Совершенствование методов расчета токов однофазного короткого замыкания в сети до 1000 В

Значительное число крупных аварий и пожаров, возникающих на промышленных предприятиях, происходит из-за неправильного функционирования электрооборудования.

Согласно статистическим данным [64] в США ежегодно происходит около 3,5 млн. пожаров с общим материальным ущербом в 6 млрд. долларов. Причиной пожаров в 14% случаев яляются аварии в электросетях. Ежегодный ущерб в США от пожаров в электроустановках (ЭУ) составляют 100 млн. долларов, при этом гибнет более 1 ООО человек.

Общее число пожаров от ЭУ в ФРГ в 1983 году возросло по сравнению с 1981 годом в 1.7 раза, а сумма убытков — в 5.7 развсего на пожарах, связанных с возгоранием электротехнических устройств, погибло 43 человека.

По свидетельствам французских специалистов в развитых странах около 20ч-25% пожаров возникают из-за плохого качества и недостаточно квалифицированной эксплуатации электротехнических устройств, при этом во многих случаях причиной пожаров в электроустановках являются короткие замыкания (КЗ). Всего же в мире ежегодно 5% аварий от общего их количества (взрывы, пожары) происходит от воздействия электрического источника на опасную га-зо-воздушную среду. Средний ущерб от этих аварий составляет 17.9 млн. долларов в год.

В 1994 году в РАО «Газпром» было зафиксировано 190 пожаров, 38 из которых — на производстве, а по причинам неисправности электрооборудования.

Согласно анализу, проведенному Союзтехэнерго [89] с 1981 по 1990 гг. на тепловых электростанциях Минэнерго произошло 178 аварий, вызванных возгоранием или пожаром отдельных видов оборудования и сооружений.

Для кабельных сетей 6(10) кВ и 0.4 кВ предприятия «Ямбурггаздобыча» получены следующие результаты: за период с 1987 по 1994 гг. в кабельных сетях 6(10) кВ произошло 26 пожаров, а в 0.4 кВ — 18 пожаров. В среднем каждое шестое КЗ в сетях 6(10) кВ и 0.4 кВ сопровождалось пожарами. Вероятность пожаров от одного пожароопасного узла в течении года для сетей 6(10) кВ составила величину 8.65* 10″ 5, что в 86.5 раза выше нормируемого уровня 10″ 6 [20]. В кабельной сети 0.4 кВ вероятность пожаров от одного пожароопасного узла составила — 2.1 *10″ 6, что выше нормы в 2.1 раза.

В таблице В.1 приведены данные ВНИИ пожарной охраны, касающиеся пожаров на территории России, возникших от электроизделий.

Таблица В.1.

Год Общее число пожаров, возникших от электроизделий Число пожаров, в которых первопричина — возгорание в проводах и кабелях (% от общего числа пожаров возникших от электроизделий) Число людей, погибших в этих пожарах.

1995 61 298 34 327 (56%) 643.

1996 60 251 35 247 (58,5%) 681.

1997 55 917 33 550 (60%) 650.

1998 55 129 33 784 (61%) 628.

Как видно из приведенных статистических данных чаще всего пожары возникают при КЗ. Основной причиной, обуславливающей возникновения КЗ в ЭУ, является повреждение изоляции токоведущих частей. Это повреждение может быть вызвано ее старением, покрытием изоляционных материалов слоем пыли, влаги, вибрацией и тряской аппаратов, нарушением диэлектрической прочности воздушного промежутка между контактами и т. п., а также ошибками персонала при эксплуатации и ремонте. Нарушения изоляции, вызванные прямыми ударами молнии, перекрытия изоляции при неправильных операциях с разъединителями под нагрузкой, перекрытие или уменьшение изолирующих промежутков животными и птицами, набросами проводов на токоведущие части и т. п., устраняются после отключения поврежденного участка. В то же время пробой изоляции вследствие ее старения (износа), механические повреждения кабелей при земляных работах, набросы проводников большого сечения на токоведущие части приводят к повреждениям, которые не исчезают и после отключения аварийного участка.

