Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Актуальность проблемы дуговых перенапряжений в судовых электроэнергетических системах 11
1.1. Особенности и последствия дуговых перенапряжений в судовых электроэнергетических системах 11
1.2. Учет дуговых перенапряжений при комплексной оценке эффективности вариантов защиты от однофазных замыканий 16
1.3. Состояние исследований в области дуговых перенапряжений в низковольтных электроэнергетических системах 28
1.4. Постановка задач исследований дуговых перенапряжений в судовых электроэнергетических системах 33
Глава 2. Исследование дуговых перенапряжений в электроэнергетических системах с изолированной нейтралью 36
2.1. Результаты экспериментальных исследований дуговых перенапряжений на физической модели низковольтной электроэнергетической системы 36
2.2. Анализ соответствия результатов регистрации дуговых перенапряжений в условиях низковольтных электроэнергетических систем классическим теориям 45
2.3. Исследование дуговых перенапряжений на основе анализа устойчивости заземляющей дуги 50
2.4. Расчетная модель наибольших значений дуговых перенапряжений 64
2.5. Выводы по второй главе 67
Глава 3. Дуговые перенапряжения в судовых электроэнергетических системах с неэффективным заземлением нейтрали 68
3.1. Ограничение дуговых перенапряжений путем резистированного заземления нейтрали 68
3.2. Влияние компенсации тока однофазного замыкания на процесс развития дуговых перенапряжений в судовых электроэнергетических системах 77
3.3. Перенапряжения при комбинированном заземлении нейтрали
3.4. Выводы по третьей главе 91
Глава 4. Разработка и испытание устройств защиты от дуговых перенапряжений судовых электроэнергетических систем на основе неэффективного заземления их нейтралей 93
4.1. Предотвращение феррорезонансных процессов при дуговых перенапряжениях в электросистемах с компенсацией тока однофазного замыкания 93
4.2. Выбор способа заземления нейтрали судовых электроэнергетических систем 106
4.3. Испытания устройства неэффективного заземления нейтрали судовой электроэнергетической системы 110
4.4. Технико-экономическая оценка последствий изменения режима нейтрали в судовых электроэнергетических системах 124
4.5. Выводы по четвертой главе 127
Заключение 128
Список используемых сокращений и обозначений 131
Словарь терминов 134
Список использованных источников
- Состояние исследований в области дуговых перенапряжений в низковольтных электроэнергетических системах
- Анализ соответствия результатов регистрации дуговых перенапряжений в условиях низковольтных электроэнергетических систем классическим теориям
- Влияние компенсации тока однофазного замыкания на процесс развития дуговых перенапряжений в судовых электроэнергетических системах
- Выбор способа заземления нейтрали судовых электроэнергетических систем
Введение к работе
Актуальность темы. Статистические данные по аварийности морских флотов подтверждают высокую опасность электрических замыканий как одного из важнейших источников пожарной аварийности морской техники. Главным образом возможность развития общесудовых пожаров обусловлена уровнем опасности однофазных замыканий на корпус (03). Они возникают в результате повреждений изоляции между одной из фаз и корпусом судна. В отличие от других видов замыканий, происходящих в судовых электроэнергетических системах (СЭЭС), однофазные замыкания не отключаются соответствующей защитой, а тяжесть их последствий определяется свойствами всего бортового электроэнергетического комплекса.
Применяемый сейчас способ защиты судов от опасных последствий 03 сводится к использованию в бортовых электросистемах режима изолированной нейтрали. Он отличается предельной простотой и низкой стоимостью реализации. Однако его применение способно обеспечить безопасность 03 в электросистемах ограниченной группы судов с невысоким уровнем электроэнерговооруженности. Если же морская техника оснащена достаточно большим количеством потребителей и разветвленными кабельными сетями, что особенно характерно для новых судов, то режим изолированной нейтрали может не обеспечить необходимый уровень безопасности 03. В условиях постоянного роста электроэнерговооруженности состава морских флотов опасность 03 неуклонно растет. Этому способствуют и некоторые другие долговременные тенденции в развитии флота, в частности, повышение среднего возраста действующих судов и быстрое увеличение материального ущерба, который может быть нанесен судовым пожаром. В результате на фоне снижения общей аварийности морских судов имеет место рост опасности и относительного числа крупных судовых пожаров. В связи с этим очевидна важность и актуальность совершенствования защиты нынешнего и перспективного составов отечественных флотов от опасных последствий 03.
