Удосконалювання режимів роботи мереж 6 кВ власних потреб електростанцій при замиканні фази на землю

Размещено на http://www.allbest.ru/

Донецький національний технічний університет

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність 05.14.02 - Електричні станції, мережі і системи

Удосконалювання режимів роботи мереж 6 кВ власних потреб електростанцій при замиканні фази на землю

Нанаяккара Ахангама Виданаге Махинда Сильва

(Шрі-Ланка)

Донецьк - 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донецькомy національному технічному університеті Міністерствa освіти і науки України, м. Донецьк

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Сивокобиленко Віталій Федорович, Донецький національний технічний університет, завідувач кафедри електричних станцій

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук,професор Журахівський Анатолій Валентинович, національний університет “Львівська політехніка”, професор кафедри електричних мереж та систем

кандидат технічних наук, доцент Кобазєв Володимир Павлович, Донецький національний технічний університет, доцент кафедри електричних систем

Провідна установа

Вінницький державний технічний університет, кафедра електричних станцій та систем, Міністерство освіти і науки України, м. Вінниця

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради К11.052.02, к.т.н., доц. Ларін А.М.

Анотація

дуговий замикання перенапруга

Нанаяккара Ахангама Виданаге Махинда Сильва. Удосконалювання режимів роботи мереж 6 кВ власних потреб електростанцій при замиканнях фази на землю. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.02 електричні станції, мережі і системи. Донецький національний технічний університет, Донецьк, 2001.

Дисертаційна робота присвячена підвищенню надійності роботи мереж 6 кВ в.п. електростанцій при виникненні замикань фази на землю шляхом розробки нових пристроїв, що обмежують перенапруги і тривалість існування дугових замикань. Для аналізу перехідних процесів при замиканні фази на землю розроблена математична модель, що враховує схеми заміщення джерела живлення, кабельної мережі, високовольтного двигуна та спеціального трансформатора для часткового заземлювання нейтралі. Для розв'язання системи диференційних рівнянь 18ого порядку використовується неявний метод Ейлера.

Аналіз результатів моделювання показав, що для реальних мереж ТЕС і АЕС, де струми замикання на землю, як правило, не перевищують 20 А, можна рекомендувати встановлення резистора величиною 400 Ом, замість 100 Ом відповідно до існуючих вимог. При цьому максимальні кратності перенапруг не будуть перевищувати 2,7 Uф при одночасному зниженні термічної дії дуги в місці замикання, обсягів руйнування устаткування та ймовірності переходу однофазних замикань у багатофазні.

У роботі пропонується новий спосіб, скерований на підвищення надійності роботи мереж 6 кВ у режимах дугових замикань на землю. Основна ідея запропонованого способу полягає в автоматичному шунтуванні ушкодженої фази однополюсними пофазно керованими вакуумними вимикачами і переводі, таким чином, мережі в режим штучного глухого замикання на землю. Зменшення перенапруг у мережі з моменту початку горіння дуги до моменту шунтування ушкодженої фази однополюсним вимикачем пропонується здійснювати нелінійними обмежувачами перенапруг, ввімкненими за запропонованою схемою для забезпечення їхньої термостабільності.

Розроблено схему пристрою вибору ушкодженої фази на основі реле, що випускаються серійно. Працездатність схеми експериментально перевірена на фізичній моделі 6 кВ.

Ключові слова: власні потреби, математична модель, дугове замикання, заземлюючий резистор, пристрій вибору ушкодженої фази, автоматичне шунтування ушкодженої фази.

Аннотация

Нанаяккара Ахангама Виданаге Махинда Сильва. Совершенствование режимов работы сетей 6 кВ собственных нужд электростанций при замыканиях фазы на землю. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.02 - электрические станции, сети и системы. - Донецкий национальный технический университет, Донецк, 2001.

Диссертационная работа посвящена повышению надежности работы сетей 6 кВ с.н. электростанций при возникновении замыканий фазы на землю за счет разработки новых устройств, ограничивающих перенапряжения и длительность существования дуговых замыканий. Для анализа переходных процессов при замыкании фазы на землю разработана математическая модель, которая включает схемы замещения источника питания, кабельной сети, высоковольтного двигателя и специального трансформатора для частичного заземления нейтрали. Для решения системы дифференциальных уравнений 18ого порядка используется неявный метод Эйлера. После замены производных токов и напряжений конечными разностями, полученная система линейных алгебраических уравнений решается на каждом шаге расчета методом Гаусса. Разработанная программа позволяет исследовать доаварийный режим работы сети, режим глухого и дугового замыкания фазы на землю.

Анализ результатов моделирования показал, что резистивное заземление нейтрали, снижая уровень перенапряжений при дуговых замыканиях на землю, одновременно увеличивает ток в дуге и поэтому его целесообразно применять лишь в сетях, где замыкания на землю сразу отключаются релейной защитой. Для реальных сетей ТЭС и АЭС, где токи замыкания на землю, как правило, не превышают 20 А, можно рекомендовать установку резистора величиной 400 Ом, вместо 100 Ом согласно существующему циркуляру Ц0197. При этом максимальные кратности перенапряжений не будут превышать 2,7 U_ф при одновременном снижении термического действия дуги в месте замыкания, объемов разрушения оборудования и вероятности перехода однофазных замыканий в многофазные.

