Введение к работе
Актуальность темы. Электрические сети среднего напряжения (от 6 до 35 кВ) в электроэнергетике России являются наиболее аварийными. Технологические нарушения режимов работы воздушных линий электропередачи этого класса напряжения в районах со сложными климатическими и грунтовыми условиями (районы Сибири и Севера) составляют 20–30 случаев в год на 100 км, а удельная повреждаемость кабельных линий – в пределах от 4,5 до 7. На трансформаторных подстанциях выше 1 кВ со сдвоенными токоограничивающими реакторами интенсивность пробоев изоляции вторичных обмоток трансформаторов (35–110)/(6–10) кВ в (1,5–2) раза выше, чем на подстанциях без этих реакторов.
Эти сети имеют значительный физический износ. К 2015 г. сработка ресурса электрических сетей может достигнуть 75%. Темпы нарастания изношенного электрооборудования составляют от 2 до 6 % в год от общего количества. Количество технологических нарушений в отечественных сетях среднего напряжения от двух до семи раз больше, чем в промышленно развитых странах.
Необходимо также учитывать, что во многих случаях изношенные кабели с бумажной пропитанной изоляцией заменяются на кабели с полиэтиленовой изоляцией (из сшитого полиэтилена). Однако, эти кабели при дуговых однофазных замыканиях на землю не восстанавливают свою электрическую прочность. Они более чувствительны к воздействию высокочастотных коммутационных импульсных напряжений.
Исследования Горелова В.П., Овсянникова А.Г., Лизалека Н.Н., Лаврова Ю.А., Ивановой Е.В., Короткевича М.А., Манусова В.З., Кадомской К.П., Сальникова В.Г. и др. охватывают различные аспекты обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) технических средств. Однако, рассматриваемая проблема многогранна и одна из научно-технических задач – обеспечения ЭМС технических средств на трансформаторных подстанциях выше 1 кВ со сдвоенными токоограничивающими реакторами не решена – нет соответствующего стандарта.
Поэтому тема диссертации является актуальной.
Объектом исследования являются трансформаторные подстанции напряжением выше 1 кВ со сдвоенными токоограничивающими реакторами.
Предметом исследования являются коммутационные импульсные напряжения, обусловленные различными видами замыкания фаз на землю на объекте исследования.
Связь темы диссертации с общенаучными (государственными) программами и планом работы академии. Работа выполнялась в соответствии: с научными направлениями технического комитета № 77 Международной электротехнической комиссии (МЭК), с научной целевой комплексной темой «Разработка мероприятий по повышению надёжности работы оборудования в условиях пониженных температур» (гос. регистр. № 0188.0004.137) и планом НИОКР «Электромагнитная совместимость технических средств» (гос. регист. №01201180542) ФБОУ ВПО «НГАВТ».
Идея работы заключается в определении комплексным методом углублённых связей между коммутационными импульсными напряжениями на ветвях сдвоенного реактора и параметрами переходных процессов при замыканиях фаз на землю, воздействия на которые можно обеспечить нормированный уровень кондуктивных электромагнитных помех (ЭМП), распространяющихся по проводам.
Целью работы является разработка концепции обеспечения ЭМС на трансформаторной подстанции напряжением выше 1 кВ со сдвоенным токоограничиващим реактором. Для обеспечения этой цели в работе ставились и решались следующие взаимоувязанные задачи:
- разработка системы регистрации переходных режимов работы трансформаторной подстанции со сдвоенным токоограничивающим реактором в сети среднего напряжения при различных видах замыкания фаз на землю с изолированной или заземлённой через резистор нейтралью;
- проведение комплексного исследования в сети 10 кВ с изолированной нейтралью коммутационных импульсных напряжений на трансформаторной подстанции со сдвоенным токоограничивающим реактором;
- математическая обработка результатов экспериментальных исследований с целью получения эмпирических математических моделей для определения коммутационных импульсных напряжений на всех ветвях сдвоенного токоограничивающего реактора при различных видах замыкания фазы на землю;
- исследование возможности обеспечения ЭМС кабельных линий с полиэтиленовой изоляцией в компенсированных сетях;
- обоснование режима заземления нейтрали и разработка эмпирической математической модели для прогнозирования напряжения смещения нейтрали в сети 10 кВ с характерной удельной ёмкостью фаз на землю в зависимости от сопротивления резистора;
- экспериментальная проверка эффективности концепции обеспечения ЭМС на трансформаторной подстанции напряжением выше 1 кВ со сдвоенным токоограничивающим реактором.
Методы исследования. Для достижения цели работы использовались: научно-техническое обобщение литературных источников по исходным предпосылкам исследований, методы теоретических основ электротехники и теории электрических сетей, методы математической статистики и теории вероятностей (теории планирования эксперимента, теории ошибок), метод аналитических исследований (гармонический анализ), рекомендованные Госстандартом России методы и средства измерения уровней ЭМС для кондуктивных ЭМП.
На защиту выносятся:
1 Концепция и результаты комплексного исследования коммутационных импульсных напряжений на трансформаторной подстанции напряжением выше 1 кВ со сдвоенным токоограничивающим реактором при различных видах замыкания фаз на землю и заземления нейтрали.
2 Эмпирические математические модели для прогнозирования коммутационных импульсных напряжений на ветвях сдвоенного токоограничивающего реактора на подстанции напряжением 110/10 кВ с изолированной нейтралью в сети 10 кВ в зависимости от вида замыкания фазы на землю и ветви реактора.
3 Результаты исследования эффективности применения ДГР с подмагничиванием в сети 10 кВ для обеспечения ЭМС кабельных линий с полиэтиленовой изоляцией во время однофазных замыканий на землю.
