Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Положения и принципы обеспечения эмс при перенапряжениях на электроустановках энергоснабжения компрессорных и насосных станций 14
1.1 Электромагнитные процессы, вызывающие перенапряжения в схемах электроснабжения КПНС 14
1.2. Классификация компрессорных перекачивающих и насосных станций, схемы их электроснабжения и краткая характеристика сетей 18
1.3. Методические положения формирования граничных условий, как показателей ЭМС электроустановок сетей электроснабжения КПНС 26
1.4. Стандартизация в области импульсных испытаний изоляции обмоток электрических машин 32
1.5. Характеристики выдерживаемых импульсных напряжений изоляцией ЭД 6-10 кВ, предложенные IEC, NEMA и IEEE 37
ГЛАВА 2. Перенапряжения, возникающие при включении электродвигателя 38
2.1 Анализ физических процессов и электромагнитных помех в виде перенапряжений, сопровождающих включение электродвигателей вакуумными выключателями 38
2.2. Приближенная двухчастотная математическая модель процессов включения вакуумного выключателя 45
2.3. Математическая модель для исследования процессов включения при учете разброса в действии полюсов выключателя 52
2.4. Процессы при включении электродвигателя с учетом разброса в действии полюсов выключателя и ограничение перенапряжений 56
2.5. Ограничение перенапряжений при включении электродвигателей 62
2.6. Выводы по главе 2 64
ГЛАВА 3. Перенапряжения при коммутации отключения вакуумными выключателями электродвигателей КПНС и их ограничение 66
3.1. Анализ физических процессов и электромагнитных помех в виде перенапряжений, сопровождающих отключение электродвигателей вакуумными выключателями 66
3.2. Вероятность и причины повторных зажиганий дуги в дугогасительных камерах электромагнитных, маломасляных, элегазовых и вакуумных выключателей 74
3.3 Моделирование параметров вакуумной дугогасящей камеры выключателя 75
3.4. Перенапряжения при первичном срезе тока в вакуумной камере 83
3.5 Перенапряжения при повторных зажиганиях дуги в вакуумной камере... 88
3.6 Ограничение перенапряжений при отключении электродвигателей 105
3.7 Ограничение перенапряжений при установке защитной ЛС-цепочки 111
3.8 Выводы по третьей главе 115
ГЛАВА 4. Перенапряжения при однофазных дуговых замыканиях на землю в системах электроснабжения КПНС 117
4.1 Математическая модель процессов при ОДЗ 117
4.2 Процессы при дуговых замыканиях на землю 125
4.3. Токи при однофазном замыкании на землю 130
4.4. Результаты компьютерного моделирования процессов при ОДЗ 132
4.5. Выводы по четвертой главе 134
Заключение 135
Библиографический список 138
- Электромагнитные процессы, вызывающие перенапряжения в схемах электроснабжения КПНС
- Анализ физических процессов и электромагнитных помех в виде перенапряжений, сопровождающих включение электродвигателей вакуумными выключателями
- Анализ физических процессов и электромагнитных помех в виде перенапряжений, сопровождающих отключение электродвигателей вакуумными выключателями
- Математическая модель процессов при ОДЗ
Введение к работе
В настоящее время в энергоснабжении предприятий добычи и транспорта нефти и газа большое внимание уделяется согласованию условий нормальной безаварийной и эффективной работы электроустановок (ЭУ), использующих электроэнергию при перекачке продуктов - энергоносителей, а также сопутствующих по технологиям добычи, обработки и транспорта жидкостей и газов. В литературе [9-21] они определяются и объединены общим термином компрессорные, перекачивающие и насосные станции (КПНС).
Не претендуя на исчерпывающую полноту, КПНС по технологическому назначению можно классифицировать следующим образом.
Для перекачки нефти и газа по магистральным нефтепроводам и газопроводам.
Для сжатия попутного газа, который выделяется в сепараторах и подается потребителям вне промысла (газоперерабатывающие заводы и др.).
Для подачи газа в скважины в качестве рабочего агента - на промыслах, где применяют компрессорную эксплуатацию скважин (газлифт).
Для закачки в скважину используют воздух (эрлифтные скважины) -воздушные КПНС.
Для повышения давления газа, направляемого в магистральные газопроводы.
Для внутрипромысловой перекачки нефти от пунктов ее сбора до установок подготовки и товарных парков - дожимные насосные станции.
Для перекачки нефти и подачи жидких химических реагентов и др. на установках подготовки нефти.
Для подъема воды из водоемов, а также для закачки воды в пласт с целью поддержания пластового давления - водяные насосные станции. Водяные насосные установки на промыслах широко применяют для
производственного и бытового водоснабжения, в частности, для питания
водой буровых установок, охлаждения компрессоров и пр.
Наибольшее применение в нефтепромысловых КПНС получили поршневые
компрессоры и в меньшей мере ротационные и центробежные. При этом
требуемая для них мощность для сбора и перекачки нефтяного газа составляет
160-180 кВт, а для повышения давления воздуха или газа, закачиваемого в пласт,
200-220 кВт и приводной электродвигатель обеспечивает нормальный пуск при
моменте на его валу, не превышающем 0,4-0,5 номинального с открытыми в
процессе пуска клапанами компрессора и при условии, что пусковой момент
двигателя не должен быть меньше номинального. Это обеспечивает нормальный
разгон двигателя при нагруженном компрессоре при кратковременных
перерывах или значительных снижениях напряжения в питающей сети.