Исследованиями также установлено, что в сети с резистивно заземленной нейтралью количество пробоев дугового промежутка за один период промышленной частоты может колебаться от 2 до 15 в зависимости от емкости сети и условий гашения дуги. Это может быть причиной того, что широко используемые в настоящее время в сетях собственных нужд электростанций реле РТЗ51 (РТЗ50, РТ40/0,2) в условиях часто повторяющихся пробоев, так называемых клевков, не успевают срабатывать и могут находиться в таком состоянии длительное время даже при больших токах замыкания. Хотя и относительно небольшие по величине, но длительно действующие в этом случае перенапряжения могут вызвать повреждение оборудования в других точках сети. Поэтому резистивное заземление нейтрали и применяемая релейная защита не решают в полной мере проблему исключения перенапряжений при замыкании на землю через дугу.

В работе предлагается новый способ, направленный на повышение надежности работы сетей 6 кВ в режимах дуговых замыканий на землю. Основная идея предлагаемого способа заключается в автоматическом шунтировании поврежденной фазы однополюсными пофазно управляемыми вакуумными выключателями и переводе, таким образом, сети в режим искусственного глухого замыкания на землю, с достаточно продолжительным временем работы, допускаемым ПУЭ, что позволяет обслуживающему персоналу принять необходимые меры. Подавление перенапряжений в сети с момента начала горения дуги до момента шунтирования поврежденной фазы однополюсным выключателем можно осуществлять ограничителями перенапряжений типа ОПН, включенными по предлагаемой схеме для обеспечения их термостабильности. Это позволяет отказаться от установки в сети дополнительного оборудования (присоединительного трансформатора и бетэловых резисторов) и ограничить длительность существования дуговых замыканий и сопутствующих им перенапряжений временем порядка 0,5 с до момента включения шунтирующего выключателя. Таким образом, в случае возникновения перенапряжений при дуговых замыканиях на землю, они будут ограничены в первый момент с помощью ОПН, а затем, после шунтирования поврежденной фазы, исчезнут, в связи с переводом дугового замыкания в глухое.

Разработана схема устройства выбора поврежденной фазы на основе серийно выпускаемых реле. В качестве пускового органа устройства принято реле напряжения, реагирующее на напряжение нулевой последовательности. Последнее, даже при изолированной нейтрали и замыканиях на землю, имеет достаточно большую величину среднего значения за период. Работоспособность схемы экспериментально проверена на физической модели 6 кВ, как при глухих, так и дуговых замыканиях фазы на землю.

Ключевые слова: собственные нужды, математическая модель, дуговое замыкание, заземляющий резистор, устройство выбора поврежденной фазы, автоматическое шунтирование поврежденной фазы.

Abstract

Nannayakkara Ahangama Widanage Mahinda Silva. The improvement of the operation modes of the internal 6 kV power supply networks of power generating stations in the conditions of the phase-to-ground faults. Manuscript.

The dissertation for application for a scientific degree of the candidate of engineering sciences on speciality 05.14.02 - Electric power stations, networks and systems. - The Donetsk National Technical University, Donetsk. 2001.

The dissertation deals with the issues of improving of operational safety of the internal 6 kV supply networks of power generating stations under phase-to-ground faults by means of developing of new devices which limit the over-voltage and duration of arc short-circuits. To analyze the transitional processes under phase- to-ground faults the mathematical model is developed which comprises the power supply source substitution loop, power cables network, high voltage transformer and special transformer intended for partial grounding of the neutral. To solve the system of 18 order differential equations the implicit Eiler method is used.

It has been proven by the analysis of modeling results that for real networks of thermo-electric and atomic power stations where the ground fault currents, as a rule, do not exceed 20 A, the use of 400 Ohm resistor instead of 100 Ohm resistor as prescribed by the existing safety requirements can be recommended. Thus the maximum over-voltage ratios shall not exceed 2,7 U_р given the simultaneous reduction of the thermal action of the arc at the point of short-circuiting, decrease of the equipment breakdown and possibility of single phase short-circuits transitions to multi-phase ones.

The present work offers the new approach directed to increasing of operation safety of 6 kV power supply networks in the modes of arc short-circuiting to ground. The main idea of the approach offered consists in automatic shunting of the faulty phase by unipolar phase-to-phase controlled vacuum switches thus transferring the network into the artificial solid short-circuit mode. The over-voltage suppression in the system from the moment of arc burning to the moment of faulty phase shunting by unipolar switches shall be performed by non-linear over-voltage limiting devices to be connected according the diagram offered in order to preserve their thermal stability.

The circuit diagram of the device for a faulty phase selection on the basis of serially produced relays has been developed.

