ДонНТУ   Портал магистров

Баран Максим Андреевич

Электротехнический факультет

Кафедра Электроснабжения промышленных предприятий и городов

Специальность «Электические системы электропотребления»

Метод динамической коррекции опытных записей процессов в системе электроснабжения

Научный руководитель: д. т. н., проф. Куренный Эдуард Григорьевич

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Содержание

• Введение
• 1. Замыкание на землю в трёхпроводных сетях 6–10 кВ
• 1.1. Металлическое замыкание на землю
• 1.2. Дуговое замыкание на землю
• 1.3. Компенсация токов замыкания на землю
• 1.4. Релейная защита от замыканий на землю
• 2.Динамическая модель осциллорафического гальванометра
• Выводы
• Список источников

Введение

На промышленных предприятиях сети 6–10 кВ выполняются с изолированной нейтралью. В этих сетях замыкания на землю не являются короткими, потому при таком повреждении можно некоторое время продолжать работу. Однако, при замыканиях повышается напряжение на изоляции неповрежденных фаз и импульсные перенапряжения при замыкании через дугу. Перенапряжения могут вызвать пробой изоляции на другой фазе, что приводит к протеканию больших токов двойного замыкания на землю. Дуга может вызвать выгорание кабелей и железа двигателей. Для оценки воздействий токов замыкания на землю, необходимости их компенсации нужно знать величины токов замыкания. Этим обусловлена практическая актуальность работы. В проектировании токи замыкания определяются расчётом без учёта переходных процессов, вызывающих импульсные перенапряжения. Научная актуальность работы обуславливается необходимостью разработки методов экспериментального анализа токов замыкания. В связи с этим необходимо решить следующие задачи: выполнить оцифровку осциллограмм токов и напряжений металлического и дугового замыканий, разработать динамическую модель осциллографического гальванометра (ОГ), который был использован при осциллографировании, выполнить коррекцию динамической погрешности осциллографирования, разработать математическую модель тока металлического замыкания на землю.

1. Замыкание на землю в трёхпроводных сетях 6–10 кВ

1.1 Металлическое замыкание на землю

Система электроснабжения распределительные сети 6–35 кВ является системой с изолированной нейтралью. Передача электрической энергии до потребителей выполняется по трехпроводной системе, с применением кабельных или воздушных линий. Данный режим работы нейтрали даёт возможность увеличить надежность питания потребителей при некоторых видах повреждений в электрических сетях.

В распределительных сетях с изолированной нейтралью замыкание одной из фаз на землю не влечет к возникновению короткого замыкания и в большом количестве случаев не требует отключения поврежденного участка. Линейные напряжения остается неизменным, таким же как и до замыкания поврежденной фазы на землю. В случаях, когда возникает однофазное замыкание в распределительных сетях с изолированной нейтралью появляются процессы, оказывающие влияние на режим работы электрической сети в целом. Напряжение фазы, на которой произошло повреждение, несмотря на вид замыкания стремится к нулю. В моменты когда измерительные приборы показывают, что напряжение на фазе равно нулю, говорят, что это полная земля, а замыкание называется металлическим.

При металлическом замыкании на землю в начальный момент протекает переходный процесс, который длится примерно четверть периода, то есть 5 мс, после этого наступает установившийся режим. В эти моменты времени наблюдаются большие броски тока и импульсные перенапряжения. Так как длительность переходного режима не велика, то броски тока не вызывают перегрева поврежденного кабеля. Тем не менее перенапряжения могут вызвать нарушение изоляции кабеля в любой другой точке сети. Такого рода двойное замыкание являются близкими к двухфазному короткому замыканию и в случае не срабатывания релейной защиты , вызовет недопустимый нагрев в точках замыкания. Иными словами – однофазное замыкание на землю в распределительной сети с изолированной нейтралью опасно развитием двухфазного короткого замыкания.