Независимо от причины, вызывающей КЗ, неизбежны резкое увеличение токов в короткозамкнутой цепи, уменьшение напряжения системы, перерывы в электроснабжении потребителей, которые могут привести к расстройству технологического процесса, к порче продукции, а в условиях пожаро-взрывоопасных производств — к пожару. Наибольшую опасность в пожарном отношении будут представлять КЗ на зажимах источников питания.

В сетях напряжением до 1000 В промышленных предприятий величины токов КЗ значительны. Например, ток при трехфазном КЗ на шинах подстанции (380/220 В) составляет 25-Н-О кА, на шинах вторичных силовых шкафов -3.5-И0 кА, на зажимах электродвигателей (4-ь8 кВт) — 2 кА. Резкое возрастание тока в короткозамкнутой цепи с точки зрения безопасности может: а) привести к опасному нагреву токоведущих частей и воспламенению горючих изоляционных материалов, либо самовоспламенению взрывоопасной средыб) вызвать электрические искры и дуги, обладающие воспламеняющей способностьюв) нарушить взрывонепроницаемость взрывобезопасных оболочек электрооборудования за счет коробления оболочки.

Все эти виды повреждений представляют значительную пожароопасность и должны быть предотвращены системой защиты. Однако практика показывает, что пажаробезопасность электрического оборудования не может быть по ряду причин обеспечена даже при исправном состоянии защиты, что видно из следующего примера (пример 1):

14.12.1989 г. в помещении КТП-2*2500 кВА цеха пропана Новоуренгойского завода подготовки газового конденсата производственного объединения «Уренгойгазпром» произошла авария из-за КЗ. В результате возникшего пожара из строя полностью вышло оборудование КТП (шкафы ТТТВВ, ШНВ и ШНС), силовой трансформатор ТНЗ-2500 6/0.4 кВ и питающий кабель ААШВГ-6 на участке 400 м (рис.В.1).

Рис.В.1. Схема принципиальная к примеру 1.

При включении автомата дежурным электромонтером в силовой сборке Щ0−70 произошло КЗ, продолжавшееся около 10 мин. КЗ перешло на верхние шины автомата в Щ0−70 (первая секция шин 0.4 кВ). КЗ на Щ0−70 первой секции шин было отключено вводным автоматом в КТП-2*2500. Без выдержки времени включился секционный автомат 0.4 кВ, при этом он вновь запитал место короткого замыкания от второго ввода КТП 2*2500. Вводной автомат 0.4 кВ Т-2 подстанции отключил место КЗ, но оно перешло на втычные контакты автомата со стороны трансформатора Т-2. Защита ввода Т-2 (в ЗРУ-6 кВ) не сработала, так как оказались несобранными цепи защит на отключающую катушку вводного масляного выключателя.

Обследование, произведенное в Кузбассэнерго [15] показало в частности, что у 10 комплектов максимальной токовой защиты (МТЗ) трансформаторов рабочего питания секций РУСН 0.4 кВ (из 52 обследованных) коэффициент чувствительности кч составил 1.0-И .2 вместо требуемого в соответствии с [11] кч=1.5 даже при металлическом КЗ на шинах секции.

Согласно [41] после пожара на Игналинской АЭС по приказу № 349а/727 от 17.08.88 заместителя министра МАЭ следовало проверить в собственных нуждах АЭС все кабели на термои пожаростойкость и защиты на чувствительность к КЗ. Было выявлено, что на ряде АЭС 10-^-25% основных защит, 70-ь85% резервных защит не соответствует нормативам.

Исследованиям, расчетам и анализу токов короткого замыкания (КЗ) в низковольтных (до 1000 В) сетях всегда уделялось большое внимание, поскольку значения этих токов влияют на выбор сечения проводов и жил кабелей, конструкции токопроводов, характеристик коммутационных и защитных аппаратов. Для обеспечения рационального проектирования систем электроснабжения должен быть выполнен достоверный расчет токов КЗ.