Изменение способа защиты судовых электросистем от 03 затрагивает целый комплекс их эксплуатационных свойств. Причем некоторые из этих свойств могут существенно ухудшаться при улучшении других. Поэтому задача выбора варианта защиты от 03, альтернативного применяемому сейчас, должна решаться с одновременным учетом всех основных видов угроз, связанных с 03. Сопоставление по влиянию на эти угрозы вариантов защиты, уже получивших распространение в промышленных электроустановках средних и низких классов напряжения, показало, что наибольший защитный эффект достигается путем перевода СЭЭС из режима изолированной нейтрали в режим ее неэффективного заземления. Подобные технические решения практически не встречаются в электроустановках действующих судов, хотя Российские морской и речной регистры уже приняли необходимые поправки в своих Правилах, допускающие применение судовых электросистем с неэффективно заземленными нейтралями.
Широкому распространению более безопасных электросистем с неэффективным заземлением нейтрали препятствует недостаточная изученность целого ряда важных последствий их применения. В частности,
остается недостаточно исследованным влияние режима нейтрали на один из важнейших показателей опасности СЭЭС при возникновении 03 в виде максимальной величины дуговых перенапряжений, способных развиться в бортовых электроустановках. Дуговые перенапряжения возникают при замыкании фазы на корпус через неустойчивую заземляющую дугу, достигая больших величин и охватывая всю бортовую изоляцию в любой части судна.
Механизм развития максимальных дуговых перенапряжений довольно сложен. Нынешний уровень его теоретического и экспериментального изучения недостаточен для обоснованного сопоставления вариантов защиты СЭЭС от опасных последствий 03. Кроме того, оценка предельных величин дуговых перенапряжений имеет большое самостоятельное значение. Она составляет основу для установления уровней изоляции бортового электрооборудования и для совершенствования способов ее профилактических испытаний. Ограничение дуговых перенапряжений, невозможное без глубокого понимания механизма их развития, позволяет существенно замедлить старение изоляции всего бортового электроэнергетического комплекса и уменьшить аварийность судов из-за отказов силовой полупроводниковой техники. Проблема осложняется тем, что сделанные с использованием известных теорий оценки дуговых перенапряжений расходятся с результатами их регистрации в низковольтных СЭЭС. Устранение перечисленных выше пробелов в определении максимальных величин дуговых перенапряжений, а также в разработке способов их ограничения на основе изменения режима нейтрали в СЭЭС составляет предмет настоящего диссертационного исследования.
Объектом исследований диссертационной работы являются дуговые перенапряжения, развивающиеся в судовых электроэнергетических системах переменного тока напряжением до 1 кВ с изолированными или неэффективно заземленными нейтралями.
Целью диссертационной работы является повышение надежности и безопасности СЭЭС путем снижения предельных значений дуговых перенапряжений средствами неэффективного заземления нейтрали.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
разработка расчетной модели для определения предельных значений дуговых перенапряжений в низковольтных СЭЭС с изолированной нейтралью;
разработка теоретической модели развития максимальных величин дуговых перенапряжений в СЭЭС при использовании в них неэффективного заземления нейтрали;
- разработка способов предотвращения феррорезонансных явлений,
возникающих при дуговых перенапряжениях и оказывающих негативное
влияние на их формирование в СЭЭС с компенсацией емкостного тока 03;
- разработка средств ограничения дуговых перенапряжений, позволяющих
одновременно с этим обеспечивать безопасные значения токов однофазных
замыканий на корпус.
Методы исследований. При выполнении диссертационной работы на этапе постановки цели и задач исследований использовались методы теории принятия решений и методы экспертных оценок. При решении поставленных
задач применялись методы анализа электрических цепей, методы теории устойчивости, численные методы решения систем дифференциальных уравнений на ЭВМ, а также методы программирования в системе Mathcad. Экспериментальные исследования переходных процессов при однофазных замыканиях проводились на физической модели СЭЭС и в электросистеме действующего судна с использованием современной регистрирующей аппаратуры. При обработке результатов экспериментов были применены методы математической статистики, а также методы теории погрешностей. Научная новизна работы заключается в следующем:
разработана модель расчета максимальных величин дуговых перенапряжений в низковольтных электроэнергетических системах с изолированной нейтралью, отличительными особенностями которой являются установление областей применения известных теорий Петерса-Слепяна и Белякова на основе анализа устойчивости и уточнение теории Белякова на основе исследования электрической прочности последугового промежутка;
- разработана модель формирования дуговых перенапряжений в
низковольтных судовых электроэнергетических системах с режимами
неэффективного заземления нейтрали, отличающаяся тем, что она основана на
анализе процесса восстановления разрядного напряжения дугового промежутка
после гашения заземляющей дуги и учитывает влияние разделительной емкости
на процесс восстановления напряжения поврежденной фазы;
выявлены условия возникновения феррорезонансных явлений, сопровождающих дуговые перенапряжения в судовых электроэнергетических системах с компенсацией тока однофазного замыкания.
