Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ параметров замыканий на землю с учетом особенностей их развития в кабельных сетях 20
1.1 Определение амплитудных и частотных параметров электромагнитных процессов 20
1.1.1 Постановка задачи 20
1.1.20ценка токов самопогасания и длительности горения однофазной дуги 23
1.1.3 Определение амплитудных характеристик переходного процесса 26
1.1.4 Расчет частотных характеристик переходного процесса в эквивалентной схеме 32
1.2 Особенности горения дуги при однофазных повреждениях изоляции в сетях с активным сопротивлением в нейтрали 37
1.2.1 Постановка задачи 37
1.2.2Влияние активного сопротивления на демпфирование и частоту свободных колебаний 39
1.2.3Условия перевода перемежающейся однофазной дуги в устойчивую фазу горения 44
1.3 Анализ параметров замыкания на землю с привлечением экспериментальных результатов 49
1.3.Зарегистрированные в натурных экспериментах амплитудные и частотные характеристики 49
1.3.2Классификация замыканий на землю на основе результатов цифровой регистрации 53
І.З.ЗМодель дугового замыкания на основе анализа напряжения пробоя и скорости восстановления электрической прочности 59
1.4 Выводы по первому разделу з
2 Статистическая обработка и анализ результатов натурных испытаний и мониторинга перенапряжений 67
2.1 Комплексный статистический анализ параметров напряжений и тока перемежающегося дугового замыкания в кабеле 67
2.1.1 Постановка задачи и схема эксперимента 67
2.1.2 Проверка нормальности закона распределения и определение статистических характеристик 71
2.1.3 Проверка значимости стохастической связи и регрессионная статистика. 79
2.2 Сравнительное исследование электромагнитных процессов замыканий на
землю в кабельной сети 6 кВ на основе мониторинга перенапряжений 84
2.2.1 Объект, методы и задачи исследования 84
2.2.2 Сравнительный анализ характера и параметров замыканий на землю в зависимости от режима нейтрали 88
2.2.3 3аконы распределения и статистические характеристики уровня перенапряжений, времени горения дуги и электрического угла пробоя... 95
2.2.4 Плотности и функции распределения уровня перенапряжений, времени горения дуги и электрического угла пробоя 99
2.3 Выводы по второму разделу 103
3 Математическое моделирование электромагнитных процессов при замыканиях на землю в изоляции силового кабеля 106
3.1 Корректировка математических моделей при замыканиях на землю в сетях с кабельными линиями большой протяженности 106
3.1.1 Постановка задачи 106
3.1. 2Аналитическая модель перемежающегося дугового замыкания на землю в кабельной сети 107
3.1.3. Расчет с применением уточненной модели замыкания на землю и сравнение с экспериментальными результатами 112
3.2 Моделирование и расчет параметров однофазных замыканий на землю с учетом высших гармоник в токе замыкания 121
3.2.1 Постановка задачи 121
3.2.2Анализ натурных осциллограмм напряжения и тока замыкания на землю с гармоническим искажением 123
3.2.3Расчет параметров дугового замыкания на землю на компьютерной модели с учетом источников высших гармоник 127
3.2.40ценка влияния гармонического искажения тока замыкания на землю на сопротивление в месте однофазного повреждения 133
3.3 Выводы по третьему разделу 136
4 Исследование электрической прочности и разработка алгоритмов развития замыканий на землю в изоляции силовых кабелей 139
4.1 Определение факторов снижения электрической прочности кабельной изоляции и причин ее повреждения в эксплуатации 139
4.1.1 Постановка задачи 139
4.1.2Анализ кратковременной и длительной электрической прочности изоляции силовых кабелей 141
4.1.3 Механизмы деградации СПЭ-изоляции кабелей под влиянием электрических и водных триингов 144
4.1.4 Влияние частоты приложенного напряжения на кратковременную прочность СПЭ-изоляции и скорость развития канала пробоя 147
4.1.5 Детализация причин повреждений изоляции силовых кабельных линий с разными типами изоляции 152
4.2 Разработка гипотез и алгоритмов развития дуговых замыканий на землю в изоляции силовых кабелей 158
4.2.1 Постановка задачи 158
4.2.2Анализ сопротивления канала однофазного пробоя в бумажно пропитанной изоляции кабеля 160
4.2.3 Расчетная и экспериментальная проверка алгоритма развития дугового
замыкания в пропитанной изоляции кабеля 166
4.2.4 Гипотеза развития пробоя кабельной изоляции из сшитого полиэтилена и аналитическое описание горения дуги в узком канале 169
4.2.5 Графическая интерпретация развития дугового замыкания на землю в кабеле с изоляцией из сшитого полиэтилена 181
4.2.6 Экспериментальное определение интегральных параметров однофазной дуги в режиме перемежающегося замыкания на землю 186
4.3 Анализ и разработка мероприятий по повышению надежности эксплуатации силовых КЛ с изоляцией из сшитого полиэтилена 194
4.3.1 Методические и практические мероприятия. Нормы испытаний напряжением СНЧ и критерии выявления предаварийных состояний 194
4.3.2 Разработка и внедрение высокочастотной распределенной системы сбора данных в кабельной сети 201
4.4 Выводы по четвертому разделу 204
Заключение 207
Список использованных источников
- Особенности горения дуги при однофазных повреждениях изоляции в сетях с активным сопротивлением в нейтрали
- Проверка нормальности закона распределения и определение статистических характеристик
- 2Аналитическая модель перемежающегося дугового замыкания на землю в кабельной сети
- Механизмы деградации СПЭ-изоляции кабелей под влиянием электрических и водных триингов
Введение к работе
Актуальность темы. Электромагнитные процессы, сопровождающие возникновение и развитие однофазных замыканий на землю (033) в электрических сетях, характеризуются сочетанием переходных и установившихся режимов горения заземляющей дуги. Параметры таких режимов во многом определяются конструкцией сети и способом заземления нейтрали. Для кабельных сетей класса 35 кВ и ниже используется так называемое неэффективное заземление нейтрали, когда напряжения на неповрежденных фазах при 033 превышают 1,4 (определяемый в ПУЭ коэффициент замыкания на землю) от фазного напряжения сети в нормальном режиме. В эту область включены и широко применяемые с начала 2000-х гг. режимы с активным и активно-индуктивным, или комбинированным, заземлением нейтрали (КЗН).
