Повышение эффективности режимов нейтрали в распределительных сетях от 6 до 35 кВ при подавлении кондуктивной электромагнитной помехи по току замыкания фазы на землю

В электроэнергетике России распределительные сети напряжением от 6 до 35 кВ являются наиболее протяжёнными, а их общая длина оценивается около трёх миллионов километров. При этом сети именно этого класса напряжения являются наиболее аварийными.

Работа сетей подобного класса напряжений может предусматриваться как с изолированной, так и с нейтралью заземлённой через дугогасящий реактор (ДГР) или резистор. Общее количество сетей (секций) напряжением от 6 до 35 кВ составляет около 25 300 единиц, из них более 2600 — сети, в которых необходимо применять компенсацию ёмкостного тока. Следовательно, практически 90% сетей среднего класса напряжения работают с изолированной нейтралью.

Нормальная работа сетей как рецепторов при этом режиме нейтрали в значительной мере обусловливается электромагнитной обстановкой (ЭМО). При несинусоидальных и несимметричных напряжениях токи однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) возрастают и могут превышать допустимые значения. Из-за этого появляются кондуктивные электромагнитные помехи (ЭМП) по току замыкания фазы на землюснижается надёжность работы сетей, обусловленная увеличением случаев ОЗЗ и переходом их в 2-х и 3-х фазные короткие замыкания (КЗ) — нарушается электромагнитная совместимость (ЭМС) технических средств. Соответствие уровней ЭМС для кондуктивных ЭМП требованиям ГОСТа 13 109−97 необходимо: для обеспечения мероприятий по защите жизни и здоровья граждан, имущества физических и юридических лиц, государственного имущества и по охране окружающей средыдля повышения технико-экономических показателей производств и качества выпускаемой ими продукции.

В сетях с компенсацией ёмкостного тока применяется до 2000 ступенчатых дугогасящих реакторов (75,5% от общего числа ДГР) и 440 плавнорегулируе-мых реакторов (24,5%). Около 7% от плавнорегулируемых реакторов составляют ДГР с подмагничиванием, которые только осваиваются эксплуатацией в автоматическом режиме работы. При этом одной из научно-технических задач их внедрения является исследование переходных режимов при металлических и дуговых 033.

В настоящее время проблема ЭМС в сетях среднего класса напряжений обострилась из-за усиления влияния искажающей нагрузки и значительного физического износа сетей. К 2015 г. сработка ресурса электрических сетей может достигнуть 75%. Темпы нарастания изношенного электрооборудования составляют от 2 до 6% в год от общего количества.

Исследования Лихачёва Ф. А., Миронова И. А., Обабкова В. А., Сарина Л. И., Халилова Ф. Х., Горелова В. П., Ивановой Е. В., Короткевича М. А. (Республика Белорусь), Лизалека Н. Н., Фельдмана М. Л. и др. охватывают различные аспекты обеспечения ЭМС технических средств. Однако, рассматриваемая проблема многогранна и одна из научно-технических задач — повышение эффективности режимов нейтрали в распределительных сетях от 6 до 35 кВ при подавлении кондуктивной ЭМП по току замыкания фазы на землю не решена. Поэтому тема диссертации является актуальной.

Объектом исследования являются распределительные электрические сети от 6 до 35 кВ общего назначения.

Предметом исследования являются режимы нейтрали распределительных электрических сетей от 6 до 35 кВ общего назначения.

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) 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 связей режимов нейтрали с кон-дуктивной ЭМП по току замыкания фазы на землю, воздействия на которые можно обеспечить ЭМС распределительных сетей от 6 до 35 кВ как рецепторов в электроэнергетических системах (ЭЭС).

