Введение к работе
Актуальность темы. Электрические сети напряжением от 6 до 35 кВ (сети среднего напряжения) являются загруженными и протяжёнными линиями электропередачи России, их общая длина составляет около трёх миллионов километров. Среди них до 90% работают с изолированной нейтралью, а остальные – с нейтралью заземлённой через дугогасящий реактор (ДГР) или резистор. Сети среднего напряжения характеризуются высокой аварийностью. Например, технологические нарушения режимов работы воздушных линий электропередачи в расчёте на 100 км составляют (6–7) случаев в год для районов с умеренным климатом и (20–30) случаев в год для районов со сложными климатическими и грунтовыми условиями (районы Сибири и Севера). Необходимо учитывать, что эти сети имеют значительный физический износ. К 2015г. 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. Такая ситуация объясняется не только тяжёлым по своим последствиям гололёдно-ветровым воздействием, но и сложной электромагнитной обстановкой (ЭМО), обусловленной нарушением требований ГОСТ 13109-97 к качеству электроэнергии (КЭ).
В таких сетях наблюдаются кондуктивные электромагнитные помехи (ЭМП), которые распространяются по проводам и негативно влияют на сети как рецепторы (возрастает вероятность повреждения изоляции фаз при однофазных дуговых замыканиях на землю (ОДЗ), появляются резонансы высших гармонических составляющих тока металлического замыкания фазы на землю (ОЗЗ) и т.д). Из-за этого обостряется проблема электромагнитной совместимости (ЭМС) самих сетей как рецепторов. ЭМС необходима: для обеспечения мероприятий по защите жизни и здоровья граждан, имущества физических и юридических лиц, государственного имущества и по охране окружающей среды; для повышения технико-экономических показателей производств и качества выпускаемой ими продукции.
Исследования Апполонского С.М., Горелова В.П., Овсянникова А.Г., Ивановой Е.В., Карякина Р.Н., Короткевича М.А., Костенко М.Ф., Лизалека Н.Н., Манусова В.З., Сальникова В.Г., Сарина Л.И., Челазнова А.А. и др. охватывают различные аспекты обеспечения ЭМС технических средств. Однако, рассматриваемая проблема многогранна и одна из научно-технических задач – обеспечение ЭМС сетей среднего напряжения как рецепторов не решена (отсутствует соответствующий стандарт). Поэтому тема диссертации является актуальной.
Объектом исследования являются распределительные электрические сети среднего напряжения общего назначения.
Предметом исследования являются процессы однофазных замыканий на землю при кондуктивных ЭМП в сети напряжением от 6 до 35 кВ с изолированной нейтралью и заземлённой через резистор.
Связь темы диссертации с общенаучными (государственными) программами и планом работы академии. Работа выполнялась в соответствии: с научными направлениями технического комитета № 77 «Электромагнитная совместимость электрооборудования, присоединённого к общей электрической сети» 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 развития научных исследований на 2007–2010 гг. (раздел 1.10)» ФГОУ ВПО «НГАВТ».
Идея работы заключается в установлении связей параметров элетромагнитного процесса в сети среднего напряжения при однофазном дуговом замыкании на землю с качеством электроэнергии и режимом нейтрали, воздействие на которые можно обеспечить ЭМС этой сети как рецептора.
Целью работы является разработка научных положений и рекомендаций, позволяющих обеспечить ЭМС сетей напряжением от 6 до 35 кВ как рецепторов в электроэнергетической системе. Для достижения этой цели в работе ставились и решались следующие взаимоувязанные научно-технические задачи:
- обоснования требований к измерительной технике и методического подхода к осциллографированию параметров переходных процессов при различных замыканиях фазы на землю в сетях с изолированной и заземлённый через резистор нейтралью; определение электромагнитной обстановки;
- математический анализ возможности обеспечения ЭМС сетей среднего напряжения как рецепторов при сложной электромагнитной обстановке;
- измерение и осциллографирование параметров электромагнитной обстановки в сети 10 кВ полигона исследования и переходных процессов при металлическом и дуговом замыканиях фазы на землю; математическая обработка результатов измерений;
- выбор режима нейтрали в сетях от 6 до 35 кВ, обеспечивающего их электромагнитную совместимость как рецепторов; экспериментальная проверка этого режима в сети 10 кВ полигона исследования при дуговом однофазном замыкании на землю;
- разработка методики обеспечения ЭМС сетей от 6 до 35 кВ как рецепторов в электроэнергетической системе.