На промысловых КПНС наибольшее распространение получили асинхронные короткозамкнутые и синхронные двигатели на напряжениях 6 и 10 кВ мощностью 1600-2000 кВт в исполнении, продуваемом под избыточным давлением. Для привода центробежных газовых компрессоров в настоящее время применяются синхронные двигатели на 6 и 10 кВ, в частности серий СТДП и СДКП. При напряжении питания установок до 1000 В применяются асинхронные короткозамкнутые двигатели во взрывонепроницаемом исполнении, например В АО (ВА02), В и др., с мощностями 132-315 кВт на 600-3000 об/мин, и - синхронные, например серии БСДКП.
В процессе работы ЭУ КПНС подвергаются многочисленным внешним и внутренним электромагнитным воздействиям (ЭМВ), а также сами аналогичным образом воздействуют на окружающие объекты и среду. Они появляются в результате случайного или запланированного электромагнитного взаимодействия ЭУ, биологических, экологических и других объектов с внешними источниками энергии или при перераспределении её внутренних запасов в электротехнических комплексах и системах (ЭТКС), электрических сетях (ЭС) и системах электроснабжения (СЭС).
При этом часто нарушаются условия нормальной работы и функционирования как электрооборудования КПНС, так и окружающей среды, то есть электромагнитная совместимость (ЭМС) при разнообразных физических воздействиях, значительную часть из которых составляют электромагнитные воздействия (ЭМВ) с высокой энергонасыщенностью в виде перенапряжений. Их появление вызвано внешними причинами, в основном, атмосферного (грозового) происхождения и внутренними квазистационарными и переходными процессами. Здесь для КПНС, прежде всего, необходимо выделить процессы, сопровождающие режимы замыканий на землю и коротких замыканий, а также процессы, с которыми связаны нормальные и аварийные коммутации в сети.
Поэтому, при проектировании и эксплуатации необходимо обеспечение ЭМС, которое производится на основе комплекса специальных средств и мероприятий, в основном определяемых директивными материалами -Государственными Стандартами РФ, Руководящими Указаниями и документами, правилами устройства, технической эксплуатации электроустановок, экологической и биологической безопасности [9-21], а также международными нормативными документами. Они ориентированы на объекты ЭТКС, ЭС и СЭС и распространяются на любые промышленные, коммунальные, бытовые и лабораторные ЭУ, в том числе и на объекты энергоснабжения КПНС.
При этом необходим учет специфики нефтегазовой отрасли, особенностей технологических процессов и условий работы электрооборудования КПНС. В противном случае это, как правило, приводит к увеличению нарушений электроснабжения и снижению его надежности и качества, возникновению опасности для жизни и здоровья людей. Это и явилось мотивацией подготовки настоящей работы, в которой автор сделал попытку классифицировать и обобщить определения, постановку задач и исследований ЭМС в современных КПНС, дать рекомендации по
7 обеспечению в них ЭМС при проектировании и эксплуатации и применению для этого защитных мероприятий, средств и аппаратов.
Надежная эксплуатация КПНС в значительной степени зависит от безотказной работы электрооборудования их питающих сетей, в том числе высоковольтных двигателей. Согласно опубликованным данным примерно от 4 до 12 % электродвигателей, являющихся основными ЭУ, обеспечивающими наиболее существенные технологические процессы КПНС, выходит из строя в течение года. Анализ отказов показывает, что их доля из-за перенапряжений различных видов составляет 2,5-4 % от общего числа повреждений электродвигателей КПНС, то есть эта доля не столь велика. Однако воздействие перенапряжений может привести к преждевременному интенсивному старению изоляции и выходу двигателя из строя по другим причинам, чему в значительной мере способствуют условия их работы (загрязнение и увлажнение, повышенной температуры, переменные нагрузки и т.д.).
Из-за старения повреждается дополнительно примерно 5-8 % установленных двигателей ежегодно. Повреждения отдельных электродвигателей приводят иногда к последующему выходу из строя нескольких электродвигателей вследствие опасных перенапряжений на сборных шинах. В [15] указывается, что из всего перечня отказов электрооборудования КПНС доминирующими являются отказы в питающих сетях и высоковольтных двигателях.
Таким образом, при воздействиях перенапряжений в сетях КПНС для обеспечения надежной эксплуатации и обоснованного технико-экономического решения проблемы обеспечения ЭМС необходимо разработать неформальное и формальное решение соответствующей канонической задачи ЭМС, теоретические и практические критерии этого решения и технические оценки и мероприятия для наиболее важных электроустановок и аппаратов. Сказанное выше определяет актуальность проблемы и основных направлений данной работы.
8 На основе подробного анализа проблем повышения надежности и обеспечения ЭМС электрооборудования сетей компрессорных станций можно констатировать, что ряд теоретических и технических задач в этом направлении исчерпывающих решений не имеет. Это положение легло в основу определения цели и задач диссертации.
