Введение к работе
Актуальность темы. В электроэнергетике России распределительные сети напряжением от 6 до 35 кВ являются наиболее протяжёнными и их общая длина оценивается около трёх миллионов километров. При этом сети именно этого класса напряжения являются наиболее аварийными.
Работа подобных сетей может предусматриваться как с изолированной, так и с нейтралью заземлённой через дугогасящий реактор (ДГР) или резистор. Общее количество сетей (секций) напряжением от 6 до 35 кВ составляет 25260 единиц, из них более 2600 – сети, в которых необходимо применять компенсацию ёмкостного тока. Следовательно, практически 90 % сетей среднего класса напряжения работают с изолированной нейтралью.
Нормальная работа сетей как рецепторов при этом режиме нейтрали в значительной мере обусловливается электромагнитной обстановкой (ЭМО). При несинусоидальных и несимметричных напряжениях токи однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) возрастают и могут превышать допустимые значения. Из-за этого появляются кондуктивные электромагнитные помехи (ЭМП) по току замыкания фазы на землю; снижается надёжность работы сетей, обусловленная увеличением случаев ОЗЗ и переходом их в 2-х и 3-х фазные короткие замыкания (КЗ); нарушается электромагнитная совместимость (ЭМС) технических средств. Соответствие уровней ЭМС для кондуктивных ЭМП требованиям ГОСТа 13109-97 необходимо: для обеспечения мероприятий по защите жизни и здоровья граждан, имущества физических и юридических лиц, государственного имущества и по охране окружающей среды; для повышения технико-экономических показателей производств и качества выпускаемой ими продукции.
В сетях с компенсацией ёмкостного тока применяется более 1900 ступенчатых дугогасящих реакторов (75,5 % от общего числа ДГР) и 450 плавноре-гулируемых реакторов (24,5 %). Около 7% от плавнорегулируемых реакторов составляют ДГР с подмагничиванием, которые только осваиваются эксплуатацией в автоматическом режиме работы. При этом одной из научно-технических задач их внедрения является исследование переходных режимов при металлических и дуговых ОЗЗ.
В настоящее время проблема ЭМС в сетях среднего класса напряжений обострилась из-за усиления влияния искажающей нагрузки и значительного физического износа сетей. К 2015 г. сработка ресурса электрических сетей может достигнуть 75 %. Темпы нарастания изношенного электрооборудования составляют от 2 до 6 % в год от общего количества.
Исследования Лихачёва Ф.А., Миронова И.А., Обабкова В.А., Сарина Л.И., Халилова Ф.Х., Горелова В.П., Ивановой Е.В., Короткевича М.А. (Республика Белорусь), Лизалека Н.Н., Фельдмана М.Л. и др. охватывают различные аспекты обеспечения ЭМС технических средств. Однако, рассматривае-
мая проблема многогранна и одна из научно-технических задач – повышение эффективности режимов нейтрали в распределительных сетях от 6 до 35 кВ при подавлении кондуктивной ЭМП по току замыкания фазы на землю не решена. Поэтому тема диссертации является актуальной.
Объектом исследования являются распределительные электрические сети от 6 до 35 кВ общего назначения.
Предметом исследования являются режимы нейтрали распределительных электрических сетей от 6 до 35 кВ общего назначения.
Связь темы диссертации с общенаучными (государственными) программами и планом работы академии. Работа выполнялась в соответствии: с научными направлениями технического комитета № 77 «Электромагнитная совместимость электрооборудования, присоединённого к общей электрической сети» Международной электротехнической комиссии (МЭК), с научной целевой комплексной темой «Разработка мероприятий по повышению надёжности работы оборудования в условиях пониженных температур» (Гос. регистр № 0188.0004.137) и «Планом развития научных исследований на 2007–2010 гг. (раздел 1.10)» ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта» (ФГОУ ВПО «НГАВТ»).
Идея работы заключается в установлении связей режимов нейтрали с кондуктивной ЭМП по току замыкания фазы на землю, воздействия на которые можно обеспечить ЭМС распределительных сетей от 6 до 35 кВ как рецепторов в электроэнергетических системах (ЭЭС).
Целью работы является разработка научных положений и рекомендаций, позволяющих повысить эффективность режимов нейтрали в сети от 6 до 35 кВ при подавлении кондуктивной ЭМП по току замыкания фазы на землю. Для достижения этой цели в работе ставились и решались следующие задачи:
исследование содержания проблемы режимов нейтрали в распределительных сетях от 6 до 35 кВ при нарушениях уровней ЭМС для кондуктив-ных ЭМП;
разработка математической модели времени выхода ДГР с подмагничи-ванием на установившийся режим компенсации в сети 10 кВ при металлическом заземлении фазы на землю, которая может научно-обоснованно характеризовать их при выборе режима нейтрали;
разработка математической модели зависимости резонансных номеров высших гармонических составляющих напряжений неповреждённых фаз и тока металлического замыкания фазы на землю от ёмкостного тока сети 10 кВ с изолированной нейтралью;
- экспериментальная проверка возможностей положений ГОСТа 13109-
97 защитить сеть 10 кВ как рецептора от кондуктивной ЭМП по току замыка
ния на землю при гармоническом воздействии в пределах допустимого значе-
4
ния коэффициента искажения синусоидальности кривой фазного напряжения (5 %);
- разработка математической модели зависимости кондуктивной ЭМП по
току замыкания фазы на землю от параметров распределительной сети от 6
до 35 кВ, заземляющего нейтраль резистора и сопротивления заземления.
