Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Содержание проблемы повышения качества функционирования электрических сетей от 6 до 35 кВ как рецепторов в электроэнергетиче ской системе 12
1.1 Связь нормальных режимов сетей среднего напряжения с проблемой электромагнитной совместимости технических средств 12
1.2 Современные направления развития и совершенствования эксплуатации распределительных сетей среднего класса напряжения 23
1.3 Влияние заземления нейтрали на переходный процесс замыкания фазы на землю 29
1.4 Системный подход к достижению цели исследований 36
Глава 2 Теоретические основы повышения качества функционирования технических средств в электроэнергетических системах 40
2.1 Показатели качества функционирования технических средств 40
2.2 Поле событий в электрической сети при нестандартных значениях показателей качества электроэнергии 48
2.3 Параметры распределения и вероятность появления кондуктив-ной электромагнитной помехи, распространяющейся по сетям 49
2.4 Концепция повышения качества функционирования технических средств в сетях с некачественной электроэнергией 58
Глава 3 Экспериментальные исследования качества функционирования электрической сети 10 кВ с изолированной нейтралью как рецептора 67
3.1 Измерение нормируемых показателей качества функционирования технических средств 67
3.2 Метрологическое обеспечение измерений показателей качества функционирования сетей среднего напряжения при значительных искажениях напряжений 70
3.2.1 Методология измерений 70
3.2.2 Требование и методический подход к осциллографирова-нию процессов при однофазных замыканиях на землю в сетях от 6до35кВ 71
3.2.3 Требования к измерению интегрального показателя искажений напряжения 75
3.3 Экспериментальное исследование качества функционирования сети 10 кВ по искажению напряжению 76
3.4 Осциллограммы тока и напряжений при металлическом замыкании фазы С на землю 82
3.5 Резонансная частота гармонической составляющей тока металлического замыкания фазы на землю 96
3.6 Осциллограммы фазных напряжений и тока при дуговых замыканиях фазы на землю 100
Глава 4 Повышение качества функционирования электрических сетей от 6 до 3 5 кВ как рецепторов в электроэнергетических системах 107
4.1 Влияние несинусоидальности и несимметрии напряжений на ток замыкания фазы на землю в сети среднего напряжения с изолированной нейтралью (ретроспективный анализ) 107
4.2 Механизм обеспечения качественного функционирования сети среднего напряжения с изолированной нейтралью 108
4.2.1 Режим нейтрали как основа для качественного функционирования сети от 6 до 35 кВ 108
4.2.2 Резистивное заземление нейтрали сети напряжением от 6 до35кВ ПО
4.2.3 Математическое обоснование экспериментально обнаруженных нескольких резонансов гармоник тока металлического замыкания фазы на землю, протекающих одновременно 114
4.3 Технические условия повышения качества функционирования сетей от 6 до 3 5 кВ как рецепторов при искажающей нагрузке 119
4.3.1 Минимальные (предельные) значения сопротивлений рези сторов в нейтралях сетей от 6 до 35 кВ 119
4.3.2 Экспериментальное исследование эффективности рези- стивного заземления нейтрали 124
4.3.3 Стоимость работы по определению параметров критерия качества функционирования сетей среднего напряжения 128
Основные выводы и рекомендации 134
Список литературы 136
Приложения 149
- Современные направления развития и совершенствования эксплуатации распределительных сетей среднего класса напряжения
- Поле событий в электрической сети при нестандартных значениях показателей качества электроэнергии
- Метрологическое обеспечение измерений показателей качества функционирования сетей среднего напряжения при значительных искажениях напряжений
- Механизм обеспечения качественного функционирования сети среднего напряжения с изолированной нейтралью
Введение к работе
Электрические сети (далее - сети) среднего напряжения (от 6 до 35 кВ) являются наиболее протяжёнными в России, их общая длина составляет около трёх миллионов километров. Среди них до 90% работают с изолированной нейтралью, а остальные - с нейтралью заземленной через ду-гогасящий реактор (ДГР) или резистор. Сети среднего класса напряжения являются наиболее аварийными. Например, технологические нарушения режимов работы воздушных линий электропередачи в расчёте на 100 км составляют 6-7 случаев в год для районов с умеренным климатом и 20-30 случаев в год для районов со сложными климатическими и грунтовыми условиями (районы Сибири и Севера). Необходимо учитывать, что эти сети имеют значительный физический износ. К 2015г. сработка ресурса электрических сетей может достигнуть 75%. Темпы нарастания изношенного электрооборудования составляют от 2 до 6 % в год от общего количества. Количество технологических нарушений в отечественных сетях среднего напряжения от двух до семи раз больше, чем в промышленно развитых странах. Такая ситуация объясняется не только тяжёлым по своим последствиям гололёдно-ветровое воздействием, но и значительным влиянием кондуктивных электромагнитных помех (ЭМП), распространяющихся по проводам, на сети от 6 до 35 кВ как рецепторы.
