Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Содержание проблемы работы сетей среднего напряжения с компенсированными нейтралями как рецепторов 12
1.1 Общая характеристика состояния нейтралей электрических сетей среднего напряжения 12
1.2 Критерии искажений напряжения в сети среднего напряжения, зависящих от режима нейтрали 17
1.3 Системный подход к достижению цели исследования 26
Глава 2 Экспериментальное исследование реакции дугогасящего реактора, управляемого подмагничиванием, на возмущения в электрической сети ЮкВ 34
2.1 Комплексный подход к осциллографированию параметров переходных процессов при однофазных замыканиях на землю 34
2.2 Время автоматического выхода дугогасящего реактора с подмагничиванием на установившийся режим компенсации при однофазных замыканиях на землю 36
2.2.1 Электрическая схема эксперимента 36
2.2.2 Планирование и проведение эксперимента 42
2.2.3 Математическая обработка результатов эксперимента 53
2.3 Гармонический состав тока реактора с подмагничиванием 61
2.4 Дуговые замыкания фазы на землю 64
2.5 Выводы по главе 2 70
Глава 3 Нейтраль как рецептор электрической сети среднего напряжения 72
3.1 Заземляющий аспект дугогасящего реактора в нейтрали сети среднего напряжения 72
3.2 Исследование влияния режима нейтрали на напряжения смещения при различии ёмкостей фаз сети среднего напряжения 77
3.2.1 Сеть напряжением от 6 до 35 кВ с незаземлённой нейтралью... 77
3.2.2 Сеть напряжением от 6 до 35 кВ с компенсированной (резонансно-заземлённой) нейтралью 80
3.2.3 Сеть напряжением от 6 до 35 кВ с нейтралью, заземлённой через резистор 85
3.3 Повышения напряжения в электрической сети среднего напряже
ния при дуговых замыканиях на землю и неполнофазных режимах... 91
3.3.1 Повышения напряжения при дуговых замыканиях на землю в сети напряжением от 6 до 3 5 кВ с изолированной нейтралью 91
3.3.2 Повышения напряжения при неполнофазных режимах сети напряжением от 6 до 3 5 кВ с компенсированной нейтралью 96
3.3.3 Повышения напряжения при дуговых замыканиях на землю в сети напряжением от 6 до 35 кВ с компенсированной нейтралью 97
3.4 Выводы по главе 3 98
Глава 4 Увеличение эффективности работы компенсированных нейтралей сетей среднего напряжения как рецепторов 100
4.1 Теоретическое исследование возможности повышения эффективности работы компенсированных сетей 100
4.2 Концепция увеличения эффективности работы компенсированных нейтралей как рецепторов сетей среднего напряжения 106
4.3 Предельные значения сопротивлений резисторов в нейтралях сетей среднего напряжения при повреждениях (отключениях) дугогасящих реакторов 108
4.4 Расчёт в программной среде МАЭС сопротивления резистора для параллельного подключения к дугогасящему реактору в нейтрали сети 35 кВ по условиям переходного процесса 115
4.4.1 Повышения напряжения при дуговых однофазных замыканиях на землю с нейтралью, заземлённой через дугогасящий реактор 115
4.4.2 Повышения напряжения при дуговых однофазных замыканиях на землю с нейтралью, заземлённой параллельно включёнными резистором и дугогасящим реактором 116
4.4.3 Напряжение смещения нейтрали при параллельном включении резистора и дугогасящего реактора 117
4.5 Экспериментальная проверка эффективности работы нейтрали сети 35 кВ, заземлённой через параллельно включённые высокоомный резистор и дугогасящий реактор 119
4.5.1 Измерение напряжения смещения нейтрали 119
4.5.2 Осциллографирование перенапряжений при дуговых однофазных замыканиях на землю 121
4.6 Выводы по главе 4 124
Основные выводы и рекомендации 125
Список литературы 127
Приложения 141
- Критерии искажений напряжения в сети среднего напряжения, зависящих от режима нейтрали
- Время автоматического выхода дугогасящего реактора с подмагничиванием на установившийся режим компенсации при однофазных замыканиях на землю
- Сеть напряжением от 6 до 35 кВ с компенсированной (резонансно-заземлённой) нейтралью
- Концепция увеличения эффективности работы компенсированных нейтралей как рецепторов сетей среднего напряжения
Введение к работе
Актуальность темы. Электрические сети России напряжением от 6 до 35 кВ (сети среднего напряжения) являются загруженными и протяжёнными (около 3 млн. км) линиями электропередачи. Общее количество сетей (секций) этого класса напряжений составляет 25600 единиц, из них более 2600 – сети, в которых необходимо применять компенсацию ёмкостного тока (10,4%). Установлено около 2400 дугогасящих реакторов (ДГР) (около 91,9% от общей потребности). Автоматическими регуляторами оснащены 51,5% ДГР, из них только около 7% управляемых подмагничиванием.