Методы исследования. В процессе выполнения исследований применялись: научно-техническое обобщение литературных источников по исходным предпосылкам исследований, методы теоретических основ электротехники и теории электрических сетей, методы математической статистики и теории вероятностей (теории планирования эксперимента, теории ошибок), метод аналитических исследований (гармонический анализ), рекомендованные Госстандартом России методы и средства измерения показателей качества электроэнергии (КЭ), пакет программ Matlab.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: отбором значимых для проведения научных исследований процессов и новейших средств измерения и осциллографирова-ния переходных процессов; принятыми уровнями допущений при математическом описании явлений; исследованиями погрешностей разработанных математических моделей; удовлетворительным совпадением результатов теоретических исследований с результатами экспериментов, выполненных в реальных сетях (с вероятностью 0,95 относительная ошибка не превышает ±10 %); достаточным объёмом исследований и практической реализацией основных выводов и рекомендаций.
На защиту выносятся математические модели:
- времени выхода ДГР с подмагничиванием на установившийся режим
компенсации в сети 10 кВ при однофазных замыканиях на землю;
- зависимости номеров резонансных гармонических составляющих
напряжений неповреждённых фаз и тока металлического замыкания фазы на
землю от ёмкостного тока в сети 10 кВ с изолированной нейтралью;
- зависимости кондуктивной ЭМП по току замыкания фазы на землю от
параметров распределительной сети от 6 до 35 кВ, заземляющего нейтраль
резистора и сопротивления заземления.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
- разработана математическая модель времени выхода ДГР с подмагни-
чиванием на установившийся режим компенсации в сети 10 кВ при одно
фазных замыканиях на землю, которая комплексно представляет их при вы
боре режима нейтрали сети;
- представлена математическая модель зависимости номеров резо
нансных гармонических составляющих напряжений неповреждённых фаз и
тока металлического замыкания фазы на землю от ёмкостного тока в сети 10
кВ с изолированной нейтралью, позволяющая прогнозировать резонансные явления;
- разработана математическая модель зависимости кондуктивной ЭМП
по току замыкания фазы на землю от параметров распределительной сети от
6 до 35 кВ, заземляющего нейтраль резистора и сопротивления заземления,
которая эффективно использует отношение ёмкостного тока к активному
току через резистор (tg ) для снижения уровня перенапряжений при одно
фазном замыкании.
Практическая ценность работы заключается в том, что внедрение новых научных положений в проектную и эксплуатационную практику обеспечивает повышение уровня ЭМС электрических сетей от 6 до 35 кВ как рецепторов:
математическая модель времени выхода ДГР с подмагничиванием на установившийся режим компенсации в сети 10 кВ при однофазных замыканиях на землю;
математическая модель зависимости номеров резонансных гармонических составляющих напряжений неповреждённых фаз и тока металлического замыкания фазы на землю от ёмкостного тока сети 10 кВ с изолированной нейтралью;
математическая модель зависимости кондуктивной ЭМП по току замыкания фазы на землю от параметров распределительной сети от 6 до 35 кВ, заземляющего нейтраль резистора и сопротивления заземления.
Реализация работы. Разработанные в диссертации научные положения использованы: в ООО «ПНП Болид» для обоснования эффективности заземления нейтрали через высокоомный резистор в распределительных сетях от 6 до 35 кВ с годовым экономическим эффектом 478 тыс.рублей; в ОАО «Инженерно-аналитический центр «Кузбастехэнерго» с годовым экономическим эффектом 351 тыс. рублей.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
международной научно-технической конференции «Энергосистема: исследование свойств, управление, автоматизация» (26-29 мая 2009 г., г. Новосибирск, Россия);
международной научно-практической конференции «Электроэнергетика в сельском хозяйстве» (26-30 июня 2009 г., Республика Алтай, Россия);
- постоянно-действующем научно-техническом семинаре «Электриче
ские станции и электроэнергетические системы» в ФГОУ ВПО «НГАВТ»
(2005–2009 г.г.).
Личный вклад. Постановка научно-исследовательских задач и их решения, научные положения, выносимые на защиту, основные выводы и рекомендации диссертации принадлежат автору. Личный вклад в работах, выпол-
ненных в соавторстве (показан в приложении А диссертации), составляет не менее 50 %.
Публикации. Содержание работы опубликовано в 14 научных трудах, в том числе в 9 статьях периодических изданий по перечню ВАК.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 127 наименований и двух приложений. Изложена на 134 страницах машинописного текста, который поясняется 42 рисунками и 13 таблицами.
