Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Разработка методики выявления и компенсации нелинейных динамических процессов в сетях среднего напряжения электротехнических комплексов Вергара Валдес Луис Аарон

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Вергара Валдес Луис Аарон . Разработка методики выявления и компенсации нелинейных динамических процессов в сетях среднего напряжения электротехнических комплексов: диссертация ... кандидата Технических наук: 05.09.03 / Вергара Валдес Луис Аарон ;[Место защиты: «Национальный исследовательский университет «МЭИ»].- Москва, 2016.- 161 с.

Содержание к диссертации

Введение

1. Аналитический обзор принципов и средств борьбы с феррорезонансом. Постановка целей и задач диссертационной работы 9

1.1 Феррорезонансные явления в электрических системах как фактор снижения надежности электроснабжения 9

1.2 Аварийность сетей среднего напряжения России и Мексики 13

1.3 Связь режима заземления нейтрали с возможностью развития феррорезонансных явлений 18

1.4 Обзор существующих мероприятий по ограничению воздействия ФПП в электрических системах 24

1.5 Постановка задач исследования 30

Выводы 31

2. Математическое моделированиеи анализ феррорезонансных процессов в электрических сетях 33

2.1 Математические подходы к анализу переходных процессов при резонансных явлениях 33

2.2.2 Классификация электрических систем 39

2.2.3 Исследование нелинейной динамики в электрических сетях

2.3 Особенности феррорезонансных цепей 49

2.4 Вопросы моделирования исследуемых сетей

2.4.1 Простейшая математическая модель нелинейных электрических сетей 54

2.4.2 Классификация режимов феррорезонанса

2.4.2.1 Нормальный режим эксплуатации 58

2.4.2.2 Основнойрежимферрорезонанса 59

2.4.2.3 Субгармонический режим 61

2.4.2.4 Квазипериодический режим 63

2.4.2.5 Хаотический режим 64

2.6 Насыщение несущей жилы завитых сталеалюминевых проводов 77

Выводы

3. Феррорезонансные перенапряжения в сетях Мексики 81

3.1.Общая характеристика феррорезонансных процессов и методов их исследования 81

3.2.2 Характеристика сетей промышленного электроснабжения 83

3.2.3 Режимы нейтрали сетей МНЭС 87

3.3 Феррорезонансные процессы при неполнофазных включениях силовых трансформаторов 91

Выводы 99

4. Разработка алгоритмов и принципов построения устройств для подавления феррорезонансных перенапряжений 100

4.1 Общие положения 100

4.2 Определение фазовых траекторий переходных процессов 103

4.3 Разработка блок- схемы и алгоритма работы устройствакомпенсации ФПП 107

Выводы 115

5. Разработка методических рекомендаций по устранению условий развития феррорезонанса для сетей среднего напряжения Мексики 116

5.1 Определение емкостных токов 117

5.2 Возможности возникновения феррорезонансных перенапряжений в кабельных сетях среднего напряжения 119

5.3 Изменение режима заземления нейтрали как способ повышения надежности сетей среднего напряжения Мексики 122

5.4 Рекомендуемые организационные и технические мероприятия по предотвращению ФПП в сетях среднего напряжения Мексики 1 5.4.1 Алгоритм выбора оптимального режима нейтрали, снижающего риск развития феррорезонанса 130

5.4.2 Мероприятиядля уменьшения риска появления феррорезонансных перенапряжений в сетях среднего напряжения Мексики 133

5.4.3 Мероприятия дляуменьшения потенциального рискавозникновения феррорезонанса 137

5.4.4 Рекомендации для исключения и подавления ФППв сетях среднего напряжения 1-34.5кВ 138 5.4.5 Технические требования кхарактеристикам устройства подавления феррорезонанса 139

5.4.6 Резервные мероприятия для защиты от феррорезонансав сетях 1-34.5 кВ 140

5.4.7 Методика для проведенияэкспериментальных испытаний для определения существования феррорезонанса в сетях среднего напряжения 141

Выводы 142

Заключение 143

Список сокращений и условных обозначений 146

Списоктерминов 147

Список литературы

Введение к работе

Актуальность работы. Снижение аварийности сетей электротехнических комплексов средних классов напряжения априори актуально для энергетик всех стран мира, поскольку сети 6-35 кВ относятся к распределительным и являются наиболее протяженными среди сетей высокого напряжения. Многие аспекты этой сложной и многогранной проблемы рассматриваются учеными всех стран, однако учет всех факторов, влияющих на развитие аварийных процессов и предотвращение последствий практически неосуществим.