Для оценки подобных общетехнических состояний (положений) ГОСТ Р 50397-93 введён термин — качество функционирования техниче ского средства: совокупность показателей технического средства, характе ризующих его способность удовлетворять требованиям эксплуатации. В соответствии с этим качество функционирования отечественных сетей среднего напряжения нельзя признать достаточным ! Нормальное функционирование сетей с изолированной нейтралью в s значительной мере обусловливается электромагнитной обстановкой (ЭМО). При несинусоидальных и несимметричных напряжениях усложняется ЭМО, возрастает вероятность повреждения изоляции фаз при одно- фазных дуговых замыканиях на землю (ОДЗ), появляются резонансы высших гармонических составляющих тока металлического замыкания фазы на землю (ОЗЗ) и т.д. Из-за этого обостряется проблема электромагнитной совместимости (ЭМС) технических средств. Соответствие уровней ЭМС для кондуктивных ЭМП требованиям ГОСТ 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.
Исследования Апполонского СМ., Горелова В.П., Дьякова А.Ф., Ивановой Е.В., Карякина Р.Н., Короткевича М.А., Костенко М.Ф., Лизале-ка Н.Н., Манусова В.З., Сальникова В.Г., Сарина Л.И., Челазнова А.А. и др. охватывают различные аспекты обеспечения ЭМС технических средств. Однако, рассматриваемая проблема многогранна и одна из научно-технических задач — повышение качества функционирования сети напряжением от 6 до 35 кВ как рецептора при кондуктивных ЭМП, распространяющихся по проводам, не решена - нет соответствующего стандарта. Поэтому тема диссертации является актуальной.
Объектом исследования являются распределительные электрические сети среднего напряжения общего назначения.
Предметом исследования являются процессы однофазных замыканий на землю при кондуктивных ЭМП в сети напряжением от 6 до 35 кВ с изолированной нейтралью или заземлённой через резистор.
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 по- ниженных 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 углубленных связей с помощью новейшей многоканальной компьютеризированной системы сбора, обработки и хранения данных (цифровой запоминающей осциллограф DL 750-8) процессов однофазных замыканий на землю при некачественной электроэнергии с режимом нейтрали, воздействие на которые можно повысить качество функционирования сетей среднего напряжения как рецепторов путём обеспечения ЭМС.
Целью работы является разработка научных положений и рекомендаций, позволяющих повысить эффективность функционирования электрических сетей среднего напряжения как рецепторов. Для достижения этой цели в работе ставились и решались следующие взаимосвязанные задачи: исследование содержания проблемы повышения качества функционирования сетей от 6 до 35 кВ как рецепторов в электроэнергетической системе (ЭЭС); обоснование требований к измерительной технике и методического подхода к осциллографированию параметров переходных процессов при различных замыканиях фазы на землю в сетях с изолированной и заземлённый через резистор нейтралью; осциллографирование токов замыкания фазы на землю и фазных напряжений в сети 10 кВ с изолированной и заземлённой через резистор нейтралью, математическая обработка результатов измерений; определение критерия качественного функционирования сети от 6 до 35 кВ при нестандартном показателе качества электроэнергии (КЭ); разработка методики расчёта критерия качественного функционирования сети среднего напряжения при некачественной электроэнергии; экспериментальное исследование кондуктивной ЭМП по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения в сети 10 кВ -критерия качественного функционирования сети по искажению напряжения; разработка математической модели зависимости резонансной частоты высших гармонических составляющих тока металлического замыкания фазы на землю в сетях среднего напряжения с изолированной нейтралью от ёмкостного тока сети; разработка рекомендаций по повышению качества функционирования сетей от 6 до 35 кВ как рецепторов и экспериментальная проверка эффективности их применения; выбор методики расчёта стоимости работы по определению параметров кондуктивных ЭМП в сетях среднего напряжения, распространяющихся по проводам.
