Внутрішні перенапруги в електричних мережах з ізольованою нейтраллю, їх обмеження та основи моделювання

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет «Львівська політехніка»

Внутрішні перенапруги в електричних мережах з ізольованою нейтраллю, їх обмеження та основи моделювання

05.14.02 - електричні станції, мережі і системи

Автореферат

дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Бакало Галина Шльомівна

Львів 2011

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Національному університеті «Львівська політехніка» Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Сегеда Михайло Станкович, завідувач кафедри «електричні станції» Національного університету «Львівська політехніка».

Офіційні опоненти - доктор технічних наук, професор Лежнюк Петро Дем'янович, завідувач кафедри електричних станцій та систем Вінницького національного технічного університету;

кандидат технічних наук, доцент Тугай Юрій Іванович, завідувач відділу оптимізації систем електропостачання Інституту електродинаміки НАН України, м. Київ.

Захист відбудеться «21» жовтня 2011 р. о 1600 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.02 у Національному університеті «Львівська політехніка» (79013, Львів, вул. С.Бандери, 12, ауд. 114 головного корпусу).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету «Львівська політехніка» (79013, Львів, вул. Професорська, 1).

Автореферат розісланий «20» вересня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої ради, к.т.н., доц. Коруд В.І.

Загальна характеристика роботи

електромагнітний мережа коливання ом

Актуальність теми. Головним призначенням систем пересилання, розподілу та споживання електроенергії є ефективне забезпечення потреб національного господарства в енергії відповідної якості за мінімальних витрат і достатньому рівні надійності. Принципи побудови, розвитку сучасних і перспективних систем енергопостачання, методи і засоби керування їхніми режимами повинні відповідати рівню і темпу загального прогресу техніки і технологій. Цього можна досягти лише на основі використання результатів дослідження режимів електроенергетичних систем (ЕЕС) з урахуванням складності процесів у всіх її елементах.

Від надійності електричних мереж 6 - 35 кВ залежить безперебійність електропостачання споживачів. Причиною значної долі відмов в таких мережах є внутрішні перенапруги, які виникають під час дугових замикань на землю, ферорезонансних процесах, а також комутаціях. Виходячи з цього необхідно здійснювати аналіз граничних кратностей перенапруг за указаних перехідних процесів та вироблення рекомендацій щодо координації ізоляції.

Проблемі дослідження дугових замикань на землю в мережах 6 - 35 кВ присвячено велику кількість публікацій як вітчизняних так і закордонних наукових шкіл, зокрема Беляков Н.Н., Джуварли Ч.М., Сіротінській Л.І., Бургсдорф В.В., Ліхачов Ф.А., Євдокунін Г.А., Petersen W., Peters J.F., Slepіan J., Bickford J.P. та ін.

Тому актуальною і важливою для енергетики проблемою є розвиток і вдосконалення методів аналізу електромагнітних процесів в ЕЕС, їх математичного моделювання та дослідження з метою розробки рекомендацій по підвищенню ефективності й надійності функціонування ЕЕС.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами та темами.

Тематика роботи пов'язана з науково-дослідним напрямком кафедри “Електричні станції” Національного університету “Львівська політехніка” “математичне моделювання хвильових та електромагнітних процесів в електроенергетичних системах”. Результати, викладені в дисертації, отримані в рамках досліджень за угодами з ВАТ “ЛьвівОБЛЕНЕРГО” (науково-дослідна робота ДР № 0105u004846 (тема № 7184), ВАТ "ЗАхідЕНЕРГО" (науково-дослідна робота ДР № 0105u007307 (тема № 7160), ВАТ ЕК “ЗАКАРПАТТЯОБЛЕНЕРГО” (науково-дослідна робота ДР № 0107u010252 (тема № 0173).

Мета та задачі дослідження. Метою дисертації є дослідження внутрішніх перенапруг в електричних мережах з ізольованою нейтраллю, основ моделювання коливних процесів та вдосконалення засобів обмеження внутрішніх перенапруг. Досягнення поставленої мети потребувало здійснення досліджень у таких напрямах: удосконалення математичних моделей елементів електричної мережі, моделювання коливних процесів та обмеження внутрішніх перенапруг в електричних мережах.