Сети среднего напряжения характеризуются высокой аварийностью. Например, технологические нарушения режимов работы воздушных линий (ВЛ) 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 их 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-ветровыми воздействиями, но и сложной электромагнитной обстановкой (ЭМО), обусловленной нарушением требований ГОСТ 13109-97 к качеству электроэнергии (КЭ).
В компенсированных сетях наблюдаются кондуктивные электромагнитные помехи (ЭМП), которые распространяются по проводам. При этом не обеспечивается качественное функционирование сетей как рецепторов при возникновении однофазных дуговых (ОДЗ) и металлических (ОЗЗ) замыканий на землю, неполнофазных режимов и т.д. Обострилась проблема электромагнитной совместимости (ЭМС).
Исследования Лихачёва Ф.А., Миронова И.А., Обабкова В.А., Челазнова А.А., Сарина Л.И.,Халилова Ф.Х., Горелова В.П., Ивановой Е.В., Короткевича М.А., Лизалека Н.Н., Манусова В.З. и др. охватывают различные аспекты обеспечения ЭМС технических средств. Однако, рассматриваемая проблема многогранна и одна из научно-технических задач – повышение эффективности работы компенсированных нейтралей сетей среднего напряжения как рецепторов не решена (отсутствует соответствующий стандарт). Поэтому тема диссертации является актуальной.
Объектом исследования являются сети напряжением от 6 до 35 кВ с резонансно-заземлёнными (компенсированными) нейтралями. Базовым полигоном исследования являются компенсированные сети 10 кВ (ОАО «МРСК Волга») и 35 кВ (ОАО «Кузбассэнерго»).
Предметом исследования является режим компенсированной нейтрали как рецептора электрической сети от 6 до 35 кВ.
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), планом НИОКР «Электромагнитная совместимость технических средств» (Гос.регист. №01200956736) и «Планом развития научных исследований на 2007–2010 г.г.» (раздел 1.10) ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта.
Идея работы заключается в установлении углублённых связей с помощью новой многоканальной компьютеризированной системы сбора, обработки и хранения данных процессов однофазных замыканий на землю, расчётов переходных процессов в программной среде МАЭС с режимом нейтрали как рецептора, заземлённой через параллельно включённые высокоомный резистор и дугогасящий реактор, воздействием на которые можно повысить качество функционирования сети среднего напряжения.
Целью работы является разработка научных положений и рекомендаций, позволяющих повысить эффективность работы компенсированных нейтралей электрических сетей среднего напряжения как рецепторов. Для достижения этой цели в работе ставились и решались следующие взаимосвязанные задачи:
- обоснования требований к измерительной технике и методического подхода к осциллографированию параметров переходных процессов при различных замыканиях фазы на землю;
- разработка математической модели времени выхода ДГР с подмагничиванием на установившийся режим компенсации при возмущениях в сети 10 кВ – реакции реактора на нарушения режима компенсации;
- разработка математических моделей напряжений смещения нейтралей при резистивных заземлениях, возникающих при повреждениях (отключениях) ДГР;
- математическое обоснование возможности повышения качества функционирования компенсированной сети среднего напряжения как рецептора в едином параметрическом пространстве возмущающих воздействий с помехоподавляющими техническими средствами на нейтрали;
- разработка концепции повышения эффективности работы компенсированных нейтралей (технических средств) сетей напряжением от 6 до 35 кВ как рецепторов;
- экспериментальная проверка эффективности предложенной концепции в компенсированной сети 35 кВ полигона исследования.
