Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА ПЕРВАЯ. Теоретическое и практическое определение и решение проблемы электромагнитной совместимости сетей электро снабжения нефтяной промышленности при мощных импульсных электромагнитных воздействиях и постановка задач работы 23
1.1. Иерархически-структурное определение задач электромагнитной совместимости при воздействиях перенапряжений в системах электроснабжения нефтяной промышленности 23
1.2. Технологическая иерархически-структурная классификация электроустановок систем электроснабжения нефтяной промышленности 39
1.3. Классификация электромагнитных воздействий на электроустановки и электрооборудование сетей электроснабжения нефтяной промышленности 42
1.4. Изоляция электрооборудования в сетях электроснабжения нефтяной промышленности 53
1.5. Современное состояние обеспечения электромагнитной совместимости от электромагнитных воздействий в сетях электроснабжения нефтяной промышленности 55
1.6. Анализ опыта эксплуатации электрооборудования в сетях электроснабжения нефтяной промышленности 66
Глава вторая. Методика исследований электромагнитной совместимости при электромагнитных воздействиях в сетях электроснабжения нефтяной промышленности 72
2.1. Методы исследований грозозащиты подстанций с помощью автоматической регистрации, физических моделей и натурных экспериментов 72
2.2. Анализ грозозащиты подстанций методом "бегущих волн" 81
2.3. Вероятностные методы исследований грозозащиты подстанций 96
2.4. Метод статистических испытаний исследования электромагнитной совместимости электроустановок в электроснабжении от внешних атмосферных грозовых воздействий 107
2.5. Методика исследований грозозащиты линий электропередачи 118
2.6. Методы исследования внутренних перенапряжений в системах электроснабжения 125
ГЛАВА ТРЕТЬЯ. Результаты исследований электромагнитной совместимости при внешних электромагнитных воздействиях в сетях электроснабжения нефтяной промышленности 141
3.1. Результаты анализа электромагнитной совместимости при внешних электромагнитных воздействиях на линии электропередачи 141
3.2. Результаты анализа электромагнитной совместимости при внешних электромагнитных воздействиях на подстанции 150
3.3. Результаты анализа электромагнитной совместимости при внешних электромагнитных воздействиях в сетях погружных электродвигателей 155
3.4. Результаты анализа электромагнитной совместимости при внешних электромагнитных воздействиях в сетях 6 кВ буровых установок 167
3.5. Результаты анализа электромагнитной совместимости при внешних электромагнитных воздействиях в сетях 0,4 кВ 172
3.6. Анализ и рекомендации по обеспечению электромагнитной совместимости электрооборудования подстанций при внешних электромагнитных воздействиях в сетях электроснабжения нефтяной промышленности 183
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ. Результаты исследований электромагнитной совместимости при внутренних электромагнитных воздействиях в системах электроснабжения нефтяной промышленности 197
4.1. Внутренние электромагнитные воздействия на подстанциях 110 кВ, работающих в сетях с заземленной нейтралью 197
4.2. Внутренние электромагнитные воздействия в сетях 6 - 35 кВ электроснабжения нефтяной промышленности 207
4.3. Внутренние электромагнитные воздействия на электродвигатели станков-качалок 218
4.4. Внутренние электромагнитные воздействия на погружные электродвигатели 222
4.5. Внутренние электромагнитные воздействия на электрооборудование 6 кВ буровых установок 229
4.6. Внутренние электромагнитные воздействия на электрооборудование 6 - 10 кВ насосных и компрессорных станций 238
4.7. Выводы и рекомендации по обеспечению электромагнитной совместимости при внутренних электромагнитных воздействиях в сетях электроснабжения нефтяной промышленности 240
4.8. Глубокое принудительное ограничение внутренних электромаг- s нитных воздействий с помощью ОПН в системах электроснабжения нефтяной промышленности 245
ГЛАВА ПЯТАЯ. Обеспечение электромагнитной совместимости при внутренних и внешних электромагнитных процессах в цепях с трансформаторами напряжения и в нейтралях силовых трансформаторов 253
5.1. Физические процессы и причины феррорезонансных сверхтоков в трансформаторах напряжения 253
5.2. Критерии возникновения феррорезонансных сверхтоков в цепях с трансформаторами напряжения 259
5.3. Меры борьбы с феррорезонансными сверхтоками через трансформаторы напряжения 262
5.4. Обеспечение электромагнитной совместимости при перенапряжениях в нейтралях силовых трансформаторов 264
ГЛАВА ШЕСТАЯ. Определение условий работы, установки и технических требований к защитным аппаратам для обеспечения электромагнитной совместимости в системах электроснабжения нефтяной промышленности при внешних и внутренних электромагнитных воздействиях 280
6.1. Функциональные, конструктивные и технические положения обеспечения электромагнитной совместимости нелинейных ограничителей перенапряжений в системах электроснабжения нефтяной промышленности при внешних и внутренних электромагнитных воздействиях 280
6.2. Характеристики квазистационарных электромагнитных воздействий на нелинейные ограничители перенапряжений 286
6.3. Анализ импульсных токов через нелинейные ограничители перенапряжений 304
6.4. Анализ коммутационных токов через нелинейные ограничители перенапряжений 306
6.5. Общие положения и краткая характеристика технических требований к нелинейным ограничителям перенапряжений 309
6.6. Обеспечение электромагнитной совместимости ОПН 0,22 - 35 кВ с помощью плавких предохранителей 311
6.7. Оптимальные точки установки и определение потребности нефтяной промышленности России в ОПН разных классов напряжения 324
Заключение
Список 329
- Иерархически-структурное определение задач электромагнитной совместимости при воздействиях перенапряжений в системах электроснабжения нефтяной промышленности
- Методы исследований грозозащиты подстанций с помощью автоматической регистрации, физических моделей и натурных экспериментов
- Результаты анализа электромагнитной совместимости при внешних электромагнитных воздействиях на линии электропередачи
- Внутренние электромагнитные воздействия на подстанциях 110 кВ, работающих в сетях с заземленной нейтралью
Введение к работе
Актуальность проблемы и темы работы.
Взаимодействие физических систем обусловлено перераспределением энергии, аккумулированной в них и проявляющейся в самых различных видах, формах и процессах. Области взаимодействий пересекаются друг с другом, а иногда ограничены пределами конкретной системы. Воздействия на систему можно разделить на внешние и внутренние и, кроме того, на естественные -обусловленные процессами в окружающей среде, и искусственные - вызванные различными видами деятельности человека.
Результаты взаимодействий оцениваются по их последствиям:
взаимодействующие системы продолжают функционировать без существенных изменений или с некоторым износом — выработкой технологических и защитных ресурсов;
во время взаимодействий происходят нарушения состояния систем, технологии, качества продукции и т.д., которые можно преодолеть различными способами;
взаимодействия приводят к выходу из строя элементов или систем в целом.
В связи с этим вводится понятие совместимости физических систем как их способности противостоять внешним и внутренним воздействиям. Совместимость обеспечивается собственными свойствами физических и, в особенности, технических систем и установок, а также конструктивными внутренними и внешними защитными устройствами и мероприятиями.
