РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ЗАМЫКАНИЯХ НА ЗЕМЛЮ, РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ РАБОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ С ИЗОЛИРОВАННОЙ И КОМПЕНСИРОВАННОЙ

На правах рукописи

Рыжкова Елена Николаевна

РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ЗАМЫКАНИЯХ НА ЗЕМЛЮ, РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ РАБОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ С ИЗОЛИРОВАННОЙ И КОМПЕНСИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ

Специальность

05.09.03

–

Электротехнические комплексы и системы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Павлодар, 2007

Работа выполнена в Павлодарском государственном университете им.
С. Торайгырова

Научный консультант:

Доктор технических наук, профессор Утегулов Б.Б.

Официальные оппоненты:

_________________________________________________________________________

ученая степень, ученое звание, фамилия, имя, отчество

__________________________________________________________________________

ученая степень, ученое звание, фамилия, имя, отчество ___________________________________________________________________________

ученая степень, ученое звание, фамилия, имя, отчество

Ведущая организация______________________________________________

название организации

Защита состоится__________________________________________________

дата, время

на заседании диссертационного совета________________________________

шифр совета, название организации,

__________________________________________________________________________________________

при которой создан совет, адрес

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

___________________________________________________________________________

название организации, при которой создан совет

Автореферат разослан______________________________________________

дата

Ученый секретарь

диссертационного совета_________________________________________

фамилия И. О.

Введение

Актуальность работы. Одной из основных проблем повышения надежности работы сетей средних классов напряжения (3…35 кВ) является оптимизация режима нейтрали и организация надежной и селективной релейной защиты от замыканий на землю, напрямую связанная с режимом нейтрали.

В многочисленных работах по выбору режима нейтрали сетей 3..35 кВ приводится анализ эффективности распространенных способов заземления нейтрали, оценка их достоинств и недостатков, определение областей применения этих способов, а также особенностей функционирования РЗЗЗ в сетях с различными режимами нейтрали.

История вопроса насчитывает не один десяток лет, однако до сих пор не существует ни единого мнения по поводу путей решения проблемы, ни директивных документов, регламентирующих применение различных способов заземления нейтрали, ни надежной релейной защиты и автоматики для улучшения протекания режимов, связанных с замыканиями на землю.

Существующая проектная и эксплуатационная практика регламентируется ПУЭ и ПТЭ, которые допускают три основных режима нейтрали: изолированная, резистивно-заземленная и компенсированная, и дают четкие границы применения режимов изолированной и компенсированной нейтрали. Режим резистивного заземления нейтрали при всем возможном многообразии областей его применения, по сути дела, не обозначен, как основной, хотя его достоинства очевидны, а теория и практика его применения разработаны на достаточном уровне.

Также не вполне определенной следует считать идеологию применения защит от замыканий на землю, большинство из которых не имеют четких границ областей применения и удовлетворительных технических характеристик.

Режим резистивного заземления нейтрали, как основной для сетей с малыми (в единицы ампер) токами замыкания на землю и как дополняющий – в сетях с компенсацией емкостных токов, по-видимому, в ближайшее время станет преобладающим в сетях средних классов напряжения.

В этой связи представляется актуальной проработка вопросов, связанных с применением в теории резистивного заземления нейтрали идеи управляемости режима, т.к. преимущества такого подхода очевидны и подтверждены, например, практикой управления настрой компенсации емкостных токов. Поэтому решение проблемы управляемого режима заземления нейтрали является важнейшей народнохозяйственной задачей.

Целью работы является развитие теории переходных процессов при замыканиях на землю, разработка методов и средств управления режимом нейтрали сетей средних классов напряжения для улучшения протекания переходных процессов и функционирования защит от замыканий на землю.

В соответствии с целью поставлены и решены следующие научные задачи:

• анализ влияния режима заземления нейтрали на токи замыкания на землю при перемежающемся горении дуги в сетях с изолированной, резитивно-заземленной, компенсированной и комбинированной нейтралью;
• исследование режима замыкания на землю для закрытых заземляющих дуг как переходного процесса с изменяющимися во времени исходными параметрами в сетях с различными способами заземления нейтрали;
• разработка основных принципов организации управления резистором в нейтрали сетей с малыми (единицы ампер) токами замыкания на землю для ограничения дуговых перенапряжений и обеспечения селективности релейной защиты от замыканий на землю;
• разработка основных принципов организации управления резистором в сети с компенсированной и комбинированной нейтралью для ограничения дуговых перенапряжений и обеспечения селективности РЗЗЗ;
• синтез принципиальных схем автоматических устройств для управления резистором в нейтрали сетей средних классов напряжения;
• разработка способов обеспечения селективности токовых защит от замыканий на землю с помощью компенсации собственных токов нулевой последовательности присоединений;
• разработка нового подхода к селективности защит от двойных замыканий на землю;
• разработка, внедрение, проведение опытно-промышленной проверки и анализ эффективности защит от замыканий на землю в компенсированной сети.