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 (теории планирования эксперимента, теории ошибок), метод аналитических исследований (гармонический анализ), рекомендованные Госстандартом России методы и средства измерения показателей качества электроэнергии (КЭ), пакет программ Matlab и МАЭС.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: отбором значимых для проведения научных исследований процессов и новых средств измерения и осциллографирования переходных процессов; принятыми уровнями допущений при математическом описании явлений; исследованиями погрешностей разработанных математических моделей; удовлетворительным совпадением результатов теоретических исследований с результатами экспериментов, выполненных в сетях 10 кВ и 35 кВ (с вероятностью 0,95 максимальная относительная ошибка не превышает ±10%); достаточным объёмом исследований и практической реализацией основных выводов и рекомендаций.
На защиту выносятся:
1 Математическая модель времени выхода ДГР с подмагничиванием на установившийся режим компенсации при возмущениях в сети 10 кВ.
2 Математические модели напряжений смещения нейтралей при резистивных заземлениях, возникающих от повреждений (отключений) дугогасящих реакторов.
3 Доказательство теоремы об эквивалентности параметрических множеств помехоподавляющих технических средств на компенсированных нейтралях и возмущающих воздействий в сетях среднего напряжения .
4 Концепция повышения эффективности работы компенсированных нейтралей сетей напряжением от 6 до 35 кВ как рецепторов.
Научная новизна работы заключается в развитии теоретических основ электрических сетей. В рамках решаемых научных задач характеризуется следующими новыми научными положениями:
- научно обоснована: реакция ДГР с подмагничиванием на возмущения в сети 10 кВ; представленная математическая модель времени выхода реактора на установившийся режим компенсации;
- доказана теорема об эквивалентности параметрических множеств помехоподавляющих технических средств на компенсированных нейтралях и возмущающих воздействий, которая обосновывает возможность повышения качества функционирования нейтрали компенсированной сети среднего напряжения;
- разработаны математические модели напряжения смещения нейтрали при резистивном заземлении, которые позволяют прогнозировать эти напряжения при повреждениях (отключениях) ДГР;
- обоснована расчётным путём (в программной среде МАЭС) и подтверждена экспериментально для сети 35 кВ эффективная работа нейтрали как рецептора, заземлённой через ДГР и выскоомный резистор.
Практическая ценность работы заключается в том, что внедрение следующих новых научных положений в проектную и эксплуатационную практику обеспечивает повышение эффективности работы компенсированных сетей среднего напряжения как рецепторов:
- математическая модель времени выхода ДГР с подмагничиванием на установившийся режим компенсации при однофазных замыканиях на землю в сети 10 кВ;
- математические модели напряжения смещения нейтрали при резистивных заземлениях, возникающих на высокоомных резисторах при повреждении (отключении) дугогасящих реакторов;
- методики повышения эффективности работы компенсированных нейтралей сетей напряжением от 6 до 35 кВ как рецепторов.
Реализация работы. Разработанные в диссертации научные положения использованы для повышения эффективности работы компенсированных нейтралей сетей среднего напряжения в: ОАО «Кузбассэнерго» (г. Кемерово) с годовым экономическим эффектом 510 тыс. рублей; Филиале ОАО «МРСК Сибири» – «Кузбассэнерго – РЭС» (г. Кемерово) с годовым экономическим эффектом 1230 тыс. рублей. Срок окупаемости капиталовложений не превышает 3 года.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались: на 2-й всероссийской научно-технической конференции «Ограничения перенапряжений и режимы заземления нейтрали сетей 6–35 кВ» (г. Новосибирск, 2000 г.); на 3-й всероссийской научно-технической конференции «Ограничение перенапряжений и режимы заземления нейтрали сетей 6-35 кВ» (г. Новосибирск, 2004 г.); на 1-м научно-практическом семинаре с международным участием (ЭКИЭ-01) в рамках выставки «Энергоснабжение, отопление, вентиляция, водоснабжение в промышленности и ЖКХ» (г. Екатеринбург, 2011 г.); 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 международной молодёжной конференции «Энергосберегающие технологии» (г. Томск, 2011 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, выполненных в соавторстве (показан в приложении А диссертации), составляет не менее 50 %.
