Введение к работе
Актуальность темы. В электроэнергетике России распределительные сети напряжением (6–10) кВ являются наиболее протяжёнными, их общая длина составляет около двух миллионов километров. При этом сети именно этого класса напряжения являются наиболее аварийными.
Наиболее низкую надёжность в работе имеют присоединения распределительных устройств (РУ) (6–10) кВ с высоковольтными электрическими двигателями, имеющими постоянный момент сопротивления на валу, и присоединения с индуктивной нагрузкой, коммутирующиеся вакуумными выключателями (ВВ). Коммутационные импульсные напряжения и временные коммутационные перенапряжения длительностью до 1 с наиболее опасны для изоляции при отключении заторможенных или разгоняемых высоковольтных асинхронных двигателей, которые имеют в этот момент только индуктивную нагрузку. Пусковой ток содержит большую индуктивную составляющую и энергия, накопленная в индуктивности двигателя, максимальна. При неоднократных коммутациях это приводит к пробою изоляции.
В настоящее время проводится на РУ (6–10) кВ массовая замена устаревших масляных выключателей на ВВ. Этому также способствуют возможности ячеек РУ (6–10) кВ, так как ВВ имеют меньшие габаритные размеры и большой коммутационный ресурс. К недостаткам этих выключателей относятся их способность генерировать повышенные импульсные напряжения и перенапряжения при коммутациях присоединений, особенно, с индуктивными элементами (трансформаторы, электрические двигатели).
К тому же обострилась проблема электромагнитной совместимости (ЭМС) технических средств из-за значительного физического износа сетей. К 2015 г. сработка ресурса электрических сетей может достигнуть 75%. Темпы нарастания изношенного электрооборудования составляют от 2 до 6% в год от общего количества.
Исследования Кадомской К.П., Костенко М.Ф., Халилова Ф.Х., Манусо-ва В.З., Лизалека Н.Н., Ивановой Е.В., Горелова В.П. и др. охватывают различные аспекты обеспечения ЭМС технических средств. Однако, рассматриваемая проблема многогранна и одна из научно-технических задач - подавление кондуктивных электромагнитных помех (ЭМП) по импульсному напряжению в сетях (6–10) кВ с токоограничивающими сдвоенными реакторами не решена. Поэтому тема диссертации является актуальной.
Объектом исследования являются распределительные электрические сети (6–10) кВ.
Предметом исследования являются импульсные напряжения в электрических сетях (6–10) кВ региональных электроэнергетических систем (ЭЭС).
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 «Новосибирская государственная академия водного транспорта» (ФГОУ ВПО «НГАВТ»).
Идея работы заключается в установлении особенностей работы нелинейных ограничителей напряжений (ОПН) при высокочастотных импульсных напряжениях, а также токоограничивающих сдвоенных реакторов при различных однофазных замыканиях на землю в сетях (6–10) кВ, учитывая которые можно подавить кондуктивную ЭМП по импульсному напряжению в сетях (6–10) кВ.
Целью работы является разработка научных положений и рекомендаций, позволяющих повысить эффективность работы электрических сетей (6– 10) кВ как рецепторов путём подавления кондуктивных ЭМП по импульсному напряжению. Для достижения этой цели в работе составились и решались следующие взаимосвязанные задачи:
обоснования требований к измерительной технике и методического подхода к осциллографированию импульсных напряжений в сетях (6–10) кВ;
выбор и проверка характеристик ВВ, применяемого для исследования коммутационных импульсных напряжений;
экспериментальные исследования коммутационных импульсных напряжений как вида искажений на присоединениях с вакуумными выключателями;
- разработка математической модели кратности коммутационных им
пульсных напряжений на присоединениях РУ 6 кВ с высоковольтными дви
гателями, имеющими постоянный момент сопротивления на валу;
разработка методики определения кондуктивной ЭМП по импульсному напряжению на присоединениях РУ 6 кВ, обусловленной коммутацией высоковольтного асинхронного двигателя с заторможенным ротором;
осциллографирование переходных процессов при металлическом и дуговом однофазном замыканиях на землю в сетях 10 кВ с изолированной и заземлённой через резистор нейтралью;
разработка рекомендаций по подавлению кондуктивных ЭМП по импульсному напряжению в сетях (6–10) кВ с токоограничивающими сдвоенными реакторами.