Key words: internal needs, mathematical model, phase-to-ground faults, arc short-circuit, grounding resistor, device for a faulty phase selection, automatic faulty phase shunting.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Мережі власних потреб (в.п.) напругою 6 кВ переважної більшості сучасних теплових і атомних електростанцій працюють у режимі з ізольованою нейтраллю. При цьому найбільш частим видом ушкоджень у таких системах є однофазні замикання на землю - глухі чи через перекидну дугу. Останні становлять найбільшу небезпеку, тому що крім термічного впливу дуги на елементи мережі виникають перенапруги, під впливом яких однофазні замикання можуть переходити у міжфазні короткі замикання. За даними досвіду експлуатації 60-80 % однофазних замикань у мережах 6-10 кВ розвиваються в міжфазні короткі замикання чи в багатомісні пробої ізоляції. З метою підвищення надійності роботи мереж 6 кВ в.п. були видані відомчі циркуляри Ц-01-88, а потім і Ц-01-97, якими пропонувалося часткове заземлення нейтралі мережі через активний опір порядку 100 Ом. При цьому передбачалося зниження перенапруг до рівня (2,2-2,5) U_ф і підвищення надійності дії пристроїв релейного захисту за рахунок появи додаткового активного струму порядку 30 А до існуючого ємнісного (3 ч 12) А. Однак, як показав досвід експлуатації, з одного боку, це викликало необхідність встановлення додаткового громіздкого устаткування і необхідності виконання різного роду блокувань, що ускладнюють експлуатацію устаткування на АЕС, а з іншого боку - не привело до очікуваного підвищення надійності роботи мереж в.п. При цьому залишився нез'ясованим вплив збільшених струмів замикання на землю, а також збереглася можливість тривалого існування небезпечних дугових замикань на землю в системі в.п. АЕС. Це обумовлено тим, що при замиканнях на землю в системах електропостачання підвищеної надійності (забезпечувальні системи), релейний захист не вимикає ці системи, а діє на вимкнення заземлюючого резистора.

Питанням підвищення надійності роботи систем електростанцій 6 кВ присвячені роботи багатьох провідних учених (Лихачов Ф.А., Петров О.А., Зільберман В.А., Біляков Н.Н., Євдокунін Г.А., Дударєв Л.Є., Сирота І.М., Журахівський А.В. і ін.), а також інститутів та організацій (технічні університети Санкт-Петербурга, Москви, Донецька, Львова, Київа, Новочеркаська). Велика увага цим питанням приділяється у зарубіжних країнах (США, Німеччина й ін.). При цьому основний напрямок цих робіт полягає в зниженні рівня перенапруг й обмеженні тривалості існування дугових замикань. Тому дослідження та пошук шляхів удосконалювання режимів роботи мереж в.п. 6 кВ є актуальною науково-технічною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами. Робота відповідає тематиці науково-дослідних робіт кафедри електричних станцій ДонНТУ. Автор брав участь у виконанні науково-дослідної роботи № 01-99 “Розрахунково-експериментальні дослідження з обмеження перенапруг і підвищення надійності мережі 6 кВ власних потреб Південно-Української АЕС”.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи - підвищення надійності роботи мереж 6 кВ в.п. ТЕС і АЕС при виникненні замикань фази на землю за рахунок розробки та застосування нових пристроїв, що обмежують перенапруги і тривалість існування дугових замикань. Для цього були вирішені наступні задачі:

1. Розроблено математичну модель для аналізу глухих і дугових замикань фази на землю в системі в.п. 6 кВ електричних станцій і виконано аналіз перехідних процесів у системі в.п. при глухих і дугових замиканнях фази на землю за різних режимів роботи нейтралі мережі: ізольованої та заземленої через резистор.

2. Оцінено вплив величини заземлюючого резистора у нейтралі мережі та параметрів приєднувального трансформатора на характер протікання перехідного процесу і величину перенапруг.

3. Встановлено залежність кількості повторних запалювань дуги за один період промислової частоти при дугових замиканнях на землю від величини напруги пробиття, параметрів мережі та приєднувального трансформатора, а також виконано аналіз поводження струмового захисту за дугових замикань фази на землю.

Розроблено спосіб і пристрої, які підвищують надійність функціонування мережі 6 кВ в.п. при замиканнях фази на землю та перевірено експериментальним шляхом ефективність їхньої роботи.

Об'єктом дослідження є процеси в системах електропостачання власних потреб електростанцій в анормальних режимах.

Предметом дослідження є вдосконалення режимів роботи мереж 6 кВ власних потреб електростанцій в тому числі при замиканнях фази на землю.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження базуються на основних положеннях теорії перехідних процесів в електричних системах з врахуванням дії релейних захистів її елементів, методах математичного моделювання та чисельного розв'язання систем диференційних рівнянь. Експериментальні дослідження виконані з застосуванням апробованих методів обробки даних.

Наукова новизна отриманих результатів:

- отримала подальший розвиток математична модель мережі 6 кВ власних потреб електростанції з живильним та приєднувальним трансформаторами, нелінійними обмежувачами перенапруг і струмообмежуючим резистором, в якій всі елементи описані диференційними рівняннями. Модель відрізняється врахуванням асинхронних двигунів з можливістю моделювання замикання на землю в будь якій точці їх обмоток статора, вона дозволяє вибрати оптимальний спосіб підвищення надійності функціонування мережі в.п. 6 кВ при замиканнях фази на землю з урахуванням її параметрів і технологічних особливостей електричної станції;

- вперше для мереж власних потреб електростанції встановлено залежності кратностей перенапруг від параметрів мережі, приєднувального трансформатора та величини резистора у його нейтралі, а також встановлено вплив струму резистора на характер протікання дугового замикання;

- виявлена закономірність протікання процесів при автоматичному шунтуванні ушкодженоі фази на землю і показана доцільність його вживання для скорочення тривалості дугових замикань;

- вперше показана можливість зниження теплового нагрівання обмежувачів перенапруг у режимах замикання фази на землю за рахунок їх автоматичного перемикання з лінійної на більш низьку напругу після створення штучного глухого замикання.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Визначено оптимальну величину заземлюючого резистора, типи застосовуваних захистів та уставки їх спрацювання.