Публикации. Содержание работы опубликовано в 14 научных трудах, в том числе в 6 статьях периодических изданий по перечню ВАК.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 139 наименований и двух приложений. Изложена на 144 страницах машинописного текста, который поясняется 36 рисунками и 17 таблицами.
Критерии искажений напряжения в сети среднего напряжения, зависящих от режима нейтрали
При коммутации индуктивной нагрузки в сетях от 6 до 3 5 кВ наблюдаются искажения напряжения в виде импульса напряжения. Импульс напряжения ха рактеризуется показателем импульсного напряжения [40]. Это напряжение из меряют как максимальное значение напряжения при резком его изменении (длительность фронта импульса не более 5мс) (рисунок 1.3,а). Длительность импульса напряжения определяют по уровню 0,5 его ампли туды (рисунок 1.3,6) по формуле [40] Значения кондуктивных импульсных напряжений при их длительности на уровне 0,5 амплитуды импульса, равной (1000-5000) мкс, приведены в таблице 1.2. Вероятность превышения указанных в таблице значений составляет не бо лее 5 % [5]. } Однако, обзор технической литературы указывает на отсутствие сведений о влиянии способа заземления нейтрали на коммутационные импульсные напряжения [4-100]. Это не означает, что влияние отсутствует.
Повышенные напряжения подразделяются, в общем случае, на грозовые (атмосферные) и внутренние (временные) повышенные напряжения. При этом предполагается, что на изоляцию сетей от 6 до 35 кВ можно допустить грозовые перенапряжения с амплитудой не более испытательного напряжения полной волной. Допустимое импульсное напряжение на изоляции при грозовых повышенных напряжениях определяется по формуле [5, 24, 45, 47, 65-68] иДгГ=\,1(У„—?р, (1.2) где 11и — испытательное напряжение грозовым импульсам по [38,40,41], кВ; UH0U - класс напряжения электрооборудования, кВ.
Грозовые импульсы могут проходить в узлы нагрузок от 6 до 10 кВ с высоковольтными электрическими двигателями только через силовые трансформаторы. Межобмоточная ёмкость трансформаторов имеет небольшое значение, а ёмкость всей сети от 6 до 10 кВ на несколько порядков больше. Поэтому амплитуда грозовых повышенных напряжений в этих сетях незначительна, а определяющими для них являются внутренние повышенные напряжения [25, 27— 29].
Классификация внутренних повышенных напряжений в сетях от 6 до 35 кВ приведена на рисунке 1.4. Напряжения первой группы, охватывающей всё электрооборудование, примыкающее к распределительным устройствам, существенно зависят от способа заземления нейтрали сети. Напряжения второй группы за счёт относительно небольшой протяжённости сетей и, соответственно, их относительно небольшой ёмкости практически не зависят от способа соединении нейтрали электрической сети с землёй.
Амплитуда допустимого внутреннего повышенного напряжения определяется по формуле [25, 28] где 5 - коэффициент импульса, учитывающий повышение разрядного напряжения изоляции при более коротком коммутационном импульсе по сравнению с испытательным напряжением (8 = 1,3 - для главной изоляции трансформаторов, 8=1,1- для аппаратов); Кк — коэффициент кумулятивности, учитывающий снижение электрической прочности в условиях эксплуатации при многократных воздействиях повышенных напряжений и возможность старении изоляции (Кк =0,9 - для главной изоляции трансформаторов, Кк =1,0 - для ап паратов); Uисп — испытательное одноминутное напряжение промышленной частоты внутренней изоляции (действующее значение), кВ.
Основные виды внутренних повышенных напряжений в сетях от 6 до 3 5 кВ
Статорные обмотки электрических машин имеют меньший уровень изоляции. Особенностью статорной изоляции является то, что её коэффициент импульса 8 = 1. Допустимые кратности внутренних повышенных напряжений на изоляции высоковольтных электрических двигателей по отношению к наибольшему фазному рабочему напряжению сети приведены в таблице 1.3 [7, 25, 65-72]. В этой таблице обозначено: Рп д - номинальная мощность двигателя, кВт; Uи д — номинальное напряжение двигателя (действующее значение), кВ; Uм Р — наибольшее рабочее напряжение сети (действующее значение),кВ; Uдоп - допустимое повышенное напряжение на изоляции двигателей (амплитудное значение), кВ.