Для решения вопросов совместимости необходимы:
классификация анализируемых систем, взаимодействий и воздействий;
определение параметров и характеристик потоков названных внутренних и внешних воздействий;
статистическое изучение их результатов, таких как аварийность, временное или полное прекращение функционирования, износ, старение и кумулятив-
8 ные эффекты, эффективность восстановления работоспособности, ремонта и его экономических характеристик;
- определение способов и средств управления параметрами воздействий, то
есть их ограничения до таких величин, когда они не нарушают нормальную ра
боту названных систем;
- технико-экономическое нормирование испытательных воздействий на
конкретные установки физических и технических систем с целью определения
соответствующих характеристик совместимости;
Многосторонняя научно-техническая проблема электромагнитной совместимости (ЭМС) электроустановок в сетях и системах электроснабжения (СЭС) основана на определении ЭМС, как способности СЭС нормально функционировать в условиях интенсивных внешних и внутренних электромагнитных воздействий (ЭМВ). Они получили название "электромагнитные помехи" (ЭМП). При этом СЭС должна доставлять потребителям электроэнергию, соответствующую требованиям нормативных документов (ГОСТ, РУ, ПУЭ и др.) [1-5].
Многообразие направлений комплекса научных, технических, экономических и организационных задач обеспечения ЭМС определяется при проектировании и эксплуатации разнообразием причин происхождения, распространения, последствий ЭМП и способов защиты от них, условиями и отраслевой спецификой СЭС [6,7,12,14,15,18,21,22,28,30,32,120,247Д70,271,302].
Одно из значительных направлений это — обеспечение ЭМС при перенапряжениях и соответствующих токах в переходных и квазистационарных процессах, вызванных в СЭС и электроустановках внешними и внутренними причинами. Оно занимает важное место среди проблем ЭМС, так как названные* ЭМВ, нарушая изоляцию электрооборудования одномоментно или постепенно, приводят к частым авариям в отдельных участках и во всей электрической сети СЭС [8,16,26,31,23,25,35,43,46,59,83,90,92,104,124,134].
Поэтому международные электротехнические организации (МЭК, СИГРЭ и др.), оценивая сравнительную важность работ в области ЭМС, отмечают, пе-
ренапряжения как одно из приоритетных направлений в этой области электротехнической науки [144,157,169,199,226,242,243,250,252,253].
Обеспечение ЭМС при воздействиях таких ЭМП, как перенапряжения, определило направление диссертации, а важность этой проблемы для одной из ведущих отраслей — нефтяной промышленности (НП) — её отраслевую специфику. В этой отрасли для решения широкого круга технико-экономических задач ЭМС, возникающих при проектировании, реконструкции и эксплуатации СЭС недостаточно рекомендаций ГОСТ, РУ, ПУЭ и др. [1-5].
Эти директивные материалы не учитывают специфику различных отраслей промышленности, что приводит к значительной аварийности электрооборудования СЭС НП вследствие воздействия на них даже небольших по величине внешних и внутренних перенапряжений [15,269,302].
Существует два аспекта анализа ЭМС. Первый из них основан на статистическом определении характеристик работоспособности и надёжности СЭС в условиях разнообразных внешних и внутренних ЭМП. Для этого используются статистические данные эксплуатации об аварийности и нарушениях работы СЭС [15]. Второй связан с прогнозированием названных характеристик для вновь создаваемых и реконструируемых объектов и использует государственные стандарты, нормативные данные и результаты испытаний элементов и СЭС в целом [6,9,29,61,63,64].
Таким образом, для решения проблемы ЭМС при воздействии перенапряжений в СЭС НП необходимо разработать неформальное и формальное определение задачи, теоретические и практические критерии ее решения и технические оценки для наиболее важных электроустановок и аппаратов, работающих при стандартных и нестандартных номинальных напряжениях [32]. Эти положения по существу определяют актуальность анализа, исследования, рекомендаций и мероприятий, выполненных в настоящей работе.
10 Связь темы диссертации с государственными научными программами
Диссертационная работа выполнялась в рамках межвузовской целевой комплексной программы на 1986-1990 г.г. "Разработка методов и средств экономии электроэнергии и повышение ее качества в электроэнергетических системах (Экономия электроэнергии)" приказ №101 от 9.02.87 г. Минвуза СССР п. 02.25 - "Разработка методов применения, схем и аппаратов для повышения надежности защиты от перенапряжений как средства повышения качества и экономии электроэнергии", а также по научно-техническим программам СамГТУ (СамПтИ) "Системы автоматизированного проектирования в энергетике", "Надежность технических систем и конструкций", "Энергосбережение и управление энергоэффективностью" на 2001-2005 гг. (Решение ученого совета от 30.03.01, протокол №7) в рамках основных направлений программы "Энергосбережение" Минобразования России до 2005 г.
Цель работы и задачи исследований - решение комплекса научных и технических проблем обеспечения ЭМС и надежности СЭС НП на основе разработки методов оценки показателей ЭМС, анализе процессов возникновения, распространения и воздействий ЭМВ на электроустановки в действующих и проектируемых СЭС, а также обосновании и внедрении эффективных систем защиты от внешних и внутренних ЭМВ. Для достижения поставленной цели необходимо:
разработать теоретические положения комплексного моделирования и определения расчетных характеристик обеспечения ЭМС в СЭС НП при внешних и внутренних ЭМВ;
исследовать грозовые и переходные внутренние (дуговые, коммутационные и феррорезонансные) ЭМВ в СЭС НП;
на основе анализа опыта эксплуатации электрооборудования нефтедобычи, статистических данных об аварийности СЭС НП и их связи с директивными документами (ГОСТ, ПУЭ и др.) с учетом отраслевой специфики СЭС НП разработать математические модели, описывающие процессы возникновения, распространения и воздействий внешних и внутренних перенапряжений и работы защитных средств;
разработать системы защиты и мероприятия по обеспечению ЭМС различных видов электрооборудования СЭС НП при атмосферных и внутренних ЭМВ, в том числе в частных задачах, связанных с процессами в нейтралях силовых трансформаторов (ТР) и феррорезонансными процессами в трансформаторах напряжения (ТН);
определить условия и выработать рекомендации для эффективной работы ОПН упомянутых классов напряжения, для чего, исследовать квазистационарные, коммутационные и импульсные воздействия на ОПН;
разработать технические требования к ОПН, меры и средства для обеспечения ЭМС самих ОПН;
определить потребности НП России в ОПН, как в основном средстве
обеспечения ЭМС при воздействиях перенапряжений.
Решение этих задач позволяет создать эффективные СЭС НП с обеспеченной ЭМС и повышенной надежностью, что можно квалифицировать как существенный шаг в развитии одного из перспективных направлений теории повышения надежности СЭС НП за счет оптимизации схем, средств и защитной аппаратуры.
Основные методы научных исследований. Научные исследования обеспечения ЭМС в работе основаны на теории нечетких множеств (ТНМ), иерархически-структурном методе (ИСМ), теории волновых процессов, методах теории вероятностей и математической статистики, теории случайных стационарных процессов, численном методе анализа установившихся и переходных процессов в СЭС, частотном методе анализа и определения ЭМВ и реакций на них, методах топологического анализа, разнообразных видах и способах физического и натурного моделирования и др.