1.2 Дуговое замыкание на землю

Дуговые замыкания на землю в практике эксплуатации обычно происходят реже, чем замыкание на землю. При данном коротком замыкании переходные процессы протекают при каждом загорании или затухании дуги. Емкостные токи однофазных замыканий на землю в сетях 6–10 кВ с изолированной нейтралью относительно велики (десятки, сотни ампер), дуги замыканий имеют свойство гореть устойчиво на протяжении долгого время, воздействуя на изоляцию, токоведущие и магнитопроводящие элементы сетей. Все это создает условия для развития аварий-перехода однофазных замыканий на землю в двух-или трехфазные короткие замыкания. Для защиты сети при возникновении длительного горения дуг емкостных токов может осуществляется переходом к режиму работы сетей с резонансно заземленной нейтралью.

Из-за большой величины тока перегрев становится больше, но при этом перенапряжение будет меньше. Это обусловлено тем, что почти не происходит деионизация, горение дуги происходит устойчиво, а броски тока при появлении и обрыве дуги происходят с небольшой скоростью. При небольших значениях тока перегреб будет меньше, а перенапряжение больше.

Дуговые замыкания опаснее металлических, так как импульсные перенапряжения возникают не только в начальный период времени, а все время. Кроме того, дуга может привести к выгоранию кабеля и железа двигателя.

Дуговые замыкания оказывают негативное влияние на ограничителях перенапряжения (ОПН). В случае металлическом замыкании ОПН уменьшает импульсные перенапряжения только один раз в начальный период. А в момент дугового замыкания ОПН срабатывает все время, поэтому он перегревается. Имелись случаи выхода ОПН из строя при дуговых замыканиях на землю.

1.3 Компенсация токов замыкания на землю

Величину емкостного тока замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью уменьшают до значения при котором дуга гаснет в месте повреждения. Эти действия осуществляются при заземлении нейтрали генератора или трансформатора через дугогасящие реакторы, индуктивное сопротивление. Чаще всего применяются дугогасящие реакторы, которые состоят из сердечника и обмотки, расположенных в кожухе, заполненном трансформаторным маслом. Изменением числа количества витков или зазора сердечника регулируют индуктивность реактора L. По сравнению с величиной индуктивного сопротивления, величина активного сопротивления очень мало.

На протяжении длительного времени система с замкнутой на землю фазой может работать при компенсации емкостного тока в месте замыкания индуктивным током. При этом величина напряжения во всех точках сети неизменна как и в системе с изолированной нейтралью показателем эффективности компенсации является отношение количества замыканий на землю, не развившихся в к. з., к общему числу замыканий.

В системах с компенсацией емкостного тока числовое значение этого отношения составляет 0,6–0,9, а в системах с изолированной нейтралью 0,3. Релейная защита от замыкания на землю не требуется в компенсационных сетях. Релейная защита в таких сетях предназначена для отключения линий, трансформаторов и генераторов, а также электродвигателей, подключенных непосредственно к сети. Исключение составляют системы напряжением 3–35 кВ с повышенной опасностью обслуживания оборудования, в которых замыкания на землю должны избирательно отключаться. К ним относятся системы электроснабжения шахт, открытых горных разработок, торфяных разработок компенсация емкостных токов обладает следующими выгодными для эксплуатации качествами: уменьшает ток через место повреждения до безопасного значения, обеспечивая этим надежное дугогашение; облегчает требования к защитных устройств; снижает скорость восстановления напряжения на поврежденной фазе, вследствие чего вероятность повторного зажигания дуги и возникновения коммутационных напряжений мала; при сохранении устойчивой дуги уменьшает вероятность перехода замыкания на землю в многофазное к. з.

От совершенства дугогасящих реакторов зависит эффективность компенсации. Эффективность компенсации при неизменной настройке реактора составляет 0,6, а при использовании реактора с подмагничиванием и автоматической быстродействующей настройкой 0,9.