Основными видами перенапряжений в сетях КПНС являются:
перенапряжения при дуговых однофазных замыканиях на землю;
перенапряжения, возникающие при коммутациях включения и отключения присоединений с электрическими двигателями.
Перенапряжения, возникающие при однофазных дуговых замыканиях, охватывающие все электрооборудование, подключенное к секции, существенно зависят от режима заземления нейтральной точки сети собственных нужд. На кратности коммутационных перенапряжений, зона охвата которых ограничена коммутируемым присоединением, режим заземления нейтрали сети практически не оказывает влияния.
В последние годы вопросам анализа и защиты от перенапряжений в сетях средних классов напряжения, к которым относятся и сети 6, 10 кВ КПНС, уделяется достаточно большое внимание. Существенный вклад в решение этой задачи внесли Евдокунин Г.А., Халилов Ф.Х., Кадомская К.П., Заболотников А.П., Тихонов А.А., Гаврилко А.И., Дегтярев И.Л., Кузьмичева К.И., Гольдштейн В.Г., Таджибаев А.И., Ефимов Б.В., Челазнов А.А., Меньшов Б.Г., Алиев Ф.Г., Воздвиженский В.А., Гончаров А.Ф., Козлов В.Б. и др. Однако, однозначного мнения по мерам обеспечения надежной эксплуатации изоляции оборудования этих сетей в настоящее время еще нет. Это, в частности, касается и вопроса заземления нейтрали таких сетей: сети эксплуатируются как с изолированной нейтралью, так и с нейтралью, заземленной через низкоомные или высокоомные резисторы. Внедрение в сети новой коммутационной аппаратуры, в частности, вакуумных выключателей (ВВ), поставило также задачу оптимизации мер защиты от коммутационных
9 перенапряжений - анализа ниш преимущественного использования нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН) и і?С-цепочек.
Очевидно, что решение сформулированных задач должно опираться на разумное сочетание экспериментальных исследований и исследований, проводимых с помощью математических моделей. При этом математические модели постепенно усложняются, что обусловлено как появлением новых экспериментальных данных (например, повреждений электрооборудования при внедрении вакуумных выключателей), так и беспрецедентным ростом возможностей вычислительной техники и исследовательского матобеспечения.
В работе, с точки зрения обеспечения ЭМС, рассматриваются возможности создания условий ограничения электромагнитных помех (ЭМП) в виде перенапряжений, которые возникают в процессе эксплуатации электрооборудования КПНС, входящих в состав систем электроснабжения нефтегазодобычи и магистральных продуктопроводов. При этом реализуется комплексный подход к разработке методов и средств для реализации названного выше ограничения ЭМП, поскольку при решении названных вопросов необходимо учитывать технологические и конструктивные особенности электроустановок, входящих в электротехнические комплексы КПНС.
Основная цель настоящей работы: улучшение обеспечения ЭМС и повышение надежности эксплуатации электрооборудования КПНС на основе комплекса мероприятий по снижению интенсивности и опасности помехоэмиссии ЭМП в виде внутренних перенапряжений.
Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи. Определение критериальных оценок обеспечения ЭМС для реализации
повышения надежности электрооборудования КПНС при коммутациях
присоединений с двигателями вакуумными выключателями и однофазных
дуговых замыканиях на землю (ОДЗ).
Исследование помехоэмиссии перенапряжений, возникающих при ОДЗ и коммутациях ЭД вакуумными выключателями при отсутствии и наличии защитных средств, снижающих опасность высокочастотных импульсов напряжений для витковой и главной изоляции.
Определение комплекса мероприятий и защитных аппаратов для обеспечения ЭМС и улучшения эксплуатационных характеристик электрооборудования КПНС.
Научная новизна определяется следующими положениями и результатами работы.
Научное обоснование критериев обеспечения ЭМС при внутренних перенапряжениях на основе моделей процессов коммутаций присоединений с ЭД вакуумными выключателями и ОДЗ и работы защитных средств.
Математические модели для определения параметров электромагнитной эмиссии внутренних перенапряжений в схемах электроснабжения КПНС без учета и с учетом защитных мероприятий средств и аппаратов.
Улучшение обеспечения ЭМС КПНС путем уменьшения опасных для изоляции ЭД перенапряжений, возникающих при коммутациях вакуумными выключателями, ОДЗ, феррорезонансных явлениях с помощью комплекса эффективных средств и мероприятий. Практическая значимость результатов работы.
Обоснование и рекомендации по применению комплекса защитных средств и мероприятий для повышения надежности эксплуатации электрооборудования в сетях КПНС при коммутациях присоединений и ОДЗ.
Технические мероприятия для снижения перенапряжений (витковых) при включении ЭД: регулировка выключателя на одновременное замыкание контактов для уменьшения времени существования повторных пробоев; регулировка выключателя наоборот по рассогласованию на время,
достаточное для затухания свободных колебаний, определяемое длиной
кабеля и мощностью двигателя. Рекомендации по ограничению кратностей перенапряжений на изоляции
ЭД при их коммутациях и ОДЗ с помощью установки ОПН, і?С-цепочек,
токоограничивающих реакторов, резисторов в нейтралях и др.