Однофазные пробои изоляции силовых кабелей на землю в значительной мере определяют показатели надежности всей электрически связанной сети, поскольку в 70 - 90% случаев неотключенные 033 служат причиной междуфазных повреждений изоляции и аварийных отключений. Поэтому актуальной задачей является анализ технологических нарушений режимов эксплуатации кабельных линий (КЛ), длительно эксплуатируемых в схемах электроснабжения промышленных предприятий и объектов городской инфраструктуры.
Исследование замыканий на землю в кабельных сетях сопряжено с отсутствием полноценных алгоритмов и моделей их развития, а также ограниченностью количественной оценки параметров 033. В. Петерсеном (1916 г.) и Петер-сом и Слепяном (1923 г.) были разработаны гипотезы (теории), объясняющие физический механизм возникновения дуговых перенапряжений при 033 и отличающиеся гипотезами гашения заземляющей дуги. Экспериментальное исследование и совершенствование способов оценки перенапряжений при дуговых 033 позволило Ч.М. Джуварлы и Н.Н. Белякову (1957 г.) существенно развить эти теории. Однако последние справедливы для случаев горения заземляющей дуги преимущественно в воздушных сетях 6-10 кВ с изолированной нейтралью. Поэтому их использование при расчетах электромагнитных процессов 033 в изоляции кабельных линий (КЛ) предполагает введение ряда относительно грубых допущений, которые могут привести к ошибкам в определении энергоемкости и термической стойкости оборудования при выборе устройств защиты от дуговых перенапряжений. Задача осложняется тем, что характер и результат горения однофазной дуги в силовом кабеле существенно зависит также от вида и состояния поврежденного диэлектрика: бумажно-масляной пропитанной изоляции (БМПИ) или изоляции из сшитого полиэтилена (СПЭ).
Исследованию переходных процессов при замыканиях на землю и их последствий в электрических сетях различного назначения, а также разработке релейных защит от 033 посвящены работы Р.А. Вайнштейна, Ф.Х. Халилова, К.П. Кадомской, В.Г. Гольдштейна, В.А. Шуина, В.К. Обабкова, Л.И. Сарина, В.В. Кискачи, А.И. Шалина, Ю.В. Целебровского, С.Л. Кужекова, В.Ф. Сивоко-быленко, Г.А. Евдокунина и других ученых.
В настоящее время в электрических сетях наблюдается тенденция к повсеместному внедрению силовых кабелей с изоляцией из СПЭ. Процесс развития пробоя в полимерах является достаточно сложным и тесно связан со снижением электрической прочности (ЭП) изоляции под воздействием электрических и водных триингов. Исследованию этих вопросов посвящены работы М.Ю. Шувалова, В.Н. Овсиенко, Ю.В. Образцова (ВНИИКП), СМ. Лебедева и В.Я. Ушакова, В.А. Канискина и А.И. Таджибаева, Ю.Н. Вершинина, а также зарубежных исследователей L. Dissado, G. Bahder, G. Montanari, В. Bernstein и др. Триинги в СПЭ-изоляции, независимо от их структуры и физической природы, представляют серьезную опасность для кабеля, поскольку участвуют в формировании канала пробоя диэлектрика при 033.
Подробного анализа развития повреждения в разных видах изоляции силового кабеля при его однофазном пробое на землю до настоящего времени не проводилось. Условия дугового пробоя в БМПИ кабеля, проанализированные Н. Ohnishi, Н. Uraho, S. Hasergana, дополняют результаты, полученные Ф.А. Лихачевым и Л.Е. Дударевым, но не содержат энергетических характеристик заземляющей дуги и оценки ее динамического сопротивления. Результаты исследований процесса горения дуги, стабилизированной испаряющимся материалом стенок дугового канала в полимере, проведенные L. Nimeyer и С. Ruchti (1978), содержат количественные модели на основе уравнений баланса массы, момента и энергии, однако они справедливы для высокоамперных дуг при горении в узких каналах твердых материалов.
В связи с изложенным актуальность диссертационной работы определяют аналитические и экспериментальные исследования электромагнитных процессов 033 в кабельных сетях с неэффективным заземлением нейтрали, включающие анализ параметров переходных процессов и разработку алгоритмов развития дуговых 033 в силовых кабелях с различными типами изоляции.
Целью работы является натурное и компьютерное моделирование электромагнитных процессов при однофазном дуговом замыкании на землю в кабелях с БМПИ и СПЭ-изоляцией и разработка алгоритмов и гипотез его развития для совершенствования способов защиты силовых КЛ.
Для достижения поставленной цели в работе сформулированы следующие задачи:
выполнить аналитическое исследование параметров дуговых замыканий на землю при однофазных повреждениях изоляции силовых кабелей;
реализовать методический подход к комплексному статистическому анализу параметров осциллографированных напряжений и тока дугового замыкания на землю в БМПИ силового кабеля; проанализировать и статистически обработать результаты мониторинга перенапряжений;
разработать компьютерную модель электрической сети 10 кВ с КЛ большой протяженности; оценить изменение сопротивления в месте однофазного замыкания на основе измеренных токов высших гармоник в цепи замыкания;
разработать и экспериментально проверить алгоритмы (механизмы) развития дугового замыкания на землю в БМПИ и СПЭ-изоляции кабелей при учёте нелинейного сопротивления дугового канала;
предложить методические и практические мероприятия по повышению
надежности эксплуатации КЛ с СПЭ-изоляцией.