Так, при исследованиях грозовых ЭМВ, проводилось компьютерное моделирование с помощью методов и программ, разработанных автором и при его участии, для анализа волновых процессов в схемах грозозащиты подстанций и линиях электропередачи. Эти работы комплексно связывались с исследованиями на аналоговых моделях, в частности, на анализаторах грозозащиты подстан-
12 ций (АГП), внедренных под руководством автора в ряде энергосистем страны (АО Самараэнерго, АО Татэнерго и др.). Они включали в себя также эксперименты в условиях эксплуатации и при моделировании реальных процессов при пониженных напряжениях в действующих СЭС с помощью анализаторов переходных процессов (АПТТ). Широко использованы методы автоматической регистрации грозовых и внутренних перенапряжений (АРГП, АРВП), сбор и обработка данных об аварийности, параметрах процессов и режимов.
Научная новизна работы определяется следующими результатами выполненных исследований:
концепция и теоретические положения критериальных оценок обеспечения ЭМС в СЭС НП при внешних и внутренних перенапряжениях;
теоретическое обоснование реализации моделей процессов возникновения, распространения и воздействий всех видов перенапряжений и работы защитных средств;
комплексная программа исследований ЭМС, связанных с воздействиями перенапряжений — математическое и натурное моделирование, эксперименты и регистрация в действующих СЭС НП;
концепция глубокого принудительного ограничения перенапряжений, основанная на каскадных схемах защиты подстанций от перенапряжений, оптимизации грозозащиты ЛЭП и мероприятиях по защите электроустановок СЭС НП от внутренних перенапряжений;
методология определения условий работы ОПН, как основного средства обеспечения ЭМС в СЭС НП, при квазистационарных, коммутационных и импульсных воздействиях;
концепция полноты и достаточности основных технических показателей ЭМС для ОПН, сформулированная в виде технических условий и требований к ЗА различных стандартных и нестандартных уровней напряжения.
Практическая ценность работы. 1. Проанализировано состояние обеспечения ЭМС с помощью средств и мероприятий защиты от внешних и внутренних ЭМВ на электрооборудование и
13 электроустановки СЭС НП. Показано, что надежность защиты от внешних и внутренних ЭМВ не в полной мере отвечает требованиям эксплуатации, а в некоторых случаях аппаратные способы ограничения внутренних ЭМВ в настоящее время отсутствуют.
Для улучшения обеспечения ЭМС рекомендована замена вентильных разрядников (РВ) подстанций на ОПН и внедрение каскадных схем грозозащиты, что одновременно ограничивает и грозовые и внутренние ЭМВ, возникающие в оперативных и аварийных режимах.
Изучены условия эксплуатации ОПН стандартных и нестандартных (для ПЭД) классов напряжения, разработаны рекомендации и технические требования к ним для обеспечения ЭМС электрооборудования и самих ОПН.
Для обеспечения ЭМС самих ОПН разработан и реализован способ защиты с помощью плавких предохранителей, согласованных по стандартным испытательным грозовым и коммутационным импульсам.
На основе анализа состояния обеспечения ЭМС при воздействии перенапряжений на электроустановки СЭС НП определены потребности НП России в ОПН для эффективного решения этой проблемы в полном объёме.
Реализация в промышленности, проектной практике, учебном процессе и внедрение результатов. При выполнении диссертационной работы выполнено более 25 научно-исследовательских работ под руководством и при участии автора. Системы защиты от внешних и внутренних ЭМВ, инженерно-технические и проектные рекомендации, информационно-вычислительные комплексы, автоматизированные банки данных, предназначенные для управления режимами и автоматизированного проектирования систем защиты от ЭМВ и обеспечения ЭМС и др. внедрены в практику проектирования и эксплуатации в ЗАО "Самарский электропроект" (г. Самара), ВНИПИ Тяжпромэлектропро-ект, в ОАО "Самаранефтегаз", ОАО "Нижневартовскнефтегаз" и других пред-приятиях НП России, а также АО Самараэнерго, АО Татэнерго, АО Томскэнер-го, АО Саратовэнерго, АО Дальэнерго и др. Материалы диссертационной работы, изложенные автором лично и в соавторстве в монографиях и учебно-
методических пособиях [14-17,39], используются в учебном процессе Самарского, Оренбургского, Приазовского технических университетов и др. Основные положения, выносимые на защиту
теоретическое обоснование комплексного моделирования и определения
расчетных критериев обеспечения ЭМС в СЭС НП при внешних и внутренних
ЭМВ;
концепция математического моделирования процессов возникновения,
распространения, воздействий перенапряжений, работы защитных средств и ре
зультаты комплексных исследований грозовых, внутренних и квазистационар
ных перенапряжений в СЭС НП;
теоретическое обоснование необходимости учета отраслевой специфики СЭС НП на основе анализа опыта эксплуатации электрооборудования нефтедобычи, статистических данных об аварийности СЭС НП и их связи с директивными документами (ГОСТ, ПУЭ и др.);
концепция глубокого принудительного ограничения перенапряжений и разработка на этой основе систем защиты и мероприятий по обеспечению ЭМС различных видов электрооборудования СЭС НП;
методики обеспечения ЭМС при импульсных процессах в нейтралях силовых трансформаторов (ТР) и феррорезонансных процессах в трансформаторах напряжения (ТН);
методики обеспечения ЭМС для нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН) стандартных и нестандартных классов напряжения, основанные на математическом моделировании и экспериментальных исследованиях квазистационарных, коммутационных и импульсных воздействий на ОПН;
критерии ЭМС для защитных аппаратов и их реализация в виде технических требований и технических средств.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций. Положения, выводы и рекомендации работы подтверждены:
- натурными экспериментальными исследованиями в действующих СЭС НП и теоретическим анализом их результатов в рамках теории волновых процессов
15 с помощью компьютерного моделирования;
количественной и качественной представительностью статистического материала по регистрации параметров ЭМВ, компьютерной обработкой результатов экспериментальных исследований и регистрации с помощью методов теории вероятностей и математической статистики;
удовлетворительным совпадением результатов математического моделирования с результатами регистрации ЭМВ, натурных исследований и экспериментов в действующих СЭС НП;
опытом эксплуатации систем защиты от ЭМВ в действующих СЭС НП и других отраслей промышленности, спроектированных с использованием методов, разработанных в диссертации, а также внедрением основных выводов и рекомендаций в проектную практику.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на заседаниях секции Научного совета АН СССР по проблеме "Электрофизика и электроэнергетика" (Куйбышев 1979 г., Апатиты 1981 г., Челябинск 1987 г.), Всесоюзной конференции "Автоматизация проектных и конструкторских работ" ( Москва, 1979 г.), Всесоюзного научно-технического совещания "Защита ЛЭП, связи и автоматики от влияния внешних электромагнитных полей" (Омск, 1972 г.), Всесоюзного научно-технического совещания "Проблемы эффективного использования энергоресурсов в промышленности" (Миасс 1985 г.), сессиях Всесоюзного семинара АН СССР "Кибернетика электрических систем" по темам: "Электроснабжение промышленных предприятий" (Киев, 1982 г., Новочеркасск, 1988 г., 1995 г., Абакан, 1989 г.) и "Управление и автоматизация проектирования в электроэнергетических системах" (Челябинск 1990 г.), на научно-технических конференциях "Повышение эффективности электроснабжения на промышленных предприятиях" (Челябинск-Миасс 1984 г., Москва, 1990 г.), "Устройства преобразования информации для контроля и управления в энергетике" (Харьков 1982 г.), на всесоюзном семинаре "Применение персональных микроЭВМ в электроэнергетике"(Киев 1986 г.), на научно-методическом семинаре "Автоматизация проектирования в электротехнике и
16 энергетике" (Иваново, 1980 г.), на всесоюзном совещании "Автоматизированные системы диспетчерского управления в энергетике" (Москва, 1986 г.), на Всероссийской научно-технической конференции "Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов" (Благовещенск, 1998 г.), на 6-й Всесоюзной школе-семинаре "Теория и практика программирования на ЭВМ серии МИР" (Владивосток, 1977 г.), на межотраслевом семинаре "Автоматизация проектирования средств и систем управления" (Куйбышев 1989 г.), на конференциях Ленинградского отделения НТОЭиЭП и ЛПИ им. М.И. Калинина "Автоматизация и релейная защита в энергосистемах" и "Методика определения, планирования и снижения потерь электроэнергии в электрических сетях" (Ленинград 1969,1972), на научно-технических конференциях (1969-2002 г.) Самарского (Куйбышевского) гостехуниверситета (политехнического института), на международной конференции МЭИ (ТУ) "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (Москва, 2002 г.) и др. За разработку и внедрение в энергетику средств регистрации ЭМВ и программных комплексов по анализу режимов СЭС автор награжден 4 медалями ВДНХ СССР.