Достоверность полученных результатов исследований определяется корректным использованием соответствующего математического аппарата и математических моделей, описывающих переходные процессы в сетях электроснабжения КПНС, вычислительных программных комплексов, обоснованностью принятых допущений и подтверждается удовлетворительным совпадением результатов расчетов и экспериментальных данных.
Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на Всероссийской научн.-техн. конф. ТГУ (Тольятти, 2004 г.), на X и XI-ой Международной научн.-техн. конф. «Радиотехника, электротехника и энергетика» МЭЩТУ), (Москва, 2004, 2005 г. г.), на V-ой Международной научн.-техн. конф. «Эффективность и качество электроснабжения промышленных предприятий», (Мариуполь, 2005 г.), на XXVII сессии Всерос. научн. семинара АН РФ «Кибернетика электрических систем», (Новочеркасск, 2005 г.), на 1-ой Международной научн.-практ. конф. «Энергетика, материальные и природные ресурсы...», (Пермь, 2005 г.), на VI-ой Международной конф. «Современные средства защиты электрических сетей предприятий нефти и газа от перенапряжений», (Самара, 2007 г.). По теме диссертации в периодической научно-технической литературе опубликовано 10 статей, из них 2 по списку ВАК.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников (81 наименования) и двух приложений. Работа проиллюстрирована 24 таблицами, 66 рисунками и изложена на 157 страницах.
В первой главе рассматриваются структуры сетей электроснабжения КПНС, приводятся характеристики основного электрооборудования и излагается классификация КПНС. Проводится анализ электромагнитных процессов, вызывающих перенапряжения в схемах электроснабжения КПНС. Формируются методические положения формирования граничных условий, как показателей ЭМС электроустановок сетей электроснабжения КПНС, рассматриваются вопросы стандартизации в области испытаний изоляции обмоток электрических машин и характеристики выдерживаемых импульсных напряжений изоляцией ЭД 6-10 кВ.
Во второй главе приводятся результаты исследований перенапряжений, которые выполнялись согласно действующему техническому регламенту, определяющему условия и порядок проведения обследований и обслуживания вакуумных выключателей при коммутациях включения электродвигателя. С этой целью выполняется анализ физических процессов, разрабатывается приближенная двухчастотная математическая модель процессов включения вакуумного выключателя и математическая модель для исследования процессов включения при учете разброса в действии полюсов. Даются рекомендации по ограничению перенапряжений при включении электродвигателей.
В третьей главе рассматриваются процессы отключения вакуумными выключателями: ЭД в режиме, близком к холостому ходу; ЭД в пусковом режиме при практически заторможенном роторе с минимальной задержкой времени между моментами замыкания и размыкания контактов выключателя. Строятся соответствующие математические модели, исследуются процессы среза тока и повторного зажигания дуги в вакуумной камере выключателя, даются предложения по ограничению перенапряжений возникающих при коммутациях отключения электродвигателей.
В четвертой главе рассмотрены процессы при ОДЗ в системах электроснабжения КПНС, связанные с возникновением электрической дуги и
13 восстановлением электрической прочности дугового промежутка после погасания дуги и восстанавливающимся напряжением на этом промежутке. Положения, выносимые на защиту.
Критериальный подход к обеспечению ЭМС при внутренних перенапряжениях в системах электроснабжения КПНС.
Улучшение эксплуатационных характеристик систем электроснабжения КПНС различной структуры за счет ограничения кратностей перенапряжений на изоляции статорной обмотки ЭД путем: установки ОПН непосредственно у ЭД или непосредственно за выключателем (при длине кабеля не более 30-40 м), заземления нейтральных точек секций сети через резисторы с сопротивлением порядка 500 + 600 Ом и ОПН, устанавливаемых на каждом присоединении.
Обоснование состава и параметров комплекса защитных аппаратов и мероприятий для обеспечения ЭМС и надежной эксплуатации электрооборудования сетей КПНС при перенапряжениях, в том числе ОПН, оптимальной величины сопротивления резистора в нейтральной точке сети, і?С-цепочек, токоограничивающих и компенсирующих реакторов и др.
Электромагнитные процессы, вызывающие перенапряжения в схемах электроснабжения КПНС
Работа КПНС, в значительной степени зависит от обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) и надежности их электроустановок. Анализ опыта эксплуатации показывает, что повреждения тех или иных элементов систем электроснабжения КПНС в большом числе случаев приводит к частичной разгрузке или даже полной остановке их технологических агрегатов.
В частности, в ряде случаев остановки производственных объектов КПНС происходят из-за повреждения изоляции электродвигателей, кабелей и трансформаторов систем электроснабжения и электроустановок технологических и производственных агрегатов.
Обеспечение ЭМС и, следовательно, надежной эксплуатации КПНС в значительной степени определяется: . соответствием характеристик электрооборудования реальной электромагнитной обстановке; . соответствием помехоэмиссии и помехоустойчивости уровням, регламентированным для конкретных электроустановок КПНС; . заявленной заводами-изготовителями помеховосприимчивостью и уровнем ЭМС основного электрооборудования.