Время автоматического выхода дугогасящего реактора с подмагничиванием на установившийся режим компенсации при однофазных замыканиях на землю
При разработке электрической схемы эксперимента и выборе измерительной аппаратуры был И: учтены все изложенные выше требования к осциллогра-фированию процессов при ОЗЗ;в сети 10 кВ. На рисунке 2.1 представлена, схема подключения электроизмерительных приборов при экспериментальном исследовании.
Проверка эффективности системы компенсации на базе плавнорегулируе-мого реактора типа РУОМ — 190/11 с системой настройки компенсации САНК -4.2 - УХЛ4 при однофазных металлических и дуговых замыканиях на землю осуществлялась в сети 10 кВ подстанции 110/10 кВ «Городская» Заволжского ПО филиала ОАО «МРСК Волги» (г. Саратов). Исследования проводились по инициативе и участии специалистов этой электросетевой компании и ООО «ГШП Болид» (г. Новосибирск) [12, 13, 91-93].
Питание потребителей этой подстанции осуществляется с двух секций: 1СШ 10 кВ и 2 СШ 1 ОкВ, которые в нормальном режиме работают раздельно. РУОМ — 190/11, управляемый САНК — 4.2 — УХЛ 4, должен обеспечивать эффективную компенсацию тока однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) как в режиме относительно небольшого тока ОЗЗ при работе 2 СІІГ 10 кВ (около 7А), так и в режиме значительно большего тока ОЗЗ при работе объединённых секций (1+2) СШ 10 кВ (около 20 А). Диапазон непрерывного изменения значений тока реактора типа РУОМ — 190/11 составляет от 2,5 до 30 А, при этом номинальный ток 6-ти часовой нагрузки составляет 25 А, ток двухчасовой нагрузки от 25 до 30 А.
Для преобразования сигнала в цепи заземления реактора использовался датчик тока LT 500 - компенсационный датчик на эффекте Холла (точность преобразования ±0,3%; частота диапазона от 0 до 150 кГц). Трансформатор тока (ТТ) типа ТЛМ-10 50/5, который применялся для измерения тока замыкания на землю, имеет класс точности 1,0. От выводов вторичной обмотки ТТ, зашун-тированной сопротивлением 0,7 Ом, с помощью измерительного кабеля типа КИ длиной 15 м сигнал подаётся на один из входов цифрового осциллографа для записи тока ОЗЗ. Максимально допустимый уровень искажений, вносимый кабелями связи, не превышает 0,5%. По своим частотным характеристикам этот ТТ пригоден для записи сигналов тока с высокочастотными, составляющими с верхней границей 5 кГц.
Для получения сигналов напряжений использовались специально разработанные высоковольтные делители напряжения типа ДН-10 [19]. Запись сигналов осуществлялась с помощью цифрового осциллографа-регистратора DL — 750 Scope Corder ( «Yokogawa Electric Corporation», Япония ) — многоканальной компьютеризированной системой сбора, обработки и хранения данных, имеющей 8 аналоговых каналов с максимальной частотой выборки 10 МГц, памятью 25 миллионов, точек на канал и вертикальным разрешением 12 бит. Высокая точность измерений достигается хорошей вертикальной чувствительностью -от 0,1 мВ/дел и широким диапазоном временной развёртки: в проведённых опытах время записи процессов достигало 200 с при частоте дискретизации 100 кГц и объёме памяти 25 Мб на канал с одновременным использованием от 5 до 7 каналов [12-14].
Схема подключения измерительной аппаратуры при экспериментальном исследовании эффективности дугогасящего реактора типа РУОМ — 190/11 с подмагничиванием при металлических и дуговых однофазных замыканиях на землю в сети 10 кВ На рисунке 2.1 также показаны присоединения соответствующих каналов осциллографа в цепи снимаемых сигналов: цепи 1, 2, 3 - фазные напряжения, цепь 4 - ток в месте ОЗЗ (ОДЗ), цепи 5,6- ток РУОМ, снимаемый с двух выходов датчика LT 500 с различными коэффициентами усиления (Ку).