При расчете токов КЗ должны быть вычислены их максимальные значения, необходимые при выборе электрического оборудования по коммутационной способности, термической и электродинамической стойкости, и минимальные, необходимые при проверке чувствительности защитных аппаратов к токам КЗ [92].

Одно из необходимых условий при проектировании сети до 1000 В — надежное срабатывание защитного электрического аппарата при однофазном КЗ в конце защищаемого участка, т.к. именно это КЗ характеризуется минимально возможным током КЗ.

Во время эксплуатации электрооборудования, в том числе автоматических выключателей (предохранителей) с установкой на них уставок (плавких вставок) с необходимыми по расчету параметрами, бывают случаи, когда при возникновении однофазного КЗ в защищаемой ими цепи эти защитные аппараты не отключают поврежденный участок (защита оказывается нечувствительной) или отключают его через достаточно большой промежуток времени.

Задержка в срабатывании защитных аппаратов во время однофазного КЗ ведет к следующим негативным последствиям: а) перегрев изоляции токоведущих частей электрооборудования, который может привести к более быстрому ее изнашиваниюб) так как процесс обычно протекает с участием электрической дуги, увеличивается вероятность возгорания электропроводки и возникновения пожарав) перерастание однофазного КЗ в другие виды замыкания, в том числе трехфазные, с более крупным материальным ущербомг) повышается вероятность попадания под опасное напряжение обслуживающего персоналад) работе электрооборудования в неполнофазном режиме, что может привести к быстрому выходу его из строя.

К таким последствиям приводит неточный расчет величины тока однофазного КЗ и, в связи с этим, неверная установка параметров защитной аппаратуры. Другими словами, фактические значения тока КЗ оказывались ниже расчетных.

Одной из причин неточного расчета является неверный учет свойств электрической дуги, возникающей в месте КЗ, которая характеризуется: а) значительным снижением величины тока КЗ из-за своего ограничивающего действия (сопротивление дуги в аппаратах 0.075-^0.5 Ом и дуги в кабелях 0.05-ь4 Ом), при котором величина тока в дуге не достигает значения уставок тока отключения [26]- б) прерывистым характером горения, при котором время непрерывного прохождения тока составляет 0.05^-0.04 е., т. е. чаще всего меньше, чем требуется для срабатывания защиты и тем более для перегорания плавкой вставки. В этих условиях изоляция токоведущих частей успевает загореться при кратковременном, но частом воздействии на нее высокой температуры электрической дуги [64].

Есть еще ряд причин, влияющих на точность расчета тока однофазного КЗ: а) отсутствие достоверных данных о параметрах элементов схемыб) неточность существующих методик расчетав) отличие состава электрооборудования, устанавливаемого на предприятии от того, которое принималось при расчетахг) возможное изменение трассы прокладки кабелей (от имеющейся в проекте) — д) неполный учет всех влияющих факторов при расчетахе) изменение состава электрооборудования и схемы питания потребителей в процессе эксплуатации.

Приведенные выше статистические данные о причинах возникновения и развития аварий в ЭУ, вызванных неотключаемыми КЗ, показал актуальность решения проблемы.

Основной целью работы является: разработка ориентированных на применение ЭВМ методов моделирования переходных процессов в системах промышленного электроснабжения до 1000 В при возникновении однофазных КЗ.

Для достижения этой цели в работе решались следующие задачи:

1. Разработка системы расчетных методик и математических моделей элементов и системы электроснабжения в целом, предназначенных для описания процессов при однофазных КЗ в электрических сетях напряжением до 1000 В и связанных концепцией автоматизации расчетно-экспериментальных исследований.

2. Разработка системы программ на ПЭВМ, интегрированной в АСНИ «Электроснабжение» на уровне единого информационного обеспечения, базирующегося на схемах электроснабжения и каталожных данных об электрооборудовании.

3. Выполнение исследований и разработка практические рекомендации по способам повышения надежности систем электроснабжения, предотвращения развития аварий и возникновения пожаров при однофазных КЗ.