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 (теория производящих функций, теория ошибок), метод аналитических исследований (гармонический анализ), методы системного анализа. Экспериментальные исследования выполнялись комплексным методом с применением делителей напряжения, трансформаторов тока, цифрового запоминающего осциллографа типа DL-750-8, измерительно-вычислительного комплекса (ИВК) «Омск-М» и специальных программ для расчётов на компьютере.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: отбором значимых для проведения научных исследований процессов и новейших средств измерения и осцилло-графирования переходных процессов; принятыми уровнями допущений при математическом описании явлений; исследованиями погрешностей разработанных математических моделей; удовлетворительным совпадением результатов теоретических исследований с результатами экспериментов, выполненных в реальной сети 10 кВ (с вероятностью 0,95 относительная ошибка не превышает ± 10%); достаточным объёмом исследований и практической реализацией основных выводов и рекомендаций. На защиту выносятся:
Критерий качества функционирования сетей напряжением от 6 до 35кВ как рецепторов в ЭЭС.
Методика определения критерия качественного функционирования сетей среднего напряжения как рецепторов-кондуктивной ЭМП, обусловленной нестандартным значением показателя КЭ.
Математическая модель зависимости резонансной частоты высших гармонических составляющих тока металлического замыкания фазы на землю в сетях среднего напряжения с изолированной нейтралью от ёмкостного тока сети.
Рекомендации по повышению качества функционирования сетей среднего напряжения как рецепторов в ЭЭС.
Научная новизна работы заключается в развитии теоретических основ ЭМС технических средств в ЭЭС. В рамках решаемой автором научной задачи она характеризуется следующими новыми научными положениями: доказано с помощью теоремы о параметрах, что критериями качества функционирования сетей от 6 до 35 кВ при нестандартных значениях показателей качества электроэнергии являются кондуктивные ЭМП, распространяющиеся по проводам; разработана методика определения критерия качества функционирования электрической сети от 6 до 35кВ — кондуктивной ЭМП, обусловленной нестандартным показателем качества электроэнергии, позволяющая с вероятностью 0,95 определять параметры распределения в тече- ниє расчётного времени и вероятность её появления, что имеет существенное значения для обеспечения ЭМС технических средств; - разработана математическая модель зависимости резонансной частоты высших гармонических составляющих тока замыкания фазы на землю в сети среднего напряжения с изолированной нейтралью от ёмкост ного тока сети, позволяющая прогнозировать резонансные явления.
Практическая ценность работы заключается в том, что внедрение следующих новых научных положений в проектную и эксплуатационную практику обеспечивает повышение уровня ЭМС электрических сетей от 6 до 35кВ как рецепторов: методика определения кондуктивной ЭМП, обусловленной нестандартным показателем КЭ и искажающей ЭМО в сети среднего напряжения; математическая модель зависимости резонансной частоты высших гармонических составляющих тока металлического замыкания фазы на земля в сети с изолированной нейтралью от ёмкостного тока сети; рекомендации по повышению качества функционирования этих сетей как рецепторов.