Методы исследования. В процессе выполнения исследований применялись: научно-техническое обобщение литературных источников по исходным предпосылкам исследований, методы теоретических основ электротехники и теории электрических сетей, методы математической статистики и теории вероятностей (теория производящих функций, теория ошибок), метод аналитических исследований (гармонический анализ), методы системного анализа. Экспериментальные исследования выполнялись комплексным методом с применением делителей напряжения, устройства перемежающейся дуги, цифрового осциллографа типа DL-750-8, измерительно-вычислительного комплекса (ИВК) «Омск-М» и др. оборудования, а также специальных программ для расчётов на компьютере.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: использованием современных методов и средств исследования переходных процессов при однофазных замыканиях на землю в реальной сети 10 кВ; достаточным объёмом выполненных исследований, позволившим с вероятностью 0,95 определить удовлетворительное совпадение результатов теоретических исследований с результатами измерений (относительная ошибка составляет ±10%); практической реализацией основных выводов и рекомендаций.
На защиту выносятся:
1 Доказательство эквивалентности параметрических множеств кондуктивных ЭМП, обусловленных некачественной электроэнергией, и помехоподавляющих технических средств, при которой обеспечивается ЭМС технических средств.
2 Результаты экмпериментальных исследований электромагнитных процессов замыкания фазы на землю в сети 10 кВ с различными режимами нейтрали, выполненных комплексным методом записи переходных процессов цифровым осциллографом и показавших эффективность резистивного заземления нейтрали при однофазных дуговых замыканиях.
3 Методика обеспечения электромагнитной совместимости сетей от 6 до 35 кВ как рецепторов в электроэнергетической системе.
Научная новизна работы заключается в развитии теоретических основ ЭМС технических средств. В рамках решаемой автором научной задачи она характеризуется следующими новыми научными положениями:
-представлена функциональная схема влияния показателей КЭ и интегрального показателя сети на параметры переходного процесса при однофазном дуговом замыкании на землю;
- доказана с помощью теоремы об эквивалентности параметрических множеств помехоподавляющих технических средств и кондуктивных ЭМП, обусловленных некачественной электроэнергией, возможность обеспечения ЭМС технических средств, в том числе и сетей от 6 до 35 кВ как рецепторов;
- экспериментально установлено, что основным параметром ЭМО, влияющим на ЭМС сети 10 кВ как рецептора, является кондуктивная ЭМП по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения;
- разработана методика обеспечения ЭМС сетей от 6 до 35 кВ как рецепторов при сложной ЭМО в электроэнергетической системе.
Практическая ценность работы заключается в том, что внедрение следующих положений в проектную и эксплуатационную практику обеспечивает ЭМС сетей от 6 до 35 кВ как рецепторов в электроэнергетической системе:
- результаты экспериментальных исследований параметров электромагнитных процессов в сети 10 кВ с различными режимами нейтрали при дуговом и металлическом замыканиях фазы на землю;
- технические характеристики резисторов, заземляющие нейтрали сетей от 6 до 35 кВ, и требования к релейной защите и сетевой автоматики фидеров на подстанциях при сложной ЭМО.
Реализация работы. Разработанные в диссертации научные положения внедрены: в ОАО «Инженерно-аналитический центр «Кузбастехэнерго» (г. Кемерово) с годовым экономическим эффектом 387 тыс. рублей при сроке окупаемости капиталовложений около 3 лет; в ООО «Болид» (г. Новосибирск) с годовым экономическим эффектом 759 тыс. рублей при сроке окупаемости капиталовложений менее 2 лет
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: международной научно-практической конференции «Энергоэффективность» (г. Омск, Россия, 2010 г.); международной научно-практической конференции «Электроэнергетика в сельском хозяйстве» (Республика Алтай, Чемальский район, база НГТУ Эрлагол, Россия, 2009 г.); всероссийской научно-технической конференции «Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования» (г. Томск, 2010 г.); девятой международной научно-практической конференции «Проблемы и достижения в промышленной энергетике» в рамках специализированной выставки «Энергетика и электротехника – 2010» (г. Екатеринбург, Россия, 2010 г.).
Личный вклад. Постановка научно-исследовательских задач и их решения, научные положения, выносимые на защиту, основные выводы и рекомендации диссертации принадлежат автору. Личный вклад в работах, опубликованных в соавторстве, показан в Приложении А диссертации и составляет не менее 50%.
Публикации. Содержание работы изложено в 17 научных трудах, в том числе – 5 статьях в периодических изданиях по перечню ВАК.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 125 наименований и двух приложений. Изложена на 160 страницах машинописного текста, который поясняется 32 рисунками и 10 таблицами.