Методы исследования. Для достижения поставленных задач были использованы методы компьютерного моделирования на основе теории электрических цепей и электромагнитных переходных процессов; метод натурного эксперимента с организацией искусственных 033 в эксплуатируемой кабельной сети; методы цифровой регистрации, обработки и гармонического анализа сигналов; методы теории вероятностей и математической статистики.
Научная новизна основных положений и результатов работы:
получены экспериментальные результаты, показывающие, что погасание однофазной дуги в изоляции кабеля происходит при первом или последующем переходах высокочастотного тока (ВЧ) дуги через нуль. При этом возникновение повторных пробоев определяется не только соревнованием скоростей восстанавливающейся электрической прочности (ВЭП) и переходного восстанавливающегося напряжения (ПВН), но и скоростью перехода ВЧ тока дуги через нуль.
реализован принцип комплексной статистической обработки и впервые получены статистические оценки и корреляционные связи скоростных, амплитудных и временных параметров перемежающегося дугового замыкания в бумажно-пропитанной изоляции силового кабеля;
выявлен эффект существенного снижения длительности горения однофазной дуги после первичного пробоя на землю фазы кабеля с БМПИ, наблюдаемый при условии введения определенной активной составляющей тока замыкания, синфазной с напряжением на дуговом промежутке. Это позволяет снизить количество аварийных отключений КЛ с ослабленной изоляцией за счет оптимизации режима заземления нейтрали;
впервые разработаны и экспериментально проверены алгоритмы (механизмы) развития однофазного дугового замыкания на землю в БМПИ и изоляции из СПЭ силовых кабелей, предложена графическая интерпретация алгоритмов на основе нелинейного сопротивления канала пробоя.
Личный вклад соискателя заключается в формулировке цели и задач работы; участии в организации и выполнении экспериментов в реальных кабельных сетях; сборе и обработке данных мониторинга перенапряжений; разработке алгоритмов обработки натурных осциллограмм; корректировке математических моделей; разработке и обосновании алгоритмов развития 033 в изоляции силовых КЛ; формировании технических требований и алгоритма работы ВЧ распределенной системы сбора данных.
Практическая значимость и реализация результатов работы:
предложенные алгоритмы и исследованные закономерности развития 033
в кабельных сетях реализованы в высокочастотной системе регистрации ава
рийных событий и переходных процессов СПЕКТР 1.01, разработанной 000
«Болид». Данные устройства установлены и эксплуатируются в кабельной сети
10 кВ филиала ОАО «МРСК Северо-Запада» «Архэнерго», г. Архангельск. Акт
об использовании результатов включен в текст диссертационной работы в виде Приложения.
разработанные практические и методические мероприятия по повышению надежности эксплуатации силовых КЛ 6-35 кВ с СПЭ-изоляцией реализованы в форме разделов стандарта «Руководящие указания по выбору, сооружению и технологии эксплуатации кабельных линий напряжением 6 - 110 кВ на основе кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена», который введен в действие приказом генерального директора ОАО «Ленэнерго» в 2012 г. Заключение об использовании результатов также включено в текст диссертационной работы в виде Приложения.
Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечивается применением теории электромагнитных переходных процессов, теории высоковольтной изоляции, использованием апробированной измерительной аппаратуры и математического аппарата, качественным согласием результатов аналитических исследований и натурных экспериментов.
Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Техника и электрофизика высоких напряжений» Новосибирского государственного технического университета, IV и V Всероссийских научно-технических конференциях «Ограничение перенапряжений. Режимы заземления нейтрали. Электрооборудование сетей 6-35 кВ» (г. Новосибирск, 2006, 2008); Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы эксплуатации городских кабельных сетей и сетей промышленных предприятий» (г. Свалява, Украина, 2007); II Международной научно-практической конференции «Кабельная техника современного уровня и изоляция» (г. Харьков, Украина, 2008); XIII Всероссийской научно-технической конференции Краснодарского краевого отделения РНТО энергетиков и электротехников «Пути повышения надежности, эффективности и безопасности энергетического производства» (с. Дивноморское, 2010); Всероссийской научно-практической конференции «Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем» - ЭНЕРГО-2010 (г. Москва, 2010); Семинаре №24 «Электрификация и энергосбережение в горной промышленности» научного симпозиума «Неделя горняка-2011» (Москва, 2011); III Международной молодежной конференции инженеров-энергетиков IYCE 2011 (г. Лейрия, Португалия, 2011), Восьмой Международной конференции «Качество электроэнергии и надежность электроснабжения» PQ-2012 (г. Тарту, Эстония, 2012), Международной конференции и выставке Energy Моп-golia'2013 (г. Улан-Батор, Монголия, 2013), II Международной конференции «Электроэнергетическое оборудование - Коммутационные технологии» ICEPE-ST 2013 (г. Мацуэ, Япония, 2013).
Результаты работы использованы при выполнении НИР «Исследование и разработка мер ограничения внутренних перенапряжений в сетях 6-35 кВ ОАО «МРСК Волги», характеризующихся высокими уровнями емкостных токов и большими расстройками компенсации при замыканиях на землю», НИР «Ком-
плексные исследования распределительной сети 10 кВ ПС-75 и ПС-155 филиала ОАО «Ленэнерго» - Пригородные электрические сети».
