Введение к работе
Актуальность работы. В системе электроснабжения кислородно-конвертерного производства имеется значительное количество высоковольтных электродвигателей и трансформаторов, коммутируемых различными типами выключателей, в том числе вакуумными. При отключении вакуумными выключателями электродвигательных присоединений возможны значительные перенапряжения, вызванные срезом тока и эскалацией напряжения. Кроме того, при срабатывании вакуумных выключателей возможно явление многократных повторных зажиганий дуги, что приводит к возникновению перенапряжений, имеющих высокочастотный характер. Коммутационные перенапряжения оказывают существенное влияние на изоляцию оборудования, особенно на электродвигатели, изоляция которых обладает наименьшим запасом электрической прочности.
На сегодняшний день отсутствуют эффективные меры гашения подобных коммутационных перенапряжений. Разрядники, нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН), искровые промежутки как средство защиты от высокочастотных перенапряжений малоэффективны. Вызвано это резким подъемом их вольт-секундных характеристик при предразрядных временах менее 1 мкс. Для защиты от перенапряжений, имеющих высокочастотный характер, все большее применение находят защитные RC-цепочки. Однако их применение должно сопровождаться достаточно точным моделированием, так как неправильный выбор параметров RC-цепочек может привести даже к ухудшению процесса коммутации. Выбор параметров RC-цепочек и оптимальных схем их соединения представляет собой важную техническую задачу. Поэтому проведение исследований по данной теме является своевременным и актуальным.
Целью работы является повышение эффективности электроснабжения кислородно-конвертерных производств посредством снижения уровней коммутационных перенапряжений и улучшения процесса коммутации (уменьшение числа повторных зажиганий дуги в выключателе).
Идея работы состоит в снижении негативного действия коммутационных перенапряжений посредством RC-цепочек, подключаемых к защищаемому оборудованию и соединённых по схеме четырехлучевой звезды, три луча которой включены в защищаемые фазы, а один луч соединен с землей, а также в определении оптимальных параметров данной схемы и оценке ее эффективности на имитационной модели.
Научная новизна заключается:
- в разработанном схемном решении комбинированного трехфазного рези-стивно-емкостного ограничителя перенапряжений, имеющего лучшие показатели по
5 ограничению уровней коммутационных перенапряжений по сравнению с существующими средствами защиты, отличающегося тем, что RC-цепочки подключаются к защищаемому оборудованию и соединены по схеме четырехлучевой звезды, три луча которой включены в защищаемые фазы, а один луч соединен с землей;
в разработанной имитационной модели вакуумного выключателя, учитывающей процессы, характерные для вакуумного выключателя: срез тока, эскалацию напряжения, повторные зажигания дуги, виртуальные срезы тока, отличающейся тем, что имеет трехфазное исполнение и учитывает сопротивление дуги в выключателе;
в разработанных имитационных моделях электродвигателя, двигательной нагрузки, кабельной линии и системы, отличающихся тем, что имеют трехфазное исполнение и учитывают затухание колебаний на повышенных частотах;
в разработанной имитационной модели фрагмента системы электроснабжения, учитывающей срез тока, эскалацию напряжения, повторные зажигания дуги, виртуальные срезы тока в выключателе, отличающейся тем, что имеет трехфазное исполнение, учитывает сопротивление дуги в выключателе и затухание колебаний на повышенных частотах;
в определенных зависимостях влияния параметров системы электроснабжения и вакуумного выключателя на процесс перенапряжений, отличающихся тем, что получены на более точной имитационной модели;
в разработанной методике оценки технико-экономической эффективности схем защиты от коммутационных перенапряжений, отличающейся тем, что использует данные, полученные с помощью разработанной имитационной модели.
По материалам разработок получен один патент РФ на изобретение: №2394326 Комбинированный трехфазный резистивно-емкостной ограничитель перенапряжений, заявл. 14.04.2009, опубл. 10.07.2010.
Практическая ценность состоит в том, что разработанный комбинированный трехфазный резистивно-емкостной ограничитель перенапряжений позволяет снижать уровни перенапряжений до 1,62-1,78 о.е. по сравнению с 2,54-3,09 о.е. для ОПН и 1,71-2,16 о.е. для фазной RC-цепочки, уменьшает вероятность повторных зажиганий дуги в выключателе. Это увеличивает срок службы электродвигателя в 1,66-2,53 раз по сравнению с защитой с помощью ОПН и в 1,04-1,2 раза по сравнению с фазной RC-цепочкой. Разработанная имитационная модель позволяет анализировать влияние различных факторов на процесс перенапряжений и выбирать оптимальные параметры защитных RC-цепочек.
Методы и объекты исследования. Объектом исследования служит система электроснабжения кислородно-конвертерного производства. Предметом исследования являются коммутационные перенапряжения, возникающие при отключении
вакуумным выключателем электродвигательных присоединений. При выполнении работы использованы методы инженерного эксперимента и имитационного моделирования. Теоретические изыскания сопровождались разработкой имитационных моделей. Анализу и обработке подвергались экспериментальные данные, приведенные в литературных источниках.
Достоверность результатов и выводов подтверждена: формулировкой задач исследования, сделанной исходя из всестороннего анализа литературных источников; использованием самых современных средств имитационного моделирования (пакет Matlab); хорошим соответствием экспериментальных осциллограмм и осциллограмм, полученных с помощью разработанной модели.
Реализация работы. Разработанная имитационная модель внедрена в форме лабораторных практикумов и научно-методических разработок по дисциплине «Научно-исследовательская работа» образовательной программы высшего профессионального образования по направлению подготовки 140400 «Электроэнергетика и электротехника» по профилю «Фрактальные и техноценологические структуры электрооборудования и сетей промышленных предприятий». Также программная модель фрагмента системы электроснабжения внедрена в филиале ОАО «Квад-ра»-«Восточная генерация» в качестве дополнения к существующим методикам анализа и оценки уровней коммутационных перенапряжений, возникающих при отключении электродвигательных присоединений вакуумными выключателями.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались и докладывались на II ежегодной международной конференции «Энергетика и энергоэффективные технологии», Липецк, 2007 год.
Публикации. По теме диссертации опубликовано шесть печатных работ, из них три в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и шести приложений. Общий объем диссертации 165 с, в том числе 112 с. основного текста, 113 рисунков, 12 таблиц, список литературы из 117 наименований, 6 приложений на 53 страницах.