При этом решение ряда отдельных научных задач для тех или иных условий с разработкой технических решений, облегчающих условия протекания аварийных событий в электротехнических системах, в настоящее время востребовано как проектной, так и эксплуатационной практикой.

Одним из особых аспектов повышения надежности работы распределительных сетей России и Мексики является исследование феррорезонансных явлений, которые, несмотря на большое количество проведенных исследований и накопленных статистических данных, представляются недостаточно изученными ввиду многообразия условий, вызывающих их возникновение.

Изучению вопросов в области феррорезонансных процессов в сетях высокого и среднего напряжения посвящено много работ отечественных ученых, таких как: Ф.А.Лихачев, М. Зихерман, И.Р. Пивчик, , К.П. Кадомская , Ю.А. Лавров , А. Рейхерт , Г.А. Евдокунин, С.С. Титенков , А.А. Пугачев, и др.

Для проведения вычислений использовано современное программное обеспечение АТР/ЕМРТ (альтернативная программа переходных электромагнитных процессов), которое позволило получить примерное понимание возможного поведения электрических сетей и приблизительные величины перенапряжений.

Подробное исследование электрических сетей Мексики связано с преобладанием в системе электроснабжения воздушных сетей, а также отсутствием, в отличие от России, нормативной документации по ограничению данного вида перенапряжений, при наличии негативной статистики повреждений именно указанного типа.

Как правило, феррорезонансные переходные процессы (ФПП) возникают в нелинейных элементах, таких, как силовые трансформаторы, индуктивные измерительные трансформаторы (ТН), шунтирующие реакторы и т.д. Это усложняет задачу исследования, так как в сложных трехфазных контурах с нелинейными элементами аналитический анализ этих переходных процессов, как правило, невозможен. Необходимо различать разные виды резонансных явлений, так как физика развития процессов может существенно различаться

для разных условий. Этим обусловлен анализ феррорезонанса в электрических сетях методами нелинейной динамики.

Актуальность работы подтверждается также и низкой эффективностью нормативных мероприятий как для предотвращения, так и защиты от состоявшегося феррорезонанса. Для того, чтобы осуществлять оптимальное воздействие на ход процесса необходима разработка новых алгоритмов и устройств на основе управляемого режима нейтрали.

Цель работы заключается в разработке технических решений по выявлению и компенсации феррорезонансных переходных процессов на основе анализа фазовых характеристик сети, мероприятий по устранению их последствий, разработке рекомендаций по устранению условий развития феррорезонанса для сетей среднего напряжения Мексики.

Основные задачи работы:

  1. анализ возможных причин феррорезонансных процессов и условий их возникновения;

  2. моделирование переходных процессов с использованием фазовых характеристик сети;

  3. разработка нового устройства для обнаружения и подавления феррорезонансных перенапряжений;

  4. обоснование применения режимов работы нейтрали в Мексике, позволяющих снизить риск возникновения ФПП;

  5. разработка методики по устранению условий развития феррорезонанса для сетей среднего напряжения Мексики.

Объект исследования - сети среднего напряжения России и Мексики.

Предмет исследования - выявление условий возникновения резонансных явлений с помощью фазовых портретов системы для целей защиты электрооборудования.

Методы исследования - при выполнении работы использованы методы теории нелинейных колебательных процессов в системах электроснабжения, моделирования с применением современных компьютерных технологий, теории нелинейных электрических цепей, теоретических основ электротехники.

Достоверность результатов исследования подтверждается использованием основных законов электротехники, корректностью использованных математических моделей, их адекватностью по известным критериям оценки изучаемых процессов. Многолетний опыт в разных странах подтверждает высокую эффективность моделирования и точность соответствия моделей, созданных в АТР/ЕМТР, реально существующим электрическим сетям.

Научная новизна работы заключается в следующем:

  1. исследованы особенности развития феррорезонансных процессов в компенсированных сетях; доказано, что значительные расстройки компенсации могут вызвать насыщение сердечника дугогасящего реактора (ДГР), приводящего к развитию феррорезонанса;

  2. обоснована структура схемы замещения сети при неполнофазных режимах, уточнены границы существования феррорезонансных явлений с использованием фазовых траекторий и методов нелинейной динамики;

  3. разработаны блок-схема и алгоритм функционирования устройства выявления и компенсации ФПП на основе управляемого резистивного заземления нейтрали.