Методы исследования. Основные результаты получены с использованием аналитических, численных, численно-аналитических методов расчета и анализа с применением методов физического моделирования и экспериментальных методов.

Научная новизна исследований заключается в том, что:

• впервые режим замыкания на землю исследован как развивающийся переходный процесс с изменением исходных параметров в широких пределах;
• выявлены основные закономерности процесса в сетях с различными способами заземления нейтрали;
• впервые осуществлен анализ и синтез алгоритмов управления резистивным заземлением нейтрали сетей средних классов напряжения с учетом изменения характера процесса замыкания на землю во времени;
• впервые предложен новый критерий селективности релейной защиты от двойных замыканий на землю и алгоритм функционирования одной из возможных схем защиты.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается использованием основных законов электротехники, методов анализа, проверенных многолетним опытом электроаппаратостроения, исследовательской и проектной практики, а также экспериментальными исследованиями и опытом промышленной эксплуатации образцов устройств.

Основные положения, выносимые на защиту:

• анализ режимов замыкания на землю как развивающихся переходных режимов с изменением исходных параметров в широких пределах;
• теоретическое обоснование влияние резистивного заземления на характер развивающегося процесса замыкания на землю в сетях с изолированной, компенсированной и комбинированной нейтралью;
• принципы построения и алгоритмы функционирования устройств адаптивного управления резистором для сетей с различными способами заземления нейтрали;
• способ повышения селективности токовых защит от замыканий на землю с помощью компенсации собственных токов нулевой последовательности;
• принципы организации и алгоритмы функционирования защиты от двойных замыканий на землю;
• ряд принципиальных схем устройств автоматического управления резистором для сетей с различными способами заземления нейтрали;
• результаты внедрения автоматики резистивного заземления и РЗЗЗ в сетях с компенсированной нейтралью.

Научная и практическая ценность диссертации состоит в том, что:

• впервые реализованы принципы управляемости резистивным заземлением нейтрали для обеспечения большей надежности электроснабжения и улучшения технико-экономических характеристик устройств резистивного заземления;
• впервые предложено быстродействующее, в том числе, импульсное управление заземляющим резистором для сетей с изолированной, компенсированной и комбинированной нейтралью;
• впервые предложен способ автоматической компенсации собственных составляющих токов нулевой последовательности ТТНП присоединений для повышения селективности РЗЗЗ;
• впервые предложен ряд технических решений для управления резистивным заземлением нейтрали;
• получены рекомендации по разработке и созданию устройств автоматического управления режимом резистивно-заземленной нейтрали, РЗЗЗ и защиты от двойных замыканий на землю;
• разработаны алгоритмы и конкретные схемы устройств для реализации предложенных принципов управления и защиты.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и были одобрены на конференциях: 10 научно-технической конференции по обмену опытом проектирования, наладки и эксплуатации устройств релейной защиты и автоматики (Екатеринбург, 1992); на 4 научно-технической конференции «Устройства преобразования информации для контроля и управления в энергетике» (Харьков, 1992); на 14 сессии семинара «Кибернетика электрических систем», раздел «Диагностика электрооборудования» (Новочеркасск, 1992); на 4 и 5 международных научно-технических конференциях “Энергетика, телекоммуникации и высшее образование в современных условиях” (Алматы, 2004, 2006); на 2 международной научно-технической конференции “Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт” (Тобольск, 2004); на 1 международной научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение» (Усть-Каменогорск, 2005); на 11 международной научно-технической конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» (Алушта, 2006), на 3 международной научно-технической конференции “Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт” (Омск, 2007).

Публикации. Результаты выполненных исследований нашли отражение в 43 печатных работах, в том числе, защищены 6 А.С. СССР, 3 патентами РФ, 4 патентами РК. Опытные образцы устройств резистивного заземления нейтрали и РЗЗЗ установлены на 14 секциях подстанций 10 кВ г. Павлодара, на 2 секциях 6 кВ подстанции «22» г. Усть-Каменогорска.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников из 169 наименований; изложена на 224 страницах печатного текста, включая 98 рисунков, а также 4 приложений, включая документы о внедрении.

Основное содержание работы.

Во введении обосновываются актуальность и формулируются цель работы и научные задачи, отражается научная новизна и практическая ценность результатов.

Приведены методы исследования и положения, выносимые на защиту, оценка личного вклада автора в получении научных результатов. Приводятся сведения о реализации результатов работы, апробации и публикациях по теме диссертации, а также структура и объем работы.

В первой главе приводится обзор существующих в мировой практике способов заземления нейтрали в сетях 6 – 10 кВ, рассматриваются их достоинства и недостатки, а также области применения. Показано, что в силу присущих режиму изолированной нейтрали принципиальных недостатков, связанных с высоким уровнем перенапряжений и сложностью организации РЗЗЗ, область применения его должна быть ограничена. Отмечается низкая эффективность режима компенсированной нейтрали при использовании ДГР с малодискретным ступенчатым регулированием. Отмечается все более широкое применение резистивного заземления нейтрали, в том числе, комбинированного для сетей с компенсацией емкостных токов.