Реализация работы. Рекомендации по повышению качества функционирования сетей среднего напряжения внедрены в: ОАО «Тюменьэнер-го» филиал «Тюменские распределительные сети. Тобольское ТПО» (г.Тобольск) с ожидаемым годовым экономическим эффектом в 350 тыс. руб. при сроке окупаемости капитальных вложений 3 года; «ООО» ПЫЛ» Болид» (г.Новосибирск) с годовым экономическим эффектом в 743 тыс. руб. при сроке окупаемости капитальных вложений около 2-х лет.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 8 международных, всероссийских и региональных конференциях: международной научно-технической конференции «Энергосистема: исследование свойств, управления, автоматизация» (г.Новосибирск, Россия, 2009 г.), третьей междуна- родной научно-технической конференции «Энергетика, экология, энерго сбережение, транспорт» (г.Омск, Россия, 2007 г.), пятой международной научно-технической конференции «Энергетика, телекоммуникации и выс шее образование в современных условиях» (г. Алматы, Республика Казах стан, 2006 г.), всероссийской научно-техническая конференция «Электро энергия: от получения и распределения до эффективного использования» (г.Томск, 2008 г.), первой международной научно-технической конферен ции «Энергетика, экология, энергосбережение» (г.Усть-Каменогорск, Рес публика Казахстан, 2005 г.), международной научно-практической конфе ренции «Электроэнергетика в сельском хозяйстве» (Республика Алтай, Чемальский район, база НГТУ Эрлагол, Россия, 2009 г.), пятой научно- практической конференции с международным участием «Проблемы и дос тижения в промышленной энергетике» (г.Екатеринбург, 2005 г.), междуна родной научно-практической конференции «Индустриально- инновационное развитие на современном этапе: состояние и перспективы» (г.Павлодар, Республика Казахстан, 2009 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, опубликованных в соавторстве, показан в Приложении А диссертации и составляет не менее 50%.
Публикации. Содержание работы изложено в 28 научных трудах, в том числе 7 статьях в периодических изданиях по перечню ВАК.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 121 наименований и двух приложений. Изложена на 155 страницах машинописного текста, который поясняется 37 рисунками и 14 таблицами.
Современные направления развития и совершенствования эксплуатации распределительных сетей среднего класса напряжения
В настоящее время в электрических сетях региональных ЭЭС имеется большое количество оборудования и линий с повышенной повреждаемостью, срок службы которых достиг или приближается к нормативному. В связи с этим обострилась проблема увеличения ресурса основных фондов региональных ЭЭС [63]. В России быстрыми темпами увеличивается количество основного оборудования, отработавшего свой нормативный ресурс. В период до 2015 г. расчётный ресурс сработают 58% установленных силовых трансформаторов напряжением ПО кВ и выше, а общая протяжённость электросетей, отработавших расчётный ресурс, достигнет 75. Темпы нарастания изношенного электрооборудования составляют от 2 до 6% в год от общего количества. Динамика перехода электрооборудования в категорию изношенного оборудования в (3,5 - 4) раза выше темпов списания по износу.
Согласно новой концепции предоставления технологических услуг обеспечение надёжности электрооборудования должно достигаться путём реализации трёх основных направлений: своевременным и качественным ремонтом (42,5%); техническим перевооружением действующих энергообъектов (30%); модернизацией электрооборудования (10%). Техническое перевооружение и модернизация требуют значительных инвестиций в электроэнергетику и обусловливают отдельную сложную технико-экономическую проблему [99].
Сложившаяся ситуация в электроэнергетике такова, что в ближайшие десятилетия бесперебойное электроснабжение будет определяться надёжностью действующего в настоящее время оборудования региональных ЭЭС. Поэтому актуален поиск путей продления ресурса действующего электрооборудования и сетей за счёт улучшения параметров ЭМО, обеспечивающих нормированные уровни электромагнитной совместимости технических средств.