Практическая значимость и реализация результатов работы. Предложен новый алгоритм для обнаружения и устранения феррорезонансных процессов в электротехнических системах. Разработаны рекомендации по выбору величины сопротивления резистора для эффективного подавления феррорезонансных процессов в компенсированных и некомпенсированных сетях. Разработаны методические рекомендации для компенсации феррорезонансных процессов в сетях среднего напряжения Мексики.

Основные положения, выносимые на защиту:

  1. результаты исследования феррорезонансных переходных процессов с помощью фазовых характеристик сети;

  2. оценка влияния высокой степени расстройки компенсации ДГР на возникновение феррорезонансных процессов;

  3. алгоритм и блок-схема устройства выявления и компенсации ФПП;

4) методика по устранению условий развития феррорезонанса для сетей среднего
напряжения Мексики.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских, и региональных научно-технических конференциях: Международная научно-практическая конференция «Фёдоровские чтения» (Москва, МЭИ, 2013 г., 2014г., 2015г.); Международная молодежная научная конференция «Тинчуринские чтения» (Казань, КГЭУ, 2014); Всероссийская научно-техническая конференция студентов, магистрантов, аспирантов (Тольятти, ТГУ, 2014); двадцатая ежегодная международная научно-техническая конференция студентов, магистрантов и аспирантов (Москва.: МЭИ, 2014); международная научно-практическая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, МЭИ, 2015 г.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в т.ч. 2 статьи в изданиях списка ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка из 100 наименований и 2 приложений. Общий объем работы составляет 160 страниц и содержит 59 рисунков и 3 таблицы.

Связь режима заземления нейтрали с возможностью развития феррорезонансных явлений

Анализ исследований, проводимых по данной проблеме в России, и опыт эксплуатации показывает, что в сетях 6-35 кВ, работающих с изолированной нейтралью, чаще всего возникновение феррорезонансных перенапряжений связано с неполнофазными режимами и с перемежающимися дуговыми замыканиями на землю.

При неполнофазных режимах возникают опасные перенапряжения, превышающие допустимый уровень изоляции электродвигателей. Они опасны для разрядников с шунтирующими сопротивлениями и ОПН (ограничители перенапряжений нелинейные), а также для трансформаторов напряжения своей длительностью, так как существуют столько времени, сколько существует неполнофазный режим. Кроме того, в таких режимах наличие или отсутствие компенсации не влияет на вероятность возникновения и уровень перенапряжений, при этом установка защитных аппаратов на шинах бесполезна, так как перенапряжения возникают на отдельном от шин участке фазы (за обрывом фазы).

Согласно [100] в России при дуговых замыканиях на землю и феррорезонансных процессах ежегодно повреждается порядка 6-8% установленных трансформаторов напряжения и 0,7% силовых трансформаторов.

В России опубликован ряд работ по этому вопросу [57,58,81,67,76,90], посвященных феррорезонансным перенапряжениям, особым конфигурациям сети, при которых они возникают, и рассмотрению особенностей протекания электромагнитных переходных процессов при неполнофазных включениях электрических сетей. В частности, в [81] предлагается алгоритм расчета и разработка устройства для предотвращения возникновения феррорезонанса.

В [76] указано, что по статистике за последние 37 лет повреждения оборудования из-за феррорезонанса в сетях 6-35 кВ составляют примерно 95 % повреждений трансформаторов напряжения, а также объясняется, что эта проблема досталась стране в наследство от советской экономики.

В последние годы статистика аварийных событий стала закрытой, что затрудняет проведение исследований, но от этого проблема не исчезла.

Подобные исследования в Мексике не находятся в открытом доступе или не существуют. В Мексике производство, трансформацию, передачу и распределение электроэнергии осуществляет государственная организация CFE – Федеральная комиссия по электроэнергии.