Публикации. По теме диссертации получено 3 авторских свидетельства на изобретения, опубликовано в центральных и местных издательствах 3 монографии, 2 методических пособия (Энергоатомиздат, Высшая школа, Самарский госуниверситет и др.) и 47 работ (12 написаны лично) в научно-технических журналах "Электричество", Известия АН СССР "Энергетика и транспорт", Известия ВУЗов "Энергетика", "Электрические Станции", Известия Сибирского Отделения АН СССР, "Промышленная энергетика" и др., а также в сборниках научных трудов, материалах конференций и семинаров.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, изложенных на 328 стр. основного текста, списка литературы из 302 наименований на 20 стр., приложения на 13 стр., 80 рисунков, 45 таблиц.
В нашей стране научные, технические и методические аспекты общей проблемы обеспечения ЭМС и, в частности, при воздействиях перенапряжений (в
17 том числе и в СЭС НП) были освещены в работах Борисова Б.П., Борисова В.Н., Базуткина В.В., Вагина Г.Я., Гиндуллина Ф.А., Дульзона А.А., Евдокуни-на Г.А., Ефимова Б.В., Жежеленко И.В., Карташева И.И., Кадомской К.П., Костенко М.В., Куренного Э.К., Левинштейна М.Л., Ляхомского А.В., Михайлова Ю.А., Сазыкина В.Г., Тиходеева Н.Н., Халилова Ф.Х., Шидловского А.К. и многих других исследователей [6,7,9,12,16,29,31,35,37,38,59 и др.]. Эти работы дали возможности сформировать современные стандарты [1,2] и послужили основанием для классификации различных аспектов этой проблемы, определения ЭМП, создаваемых различными электроустановками и внешней средой, их моделирования, прогнозирования и измерений, эффективных мер и средств подавления и защиты от них.
Установлено, что наибольшие ущербы возникают от нарушений качества электроэнергии и аварийности от воздействий перенапряжений, что является одним из предметов настоящей работы [15].
Теория и средства защиты от перенапряжений в процессе своего развития прошли ряд этапов, начиная от эмпирических представлений и примитивных конструкций 30-г40-х годов до современных воззрений, методов, устройств и аппаратов, основанных на идеях настоящего времени в физике, математике и вычислительной технике.
Начало исследованиям в нашей стране в этой области прикладной электрофизики положили работы, выполненные в 30^-40-х годах A.M. Залесским, Л.И.Сиротинским, А.А.Горевым и др. Эти работы относятся к первому периоду развития техники высоких напряжений, который характеризуется недостаточным теоретическим и экспериментальным обоснованием исходных принципов и показателей внешних и внутренних воздействий на работу электроустановок, их изоляцию и режимы.
Второй период развития теоретических и практических работ по названной проблематике относится к 50ч-60-м годам и связан с работами М.В. Костенко, Д.В. Разевига, В.В.Бургсдорфа, А.И. Долгинова, Ч.М. Джуварлы, Н.А. Козырева, К.С. Стефанова, И.Ф.Полового, Ф.А.Лихачева и др. Для всех работ этого
18 периода характерным является использование аналитического математического аппарата и построение на его основе разнообразных приближенных методик и формул (в том числе большое количество эмпирических), для подтверждения которых проводились экспериментальные исследования и регистрация параметров процессов в действующих электроустановках и их моделях с обработкой результатов методами математической статистики и теории вероятностей.
Первые значительные фундаментальные работы по теории внешних и внутренних перенапряжений и защите от них электроустановок были опубликованы М.В. Костенко, Д.В. Разевигом, А.И. Долгиновым, Ч.М. Джуварлы и др. Теория и практика исследований обеспечения ЭМС устройствами и мероприятиями защиты от перенапряжений и координации изоляции электроустановок были изложены авторскими коллективами в составах Д.Е. Артемьева, Н.Н. Ти-ходеева, С.С. Шура; Ю.А. Михайлова, И.Ф. Полового, Ф.Х. Халилова; К.П. Ка-домской, М.В. Костенко, М.Л. Левинштейна, И.А. Ефремова и др.
Основные научно-методические положения, научно-обоснованные принципы и методы анализа высоковольтных процессов нашли отражение в учебниках и учебных пособиях Д.В. Разевига, А.И. Долгинова, М.Л. Левинштейна, Н.Н. Тиходеева, К.С. Стефанова, В.В. Базуткина, В.П. Ларионова, B.C. Шатина, Ю.С. Пинталь, Ч.М. Джуварлы, коллектива авторов под руководством М.В. Костенко и др. Они оказались весьма полезными и эффективными при исследованиях, расчетах, а также при разработке схем и средств для обеспечения ЭМС и защиты от внешних и внутренних перенапряжений.
По этим и смежным направлениям выполнено большое количество работ, которые, не претендуя на исчерпывающую полноту, можно разделить на следующие группы.
Теория распространения волновых перенапряжений по многопроводным ЛЭП с учетом влияний поверхностного эффекта в земле и импульсной короны (М.В. Костенко, Л.С. Перельман, Ф.Г. Кайданов, М.Л. Левинштейн, К.П. Ка-домская, Б.В. Ефимов, Н.И. Гумерова, Е.А. Садовская, В Н. Орлов, В.А. Люлько, И.М. Зархи, О.М. Мамонова, А.И. Покровский и др.).
Исследования и моделирование перенапряжений на оборудовании под
станций (И.Ф. Половой, А.И. Долгинов, А.И. Ступель, B.C. Шатин, СМ. По
пов, Б.В. Ефимов, Н.И. Гумерова, Ю.А. Михайлов, Ф.Х. Халилов, Ю.М. Нев-
ретдинов и др.)
