ДонНТУ   Портал магістрів

Бедім Ірина Вадимівна

Електротехнічний факультет

Кафедра електричних станцій

Спеціальність Електричні станції

Оцінка впливу двигунного навантаження на параметри дугових
перенапруг в розподільчих мережах з ізольованою нейтраллю

Науковий керівник: к.т.н., доцент Дєргільов Михайло Павлович

Резюме Біографія Реферат

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• Вступ
• 1. Актуальність теми
• 2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати
• 3. Огляд досліджень та розробок
• 3.1 Загальні відомості про проблему
• 3.2 Огляд робіт дослідників
• 4. Підхід до розробки математичної моделі
• Висновки
• Перелік посилань

Вступ

У наш час життя без електроенергії практично неможливе. Вона застосовується у всіх областях людської діяльності, тож її необхідність для подальшого розвитку людського суспільства є очевидною. З часів зародження енергетики питання безперебійної подачі електроенергії належної якості був невід'ємною частиною загальної концепції електрифікації. Не втратив він свою актуальність і на сьогоднішній день. Особливої актуальності він набуває з урахуванням ситуації що склалася на сьогоднішній момент в енергетиці України. В умовах постійного погіршення технічного стану основного силового обладнання, значна частина якого виробила свій ресурс, ймовірність і частота виникнення аварійних ситуацій різко зростає, що неодмінно призводить до зниження якості та надійності електропостачання.

Електроенергію можна передавати на великі відстані, що дозволяє обслуговувати широке коло споживачів, включаючи регіони, не забезпечені достатніми ресурсами органічного палива [1].

1. Актуальність теми

Електричні мережі 6-35кВ отримали широке розповсюдження і відносяться до мереж, що працюють з ізольованою нейтраллю. Найбільш характерними споживачами є двигунні навантаження [2].

Однофазні замикання на землю є найпоширенішим видом пошкодження в електричних мережах середнього класу напруги (в межах до 90% від загального числа порушень нормальної роботи мереж в залежності від їх призначення і конструктивного виконання) [3].

Тому боротьба з ними є стратегічним напрямком роботи щодо підвищення надійності систем електропостачання [4].

2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати

Метою роботи є розробка програми для розрахунків перехідних процесів та оцінка впливу двигунного навантаження на параметри дугових перенапруг при замиканнях на землю в розподільних мережах з ізольованою нейтраллю за допомогою Microsoft Visual Studio С ++.

Основні завдання дослідження:

1. Розробка математичної моделі системи "джерело живлення – кабель – електродвигун".
2. Написання програми для розрахунку системи мовою програмування Visual С ++.
3. Аналіз перехідних процесів при замиканнях на землю в розподільних мережах з ізольованою нейтраллю.
4. Оцінка впливу навантаження двигуна на параметри дугових перенапруг.

Об'єкт дослідження : типова схема електропостачання споживачів електричною енергією.

Предмет дослідження : вплив навантаження двигуна на параметри дугових перенапруг при замиканнях на землю в розподільних мережах з ізольованою нейтраллю.

У рамках магістерської роботи планується отримання актуальних наукових результатів за наступними напрямками:

1. Розробка програми в Microsoft Visual Studio С ++ для розрахунку типової схеми трифазної електричної мережі.
2. Дослідження перенапруг і впливу рухового навантаження на параметри перехідних процесів при замиканні на землю.

Математичний аналіз, розрахунки на ЕОМ та експериментальні дослідження на моделі мережі і в реальних мережах показали, що однією з причин одночасного пошкодження декількох одиниць електрообладнання можуть бути резонансні перенапруги, що виникають у розрядних контурах фази, що замкнулася. Велика кратність і ймовірність їх появи різко зростає із збільшенням параметрів мережі та потужності електроприймачів. Локалізуючись в місцях підключення великих індуктивних опорів, вони можуть виникнути одночасно на кількох приєднаннях, що і може бути причиною групового пошкодження електрообладнання [5].

3. Огляд досліджень та розробок

3.1 Загальні відомості про проблему

Як випливає з досвіду експлуатації, в мережах 6 кВ в.п. потужних енергоблоків (300 і 500 МВт) теплових електростанцій, що працюють на пилоподібному паливі, відбуваються досить часто пошкодження електродвигунів різних технологічних механізмів.

