 МВт і більше залишається на досить низькому рівні. Досить великий статичний матеріал по пошкоджуваності в мережах С.Н. представлений в [1]. Окремі результати, яких по ряду великих теплових електростанцій наведено в табл. 1.
З аналізу табл. 1 випливає, що щорічно на теплових електростанціях пошкоджується близько 6% від всіх встановлених електродвигунів. При цьому, наприклад на Вуглегірській ТЕС ВАТ «Донбасенерго» в середньому щорічно пошкоджується близько 35 великих електродвигунів (табл. 2), що працюють у важких умовах забруднення і зволоження, в умовах впливу великих електродинамічних перенапруг.
Таблиця 1 - Кількість пошкоджень електродвигунів 85 блоків десяти блочних ТЕС
Таблиця 2 - Кількість пошкоджень електродвигунів різних за призначенням механізмів мережі СН.
З аналізу цих таблиць випливає, що в сформованих умовах пошкодження електрообладнання мереж СН виявляється на досить високому рівні. Аналіз цих результатів показує, що практично 90% випадків порушення нормальної роботи мережі починається з замикання фаз на землю, тому головним напрямком боротьби за підвищення надійності Рабат мережі С.Н. є з однофазними замиканнями на землю. Статистичні дані по пошкоджуваності електроустаткування в мережі власних потреб Старобешівської ТЕС представлені на рис. 1.
З цього малюнка видно, що пошкоджуються в основному кабелі та електродвигуни. Досить часто мають місце багатомісні пробої ізоляції з груповим виходом з ладу електрообладнання.
2. Сучасний стан проблеми дугових перенапруг в мережах СН ТЕС та обгрунтування методик проведення досліджень
У числі досліджень численних комунікаційних перенапруг, що виникають внаслідок всякого роду замикань і розмикання 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 німецький інженер Петерсен, який в 1916 році розробив теорію, яка пояснює фізичну сутність процесу виникнень максимальних перенапруг.
У 1923 році два американських інженера Петерсон і Слепян запропонували іншу теорію, принципово відмінну від теорії Петерсена. Пізніше ці теорії були доповнені результатами роботи совєцьких дослідників Н.М. Джуварли і М.М. Белякова, які на підставі теоретичних і лабораторних досліджень щодо рівнів максимальних перенапруг і форми їх розвитку, зробили свої пропозиції.
У 1957 році М.М. Белякова була опублікована теорія виникнення перенапруг при дугових замиканнях на землю в мережах з ізольованою нейтраллю.
Як відомо, при замиканні фази на землю в мережі з ізольованою нейтраллю в сталому режимі напруга на неушкоджених (здорових) фазах зростає до лінійного значення. Однак сталому режиму передує перехідний процес, кратність перенапруг в якому як на здорових, так і на пошкоджених фазах може досягати значно більшої величини. Процес ускладнюється тим, що в переважній більшості випадків замикання на землю відбувається через дугу, що виникає в результаті перекриття або пробою ізоляції. При цьому горіння дуги не є стійким, а спостерігаються повторні горіння і запалювання її (переміжна дуга), які призводять до розвитку перехідних коливальних процесів і зростання перенапруг. Величина перенапруг залежить як від умови гасіння дуги, так і від характеру процесу відновлення електричної міцності дугового проміжку після її гасіння.
З моменту замикання на землю через дугу проходить ємнісний струм робочої частоти:
і струм високочастотних коливань. Можна припустити, що гасіння дуги відбувається при проходженні через нуль струму високочастотних коливань (теорія Петерсена) або при проходженні струму робочої частоти через нульове значення (теорія Петерса і Слепян), а запалюється при максимумі напруги на пошкодженій фазі.
