Введение к работе
Актуальность темы. Повышение качества функционирования линий электропередачи является главным фактором в комплексе предъявляемых требований по надёжности и экономичности электроснабжения регионов России. Износ основных фондов электрических сетей составляет в среднем 40 %. Темпы нарастания изношенного электрооборудования находятся в пределах от 2 до 6 % в год от общего количества. Увеличивается число ежегодных технологических нарушений и аварий в электрических сетях. При этом, на воздушные линии (ВЛ) 110 кВ, имеющих наибольшую протяжённость, приходится около 86 % от всех технологических нарушений, 11 % - на ВЛ 220 кВ и 3 % -на ВЛ 330; 500; 750 кВ. Значительная доля аварийных отключений ВЛ обусловлена повреждениями проводов и грозозащитных тросов (56 %), изоляторов (19 %) и опор (15 %). Около 10 % отключений происходило вследствие повреждений арматуры и прочих элементов ВЛ.
Социальный аспект повышения качества функционирования линий электропередачи обусловливается не только высокими требованиями к надёжности их работы, но и необходимостью осуществлять передачу электроэнергии в пределах норм технологического расхода.. Эти нормы достигаются при нормируемых значениях уровней электромагнитной совместимости (ЭМС) для кондуктивных низкочастотных электромагнитных помех (ЭМП).
Исследования Горелова В.П., Лизалека Н.Н., Овсянникова А.Г., Самородова Г.И., Сальникова В.Г., Мусина А.Х., Манусова В.З., Хрущёва Ю.В., Ивановой Е.В. и других отечественных и зарубежных учёных охватывают различные аспекты обеспечения ЭМС технических средств. Однако, научно-техническая задача - ограничение импульсных напряжений в линиях электропередачи с усовершенствованными электросетевыми конструкциями однозначно не решена. Отсутствует соответствующий стандарт. В связи с этим тема диссертации является актуальной.
Объектом исследования является электрическая сеть общего назначения (электропередача).
Предметом исследования являются электромагнитные процессы, обусловливающие импульсные напряжения (импульсные помехи)
и электросетевые конструкции (траверсы, ограничители перенапряжений), устанавливаемые для их ограничения на линиях электропередачи.
Связь темы диссертации с общенаучными (государственными) программами.
Работа выполнена в соответствии с основными положениями "Энергетической стратегии России на период до 2020 года" и Федеральным законом №261 от 23.10.2009 года "Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации", ориентирована на реализацию мероприятий подпрограммы "Энергосбережение и повышение энергетической эффективности в электроэнергетике" Государственной программы Российской федерации "Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020",утверждённой Распоряжением Правительства РФ от 27.12.2010 г. и соответствует Государственному контракту с Министерством образования и науки № 16.526.12.6015 от 11 октября 2011 г. "Разработка технологии производства и создание типоразмерного ряда оксидно-цинковых варисторов и современных композитных материалов, необходимых для их производства".
Идея работы заключается в установлении углублённых связей между импульсными помехами и электросетевыми конструкциями, воздействием на которые можно повысить эффективность линий электропередачи.
Целью работы является разработка научных положений и рекомендаций по ограничению грозовых и коммутационных импульсных напряжений в линиях электропередачи, повышающих качество функционирования систем электроснабжения общего назначения. Для достижения цели в работе ставились и решались следующие взаимоувязанные научно-технические задачи:
анализ состояния воздушных линий электропередачи;
обоснование социальной значимости повышения качества функционирования линий электропередачи за счёт ограничения импульсных напряжений и усовершенствования электросетевых конструкций;
принятие (признание, выбор) критерия режима сети, обеспечивающего нормированный технологический расход электроэнергии на её транспорт;
определение вероятности появления импульсных напряжений
кратностью более допустимого значения (2,8) в сети 10 кВ с изолированной нейтралью при коммутации вакуумными выключателями индуктивной нагрузки;
оценка эффективности применения нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН) для ограничения импульсных напряжений при включении и отключении индуктивной нагрузки вакуумными выключателями и объяснения причин различия;
измерение показателей качества электроэнергии и расчёт кон-дуктивных низкочастотных электромагнитных помех, характеризующих электромагнитную обстановку в сети 10 кВ с изолированной нейтралью полигона исследования;
экспериментальное исследование коммутационных импульсных напряжений, возникающих при дуговых однофазных замыканиях на землю в исследуемой сети 10 кВ;
определение влияния интегрального показателя сети (ёмкостного тока замыкания фазы на землю) 10 кВ с изолированной нейтралью на импульсные напряжения, возникающие при дуговых однофазных замыканиях на землю;
разработка вольт-амперной характеристики оксидноцинковых варисторов, необходимых для создания нелинейных ограничителей перенапряжений;
разработка устройств для защиты линий электропередачи от грозовых и коммутационных импульсных напряжений;
разработка системы защит воздушных линий электропередачи с изолирующими траверсами без грозозащитных тросов.
Методы исследования. В процессе выполнения исследований применялись: научно-техническое обобщение литературных источников по исходным предпосылкам исследований, методы теории высоких напряжений, методы математической статистики и теории вероятностей (теория планирования эксперимента, теория производящих функций, теория ошибок), методы системного анализа, рекомендованные Госстандартом России методы и средства измерения уровней ЭМС для кондуктивных ЭМП.