4 Эмпирическая математическая модель для прогнозирования напряжения смещения нейтрали в зависимости от сопротивления резистора в нейтрали сети 10 кВ с характерной удельной ёмкостью.
5 Результаты экспериментальной проверки эффективности концепции обеспечения ЭМС на трансформаторной подстанции 110/10 кВ со сдвоенным токоограничивающим реактором.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций
Достоверность обеспечена: использованием сертификационного оборудования, средств измерений и осциллографирования параметров переходных процессов при экспериментальных исследованиях; исследованиями погрешностей, разработанных математических моделей; удовлетворительном совпадении результатов теоретических исследований с измерениями, выполненными в реальных сетях 10 кВ.
Обоснованность подтверждается корректностью применения математических методов обработки результатов измерений, принятыми уровнями допущений при математическом описании явлений, публикациями и обсуждением результатов исследований на международных и всероссийских научно-технических конференциях, практической реализацией полученных результатов.
Научная новизна диссертации
Разработана концепция обеспечения ЭМС технических средств на трансформаторной подстанции напряжением выше 1 кВ со сдвоенным токоограничивающим реактором. В рамках сформулированных задач исследования научные положения характеризуются тем, что впервые:
- осуществлено комплексное исследование коммутационных импульсных напряжений на трансформаторной подстанции 110/10 кВ со сдвоенным токоограничивающим реактором при различных видах замыкания фаз на землю в сети 10 кВ и заземления нейтрали;
- разработаны системы уравнений эмпирических математических моделей для прогнозирования коммутационных импульсных напряжений на ветвях сдвоенного токоограничивающего реактора на подстанции напряжением 110/10 кВ с изолированной нейтралью в зависимости от вида замыканий фаз на землю и ветви реактора;
- доказана, с помощью разработанной эмпирической математической модели времени выхода ДГР с подмагничиванием на установившийся режим компенсации ёмкостного тока на землю в сети 10 кВ, не эффективность применения этих реакторов для обеспечения ЭМС кабельных линий с полиэтиленовой изоляцией;
- представлена эмпирическая математическая модель для прогнозирования напряжения смещения нейтрали в зависимости от сопротивления резистора в нейтрали сети 10 кВ с характерной удельной ёмкостью;
- показана экспериментальным методом эффективность концепции обеспечения ЭМС технических средств на трансформаторной подстанции напряжением выше 1 кВ со сдвоенным токоограничивающим реактором путём заземления нейтрали электрической сети.
Теоретическая значимость работы заключается в развитии теоретических основ ЭМС в электрических сетях среднего напряжения с трансформаторными подстанциями, содержащими сдвоенные токоограничивающие реакторы. Раскрыто существенное влияние на коммутационные импульсные напряжения на ветви сдвоенного токоограничивающего реактора со стороны питания взаимной индуктивности и вида однофазных замыканий на землю. Представлена парадигма этого явления.
Практическая значимость результатов работы заключается в том, что внедрение на межотраслевом уровне научных положений и рекомендаций в проектную и эксплуатационную практику обеспечивает ЭМС технических средств на трансформаторной подстанции напряжением выше 1 кВ со сдвоенным токоограничивающим реактором. Совокупность полученных результатов представляется как обобщение и решение важной научно-технической проблемы, имеющей большое хозяйственное значение.
Реализация работы. Разработанные в диссертации научные положения внедрены: в ЗАО «Феникс-88» (г. Новосибирск) с ожидаемым годовым экономическим эффектом 380 тыс.руб. при сроке окупаемости капиталовложений до одного года; в ООО «Болид» (г. Новосибирск) с ожидаемым годовым экономическим эффектом 630 тыс. руб. Срок окупаемости капиталовложений не превышает 2,5 лет; в филиале ОАО «Электросетьсервис Единой национальной электрической сети» – Новосибирской специализированной производственной базе с ожидаемым годовым экономическим эффекте до 410 тыс. руб. при сроке окупаемости капиталовложений около 1,8 года.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на 9-й международной научно-практической интернет конференции «Энерго-ресурсосбережение – XXI век» (г. Орёл, 2011 г.); на международной юбилейной научно-технической конференции «Обновление флота – актуальная проблема водного транспорта на современном этапе» (г. Новосибирск, 2011 г.); на 1-м научно-практическом семинаре с международным участием (ЭКИЭ-01) в рамках выставки «Энергосбережение, отопление, вентиляция, водоснабжение в промышленности и ЖКХ» (г. Екатеринбург, 2011 г.); на международной молодёжной конференции «Энергосберегающие технологии» (г. Томск, 2011 г.); на XII всероссийском совещании «Энергообеспечение и энергосбережение – региональный аспект» (г. Томск, 2011 г.); на 2-й международной научно-практической конференции в рамках специализированной выставки «Энергосбережение, отопление, вентиляция, водоснабжение в промышленности и ЖКХ» (г. Екатеринбург, 2012 г.); на постоянно действующем научно-техническом семинаре по электроэнергетике при ФБОУ ВПО «НГАВТ» (г. Новосибирск, 2011 г.).
Личный вклад. Решения задач исследования, научные положения, вынесенные на защиту, основные выводы и рекомендации принадлежат автору. Личный вклад в работах, опубликованных в соавторстве показан в Приложении А к диссертации и составляет не менее 50%.
Публикации. Результаты выполненных исследований изложены в 19 научных трудах, в том числе: 10 статей в периодических изданиях по перечню ВАК РФ, 6 статей в материалах конференций, 3 отчёта о НИР.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы, включающего 140 наименований и приложений. Изложена на 167 страницах машинописного текста, содержит 55 рисунков и 14 таблиц.