Если ток замыкания составляет более 10 А во всех системах напряжением 35 кВ необходимо устанавливать дугогасящие реактор. В системах напряжением 3–20 кВ, в которых имеются линии электропередачи с металлическими и железобетонными опорами, где величина тока замыкания более 10 А. Компенсация емкостного тока замыкания на землю должна применяться при значениях этого тока в нормальных режимах в системах, не имеющих железобетонных и металлических опор на воздушных линиях: более 30 А при напряжении 3–6 кВ; более 20 А при напряжении 10 кВ; более 15 А при напряжении 15–20 кВ; более 5 А в схемах напряжением 6–20 кВ блоков генератор-трансформатор (на генераторном напряжении). При токах замыкания на землю более 50 А рекомендуется применение не менее двух заземляющих дугогасящих реакторов. Реактор может быть включен в нейтраль одного работающего трансформатора, который при этом получает дополнительную нагрузку. Допускают включение реактора мощностью, равной 50 % мощности трансформатора, при условии, что он будет работать с наибольшим током компенсации не более 2 часов.

1.4 Релейная защита от замыканий на землю

Для защиты линий от тока короткого замыкания на землю используются специальные защиты, реагирующие на ток и напряжение нулевой последовательности. Необходимость установки на линиях данной защиты нулевой последовательности вызвана тем, что распространённым повреждение на линии является однофазное короткое замыкание. Защита реагирующая на тока и напряжения нулевой последовательности осуществляется намного проще и имеет ряд преимуществ по сравнению с токовой защитой, реагирующей на полные токи фаз. Данный вид защиты выполняется в виде максималиной токовой защиты.

Суть данного метода заключается в том, что любая 3-х фазная несимметричная система векторов токов или напряжений может быть заменена суммой 3-х симметричных систем.

Изходя из рис. 1.4 мы можем сделать вывод, что:

1. Векторы прямой последовательности вращаются против часовой стрелки, следуют друг за другом в чередовании А–В–С;
2. Вектора обратной последовательности вращаются в чередовании А–С–В;
3. Векторы нулевой последовательности совпадают по фазе и по направлению.

В нормальном симметричном режиме, а также при симметричном 3-х фазном к. з.  полные токи и напряжения равны току и напряжению прямой последовательности, составляющие обратной и нулевой последовательности равны нулю. Составляющие обратной последовательности возникают в сети при любой несимметрии: 1 фазные к. з., 2-х фазные к. з., обрыв фазы, несимметричная нагрузка.

Из теории симметричных составляющих при замыканиях на землю необходимо выделить следующие положения: cоставляющие нулевой последовательности появляются только при к. з.  на землю (однофазных и 2-х фазных), а также при обрыве одной или двух фаз. При междуфазных к. з . без земли (3-х и 2-х фазных) токи и напряжения нулевой последовательности отсутствуют. При однофазном к. з.  ток нулевой последовательности в месте повреждения равен 1/3 тока к. з.  в той же точке и совпадает с ним по фазе, а напряжение нулевой последовательности равно 1/3 геометрической суммы напряжений неповрежденных фаз.

Таким образом, в месте к. з.  на землю проходит ток равный сумме токов нулевой последовательности I0 всех трёх фаз, который и является действительным током повреждения IK=3I0. Этот ток направляется через землю к заземлённым нейтралям трансформаторов и возвращается в фазы сети, причем появление токов нулевой последовательности возможно только в сети, где имеются трансформаторы с заземлёнными нейтралями.

Если трансформатор имеет соединение обмоток звезда треугольник, то замыкание на землю на стороне треугольника не вызывает токов нулевой последовательности на стороне звезды.

Если сети различных напряжений связаны трансформатором, имеющим схему соединения звезда звезда, с заземлёнными нулевыми точками обеих обмоток, то замыкание на землю в сети одной звезды вызывает появление токов нулевой последовательности в сети второй звезды. При наличии автотрансформаторов, связывающих сети двух напряжений, замыкание на землю в сети одного напряжения вызывает появление токов нулевой последовательности в сети другого напряжения.

2. Динамическая модель осциллорафического гальванометра

Осциллографирование осуществляется светолучевым осциллографом. Светолучевой осциллограф относиться к приборам прямого действия. Регистрация проводится обычным световым лучом или ультрафиолетовым лучом на специальном фоточувствительном носителе, который не имеет диаграммной сетки.