Безотказная работа электрооборудования системы электроснабжения и основного технологического оборудования КПНС и, прежде всего, высоковольтных двигателей в значительной мере зависит от условий их работы. Значительные токовые нагрузки, перегрузки, значительные электродинамические усилия при коротких замыканиях, частые остановки и пуски агрегатов и другие причины определяют особую уязвимость изоляции электрооборудования из-за ускоренного износа и уменьшения электрической прочности. Это приводит к нарушениям обеспечения ЭМС по различным причинам и, в том числе, за счет электромагнитных воздействий (ЭМВ), проявляющихся в виде мощных электромагнитных помех - перенапряжений (ПН). Прямые и косвенные оценки помехоэмиссии (ПЭ) ЭМП в виде ПН и соответствующей помехоустойчивости (ПУ) электрооборудования КПНС определяются по эксплуатационной статистике повреждений электрооборудования в и данным теоретического, математического, прежде всего, компьютерного анализа процессов, приводящих к опасным ЭМВ.
ПН на основных электроустановках в системе электроснабжения КПНС возникают по внешним причинам в результате грозовой деятельности и наиболее частого электроснабжения КПНС по воздушным ЛЭП. В этом случае при непосредственном присоединении высоковольтных двигателей к питающим ЛЭП, в основном 6 - 10 кВ, ограничение помехоэмиссии и, следовательно, защита этих двигателей производится с помощью комплекса таких коммутационных средств, как искровые промежутки, трубчатые, вентильные разрядники, а также нелинейные ограничители перенапряжений. При этом должны быть обеспечены сопротивления заземляющих устройств в соответствие с директивными требованиями руководящих документов [9-21].
Для мощных КПНС питание высоковольтных двигателей производится по ЛЭП 35 -s- 220 кВ через понижающие трансформаторные подстанции. В этих случаях обеспечение ЭМС и защита от грозовых перенапряжений производится с помощью стандартных мероприятий по обеспечению грозо-упорности ЛЭП и подстанций [69].
Отметим, что в этом случае одним из наиболее эффективных решений является применение каскадных схем с установкой защитных аппаратов "по ходу волны". В этих схемах защиты создаются также оптимальные условия для подавления помехоэмиссии внутренних перенапряжений на высокой стороне подстанции и ограничение ее при переходе на сторону питания основных ЭД КПНС.
Однако одним из источников наиболее опасных ЭМВ в виде ПН для электрооборудования КПНС являются однофазные дуговые замыкания на землю (ОДЗ) в сети питания основных электродвигателей. Перенапряжения при ОДЗ возникают из-за неустойчивого горения дуги, ток подпитки которой определяется емкостными параметрами оборудования. Наиболее существенным фактором, определяющим помехоэмиссию ЭМВ в виде перенапряжений в этом случае являются характеристики горения дуги, которые существенно зависят от места ее возникновения.
Электродвигатели КПНС работают в условиях, характеризующихся электродинамическими воздействиями при пусках, в результате которых происходит достаточно быстрый износ изоляции ЭД. Дефекты в изоляции развиваются достаточно быстро, снижая ее электрическую прочность до столь низкой величины, что пробой может наступить в режиме нормальной эксплуатации или при перенапряжениях, незначительно превышающих рабочее напряжение [15].
В исследованиях, рассматривающих вопросы надежности высоковольтных ЭД и анализирующих их повреждаемость на НПС, приводятся различные данные об удельных характеристиках повреждаемости. Так, например, в [15-17], показано, что средняя удельная годовая повреждаемость ЭД составляет 4% от общего числа установленных двигателей. В [16] указывается, что в зависимости от типа двигателя и блока этот показатель лежит в пределах от 4 до 17,5% в год. В [29] по результатам исследования надежности ЭД сделан еще более серьезный вывод о том, что удельная повреждаемость в течение года может достигать 13-38% от установленных ЭД.
Основной причиной выхода из строя ЭД является повреждение обмотки статора: согласно [15,16 и др.] - 75-85% всех случаев. В 50-70% случаев это повреждения витковой, корпусной и междуфазной изоляции. По данным [15-29] значительная часть повреждений ЭД обусловлена электрическим пробоем изоляции в результате ее старения и воздействия на обмотку статора перенапряжений.
Системы питания в энергоснабжении перекачивающих станций различного назначения, а также компрессорных станций на магистральных газо- и нефтепроводах имеют близкую структуру, так как обеспечивают, в основном, пита 17 ниє электрических двигателей, используемых в соответствующем технологическом процессе. Однако назначение сети энергоснабжения названных объектов обуславливает некоторые особенности в их компоновке, что приводит к необходимости более детального анализа ЭМВ того или иного вида в зависимости от назначения сети.