По теме диссертации в научно-технической литературе опубликованы 23 работы, в том числе 5 научных статей в рецензируемых изданиях; 1 статья в материалах Совещания главных энергетиков ОАО «Газпром», 6 статей в материалах международных и всероссийских научно-технических конференций; 11 статей в специализированных периодических изданиях. В автореферате приведен список из 15 наиболее значимых работ по теме диссертации.
Положения, выносимые на защиту:
погасание однофазной дуги в БМПИ кабеля происходит при переходе свободной составляющей тока замыкания через нулевое значение; амплитудные, скоростные и временные параметры перемежающегося дугового замыкания в изоляции имеют сложную корреляционную связь;
улучшить условия погасания однофазной дуги после первичного пробоя кабельной изоляции можно при дополнении тока замыкания активной составляющей, синфазной с напряжением на дуговом промежутке и не влияющей на электрический угол пробоя (момент зажигания дуги);
алгоритмы (механизмы) и графическая интерпретация развития однофазного дугового замыкания в БМПИ и СПЭ-изоляции силовых кабелей, отражающие снижение напряжения пробоя и сопротивления дугового канала; статистическая оценка энергетических характеристик заземляющей дуги и ее динамического сопротивления;
экспериментальная проверка разработанных алгоритмов и особенностей развития 033 в кабельных сетях, результаты внедрения распределенной высокочастотной системы сбора данных.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, трех приложений и списка использованных источников из 112 наименований. Работа изложена на 224 страницах основного текста и приложений на 31 странице, включает 69 рисунков и 37 таблиц.
Особенности горения дуги при однофазных повреждениях изоляции в сетях с активным сопротивлением в нейтрали
Несмотря на наличие «классических» гипотез развития дуговых 033, позволяющих синтезировать расчетные схемы сети для их анализа, накопленный опыт эксплуатации электрических сетей с неэффективным заземлением нейтрали (сети среднего напряжения - до 35 кВ в России и до 69 кВ за рубежом) и результаты регистрации перенапряжений при замыканиях на землю позволяют сделать вывод, что ни одна из используемых гипотез не соответствует в полной мере реальным условиям протекания этих процессов в электрических кабельных сетях СН.
Существенные сложности возникают при попытках классифицировать и описать процессы изменения амплитудных и частотных параметров переходных процессов, сопровождающих горение дуги в смешанных кабельно-воздушных сетях и кабельных сетях, выполненных кабелями разных типов - с БМПИ и полимерной изоляцией, в частности из СПЭ. Значительное влияние на процесс горения дуги в изоляции кабеля оказывает состав тока замыкания, связанный с режимом нейтрали сети. Как правило, дуговые 033 в кабельной сети с большими расстройками компенсации \х \ 15 - 20% характеризуются большим количеством повторных пробоев и имеют более тяжелые последствия, чем для сетей с емкостными токами /с Ю - 30 А (иногда /с » 30 А) при отсутствии ДГР. Поскольку кабельные сети, как правило, характеризуются наличием устройств компенсации, при исследовании дуговых перенапряжений будем рассматривать и режим комбинированного заземле 21 ния нейтрали, широко применяющийся в отечественных сетях 6-35 кВ различного назначения с 1998 г. [19].
Наличие широкого ряда влияющих факторов, таких как вид изоляционной среды, соотношение активной IR и реактивной 1с составляющих тока замыкания на землю, сопротивление Z цепи замыкания, время горения дуги tD!JG (характерный признак - снижение напряжения на поврежденной фазе ИПОВР - 0), длительность бестоковых пауз At (U/JOBP = uBocci{t)), соотношение скорости переходного восстанавливающегося напряжения (ПВН) на дуге diiBoccrldt и восстанавливающейся электрической прочности (ВЭП) дугового промежутка denP/dt, скорость изменения тока при его переходе через нулевое значение diDUc/dt, значения максимумов напряжения на нейтрали UNMAX И напряжения повторного пробоя wnP, расстройка компенсации v - обусловливает невозможность создания абсолютно достоверных моделей развития дугового 033. Поэтому процесс возникновения максимальных перенапряжений уровнем Ки в соответствии с теориями В. Петер-сена и Петерса-Слепяна [5] может существенно отличаться от реального переходного процесса при замыкании на землю в изоляции силового кабеля. Например, при расчете Кц по гипотезе Петерса-Слепяна эскалации перенапряжений с ростом числа пробоев (после второго и последующих зажиганий) не происходит. Это связано с идентичными начальными условиями каждого последующего цикла зажигания и погасания дуги: напряжение пробоя ИПР = const. Для кабельной сети это неверно, поскольку сопротивление места пробоя изоляции в реальной сети меняется в диапазоне 10"1 - 103 Ом, в зависимости от параметров 033 - tDUG, At, Ic и др. При однофазных повреждениях кабельной изоляции амплитуда перенапряжений не всегда играет решающую роль в развитии процесса: важны также частотные и временные параметры замыкания.
Исход каждого последующего пробоя при неустойчивом горении дуги и исход дугового ОЗЗ в кабеле (муфте) в целом определяется широким рядом факторов, каждый из которых, за исключением первичных параметров цепи замыкания на землю, является в общем случае случайной величиной. Поэтому и модель дуги в идеальной постановке должна отражать вероятностный характер изменения iDUG (либо diDUG/dt), duB0CCT/dt и denP/dt.
В расчётах переходных процессов при дуговых 033 чаще других используется гипотеза Н.Н. Белякова и Ч.М. Джуварлы [7], разработанная на основе анализа нескольких тысяч реальных осциллограмм, полученных при замыканиях на землю в воздушных сетях. Но условия горения перемежающейся дуги в воздушных и кабельных сетях существенно различаются. Поэтому с учетом широкого внедрения резистивного и комбинированного заземления нейтрали применимость ранее предлагаемых гипотез для описания горения заземляющей дуги в кабеле становится неочевидной.