Преимуществом Светолучевой осциллографв сравнении с широко примениемым электронно-лучевым осцилографом :

1. Простота и удобство получения докуметов регистрации ссобенно при регистрации на носителе типа У Ф ;
2. Возможность одновременной регистрации на одном носителе множества (несколько десятков ) исследуемых динамических процессов.

При расшифровки осциллограмм определяют какие-нибудь временные интервалы исследуемого процесса и определяют токи в каждый момент времени, интересующий экспериментатора. Для установления масштаба по оси времени в светолучевых осциллографах применяют отметку времени. Наиболее часто это специальные электромеханические устройства, которые наносят на источник световым лучом вертикальные линии через определенные промежутки времени, например 0,2;0,02 с и т. д. Подсчет количества линий между нужными точками регистрируемой кривой и умножив это чисто на масштаб отметки времени получают значение интервала времени который определяется. В качестве измерительных механизмов в Светолучевой осциллограф используются миниатюрные магнитоэлектрические измерительные механизмы, имеющие название осцилографическими гальванометрами (ОГ).

Основными узлами слетолучевого осцилографа является блок с осцилографическими гальванометрами, оптическая система, поворотный механизм и фиксатор времени. Коротко остановимся на основных узлах светолучевого осциллографа. В светолучевом осциллографе применяется осциллографические гальванометровставка. Гальванометровставка представляет собой подвижную часть магнитоэлектрического измерительного механизма(движущаяся рамка на растяжках), установленную в металлический немагнитный кожух с полюсными наконечниками из магнитомягкого материала. Обычно внешний диаметр кожуха составляет 6 мм. Гальванометровставка размещается эксперементатором в воздушные зазоры магнитопровода одного большого постоянного магнита. Магнитный блок типа М1062 имеет в магнитопроводе пазы для размещения одновременно 12 разных ОГ и шагом 9 мм.

Основными требованиями предъявляемые к ОГ и имеют существенное влияние на их конструктивное оформление :

1. Возможность больших частотных диапозонов,следовательно и возможно большая частота собстенных колебаний подвижной части F0;
2. Достаточно высокая чувствительность к току S1;
3. Возможно меньший диаметр вставки для увеличения количества одновременно установленных ОГ.

НА рис.2.2 показано конструктивное оформление подвижных частей наиболее обширных рамок ОГ. На рис. 2.2 изображена подвижная часть ОГ с магнитоиндуктивным обмоточным или жидкостным успокоением. Вращающий момент как же как и в обычных магнитоэлектрических механизмах создается взаимодействием тока I в рамке, растянутой на блоках с помощью растяжек и поля постоянного магнита. Момент успокоения создается взаимодействием поля постоянного магнита и тока Iусп, который образуется в кругу рамки от ЭДС, индуктивной в рамке при ее движении. Очевидно что ток Iусп, а соответственно и момент успокоения будут зависимы при обмоточном успокоении в первую очередь от сопротивления цепи с рамкой. Оптимальный момент успокоения считают такой момент успокоения, который обеспечивает при заданной допустимой нелинейности амплитудно-частотной характеристики наиболее рабочую полосу частот ОГ.

Нелинейности амплитудно-частотной характеристики ОГ с обмоточным успокоением должна быть не более ±5% в диапазоне частот от 0 до 0,6F0 (±10% в диапазоне частот от 0 до 0,75F0). Успокоение ОГ обысно характеризуется коэффициентом, называемым ступенью успокоения. Оптимальное успокоение получают при 0,7. Следуя из вышесказанного получается, что у ОГ с обмоточным успокоением в паспорте должно указываться значение внешнего сопротивления, при котором обеспечивается оптимальное значание из чего следует и наиболее возможная рабочая полоса частот.