ЭМВ и, прежде всего перенапряжения, воздействующие на изоляцию оборудования КПНС можно подразделить на два основных вида: Локальные перенапряжения, зона действия которых распространяется на отдельные присоединения, возникающие при коммутациях присоединений с двигателями, Интегральные перенапряжения, охватывающие все электрооборудование сети, возникающие при однофазных дуговых замыканиях на землю (ОДЗ). Перенапряжения первого вида, возникающие при коммутациях двига телей, зависят в основном, от параметров присоединений с двигателями - от протяженности кабелей и мощности двигателей. В случае достаточно мощ ных двигателей последние присоединяются к шинам питающей подстанции через токоограничивающие реакторы. Последнее обстоятельство привносит некоторые особенности в протекание электромагнитных процессов, сопро вождающих, в частности, включение двигателей. Поэтому процессы вклю чения двигателей рассматривались применительно к СЭС перекачивающих и компрессорных станций, на которых установлены, как правило, достаточ но мощные двигатели.
Анализ физических процессов и электромагнитных помех в виде перенапряжений, сопровождающих включение электродвигателей вакуумными выключателями
Перенапряжения, возникающие при включении присоединений с двигателями зависят от условий включения и могут классифицироваться следующим образом: включение заторможенного двигателя; включение двигателя в процессе автоматического повторного включения (АПВ); включение в цикле АВР (автоматического ввода резерва); включение на неустраненное металлическое замыкание в тех схемах, в которых защита двигателя от замыканий на землю срабатывает не на отключение, а на сигнал.
Включение электродвигателя ВВ сопровождается повышением напряжения, как между витками, так и относительно земли. Основными причинами возникновения этих перенапряжений являются кратковременные повышения напряжений, вызванные свободными колебаниями в системе кабель-электродвигатель, а также волновые процессы, представляющие собой высокочастотные колебания, вызванные отражениями и преломлениями волн на стыках неоднородностей электрической цепи.
Особенность процесса включения заключается в том, что подача напряжения на фазы электродвигателя происходит неодновременно.
При смыкании контактов ВВ, в определенный момент электрическая прочность одного из вакуумных промежутков становится меньше приложенного к нему напряжения и он пробивается. Возникает электромагнитная волна, распространяющаяся в обе стороны от выключателя. Дойдя до места стыка кабеля и двигателя, часть ее проникает в двигатель, а часть отражается. При этом кратность напряжения на зажимах электродвигателя при отражении электромагнитной волны от места соединения кабель-двигатель достигает практически двойного значения по отношению к амплитуде падающей волны.
Процесс заряда емкости кабеля первой включившейся фазы сопровождается протеканием через вакуумный промежуток высокочастотного тока, зависящего от параметров кабеля и величины емкости со стороны шин, питающих присоединение. При переходе его через ноль, в силу известной способности вакуумных промежутков обрывать высокочастотные токи, дуга гаснет. На контактах начинает восстанавливаться напряжение и в определенный момент возникает новый пробой; на обмотку двигателя вновь падает волна напряжения. Поскольку контакты сближаются, амплитуда перенапряжений при каждом следующем пробое будет уменьшаться, а их частота возрастать.
Если смыкание контактов отдельных фаз происходит с разбросом, то после подключения третьей фазы за счет ее гальванической связи с другими фазами через нейтраль ЭД, а также за счет электромагнитных и электростатических связей с другими фазами происходит заряд емкостей невключившихся фаз. Процесс заряда сопровождается обменом энергией между емкостью кабеля и индуктивностью двигателя и представляет собой свободно затухающие колебания с частотой 1,2 7,5 кГц (рис. 2.1).
Переходные процессы, сопровождающие включение первой и второй фаз также могут сопровождаться повторными зажиганиями и погасаниями дуги в межконтактном промежутке, причем начальные условия, характеризующие напряжения на разных полюсах ВВ перед их первым пробоем будут существенно отличаться от условий, которые имели место при включении первой фазы. Кроме того, ток, обрывающийся в вакуумном промежутке при подключении третьей фазы, будет содержать составляющую пускового тока электродвигателя. Все это, как правило, приводит к более высоким кратностям перенапряжений на присоединении.
Очевидно, что импульсные перенапряжения, образующиеся при повторных пробоях межконтактного промежутка, будут представлять опасность главным образом для витковой изоляции электродвигателя.
Как показывает анализ работы вакуумных выключателей ВБКЭ, включение ЭД в подавляющем большинстве случаев происходит с повторными пробоями межконтактного промежутка и с возникновением высокочастотных перенапряжений.
Фаза А на рис. 2.2 в процессе включения ЭД вакуумным выключателем ВБКЭ-10 включается практически на максимуме напряжения промышленной частоты отрицательной полярности. Сближение контактов этой фазы сопровождается повторными пробоями вакуумного промежутка и последующим зарядом емкостей невключившихся фаз через нейтраль двигателя.
Процесс заряда сопровождается свободными затухающими колебаниями частотой « 2,0 кГц. В момент смыкания контактов фаз С и В происходит перезаряд их фазных емкостей относительно земли, причем напряжение на фазе В со стороны шин, питающих присоединение, в этот момент проходит через свой положительный максимум. Перезаряд емкости этой фазы приводит к возникновению высокочастотного процесса повторных пробоев вакуумного промежутка с кратностью ЭМП в виде перенапряжений до 2,\Щт и максимумом высокочастотного тока, сопровождающего процесс перезаряда около 400 А. Процесс включения фазы А на положительной полярности напряжения промышленной частоты аналогичен описанному выше. Кратность перенапряжений на фазе В составила \,9Щт.