Згідно теорії Петерсена, максимальні перенапруги на здорових фазах в перехідному режимі можуть бути визначені за формулою:
де Uф - амплітуда фазного напруги;
- коефіцієнт, що залежить від співвідношення міжфазних і ємностей по відношенню до землі С0 для досліджуваної мережі;
- коефіцієнт, що залежить від ємності, індуктивності джерела живлення і активного опору витоків через ізоляцію мережі;
- вираз, що визначає затухання амплітуди перехідного процесу, пов'язаного з витоками енергії через активні опору мережі. Максимальна напруга на пошкодженій фазі при цьому може бути оцінений за виразом:
Відповідно до цієї теорії перенапруги на непошкоджених фазах можуть підвищуватися до 7.5Uф, а на пошкодженій фазі вони досягають 3.7 Uф. За Петерс і Слепяну гасіння дуги відбувається через півперіоду після запалювання, коли вільні коливання затухають і миттєві значення напруги на непошкоджених фазах досягає свого максимального значення, а зміщення нейтралі:
максимальне значення перенапруг на здорових фазах складе
а напруга на пошкодженій фазі в залежності від моменту її пробою визначається з виразу
Таким чином, відповідно до теорії Петерса і Слепян, в результаті перезарядки ємностей проводів при запалюванні і гасінні дуги напруги на справному проводі досягає значень 3.5Uф, а на пошкодженій проводі - 2 Uф. Зазначені значення перенапруг добре узгоджуються з результатами розрахунків для здорової і ушкодженої фаз, з урахуванням затухання і междуфазное ємності в реальних мережах.
Згідно теорії М.М. Белякова для виникнення максимального перенапруги зовсім не обов'язковий ряд повторних запалювання дуги. Досить розглянути лише один цикл запалювання-гасіння-запалювання.
Припущення М.М. Белякова теорія займає проміжне положення між теоріями Петерсена і Петерса і сліпучим. Якщо по Петерсену процес горіння дуги повинен припинитися при першому ж проходженні струму коливань через нуль, а по Петерс і Слепяну - при проходженні через нульове значення струму промислової частоти, то для виникнення максимальних перенапруг по М.М. Белякова необхідно збіг двох основних умов в одному циклі запалювання-гасіння-запалювання дуги.
Як показали дослідження (М.М. Беляков), в реальних умовах можливі обидва варіанти поведінки дуги, проте кратності перенапруг визначаються не стільки тим, в який момент відбувається гасіння дуги, скільки властивостями дугового проміжку і характером процесу наростання його електричної міцності.
М.М. Белякова урахуванням реальних фізичних процесів, що мають місце на дуговому проміжку, запропоновані наступні математичні вирази для визначення Uпер і Uпер.п.ф.:
де Uсм - зміщення нейтралі; інші величини мають таке ж значення, що і раніше
За теорією М.М. Белякова, в трифазній системі з урахуванням затухання високочастотних коливань максимальні перенапруги на здорових фазах не перевищують значень (3.2-3.4) Uф, а на пошкодженій Uпер.п.ф. - 2.2 Uф. Численні експерименти в реальних мережах 6-10кВ підтвердили, що перенапруження при дугових замиканнях на землю не перевищують зазначених величин. Тривалі перенапруги такого порядку для мереж з ізольованою нейтраллю небезпечні тільки для ослабленої ізоляції електрообладнання, яке може бути в системі. Слід зауважити, що ці перенапруження небезпечні не тільки своєю амплітудою, а й тривалістю, і високочастотним характером процесу. Крім того, вони охоплюють всю мережу в цілому, що підвищує ймовірність перекриття ізоляції, яке може відбутися не тільки у місця замикання, а й у віддалених точках. Одночасно з цим, як уже зазначалося, тривалий існування дуги замикання на землю зазвичай призводить до міжфазного короткого замикання, що супроводжується відключенням електроустановки. Тому в тих випадках, коли не можна розраховувати на мимовільне згасання дуги, необхідна швидка ліквідація дуги замикання на землю, яка може бути досягнута шляхом обмеження струму через дугового проміжок і зменшення швидкості відновлення напруги.
