Введение к работе
Актуальность темы. Распределительные сети от 6 до 35 кВ с изолированной нейтралью являются частью региональных электроэнергетических систем (ЭЭС). Электромагнитная обстановка (ЭМО) в ЭЭС характеризуется совокупностью электромагнитных явлений в заданной области пространства, частотном и временном диапазонах. Нестандартные (низкие) показатели качества электроэнергии (КЭ) усложняют ЭМО, обусловливают появление в ЭЭС кондукпшных электромагнитных помех (ЭМП), распространяющихся по сетям, нарушают уровни электромагнитной совместимости (ЭМС) технически средств.
ЭМС линий электропередачи различного напряжения с техшгческими средствами, в том числе и между собой, представляют глобальную проблему в электроэнергетике. Соответствие уровней ЭМС требованиям ГОСТа 13109-97 необходимо: для повышения технико-экономических показателей производств и качества выпускаемой ими продукции; для обеспечения мероприятий по защите жизни и здоровья граждан, имущества физических и юридических лиц, государственного имущества, по охране окружающей среды. Министры энергетики восьми ведущих промышленно развитых стран мира (страны «Группы восьми») на встрече 03.02.2002 г. в США (г. Детройт, штат Мичиган) рекомендовали решать эту проблему объединёнными усилиями.
Проблема ЭМС в отдельных регионах России обострилась из-за дефицита электрической мощности, обусловленного ростом промышленного производства при неудовлетворительнолі темпе ввода в эксплуатацию новых генерирующих мощностей. При этом наблюдается рост мощностей искажающих нагрузок (тяговые подстанции электрифицированного железнодорожного транспорта, электротехнологические и электротермические установки, электрические машины, питаемые через вентильные преобразователи и т.д.) при физическом старении сетей и электрооборудования. Так, к 2015 г. общая протяжённость сетей, отработавших расчётный ресурс, достигнет 75%. Темпы нарастания изношенного электрооборудования и сетей составляют от 2 до 6% в год.
Для сохранения надёжного электроснабжения потребителей необходимо исключить воздействие кондукпшных ЭМП на сети от 6 до 35 кВ с изолированной нейтралью как рецепторы. Присутствие кондукпшных ЭМП по коэффициентам искажения синусоидальности кривой напряжения, л-й гармонической составляющей напряжения и несішметрші напряжений по обратной последовательности вызывает увеличение токов замыкания на землю, появляются кондуктивные ЭМП по току замыкания на землю. Эти помехи нарушают координацию токов замыкания на землю, снижают надёжность работы сетей. Поэтому актуален поиск путей подавления кондуктивных ЭМП по току замыкания на землю. Причём необходимо осуществить этот поиск при отсутствии сертификации электрической энергии в системах электро-
снабжения (СЭС) промышленных предприятий (юридических лиц), которые, с одной стороны, являются главными источниками ЭМП, а с другой стороны, несут значительные убытки от несоответствия показателей КЭ стандартным требованиям.
В связи с изложенным, разработка методов подавления кондуктивных ЭМП по току замыкания на землю является своевременной, а тема диссертации актуальной.
Объектом исследования являются сети от 6 до 35 кВ с изоліфованной нейтралью, подверженные гармоническому воздействию при несимметрии напряжений по обратной последовательности. В качестве базового полигона исследования выбрана сеть 10 кВ с изоліфованной нейтралью ОАО «Омский речной порт», параметры которой соответствуют обобщённой СЭС берегового объекта водного транспорта.
Предметом исследования являются кондуктивные ЭМП по току замыкания на землю в сетях от 6 до 35 кВ с изоліфованной нейтралью.
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), Международной конференции по большим знергетігческим системам (СИГ-РЭ), с постановлением Правительства РФ №588 от 15.06.1998 г. «О дополнительных мерах по стимулированию энергосбережения в России»; с научной целевой комплексной темой ФГОУ ВПО «НГАВТ» (Гос. регистр № 0188.0004137), раздел «Повышение уровней электромагнитной совместимости технических средств в региональных электроэнергепгческих системах», с основными направлениями научных исследований этой академии на 2007-2010 г. г. (раздел 1.10 «Разработка мероприятий и технологий по модернизации систем теплоэлектроснабжения объектов России».
Идея работы заключается в обеспечении ЭМС сетей от 6 до 35 кВ с изолированной нейтралью как рецепторов с сетями общего назначения других классов напряженій! в региональной ЭЭС путём подавления кондуктивных ЭМП по току замыкания на землю.
Целью работы является разработка:
математических моделей для прогнозіфования токов замыкания на землю в сетях от 6 до 35 кВ с изоліфованной нейтралью при гармоническом воздействии и несимметрии напряжений по обратной последовательности;
методики расчёта необходимого ограничения внешнего гармонического воздействия на сети от 6 до 35 кВ с изолированной нейтралью как рецепторов, при котором обеспечивается подавление кондуктивной ЭМП по току замыкания фазы на землю;
рекомендации по повышению помехоустойчивости этих сетей как рецепторов при нормируемых уровнях ЭМС;
- коцепции подавления кондуктивных ЭМП по току замыкания на зем
лю в сетях от 6 до 35 кВ с изолированной нейтралью.