Включение фазы А происходит сразу после прохождения напряжения сети через ноль. Процесс повторных пробоев наблюдается уже на фазе С и носит затяжной характер.
После подключения первой фазы А, примерно через 0,8 мс возникает кратковременный отскок ее контактов. При этом за счет конструктивных особенностей выключателя создаются условия для длительного существования повторных пробоев в вакуумных промежутках фаз В и С, так как ВВ ВБКЭ-10 имеет общий привод на все три фазы с одним главным поворотным валом, одновременно толкающим подвижные контакты полюсов.
Анализ физических процессов и электромагнитных помех в виде перенапряжений, сопровождающих отключение электродвигателей вакуумными выключателями
Процессы, возникающие при отключении вакуумным выключателем вращающегося ЭД в большинстве случаев связаны с появлением электромагнитных помех в виде опасных коммутационных перенапряжений, связанных со срезом тока в вакуумной дугогасительной камере.
Если контакты, несущие ток, размыкаются в вакууме, весь ток устремляется к последней оставшейся точке контакта, вызывая интенсивный местный нагрев в этой точке. При дальнейшем разведении контактов формируется мостик из расплавленного металла, который, вследствие огромной плотности тока в нем, мгновенно разогревается и взрывается, создавая дугу в среде ионизированных металлических паров, образовавшихся в результате взрыва [42]. Возникшая электрическая дуга поддерживает высокую проводимость межконтактного промежутка и позволяет току протекать между контактами, как будто они остались замкнутыми. Таким образом, дуга в вакууме представляет собой дугу в среде сильно ионизированного металлического пара. Носители тока попадают в межэлектродный промежуток с катода через точечные источники тока, называемыми катодными пятнами.
Незадолго до нуля тока концентрация паров металла становится недостаточной для поддержания горения дуги, а высокая скорость диффузии паров металла из ствола дуги приводит к ее распаду раньше, чем ток пройдет через нулевое значение - дуга гаснет. Причиной погасания дуги являются также высокочастотные колебания, возникающие вследствие неустойчивости процессов на катоде. Они налагаются на ток промышленной частоты и приводят к его преждевременному отключению (рис. 3.1). Явление погасания дуги в вакуумной камере до естественного перехода тока промышленной частоты через нулевое значение получило название «срез тока».
В результате среза тока магнитная энергия, запасенная в индуктивности двигателя, переходит в электростатическую энергию суммарной емкости присоединения. Процесс обмена энергией между емкостными и индуктивными элементами схемы может привести к высоким кратностям перенапряжений на оборудовании относительно земли. Частота процесса обычно не превышает 1,2 + 7,5 кГц (рис. 3.2).
Коммутационные перенапряжения, обусловленные током среза, тем меньше, чем ниже его уровень и меньше характеристическое (волновое) сопротивление присоединения (контур «индуктивность двигателя - емкость кабеля»).
Как правило, повторных пробоев межконтактного промежутка при отключении развернувшегося ЭД не происходит. После отключения двигатель с вращающимся по инерции ротором является источником ЭДС, совпадающей по фазе и частоте с напряжением сети. Поэтому, если величина тока среза невелика и контакты выключателя расходятся достаточно быстро, то восстанавливающееся на них напряжение, равное разности напряжения сети и напряжения на нагрузке, имеет малую амплитуду и не превышает электрическую прочность промежутка. Однако, в некоторых случаях отключение электродвигателя происходит с повторными пробоями межконтактного промежутка на фазе В (рис. 3.3). Повторные зажигания дуги в этом случае происходили вследствие низкой скорости размыкания контактов (затирание движущихся частей привода). Серии пробоев (не представляющих опасности для изоляции двигателя) продолжались до тех пор, пока контакты ВВ не разошлись на расстояние, при котором восстанавливающееся на них напряжение не превышало электрическую прочность промежутка. Отключение выключателя при коротком кабеле, питающем электродвигатель (наименьшая длина среди таких присоединений около 40 м) и, соответственно, высокой частоте свободных колебаний восстанавливающегося на контактах напряжения, чаще всего сопровождается возникновением одного повторного пробоя на первой отключаемой фазе. Это связано с недостаточной электрической прочностью межконтактного промежутка в начальный момент разведения контактов, что приводит к появлению повторного зажигания дуги и высокочастотному процессу, при котором ток в вакуумном промежутке обрывается при переходе через ноль. Повторное зажигание дуги ограничивает перенапряжения, однако, возникающий при этом импульс напряжения, воздействует на витковую изоляцию двигателя, как и при его включении. Отмечено также, что отключение вращающегося электродвигателя ВВ без повторных пробоев сопровождается свободными затухающими колебаниями напряжения со стороны нагрузки. Можно также констатировать отсутствие протекания импульсов тока через ОПН. По результатам проведенного анализа процессов отключения развернувшихся электродвигателей токи среза для вакуумных камер КДВХ-10-20/630 выключателей ВВТЭ-М составляют. Процессы, возникающие при отключении вакуумным выключателем ЭД, находящегося в процессе разворота в пусковом режиме в большинстве случаев связаны с появлением электромагнитных помех в виде опасных коммутационных перенапряжений. Среди всех коммутаций, отключение ЭД в пусковом режиме является коммутацией, сопровождающейся наибольшими уровнями перенапряжений. В эксплуатации процесс отключения неразвернувшегося ЭД может иметь место в следующих случаях: в результате действия релейной защиты и автоматики в момент пуска, в том числе и при их ложном срабатывании; при отключении затяжных пусков (например, при глубоких посадках напряжения в питающей сети); при ошибках и нарушениях эксплуатационным персоналом технологических инструкций (ЭД запущен по ошибке и тут же отключается; кратковременное включение ЭД с целью определения правильности его вращения); при отказе выключателя в конце операции включения, из-за нечеткой работы кинематики привода. Ситуации отключения электродвигателя, находящегося в режиме незаконченного пуска (неразвернувшегося) в схемах электроснабжения КПНС появляются в результате действия многочисленных технологических защит и устройств дистанционного управления выключателем. При отключении электродвигателя в процессе его разгона возможны коммутационные перенапряжения, как от среза тока, так и от эскалации напряжения - явления, характерного только для вакуумных выключателей.