Теория и практика разработки и использования средств защиты от внешних и внутренних перенапряжений (Д.А. Каплан, Д.В. Шишман, И.А. Богатен-ков, А.И. Бронфман, Г.А. Евдокунин, Ю.Ф. Васюра, А.П. Заболотников, Ф.Х. Халилов, А.Н. Лехмус, А.В. Карабанов, А.Л. Виткин, Л.М. Рыбаков, В.А. Га-милко, А.И. Таджибаев и др.).
Систематизированные исследования и регистрация внешних (атмосферных) и внутренних перенапряжений (Ф.А. Гиндулин, А.А. Дульзон, З.Г. Каганов, К.Д. Вольпов, Ю.А. Михайлов, В.А. Люлько, О.М. Мамонова, Н.А. Шили-на, B.C. Поляков, А.В. Созинов, Ф.Х. Халилов, Д.С. Тибилашвили, В.Н. Борисов, А.З. Манафзаде, Т.С. Абесадзе, В.Н. Мешков и др.).
Теория и практика обеспечения ЭМС и повышения надёжности защиты от атмосферных перенапряжений ЛЭП и подстанций (М.В. Костенко, Ф.Х. Халилов, Ф.Г. Алиев, И.И. Искаков, Б.В. Ефимов, Н.И. Гумерова, И.М. Зархи, И.М. Богатенков и др.).
Обеспечение ЭМС с помощью ЗА и мероприятий по защите силовых трансформаторов и их нейтралей от перенапряжений (В.В. Коген-Далин, М.В. Соколова, Г.А. Славин, Т.Н. Гурьева, М.М. Муслимов, Л.М. Рыбаков, М.Н. Алиев, Ч.М. Джуварлы, Е.В. Дмитриев и др.) и т.д.
Значительный вклад в теорию и практику средств и методов обеспечения ЭМС внесли производственные и научные коллективы ЛПИ им. М.И. Калинина (СПбГТУ), ВГПИ и НИИ Энергосетьпроект и его отделений, ВНИИЭ (Москва), ВЭИ (Москва), МЭИ (технического университета), ИЭИ (Иваново), ОРГРЭС (Союзтехэнерго), НИИПТ (Санкт-Петербург), НИИВН (Томск), СибНИИЭ, Ги-протюменьнефтегаз (Тюмень), АзНИИЭ (Баку), Грузинского, Донецкого, Казахского, Киевского, Нижегородского, Новосибирского (НЭТИ), Приазовского, Самарского и др. государственных технических университетов, Санкт-
20 Петербургской горной академии, ВНИПИ Тяжпромэлектропроект, ГПИ Электропроект, ВНИИ Проектэлектромонтаж (все г. Москва) и их региональных отделений и др.
Большую роль по внедрению научно-обоснованных методов, схем средств и аппаратов для защиты от перенапряжений и обеспечения ЭМС в практику проектирования и эксплуатации сыграла созданная в 1970 году под руководством М.В. Костенко и Ф.Х. Халилова секция IV Научного совета АН СССР по комплексной проблеме "Научные основы электрофизики и электроэнергетики", одной из основных задач которой была проблема защиты от перенапряжений, как внешних и внутренних ЭМВ на СЭС. Результаты работы были воплощены в "Руководящих указаниях по защите от перенапряжений электрических цепей З-і-500 кВ" и ряде других документов, которые в значительной мере улучшили решение вопросов эксплуатации и проектирования СЭС НП различных классов напряжения.
Предложенные Ф.Х. Халиловым комплексные методы вероятностного моделирования, использующие математическую модель стационарного нормального случайного процесса потока перенапряжений, возникающих в СЭС НП, положили начало третьему периоду развития общей теории ЭМС, внешних и внутренних перенапряжений и аварийности, как результата нарушения ЭМС, подготовили базу для разработки на общих вероятностных принципах единой методологии оценки ЭМС и совокупности расчетных характеристик надежности различных электроустановок. Отличительной особенностью этого периода является интенсивное развитие методов натурного и математического, в частности, вероятностного, статистического и имитационного моделирования в проблемах ЭМС.
Эти методы, уже давшие для анализа ЭМС и повышения надежности электроснабжения ряд важнейших результатов, нашли свое отражение в работах, Б.В. Ефимова, Н.И. Гумеровой, И.М. Зархи, И.М. Богатенкова, В.Н. Мешкова, В.Н. Борисова, А.А. Дульзона, Ф.А. Гиндуллина, А.И. Таджибаева и др, а также в совместных работах Ф.Х. Халилова с автором диссертации
21 [9,15,16,3 7,3 8,40,41,43,44,57,59,81,90,108,189,274].
За рубежом проблемы ЭМС и, в частности, по защите от перенапряжений находятся в центре внимания международных электротехнических организаций (МЭК, СИГРЭ и др.), что послужило основанием ряда основополагающих документов таких, как директива 336ЕС 89, которая обязала страны Европейского сообщества ввести единые стандарты по ЭМС и разработать систему сертификации, которая введена в действие с 1996 г. Это послужило основанием для введения в России на 01.01.2001 базовых стандартов (26 документов) на устойчивость к ЭМП. Эти документы соответствуют стандартам МЭК 1000-4, а по допустимым уровням создания помех - стандартам, основанным на требованиях СИСПР.
Свидетельством постоянного внимания к проблеме ЭМС также являются также регулярные тематические конференции и симпозиумы (ЕМС-96 Вроцлав, Balkantrib-98 Фессалоники и др.).
В ряде работ подробно описываются нелинейные ограничители перенапряжений для защиты сетей и электрооборудования [62, 65, 96, 128, 144, 160, 164, 292], схемы защиты от перенапряжений сетей и т.д. Рассмотрены процессы повышения напряжения в сетях с изолированной нейтралью и нейтралью, заземленной через сопротивление при КЗ одной из фаз 3-фазной сети на землю. Приведены вольтамперные характеристики металлооксидных разрядников до токов 104 А, предназначенных для работы в сетях различных номинальных напряжений 0,4-35 кВ.
В [128] в трехполюсную штепсельную вилку встроен варистор в виде тонкого диска, что обеспечивает защиту электрооборудования (например, приборов связи) от перенапряжений, возникающих в питающей сети.
Фирмы Philips, General Electric Со [180], ABB, Siemens, Schneider groupe и др. в настоящее время ведут активную маркетинговую деятельность (в частности, и в России) по электроустановкам и средствам, обеспечивающим ЭМС при воздействиях перенапряжений в соответствии с нормами МЭК (публикация 664), которые требуют каскадного включения защитных устройств с тщатель-
22 ной координацией изоляции, уровней ограничения и низких остающихся напряжений. Это, прежде всего, - выпуск оксидно-цинковых варисторов с экстремально высокой нелинейностью, что особенно благоприятно при использовании их в качестве защиты от перенапряжений, коммутационных аппаратов и, прежде всего, вакуумных выключателей, контакторов и камер с улучшенными характеристиками и защитой, силовых и измерительных трансформаторов, систем контроля и управления и др. Можно отметить также активную патентную и лицензионную деятельность названных фирм и ряда исследователей при общем сравнительно невысоком уровне количества публикаций, особенно по вопросам, касающимся специфики проблемы ЭМС при воздействии перенапряжений в системах электроснабжения нефтедобычи.