Попытка автора получить данные по статистике аварийных отключений по причине феррорезонанса от CFE не увенчалась успехом. Единственный достоверный документ [37], выпущенный научно-исследовательским институтом электричества Мексики, сообщает, что 10 % повреждений силовых трансформаторов вызываются «другими причинами», поэтому важно обращать внимание на это явление, так как возможно, что эти повреждения возникали как раз по причине внутренних перенапряжений, ведь причины аварий так и не удалось точно установить. Подавляющая часть электрических сетей Мексики состоит из воздушных линий электропередачи. Подземные кабели используют, чтобы пересекать большие водоёмы, территории с высокой плотностью населения или природоохранные зоны. Воздушные и подземные линии работают вместе как гибридная система, переходящая из воздушной линии в подземную и наоборот. Такие системы могут подвергаться феррорезонансным явлениям, так как в большинстве случаев используются высоковольтные предохранители (рисунок 1.1).

Последствия могут быть различными: взрывы в муфтах, однофазное или двухфазное замыкание из-за повреждений кабелей, обусловленное дендритами и частичными разрядами, повреждения в ОПН если феррорезонанс поддерживается долгое время. Согласно опыту CFE [8] подземные кабели должны иметь уровень изоляции, по меньшей мере, 133%, несмотря на то, что по международным стандартам [36] можно использовать уровень изоляции 100%, если система глухо заземлена. В Мексике предпочтение отдается использованию именно глухозаземленной нейтрали.

Но даже следование этим рекомендациям не помогает полностью обеспечить компенсацию последствий феррорезонанса, так как при перенапряжениях величина напряжения может превышать номинальную в 2-2,8 раза [2], что существенно превосходит уровень изоляции, даже если используется уровень 173% согласно [36].

Простейшая математическая модель нелинейных электрических сетей

Преимущество параметрического выражения функции заключается в возможности строить различные кривые, изменяя некоторую постоянную, и в зависимости от изменений в функциях x(t) и y(t) можно получить формы графика для разных режимов.

Электрические диссипативные системы с затуханием - это системы, в которых присутствует затухание, в противоположность описанным выше консервативным системам. В электрических диссипативных системах энергия не сохраняется, и они не обладают свойством обратимости во времени. Их линии фазового портрета не соответствуют контурам постоянной энергии.

Примером таких систем могут служить сети с ДРГ с однократным однофазным замыканием на землю (ОЗЗ). В схеме нулевой последовательности в этом режиме энергия, которая взаимодействует с ДРГ и емкостью, через какое-то время затухает, и состояние сети восстанавливается, но при определенных условиях могут возникать хаотические переходные процессы или так называемые феррорезонансные переходные процессы.

Автоколебательные электрические системы - это тип электрических систем, очень важных при изучении возникновения феррорезонанса. Возможность существования периодического асимптотически устойчивого движения, изображаемого изолированной замкнутой траекторией в фазовом пространстве системы, к которой со временем притягиваются траектории из некоторой окрестности независимо от начальных условий, обеспечивается только в нелинейных диссипативных системах. В качестве примера для этого случая можно привести сеть при обрыве фазы, в которой получается замкнутая изолированная траектория в фазовом пространстве, отвечающая периодическому движению. Следует отметить, что в этих системах при определенных условиях могут возникать более сложные графики в виде аттракторов.

Большинство отраслей сферы электроснабжения связаны с производством, преобразованием, передачей и распределением электрической энергии. Феррорезонанс не имеет начала и конца, он всегда стоит между производителем и потребителем.

Нелинейная динамика старше и шире, чем электричество, однако только недавно исследователи начали использовать методы и идеи нелинейной динамики для анализа электрических схем. Историю хаотической динамики можно проследить в работе Анри Пуанкаре «Небесная Механика» 1900 года. Тем не менее, первый намек на то, что хаос может иметь важное значение в реальной физической системе был сделан в 1963 году Лоренцем, который обнаружил крайнюю чувствительность к начальным условиям в упрощенной компьютерной модели атмосферной конвекции.

Какими характеристиками обладает хаотическая система? Первым человеком, который случайно столкнулся со странным аттрактором, был Лоренц. Он заметил, что существуют некоторые явления, для которых значения исследуемых величин при близких начальных условиях довольно быстро расходятся и приводят к совершенно разным результатам. Это называется чувствительностью к начальным условиям, которая является признаком хаоса.