Математическая модель процессов при ОДЗ
Перенапряжения при однофазных дуговых замыканиях на землю возникают из-за неустойчивого горения дуги, характеристики которой, которые зависят от места её возникновения и в большинстве случаев информация о ней недостаточна. Ток подпитки дуги определяется емкостными параметрами сети и электрооборудования.
В системах электроснабжения КПНС названные дуги возникают на выводах ЭД. При замыкании между жилами и металлической оболочкой КЛ часто происходит довольно быстрое обгорание в выводных коробках и переход дугового замыкания в устойчивое замыкание. При этом напряжение повторных зажиганий дуги с каждым разом уменьшается вместе с уровнем перенапряжений. Исследование этих процессов в связи с отмеченным выше недостатком информации по характеристикам дуги проводится при приближенном представлении дуги в виде малого (или даже нулевого) постоянного сопротивления (например, при ОДЗ в кабельных сетях).
Отмечается также недостаток информации по характеристикам и данным о процессе восстановления электрической прочности дугового промежутка после погасания дуги и восстанавливающимся напряжением на этом промежутке. Сравнение этих двух факторов определяет процессы, связанные с повторными зажиганиями дуги. Строго говоря, восстанавливающееся напряжение также зависит от характеристик дугового канала после погасания дуги. Очевидно, что рассмотренные процессы при ОДЗ носят случайный характер и определяются, в основном следующими случайными факторами: - моментом первичного зажигания дуги (при записи э.д.с. источника в виде eA(t) = Emcos(a t+y/) случайной величиной является угол зажигания дуги \/); - моментом погасания первичной дуги. Как правило, дуга гаснет в момент прохождения полного тока дуги через нулевое значение. Однако, гашение может произойти не при первом прохождении тока через нулевое значение, так как существенным фактором является скорость подхода тока к нулю. Следует отметить, что к наибольшим перенапряжениям приводит гашение дуги в момент первого прохождения тока дуги через нулевое значение; - моментом вторичного зажигания дуги, зависящим от условий горения дуги и от скорости восстановления электрической прочности промежутка после погасания дуги. Если дуга горит в кабеле, питающем ЭД то, как известно, напряжения повторного зажигания дуги с увеличением их номера уменьшаются. Поскольку, как уже указывалось выше, условия горения дуг весьма разнообразны, то при анализе перенапряжений целесообразно рассматривать наиболее неблагоприятные условия дуговых процессов, к которым можно отнести: зажигание дуги в момент максимума э.д.с, вторичное зажигание дуги в момент максимума э.д.с, но другой полярности, гашение дуги в первый момент прохождения тока дуги через нулевое значение. Следует отметить, что опыты, воспроизводящие дуговые замыкания в сети, не позволяют выявить истинный характер процессов, поскольку они практически всегда неполностью отражают условия горения дуги в реальных условиях. Более достоверная информация может быть получена при регистрации параметров процессов ОДЗ в условиях эксплуатации, с одной стороны, с точки зрения изучения физики ОДЗ, особенно, при сопровождающих их многоместных повреждениях, которые, в основном, связаны с местами с ослабленной изоляцией. С другой стороны, это дает фактический материал для уточнения моделей, используемых при компьютерных экспериментах ОДЗ могут возникать и при феррорезонансных процессах, причиной появления которых является насыщение магнитопроводов трансформаторов напряжения (ГО) при погасании дуги в процессе ОДЗ, так как при этом на ТН возникают значительные перенапряжения. Как правило, феррорезонансные явления 119 возникают в сетях, характеризующихся малыми емкостями, так как мощность трансформаторов напряжения для контроля изоляции типа, например, НТМИ невелика. Поэтому в кабельных сетях, как правило, вероятность возникновения опасных феррорезонансных явлений существенно ниже, чем в воздушных сетях.