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 ве-
роятностей (теории планирования эксперимента, теории ошибок), метод аналитических исследований (гармонический анализ), рекомендованные Госстандартом России методы и средства измерения показателей качества электроэнергии (КЭ), пакет программ Matlab.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: отбором значимых для проведения научных исследований процессов и новейших средств измерения и осциллографирова-ния переходных процессов; принятыми уровнями допущений при математическом описании явлений; исследованиями погрешностей разработанных математических моделей; удовлетворительным совпадением результатов теоретических исследований с результатами экспериментов, выполненных в реальных сетях (с вероятностью 0,95 относительная ошибка не превышает ±10 %); достаточным объёмом исследований и практической реализацией основных выводов и рекомендаций.
На защиту выносятся:
-
Результаты экспериментальных исследований коммутационных импульсных напряжений в узле сети 10 кВ с типовым токоограничивающем сдвоенным реактором и эффективности применения ОПН при коммутации вакуумным выключателем индуктивной нагрузки, выполненных комплексным методом записи переходных процессов цифровыми запоминающими осциллографами.
-
Математическая модель кратности коммутационных импульсных напряжений на присоединениях РУ 6 кВ с высоковольтными двигателями, имеющими постоянный момент сопротивления на валу (электроприводы дробилок, песковых насосов и т.д.).
-
Методика определения кондуктивной электромагнитной помехи по импульсному напряжению на присоединениях РУ 6 кВ, обусловленной коммутацией высоковольтного асинхронного двигателя с заторможенным ротором.
-
Рекомендации по подавлению кондуктивных электромагнитных помех по коммутационному импульсному напряжению в верхнем плече токоогра-ничивающего сдвоенного реактора сети (6–10) кВ.
Научная новизна работы заключается в развитии теоретических основ проблемы ЭМС технических средств в сетях (6–10) кВ. В рамках решаемой автором научной задачи она характеризуется следующими новыми научными положениями:
разработана математическая модель кратности коммутационных импульсных напряжений на присоединениях РУ 6 кВ с высоковольтными двигателями, имеющими постоянный момент сопротивления, позволяющая с вероятностью 0,95 оценить электромагнитную обстановку (ЭМО) в узле нагрузки;
предложена методика определения кондуктивной ЭМП по коммутационному импульсному напряжению на этих присоединениях РУ 6 кВ, которая
с вероятностью 0,95 позволяет определить параметры этой помехи и вероятность её появления;
- обнаружено в сетях 10 кВ с токоограничивающими сдвоенными реакто
рами как при изолированной, так и при заземлённой через резистор нейтра
лью, что импульсные напряжения при металлических и дуговых однофазных
замыканиях на землю в верхнем плече в 2 раза больше подобных напряжений
на нижних плечах.
Практическая ценность работы заключается в том, что внедрение новых научных положений в проектную и эксплуатационную практику обеспечивает повышение уровня ЭМС электрических сетей (6–10) кВ как рецепторов:
математическая модель кратности коммутационных импульсных напряжений на присоединениях РУ 6 кВ с высоковольтными двигателями, имеющими постоянный момент сопротивления на валу;
методика определения кондуктивной электромагнитной помехи по импульсному напряжению на присоединениях РУ 6 кВ с высоковольтными двигателями;
экспериментально подтверждённое явление в сетях 10 кВ с токоограни-чивающими сдвоенными реакторами как при изолированной, так и при заземлённой через резистор нейтралью: импульсные напряжения при металлических и дуговых однофазных замыканиях на землю в верхнем плече в 2 раза больше подобных напряжений на нижних плечах.. Это явление обусловливает дополнительные меры по защите изоляции отмоток трансформатора и реактора.
Реализация работы. Разработанные в диссертации научные положения использованы в ООО «ПНП Болид» с годовым экономическим эффектом 511 тыс. рублей и в ОАО «Инженерно-аналитический центр «Кузбастехэнер-го» с годовым экономическим эффектом 301 тыс. рублей.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
международной научно-технической конференции «Энергосистема: исследование свойств, управление, автоматизация» (26-29 мая 2009 г., г. Новосибирск, Россия);
международной научно-практической конференции «Электроэнергетика в сельском хозяйстве» (26-30 июня 2009 г., Республика Алтай, Россия);
- постоянно-действующем научно-техническом семинаре «Электриче
ские станции и электроэнергетические системы» в ФГОУ ВПО «НГАВТ»
(2005–2009 г.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, опуб-
ликованных в соавторстве, показан в приложении А диссертации и составляет не менее 50%.
Публикации. Содержание работы опубликовано в 13 печатных трудах, в том числе 9 статей 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 156 страницах машинописного текста, который поясняется 47 рисунками и 22 таблицами.