Программное обеспечение этого цифрового осциллографа позволяет выполнить дальнейшую обработку полученных осциллограмм токов однофазных замыканий и фазных напряжений также во внешних программах, например в Matlab.
Искусственные металлические ОЗЗ проводятся при установке однофазной закоротки в цепи 4 (из схемы выводится искровой промежуток). Для создания ОДЗ используется искровой промежуток (ИЛ) с шаровыми медными электродами диаметром 20 мм. Расстояние между электродами (5-15) мм устанавливается таким образом, чтобы обеспечить пробой воздушного промежутка при прохождении подвижного электрода под неподвижным. За счёт определённой скорости вращения подвижного электрода (1 оборот за 5 с) обеспечивалось горение перемежающейся (прерывистой) дуги при схождении - расхождении электродов, а также определённое количество циклов возникновения дуги.
Перед проведением однофазных замыканий на землю в цепи заземления реактора было зафиксировано появление тока с амплитудой периодических «биений» до 0,6-0,8 А в течение, примерно, 1,0 —1,5 мин после включения системы САНК в работу (рисунок 2.2). Позже, по истечении указанного времени, было отмечено изменение амплитуды тока в процессе подстройки реактора (рисунок 2.3). Это явление обусловлено поиском резонансной точки (в контуре нулевой последовательности — частоты резонанса между суммарной ёмкостью сети на землю и индуктивностью подмагниченного реактора) и последующим подмагничиванием реактора по команде системы управления.
Изменение частоты огибающей биения (рисунок 2.3) связано, вероятно, с динамикой изменения углов открытия тиристоров в процессе предварительного подмагничивания реактора [13, 93].
Сеть напряжением от 6 до 35 кВ с компенсированной (резонансно-заземлённой) нейтралью
Ддя компенсации ёмкостного тока на землю Іс в нейтраль генераторов или трансформаторов включаются дугогасящие реакторы (ДГР) (рисунок 3.3, а), индуктивные сопротивления которых соответствуют ёмкостному сопротивлению сети со = 1/ЗюС. (3.16) При замыкании фазы на землю в месте повреждения протекают токи IL и 1С, сдвинутые на 180 друг относительно друга (рисунок 3.3, б). Если результирующий ток (IL—IC) будет недостаточен для поддержания дуги, то она не возникнет [15, 20]. ДГР работают в режиме недокомпенсации {IL ІС), в режиме перекомпенсации (IL 1С) ив режиме резонансной настройки (IL = Ic ). Степень расстройки компенсации (%) определяется по формуле [3 8] В электрических сетях, где в процессе эксплуатации ёмкостный ток замыкания на землю изменяется не более ±10%, рекомендуется применять ДГР со ступенчатым регулированием индуктивности. Если ёмкостный ток замыкания на землю из I і меняется более ± 10%, то рекомендуется применять ДГР с плавным регулированием индуктивности, настраиваемые вручную или автоматически [38].
Схема замыкания фазы С в трёхфазной сети с резонансно-заземлённой нейтралью (а) и векторная диаграмма (упрощённая) для повреждённой фазы (б)
Автоматическая настройка компенсации рекомендуется в сетях 35 кВ при ёмкостном токе замыкания на землю более 10 А и в сетях (6—10) кВ более 50 А. Допускается настройка с перекомпенсацией, при которой индуктивная составляющая тока замыкания на землю не превышает 5 А, а степень расстройки - 5 %.
Настройка с недокомпенсацией допускается только при недостаточной мощности ДГР и при условии, что любые аварийно возникающие несимметрии ёмкостей фаз сети (обрыв проводов, растяжка жил кабеля) не могут привести к появлению напряжения смещения нейтрали, превышающего 70 % фазного напряжения. При недокомпенсации расстройка не должна превышать 5 % [38].