Приведенный краткий обзор состояния названной проблемы не претендует на исчерпывающую полноту, но, тем не менее, говорит о необходимости теоретического и технического решения вопросов ЭМС, связанных с насущным требованием повышения надежности энергоснабжения в нефтяной промышленности, не в полной мере обеспеченного как теоретическими, так и практическими обоснованиями, решениями и рекомендациями.
Иерархически-структурное определение задач электромагнитной совместимости при воздействиях перенапряжений в системах электроснабжения нефтяной промышленности
В настоящее время в нашей стране введен ряд нормативных документов по проблемам ЭМС. Некоторые из них непосредственно связаны с СЭС НП [1,2]. Их анализ и оценка положений в соответствии с условиями СЭС НП показывают, что в них достаточно проработаны большинство показателей и норм качества электроэнергии. Однако в разделах, связанных с грозовыми и коммутационными импульсами [1, стр. 51, приложение Д], требования расплывчаты и не согласуются с опытом эксплуатации, проектирования и условиям работы многочисленных электроустановок СЭС НП. Кроме того, они носят рекомендательный характер, отдавая определение некоторых показателей на согласование энергоснабжающих организаций и потребителей, "для которых ... нормы не установлены" [1, стр.2], что характерно для СЭС НП
Исследования и разработка эффективных методов обеспечения и решения названной проблемы в современных СЭС усложняются большим количеством изношенного электрооборудования, разнообразием этого оборудования и самих внешних и внутренних перенапряжений, разделяющихся на следующие виды: - атмосферные, связанные с ударами молнии в элементы (фазные провода, опоры, грозозащитные тросы) линий электропередачи (ЛЭП) и электрооборудование СЭС открытой установки и вблизи них; возникающие при этом непосредственно и индуктированные сверхтоки и перенапряжения часто превышают уровни изоляции и допустимые токи ЛЭП и электроустановок; - коммутационные, имеющие место при отключениях и включениях элементов сетей: трансформаторов, электродвигателей, конденсаторов, в ряде случаев кабелей; при этом термином "коммутация" определяются любые изменения состояния коммутационных аппаратов или любое изменение параметров (R, L или С) эквивалентного колебательного контура с потерями. - дуговые, возникающие при возникновении электрической дуги землю; - феррорезонансные, возникающие при неполнофазных и других специфических режимах силовых трансформаторов и трансформаторов напряжения. Это является причиной прямых или обратных перекрытий различных видов изоляционных конструкций. Если, например, амплитуда ЭМВ в ЛЭП оказывается больше импульсной прочности линейной изоляции, то ЭМВ по линии приходят на электроустановки, в частности на подстанции, и там возбуждают импульсные перенапряжения - ЭМВ, опасные или безопасные для электрооборудования. К таким же последствиям приводят коммутационные процессы, дуговые и резонансные, а также квазистационарные явления, как непосредственно на подстанциях, так и в любых местах установки электрооборудования СЭС. По этим и аналогичным фактам при проектировании и эксплуатации определяется наличие или отсутствие ЭМС в СЭС с учётом их влияния на окружающие электромагнитные, биологические, экологические, производственные, бытовые и др. системы и объекты.
ЭМС при воздействии перенапряжений на СЭС обеспечивается не только и не столько внутренними возможностями, но и многочисленными специальными устройствами и мероприятиями. Они принудительно ограничивают перенапряжения, направляют их энергетические импульсы по путям, не затрагивающим основное технологическое оборудование, автоматически восстанавливают электроснабжение после естественного прекращения или ликвидации причины появления перенапряжений и др. Это позволяет классифицировать данный аспект обеспечения ЭМС как комплексную технико-экономическую проблему. При её решении необходимо определение оптимального соотношения затрат, с одной стороны, на конструктивное и технологическое улучшение электрической стойкости электрооборудования, а с другой стороны — на средства, мероприятия, схемы и аппараты для защиты от перенапряжений.
Оно зависит от большого числа факторов, носящих, как правило, случайный характер. Поэтому задачу определения количественных характеристик ЭМС при воздействиях внешних и внутренних перенапряжений целесообразно рассматривать как исследование вероятностных свойств СЭС, работающей в реальных условиях при воздействии случайных возмущений и состояний электрической стойкости изоляционных конструкций.
При расчетах, связанных с исследованиями ЭМС, опасность или безопасность перенапряжений определяется сравнением с испытательными напряжениями грозовых, внутренних импульсов и испытательными напряжениями промышленной частоты, нормированными ГОСТ 1516-97. Их считают косвенными эквивалентами мало изученных "истинных уровней" электрической прочности изоляции, например, пробивных напряжений по вольт-секундным характеристикам (ВСХ) изоляции электроустановок. Названная эквивалентность из-за естественного недостатка информации устанавливается, по сути дела, эмпирически директивными документами по пробивным напряжениям, носит случайный характер и имеет большой разброс по ВСХ. Кроме того, здесь необходимо учитывать кумулятивные эффекты, особенно свойственные изношенному электрооборудованию, а также существенное изменение его технологических и электрических характеристик.
Классификация проблем ЭМС, возникающих в проектировании и эксплуатации электроустановок и электрооборудования, а также их объединений в электротехнические системы и системы электроснабжения, показывает [7,28], что при исследованиях ЭМС необходимо решать классические задачи анализа, синтеза и оптимизации. При этом в соответствующих математических описаниях часто проявляются такие характерные для СЭС особенности, как разрежен 26 ная структура, большая размерность, дискретность, нелинейность, вероятностное определение параметров и др.
С технологической точки зрения в математических описаниях этих задач в виде ограничений должны учитываться такие особенности СЭС, как старение и износ электрооборудования, координация изоляции, специфика потоков внешних и внутренних воздействий, характеристик и показателей разнообразных систем защиты электроустановок, а также способов их определения.
Для всех этих особенностей в большинстве случаев [10] характерны неполнота, нечеткость, недостоверность, неадекватность и другие аналогичные свойства неопределенности. Поэтому для их решения наиболее эффективны приближенные методы [7,11,13,17].
Наиболее предпочтительными в этих ситуациях являются методы поиска областей и точек экстремумов вспомогательных функций, которые строятся непосредственно из функций ограничений исходных задач исследования ЭМС. Из обширного семейства названных методов можно выделить методы обычных штрафных функций (ШФ).
Необходимо заметить, что они имеют серьёзные недостатки, которые связаны с неизбежным появлением локальных экстремумов - оврагов вблизи решения, препятствующих достижению решения или приближения к нему с допустимой для технических задач погрешностью. В ряде случаев приходится констатировать, что названные методы ограничиваются только достижением области решения, и дальнейшие уточнения могут быть выполнены только с помощью специальных модификаций или других методов.
Методы исследований грозозащиты подстанций с помощью автоматической регистрации, физических моделей и натурных экспериментов
Исследования грозовых перенапряжений в электрических сетях можно классифицировать в соответствии с рис. 2.1.
Наиболее объективную оценку перспективности и правильности того или иного технического решения, в том числе и в области грозозащиты, дает лишь изучение опыта эксплуатации.