На защиту выносится:

1. Способ динамического моделирования систем промышленного электроснабжения, отличающийся от ранее используемых тем, что позволяет учитывать в общем случае несимметрию режимов СПЭ, вызванную как несимметрией электрических нагрузок, так и несимметрией фазных сопротивлений сетей до 1000 В в установившихся режимах и режимах однофазного КЗ.

2. Методики учета изменения сопротивлений элементов цепи фаза-нуль вследствие увеличения их температуры при адиабатических процессах и в режимах теплообмена с окружающей средой.

3. Система программ ТК21 для расчетно-экспериментальных исследований процессов при однофазных КЗ в произвольном узле сети напряжением до 1000 В.

Методика проведения исследований.

Исследования, проведенные в диссертационной работе, базируются на использовании методов математического моделирования, теории электрических цепей, электрических машин, численных методов решения систем нелинейных дифференциальных и алгебраических уравнений, теории функций комплексных переменных. Программное обеспечение выполнено на алгоритмическом языке ФОРТРАН применительно к ПЭВМ.

Научная новизна результатов исследований может быть сформулирована следующим образом:

1. Разработана математическая модель для отображения процессов, протекающих в системах электроснабжения напряжением до 1000 В при возникновении однофазных КЗ в произвольной точке электрической сети, реализованная в виде комплекса алгоритмов и программ для расчетно-экспериментальных исследований.

2. Разработаны математические модели для описания закономерностей изменения величин сопротивлений элементов цепи фаза-нуль в результате термического воздействия токов КЗ.

3. Проведены расчетные исследования уровней токов КЗ в электрических сетях напряжением до 1000 В и выявлены методические ошибки при выборе параметров элементов СПЭ на этапе принятия проектных решений и настройке коммутационной и защитной аппаратуры при эксплуатации.

Практическая ценность работы.

Разработана система расчетных программ на ПЭВМ, интегрированная в АСНИ «Электроснабжение» и предназначенная для автоматизированных рас-четно-экспериментальных исследований динамики процессов, обусловленных однофазными КЗ в сетях до 1000 В и оптимизации процесса синтеза систем промышленного электроснабжения и настройки защитной аппаратуры.

Комплекс расчетных программ в составе АСНИ «Электроснабжение» внедрен в АООТ «Воскресенские минеральные удобрения» для выполнения поверочных расчетов при настройке устройств РзиА и использовался самостоятельно при разработке «Методики сертификации низковольтных комплектных устройств (НКУ) в сертификационном центре АООТ «ВНИИ Электропривод» .

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на:

1. Научно-техническая конференция «Энергосбережение, электроснабжение, электрооборудование». г. Новомосковск Тульской обл. 21−22 ноября 1996 г.

2. XIX сесия семинара АН России «Кибернетика электрических систем». г. Новочеркасск. 1997 г.

3. XV международная межвузовская школа-семинар. Методы и средства технической диагностики. Йошкар-Ола. 1998.

4. 2-ом международный симпозиум по энергетике, окружающей среде и экономике. Казань. Россия, 7−10 сентября, 1998 г.

5. Научно-техническая конференция «Энергосбережение, электроснабжение, электрооборудование». г. Новомосковск Тульской обл. 18−20 ноября 1998 г.

6. Научные семинары кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Московского Энергетического Института (Технического Университета).

7. Научные семинары кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Новомосковского Института Российского Химико-Технологического Университета.

Публикации.

1. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Структура диссертации:

Диссертационная работа содержит 138 страниц машинописного текста, 42 рисунков, 13 таблиц, список использованной литературы из 104 наименований и приложений на 4 страницах (всего 159 страниц).

5.5. Выводы по главе:

1. Получены зависимости, позволяющие без применения вычислительных средств определить успешность срабатывания защитного аппарата при однофазных КЗ при схеме трансформатор-силовой кабель;

2. При исследовании устойчивости НКУ к тепловым и электродинамическим нагрузкам, возникающих при токах КЗ, сделаны следующие выводы:

• необходимо учитывать как режим трехфазного, так и однофазного КЗ;

• решающее значение на величину тока однофазного КЗ играет схема соединения обмоток цехового трансформатора, которое может достигать 98% от величины тока трехфазного КЗ при схеме соединения Д/Yh;

• при невозможности получения достоверных исходных данных для вычисления токов однофазного КЗ проверку устойчивости НКУ к тепловым и электродинамическим нагрузкам при КЗ (в отношении к нулевой шине) реко.