Порядок експлуатації кожного з них встановлений інструкцією з експлуатації технологічного механізму. Тривалі замикання на землю в мережі, як правило, не допускаються. Однак щорічні пошкодження електродвигунів тільки від електричних впливів становлять у середньому 7,6% числа встановлених. На деяких ГРЕС і ТЕЦ питома пошкоджуваність електродвигунів досягає 13%.

Основні види електричних пошкоджень електродвигунів – пошкодження ізоляції обмоток статорів (близько 70%) і перекриття або пробої ізоляції в коробках виводів (близько 25%). Найчастіше пошкоджуються електродвигуни кульових млинів, вугледробилок, живильних електронасосів, димососів, млинових і дуттьових вентиляторів.

Пошкодження електродвигунів при замиканнях на землю від безпечних перенапруг становлять 84% числа пошкоджених при електричних впливах, з них при відключеннях двофазних к.з. із землею 39%. На частку ушкоджень при відключеннях електродвигунів, що розгортаються, під час їх пуску (при обривах пускових струмів) припадає 16%, в тому числі 2% на відключення загальмованих електродвигунів [6].

В умовах постійного погіршення стану розподільних електричних мереж, через відсутність необхідних коштів на своєчасну заміну зношеного електрообладнання, все гостріше стає проблема забезпечення надійної роботи систем електропостачання споживачів. Розподільні мережі працюють в умовах забруднення, зволоження, частих електродинамічних та термічних перевантажень. За даними досвіду експлуатації Донецьких електричних мереж, в даний час питома пошкоджуваність їх складає більше 130 пошкоджень на рік на кожні 100 км мережі, що на порядок вище норми. У переважній більшості випадків (до 90%) пошкодження починається з пробою ізоляції на землю, а потім найчастіше розвивається в міжфазні короткі замикання або багатомісні пробої ізоляції з груповим (дві, три і більше одиниці) виходом з ладу електрообладнання.

Основною причиною пошкоджень є дугові перенапруження, величина яких за результатами досліджень (рис.1) може становити (3,2-3,5)Uф, а при наявності в мережі несиметрії напруг по фазах перенапруги можуть істотно зрости. Особливо це характерно для мереж з невеликим ємнісним струмом замикання на землю, де установка дугогасильних котушок не нормується або вимагає істотних додаткових вкладень. Для цих мереж в даний час пропонується режим з заземленням нейтралі через активний опір.

У разі відсутності вільного доступу до нейтральної точці мережі, заземлюючий резистор рекомендовано підключати до нейтралі спеціального приєднувального трансформатора невеликої потужності зі схемою з'єднання обмоток Υ/Δ. Такий режим заземлення нейтралі дозволяє ефективно обмежити дугові перенапруги до рівня, безпечного для експлуатації електричних машин, трансформаторів та кабелів з ослабленою ізоляцією. Обмеження перенапруг при резистивном заземленні нейтралі здійснюється за рахунок розряду ємності здорових фаз і зниження напруги на нейтралі до значення, що виключає ескалацію перенапруг при наступних пробоях ослабленої ізоляції аварійної фази (рис. 2).

Одночасно з цим заземлюючі резистори ефективно пригнічують всілякі резонансні і ферорезонансні перенапруги. Вони сприяють ліквідації надструмів, обумовлених насиченням магнітопроводів вимірювальних трансформаторів і трансформаторів контролю ізоляції і виключають, тим самим, термічне руйнування їх обмоток і підвищують надійність і селективність роботи найпростіших захистів від однофазних замикань на землю (ОЗНЗ). Слід, однак, відзначити, що готові рецепти для вибору номіналу заземлюючого резистора в даний час відсутні, разом з тим виключити ескалацію напруги на нейтралі в режимі ОЗНЗ можна тільки в умовах забезпечення розряду ємності здорових фаз за час безструмової паузи, тобто за t = 0,008 – 0,01 c.

Резистивне заземлення в поєднанні з релейним захистом від однофазних замикань на землю дозволяє істотно підвищити надійність роботи широко впроваджуваних в останні роки обмежувачів перенапруг ОПН, які, як відомо, володіють недостатньою термостійкістю при тривалих впливах дугових перенапруг.