Методы исследования. При выполнении исследованші использовались методы интегрального исчисления и гармонического анализа, методы математического и физического моделирования, методы теории вероятностей и математической статистики (теория случайных процессов, теория производящих функций, теория планирования эксперимента, теория ошибок). Измерения показателей КЭ в действующей сети 10 кВ осуществлялось в течение расчётного периода (24 ч.) анализатором качества электроэнерпш, прошедшим аттестацию в органах стандартизации и метрологии. При расчёте параметров ЭМО на компьютере использовались разработанные программы Matlab.
Обоснованность н достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: выбранными методами исследованші и средствами измерений, общепринятыми уровнями допущешш при математическом описании явлений; обоснованностью исходных посылок, вытекающих из фундаментальных законов естественных наук; достаточным объёмом выполненных исследованші, позволившим с вероятностью 0,95 определить удовлетворительное совпадение результатов теоретических исследований с результатами экспериментов (относительная ошибка составляет ±10%); практической реализацией основных выводов и рекомендаций.
На защиту выносятся:
результаты экспериментальных исследований кондуктивных ЭМП по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения, по коэффициенту л-ой гармонической составляющей напряжения, по току замыкания на землю в сети 10 кВ с изолированной нейтралью, подверженной гармоническому воздействию через сети общего назначения региональной ЭЭС при несимметрии напряжений по обратной последовательности",
математические модели для прогнозирования токов замыкания на землю в сетях от 6 до 35 кВ с изолированной нейтралью при гармоническом воздействии и несимметрии напряжешш по обратной последовательности;
рекомендацій! по повышению помехоустойчивости сетей от 6 до 35 кВ с изолированной нейтралью как рецепторов при нормируемых уровнях ЭМС технических средств;
методика расчёта необходимого ограничения внешнего гармонического воздействия на сети от 6 до 35 кВ с изолированной нейтралью как рецепторы;
концепция подавления кондуктивных электромагнитных помех по току замыкания на землю в сетях от 6 до 35 кВ с изолированной нейтралью при гармоническом воздействии и несимметрии напряжений по обратной последовательности.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
разработаны математические модели для прогнозирования токов замыкания на землю в сетях от 6 до 35 кВ с изолированной нейтралью, подвергающихся гармоническому воздействию при несимметрии напряжений по обратной последовательности со стороны сетей общего назначения региональных ЭЭС; определены с вероятностью 0,95 области их применения при относительной ошибке прогнозирования (±10%);
разработана методика расчёта необходимого ограничения внешнего гармонического воздействия на сеть от 6 до 35 кВ с изолированной нейтралью как рецептора;
доказано, что ГОСТ 13109-97 на качество электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения, как основной нормативно-технический и методический документ, не защищает сети от 6 до 35 кВ как рецепторы, предложены рекомендации для повышения их помехоустойчивости при нормируемых уровнях ЭМС технических средств;
представлена концепция подавления кондуктивных ЭМП по току замыкания на землю в сетях от 6 до 35 кВ с изолированной нейтралью, позволяющая научно обоснованно осуществлять координацию этих токов, обеспечивающую ЭМС сетей различных классов напряжений в региональных ЭЭС.
Практическая ценность работы заключается в том, что определился методический подход к подавлению кондуктивных ЭМП по току замыкания на землю в сетях от 6 до 35 кВ с изолированной нейтралью, подвергающихся гармоническому воздействию при несимметрии напряжений по обратной последовательности. Внедрение в проектную и эксплуатационную практику следующих новых научных положений обеспечивает ЭМС этих сетей с сетями общего назначеній других классов напряжения (повышается надёжность работы этих сетей за счёт координации токов замыкания на землю, увеличивается ресурс сетей, сокращаются потери электроэнергии, повышается энергетическая безопасность регионов):
математические модели для прогнозирования токов замыкания на землю при гармоническом воздействии и несимметрии напряжений по обратной последовательности;
методика расчета необходимого ограничения внешнего гармонического воздействия;
рекомендации по повышению ігх помехоустойчивости при нормируемых уровнях ЭМС;
концепция подавления кондуктивных ЭМП по току замыкания на землю.
Реализация результатов работы. Полученные научные положения и выводы внедрены в региональной ЭЭС АК «Барнаулэнерго» с годовым экономическим эффектом 1,1 млн руб. при сроке окупаемости капиталовложений 2,3 года. Социальный эффект от внедрения результатов работы обусловливается повышением качества электроэнергии и надёжности электроснабжения жилого массива.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
- 5-й международной научно-технической конференции «Энергетика,
телекоммуникации и высшее образование в современных условиях» (21-22
сент. 2006 г., Алматы, Казахстан);
- республиканской научно-технической конференции «II чтения
Ш.Шокина» (7-8 дек. 2006 г., Павлодар, Казахстан);
3-й международной научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт» (5-7 июн. 2007 г., Омск);
конференции (секция «Электрооборудование и электротехника» профессорско-преподавательского состава НГАВТ и научно-технических работников речного транспорта и других отраслей (16-19 апр. 2007 г., Новосибирск);
5-й Всероссийской научно-технической конференции «Ограничение перенапряжений. Режимы заземления нейтрали. Электрооборудование сетей 6-35 кВ» (16-18 сент. 2008 г., Новосибирск).
Личный вклад. Постановка задач исследования, выбор способов их решения, экспериментальные исследования, полученные научные результаты и выводы принадлежат автору.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 21 печатных работах, в том числе в 4 статьях периодических изданий по перечню ВАК. Личный вклад в работах, опубликованных в соавторстве, составляет не менее 50%.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, включающего 140 наименований и приложений. Работа изложена на 134 страницах машинописного текста, который поясняется 24 рисунками и 16 таблицами.