Напряжение смещения нейтрали U0 определяет степень несимметрии фазных напряжений (%)
Величина кн не должна превышать 0,75%, а напряжения смещения нейтрали 15% фазного напряжения [36]. При соблюдении этих требований и подключении ДГР к нейтрали напряжение смещения нейтрали при отсутствии однофазного замыкания на землю определяется по формуле [24, 25]
При к = 0, т.е. при полной компенсации, имеем UQ = UN. При к = 1, т.е. при недокомпенсации ёмкостного тока замыкания фазы на землю, имеем
Учитывая, что добротность контуров действующих ДГР g находится в пределах от 20 до 100, модуль напряжения смещения нейтрали составляет
Достоверность этих результатов проверим путём сравнения с результатами расчётов напряжения смещения нейтрали, выполненных по «Типовой инструкции по компенсации ёмкостного тока замыкания на землю в электрических сетях (6-35) кВ» [38]. В этой инструкции напряжение смещения нейтрали при подключении ДГР рекомендуется определять по формуле где у - мнимая единица; d — (7R /Ic) — коэффициент успокоения сети, равный отношению активной составляющей тока замыкания на землю к ёмкостному току сети. Для кабельных сетей d = (2-4)%, а для воздушных сетей с нормальным состоянием изоляции коэффициент d = (2-5)%. При загрязнениях и увлажнениях коэффициент d может увеличиваться до 10%. Модуль вектора напряжения смещения нейтрали определяется по формуле
Подставляя значение d = 2% и/с О (полная компенсация ёмкостного тока) в (3.23), получаем U0 = 50UN, а при d= 5% и к = 0 имеем
Полученные значенш лежат в прогнозируемых (3.21) пределах значений модуля UQ , что подтверждает достоверность полученных положений.
Таким образом, ДГР, обеспечивающий полную компенсацию ёмкостного тока замыкания на землю, является источником значительных перенапряжений на нейтрали. Чтобы напряжение на нейтрали не превысило фазное напряжение при полной компенсации ёмкостного тока, добротность контура и аісгивное сопротивление реактора необходимо определять, исходя из условия [24]
Это условие обусловливается тем, что в компенсированных сетях напряжение смещения нейтрали не должно превышать 0,15t/, [38]. Отсюда искомая добротность контура составляет [24]
Используя полученный критерий оценки напряжения смещения нейтрали в l/ф, получаем из (3.21) выражение
Увеличение активного сопротивления цепи заземления реактора значительно снижает напряжение смещения, особенно в областях, когда г X . При значениях г X снижение напряжения смещения нейтрали незначительно [24].
Высокое напряжение смещения нейтрали при настройке близкой к резонансной обусловливает повышенную опасность при отключении ДГР разъединителем QS (рисунок 3.3) от нейтрали. Предельно допустимые напряжения смещения ней трали и наибольшие токи, отключение которых допускается разъединителем, приведены в таблице 3.1 [38].
Концепция увеличения эффективности работы компенсированных нейтралей как рецепторов сетей среднего напряжения
В электроэнергетических системах России, до 2003 г. не было формального і права на внедрение в электрических сетях напряжением от 6 до 35 кВ защит ных резисторов для заземления нейтралей [19]. Это в определённой мере сдер . живало развитие научных положений теории электрических сетей, в части ре \ зистивного заземления нейтралей сетейхреднего напряжения [84]. Однако, произошли изменения директивных документов [21, 10, 104]. Так, в седьмой редакции «Правил устройств электроустановок» [103] в главе Г.2 «Электроснабжение и электрические сети» в параграфе 1.2.16 и в главе 4.2 «Распределительные устройства и подстанции напряжением выше 1 кВ» в параграфе 4.2.166 определено следующее «Электрические сети 3-35 кВ должны работать с изолированной, заземлённой через резистор или дугогасящий реак f тор нейтралью». Возросла интенсивность научных исследований сетей с изоли рованной через резистор нейтралью [23, 24 и др.], появились «Методические указания по выбору режима заземления нейтралей в сетях напряжением 6-10 кВ предприятий ОАО «Газпром» [20, 22], заземляющие резисторы производства ООО «ПНП Болид» в сетях с изолированной и заземлённой через ДГР нейтралями [19, 84, 85, 99].
В настоящее время имеется развитая теория резистивного заземления нейтрали сети от 6 до 35 кВ, широкий положительный опыт работы сетей среднего напряжения с нейтралями заземлёнными через резистор промышленных предприятий, ОАО «Газпром» и Республики Беларусь [11, 15, 20, 24]. Внедрение же заземляющих резисторов в компенсированных сетях отмечается в единичных случаях из-за нерешённой задачи (нет соответствующего стандарта) — повышение эффективности действующих компенсированных сетей как рецепторов [11— 13,16-19,23,84,85].