2. Запропоновано більш досконалий режим роботи кабельної мережі власних потреб, в якому за допомогою пристрою вибору ушкодженої фази її автоматично з'єднують з землею за допомогою комутаційного апарату. При цьому за рахунок переводу дугових замикань в глухі знижуються перенапруги та ймовірність виникнення багатомісних пробиттів і міжфазних замикань, що підвищить надійність роботи електростанцій.

Математична модель для аналізу режимів роботи мережі при однофазних замиканнях на землю використовується у навчальному процесі при виконанні курсових і дипломних проектів студентами спеціальності “Електричні станції” ДонНТУ. Документація по схемі і пристроях обмеження перенапруг передані для впровадження на Південно-Українську АЕС і Курахівську ТЕС.

Апробація результатів роботи. Результати дисертаційної роботи доповідалися на Міжнародній науково-технічній конференції “Керування режимами роботи об'єктів електричних систем - 2000” (Україна, м. Донецьк 5-7 вересня 2000 р.), на науково-технічній конференції “Паливозабезпечуючі системи теплових електростанцій (технологія, режими робіт і технічне висвітлення)” (м. Горлівка, 16-18 січня 2001 р.), на Міжнародній науково-практичній конференції “Обчислювальна техніка в інформаційних та керуючих систамах” (Україна, м. Маріуполь 30-3 листопада 2000 р), а також на щорічних науково-технічних конференціях аспірантів електротехнічного факультету ДонНТУ, 1998 - 2000 р.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 7 наукових праць, в тому числі 5 у фахових наукових виданнях України (збірники наукових праць), 2 - матеріали міжнародних конференцій.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел зі 114 найменувань, в ній приведено 61 рисунок, 14 таблиць і додаток на 1 сторінці. Основний зміст дисертації викладений на 102 стор.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульовані мета та задачі досліджень і розробок. Наведено загальну характеристику роботи.

У першому розділі (Стан питання і задачі дослідження), виконано короткий огляд і відображені особливості роботи й експлуатації систем в.п. 6 кВ електростанцій у режимах замикання фази на землю. За даними досвіду експлуатації за останні роки питома пошкоджуваність кабельних мереж зросла в кілька разів і для ряду електростанцій складає 120-140 випадків у рік на кожні 100 км кабельної мережі. Найбільш розповсюдженим видом ушкодження є однофазні замикання на землю, що складають 75-90 % від загального числа порушень нормальної роботи мережі. Ушкоджуються в основному електродвигуни, що мають, як відомо, менший запас електричної міцності, а також кабелі.

У системах в.п. ємнісні струми замикань на землю складають від 3 до 20 А, тобто менші 30 А, коли згідно з ПУЕ потрібне встановлення дугогасних котушок. Часті ушкодження електроустаткування мереж в.п. через високі перенапруги (понад 3,5 U_ф) при замиканнях фази на землю поставили вимоги розробки нових підходів і рішень. Основними серед них є застосування оксидно - цинкових нелінійних обмежників перенапруг типу ОПН та заземлення нейтралі мережі через активний резистор. Через низьку термічну стійкість ОПН і тривалих дугових замиканнях у системі в.п. мали місце випадки руйнування ОПН із виникненням міжфазних коротких замикань. Встановлення заземлюючих резисторів у нейтраль мережі 6 кВ теж не дало очікуваних результатів. Наприкінці розділу сформульовані задачі досліджень.

В другому розділі (Розробка математичної моделі для дослідження перехідних процесів при замиканні фази на землю) розглянуті моделі окремих елементів і всієї схеми в.п. у цілому. Показана схема заміщення досліджуваної мережі, в якій джерело живлення представлене фазними ЕРС, індуктивністю розсіювання L і активним опором R. У схемі заміщення мережа врахована ємностями (С_a, С_b, С_c) та активними опорами (R_ua, R_ub, R_uc) ізоляції фаз на землю, індуктивно - ємнісними (М, С_м) міжфазними зв'язками, ємність яких має активний опір спливу R_m. Спеціальний приєднувальний трансформатор введено у схему фазними значеннями індуктивності розсіювання L_T та активного опору R_T. У нейтраль цього трансформатора може бути під'єднаний cтрумообмежуючий резистор R_D чи дугогасний реактор L_D. Високовольтний асинхронний електродвигун введено у схему заміщення фазними надперехідними індуктивностями розсіювання L₁ і опорами R₁. В одній з фаз електродвигуна передбачена можливість зміни місця виникнення однофазного замикання на землю вздовж обмотки, шляхом уведення змінних опорів R₁₁, R₁₂ та індуктивностей розсіювання L₁₁, L₁₂. Коло замикання фази на землю в обмотці двигуна імітується його ємністю С_Z і активним опором дуги R_Z. Оксидно-цинкові обмежувачі перенапруг (ОПН), які встановлені на збірних шинах чи виводах двигунів, враховуються нелінійними залежностями їхнього активного опору від струму чи напруги.