Таким чином, перенапруг при дугових замиканнях фази на землю традиційно приділялася велика увага провідними фахівцями світової енергетики. Дослідження проводилися як в реальних мережах, так і на математичних моделях, і на фізичних моделях електричних мереж. За більш ніж піввіковий період роботи накопичений великий теоретичний і експериментальний матеріал, реалізація якого в практику дозволила істотно підвищити надійність роботи електрообладнання мереж розглянутого класу напруги. Однак до теперішнього часу в літературі є багато суперечливих, а іноді й протилежних даних, отриманими різними дослідниками з даної проблеми. Такі протиріччя обумовлені складністю і різноманіттям факторів, що впливають на характер перехідних процесів і величину перенапруг в різних за параметрами та режиму заземлення нейтралі електричних мережах.
В даний час в умовах постійного погіршення стану ізоляції електрообладнання систем електропостачання власних потреб ТЕС через відсутність коштів на заміну та якісного відновлення зношеного електрообладнання актуальність цієї проблеми ще більше зростає, так як показано раніше, вони є основною причиною пошкоджуваності електрообладнання. Оскільки надійні засоби захисту від дугових перенапруг відсутні, то успішне вирішення проблеми може бути знайдено тільки в оптимізації режимів нейтралі мереж власних потреб в поєднанні з різними схемними рішеннями.
Найбільш достовірні результати можуть бути отримані при проведенні дослідів в реальних мережах, але можливості цього методу обмежені низкою об'єктивних факторів, основними з яких є: неможливість ідентифікації умов проведення експериментів від досвіду до досвіду; складність реєстрації таких бистропротекающих і не періодично повторюваних процесів, які мають місце при однофазних замиканнях на землю; обмеженість обсягу досліджень, викликаної неминучістю виведення з ладу дорогого електроустаткування при проведенні великої кількості дослідів і т.д. Все це не дає можливість отримати необхідного обсягу інформації, що дозволяє дати правдиві відповіді на велику кількість стоять перед проблемою питань.
Можливості математичних методів моделювання перехідних процесів при ОЗНЗ обмежені громіздкістю схем заміщення в разі задоволення вимог обліку необхідних елементів мережі та достатності розподілу їх параметрів, труднощами визначення параметрів схеми заміщення окремих елементів мережі, надзвичайною складністю моделювання заземлюючих дуг, великим обсягом розрахункової частини і т . д. Прийняття всяких припущень при складанні схем заміщення призводить до різкого зниження ефективності проведених досліджень.
3. Математична модель для дослідження перехідних процесів в мережі власних потреб ТЕС
Для аналізу перехідних процесів в мережі власних потреб ТЕС при дугових замиканнях на землю приймемо за основу схему електропостачання С.Н. ТЕС показану на рис. 2.
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 6 кВ;
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 власних потреб електростанцій (до 0.5 км) 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. 3 показана схема заміщення досліджуваної мережі, прийнята в основу математичної моделі.
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 RТ. 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:
4. Результати дослідження перехідних процесів в мережі власних потреб електростанцій при дугових замиканнях на землю
В результаті великого обсягу досліджень, які проводилися з використанням математичної моделі, для різних за параметрами та режиму заземлення нейтралі мереж С.Н. ТЕС встановлено, що основним фактором, який визначає характер перехідних процесів і величину перенапруг при ОЗНЗ в мережі з ізольованою нейтраллю 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 мережі С.Н. ТЕС при дугових замиканнях на землю. Перший і наступні пробої сталися при максимумі напруги пошкодженої фази, а гасіння дуги в момент проходження струму промислової частоти (рис. 4) і повного струму замикання (рис. 5) через нуль.