На защиту выносятся:
анализ состояния линий электропередачи и социальной значимости повышения качества их функционирования за счёт ограничения грозовых и коммутационных импульсных напряжений;
концепция снижения качества функционирования сетей сред-
него напряжения (от 6 до 35 кВ), обусловленная влиянием глобальных коммутационных импульсных напряжений;
зависимость коммутационных импульсных напряжений, обусловленных дуговыми однофазными замыканиями на землю в сети 10 кВ с изолированной нейтралью, от интегрального показателя сети и электромагнитной обстановки;
вольт-амперная характеристика оксидноцинковых варисторов, предназначенных для создания нелинейных ограничителей перенапряжений в линиях электропередачи;
устройство защиты воздушных линий электропередачи с изолирующими траверсами без грозозащитных тросов от грозовых и коммутационных импульсных напряжений;
устройство защиты подвесной изоляции воздушных линий и открытых распределительных устройств от грозовых и коммутационных импульсных напряжений.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций
Достоверность обеспечена: использованием сертификационного оборудования и средств измерений, корректностью применения математических методов обработки результатов измерений.
Обоснованность подтверждается принятыми уровнями допущений при математическом описании явлений, публикациями, практической реализацией полученных результатов.
Научная новизна работы характеризуется научными положениями и подтверждена патентами Российской Федерации:
показана зависимость качества функционирования линий электропередачи, обусловленного достаточной надёжностью в работе систем ограничения перенапряжений, электросетевых конструкций и нормированным технологическим расходом электроэнергии на её транспорт, от грозовых и коммутационных импульсных напряжений;
представлена концепция снижения качества функционирования сетей среднего напряжения при коммутации индуктивной нагрузки вакуумным выключателем, обусловленная влиянием глобальных коммутационных импульсных напряжений;
предложена парадигма, поясняющая снижение эффективности применения ОПН при включении вакуумным выключателем индуктивной нагрузки в сети 10 кВ в 1,5 раза, чем при отключении;
- получена вольт-амперная характеристика оксидноцинковых
варисторов, приемлемая для создания ОПН;
разработано устройство для защиты линий электропередачи от грозовых и коммутационных импульсных напряжений [13] и на его основе - универсальный модуль для построения мощных устройств (варианты) [10, 11];
разработаны новые системы защит от грозовых и коммутационных импульсных напряжений многофазных цепей [25], воздушных линий электропередачи с изолирующими траверсами без грозозащитных тросов (варианты) [17, 19-22] и подвесной изоляции линий электропередачи [15] с усовершенствованными электросетевыми конструкциями: опорный полимерный изолятор [12, 18], покрышка полимерная изоляционная [14], горизонтально поворотный разъединитель [24], устройство для закрепления проводов и аппаратов защиты от перенапряжений на опоре воздушной линии от 6 до 35 кВ [16], высоковольтные ввода с улучшенной изоляцией [23].
Теоретическая значимость работы заключается в развитии теоретических основ ЭМС технических средств при возникновении грозовых и коммутационных импульсных напряжений.
Практическая значимость результатов работы заключается в том, что внедрение на отраслевом уровне научных положений и рекомендаций диссертации в проектную и эксплуатационную практику обеспечивает повышение качества функционирования линий электропередачи.
Совокупность полученных результатов представляется как решение важной научно-технической задачи, имеющей большое хозяйственное значение для электроэнергетики.
Реализация работы. Рекомендации по ограничению импульсных напряжений в линиях электропередачи с новыми электросетевыми конструкциями внедрены: в ОАО "Электросетьсервис ЕНЭС; в ОАО "ФСК ЕЭС", ОАО "МРСК холдинг", ОАО "РЖД", с суммарным ожидаемым экономическим эффектом свыше 1500 тыс. руб. при сроке окупаемости капитальных вложений менее пяти лет.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались: на 3-й международной научно-практической конференции "Эффективное и качественное снабжение и использование электроэнергии ЭКСИЭ-03" (г. Екатеринбург, 2013 г.); пятой Российской научно-практической конференции с международным участием "Линии электропередачи 2012: проектирование, строительство, опыт экс-
плуатации и научно-технический прогресс", г. Новосибирск, 2012 г.; Всероссийской конференции "Энергосбережение и энергоэффективность технологий передачи, распределения и потребления электрической энергии", г. Москва, 2011 г. и 2012 г.; 3-ей Российской конференции по молниезащите, г. Санкт-Петербург, 2012 г.; Международном электроэнергетическом форуме "Электросетевой комплекс. Инновации. Развитие", г. Москва, 2012 г.; научно-технических конференциях ФБОУ ВПО "НГАВТ" в 2011-2013 г.; Всероссийских выставках достижений народного хозяйства в 2010-2013 г. (г. Москва).
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 25 научных трудах, в том числе, в 6 статьях периодических изданий по перечню ВАК, в одной монографии и в 16 патентах России.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 158 наименований и двух приложений. Изложена на 149 страницах машинописного текста, который поясняется 43 рисунками и 19 таблицами.