Схема описується наступною системою диференційних рівнянь в методі контурних координат:

2Lpi₁ + Lpi₃ = e_a - e_b - 2Ri₁ - Ri₃ - u_A + u_B, (контур H-A-O-B-H)

Lpi₁ + 2Lpi₃ = e_c - e_b - Ri₁ - 2Ri₃ - u_C + u_B, (контур H-B-O-C-H)

(L_T + L_D)pi₄ + L_Dpi₅ + L_Dpi₆ = u_A - (R_T + R_D)i₄ - R_Di₅ - R_Di₆, (контур A-D-O-A)

L_Dpi₄ + (L_T + L_D)pi₅ + L_Dpi₆ = u_B - R_Di₄ - (R_T + R_D)i₅ - R_Di₆, (контур B-D-O-B)

L_Dpi₄ + L_Dpi₅ + (L_T + L_D)pi₆ = u_C - R_Di₄ - R_Di₅ - (R_T + R_D)i₆, (контур C-D-O-C)

(L₁ + L₁₂)pi₇ + L₁₂pi₈ = u_A - u_F - (R₁ + R₁₂)i₇ - R₁₂i₈, (контур A-E-F-O-A)

L₁₂pi₇ + (L₁ + L₁₂)pi₈ = u_B - u_F - R₁₂i₇ - (R₁ + R₁₂)i₈, (контур B-E-F-O-B)

L₁₁pi₉ = u_C - u_F - R₁₁i₉, (контур O-С-F-O)

Mpi₁₆ = u_A - u_B - u_PB, (контур O-A-P-B-O)

Mpi₁₇ = u_B - u_C - u_KC, (контур O-B-K-C-O)

Mpi₁₈ = u_C - u_A - u_NA, (контур O-C-N-A-O)

(1)

де p - оператор диференціювання.

Для розв'язання системи диференційних рівнянь (1) застосований неявний метод Ейлера, що володіє підвищеною чисельною стійкістю. Після заміни в (1) похідних струмів і напруг кінцевими різницями отримана система алгебраїчних рівнянь, яка розв'язуєтся на кожному і-ому кроці розрахунку методом Гауса:

A X = B, (2)

де X = [i₁, i₃, i₄, i₅, i₆, i₇, i₈, i_9, u_A, u_B u_C, u_F, u_PB, u_KC, u_NA, i₁₆, i₁₇, i₁₈]_t - транспонований n - мірний вектор невідомих координат режиму,

А - матриця розміром n х n, елементи якої знаходять через параметри заступної схеми,

В - матриця - стовпець, елементи якої визначають через параметри схеми та значення невідомих на попередньому кроцi розрахунку.

Розроблена програма дає можливість дослідження наступних режимів роботи: доаварійного режиму при різних значеннях опорів фазної та міжфазної ізоляції; режиму глухого замикання фази на землю шляхом зниження опору ізоляції фази стосовно землі; режиму замикання фази на землю в обмотці двигуна; дугового замикання фази на землю за різних значень пробивної напруги за рахунок дискретної зміни опору ізоляції фази в залежності від величини напруги на ушкодженій фазі.

У третьому розділі (Результати аналізу дугових і глухих замикань на землю в системі в.п. електростанцій) проведено необхідний обсяг порівняльних досліджень з оцінки впливу заземлюючого резистора на характер і параметри перехідних процесів у мережі в.п. електростанцій при глухих і дугових замиканнях фази на землю. Дослідження проведені методом математичного моделювання за різних режимів роботи мережі в умовах зміни ємності мережі, потужності приєднувального трансформатора та величини заземлюючого резистора з врахуванням усіх можливих в умовах експлуатації особливостей горіння дуги в місці замикання фази на землю.

Для визначення оптимальної величини опору резистора в колі заземлюючого трансформатора з погляду забезпечення достатньої чутливості релейного захисту було проведене моделювання режимів глухих замикань фази на землю. Моделювання проводилося стосовно блоку 1000 МВТ АЕС з резервним трансформатором в.п. потужністю 63 МВА і спеціальним приєднувальним трансформатором потужністю 63 кВА, встановлення якого рекомендується циркуляром Ц-01-97. З аналізу отриманих результатів випливає, що більш доцільним було б встановлення в нейтралі приєднувального трансформатора додаткового опору 400 Ом замість 100 Ом. Це приводить до зниження струму в місці замикання до 9,4 А при слабозавантаженій секції (С = 1мкФ) і до 18,7 А при сильнозавантаженій секції (С = 5мкФ) проти 33 А з опором 100 Ом. Зниження струму замикання до зазначених величин не повинно позначитися на чіткості дії пристроїв релейного захисту, але в той же час істотно знижує обсяги руйнувань устаткування та ймовірність переходу однофазних замикань у багатофазні. Особливо важливим є зниження активного струму в місці замикання на землю в кабельних мережах, тому що це зменшує кількість тепла, що виділяється в місці пробиття.

Розрахунок глухих замикань на землю вздовж обмотки фази високовольтних двигунів показав, що струми замикання на землю знижуються приблизно прямо пропорційно довжині обмотки до точки замикання, залежать від величини додаткового опору в нейтралі, сумарної ємності мережі та практично не залежать від потужності двигуна. Отримані результати доцільно використовувати для оцінки ступеня захищенності двигуна при заданій уставці струму спрацювання захисту і виникненні замикання на землю в його обмотці.