Полученные в ходе выполнения работы результаты представляют практическую ценность:
установлены предельные величины дуговых перенапряжений, что позволяет уточнить уровни изоляции судового электрооборудования и испытательные напряжения для судовых электронных устройств;
разработан класс устройств заземления нейтрали, действие которых направлено на уменьшение дуговых перенапряжений при одновременном обеспечении безопасной величины токов однофазных замыканий в низковольтных судовых электроэнергетических системах;
- предложен способ предотвращения феррорезонансных явлений при возникновении неустойчивых заземляющих дуг в низковольтных судовых электроэнергетических системах с компенсацией емкостных токов однофазных замыканий на корпус.
Положения, выносимые на защиту:
1. Впервые выявлено, что максимальные значения дуговых
перенапряжений в низковольтных электросистемах с изолированной нейтралью
могут быть определены на основе известного подхода Петерса - Слепяна и
скорректированного подхода Белякова, а области применения данных подходов
определяются устойчивостью заземляющей дуги.
2. Показано, что перевод СЭЭС из режима изолированной нейтрали в
режим ее неэффективного заземления приводит к снижению дуговых
перенапряжений, которое происходит за счет процесса перераспределения зарядов между емкостями электросети и устройства заземления нейтрали после гашения заземляющей дуги.
3. Показано, что при дуговых перенапряжениях в СЭЭС с компенсацией тока 03 возможно возникновение феррорезонансных процессов, способствующих их увеличению, а устранение опасности этих процессов может быть достигнуто на основе предложенных критериев выбора параметров устройства заземления нейтрали.
Теоретическая и практическая значимость работы
Теоретическая значимость работы обусловлена ее новизной и заключается в развитии научного направления, связанного с исследованием дуговых перенапряжений. Полученные результаты представляют собой обобщение известных теорий дуговых перенапряжений в системах с изолированной нейтралью и разработку новых подходов к расчету этого вида перенапряжений в системах с иными режимами нейтрали при их реализации в судовых условиях.
Реализация результатов работы. Результаты работы были использованы при корректировке раздела 4.1 «Системы распределения» Правил Российского речного регистра,. Результаты диссертационной работы применялись в процессе выполнения НИОКР по теме «Устройства заземления нейтрали судовых электросетей», Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (Пр. № 7965 от 2009 г.; Пр. № 13980 от 2011 г.). Кроме того, в процессе выполнения НИР по темам: «Разработка и изготовление макетных образцов низковольтных учебно-исследовательских стендов по электротехническим дисциплинам» (Per. №01201250715; Инв.№ 02201261009), «Совершенствование устройств защитного заземления нейтрали для электроэнергетических систем рыбопромысловых судов» (Per. № 01201264354; Инв.№ 02201351867), «Анализ устойчивости заземляющей дуги в низковольтных электросистемах с режимом неэффективного заземления нейтрали» (Per. № 01201364339; Инв.№02201450729), а также при выполнении НИР по теме «Разработка Руководства по выбору, установке и эксплуатации устройств заземления нейтрали в системах распределения электрической энергии на судах с классом РРР» № 12- 45.2.1, по договору с ФГУ «Российский речной регистр» № Р 92/10.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, выставках и форумах: Международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии, машины и механизмы в машиностроении» (Балттехмаш - 2006), г. Калининград, 2006 г.; Международной научной конференции «Инновации в науке и образовании-2005», г. Калининград, 2005 г.; V Международной научной конференции «Инновации в науке и образовании-2007», г. Калининград, 2007 г.; VI юбилейной Международной научной конференции «Инновации в науке и образовании-2008», г. Калининград, 2008 г.; десятой Российской научно-технической конференции по электромагнитной совместимости технических средств и электромагнитной безопасности
«ЭМС - 2008», г. Санкт-Петербург, 2008г.; Пятой Всероссийской конференции «Ограничение перенапряжений. Режимы заземления нейтрали. Электрооборудование сетей 6-35 кВ», г. Новосибирск, 2008 г.; межвузовской научной конференции аспирантов, соискателей и докторантов «Научно-технические разработки в решении проблем рыбопромыслового флота и подготовки кадров», г. Калининград 2009 г.; VII международной научной конференции «Инновации в науке и образовании - 2009» г. Калининград, 2009 г.; IX Международной Конференции «Морская индустрия, транспорт и логистика в странах региона Балтийского моря: новые вызовы и ответы» г. Светлогорск, 2011 г.; XI Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи, г. Москва, 2011 г.; X международной конференции «Инновации в науке, образовании и бизнесе - 2012», г. Калининград, 2012 г.; XI международной конференции «Инновации в науке, образовании и бизнесе - 2013», г. Калининград, 2013 г.; II Балтийском морском форуме, в г. Светлогорск, 2014 г.; XII международной конференции «Инновации в науке, образовании и бизнесе - 2014», г. Калининград, 2014 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 43 работы, в том числе 4 статьи в изданиях ВАК, 5 патентов на изобретение, 2 авторских свидетельства на программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, включающего 182 наименования, и 6 приложений. Основная часть работы изложена на 154 страницах, включающих 63 рисунка, 8 таблиц.