Рисунок 4 - Процеси при дуговому замиканні фази С на землю з теорії Петерса і Слепян в мережі з ізольованою нейтраллю (струм замикання фази на землю - 30 А)
Рисунок 4 - Процеси при дуговому замиканні фази С на землю з теорії Петерса і Слепян в мережі з ізольованою нейтраллю (струм замикання фази на землю - 30 А)
Як показали дослідження для різних за параметрами електричних мереж СН ТЕС максимум перенапруг на випереджаючої фазі після пробою ізоляції досягає (2.4-2.5) Uф, а при подальших пробоях величина перенапруг на здорових фазах зростає до 3,5 і навіть 4Uф. Ескалація (поступове наростання) перенапруг в мережі при горінні дуги за другим сценарієм обумовлено зростанням напруги на нейтралі в процесі багаторазового запалювання і гасіння дуги струму замикання в дуговому проміжку. Для мереж СН ТЕС, з характерними для них параметрами, величина перенапруг може скласти (3.2-3.5) Uф. При появі в мережі несиметрії напруг по фазах перенапруги можуть істотно зрости, так як дослідженнями встановлено, що кратність дугових перенапруг виростає приблизно пропорційно величині зміщення нейтралі.
В сучасних умовах, поліпшити роботу електрообладнання мережі власних потреб можна за рахунок переведення мережі з режиму з ізольованою нейтраллю в режим з резистивно-заземленою нейтраллю, тобто заземленням нейтралі через активний резистор величиною порядку 130-150ом.
Обмеження кратності дугових перенапруг при резистивном заземленні нейтралі відбувається за рахунок розряду ємності здорових фаз та зниження напруги на нейтралі до значення, яке виключає ескалацію перенапруг при повторних пробоях ослабленою ізоляції аварійної фази. Розрахункова осцилограма перехідного процесу в мережі С.Н. ТЕС з резистивно-заземленою нейтраллю представлена ??на рис. 6.
Рисунок 6 - Процеси при замиканні фази С на землю в мережі з резистивно-заземленою нейтраллю
Висновки
В результаті виконання роботи було дано аналіз процесів, які мають місце в мережах власних потреб ТЕС при дугових замиканнях на землю. Слід зазначити, що дослідження велися з урахуванням поточного стану мереж на підставі реальних експлуатаційних даних.
Основні результати роботи полягають в наступному:
1) дана оцінка цього стану проблем мереж власних потреб ТЕС, звідки ми бачимо, що негайно потрібно замінити електричне обладнання, тому що його ізоляція практично зносилася, або використовувати необхідні заходи для забезпечення роботи обладнання у конкретних умовах;
2) для розрахунку використовувалася математична модель мережі власних потреб ТЕС написана на мові програмування Fortran, з урахуванням можливості відтворення різних режимів її роботи;
3) визначені граничні кратності дугових перенапруг в мережі власних потреб для умов Старобешівської ТЕС;
4) розглянуто варіант заземлення нейтралі через високоомний резистор, а також дана оцінка даного методу заземлення.
Список джерел
1. Перехідні процеси в системах електропостачання власним потреб електростанцій: Навч. посібник / В.Ф. Сівокобіленко, В.К. Лебедєв - Донецьк: РВА ДонНТУ, 2002. - 136 с.
2. Долгинов А.І. Техніка високих напруг в електротехніці. - Москва: "Енергія", 1968. - 464 с.
3.Сівокобиленко 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.
4.Сівокобиленко 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.
5. Лихачов Ф.А. Перенапруження в мережах власних потреб / / Електричні станції. - 1983. - № 10. - C. 37 - 41.
6. 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.
7. 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. - № 5. - С. 10 - 14.
8. Неклепаев Б.Н., Крючков І.П. Електрична частина електростанцій і підстанцій. - Москва: Вища школа, 1989. - 490 с.
9. Гіндулін Ф.А., Гольдштейн В.Г., Дульзон А.А., Халілов Ф.А. Перенапруження в мережах 6-35 кВ. - Москва: Вища школа, 1989. - 234 с.
10. Сирота І.М., Кисленко С.Н., Михайлов А.М. Режими нейтралі електричних мереж. - Київ.: Наук. Думка, 1985. - 190 с.
11. Лихачов Ф.В. Замикання на землю в мережах з ізольованою нейтраллю і з компенсацією ємнісних струмів. - Москва: Енергія, 1971. - 254 с.