Для оцінки впливу величини заземлюючого резистора і параметрів мережі на кратність перенапруг при дугових замиканнях на землю було проведене моделювання відповідних режимів на моделі, вказаній у другому розділі. Як відомо, найбільші перенапруги при замиканні фази на землю можуть виникати, якщо момент замикання відбувається в максимум напруги ушкодженої фази, а загасання дуги - при переході через “нуль” високочастотної складової струму замикання чи складової промислової частоти. На рис.2 наведені осцилограми багаторазового пробиття фази С на землю при t₁ = 0,005 c, t₂ = 0,015 c, t₃ = 0,025 c, t₄ = 0,035 c, t₅ = 0,045 c у момент максимуму напруги на ушкодженій фазі С та загасання дуги при першому переході через “нуль” струму високочастотних коливань. З осцилограми випливає, що при першому замиканні фази на землю напруга на неушкоджених фазах не перевищує 2,5 U_ф, але при наступних пробиттях напруги неушкоджених фаз зростають до 4,6 U_ф, тобто за такого виду замикань відбувається процес ескалації напруг. Аналогічним чином відбувається наростання напруги на ушкодженій фазі (від 2,6 до 3,8 U_ф) і напруги зміщення нейтралі (від 1,57 до 3 U_ф). Параметри мережі позначаються на кратності перенапруг, суттєво впливаючи на частоту високочастотних коливань й амплітуду стрибка струму в місці замикання. Аналіз перенапруг для випадку загасання дуги при переході через “нуль” струму промислової частоти і замиканнях на максимумі напруги ушкодженої фази показав, що при першому замиканні фази на землю напруги на здорових фазах не перевищують 2,5 U_ф, а при повторних пробиттях збільшуються до (3,2 3,3) U_ф, залишаючись надалі незмінними. Таким чином, збільшення кратності напруг вище 3 U_ф на неушкоджених фазах у режимах дугового замикання фази на землю може бути причиною пробиття ізоляції в інших точках мережі та виникнення багатофазних коротких замикань. Показана осцилограма дугового замикання фази С на землю за наявності приєднувального трансформатора потужністю 63 кВА і величиною резистора в його нейтралі, рівною 100 Ом. Як видно з рис.3 застосування струмообмежуючого резистора дозволяє знизити кратності перенапруг на неушкоджених фазах А и В до величини 2,38 U_ф. Аналогічні дослідження на математичній моделі були проведені за різних величин опору резистора, потужності приєднувального трансформатора, сумарної ємності мережі та різній повторній напрузі пробиття ушкодженої фази. Кратність перенапруг істотно залежить від умов гасіння дуги та величини сумарної ємності мережі. Для реальних мереж ТЕС і АЕС, де струми замикання на землю, як правило, не перевищують 20 А, можна рекомендувати встановлення резистора величиною до 400 Ом, при цьому максимальна кратність перенапруг не буде перевищувати 2,7 U_ф при одночасному зниженні термічної дії дуги в місці замикання та підвищення термічної стійкості самого резистора.

У таблиці наведені результати моделювання дугового замикання на землю за різних значень напруги повторного пробиття, ємності мережі і можливому значенні активного опору дуги R_z в місці замикання. Аналіз наведених у таблиці результатів показує, що при опорі резистора 100 Ом кількість пробиттів дугового проміжку за один період промислової частоти може коливатися від 2 до 15 в залежності від ємності мережі і величини пробивної напруги. Збільшення величини резистора трохи знижує кількість пробиттів, величина ж середньоквадратичного значення струму замикання за один період промислової частоти зростає зі збільшенням сумарної ємності мережі і не залежить від величини пробивної напруги дугового проміжку.

Аналогічні дослідження, проведені для приєднувального трансформатора потужністю 630 кВА показали, що збільшення на порядок потужності приєднувального трансформатора практично не позначається на кратності перенапруг, кількості пробиттів дугового проміжку і середньоквадратичному значенні струму замикання.

Таблиця 1. Результати розрахунків дугового замикання фази на землю при заданих значеннях напруги пробиття та загасання дуги при першому переході через “нуль” струму високочастотних коливань

Аналіз отриманих у даному розділі результатів дозволяє зробити висновок, що для умов в.п. сучасних ТЕС і АЕС можна рекомендувати встановлення резистора для часткового заземлення нейтралі величиною 400 Ом, що дозволить обмежити перенапруги до припустимого рівня, підвищити термостійкість резистора, знизити ймовірність переходу однофазних замикань у міжфазні, забезпечити надійне функціонування релейного захисту, а отже, і підвищити надійність системи власних потреб в цілому. Однак, наявність особливостей у характері протікання перехідних процесів у мережі з резистивно заземленою нейтраллю, де частотні параметри струму і напруги можуть зміняюватись в широких межах, може бути причиною того, що широко розповсюджені в даний час у мережах в.п. електростанцій реле РТЗ - 51 (РТЗ - 50, РТ - 40/0,2) за умов часто повторюваних пробиттів, так званих “клювків”, не встигають успішно працювати і можуть знаходитися в такому стані тривалий час навіть за великих струмів замикання на землю. Хоча й невеликі за величиною, але тривало діючі в цьому випадку перенапруги можуть викликати ушкодження електроустаткування мережі. Виходячи з викладеного можна зробити висновок, що резистивне заземлення нейтралі не виключає можливості ушкодження електроустаткування за умовах нестійкого горіння дуги, що й підтверджується в експлуатації.