При жидкостном успокоении подвижная часть ОГ заливается специальной жидкостью. Обычно у таких ОГ присутствует и обмоточное успокоение, однако жидкостное успокоение преобладает над обмоточным успокоением и поэтому внешнее сопротивление у таких ОГ в множестве случаев может быть любым. Вязкость используемых жидкостей зависит от температуры окружающей среды. Поэтому в современных светолучевых осциллографах для обеспечения оптимального значения используют термостатирование.

НА рис 2.2 показана подвижная часть ОГ с магнитоиндуктивным каркасным успокоением. Рамка намотана на алюминиевую пластину с отворотами для растяжек. При движении рамки в пластине возникают вихревые токи, которые взаимодействуют с полем постоянного магнита и создают момент успокоения. Каркасное успокоение всегда преобладает над обмоточным успокоением и поэтому ОГ с каркасным успокоением, так же, как и ОГ с жидкостным успокоением могут работать при оптимальной величине независимо от значения внешнего сопроивления гальванометра.

Не тяжело заметить, что пластинка при каркасном успокоении существенно увеличивает момент инерции подвижной части гальванометра и ухудшает его частотные особенности.

В некоторых светолучевых осциллографах предыдущих выпусков кроме реакции исследуемого сигнала предусматривалась так же возможность визуального наблюдения этого сигнала на специально установленном экране. В таких осциллографах часть луча света, отбитого от зеркала ОГ попадает на зеркальный барабан, который вращается с постоянной скоростью. Не тяжело увидеть, что при вращении барабана имеется угол падения лучу на каждую грань барабана. Получается, что создаваемая лучом света пятно перемещается вдоль экрана, создавая таки образом временную развертку исследуемого сигнала.

При расшифровки осциллограмм определяют какие-нибудь временные интервалы исследуемого процесса и определяют токи в каждый момент времени, интересующий экспериментатора. Для установления масштаба по оси времени в светолучевых осциллографах применяют отметку времени. Наиболее часто это специальные электромеханические устройства, которые наносят на источник световым лучом вертикальные линии через определенные промежутки времени, например 0,2;0,02 с и т. д. Подсчет количества линий между нужными точками регистрируемой кривой и умножив это чисто на масштаб отметки времени получают значение интервала времени который определяется.

Выводы

Используемый в проектировании метод прогнозирования емкостных токов в сетях 6–10 кВ не дает объективной информации о величине токов и особенно о переходных процессах. Для обоснования необходимости и оценки эффективности компенсации токов замыкания на землю необходимо выполнение опытов металлического и дугового замыканий. Осциллографические гальванометры вносят динамическую погрешность в результаты осциллографирования. Для её компенсации необходимо выполнить коррекцию измерений, считая гальванометр апериодическим звеном первого порядка. Математическое описание процесса металлического замыкания на землю предлагается выполнить поэтапно. В установившемся режиме процесс изменения тока представляется в виде ряда Фурье. После вычитания этого процесса из скорректированной осциллограммы тока замыкания переходный процесс целесообразно аппроксимировать суммой экспонент и экспоненциальносинусоидальной функциями. Математическое описание позволяет разработать динамическую модель сети в виде элементарных звеньев, а также выполнить их параметрическую идентификацию.

Список источников

1. Справочник по электроустановкам высокого напряжения / Под ред. И. А. Баумштейна, В. М. Хомякова: Энергоатомиздат, 1989. – 656 с.
2. Правила устройства электроустановок: Энергоатомиздат, 1985. – 640 с.
3. Правила устройства электроустановок: Форт, 2009. – 704 с.
4. Ф. А. Лихачев. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов: Энергия, 1971. – 152 с.
5. Б. Н. Неклепаев, И. П. Крючков. Электрическая часть станций и подстанций: Энергоатомиздат, 1989. – 608 с.
6. Э. Г. Куренный, Е. Н. Дмитриева, Н. Г. Вальков. Динамические погрешности осциллографирования электроэнергетических процессов и их коррекция // Энергетика и электрификация. – 1997.
7. Н. В. Чернобровов. Релейная защита: Энергия, 1971. – 624 с.