Целью работы является разработка научных положений и рекомендаций, позволяющих повысить эффективность режимов нейтрали в сети от 6 до 35 кВ при подавлении кондуктивной ЭМП по току замыкания фазы на землю. Для достижения этой цели в работе ставились и решались следующие задачи:

— исследование содержания проблемы режимов нейтрали в распределительных сетях от 6 до 35 кВ при нарушениях уровней ЭМС для кондуктивных ЭМП;

— разработка математической модели времени выхода ДГР с подмагничи-ванием на установившийся режим компенсации в сети 10 кВ при металлическом заземлении фазы на землю, которая может научно-обоснованно характеризовать их при выборе режима нейтрали;

— разработка математической модели зависимости резонансных номеров высших гармонических составляющих напряжений неповреждённых фаз и тока металлического замыкания фазы на землю от ёмкостного тока сети 10 кВ с изолированной нейтралью;

— экспериментальная проверка возможностей положений ГОСТа 13 109−97 защитить сеть 10 кВ как рецептора от кондуктивной ЭМП по току замыкания на землю при гармоническом воздействии в пределах допустимого значения коэффициента искажения синусоидальности кривой фазного напряжения (5%);

— разработка математической модели зависимости кондуктивной ЭМП по току замыкания фазы на землю от параметров распределительной сети от 6 до 35 кВ, заземляющего нейтраль резистора и сопротивления заземления.

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 Matlab.

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 реальных сетях (с вероятностью 0,95 относительная ошибка не превышает ±10%) — достаточным объёмом исследований и практической реализацией основных выводов и рекомендаций.

На защиту выносятся математические модели:

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

— зависимости номеров резонансных гармонических составляющих напряжений неповреждённых фаз и тока металлического замыкания фазы на землю от ёмкостного тока в сети 10 кВ с изолированной нейтралью;

— зависимости кондуктивной ЭМП по току замыкания фазы на землю от параметров распределительной сети от 6 до 35 кВ, заземляющего нейтраль резистора и сопротивления заземления.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

— разработана математическая модель времени выхода ДГР с подмагничиванием на установившийся режим компенсации в сети 10 кВ при однофазных замыканиях на землю, которая комплексно представляет их при выборе режима нейтрали сети;

— представлена математическая модель зависимости номеров резонансных гармонических составляющих напряжений неповреждённых фаз и тока металлического замыкания фазы на землю от ёмкостного тока в сети 10 кВ с изолированной нейтралью, позволяющая прогнозировать резонансные явления;

— разработана математическая модель зависимости кондуктивной ЭМП по току замыкания фазы на землю от параметров распределительной сети от 6 до 35 кВ, заземляющего нейтраль резистора и сопротивления заземления, которая эффективно использует tg, а (отношение ёмкостного тока к активному току через резистор) для снижения уровня перенапряжений при однофазном замыкании.

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 35 кВ как рецепторов:

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

— математическая модель, зависимости номеров резонансных гармонических составляющих напряжений неповреждённых фаз и тока металлического замыкания фазы на землю от ёмкостного тока сети 10 кВ с изолированной нейтралью;

— математическая модель зависимости кондуктивной ЭМП по току замыкания фазы на землю от параметров распределительной сети от 6 до 35 кВ, заземляющего нейтраль резистора и сопротивления заземления;

Реализация работы. Разработанные в диссертации-научные положения использованы: в ООО «ПИП Болид» для обоснования эффективности заземления нейтрали через высокоомныйрезистор в распределительных сетях от 6 до 3 5 • кВс годовым экономическим эффектом 478 тыс. рублейв. ОАО «Инженерно-аналитический центр «Кузбастехэнерго» с годовым экономическим эффектом 351 тыс. рублей.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

— международной научно-технической конференции «Энергосистема: исследование свойств, управление, автоматизация» (26−29 мая 2009 г., г. Новосибирск, Россия);

— международной научно-практической конференции «Электроэнергетика в сельском хозяйстве» (26−30 июня 2009 г., Республика Алтай, Россия);

— постоянно-действующем научно-техническом семинаре «Электрические станции и электроэнергетические системы» в ФГОУ ВПО «НГАВТ» (20 052 009 г. 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 каждой работе, опубликованной в соавторстве, показан в приложении, А диссертации и в большинстве составляет не менее 50%.