Состояние исследований в области дуговых перенапряжений в низковольтных электроэнергетических системах
Обычно доля однофазных заземляющих замыканий в общем количестве всех возможных замыканий в несколько раз превышает долю прочих замыканий, вместе взятых. Поэтому в процессе эксплуатации СЭЭС нельзя не учитывать возможность их возникновения. С 03 связано большинство неисправностей судового электрооборудования. Это может быть подтверждено, например, статистикой распределения затрат при ремонте электрооборудования рыбопромысловых судов. Согласно этой статистике, значительная часть расходов связана с устранением последствий однофазных повреждений изоляции [21]. Из этих расходов 56 % идут на ремонт электродвигателей, основной причиной выхода из строя которых является повреждение изоляции статорной обмотки [36, 70, 76, 102, 137, 175], в большинстве случаев происходящее в виде 03. Значительная часть расходов связана с ремонтом судовых кабелей. Известно, что более 70 % их неисправностей также связано с повреждениями изоляции между фазой и корпусом [103]. Согласно [44, 118], 40-50% 03 происходит в сетях освещения, а 25-40% - в аппаратуре управления электроприводами.
В [123, 161, 165] приводятся различные классификации 03, однако наибольший интерес представляют замыкания, сопровождающиеся дуговыми и искровыми процессами. Они связаны со значительными перенапряжениями, развивающимися между неповрежденными фазами и корпусом судна. Достигая одних из самых больших кратностей среди всех видов перенапряжений, возможных в СЭЭС [23, 92], эти перенапряжения воздействуют на все элементы бортовой электросистемы, находящиеся под напряжением. Их воздействие опасно для судовой электроники и для изоляции силового электрооборудования. Они способны порождать серьезные сетевые помехи работе различных бортовых комплексов управления и связи. Подробный анализ влияния помех на электронные устройства приводится в работах [6, 39, 40, 93, 171, 182]. В [47] отмечается, что подавляющее большинство современных судовых средств навигации содержит цифровые узлы или схемы, восприимчивые к воздействиям перенапряжений. Перенапряжения большой кратности способны приводить к ложным командам, изменению информации, к зависанию и даже разрушению этого оборудования [47].
В [93] приводится следующий список судового оборудования неустойчивого к воздействию перенапряжений: радиотехнические средства (устройства связи и навигации); микропроцессорные системы обработки информации, входящие в состав судовых устройств управления; средства судовой автоматики (автоматические синхронизаторы судовых генераторов, регуляторы напряжения и др.); силовая электроника; системы автоматизации технологического оборудования, находящегося на судне. В [72] отмечается неблагоприятное влияние перенапряжений на силовые конденсаторы.
Однако наибольшая опасность дуговых перенапряжений связана с их воздействием на изоляцию силового электрооборудования. Опасность обусловлена тем, что перенапряжения способствуют увеличению интенсивности старения изоляции и могут привести к пробою ее ослабленных участков. В результате такого пробоя 03 может перейти в более опасный вид замыкания -двухфазное замыкание через корпус. Такое замыкание, возникшее в обмотке электрической машины, вызывает ее выход из строя. Однако более опасны междуфазные замыкания двух фаз через корпус, которые возникают в кабельных трассах. Они могут не отключаться защитой довольно продолжительное время, поскольку их токи ограничены значительными переходными сопротивлениями, сохранившимися в точках повторного повреждения корпусной изоляции сети. Это приводит к тому, что токи замыкания по величине оказываются меньше уставок срабатывания защиты от коротких замыканий. Более того, две точки, через которые после пробоя осуществляется контакт фаз с корпусом, могут оказаться в разных помещениях судна. Под действием тока замыкания в этих точках могут образоваться две мощные заземляющие дуги. С их появлением чрезвычайно высокой становится вероятность возникновения и быстрого развития обширного пожара, даже несмотря на то, что в судовых кабелях используются только не распространяющие горение материалы [27]. Горение далее интенсивно развивается благодаря мощной подпитке очагов огня энергией бортовой электростанции. После достижения очагами пожара определенного критического объема дальнейшее разрастание процессов горения уже может происходить и без его поддержки электрическими дугами, т.е. после срабатывания защиты от коротких замыканий. Подобное развитие 03 описано в [66] и для береговых электроустановок средних классов напряжений. Примеры, когда именно перенапряжения, возникавшие в электросетях, вызывали развитие крупных пожаров на судах, приведены в [71,108].