Проблема підвищення надійності роботи розподільних мереж напругою 6-10 кВ складається з комплексу завдань, ефективне рішення кожного з яких може бути знайдено індивідуально з урахуванням характерних особливостей кожної електричної системи живлення і споживання на основі проведення великого обсягу наукових і експериментальних досліджень, у тому числі і в реальних мережах. Отримання максимуму переваг від обраного способу ув'язується зі специфічними вимогами, що пред'являються до мережі, основними з яких, як правило, є надійність системи електропостачання споживачів і вартість забезпечення заданого рівня надійності [7].

3.2 Огляд робіт дослідників

Серед багаточисельних досліджень найбільшу кількість було присвячено досить поширеним перенапругам при дугових замиканнях на землю у високовольтних мережах, що працюють з ізольованою нейтраллю.

Основоположником досліджень 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 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 у 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 дузі.

Повторні 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 7.5Uф.

б) Тривалість горіння дуги при кожному повторному запалюванні дорівнює напівперіоду вільних коливань, незважаючи на те, що величина струму та швидкість його зміни з кожним напівперіодом збільшується, а також збільшується його теплову та іонізуючу дію.

в) Після кожного гасіння дуги в мережі з'являється наростаюча постійна напруга зсуву Uзс.

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 напівперіоді перенапруги змінюють свій знак.

Характерними особливостями виникнення перенапруг з теорії Петерса і Слепяна 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 запалюваннях відповідно ±Uф і ±2Uф).

б) Тривалість горіння дуги при кожному повторному запалюванні 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 першої) перенапруги 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 Белякову необхідний збіг двох основних умов в одному циклі, а саме:

а) Перше запалювання дуги має відбутися раніше максимуму е.р.с. пошкодженої фази, щоб до моменту гасіння (максимуму напруги на пошкодженій фазі) перший пік відновлюваної напруги досягав величини 0.4Uф.

б) Друге запалювання дуги, при якому на відстаючої фазі виникають найбільші перенапруги 3.2Uф, має статися саме в момент при напрузі пошкодженої фази, приблизно рівної 2.2Uф, тобто більше, ніж перше запалювання [8].

Усі дослідники вважали, що характер перехідних процесів і величина перенапруг визначається тільки параметрами мережі за струмом замикання. При цьому стверджували, що вид навантаження ніяк не впливає на якісні та кількісні параметри перехідних процесів при замиканнях на землю.

За результатами їхніх досліджень були запропоновані різні заходи з підвищення надійності роботи цих мереж, проте їх практична реалізація не забезпечила роботу обладнання на надійному рівні. При цьому пошкоджуються в основному електродвигуни.

Попередні дослідження показали, що двигунне навантаження може істотно вплинути на параметри дугових перенапруг.

4. Підхід до розробки математичної моделі

Для проведення досліджень перехідних процесів в розподільній мережі 6-35кВ з ізольованою нейтраллю та оцінки впливу навантаження двигуна прийнята типова схема електропостачання споживачів.

Кожна секція збірних шин розглянутих мереж живиться від досить потужних (40 МВА і більше) трифазних масляних трансформаторів. Для спрощення та більшої універсальності моделі вища і нижча обмотки силового трансформатора прийняті з'єднаними в зірку. Це дає можливість моделювати мережі як з ізольованою нейтраллю, так і з нейтраллю, частково заземленою через різні за величиною невеликі активні опори R, а також з компенсацією ємнісних струмів на землю через регульовані дугогасильні реактори (ДГР).

У прийнятій схемі заміщення враховані такі суттєві чинники:

1. Всі елементи, в тому числі і рухове навантаження, у схемі заміщення представлені розподіленими параметрами, що дозволить отримати найбільш повне уявлення про фізику процесів при дугових замиканнях фази на землю в мережах з компенсацією ємнісних струмів.
2. У схемі заміщення враховані активні фазні провідності витоків через ізоляцію, що за даними вимірювань в умовах постійного погіршення технічного стану електричних мереж набуває реальної величини, а в деяких випадках стають порівнянні з ємнісною провідністю.
3. Враховано рухове навантаження і таким чином вперше поставлено завдання оцінити вплив багатоконтурності кожного приєднання на якісні та кількісні параметри перехідних процесів при однофазних замиканнях на землю як на здорових, так і на пошкоджених фазах мережі.
4. Схема заміщення дозволяє дослідити вплив асиметрії напруги по фазах, створюваної як ємнісною, так і активною провідностями витоків через ізоляцію, на кратність дугових перенапруг в мережах з ізольованою нейтраллю і компенсацією ємнісних струмів на землю.