Системный анализ состояния надёжности и электробезопасности электрических сетей среднего класса напряжения позволяет выделить в самостоятельные направления исследований [95]: развитие электрических сетей и совершенствование их эксплуатации (рисунок 1.6). К основным направлениям развития распределительных сетей от 6 до 35 кВ относятся [64] (рисунок 1.7): - внедрение принципиально нового малогабаритного оборудования высокого качества (малогабаритные комплектные распределительные устройства с твёрдой или элегазовой изоляцией, трансформаторы и одножильные кабели с пластмассовой изоляцией, нелинейные ограничители перенапряжений, вакуумные или элегазовые выключатели, термоусажи-ваемые концевые и соединительные кабельные муфты); - повышение качества применяемого в сетях оборудования и кабельной продукции (изоляторов, железобетонных опор, повышение качества пропитки древесины и т.д.); - применение новых более совершенных материалов и оборудования (атмосферостойкие красители; металлические оцинкованные траверсы и опоры, не требующие окраски в процессе эксплуатации; линейные разъединители с падающей колонкой на напряжении 10 кВ; герметизированные трансформаторы с разъёмной конструкцией бака и гофрированными стенками с твёрдой или масляной изоляцией, не требующие капитального ремонта; линии напряжением 0,38 кВ с изолированными проводами и линии напряжением 10 кВ с покрытыми проводами); - внедрение в городской сети подземных трансформаторных подстанций и распределительных пунктов напряжением от 6 до 20 кВ; - внедрение столбовых (мачтовых) трансформаторных подстанций мощностью до 100 кВ-А; - внедрение средств автоматизации и телемеханизации сетей с использованием в качестве каналов связи кабельных линий напряжением от 0,38 до 10 кВ; - рациональное построение новых и переустройство существующих схем сети (в том числе и схем питания распределительных пунктов) с использованием нового малогабаритного оборудования; - повышение номинального напряжения сети и сокращение количества трансформаций; - внедрение устройств релейной защиты на микропроцессорной технике, действующих на отключение однофазных замыканий; - внедрение научно-обоснованного методавыбора оборудования для заземления нейтрали в сети напряжением от 6 до 35 кВ; - внедрение систем подавления кондуктивных электромагнитных помех (ЭМП), обусловленных некачественной электроэнергией в сетях от 6 до 35 кВ.
Поле событий в электрической сети при нестандартных значениях показателей качества электроэнергии
Нестандартные показатели КЭ усложняют электромагнитную обстановку, так как нарушают уровни ЭМС технических средств для кондук-тивных ЭМП в системах электроснабжения общего назначения. ГОСТ 13109-97 не комментирует эти показатели КЭ [6]. Нарушение допустимых значений показателя КЭ обусловливается электромагнитным процессом в СЭС, время протекания которого может быть меньше или соизмеримо с интервалом усреднения результатов измерений (таблица 2.1). В связи с этим функцию (2.13) нельзя признать непрерывной, поэтому, согласно теореме о существовании определённого интеграла, она не интегрируется [10,14,28]. В этом случае, строго говоря, показания приборов не являются параметрами ЭМО. Из-за этого по показаниям щитовых подстанционных приборов можно только косвенно судить о функционирующих в СЭС общего назначения электромагнитных процессах, нарушающих ЭМС технических средств. Для того чтобы показания приборов отображали ЭМО, необходимо исключить интервалы усреднения. Это возможно при условии изменения концепции построения этих приборов: наделения их первичной и главной функцией многоканального осциллографирования процессов и сохранения всех присущих им полезных функций [10,13,14,17]. В связи с этим исследования переходных процессов искажений напряжения и частоты необходимо осуществлять путём осциллографирова-ния (графический способ) и дальнейшей обработки осциллограмм на компьютерах по специальным программам [34-36]. Эти искажения: изменяют среду, в которой функционируют технические средства; зависят от меняющихся случайных обстоятельств и образуют множество, которое является полем событий [20]; обусловливаются случайными электромагнитными процессами по установившемуся отклонению напряжения 8Uy(t), по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения Кц (t), по коэффициенту п-ой гармонической составляющей напряжения KV{n)(t), по коэффициенту несимметрии напряжения по обратной последовательности K-2u(t) п0 коэффициенту несимметрии напряжений по нулевой последовательности Kou(t), по отклонению частоты Д f(t), по размаху изменения напряжения SUt (t), по длительности провала напряжения At„(t), по импульсному напряжению Ull4n(t), по коэффициенту временного перенапряжения UncplJ(t) [7,28,37,38]. Пусть параметр ЭМО при нестандартном значении /-го показателя КЭ имеет обозначение X, (t). Тогда расчётные значения связаны с полем событий и характеризуются таблицей вероятностей вида [33] Видно, что каждое событие Xt (t)= f(X{) имеет вероятность р[Х, (t)] =р(Х). Следовательно, поле событий (2.14) научно обосновано отображает ЭМО в электрических сетях при нестандартных значениях показателей КЭ. Теперь переходим к изложению методики определения моментов распределения.