Исследования в действующих сетях дают объективную информацию (с учетом погрешности измерений) о ряде влияющих факторов, например, о деформации волн вследствие потерь в земле и короны. Эти исследования проводились с помощью автоматических регистраторов грозовых перенапряжений (АРГП) и анализатора переходных процессов в протяженных цепях (АПП) [14,15]. Опыт эксплуатации АРГП показал, что его использование связано с существенными трудностями. Пусковой блок АРГП не всегда различает грозовые и внутренние перенапряжения в рассматриваемой точки сети. Например, при отключении нагруженных сборных шин подстанций перенапряжения имеют частоты порядка сотен килогерц, и АРГП их фиксирует как случаи грозовых перенапряжений. Результаты измерений с помощью АРГП имеют ограниченную информацию и характеризуют грозозащитные свойства схемы в уже сооруженной сети. Эти выводы без специальной оговорки не могут распространяться на другие сети. Для накопления статистических данных путем автоматической регистрации перенапряжений требуется установка ряда АРГП и длительная их эксплуатация.
Переходные процессы на аналоговых моделях воспроизводились на АГП с приближенным учетом короны и потерь в земле. АГП представляет собой специализированное аналоговое устройство, предназначенное для исследования переходных процессов в схемах подстанций при набегании на них волн атмосферных перенапряжений, возникающих при ударах молнии в линии электропередачи. АГП позволяет решать эти задачи путем физического моделирования переходного процесса в схеме, подобной исследуемой и составленной из моделей перечисленных элементов. С целью удобства работы и уменьшения габаритов АГП масштабы напряжения и тока выбираются такими, чтобы на модели напряжения не превышало нескольких сот вольт, а токи — долей ампера. Кроме того, для обеспечения измерений масштаб времени принимается большим единицы, что позволяет замедлить развитие переходных процессов в модели и снизить требования к частотным характеристикам измерительных схем. Для удобства измерений исследуемый процесс воздействия волны грозового происхождения в модели повторяется периодически 50 или 16 раз в секунду, что позволяет наблюдать на экране специального осциллографического устройства, которым снабжен АГП.
Методика исследования грозозащиты на АГП подробно описана в [8,14,15]. Однако, существенным недостатком АГП является отсутствие эле 74 ментов, учитывающих корону на проводах и потери в земле. В настоящее время разработаны модели, учитывающие эти явления [23]. В частности для учета короны предусмотрено моделирование зависимости динамической емкости Сс от напряжения с плавным регулированием вольт-кулоновой характеристики в каждой 1,С-ячейке модели подхода, так как уменьшение числа ячеек с моделью короны могло бы привести к возникновению заметных отражений от узлов с моделью короны [23,24].
Принципиальная схема модели короны приведена на рис. 2.2. Она составлены из емкостей Сі, С2 и Сз, которые начинают заряжаться, когда величина напряжения положительной волны /„ на ячейке превысит соответствующее значение L7b с72 и t/з- Диоды Ді Дз предотвращают разряд конденсаторов Сі -г- Сз на другие элементы при уменьшении UB на хвосте волны. Эти диоды, кроме того, ограничивают напряжение на конденсаторах модели короны, если оно ниже С/ь Uj, /3. Соответственные конденсаторы С\ (или С2, или /3) пяти ячеек одной секции включены на общий провод, по которому подается напряжение подпора U\, Uz, Сз, обеспечивающее отпирание диодов Дь Дг, и Дз. Таким образом, обеспечивается идентичность вольт-кулоновых характеристик всех ячеек. С целью уменьшения связи между ячейками разных секций между последними включены ДИОДЫ Дд.
Контроль связи между секциями при настройке выполнялся следующим образом. На часть секций модели подхода подавалась волна напряжения Ur, а на Z-C-ячейках, включенных выключателями Kj, измерялось напряжение Un, обусловленное паразитными связями через диоды и другие элементы.
Результаты анализа электромагнитной совместимости при внешних электромагнитных воздействиях на линии электропередачи
Строго говоря, после выполнения условия (2.21) при сложной форме Uk всх(0 или, как говорилось выше, /доп(0 возможны и другие точки сближения названных кривых с Ufa Ц ,А). В этом случае названный выше факт касания следует искать по всему исследуемому диапазону времени, а не только для UkJjt, Гф ,А).
Определенная таким образом КОВ является граничной кривой, разделяющей координатную плоскость А, Гф на волны опасные, находящиеся выше КОВ и безопасные - ниже КОВ (см. рис 2.6).
Для рассматриваемых физических волновых процессов характерно, что приходящие на подстанцию волны перенапряжений с одинаковой амплитудой будут вызывать на оборудовании перенапряжения тем больше, чем меньше длина фронта (больше крутизна) волны и наоборот, что характерно для большинства задач анализа грозозащиты.
Поэтому построение начинается с минимальной длины фронта. В качестве начальной выбирается заведомо малая амплитуда А, при которой напряжение Ukit, Гф ,А) всегда будет меньше Д всх(0- Кроме того, задается АА - начальный шаг изменения амплитуды.
Увеличивая амплитуду каждый раз на величину АА, отыскиваем такое ее значение, при котором Uk(t, Ц, А) UkBCK(t). После этого операциями присвоения вычисляются новый уменьшенный шаг АА= АА/2, и амплитуда волны уменьшается на величину этого шага А= А-АА. Далее возможны три случая. 1. Условие (2.21) не выполняется - перенапряжение превышает кривую ВСХ, т.е. Ufa ґф ,А) Uk всх(0- Шаг и амплитуда уменьшаются, как было показано выше. 2. Выполняется условие (2.21). Определенная к этому моменту амплитуда А и текущее значение фронта ґф представляют собой координаты точки КОВ. При той же амплитуде волны увеличивается длина фронта t$ , и расчет продолжается поиском новой точки КОВ. 3. Условие (2.21) не выполняется - перенапряжение не превышает кривую ВСХ, т. е. Uk (t, /ф ,А) Uk всх(0- При этом надо прежнюю амплитуду увеличить на АА= АА/2 , провести следующий расчет и опять рассматривать три описанных выше случая. Расчет надежности грозозащиты подстанции производится по результатам построения КОВ для отдельных точек эквивалентной схемы, где установлено основное электрооборудование.
При реализации данной методики на персональных компьютерах с высокой производительностью возможно производить поиск точек КОВ в псевдоаналоговом режиме, когда изменение амплитуды волны производится визуально с помощью манипулятора "мышь", а ответная реакция - кривая перенапряжения Uk (t, ґф , А) - сравнивается с кривой ВСХ / всх (/) визуально на экране. Выполнение условия (2.21) и переход к следующей точке КОВ происходит так же, как и при использовании АГП или АЛЛ.
При необходимости построения результирующей КОВ как практического критерия ЭМС всей подстанции при грозовых перенапряжениях, условие 2.21 применяется по всем точкам подстанции, где установлено электрооборудование подлежащее проверке по этому критерию. В данной методике строятся КОВ при подаче волны непосредственно на вход подстанции. Используя методы приближенного и точного учета деформации волн в ЛЭП на подходе к подстанции [56,57,81] можно построить семейство КОВ, при подаче волн с различных точек подхода ЛЭП, при этом деформация и затухание волн будут возрастать а КОВ вырождается, поскольку по проводам ЛЭП не может прийти волна с амплитудой, превышающей напряжение перекрытия линейной изоляции. Названное семейство КОВ формирует объем опасных волн, который позволяет получить необходимые статистические характеристики надежности грозозащиты подстанций.