Следует отметить, что во многих работах [16, 19, 20, 25, 27 28, 75, 78] замыкания фазы на корпус называются основной причиной судовых пожаров. Проблема пожароопасности режима 03 в последнее время приобретает все большую актуальность в связи с увеличением доли судовых пожаров в общей аварийности флота [24], а также материального ущерба, который способен нанести один судовой пожар. Аварийная статистика для различных флотов [29, 50, 69, 89, 180] показывает, что на пожары приходится до 50% повреждений судов и объектов морской техники.
Опасность отмеченных последствий дуговых перенапряжений постоянно растет по мере развития флота, что обусловлено следующими причинами.
1. Рост электроэнерговооруженности судов, выражающийся в увеличении степени их насыщения электрооборудованием. Данные из [95, 141, 142, 151], демонстрирующие изменение основных показателей электроэнерговооруженности судов, приведены на рисунках АЛ - А.4 приложения А. Рост электроэнерговооруженности судов способствует увеличению как вероятности возникновения 03, так и тяжести последствий этого вида замыканий.
2. Сокращение численности экипажей [95], приводящее к увеличению нагрузки на его членов. Эта тенденция характеризуется электроэнерговооруженностью труда, рост которой отображен на примере отечественных флотов на рисунках А.5-А.6 приложения А. Увеличение этого показателя сопровождается повышением опасности электропоражений, а также опасности последствий выхода из строя электрооборудования.
3. Рост роли электроники в управлении судном и обеспечении его безопасности. Это привело к увеличению тяжести последствий выхода из строя ее элементов, которые, как отмечено в [47], оказываются восприимчивыми к перенапряжениям.
4. Увеличение длительности плавания, что привело к необходимости повышения надежности и безопасности судового оборудования [95].
5. Увеличение возраста судов, что свидетельствует о повышении вероятности выхода из строя бортового электрооборудования. Несмотря на то, что не всеми специалистами признается зависимость аварийности судов от их срока эксплуатации, по различным статистическим данным [68, 164, 168, 170], ее пик приходится на суда возрастом от 20 до 30 лет. На рисунке 1.1 показаны возрастные структуры российских и иностранных флотов соответствующие 2009 году.
Анализ соответствия результатов регистрации дуговых перенапряжений в условиях низковольтных электроэнергетических систем классическим теориям
Применение нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН), позволяющих снизить возникающие при 03 импульсы напряжения до допустимого значения [57]. В [45] осуществлен достаточно обширный обзор устройств защиты низковольтных электроэнергетических систем от импульсных перенапряжений. Однако следует учитывать, что в условиях длительного существования 03 в виде неустойчивой дуги на ОПН воздействуют импульсы тока достаточно большой амплитуды. Такое воздействие может стать причиной выхода из строя самого ОПН. Поэтому необходимо, чтобы защитные аппараты обладали достаточной пропускной способностью, учитывая, что в СЭЭС время существования 03 неограниченно. В [152] отмечается, что возможность надежной работы ОПН в описанных условиях подтверждается экспериментально и показывается их способность ограничить дуговые перенапряжения до кратности 2.2- 2.4. В [135] приводятся рекомендации по использованию ОПН в сочетании с неэффективным заземлением нейтрали, что позволяет уменьшить число негативных воздействий на них при перемежающем характере заземляющей дуги. Поэтому для облегчения условий эксплуатации ОПН целесообразно проведение проверки и обоснования возможности снижения дуговых перенапряжений за счет применения способов неэффективного заземления нейтрали, реализованных с учетом особенностей низковольтных СЭЭС.
Применение компенсаторов полного тока 03, действие которых направлено на снижение не только емкостной, но и активной составляющих тока 03 [3, 119]. Существует ряд разработок подобных устройств, предназначенных для сетей средних классов напряжений, например [4]. Кроме того, достаточно активно проводятся работы по созданию компенсаторов полного тока для СЭЭС в морской академии Щецина [181]. Однако на сегодняшний день эти разработки пока находятся на стадии экспериментальных образцов и их дальнейшее рассмотрение в качестве альтернативы существующей защиты СЭЭС затруднительно.
Выполненный обзор технических средств показал, что из дальнейшего рассмотрения следует исключить нелинейные ограничители перенапряжений, эффективность использования которых в рамках настоящей работы не рассматривается, а лишь учитываются многочисленные рекомендации по их применению в сочетании с неэффективным заземлением нейтрали. Кроме того, не представляется целесообразным дальнейшее рассмотрение компенсаторов полного тока 03, стадия разработки которых пока не позволяет представить их как готовый вариант защиты.
Исходя из необходимости обеспечения бесперебойности электроснабжения в СЭЭС, можно сделать вывод о нецелесообразности построения защиты на основе технических мероприятий, направленных на ограничение времени существования 03. К таким мероприятиям относятся использование эффективного заземления нейтрали и УЗО.