Публикации. Содержание работы опубликовано в 14 научных трудах, в том числе в 9 статьях периодических изданий по перечню ВАК.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 127 наименований и двух приложений. Изложена на 134 страницах машинописного текста, который поясняется 42 рисунками и 13 таблицами.

4.7 Выводы.

Исследования, выполненные в этой главе диссертации, позволяют сделать следующие выводы.

1 Несинусоидальность напряжения в исследуемой сети 10 кВ характеризуется математическим ожиданием коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения M[i^/] = 1,9%, средним квадратическим отклонением аМ[К[/] = 0,5%. Распределения значений коэффициента Ки в течение суток следуют нормальному закону распределения теории вероятностей. Получена математическая модель плотности вероятности распределения значений Ку (формула 4.1).

Электромагнитная обстановка по искажению формы кривой напряжения соответствует требованиям стандарта [5].

2 Приведена математическая модель влияния /7-й гармонической составляющей фазного напряжения на п-ю гармоническую составляющую тока замыкания фазы в сети от 6 до 35 кВ (формула 4.6). Этот ток зависит от ёмкостного тока замыкания на землю, определённого при синусоидальном напряжении коэффициента п-й гармонической составляющей напряжения и номера гармоники.

Методом линеаризации теории ошибок получено математическое выражение (4.7) для определения относительной ошибки измерения. Определена область применения этого выражения.

3 Кондуктивная электромагнитная помеха по току замыкания фазы на землю в исследуемой сети 10 кВ в момент замыкания фазы на землю характеризуется повышением 1,3 раза нормально допустимого значения тока замыкания для данной сети, с вероятностью её появления в сети равной 0,91. Эта локальная помеха является опасной, потому что она появляется при коэффициенте искажения синусоидальности кривой напряжения равном 1,4% при нормально допустимом значении 5% и вероятность её появления превышает в 11 раз допустимую вероятность для данного класса напряжения. Следовательно, ГОСТ 13 109–97 как нормативно-технический и методический документ не защищает данную сеть как рецептора при гармоническом воздействии.

4 На основании анализа стохастического метода подавления кондуктивной электромагнитной помехи по току замыкания на землю и технического совершенствования сетей от 6 до 35 кВ в областях резервирования, средств сетевой автоматики и релейной защиты обоснован эффективный режим нейтрали — заземление через специально подобранный высокоомный резистор. Этот режим рекомендуется для сетей с кондуктивной электромагнитной помехой по току замыкания на землю, обусловленной некачественной электроэнергией.

5 Показано, что неучёт электромагнитной обстановки в сети от бдо 35 кВ при расчёте тока замыкания фазы на землю обусловливает заниженные значения. Из-за этого неверно оцениваются перенапряжения при дуговых замыканиях на землю в сетях с изолированной нейтралью. Сегодня в литературных источниках утверждается справедливость выводов У. Петерсена относительно перенапряжений при дуговых замыканиях только при токах замыкания до 4 А. При токах, превышающих это значение, картина меняется, потому что требуется учитывать особенности электромагнитной обстановки данной сети.

6 Утверждается, что уровень перенапряжений в сети от 6 до 35 кВ при однофазных замыканиях определяется отношением между ёмкостным током замыкания на землю и активным током через резистор (формула 4.37), т. е. tga. Изменением сопротивления резистора можно добиться желаемого значения угла а, равного (30−60)°, и уровня возможных перенапряжений, составляющих от 2,2 до 2,5 амплитудного фазного напряжения.

7 Разработана математическая модель зависимости кондуктивной электромагнитной помехи по току замыкания фазы на землю от параметров резистора, сопротивления заземления и напряжения в сети (формула 4.50). Областью применения этой модели являются распределительные сети от 6 до 35 кВ, в которых наблюдается нарушения требований стандарта [5] к качеству электроэнергии. Относительная ошибка расчетов с вероятностью 0,95 не превышает (7−10) %.