Рассмотренная выше приближенная методика дает устойчивые результаты [40], совпадающие с экспериментальными исследованиями. Для уточнений методики, необходимых в отдельных случаях, можно использовать разработки М.В.Костенко, Б.В.Ефимова и др. [9].
Грозовые перенапряжения на электрооборудовании подстанций в каждой заранее выбранной точке, например, на силовом трансформаторе, зависят от различных факторов, основными из которых являются амплитуда и длительность фронта волны, приходящей по линии, расстояние между защищаемым объектом и ЗА, тип подстанции (тупиковая, проходная, многофидерная).
Используя АГП [8,14,15], АЛЛ [14,91] или ЭВМ [9, 40], можно построить названные выше КОВ, которые представляют собой область параметров грозовых волн, вызвавших в рассматриваемой точке подстанции грозовые перенапряжения с амплитудой, равной /доп(0 (см. рис. 2.6). Полученные таким образом КОВ не определяют возможность пробоя изоляции электрооборудования в рассматриваемой точке подстанции, так как при их построении за основу принимается не пробивное напряжение изоляции, а некоторое условно допустимое напряжение С/Доп(0 КОВ обобщает защитные свойства схемы грозозащиты при приходе грозовых волн на "вход" подстанции, но не отражает электрические свойства "источника грозовых волн". В частности, последние при приходе грозовых волн с линии определяются ВСХ изоляции линии на подходе.
Внутренние электромагнитные воздействия на подстанциях 110 кВ, работающих в сетях с заземленной нейтралью
Характеристики внутренних перенапряжений зависят от большого числа факторов. Часть из этих факторов представляет собой случайную величину, изменяющуюся от коммутации к коммутации и от режима сети до нового режима. Сюда относятся мгновенные значения рабочего напряжения на емкости или тока в индуктивности в момент коммутации, предвключенная реактивность системы, число отходящих линий, общая протяженность сети и т.д. Учесть эти факторы с их взаимосвязью при математическом или лабораторном моделировании удается лишь с некоторым приближением. Во многих случаях практически отсутствую общая протяженность сети и т.д. Учесть эти факторы с их взаимосвязью при математическом или лабораторном моделировании удается лишь с некоторым приближением. Во многих случаях практически отсутствуют законы распределения той или иной случайной величины и вид корреляционной связи между этими случайными событиями. По этой причине при моделировании переходного процесса расчетные гипотезы, позволяющие прогнозировать не заниженный уровень перенапряжений, не отражают многообразия реальных условий, что ведет к неоптимальным технико-экономическим решениям.
Исследования внутренних перенапряжении, возникающих в электрических сетях, выполняются с помощью математического моделирования, лабораторных моделей, путем непосредственных измерений в действующих энергосистемах и анализа опыта эксплуатации.
Существенную трудность при моделировании коммутационных перенапряжений представляет правильное воспроизведение в модели таких нелинейных процессов, как насыщение стальных сердечников силовых трансформаторов, короны на проводах и изменение сопротивлений линии для токов нулевой последовательности и токов уравновешенных составляющих при различных частотах тока. Эти нелинейные процессы не поддаются моделированию на низковольтных моделях с сохранением физического подобия, поэтому приходится использовать специальные схемы замещения, вплоть до использования электронных схем аналоговой вычислительной техники для обеспечения достаточной точности учета таких процессов. Это в значительной мере снижает достоинства модели, как простого и наглядного инструмента исследований, и побуждает отдать предпочтение компьютерной технике. Однако и переход к решению задач определения характеристик перенапряжений на ПЭВМ не снимает полностью всех технических трудностей. Конечной целью исследований обычно является не расчет одного переходного процесса, при заданных исходных данных, а определение статистического распределения возможных в процессе эксплуатации амплитуд перенапряжений с учетом статистической вариации, параметров сети и условий развития данного вида перенапряжений, а также одновременного учета всех отмеченных выше нелинейных факторов.
Реализация программы, удовлетворяющей одновременно всем перечисленным требованиям и обладающей достаточной точностью при приемлемом времени счета, еще не может рассматриваться как решенная задача. В некоторых зарубежных публикациях высказывается утверждение, что оптимальным средством решения такой задачи будет сочетание физической модели и вычислительного блока, причем последний предназначается для подготовки исход 127 ных данных, управления ходом процесса в модели, коррекции его параметров и обработки результатов измерений на модели.
При моделировании квазистационарных перенапряжений на промышленной частоте линии длиной до 250 — 300 км обычно моделируются единственным Х,-С-звеном. Для анализа коммутационных перенапряжений имеющих частоты приблизительно на порядок выше промышленной частоты, пропорционально сокращается и длина, отрезка линии, моделируемого одним звеном. Модель линии приобретает при этом вид цепной схемы из последовательно соединенных Х-С-звеньев, каждое из которых замещает несколько десятков километров линии.
Уже из приведенного примера различия схем замещения линии видны технические трудности создания универсальной модели сети, способной достаточно детально воспроизводить все виды перенапряжений. Поэтому получили преимущественное развитие специализированные модели, предназначенные для анализа лишь одного из видов перенапряжений: квазистационарных, коммутационных или грозовых.
Модель — так называемый "расчетный стол переменного тока" - позволяет анализировать величину квазистационарных перенапряжений в различных режимах линии электропередачи и энергосистемы в целом. Кроме того, при соответствующей схеме замещения генераторов и нагрузок, она позволяет рассматривать устойчивость параллельной работы станций и энергосистем и воспроизводить процессы, сопровождающиеся потерей устойчивости параллельно работающих источников.
Анализаторы переходных процессов специализированы на исследовании коммутационных перенапряжений. Помимо более широких частотных характеристик элементов модели и измерительного комплекса они отличаются наличием специальных устройств, позволяющих мгновенно замыкать или размыкать части схемы в заданную фазу напряжения или тока промышленной частоты. Варьируя, в соответствии с известным законом распределения фаз включения или отключения выключателя, моменты коммутации модели, можно получить распределение амплитуд перенапряжения для рассматриваемого вида коммутации.
Третий вид модели — АГП - в основном служит для исследования грозовых перенапряжений. Однако он используется для решения ряда задач прогнозирования уровня внутренних перенапряжений, например, перенапряжений при включении шунтирующих реакторов через искровые промежутки и при коммутациях ненагруженных сборных шин подстанций.
Широкое распространение получила методика непосредственных измерений перенапряжений в действующих сетях. Перенапряжения в действующей сети вызываются искусственно путем проведения специальных опытов, либо регистрируются автоматически в эксплуатации энергосистемы. В данной работе, главным образом, используется автоматическая регистрация, для которой были разработаны и установлены в энергосистемах и системах ЭСН НП регистраторы на электромагнитных счетчиках и самописцах [48,49].
В случае необходимости привлекаются результаты специальных опытов. И, наконец, критерием правильности расчетной методики и непосредственных измерений в действующих сетях является опыт эксплуатации.
При выполнении настоящей работы проведены исследования внутренних перенапряжений, возникающих в различных электрических сетях и системах электроснабжения нефтепромыслов Средней Волги. Измерения выполнялись в полевых условиях с помощью различной аппаратуры.