Для визначення незалежних контурів складемо граф досліджуваної мережі. При цьому за гілки дерева (товсті лінії) приймаємо гілки міжфазних ємностей і активних опорів витоку через ізоляцію, позначаємо на графі однією лінією. Також за гілки дерева приймаємо гілку активного опору в нейтралі трансформатора. Решта гілок графа – хорди, які утворюють замкнуті контури. Стрілки вказують напрямок гілок.

Маючи граф мережі виберемо 25 незалежних контурів, при цьому позитивний напрямок контурів задається напрямком хорд, що входять до контуру.

Для зазначених контурів складаємо диференційні рівняння, наприклад:

Диференційні рівняння для визначення напруги на ємностях визначаються з першого закону Кірхгофа і мають вигляд:

ЕРС трифазного джерела представимо як синусоїдальну функцію часу:

Для вирішення отриманої системи диференційних рівнянь на ЕОМ прийнятий неявний метод Ейлера, який володіє гарною числовою стійкістю, точністю, відносною простотою і високою швидкістю розрахунку.

Формула методу Ейлера з незалежною змінною х у матричному вигляді має вигляд:

де – вектор залежних змінних системи диференційних рівнянь;

h – крок розрахунку з незалежною змінною х;

– вектор-функція правих частин системи диференціюних рівнянь .

Для вирішення ДР неявним методом Ейлера необхідно перетворити вихідну систему до вигляду:

яку потім можна вирішити як матричне рівняння.

Отримане матричне рівняння вирішується на кожному кроці інтегрування за допомогою ЕОМ. Для проведення досліджень складається програма на мові програмування Visual С + +.

Висновки

Магістерська робота присвячена актуальному науковому питанню. Усі дослідники стверджували, що вид навантаження ніяк не впливає на параметри перехідних процесів при замиканнях на землю. Однак у даній магістерській роботі стоїть завдання перевірити це на прикладі схеми з урахуванням двигунного навантаження в розподільній мережі з ізольованою нейтраллю.

Основні етапи роботи:

1. Розробка математичної моделі системи.
2. Написання програми для розрахунку системи.
3. Проведення експериментальних досліджень і розрахунків на ЕОМ.
4. Аналіз отриманих даних і оцінка впливу двигунного навантаження.

При написанні даного реферату магістерська робота не завершена.

Перелік посилань

1. Гительман Л.Д. Эффективная энергокомпания. Электронная библиотека. 2002. – 545 с.
   [електронний ресурс]. - Режим доступу: http://www.ekon.oglib.ru.
2. Сивокобыленко В.Ф., Лебедев В.К. Выбор величины резистора для заземления нейтрали в сетях 6-35 кВ. Вісник приазовського державного технічного університету. Вип.№18. 2008 р.
   [електронний ресурс]. - Режим доступу: http://archive.nbuv.gov.ua.
3. Сивокобыленко В.Ф., Лебедев В.К., Коваленко Е.В., Маслова А.И. Создание математической модели для сети 6-10 кВ. Публикация: Донецкий национальный технический университет.
   [електронний ресурс]. - Режим доступу: http://et–school.com.ua.
4. Хижняк Алексей Николаевич. Современные способы защиты от однофазных замыканий в сетях с изолированной нейтралью. 2006.
   [електронний ресурс]. - Режим доступу: http://www.masters.donntu.ru.
5. Агутин А.Н., Дергилёв М.П. Переходные процессы в сетях с двигательной нагрузкой при дуговых замыканиях фазы на землю. 2011.
   [електронний ресурс]. - Режим доступу: http://masters.donntu.ru.
6. Лихачев Ф. А., канд. техн. наук Союзтехэнерго. Перенапряжения в сетях 6 кВ собственных нужд.
   [електронний ресурс]. - Режим доступу: http://www.masters.donntu.ru.
7. Сивокобыленко В.Ф., Дергилев М.П., Левшов А.В. Резистивное заземление нейтрали в распределительных сетях 6-10 кВ. – Электронный архив ДонНТУ. 2006.
   [електронний ресурс]. - Режим доступу: http://ea.donntu.ru.
8. Публикация Живых Денис Александрович. Усовершенствование способов ограничения перенапряжений в сетях 6-10 кВ при замыканиях фазы на землю. 2003.
   [електронний ресурс]. - Режим доступу: http://masters.donntu.ru.