Показатели КЭ определяются случайными электромагнитными процессами в СЭС общего назначения, зависящими от многих случайных факторов, связаны с полем событий, характеризуются таблицами вероятностей вида (2.14). Только при нормируемых значениях показатели КЭ являются уровнями ЭМС технических средств для кондуктивных ЭМП в сетях общего назначения. Несмотря на различие по своей природе одни показатели КЭ (sU),Ku,KU{n),K2U,K0U,Af) имеют два вида норм: нормально допустимые и предельно допустимые значения, а другие показатели КЭ [К u,UwuniSUt,Atn) ограничены только предельно допустимыми значениями. Оценка соответствия этих показателей КЭ требованиями стандарта производится с учётом следующих положений [6]: - наибольшие значение не должны превышать предельно допустимых значений; - остальные значения, определённые с вероятностью 95%, не должны превышать нормально допустимых значений. Величина Xt — значение /-го показателя КЭ является дискретной случайной величиной. Дискретное распределение считается теоретически заданным, если известны все возможные значения Х1,Х2,Х3,...,ХК, принимаемые величиной, и вероятности р(хх\р(Х2),р(х3),...,р{Хк) для каждого события. Так как значения Xt образовывают полную группу событий, то имеем [20] где к - номер последнего значения распределения. Дискретная случайная величина характеризуется интегральной функцией распределения F(X;) где Х- некоторая случайная величина; р{Х Xt) — вероятность того, что величина X принимает значения меньшее Xj. Функция распределения F(Xt) случайной величины обладает следующими свойствами. 1 Предельные значения функции определяются системой уравнений 2 F(Xt) - непрерывная возрастающая функция; её приращение в промежутке (Х1,Х2) равно вероятности для величины Х{ попасть в этот промежуток 3 Производная от интегральной функции распределения F(Xt) равна плотности распределения р(Х{), т.е. 4 Функция F(Xi) непрерывна слева. 5 F(Xt) монотонно не убывает, т.е. при Х{ Х2 имеет место F{XX) F{X2). Для иллюстрации на рисунке 2.2 приведена интегральная функция распределения F{Xt) дискретной случайной величины Xt. При определении этой величины диапазон измерения Х( был разделён на 5 интервалов. Видно, что Суммирование производится по всем интервалам, для которых Хх Х. Таким образом, F(Xt) является ступенчатой функцией со скачками высотой р(Х{) в точках Хг
Метрологическое обеспечение измерений показателей качества функционирования сетей среднего напряжения при значительных искажениях напряжений
Кондуктивные ЭМП, обусловленные нестандартными показателями КЭ, являются показателями качества функционирования сетей от 6 до 35 кВ в ЭЭС. Однако, из [12, 18, 35] известно, что наиболее негативное влияниє на сеть как рецептор оказывает кондуктивная ЭМП по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения в момент замыкания фазы на землю. В связи с этим первый этап экспериментальных исследований режимов замыкания фазы на землю включает определение ЭМП по искажению синусоидальности напряжения Жи в исследуемой сети. Второй этап исследования включает: определение параметров переходных процессов при однофазных замыканиях на землю; осциллографирование токов замыкания фазы на землю и фазных напряжений, а также математическую обработку этих осциллограмм. Третий этап исследования обобщает полученные результаты и определяет направление подавления обнаруженных ЭМП, распространяющихся по сетям. Современный уровень развития средств вычислительной и измерительной техники позволяет построить систему регистрации процессов однофазных замыканий на землю, на основе аналоге - цифровых преобразователей (АЦП) и компьютера. Эта система включает следующий комплекс аппаратуры: - датчик напряжения и тока; - кабели связи (передачи информации); - платы