Эта чувствительность имеет очень важное значение. Большая часть исследований динамических систем необходима для прогнозирования будущих состояний систем. Но чувствительность к начальным условиям в хаотических системах делает невозможным предсказание даже для коротких промежутков времени. Это объясняется тем, что начальные условия не могут быть измерены или указаны с бесконечной точностью. Маленькие ошибки при определении начальных условий не имеют значения в стабильных нехаотических системах, в которых результирующие графики для несколько различных начальных условий немного отличаются друг от друга, но не расходятся экспоненциально. В хаотическом аттракторе получаемые состояния произвольно экспоненциально расходятся, и предсказание становится невозможным. Процесс можно предсказать только если начальное условие известно и указано с бесконечной точностью, что невозможно.

Главная особенность рассматриваемого явления – это возможность возникновения нескольких устойчивых состояний при одном и том же наборе параметров цепи. Феррорезонанс может быть вызван переходными процессами, являющимися следствием грозовых и внутренних перенапряжений, коммутаций трансформаторов или нагрузки, возникновения или устранения короткого замыкания и т.д.

Специфические особенности феррорезонанса особенно отчетливо проявляются при сравнении явлений, протекающих в линейных и нелинейных резонансных контурах. В линейном резонансном RLC- контуре резонанс может возникнуть при любой амплитуде напряжения, а параметры элементов и резонансная частота контура связаны однозначным соотношением LCp2=1.

Феррорезонансные процессы при неполнофазных включениях силовых трансформаторов

В этой главе анализируются особенности конструкции сетей Мексики и их характеристики, а также возможные феррорезонансные процессы, возникающие в трехфазных сетях Мексики.

Сети Мексики очень отличаются от других сетей мира, даже от сетей США, где распространено применение высокоомного резистора в нейтрали сетей среднего напряжения. В сетях Мексики в основном применяется глухозаземленная нейтраль, в трансформаторах используется схема соединения обмоток /Y0, и этот фактор должен волновать CFE, так как первичные обмотки без заземления способствуют появлению ФПП.

Оценка феррорезонанса в Мексике не отличается от других стран, использование кабельных подземных сетей, применение трансформаторов с малыми потерями, среди других факторов увеличивают возможности развития феррорезонанса. Применение воздушных линий в городах сильно увеличивает эту возможность.

Применение графоаналитического метода обеспечивает примерные состояния и величины кратности перенапряжений сети, но только для простейших последовательных и параллельных L-C контуров (см 2.4.1).

Следует отметить, что с графоаналитическим методом невозможно сделать общий анализ трехфазных сетей. Так как обмотки силовых трехфазных трансформаторов нелинейные, нельзя получить какую-либо однофазную эквивалентную схему из-за наличия у трансформаторов нелинейной электромагнитной связи между фазами.

Анализ феррорезонансных процессов в сетях 13,8-35 кВ выполнен с помощью описанной выше программы ATP/EMTP. Рассмотрены феррорезонансные процессы, возникающие в контурах с нелинейными индуктивностями, образованными обмотками силовых трансформаторов.

Схема мексиканской национальной электрической системы (МНЭС) была разработана с учетом объема и географического распространения спроса электроэнергии, а также расположения электростанций. В некоторых районах страны центры производства и потребления электроэнергии находятся далеко друг от друга, так что сеть развивалась путем осуществления проектов, которые технически и экономически оправданы.

МНЭС состоит из сетей разных уровней напряжения. 1) Главная сеть состоит из линий электропередач и подстанций высокого напряжения (400 кВ и 230 кВ), которые передают большое количество энергии между регионами. Она рассчитана на питание от электростанций и обеспечивает электроэнергией подсистемы передачи, а также объекты некоторых промышленных потребителей, работающие на напряжениях 400 кВ и 230 кВ. 2) Подсети высокого напряжения (69-161 кВ), имеют региональное распространение, обеспечивают электроэнергией распределительные сети среднего напряжения и нагрузки, подключаемые к сетям высокого напряжения данных величин. 3) Распределительные сети среднего напряжения (2,4-60 кВ) распределяют энергию на относительно небольших территориях и передают энергию потребителям, работающим в данном диапазоне напряжений, и сетям низкого напряжения. 4) Распределительные сети низкого напряжения (240 В или 220 В), от которых питаются пользователи низкого напряжения.

Сеть уже несуществующей компании LyFC составляет 74,413 км, из которых 40,606 км составляют линии передачи электроэнергии напряжением от 6,6 кВ до 400 кВ, включающие в том числе подземные линии, а оставшиеся 33,807 км являются линиями низкого напряжения (240 В или 220 В).