При дальнейшем сопоставлении вариантов защиты по их возможности обеспечения безопасных значений токов 03 и ОП следует отказаться от УОЗЗ и рассматривать следующие оставшиеся способы: 1) снижение фазной емкости, например, путем установки разделительных трансформаторов при сохранении режима изолированной нейтрали; 2) компенсация токов 03, путем перевода СЭЭС в режим неэффективного заземления нейтрали. Для выбора наиболее предпочтительного варианта защиты необходимо оценить их влияние на дуговые перенапряжения, что весьма затруднительно выполнить при современном состоянии теории. В низковольтных электросистемах этот вид перенапряжений исследовался только при режиме изолированной нейтрали, например в [17]. Влияние неэффективного заземления нейтрали, реализованного в условиях низковольтных СЭЭС, на дуговые перенапряжения в настоящее время остается неизученным.
Также следует отметить, что часть СЭЭС обладает безопасными значениями токов 03, которые обеспечиваются без применения каких-либо дополнительных защитных мероприятий. Совершенствование защиты в них должно быть направлено, в первую очередь, на снижение дуговых перенапряжений. В этом случае следует рассмотреть влияние на этот вид перенапряжений резистированного заземления нейтрали, реализованного в условиях низковольтных СЭЭС.
Из вышесказанного следует, что выбор и обоснование защиты СЭЭС от 03 сводится к сопоставлению способов неэффективного заземления нейтрали и изолированной нейтрали по их влиянию на максимальные значения дуговых перенапряжений. Довольно обширные исследования этого вопроса проведены в приложении к береговым электросетям напряжением 3-35 кВ.
В таких электросетях, согласно ПУЭ [131], наряду с изолированной нейтралью допускается применение способов ее заземления через дугогасящий реактор (ДГР), а также через резистор. Однако выбор режима нейтрали предлагается проводить по величине тока 03, без учета его влияния на дуговые перенапряжения. Более подробные требования к выбору режима нейтрали и условиям эксплуатации электросистем, в которых он реализуется, регламентируются рядом нормативов, например [130, 133, 143, 146].
Основные положения выбора режима нейтрали в низковольтных сетях рассмотрены ПУЭ [131], в соответствии с которыми допускается эксплуатация электросетей до 1 кВ либо с глухозаземленной нейтралью, либо с изолированной или заземленной через большое сопротивление нейтралью, так называемые IT-системы. Применение ІТ-систем в низковольтных электросетях рекомендуется при необходимости обеспечения бесперебойности в случае замыкания одной из фаз на землю (корпус судна). Ее использование должно сопровождаться непрерывным контролем изоляции. Выбор способа заземления нейтрали уточняется отраслевыми нормативами, к которым относятся Правила морского и речного регистров [128, 129].
Влияние компенсации тока однофазного замыкания на процесс развития дуговых перенапряжений в судовых электроэнергетических системах
Смещение нейтрали по постоянному потенциалу uNnocm после каждого гашения заземляющей дуги остается равным ±Ет. В результате уже при втором пробое дугового промежутка достигается максимальная кратность перенапряжений, которая может быть рассчитана по формуле. Um=h5Em + 2Em(\-k)(\-d). (2.13) Как показано на рисунке 2.6, значения uNmax, соответствующие этой теории, могут оказаться предельными величинами при определенных сочетаниях параметров электросистемы.
Предложенная Беляковым теория для оценки дуговых перенапряжений основывается на результатах многочисленных экспериментов, проведенных им на физической модели электросистемы напряжением 6-10 кВ [13]. Согласно этой теории поведение заземляющей дуги имеет следующие особенности.
Допускается любой из описанных выше вариантов гашения дуги. Как показали проведенные эксперименты, такое поведение дуги свойственно не только высоковольтным электросистемам, которые исследовал Беляков, но и низковольтным.
После погасания дуги сравнительно быстро, с частотой собственных колебаний сети, между поврежденной фазой и корпусом судна (землей) восстанавливается напряжение. Если высокочастотный максимум восстанавливающегося напряжения Unz, названный Беляковым «пиком гашения», меньше разрядного напряжения дугового промежутка U то дуга гаснет окончательно. В главе 3 показано экспериментальное подтверждение такого поведения заземляющей дуги в низковольтных электросистемах.