8 Сформулированы технические условия повышения эффективности режима нейтрали при заземлении её через высокоомный резистор для подавления кондуктивной. электромагнитной помехи по току замыкания на землю:

— сопротивление резистора в нейтрали сети 35 кВ не должно быть меньше 1000 Ом, при этом ёмкость сети разряжается за время от 9-Ю-4 до 3-Ю" 3 с, т. е. за время меньшее чем полупериод;

— сопротивление резистора в нейтрали сети 10 кВ не должно быть меньше 100 Ом, при этом ёмкость сети разряжается за ещё меньшее время;

— соблюдение указанного времени разряда ёмкости сети (менее 0,01 с) обеспечивает отсутствие возможности возникновения феррорезонансных явлений в цепях измерительных трансформаторов напряжения;

— релейная защита фидеров подстанции должна: иметь минимальное время срабатывания (2,0−2,5) сотстраиваться от напряжения смещения нейтрали при изолированной нейтрали, а ток срабатывания защиты (формула 4.55) обусловливаться напряжением смещения нейтралидействовать на отключение повредившейся линии, далее, при необходимости, самого резистора и ввода от трансформатора на секцию шинвыполняться направленной в трёхфазном исполнении.

9 В действующих сетях от 6 до 35 кВ с изолированной нейтралью кондук-тивная электромагнитная помеха по току замыкания на землю является локальным параметром, характеризующим конструкцию и протяжённость сетей, класс напряжения и его качество, наличие высоковольтных двигателей и генераторов. При принятии решения об её подавлении не требуется специальное технико-экономическое обоснование, поскольку этого требуют стандарты [1,5].

Заключение

.

В диссертации при решении поставленных задач по повышению эффективности режимов распределительной сети от 6 до 35 кВ при подавлении кондуктивной электромагнитной помехи по току замыкания на землю получены следующие основные результаты:

1 Разработана математическая модель зависимости времени выхода дуго-гасящего реактора с подмагничиванием на установившийся режим компенсации в сети 10 кВ от тока металлического замыкания фазы на землю и момента замыкания. Научно обосновано и экспериментально показано, что реактор этого типа в режимах однофазных дуговых замыканий не имеет каких-либо преимуществ перед дугогасящими реакторами со ступенчатым или плавным регулированием индуктивного тока.

2 Режим нейтрали, заземлённой через дугогасящий реактор, в сети от 6 до 35 кВ при нарушениях уровней электромагнитной совместимости для кондуктивных электромагнитных помех не является универсальным при подавлении кондуктивной электромагнитной помехи по току замыкания на землю.

3 Экспериментально установлено, что при металлическом однофазном замыкании в сети 10 кВ с изолированной нейтралью из-за резонансов на высших гармонических составляющих напряжения устойчиво повышаются коэффициенты искажения синусоидальности кривых напряжений в неповреждённых фазах. С вероятностью 0,95 коэффициент увеличения равняется 1,2.

4 Разработана математическая модель зависимости номеров резонансных высших гармонических составляющих напряжений неповреждённых фаз и тока металлического замыкания фазы на землю от ёмкостного тока в сети 10 кВ с изолированной нейтралью. Установлено, что с увеличением этого тока номер резонансной гармоники смещается в область более низких частот.

5 Доказано, что ГОСТ 13 109–97 не защищает сеть 10 кВ как рецептора от кондуктивной электромагнитной помехи по току замыкания фазы на землю при гармоническом воздействии в пределах допустимого значения коэффициента искажения синусоидальности кривой фазного напряжения (5%).

6 Разработана математическая модель зависимости кондуктивной электромагнитной помехи по току замыкания фазы на землю от параметров распределительной сети от 6 до 35 кВ, заземляющего нейтраль резистора и сопротивления заземления. Областью применения этой модели являются сети среднего класса напряжения, подверженные воздействию кондуктивных электромагнитных помех по току замыкания фазы на землю. Относительная ошибка расчётов с вероятностью 0,95 не превышает ±10%.

7 Сформулированы технические условия повышения эффективности режима нейтрали при заземлении её через высокоомный резистор для подавления кондуктивной электромагнитной помехи по току замыкания фазы на землю в распределительной сети от 6 до 35 кВ, которая является локальным параметром в узле сети.