При выборе схемы электроснабжения предприятия учитывают его технологическое назначение и электрическую мощность, величину потребления электроэнергии, напряжение, генеральный план и условия на присоединение предприятия как потребителя. При получении заявки от предприятия (инвестора) или по его поручению от проектной организации энергоснабжаюшая организация (CFE) выдает технические условия на технологическое присоединение электроустановок потребителей.

В технических условиях указываются: точки присоединения (подстанция, электростанция или линия электропередачи), допустимое влияние потребителя на качество электроэнергии по каждому показателю, требования к контролю показателей качества электрической энергии, границы балансовой принадлежности и эксплуатационной ответственности, требования по усилению существующей сети, расчетные значения токов короткого замыкания, требования к релейной защите, автоматике, связи, изоляции и защите от перенапряжения, рекомендации по потреблению реактивной мощности и энергии и режимам работы компенсирующих устройств, требования к коммерческому учету электроэнергии и к ее качеству.

Электротехнические установки, производящие, преобразующие, распределяющие и потребляющие электроэнергию, подразделяются на электроустановки напряжением выше 1 кВ и до 1 кВ. Электроустановки напряжением до 1 кВ переменного тока выполняются с глухозаземленной нейтралью.

Установки напряжением выше 1 кВ работают с эффективно заземленной нейтралью (с большими токами замыкания на землю). Главным показателем для отдельных электроприемников является их номинальная мощность и род тока. Всех потребителей электроэнергии, работающих от сети, можно разделить по роду тока на три группы: переменного тока нормальной промышленной частоты 60 Гц, переменного тока повышенной или пониженной частоты и постоянного тока. Большинство электроприемников промышленных предприятий работает на переменном трехфазном токе частотой 60 Гц.

Первой и основной группой промышленных потребителей электроэнергии являются электрические двигатели (электромашины). В установках, не требующих регулирования скорости в процессе работы, применяются исключительно электроприводы переменного тока (асинхронные – особенно в диапазоне 0,3-630 кВт – и синхронные двигатели до 30 МВт). Нерегулируемые электродвигатели переменного тока являются основным видом электроприемников в промышленности, на их долю приходится около 70 % суммарной мощности. (Согласно правилам устройства электроустановок Мексики NOM-001-SEDE-2012, статья 430-7(В), электродвигателем считается устройство мощностью 0.373 кВт и выше, двигатели меньшей мощности рассматриваются как средства автоматизации и в статистику электрики не попадают.)

Для нерегулируемых приводов установлены экономически целесообразные области применения асинхронных и синхронных электродвигателей в зависимости от напряжения, исходя из условий электроснабжения и стоимости самих приводов. При напряжении до 1 кВ и мощности до 100 кВт экономически более выгодно применять асинхронные двигатели, а свыше 100 кВт – синхронные; при напряжении 10 кВт и мощности до 630 кВт – асинхронные двигатели, 450 кВт и выше – синхронные. Асинхронные двигатели с фазным ротором применяются в мощных электроприводах с маховиком и тяжелыми условиями пуска в преобразовательных агрегатах, шахтных подъемниках.

Возможности возникновения феррорезонансных перенапряжений в кабельных сетях среднего напряжения

Существует необходимость описания тех случаев возникновения феррорезонанса, которые могут возникать на практике в сетях Мексики. Были выбраны те вопросы, которые являются наиболее типичными в системах распределения электроэнергии в Мексике.

В самых простых случаях наступление резонанса происходит, когда частота стороннего воздействия приближается к одной из частот собственных колебаний резонирующей системы, которые возникают из-за начального толчка. Свойства возникающего резонанса сильно зависят от характеристик колебательной системы. Самый простой образ резонанса развивается в случаях периодического воздействия на систему, обладающую параметрами, которые от ее состояния не зависят (линейные системы).

В многоэлементных сетях, которые имеют разные схемы подсоединения входящих в них нелинейных индуктивностей и емкостей могут возникнуть уже более сложные для рассмотрения случаи, которые нельзя изучать по отдельности как феррорезонанс напряжений или токов. Если рассматривать глобально, то феррорезонансные явления обнаруживают себя резким скачком из режима большого насыщения ферромагнитного сердечника катушки в режим малого насыщения и наоборот. Если обмотка трансформатора не может работать когда полностью насыщается, то появляющиеся перенапряжения и возникновение в индуктивной обмотке токов, превышающих максимальный допустимый ток, могут вызвать термическое разрушение изоляции обмотки и появление витковых замыканий.