З проведеного аналізу також випливає, що активний опір, знижуючи рівень перенапруг, одночасно збільшує струм в дузі і тому його доцільно застосовувати лише в мережах, де замикання на землю відразу ж вимикаються захистом. Якщо ж є приєднання, що не вимикаються цим захистом (як це має місце на АЕС), то захистом вимикається резистор і мережа залишається з тривалими дуговими замиканнями з усіма витікаючими з цього наслідками. Тому для таких мереж потрібна розробка більш досконалих засобів обмеження перенапруг.

У четвертому розділі (Розробка способу підвищення надійності функціонування мереж власних потреб електростанцій при замиканні фази на землю) пропонується новий спосіб, спрямований на підвищення надійності роботи мереж в.п. 6 кВ електростанцій. Основна ідея пропнованого способу полягає в автоматичному шунтуванні ушкодженої фази однополюсними пофазно керованими вакуумними вимикачами та переведенню, таким чином, мережі в режим штучного глухого замикання на землю з досить тривалим часом роботи, що допускається ПУЕ, та дозволяє обслуговуючому персоналу вжити необхідних заходів.

У випадку виникнення однофазного замикання на приєднаннях відповідальних устаткувань, де захист діє тільки на сигнал, чи при відмовленні захисту на інших приєднаннях, пристрій ПВУФ подає команду на ввімкнення однополюсного вимикача схеми АШУФ. Це відбувається з витримкою часу, понад 0,25 с, який достатньо відлаштований від часу дії захистів інших приєднань. За цей час у мережі можуть виникати перенапруги, пов'язані з горінням дуги. Зниження цих перенапруг пропонується здійснювати за рахунок використання оксидно-цинкових обмежувачів перенапруг ОПН. Вони мають добрі захисні характеристики, однак через малу термічну стійкість не знайшли широкого застосування в мережах в.п. електростанцій. Тому запропоновано для обмеження перенапруг використовувати зазначені ОПН на час, що не перевищує час спрацювання пристрою АШУФ. Це досягається за рахунок того, що під'єднані паралельно однофазним замикачам ОПН зібрані в зірку, а їх нульова точка приєднана до землі через однополюсний замикач такого ж типу, як і замикач АШУФ. У нормальному режимі цей замикач завжди ввімкнений і ОПН здатні обмежити перенапруги відразу з моменту виникнення однофазного дугового замикання на землю. Після ввімкнення АШУФ і створення глухого замикання на землю однополюсний замикач кола ОПН вимикається і переводить два послідовно з'єднаних ОПН на під'єднання до лінійної напруги, тобто в полегшений режим. Це забезпечує збереження термічної стійкості ОПН.

Паралельно ОПН до полюсів вимикача Q у разі потреби може бути під'єднаний спеціальний трансформатор ТСЗК з заземлюючим резистором R у нейтралі, якщо, наприклад, потрібно збільшити струм однофазного замикання на землю для підвищення чутливості релейного захисту.

Керування вимикачами АШУФ здійснює пристрій вибору ушкодженої фази ПВУФ. До складу ПВУФ входять: трансформатор напруги TV, що контролює напругу на шинах РПВП 6 кВ, реле напруги KV1-KV6, ввімкнені на фазні і міжфазні напруги, реле напруги KV0, ввімкнене на напругу 3U_o, а також реле часу КТ і проміжні реле KL1-KL4. Реле часу КТ забезпечує відлаштування АШУФ від швидкодіючого струмового захисту нульової послідовності приєднань в.п. При однофазних замиканнях на землю реле KV0 є пусковим органом ПВУФ, а виконавчими елементами є проміжні реле KL1-KL4.

Таким чином, у випадку виникнення перенапруг вони будуть обмежені в перший момент за допомогою ОПН, а далі, після шунтування ушкодженої фази, зникнуть, у зв'язку з переходом дугового замикання в металеве.

У п'ятому розділі (Експериментальні дослідження на фізичній моделі кабельної мережі) наведені результати експериментальних досліджень вказаних пристроїв на фізичній моделі 6 кВ кафедри "Електричні станції" ДонНТУ для оцінки вірогідності результатів математичного моделювання і визначення надійності функціонування запропонованих пристроїв при дугових замиканнях фази на землю. Досліджено вплив заземлюючого резистора на характер і параметри перехідних процесів у мережі при дугових замиканнях. Характер перехідних процесів у режимах глухого і дугового замикання фази на землю, отриманих в експериментах на фізичній моделі мережі і розрахунках на ПЕОМ добре погоджуються між собою (похибка не перевищує 8-10%). Результати експериментальних досліджень показали також, що запропонована схема вибору ушкодженої фази забезпечує надійне спрацювання пристрою шунтування ушкодженої фази за всіх стійких і нестійких випадків горіння дуги, що запобігає дуговим замиканням.

Висновки

У дисертаційній роботі дано нове рішення актуальної наукової задачі - удосконалення режимів роботи мереж в.п. 6 кВ електростанцій шляхом встановлення закономірностей протікання процесів при замиканнях фази на землю та розробки способів і пристроїв зниження перенапруг та усування дугових замикань фази на землю.

