Повышение эффективности работы компенсированных нейтралей электрических сетей среднего напряжения как рецепторов

Актуальность темы

Электрические сети России напряжением от 6 до 35 кВ (сети среднего напряжения) являются загруженными и протяжёнными (около 3 млн. км) линиями электропередачи. Общее количество сетей (секций) этого класса напряжений составляет 25 600 единиц, из них более 2600 — сети, в которых необходимо применять компенсацию ёмкостного тока (10,4%). Установлено около 2400 дугогасящих реакторов (ДГР) (около 91,9% от общей потребности). Автоматическими регуляторами оснащены 51,5% ДГР, из них только около 7% управляемых подмагничиванием.

Сети среднего напряжения характеризуются высокой аварийностью. Например, технологические нарушения режимов работы воздушных линий (ВЛ) 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 2015 г. 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-ветровым воздействием, но и сложной электромагнитной обстановкой (ЭМО), обусловленной нарушением требований ГОСТ 13 109–97 к качеству электроэнергии (КЭ).

В компенсированных сетях наблюдаются кондуктивные электромагнитные помехи (ЭМП), которые распространяются по проводам. При этом не обеспечивается качественное функционирование сетей как рецепторов при возникновении однофазных дуговых (ОДЗ) и металлических (ОЗЗ) замыканий на землю, неполнофазных режимов и т. д. Обострилась проблема электромагнитной совместимости (ЭМС).

Исследования Лихачёва Ф. А., Миронова И. А., Обабкова В. А., Челазнова A.A., Сарина Л. И. Далилова Ф.Х., Горелова В. П., Ивановой Е. В., Короткевича М. А. (Республика Белорусь), Лизалека H.H., Манусова В. З. и др. охватывают различные аспекты обеспечения ЭМС технических средств. Однако, рассматриваемая проблема многогранна и одна из научно-технических задач — повышение эффективности работы компенсированных нейтралей сетей среднего напряжения как рецепторов не решена (отсутствует соответствующий стандарт). Поэтому тема диссертации является актуальной.

Объектом исследования являются сети напряжением от 6 до 35 кВ с резонансно-заземлёнными (компенсированными) нейтралями. Базовым полигоном исследования являются компенсированные сети 10 кВ (ОАО"МРСК Волги") и 35 кВ (ОАО «Кузбассэнерго»).

Предметом исследования является режим компенсированной нейтрали как рецептора электрической сети от 6 до 35 кВ.

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), планом НИОКР «Электромагнитная совместимость технических средств» (Гос.регист. № 1 200 956 736) и «Планом развития научных исследований на 2007;2010 г. г.» (раздел 1.10) ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта (ФГОУ ВПО «НГАВТ»).

Идея работы заключается в установлении углублённых связей с помощью новейшей многоканальной компьютеризированной системы сбора, обработки и хранения данных процессов однофазных замыканий на землю, расчётов переходных процессов в программной среде МАЭС с режимом нейтрали как рецептора, заземлённой через параллельно включённые высокоомный резистор и ду-гогасящий реактор, воздействия на которые можно повысить качество функционирования сети среднего напряжения.

Целью работы является разработка научных положений и рекомендаций, позволяющих повысить эффективность работы компенсированных нейтралей электрических сетей среднего напряжения как рецепторов. Для достижения этой цели в работе ставились и решались следующие взаимосвязанные задачи:

— обоснования требований к измерительной технике и методического подхода к осциллографированию параметров переходных процессов при различных замыканиях фазы на землю;

— разработка математической модели времени выхода ДГР с подмагничи-ванием на установившийся режим компенсации при возмущениях в сети 10 кВ — реакции реактора на нарушения режима компенсации;

— разработка математических моделей напряжений смещения нейтралей при различных резистивных заземлениях, возникающих при повреждениях (отключениях) ДГР;

— математическое обоснование возможности повышения качества функционирования компенсированной сети среднего напряжения как рецептора в едином параметрическом пространстве возмущающих воздействий с помехо-подавляющими техническими средствами на нейтрали;

— разработка концепции (методики) повышения эффективности работы компенсированных нейтралей (технических средств) сетей напряжением от 6 до 35 кВ как рецепторов;

— экспериментальная проверка эффективности предложенной концепции в компенсированной сети 35 кВ полигона исследования.

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 МаНаЬ и МАЭС.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: отбором значимых для проведения научных исследований процессов и новейших средств измерения и осциллографирования переходных процессовпринятыми уровнями допущений при математическом описании явленийисследованиями погрешностей разработанных математических моделейудовлетворительным совпадением результатов теоретических исследований с результатами экспериментов, выполненных в сетях 10 кВ и 35 кВ (с вероятностью 0,95 максимальная относительная ошибка не превышает ±10%) — достаточным объёмом исследований и практической реализацией основных выводов и рекомендаций.

На защиту выносятся:

1 Математическая модель времени выхода ДГР с подмагничиванием на установившийся режим компенсации при возмущениях в сети 10 кВ.

2 Математические модели" напряжений смещения нейтралей при различных резистивных заземлениях, возникающих при повреждениях (отключениях) дугогасящих реакторов.

3 Доказательство теоремы об эквивалентности параметрических множеств помехоподавляющих технических средств на компенсированных нейтралях и возмущающих воздействий в сетях среднего напряжения .

4 Концепция повышения эффективности работы компенсированных нейтралей сетей напряжением от 6 до 35 кВ как рецепторов.