Более адекватной для анализа возникающих при дуговых 033 переходных процессов представляется гипотеза, предложенная М.Л. Барановской [41]: - первое зажигание дуги на поврежденной фазе происходит при иФМАХ (угол пробоя ці = яг/2 + кп, п- номер пробоя); - гашение дуги происходит при переходе высокочастотного тока дуги через ноль; - повторные зажигания дуги происходят при неизменном напряжении поврежденной фазы.
Проблема заключается в том, что гипотезы Петерсена, Петерса-Слепяна, Белякова-Джуварлы по понятным причинам основывались на допущении об открытом горении заземляющей дуги. Но в кабеле дуга горит совершенно по-другому. Например, сведения, полученные в результате мониторинга [42], свидетельствуют о возможности длительного существования перемежающегося дугового ОЗЗ без перехода его в глухое «металлическое» замыкание на землю. Отмечается, что в сети с ослабленной изоляцией кабелей At = 100 - 200 мс. При этом время существования дугового ОЗЗ может составлять до 40 - 60 минут. Например, в кабельной сети 6 кВ Свердловской ТЭЦ с компенсацией емкостного тока зарегистрированы самоустранившиеся дуговые замыкания с общей длительно 23 стью процесса 4-27 секунд с частотой следования повторных пробоев 10 - 100 Гц (At = 10 - 100 мс). При этом расстройка компенсации достигала \v\ = 20 - 45%. Основными задачами исследования, представленного в настоящем подразделе, являются:
1. Уточнение вероятных токов самогашения и длительности горения дуги при 033 в кабельной сети, расчет скорости ПВН на поврежденной фазе в бестоковую паузу в сети с компенсацией емкостного тока.
2. Определение перенапряжений как амплитудных характеристик переходного процесса при дуговом замыкании на землю; аналитическая и инженерная оценка Ки в сети с комбинированным заземлением нейтрали.
3. Расчет для сети с СПЭ-кабелями трех частот переходного процесса при дуговом 033 на основе эквивалентных схем с учетом реальных параметров питающих трансформаторов и конструкции кабельной сети; отыскание аппроксимирующих полиномов для инженерной оценки частот в кабельных сетях с токами 1С = 5 - 200 А.
Проверка нормальности закона распределения и определение статистических характеристик
Моделирование переходных процессов при дутовом 033 в кабельной изоляции связано с допущениями о неучете случайности момента каждого повторного пробоя и взаимосвязи амплитудных, скоростных и временных параметров замыкания на землю, теоретически изменяющихся в весьма широких пределах и являющихся, строго говоря, случайными величинами (СВ). Поэтому определение статистических характеристик и стохастической связи параметров дугового замыкания (длительности бестоковых пауз At, напряжения пробоя изоляции иПр, скорости ПВН du&occjldt на поврежденной фазе и др.) является актуальной задачей в рамках разработки алгоритмов (механизмов) развития 033 в изоляции кабеля.
Поскольку в процессе эксплуатации электрической сети возможно многократное изменение условий 033, натурные испытания представляют практическую ценность именно с точки зрения непрерывности опыта и сохранении неизменными условий его выполнения. Это связано с ограничением времени измерений и запретом на любые оперативные переключения в течение эксперимента.
Методом исследования является натурный эксперимент с созданием искусственных дуговых замыканий на землю, инициируемых в специально ослабленной изоляции кабеля 6-10 кВ повреждением типа «прокол». Для подачи напряжения на испытываемый кабель служит искровой промежуток со смыкающимися шаровыми электродами, что приводит к пробою проколотой изоляции кабеля
Несмотря на вероятное отличие процесса горения инициированной дуги в искусственно поврежденной кабельной изоляции от реальных процессов дуговых 033, важным преимуществом эксперимента являются: - использование специальных датчиков напряжения и трансформатора тока с существенно лучшими АЧХ, по сравнению с любыми штатными ТТНП и ТН; - возможность цифрового осциллографирования режимных параметров с высоким разрешением при гарантированно достаточной частоте дискретизации; - проработанная методика измерения и принципиально подобный реальному характер наблюдаемого в опыте дугового 033 в кабеле.
Опыты проводились в сети с включенными параллельно дугогасящими реакторами типа ЗРОМ-350/6 и РЗДПОМ-300/6 и высокоомными резисторами типа РЗ-1000-12-6 с IRZ — 7,0 А. Полный емкостный ток замыкания на землю для конфигурации сети, зафиксированной на момент проведения эксперимента, составил /с = 79 А, расстройка компенсации установлена на уровне о 0,05. В качестве испытываемых кабелей, в которых с помощью специального прокалывающего устройства и искрового промежутка инициировался дуговой пробой, применялись отрезки, длиной не более 5 м, трехжильного силового кабеля типа ААшВ-10 (3x70) с бумажно-пропитанной изоляцией и снятой внешней оболочкой ПВХ (рисунок 2.1). Во избежание дугового перекрытия по поверхности разделанного кабеля между разделанными жилами и местом искусственного повреждения кабеля использовались концевые заделки с усилением изоляции жил.
Для получения устойчивых результатов и записи режима перемежающегося (прерывистого) дугового ОЗЗ в кабелях радиально производилось повреждение изоляции по всей толщине до жилы с последующим «отводом» прокалывающей иглы примерно на 1 мм от жилы. Шины ГРУ-6 кВ
Схема организации эксперимента в кабельной сети 6 кВ с инициированием дугового замыкания в кабеле с БМПИ
Преобразование первичных сигналов напряжения осуществлялось с использованием емкостных делителей напряжения с полосой пропускания частот 20 Гц -2,5 МГц и коэффициентом деления 5100 с отклонением не более 2,5% в заданном диапазоне частот.