Наибольшая кратность перенапряжений ограничивается величиной напряжения смещения нейтрали uNnocm и вычисляется по следующему выражению где t3 - момент повторного зажигания заземляющей дуги; со - угловая частота сети. Предельная величина uNnocm, в свою очередь, зависит от максимального значения «пика гашения» Unz и рассчитывается по следующей формуле: где Unz - величина высокочастотного максимума восстанавливающегося напряжения. Следует учитывать, что наибольшее значение Unz определяется разрядным напряжением дугового промежутка U , которое зависит от ряда факторов, например, от среды, в которой горит дуга, от величины тока замыкания, от материалов электродов и пр.. Большое количество исследований восстанавливающейся прочности дуговых промежутков проведено в приложении к коммутационным аппаратам [30, 73, 147, 167]. Они показали, что достоверное определение величины U можно осуществить только экспериментальным путем
Исследования разрядного напряжения в последуговом столбе заземляющей дуги проводились в электроустановках напряжением 6-10 кВ. В работе [13] величина U для сетей 6 кВ с электросистеме с изолированной нейтралью определялась при воспроизведении дугового замыкания на электродах разделителя. Она составила 1800 В или 0.4 . В [ПО] приводятся результаты исследований, согласно которым в электросистеме 6 кВ с компенсацией тока зарегистрировано значение Unz, равное 4.4 - 4.3 кВ или 0,9 Ет. В этих опытах замыкания на землю вопроизводились в спрессованном пакете кабельной бумаги, пропитанной мастикой. Столь значительное влияние режима нейтрали и иных факторов на величину Unz позволяет предположить, что в низковольтных электросистемах она будет также отличаться от значений, установленных для электросетей средних классов напряжения. Как показали описанные выше результаты экспериментальных исследований, в низковольтных электросистемах напряжением 220 В с изолированной нейтралью величина uNnocm не превышает 2.0\Ет. Согласно (2.15), это соответствует значению Unz, равному 2.02 Ет. Указанное значение Unz отличается от установленных для электросетей средних классов напряжений как по кратности относительно Ет, так и по абсолютной величине. Поэтому, несмотря на признание и универсальность подхода Белякова, его применение к их оценке в низковольтных электросистемах требует корректировки.
Исследование дуговых перенапряжений на основе анализа устойчивости заземляющей дуги
В результате описанных выше экспериментов была выявлена взаимосвязь между наибольшим напряжением uNnocm и величиной фазной емкоси сети С, электросистемы. Причем теория Петерсена не получила подтверждения ни в одном из экспериментов, выполненных на модели низковольтной СЭЭС. Две другие теории - теория Петерса и Слепяна и теория Белякова - экспериментально подтверждены. В области малых величин фазных емкостей развитие максимальных дуговых перенапряжений происходит по механизму Петерса-Слепяна, а при больших - по гипотезе Белякова, скорректированной для низковольтных СЭЭС.
Данные о физической модели, на которой проводили исследования Петере и Слепян, не противоречат сделанному выше заключению. Они показывают, что фазные емкости по отношению к земле в используемой ими модели составляли примерно 0.07 мкФ [41, стр. 145]. Это значение не выходит за пределы граничной величины, установленной в наших экспериментах на низковольтной модели и равной 1.9 мкФ. Таким образом, более подробное экспериментальное исследование в сравнении с работами Петерса-Слепяна и Белякова, представленное на рисунке 2.6 в виде зависимости Щпост= ЇІСЛ для низковольтной модели, не противоречит данным этих авторов.
Однако оно ставит новые и важные вопросы в теории дуговых перенапряжений, к числу которых в первую очередь следует отнести вопросы об обосновании областей применения двух теорий и о способах ограничения максимальных величин перенапряжений путем перевода электросистемы из области действия теории Белякова в область Петерсена-Слепяна. Для решения этих вопросов был проведен анализ устойчивости заземляющей дуги, показывающий влияние параметров электросистемы, включая влияние фазной емкости Сф на поведение дуги и на максимальные величины uNnocm .
Выбор способа заземления нейтрали судовых электроэнергетических систем
Оценка достоверности предложенного описания феррорезонансых процессов проводилась по методике, приведенной в приложении Г. Расчеты по этой методике показали достаточную точность математических расчетов, а также отсутствие неучтенных в теоретическом описании закономерностей.
Для оценки возможности возникновения феррорезонансных процессов по системе (4.14) рассчитывается переходный процесс с ненулевыми начальными условиями. Участок полученной осциллограммы тока ДГР, соответствующий установившемуся процессу, раскладывался в ряд Фурье. В случае если ток после затухания переходных процессов имеет форму синусоиды с частотой сети, можно сделать вывод о невозможности возникновения феррорезонанса в таком контуре. Описанный алгоритм нашел отражение в программе для ЭВМ [1].
Результаты расчетов по описанным методикам были сопоставлены с экспериментальными данными, полученными на физической модели СЭЭС, заземленной через ДГР нейтралью. Замыкания выполнялись в виде металлического контакта фазы и элемента, моделирующего корпус судна. Перед замыканием емкости заряжались до напряжения 1 кВ и более.