Выполнен обзор существующих способов оптимизации режима нейтрали сетей 6 – 35 кВ и технических средств для их реализации с анализом достоинств, недостатков и возможных областей применения.

Приводятся примеры организации управления резистивным заземлением нейтрали и отмечается неоптимальность такого управления.

Формулируются задачи исследований по управлению режимом нейтрали для ограничения дуговых перенапряжений и повышения селективности РЗЗЗ в различных эксплуатационных условиях и при учете развития процесса замыкания на землю во времени с изменением параметров в широких пределах.

Во второй главе приводится анализ особенностей переходных процессов при замыканиях на землю в сетях с различными способами заземления нейтрали. Отмечается, что выполненные ранее исследования и разработки явно недостаточно учитывали возможность изменения параметров режима замыкания на землю, особенно, при развитии процесса во внутренней, преимущественно кабельной изоляции. Приводится анализ развития процесса на примере повреждения поясной изоляции кабелей 6 – 10 кВ. Выделяется несколько этапов развития замыкания:

• начальная фаза процесса предпробойного состояния с единичными самоустраняющимися пробоями без повреждения оболочки кабелей;
• режим непрерывных импульсных пробоев с разрушением оболочки и горением перемежающейся дуги при изменении пробивного напряжения;
• переход к устойчивому горению дуги с синусоидальным током.

Наиболее подробно исследовалась на физической модели сети вторая фаза процесса.

Установлен сложный характер изменения перенапряжений на здоровых фазах сети. Известно также, что уровень дуговых перенапряжений зависит от уровня пробивного напряжения дугового промежутка, поэтому были проведены расчеты максимальных перенапряжений UПЕР в функции электрической прочности промежутка UПР и горении дуги по теории Петерсена и получена кривая изменения UПР(t) в процессе развития места повреждения (см. рисунок 1).

Рисунок 1 – Качественный характер изменения пробивного напряжения дугового промежутка

Анализ экспериментальных данных позволил построить гипотезу развития повреждения во внутренней изоляции, основанную на тепловой модели процесса. Принимается к рассмотрению два фактора, влияющих на электрическую прочность промежутка: процесс выделения энергии в месте повреждения и соответствующее изменение подвижности проводящих частиц. При допущении о постоянстве мощности дуги и об экспоненциальном увеличении площади контакта дуги с окружающей изоляцией из-за увеличения размера повреждения, имеем экспоненциальный характер уменьшения количества энергии, приходящейся на единицу площади изоляции в зоне дуги . Следовательно, можно считать, что подвижность проводящих частиц , обуславливающая уровень пробивного напряжения растет сростом температуры прогрева и также имеет в ходе развития повреждения экспоненциальный характер

.

Очевидно, что электрическая прочность дугового промежутка тем больше, чем глубже внутрь изоляции выбрасываются проводящие частицы. Глубина их выброса зависит от давления в канале дуги и вязкости среды (подвижности частиц). Т.к. давление в канале дуги пропорционально удельной мощности, а глубина выброса проводящих частиц пропорциональна их подвижности, можно предположить, что прочность дугового промежутка пропорциональна произведению и (t)

,

где К1 и К2 – некоторые коэффициенты пропорциональности.

Тогда качественный характер пробивного напряжения можно представить в виде

,

где А – фактор удельной мощности дуги;

В – фактор подвижности проводящих частиц;

С – подвижность в начале процесса.

Вид этой аналитической зависимости, приведенной на рисунке 2, качественно совпадает с экспериментальной (рисунок 1), что свидетельствует о непротиворечивости предложенной теоретической модели процесса.

В свете предложенной тепловой гипотезы развития процесса замыкания на землю были проанализированы особенности переходных процессов в сетях с различными способами заземления нейтрали. Отмечено, что в разветвленных сетях с изолированной нейтралью из-за электрической удаленности места замыкания от источника наиболее вероятные значения коэффициента демпфирования отвечают слабой колебательности процесса вплоть до апериодического.

Рисунок 2

Как показывают расчеты токов замыкания при различных значениях активного сопротивления в нейтрали, перевод сети в режим резистивного заземления нейтрали с уровнем к качественному изменению режима горения дуги в перемежающейся фазе не приводит. Этот вывод следует из анализа влияния величины активного тока нейтрали на кривую тока замыкания. При наложении такого активного тока () практически не изменяются ни амплитуда, ни действующее значение, ни момент перехода высокочастотной составляющей через нулевое значение в начале колебательной фазы процесса, как показано на рисунке 3. Это представляется особенно важным для механизмов гашения дуги на высокочастотных составляющих тока замыкания (теории Петерсена и Белякова) и связанных с опасными перенапряжениями. Распространенное мнение о быстром переходе замыкания в установившуюся фазу при наложении в этой связи представляется необоснованным.

а) – для сети с изолированной нейтралью; б) – при наложении активного тока

Рисунок 3 – Кривые тока замыкания