АЦП или цифровые запоминающие осциллографы (ЦЗО); - персональный компьютер с программным обеспечением, позволяющим осуществлять обработку и анализ параметров записанных процессов (виртуальная лаборатория). При этом рекомендуется использовать комплексный подход, который заключается в следующем [34, 120]: - осциллографируются фазные напряжения и токи замыкания на землю, что позволяет после конвертации проводить их дальнейшую математическую обработку во внешних программных пакетах; - определяются гармоники основной частоты и их гармонические со ставляющие; - анализируются полученные результаты. Экспериментальные исследования проводились на подстанции «Ферросплав» 110/10 кВ ОАО «МРСК Урала» ПО «Серовские электрические сети» [118, 120]. Для подключения электрооборудования и измерительных приборов была выделена 11-я система шин (СШ). На рисунке 3.1 приведена электрическая схема осциллографирования фазных напряжений и тока замыкания фазы С на землю. Регистрация фазных напряжений производилась с помощью высоковольтных делителей напряжения (ДН), которые имеют следующие основные технические характеристики [118]: 1 Номинальное рабочее напряжение - 10 кВ. 2 Максимально допустимое входное импульсное напряжение (длительность импульса тн = (0,1-1000) мкс, частота повторения импульсов/, = 50 Гц и t = 25 С) - 60 кВ. 3 Интервал рабочих температур от —20 до +40 С при относительной влажности 90%. 4 Номинальный диапазон рабочих частот при неравномерности АЧХ ± 0,5 дБ - (20 - 2-106) Гц. 5 Коэффициент деления по напряжению в номинальном диапазоне рабочих частот К= 74 дБ ± 0,5 дБ. 6 Активное сопротивление нагрузки Г106Ом. 7 Ёмкость нагрузки 1,5-10"9Ф. 8 Длина пути утечки внешней изоляции верхнего плеча 250 мм. 9 Рабочее положение делителя - вертикальное. 10 tg5 (тангенс угла диэлектрических потерь) 0,002 при 25 С. 11 Одноминутное испытательное напряжение (f= 50 Гц) — 50 кВ. 12 Минимальная наработка на отказ тт\п = 5000 час. 13 Тип выходных разъёмов СР-50 (BNC). 14 Габаритные размеры: - max Н (высота) — 250 мм; - max D (диаметр) — 180 мм. 15 Расстояние между делителями при подключении к трехфазной линии (по горизонтали) 130мм. Для осциллографирования использовались цифровые запоминающие осциллографы типа ЦЗО-04 и DL-750-8. Цифровые запоминающие осциллографы ЦЗО-04, являющиеся приставками к компьютеру, предназначены для широкого диапазона осциллографических измерений. Осциллограф ЦЗО-04 обеспечивает визуальное наблюдение, запоминание в цифровой форме и измерение амплитудно-временных параметров периодических и непериодических электрических сигналов, в том числе однократных импульсов, в динамическом диапазоне от 4 мВ до 25 В, в полосе частот, определяемой частотой дискретизации, максимальное значение которой составляет 100 МГц при работе в режиме 4-х каналов. В нашем случае являлся запасным. Цифровой запоминающий осциллограф DL-750-8 производства YOKOGA WA ELEKTRIK - многоканальная компьютеризированная система сбора, обработки и хранения данных, 8 аналоговых каналов, максимальная частота выборки 10 МВыб/с, память 25 миллионов точек на канал, вертикальное разрешение 12 бит, встроенный принтер, PC card, USB, GP-IB, RS232, SCSI, Ethernet, встроенный жесткий диск 30 Гбайт. DL-750 является идеальным прибором для случаев, когда необходимо проводить многочисленные измерения по нескольким измерительным каналам [118]. Осциллографирование фазных напряжений производилось осциллографами, подключенными к низковольтным плечам ДН измерительным кабелем типа РК-50 длиной до 15 м. В качестве датчика тока используется трансформатор тока (ТТ). Датчик тока должен иметь линейную амплитудно-частотную характеристику (АЧХ), чтобы обеспечить требуемый частотный диапазон для записи сигнала [120].