Ток дуги получен путем пересчета напряжения, снимаемого с безындуктивного шунта с калиброванным сопротивлением, подключенным во вторичную измерительную обмотку класса точности 0,5 трансформатора тока (ТТ) типа ТЛМ-10, другая вторичная обмотка была замкнута накоротко согласно [63]. Вторичная нагрузка ТТ с учетом сопротивления измерительных кабелей не превышала 0,8 Ом. Проверка линейности коэффициента деления К-л, произведенная с помощью высокочастотного генератора произвольных сигналов при первичном синусоидальном токе 10 А и непрерывном контроле К-л показала, что его отклонение от паспортного значения Ктт = 150/5 не превышает 0,5% в диапазоне частот 10 Гц - 10 кГц при вторичной нагрузке до 1 Ом.
Фазные напряжения и ток дугового замыкания в опытах осциллографирова-лись с частотой дискретизации 500 кГц с помощью цифрового многоканального осциллографа с 12-разрядным независимым АЦП на каждом аналоговом входе и защитой от повышения напряжения. Подключение первичных датчиков к осциллографу производилось с помощью коаксиальных проводов типа РК и разъемов с согласующими сопротивлениями. Использование ферритовых колец в измерительном тракте, а также фильтрация высокочастотных наведенных помех с помощью встроенных средств осциллографа позволило записывать полезные сигналы с минимальным уровнем искажений.
Основными задачами представленного исследования являются: 1. Проверка нормальности законов распределения и определение статистических характеристик амплитудных, скоростных и временных параметров напряжений и тока дугового замыкания на землю в кабеле на основе полученных из натурных осциллограмм выборок СВ: touc , &; Кц, diDUc/dt; duBoccr/dt; UNMAX , ипр 71 2. Проверка значимости стохастической связи между параметрами дугового замыкания на землю в изоляции кабеля с оценкой параметров линейной парной регрессии; определение значимости частных и множественных корреляций между рассматриваемыми СВ.
Проведена статистическая обработка данных по результатам осциллограмм тока и напряжения, отображающих протекание длительного дугового замыкания на землю в БПИ кабеля, полученной при известной конфигурации сети 6 кВ. Фрагмент полной осциллограммы, содержащей 63 последовательных пробоя кабельной изоляции и его растянутая часть (иллюстрация единичного пробоя) представлены на рисунке 2.2. Полная длительность записи процесса 033 составила 5,05 с. Исходя из характера протекания процесса дугового замыкания, можно констатировать, что в эксперименте наблюдался режим последовательных импульсных пробоев кабельной изоляции.
Каждый пробой был детально проанализирован, после чего были составлены выборки по каждому из ряда параметров, представляющих интерес с точки зрения получения статистической информации о процессе развития однофазного дугового пробоя кабельной изоляции. Следует отметить, что доверительные оценки, используемые при статистической обработке, основаны на гипотезе нормальности закона распределения случайных ошибок и могут претендовать на адекватность в случае не противоречия результатов эксперимента этой гипотезе.
2Аналитическая модель перемежающегося дугового замыкания на землю в кабельной сети
В качестве исходных данных использованы результаты экспериментальных исследований токов и напряжений при искусственных 033 в кабельной сети ГРУ-6 кВ ТЭЦ, питающей несколько районов города с населением более 500 тыс. человек, а также ряд цехов крупного химического предприятия с большим количеством приводных высоковольтных электродвигателей. Рассматриваемая сеть 6 кВ эксплуатируется с компенсацией емкостных токов, в нейтрали четырех трансформаторов ТМ-1000/6 на 1 с.ш., 2 с.ш. и 6 с.ш. установлены реакторы ЗРОМ-350/6 (6 шт.) и РЗДПОМ-300/6 (2 шт.). Расчетный емкостный ток сети ГРУ-6 кВ 1С = 260,7 А. Настройка компенсации емкостного тока перед опытом замыкания проводится по показанию специального индикатора.
На рисунке 3.6 приведены натурная осциллограмма напряжений при отключении «металлического» ОЗЗ и компьютерная осциллограмма напряжений при однократном дуговом ОЗЗ, полученные для одной и той же конфигурации кабельной сети 6 кВ ТЭЦ: 1С = 254,5 А, 1 = 282,1 А, \х \ = 10,8%. Сопоставление приведенных на рисунке 3.6 осциллограмм подтверждают хорошую сходимость результатов измерений и моделирования переходного процесса в рассматриваемой кабельной сети 6 кВ, позволяя корректно сравнивать «металлическое» ОЗЗ с однократным дуговым пробоем фазы на землю.