Т (1)=Т (3) мендуется проводить из условия к к ;

3. Определено влияние различных элементов, составляющих сопротивление цепи фаза-нуль на величину тока однофазного КЗ;

4. Экспериментальные исследования с использованием программного комплекса показали следующие его достоинства:

• учет большого количества элементов, что сложно произвести при ручном вычислении;

• правильный расчет коэффициента нагрева кабельной линии (токопровода, шинопровода), участвующей в протекании тока КЗ, но не являющейся местом аварии;

• определение режима работы электродвигателей во время КЗ (продолжает потреблять электроэнергию или генерирует ее в место КЗ);

• контроль других величин, таких как протекающая мощность, напряжение в узлах, режим работы комплексных нагрузок;

• возможность контроля изменения тока и напряжения в частях схемы, неуча-ствующих в протекании тока однофазного КЗ;

• возможность учета влияния различных параметров короткозамкнутой цепи, таких как: положение переключателя ПБВ, нагрев кабелей (токопроводов, шинопроводов), сопротивление контактных соединений, сопротивление электрической дуги и др.;

• снижает время расчета по сравнению с ручным;

Применять данный программный комплекс рекомендуется для: а) Вычисления тока однофазного КЗ с целью определения условия срабатывания электрических аппаратов защиты при возникновении однофазного КЗ, а также с целью наблюдения изменения режима остальной части схемыб) Проведения исследований для разветвленных схем сети ниже 1 ООО В, связанных как с нормальным режимом работы, так и с режимом однофазного КЗ.

Заключение

.

Основные теоретические и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Разработана универсальная математическая модель СПЭ на напряжение до 1000 В, отражающая основные структурные и иерархические связи, динамические переходы в различные типовые состояния, соответствующие эксплуатационным режимам, и основополагающие закономерности.

2. Предложены математические модели симметричных и несимметричных установившихся режимов СПЭ, учитывающих на основе метода симметричных составляющих учета изменения параметров сети как за счет несимметрии сопротивлений фаз, так и на основе подключения несимметричных нагрузок.

3. Разработаны модели режимов однофазного КЗ СПЭ до 1000 В, базирующаяся на методе симметричных составляющих с использованием схем прямой, обратной и нулевой последовательности и учетом влияния сопротивления электрической дуги.

4. Разработаны методики вычисления сопротивлений цепи фаза-нуль, для определения тока однофазного КЗ в сети до 1000 В, учитывающие положение переключателя ПБВ силового трансформатора, увеличение сопротивлений проводников и контактных соединений вследствие нагрева, величину сопротивлений контактных соединений исходя их физических свойств материала.

5. Получены расчетные зависимости, позволяющие произвести учет электрической дуги при вычислении тока однофазного КЗ без применения вычислительных средств;

6. Разработан комплекс программ для проведения исследований СПЭ напряжением до 1000 В в режимах: нормальном симметричном, нормальном несимметричном и режиме однофазного КЗ, интегрированный в.

АСНИ на уровне единого программного обеспечения;

7. Получены зависимости, позволяющие без применения вычислительных средств определить успешность срабатывания защитного аппарата при однофазных КЗ при схеме трансформатор-силовой кабель;

8. Доказана необходимость использования кабелей и проводников с сечением нулевой жилы равной сечению фазной, что позволит увеличить надежность их работы как в нормальном режиме, так и в режиме КЗ.

9. Определено влияние различных элементов, составляющих сопротивление цепи фаза-нуль на величину тока однофазного КЗ и показано, что их совместное влияние может внести уточнения в расчетный ток до 35%;

10. На примере реально существующей трансформаторной подстанции проведены экспериментальные исследования с использованием программного комплекса и даны практические рекомендации по предотвращению аварий и возникновению пожаров при однофазных КЗ.