Механизм обеспечения качественного функционирования сети среднего напряжения с изолированной нейтралью
Выполнение исследования позволяют представить схему ограничения влияния кондуктивных ЭМП по коэффициенту искажения синусоидальности кривой фазного напряжения и резонансов высших гармонических составляющих тока металлического замыкания фазы на землю, а также недопустимых коммутационных импульсных напряжений при дуговом замыкании фазы на землю на качество функционирования сети напряжением от б до 36 кВ с изолированной нейтралью как рецептора (рисунок 4.1). Основным элементом этой схемы ограничения является режим нейтрали [94,118]. Такое представление задачи исследования позволяет использовать другие подходы к повышению качества функционирования сетей, учитывающие достижения в развитии сетей среднего напряжения, средств сетевой автоматики и релейной защиты [26,64].
Сети среднего напряжения в России в основном имеют резервирование как на данном, так и на более высоком или более низком напряжениях, средства автоматического ввода резерва, повторного включения и т.д. Техническая оснащённость сетей не оправдывает необходимость длительного воздействия кондуктивных ЭМП, обусловленных искажениями напряжений, и резонансов токов на высших гармониках при 033, при которых возрастают вероятность поражения людей и животных электрическим током и негативное воздействие перенапряжений на изоляцию сети. Необходимо уменьшить дуговые перенапряжения и обеспечить немедленное автоматическое отключение фидеров подстанций при однофазных замыканиях при некачественной электроэнергии. Для достижения этой цели необходимо повысить эффективность режима нейтрали, способствующего обеспечить соответствие релейной защиты по быстродействию, чувствительности, селективности и надёжности.
Ретроспективный анализ существующих режимов нейтралей сетей среднего напряжения [11, 18, 35, 36, 42, 52, 53, 63, 64, 69, 80, 93-95, 100-106, 113, 118] показывает, что наиболее приемлемым видом заземления нейтрали, исходя из поставленной цели, является резистивное заземление. Методика расчёта и выбора резисторов для нейтралей сетей от 6 до 35 кВ изложена в [63,64,69].
Однако в этой методике отсутствуют сведения о резонансах токов на высших гармониках, возникающих при металлическом замыкании фазы на землю. Подобные явления, экспериментально обнаруженные с помощью современного ИВК [34], описаны в предыдущей главе данной диссертации. Возникает необходимость исследовать влияния этих явлений на режим заземления через резистор и определить требования к релейной защите.
Заземляющие резисторы могут подключаться к нейтрали обмотки силового трансформатора напряжением 35 кВ (рисунок 4.2), специального
заземляющего трансформатора или трансформатора собственных нужд (рисунок 4.3) при соединении в треугольник вторичных обмоток [64]. Наиболее приемлемым вариантом подключения резистора в сети (6-10) кВ является подключение к нейтрали специальных фильтров нулевой последовательности типа ФМЗО (рисунок 4.4) [69].
Ток замыкания на землю 13 с резистором сопротивлением RN состоит из ёмкостного тока замыкания на землю 1С сети от 6 до 35 кВ и активного тока IR через резистор, т.е. где j = V T. где ї/ф - фазное напряжение: в сети 35 кВ - равно 20,23 кВ, в сети 10 кВ -равно 5,78 кВ;
Результаты расчётов значений сопротивлений и мощностей заземляющего резистора при различных значениях тока замыкания на землю приведены в таблице 4.1 [64].
Примечание: числитель - для сети напряжением 35 кВ; знаменатель - для сети напряжением 10 кВ.
В [64] отмечается, что уровень перенапряжений в сети при однофазных замыканиях определяется соотношением между ёмкостным током замыкания Изменением сопротивления резистора можно добиться желаемого значения угла а, равного (30-60), и уровня возможных перенапряжений, составляющих от 2,2 до 2,5 значений амплитудного фазного напряжения.
Таким образом, включение резистора в изолированную нейтраль сети приводит к появлению активного тока и увеличению тока замыкания на землю, что может быть благоприятно использовано при обеспечении селективности и чувствительности релейной защиты сети от однофазных замыканий на землю.
Требования к сопротивлению заземления резистора определены в [68,69]: сопротивление контура заземления должно быть не более 10 Ом, а время работы релейной защиты на отключение однофазных замыканий на землю должно составлять не более 0,15 с [64].