Анализ натурных осциллограмм тока «металлического» ОЗЗ (рисунок 3.7) показал, что в его составе содержатся высшие гармонические составляющие большой амплитуды: в частности, за счет одиннадцатой гармоники наблюдаются «биения» тока. На основе преобразования Фурье были выделены активная и реактивная составляющие остаточного тока. Значение основной гармоники Лхто) -30,6 А, в том числе реактивная составляющая от ДГР h = 21,5 А; активная составляющая от утечек по изоляции сети 6 кВ IG - 14,3 А. Измеренный косвенно ток
Результаты гармонического анализа тока 033 в исследуемой сети 6 кВ, для наиболее заметно выраженных составляющих непромышленной частоты, представлены в таблице 3.2. Гармоники четного ряда выражены слабо, их доля в сигнале промышленной частоты не превышает 4 - 5%. Фаза каждой гармоники п 1 произвольна в текущий момент времени. Для интегральной оценки уровня токов высших гармоник используется понятие действующего тока искажения [75], вычисляемого как среднеквадратическое значение составляющих спектра тока замыкания с известными амплитудами:
Рассчитанный по формуле (3.10) ток искажения для ряда четных и нечетных гармоник №2 - №13 составил IGARM= 2,57/ОСЩ) = 79,59 А. Вклад нечетных гармоник № 3, 5, 7, 9, 11 в токе 033 можно считать определяющим. Влияние составляющих частотой свыше 700 Гц (15-й и последующих гармоник) на значение суммарного тока замыкания в данном случае несущественно, равно как и вклад четных гармоник в искажение сигнала тока замыкания на землю. Последнее положение справедливо для подавляющего большинства сетей 6-35 кВ и для ряда действующих энергообъектов подтверждено экспериментально [76].
Сравнение гармонического состава фазных напряжений в нормальном режиме и гармонического состава напряжений незамкнутых фаз во время 033 показывает, что в ряде случаев можно наблюдать увеличение процентного содержания отдельных гармоник. В рассматриваемой сети ГРУ-6 кВ ТЭЦ происходило увеличение процентного содержания составляющих напряжения высших частот в области 11-й гармоники более чем в 1,4 раза относительно напряжения той же гармоники в нормальном режиме (0,65% от сигнала 50 Гц).
Резонансные режимы на высших гармониках, возникающие при ОЗЗ, подробно исследованы в [74].
Полный ток 033, протекающий в точке замыкания включает, помимо реактивного тока промышленной частоты (7С при отсутствии компенсации; IIL - Id при наличии ДГР), активные токи утечек по изоляции сети IG и ток от резистора в нейтрали /я (при его наличии), а также эквивалентный ток высших гармоник: Из векторных диаграмм рисунка 3.8, иллюстрирующих вклад составляющей тока IG (положим IR = 0) видно, что при отсутствии резистора влияние Ід на значение суммарного тока 033 незначительно. для нормальной изоляции кабелей принимается значение IQ 0,05/с, что отвечает коэффициенту демпфирования d 0,05. Для длительно эксплуатирующейся, состаренной изоляции КЛ d = 0,05 - 0,10. Диапазон зарегистрированных в натурных экспериментах значений IG весьма широк: в абсолютном выражении 1С„ MN — (0,01 - 0,05) A, IG-MAX = (6,4 - 8,1) А; в относительном - dmN= (2 - 5)10"3; duAX= 0,08 -0,10.
При учете токов высших гармоник математические модели сети дополняются нелинейными элементами нагрузки и источника, определяющими искажение тока 033. Корректно также в инженерных расчетах моделировать гармонические искажения источниками тока, количество и параметры которых соответствуют экспериментально определенным значениям и фазам гармоник тока 033, либо источниками напряжения в фазах сети, соответствующих гармоническому ряду в напряжении сети нормального режима.
Обобщенная расчетная схема трехфазной сети с учетом высших гармоник в виде источников тока, включенных в нейтраль цепи через сопротивление Rz = 0,5 - 1,0 Ом, представлена на рисунке 3.9.
На основе представленных положений в программном комплексе VMAES была реализована математическая модель для анализа переходных процессов при дуговых 033 в кабельной сети ГРУ-6 кВ ТЭЦ (рисунок 3.10), с учетом наличия в токе замыкания большой доли некомпенсируемых ДГР высших гармоник по данным таблицы 3.2.
На рисунке 3.11 приведены компьютерные осциллограммы перенапряжений при ОЗЗ на фазе «А» в начале отходящего кабеля на 1 СШ 6 кВ при отделении 1, 2, 3 СШ от остальной сети. Расчет произведен для случая заземления нейтрали через ДГР (рисунок 3.11 а) и при заземлении нейтрали сети 1-й, 2-й и 3-й секции шин через параллельно включенные ДГР и резисторы номиналом RN = 300 Ом (рисунок 3.11 б). В сети 1, 2, 3 с.ш. IQI-2-З) = 46,0 А, Іці-2-з) = 170,1 А, ток перекомпенсации Д/(+) = 124,1 А. Эквивалентный активный ток от резисторов RNz = 100 Ом-/ЙГ=34,65А.
Механизмы деградации СПЭ-изоляции кабелей под влиянием электрических и водных триингов
В упрощенной постановке канал пробоя можно представить в виде цилиндра с некоторым переменным сечением и высотой, равной толщине изоляции кабеля [98]. Согласно предлагаемой нами гипотезе, в этом цилиндрическом канале разряд развивается по двум механизмам, связанным как с ударной ионизацией, так и с нарушением равновесия «тепловыделение - теплоотвод».
Первый механизм, более интенсивный, характеризуется формированием сети поверхностных скользящих разрядов, которые вытягиваются по стенкам развитого цилиндрического канала триинга в высоту по одной или нескольким линиям, в зависимости от степени наибольшего локального разрушения полимера, с образованием частично проводящих углеродных соединений. Этот механизм обеспечивает достаточную для начала развития объемного разряда ионизацию в канале. Нагрев изоляции на границах раздела «полимер-газовый дефект», вызванный скользящими разрядами по стенкам канала триинга с повышением их проводимости, приводит к местному перегреву изоляции и развитию локального теплового пробоя.