Научная новизна работы заключается в развитии теоретических основ электрических сетей. В рамках решаемых научных задач характеризуется следующими новыми научными положениями:

— научно-обоснована реакция ДГР с подмагничиванием на возмущения в сети 10 кВпредставленная математическая модель времени выхода реактора на установившийся режим компенсации с вероятностью 0,95 показывает, что с точки зрения ограничений дуговых коммутационных перенапряжений и напряжения смещения нейтрали в момент замыкания фазы на землю (до 0,01 с и более) этот реактор не имеет принципиальных преимуществ перед реакторами других типовэто означает, что путём совершенствования только параметров ДГР невозможно обеспечить качественное функционирование нейтрали как рецептора;

— доказана теорема об эквивалентности параметрических множеств поме-хоподавляющих технических средств на компенсированных нейтралях и возмущающих воздействий, которая обосновывает возможность повышения качества функционирования нейтрали компенсированной сети среднего напряжения;

— разработаны математические модели напряжения смещения нейтрали при резистивном заземлении, которые позволяют прогнозировать эти напряжения при повреждениях (отключениях) ДГР. Это повышает надёжность и электробезопасность сетей от 6 до 35 кВ;

— обоснована для сети 35 кВ расчётным путём (в программной среде МА-ЭС) и подтверждена экспериментально эффективная работа нейтрали как рецептора, заземлённой через ДГР и выскоомный резистор, что имеет существенное значение для повышения энергетической безопасности регионов.

Практическая ценность работы заключается в том, что внедрение следующих новых научных положений в проектную и эксплуатационную практику обеспечивает повышение эффективности работы компенсированных сетей среднего напряжения как рецепторов:

— математическая модель времени выхода ДГР с подмагничиванием на установившийся режим компенсации при однофазных замыканиях на землю в сети 10 кВ;

— математические модели напряжения смещения нейтрали при различных резистивных заземлениях, возникающих на высокоомных резисторах при повреждении (отключении) дугогасящих реакторов;

— методики повышения эффективности работы компенсированных нейтралей сетей напряжением от 6 до 35 кВ как рецепторов.

Реализация работы. Разработанные в диссертации научные положения использованы: в ООО «ПНП Болид» (г. Новосибирск) для обоснования эффективности заземления компенсированной нейтрали через высокоомный резистор в распределительных сетях от 6 до 35 кВ с годовым экономическим эффектом 1400 тыс. рублейв ОАО «Инженерно-аналитический центр «Кузбастехэнерго» с годовым экономическим эффектом 510 тыс. рублей. Срок окупаемости капиталовложений не превышает 2 года.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались: на 2-й всероссийской научно-технической конференции «Ограничения перенапряжений и режимы заземления нейтрали сетей 6−35 кВ» (г. Новосибирск, 200 г.) — на 3-й всероссийской научно-технической конференции «Ограничение перенапряжений и режимы заземления нейтрали сетей 6−35 кВ» (г. Новосибирск, 2004 г.) — на 1-м научно-практическом семинаре с. международным участием (ЭКИЭ-01) в рамках выставки «Энергоснабжение, отопление, вентиляция, водоснабжение в промышленности и ЖКХ» (г. Екатеринбург, 2011 г.) — на 9-й международной научно-практической интернет конференции «Энерго-ресурсосбережение — XXI век (г. Орёл, 2011 г.) — на международной юбилейной научно-технической конференции «Обновление флота — актуальная проблема водного транспорта на современном этапе» (г. Новосибирск, 2011 г.) — на международной молодёжной конференции «Энергосберегающие технологии» (г. Томск, 2011 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, выполненных в соавторстве (показан в приложении, А диссертации), составляет не менее 50%.

Публикации. Содержание работы опубликовано в 13 научных трудах, в том числе в 6 статьях периодических изданий по перечню ВАК.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 139 наименований и двух приложений. Изложена на 144 страницах машинописного текста, который поясняется 36 рисунками и 17 таблицами.

Основные выводы и рекомендации.

1 Обоснованы требования и методический подход к осциллографированию переходных процессов «при однофазных замыканиях на землю. Рекомендуется использовать комплексный подход с применением цифровых осциллографов.

2 Разработана на основании исследованияфеакции дугогасящего реактора с ' подмагничиванием на возмущения в сети 10 кВ эмпирическая математическая модель времени выхода реактора на установившийся режим компенсацииопределена область её примененияотносительная ошибка расчётов с вероятностью 0,95 не превышает ±5%.

3 Разработаны эмпирические математические модели для прогнозирования напряжения смещения нейтрали прихарактерной* ёмкостной проводимости сети среднего напряжения’и различных резистивных заземлениях. Определены области их применения. Относительные ошибкиг расчётов напряжений’смещения по этим выражениям с вероятностью 0,95 не превышают ±10%. Рассчитаны возможные предельные значения напряжения смещения нейтрали.

4 Доказана возможность повышения качества функционирования компенсированной сети в едином параметрическом пространстве возмущающих воздействий с помехоподавляющими техническими средствами.

5 Представлена концепция повышения эффективности работы компенсированных нейтралей (технических средств) сетей напряжением от 6 до 35 кВ как рецепторов путём параллельного включения высокоомных резисторов’и ду-гогагящих реакторов.

6 Предложены предельные значения сопротивлений этих высокоомных резисторов, рассчитанные из условий обеспечения надёжной работы систем элек.

125 троснабжения напряжением 10 кВ и 35 кВ при повреждении (отключении) дугогасящего реактора.

7 Осуществлена экспериментальная проверка эффективности предложен! ной концепции в компенсированной сети 35 кВ. При подключении высокоом-ного резистора параллельно дугогасящему реактору напряжения смещения нейтрали не превышало 6% от фазного значения, а повышения напряжения, возникающие при однофазных дуговых замыканиях на землю, находились в пределах от 1,8 до 2,5 амплитудных фазных значений.