Активные составляющие всех входных сопротивлений, как входящих в подключенную сеть, так и сопротивлений самой индуктивной обмотки вызывают затухание феррорезонансных колебаний и могут при некоторых значениях параметров сети почти полностью погасить феррорезонансные перенапряжения. Из-за этого самыми рискованными в отношении появления феррорезонансных перенапряжений считаются режимы работы системы на холостом ходу или при исключительно реактивной нагрузке.

В сетях, работающих в симметричных трехфазных режимах находящиеся в схеме компоненты с емкостным сопротивлением (сегменты воздушных и кабельных линий электропередачи, батареи косинусных конденсаторов, собственная входная емкость соответствующих обмоток трансформаторов относительно земли), как правило, шунтируются небольшим входным сопротивлением сети питания, которое обязательно является индуктивным.

Поэтому при нормальных режимах работы возникновение феррорезонанса маловероятно. Несимметричные режимы создают большее количество условий для развития феррорезонанса, прежде всего в случаях неполнофазных подключений каких-либо участков рассматриваемой сети. Чаще всего феррорезонанс имеет тенденцию развиваться при неполнофазных режимах работы, существующих в сетях с изолированной нейтралью либо с заземленной нейтралью, в которых емкость между сетью и землей соединяется последовательно с обмотками подключенного силового трансформатора или обмотками электромагнитного трансформатора напряжения.

Возможность феррорезонанса можно оценить с помощью отношения емкостного сопротивления кабельной сети Xc Если отношение очень высокое, то возможность ФПП малая, но если она Xm уменьшается из-за уменьшения емкости либо из-за уменьшения Хm возможность возникновения феррорезонансных процессов очень высокая. Xc Следовательно, существует минимальное значение K = , которое связано Xm с максимальным емкостным сопротивлением (кабель) и с минимальным индуктивным сопротивлением трансформатора и отвечающее условию развития резонанса. Если это трансформаторы нового поколения, возможность возникновения ФПП увеличивается, так как они имеют очень низкие потери, ввиду практически полного отсутствия активного сопротивления.

Таким образом, в разветвленных кабельных сетях для предотвращения ФПП наиболее целесообразно ограничивать суммарную длину кабелей величиной, соответствующей критическому сопротивлению.

Изменение режима заземления нейтрали как способ повышения надежности сетей среднего напряжения Мексики

В течение многих лет в Мексике не применяли подземные кабельные системы и напряжение 34,5 кВ в распределительных сетях, поэтому, возможно, что многие инженеры еще не столкнулись с феррорезонансном, так как только относительно недавно начали сооружать и эксплуатировать кабельные линии 13.5 кВ и 34,5 кВ.

Аварийные инциденты, возникающие периодически в таких новых сетях, содержат несколько интересных моментов, которые могут рассматриваться как случаи возникновения феррорезонанса.

Например, при обрыве провода на ВЛ возникает традиционная схемная конфигурация для развития феррорезонанса, если такой обрыв продолжается в течение долгого времени с малонагруженным трансформатором (см. рис 5.2).

Самым слабым звеном в цепи могут стать ОПН (варисторы) в системе низкого напряжения, при этом выход из строя компьютерной техники очень вероятен, если инженеры не будут подготовлены к таким случаям, кроме того, могут пострадать и сам трансформатор, и силовые кабели.

С целью модернизации и уменьшения количества отключений электроэнергии в сетях среднего напряжения Мексики в качестве первого шага можно предложить использование установки ДРГ на подстанциях, для того, чтобы заменить существующий режим глухого заземления нейтрали на заземление через катушку Петерсена. До процесса установки необходимо было бы провести ряд исследований, необходимых для проверки поведения системы и изменения нагрузки.

Такая процедура изменения режима нейтрали не имеет никакого влияния на рабочие токи и напряжения в сетях с симметричными сбалансированными нагрузками. Тем не менее, если имеются асимметричные нагрузки либо неуравновешенные сети, тогда решение проблемы с нейтралью становится более важным. Необходимо также иметь ввиду эксплуатационные условия, токи утечки, перенапряжения, напряжения оборудования и его габариты.