Второй механизм обусловлен объемным разрядом в полости цилиндрического канала, заполненного газовой смесью. Для этого механизма справедливы закономерности пробоя газового промежутка с неоднородным полем. Степень неоднородности этого поля зависит от текущего напряжения возникновения ЧР, равномерности их распределения в канале, проводимости и объемной плотности газовой смеси в разных частях канала и т.д. Чем больше коэффициент неоднородности поля, примерно равный отношению радиусов кривизны жилы и экрана кабеля, тем ниже пробивное напряжение относительно начального. Следовательно, что при условии необратимости полного пробоя изоляции его вероятность существенно повышается при увеличении напряженности поля за счет «внешних» факторов. К таким факторам можно отнести коммутации КЛ с поврежденной изоляцией вакуумным выключателем (см. пп. 4.1.5, таблица 4.5), возникновение дуговых 033 в других точках сети.
Вероятная длительность третьего этапа - единицы и доли секунд. Наблюдается необратимое снижение эффективной толщины изоляции за счет последовательного соединения дефектных областей с ЧР. Теория теплового пробоя на основе роста диэлектрических потерь и плотности тока в структурных неоднород-ностях, применимая для описания процесса объединения каналов триингов на этом этапе, была предложена Вагнером и в строгой постановке изложена В.А. Фоком и А.Ф. Вальтером [99] с учетом распределения температуры по толщине диэлектрика.
Четвертый этап пробоя является завершающим и не обязательно рассматривается отдельно от третьего. За счет возрастающей степени ионизации и резкого роста интенсивности разрядных процессов в канале происходит лавинообразное повышение температуры в течение единиц миллисекунд до нескольких сотен С. При дальнейшем прогреве границ канала пробоя до 800 - 1200 С (в центре канала ожидаемая температура в 2 - 4 раза выше) возникает искровой разряд и, при условии достаточной ионизации, зажигание столба дуги. В процессе горения дуги в канале полимерной изоляции ее температура может достигать 1000 -5000 К [39]. Это низкотемпературная плазма. В то же время, что очевидно, ЭП поврежденного участка изоляции падает до нуля. Исследования ВНИИКП подтвердили еще одну интересную особенность пробоя монолитных полимеров в составе кабеля: независимо от того, с какого электрода (жила или экран) происходит развитие главного стримера в канале пробоя, примерно за доли миллисекунд до полного пробоя СПЭ-кабеля с противоположного электрода развивается встречный стример.
Четвертый этап пробоя можно также рассматривать как два последовательных процесса, имеющих разный порядок времени протекания: а) процесс зажигания столба дуги, б) процесс ее горения, которые характеризуются некоторыми значениями постоянной времени. Время от зажигания столба дуги в развитом канале пробоя до попытки ее гашения при первом переходе высокочастотного тока через нуль составляет обычно не более 100-200 мкс.
В рамках предлагаемой гипотезы разработаем аналитическое описание горения заземляющей дуги в узком канале полимерной изоляции. Режим горения дуги является квазистационарным, ее погасание возможно при любом переходе высокочастотной составляющей тока дуги через нуль. Чем больше длительность горения заземляющей дуги в кабеле (от 5 - 10 мс до единиц секунд и минут), тем более сильное влияние на нее оказывают процессы соревнования выделяющегося и отводимого от столба дуги тепла.
Дуга «стабилизируется» испаряющимся материалом стенок разрядного канала, поскольку температура молекулярных комплексов материала канала ниже, чем температура плазмы в канале. За счет разрушения стенок дугового канала возрастает давление потока пара, радиально обжимающего дугу. При этом температурный профиль столба дуги становится более резким: из-за охлаждения поступающим паром и макрочастицами на границе столба дуги проводимость уменьшается, т.е. уменьшается токопроводящий диаметр дуги, что приводит к повышению температуры в центре канала разряда. Теперь нужно пропустить тот же ток по уменьшенному сечению столба дуги, т.е. необходима большая удельная электропроводность плазмы, что приводит к повышению температуры в центре канала. Повышение удельной электропроводности плазмы столба дуги сопровождается уменьшением ее полной электропроводности (проводящий столб разряда уменьшается в диаметре), т.е. повышением динамического сопротивления дуги. Исход соревнования процессов охлаждения дуги и расширения канала разряда в диэлектрике определяет момент самопогасания дуги, соответствующий максимуму динамического сопротивления.
Источником энергии системы является активная мощность, выделяющаяся в зоне горения дуги. Эта мощность сообщается испаренному потоку массы и передается за счет конвекции через концевые сечения канала в виде струй нагретого пара и плазмы. Количество входной мощности и ее распределение в зоне горения дуги и паровом слое определяется процессами радиального обмена энергией, которые наблюдаются в двух зонах: на границе дуги (в пограничном слое) и на поверхности стенки канала. И передача энергии, и испарение материала стенок канала являются следствием сложных термохимических и радиационных процессов, а также процессов в приграничном слое. Наибольший теплоотвод на начальном этапе горения дуги, очевидно, осуществляется за счет высокой теплопроводности металлических электродов. Существенное снижение влияния электродов при го 176 рении дуги можно объяснить испарением металла в ее канале и осаждением на стенках.
Сопровождающаяся испарением дуга, горящая в канале твердого диэлектрика, состоит из трех основных частей [39]: - почти цилиндрическая и центрированная по направлению оси зона дуги в канале, характеризующаяся температурой Т 5000 К; - полая цилиндрическая несветящаяся оболочка, отделяющая зону дуги от стенок канала - «паровой слой» с 1000 Т 5000 К. - плазменные струи, возникающие на открытых концах канала, форма которых зависит от положения электродов, состава газовой среды внутри канала, преград на пути потока и др.
Не рассматривая подробно особенности строения дугового столба, констатируем, что горение дуги, вплоть до момента устранения дугового замыкания (в том числе с отключением поврежденного элемента сети), происходит, как правило, в закрытом объеме, что приводит к расширению канала и появлению ударных давлений в зоне локально ослабленной оболочки кабеля.