1. Розроблено математичну модель мережі 6 кВ в.п. для дослідження глухих і дугових замикань фази на землю, що дозволяє враховувати вплив фазних і міжфазних ємнісних та активних провідностей, двигунне навантаження, нелінійні характеристики дуги й обмежувачів перенапруг. Модель дозволяє досліджувати режими глухого та дугового замикань фази на землю за різних параметрів мережі, значень пробивної напруги й умов згасання дуги.

2. На математичній моделі досліджені засоби обмеження перенапруг за допомогою резистивного заземлення нейтралі через приєднувальний трансформатор типу ТСЗК-63/10 і за допомогою нелінійних оксидно-цинкових обмежувачів перенапруг типу ОПН. При використанні останніх кратність перенапруг може бути обмежена до рівня (2-2,3) U_ф і при цьому не потрібно, порівнянно з резісторним заземленням нейтралі, встановлення громіздкого устаткування (приєднувальний трансформатор, бетеловий резистор). Однак недоліком ОПН є їх недостатня термічна стійкість і ненадійна робота при тривалих дугових замиканнях.

3. Показано, що замість резистора величиною 100 Ом, яка рекомендується циркулярами, для часткового заземлення нейтралі більш доцільно використовувати резистор з опором 400 Ом. При цьому перенапруги обмежуються до припустимого рівня, активний струм у місці замикання зменшується у 3,5 рази, зменшується нагрівання резистора, знижується обсяг руйнувань та ймовірність переходу однофазних замикань у міжфазні. Відзначено, що при дугових замиканнях застосовувані для захисту електромеханічні реле РТЗ - 51(РТЗ - 50, РТ - 40/0,2) часто не встигають спрацьовувати через короткочасні пробої ізоляції, що в ряді випадків приводить до виходу з ладу електроустаткування і заземлюючого резистора. Тому резистивне заземлення нейтралі доцільно застосовувати лише в мережах з малим ємнісним струмом (до 5 А), де замикання на землю повинні відразу ж вимикатися релейним захистом.

4. Запропоновано технічне рішення по підвищенню надійності функціонування електроустаткування мережі 6-10 кВ ТЕС і АЕС за дугових замикань на землю, що не має недоліків, властивих схемам, рекомендованих директивними матеріалами та іншими відомими способами. Суть технічного рішення полягає в автоматичному шунтуванні ушкодженої фази при виникненні замикання на землю і переводі мережі в режим штучного глухого замикання фази на землю.

5. Розроблено схему пристрою вибору ушкодженої фази на основі електромеханічних реле напруги і проміжних реле, що серійно випускаються. Працездатність та ефективність схеми експериментально перевірена на фізичній моделі 6 кВ при глухих і дугових замиканнях фази на землю.

6. Розроблено спосіб підвищення надійності роботи ОПН за дугових і стійких глухих замиканнях фази на землю, який полягає в тому, що нульова точка ввімкнених в зірку ОПН заземлена через однополюсний вимикач. Після шунтування ушкодженої фази цей вимикач вимикається, завдяки чому два послідовно з'єднаних ОПН під'єднуються до лінійної напруги, що істотно знижує виділення в них тепла.

Публікації по темі дисертації

1. Николаевский Ф.Р., Махинда Сильва, Агафонова Н.Е. Повышение надежности работы электрических сетей с нейтралью, заземленной через дугогасящую катушку // Сб. научн. тр. ДонГТУ (Серия: электротехника и энергетика). - Выпуск 2. - Донецк,1998. - С. 14-19.

2. Сивокобыленко В.Ф., Лебедев В.К., Махинда Сильва. Математическая модель для исследования переходных процессов при замыкании фазы на землю в сетях 6-10 кВ // Сб. научн. тр. ДонГТУ (Серия: электротехника и энергетика). - Выпуск 4. - Донецк,1999. - С. 221-226.

3. Сивокобыленко В.Ф., Лебедев В.К., Махинда Сильва. Анализ процессов дуговых замыканий на землю в сетях собственных нужд ТЭС и АЭС // Сб. научн. тр. ДонГТУ (Серия: электротехника и энергетика). - Выпуск 17. - Донецк, 2000. - С. 129-133.

4. Сивокобыленко В.Ф., Лебедев В.К., Махинда Сильва. Управление режимом нейтрали 6 кВ при замыкании фазы на землю // Сб. научн. тр. (Электроэнергетика и преобразовательная техника: вестник ХГПУ) - Выпуск 127. - Харьков, 2000. - С. 91-96.

5. Сивокобыленко В.Ф., Лебедев В.К., Махинда Сильва. Повышение надежности работы сетей собственных нужд электростанций при замыканиях фазы на землю// Сб. научн.тр. ДонГТУ (Серия: электротехника и энергетика). - Выпуск 21. - Донецк, 2000. - С. 17-20.

6. Сивокобыленко В.Ф., Лебедев В.К., Левшов А.В., Махинда Сильва. Автоматизация управления режимом работы сети собственных нужд электрических станций при замыканиях фазы на землю // Тези міжнародної науковотехнічної конференції “Керування режимами роботи обєктів електричних систем”. - Донецьк, 2000. - С. 8.

7. Махинда Сильва. Моделирование на ПЭВМ дуговых замыканий в сетях 610 кВ // Сб. докл. Международной научно-практ. конф. (Вычислительная техника в информационных и управляющих системах). Мариуполь, 2000. - С. 163-165.

Размещено на Allbest.ru