В связи с этим исследуется схема заземления нейтрали сети от 6 до 35 кВ через резистор и ДГР, которая характеризуется постоянной параллельной работой этих аппаратов. Предлагаемая концепция увеличения эффективности работы компенсированной сети среднего напряжения как рецептора заключается в возможности совместного проявления способностей ДГР ограничивать ёмкостные токи, замыкания фазы на землю и резистора, заземляющего нейтраль, снижать напряжение смещения нейтрали и другие внутренние коммутационные повышения напряжения.
В качестве-полигона исследования представляется электрическая компенсированная - сеть 35 кВ подстанции «Тяжинская» 110/35/10 ВЭС ОАО «Кузбасс-энерго» (г. Кемерово), потому что руководство, видя перспективу организации безаварийной работы своих сетей, взяло на себя ответственность за внедрение и испытания в производственных условиях резистивно-индуктивного заземления нейтрали, а предприятие ООО «ПНП Болид» (г. Новосибирск) — изготовить и поставить необходимый резистор [19, 84].
Упрощённая схема исследуемой сети 35 кВ, отображающая основные элементы, формирующие переходные процессы при плановых и аварийных коммутациях, представлена на рисунке 4.3. Питание электрической сети 35 кВ подстанции «Тяжинская» осуществляется со стороны шин ПО кВ через трёхобмо-точные трансформаторы ТІ и Т2 типа ТДТН-25000/110 110/35/10 кВ мощностью 25 мВ-А каждый. Нейтраль трансформаторов со стороны напряжения 110 кВ работает в режиме эффективно заземлённой нейтрали, обмотка напряжения 10 кВ соединена в треугольник, для компенсации ёмкостного тока в нейтрали обмоток 35 кВ ТІ и Т2 включён ДГР типа ЗРОМ-550/35 со ступенчатой регулировкой тока (12,5-25)А. В нормальном режиме секции шин 35 кВ объединены (межсекционный выключатель замкнут). Распределительная сеть 35 кВ состоит в основном из одноцепных воздушных линий [84]. Суммарный расчётный ёмкостный ток воздушных присоединений 35 кВ составляет 22,18 А (СШ-І - 11,91 А,СШ-И-10,27А).
Согласно [38] ДГР должен работать с точной настройкой, т.е. в четвёртом положении (21,2 А). Максимальная продолжительность работы в этом положении при однофазном металлическом замыкании составляет 4 часа. В третьем положении (18,0 А) продолжительность работы ДГР не ограничивается. Работа ДГР на подстанции осуществляется со значительной недкомпенсацией (3,2 А), что периодически обусловливало пробои изоляции силовых трансформаторов 35/10 кВ1, повреждения трансформаторов напряжения и разрядников 35 кВ [84]. Предельные значения сопротивлений резисторов в нейтралях сетей среднего напряжения при повреждениях (отключениях) дугогасящих реакторов
При отключении по техническим причинам (авария, технологическое нарушение и т.д.) ДГР условие работы и задачи резистора, оставшегося подключённым к нейтрали, меняется. Он должен соответствовать требованиям, предъявляемым к высокоомным резисторам и обеспечить надёжную работу изоляции сети.
Первоначально, рассмотрим этот режим работы нейтрали с точки зрения сохранения напряжения смещения нейтрали на допустимом уровне. Теоретическое исследование (в значительной степени ретроспективное) влияние резистора RN на напряжение смещения нейтрали приведено в главе 3, п.3.2.3. Показа но, что пределом функции (3.40) при RN -»оо является единица, т.е. при высо-коомном резистивном заземлении нейтрали напряжение смещения не может превысить фазного.
Компьютерные исследования математической модели (3.43) показали, что при RN 200 Ом напряжения смещения нейтрали приближаются к фазному значению. Следовательно, с этой позиции сопротивление резистора, подключённого параллельно ДГР, не должно быть меньше 200 Ом для сети среднего напряжения.
Во вторых, рассмотрим режим заземления нейтрали через резистор, обусловленный отключением (повреждением) ДГР от нейтрали с точки зрения работы релейной защиты.