На рисунке 4.9 представлены результаты расчета зависимости минимального допустимого по условию устранения феррорезонанса значения Rk от разделительной емкости С а также отмечены точки, в которых проводилось экспериментальное исследование.
Зависимость минимального значения активного сопротивления контура от величины разделительной емкости, при котором исключается возможность устойчивого феррорезонанса. Таким образом, видно, что наиболее близким к экспериментальным зависимостям, являются кривые, построенные при помощи расчета переходных процессов на основе предложенного математического описания. Расхождение между кривыми 1 и 2 на рисунке 4.9 можно объяснить влиянием высших гармоник тока ДГР, появляющихся при его насыщении. Несмотря на то, что выражение (4.4) дает завышенные значения параметров, оно все же позволяет определить условия устранения феррорезонанса и поэтому может быть использовано в инженерных расчетах при проектировании устройства заземления нейтрали.
Как показано в главе 1, совершенствование защиты СЭЭС от 03 в основном сводится к выбору режима нейтрали. При этом выборе режимы нейтрали сопоставляются по следующим свойствам: 1) способность не приводить к ухудшению показателей бесперебойности электропитания потребителей; 2) способность обеспечивать пожаро- и электробезопасные значения тока глухого однофазного замыкания на корпус; 3) возможность обеспечивать как можно меньшую кратность дуговых перенапряжений.
Первым свойством обладают все способы неэффективного заземления нейтрали и режим изолированной нейтрали, поскольку они соответствуют малым токам 03 и не приводят к отключению поврежденного участка СЭЭС. При сопоставлении режимов нейтрали по второму свойству следует учесть, что все бортовые электроэнергетические системы можно разделить на две группы: 1) системы, имеющие безопасные значения тока 03; 2) системы, ток 03 в которых необходимо уменьшить.
Выбор режима нейтрали в СЭЭС первой группы должен осуществляеться с целью уменьшения только дуговых перенапряжений. Этой цели наиболее полно соотвествует режим резистированной нейтрали. Его применение создает наиболее благоприятные условия для работы всех элементов судового электрооборудования и обеспечивает дополнительное уменьшение риска пожара от 03 за счет снижения дуговых перенапряжений. Однако при выборе параметров резистированного заземления нейтрали следует учитывать, что ее применение способствует некоторому увеличению тока 03.
Если величина тока замыкания выходит за пределы безопасного значения, то целесообразен перевод СЭЭС в режим комбинированного заземления нейтрали. Это позволит обеспечить безопасные значения токов в месте замыкания и одновременно максимально снизить величины дуговых перенапряжений.
Заземление нейтрали необходимо осуществлять при помощи разделительных конденсаторов, величина которых должна подбираться таким образом, чтобы обеспечивались безопасные значения токов ОЗ. Как правило, при таких величинах С обеспечивается и снижение дуговых перенапряжений.
Кроме того, элементы, входящие в состав устройств неэффективного заземления нейтрали, должны выдерживать длительные воздействия токов и напряжений, как в нормальном режиме, так и в режиме ОЗ. Эти воздействия легко оценить путем расчета схемы, приведенной на рисунке 3.1. Конденсаторные установки, используемые в устройствах неэффективного заземления нейтрали, согласно [54], должны иметь разрядные устройства, которые после отключения установок от электросети способны обеспечить снижение амплитудного значения напряжения на них до 50 В за время не более 1 мин.
При реализации комбинированного заземления нейтрали ДГР настраивается в резонанс с фазной емкостью сети с учетом наличия разделительных конденсаторов. В соответствии с этим индуктивность ДГР выбирается следующим образом.
Такая настройка ДГР обеспечивает наибольшее снижение дуговых перенапряжений. Максимальная величина активного сопротивления обмотки и емкость разделительных конденсаторов определяется по условию ограничения тока в месте повреждения и условия устранения феррорезонансных явлений с ДГР. Эти условия сформулированы в п. 4.1.
Кроме того, как отмечалось в главе 1, одной из особенностей СЭЭС является значительная несимметрия фазных емкостей, которая, как и сами емкости, не нормируется. Перед установкой устройства комбинированного заземления нейтрали необходимо провести исследование несимметрии СЭЭС и в случае необходимости принять меры по симметрированию сети. Требования к допустимым отклонениям емкостей отдельных фаз от резонансного значения, т.е. от значений, в резонанс с которыми настраивается ДГР, могут быть
сформулированы исходя из условия обеспечения безопасного значения тока ОЗ. Как показали исследования, при такой настройке ДГР обеспечиваются наименьшие величины дуговых перенапряжений. Влияние отклонения фазной емкости от резонансной настройки на величину тока 03 можно оценить по векторной диаграмме, изображенной на рисунке 4.10.