Досягнення поставленої мети вимагало розв'язання таких задач: - удосконалення математичної моделі для дослідження електромагнітних процесів в електричних мережах; - моделювання коливних процесів в електричних мережах, які виникають під час внутрішніх перенапруг; - удосконалення нових підходів щодо моделювання несиметричних режимів; - опрацювання схемних вирішень проблеми обмеження внутрішніх перенапруг під час дугових замикань на землю та ферорезонансних перенапруг в електричних мережах з ізольованою нейтраллю.

Об'єкт дослідження - електромагнітні процеси в електричних мережах з ізольованою нейтраллю.

Предметом дослідження дисертаційної роботи є внутрішні перенапруги в електричних мережах з ізольованою нейтраллю та їх обмеження.

Методами дослідження дисертаційної роботи є математичні та цифрові моделі для дослідження електромагнітних процесів в електричних мережах з ізольованою нейтраллю.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Удосконалено математичну модель аналізу електромагнітних процесів в електричних мережах методом контурних координат у частині моделювання несиметричних режимів, що дозволило моделювати різні види поперечної несиметрії в електричних мережах.

2. Запропоновано оптимізаційну процедуру визначення місця встановлення комбінованої схеми обмеження перенапруг в електричних мережах з ізольованою нейтраллю на відміну від існуючих схем в мережах, що дозволило забезпечити захист обладнання від внутрішніх перенапруг.

3. Запропоновано за особливостями процесу дугових замикань визначити величини опору, який вмикається в трикутник трансформатора напруги, що дозволило здійснити ефективне приглушення ферорезонансного режиму в електричних мережах під час дугових замикань на землю.

4. Розроблено математичну модель динамічного енергообміну між електромагнітним осцилятором з активним опором і джерелом синусоїдної форми та кореляція її із спектром коливань, що дозволило вперше змоделювати в них вплив когерентних процесів та одержано вираз для дисипативної функції Релея, який в першому наближенні враховує процеси внутрішніх перенапруг в електричних мережах.

Практичне значення одержаних результатів:

- розроблено методику визначення місця встановлення обмежувачів перенапруги за умови дугових замикань в електричних мережах з ізольованою нейтраллю;

- отримані в дисертаційній роботі теоретичні результати покладено в основу формування математичних моделей для дослідження електромагнітних процесів в електричних мережах. На основі цих моделей створено комплекс цифрових моделей, що використовується в навчальному процесі Національного університету "Львівська політехніка";

- запропоновано комбіновану схему вмикання обмежувачів перенапруги в електричних мережах з ізольованою нейтраллю;

Результати роботи прийняті для впровадження у електричних мережах ВАТ "Львівобенерго", ВАТ ЕК "Закарпаттяобленерго" та в кабельних мережах власних потреб Бурштинської ТЕС.

Особистий внесок здобувача. Наукові положення, які є в дисертації, отримані здобувачем самостійно. В наукових працях, опублікованих у співавторстві, безпосередньо дисертанту належать: [1] - здійснено аналіз внутрішніх перенапруг за структурними та функційними призначеннями; [2] - аналітичне дослідження динамічного енергообміну електромагнітного осцилятора; [3] - визначення усередненої потужності енергообміну між електричним джерелом синусоїдної дії і електромагнітним LC - контуром; [4] - ідея щодо пуску асинхронних двигунів власних потреб електричних станцій; [5] - досліджено вільні та вимушені коливання електромагнітного осцилятора.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи оприлюднені на 5 Міжнародній науково-технічній конференції "Математичне моделювання в електротехніці та електроенергетиці", Львів, 17 - 20 жовтня 2007 р., 6 Міжнародній науково-технічній конференції "Математичне моделювання в електротехніці та електроенергетиці", Львів, 3 - 6 червня 2009 р., а також семінарах та конференціях Національного університету "Львівська політехніка".

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи відображені у 8 публікаціях, у тому числі: 6 статей у фахових виданнях, 2 доповіді на конференціях.

Обсяг і структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновку, списку використаних джерел зі 129 найменувань та 3 додатків. Загальний обсяг роботи 126 сторінок. Основний текст викладено на 108 сторінках друкованого тексту, містить 29 рисунків, 5 таблиці. Обсяг ілюстрацій, таблиць та додатків становить 18 сторінок.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми дослідження, показаний зв'язок роботи з науковими темами, сформульовані мета та завдання дисертації, об'єкт і предмет дослідження, визначено наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів, а також наведені відомості щодо апробації та публікацій основних результатів роботи.

У першому розділі сформульовані основні визначення та положення, зроблено огляд літератури за темою дисертаційної роботи, виконана загальна характеристика та сформульовані сучасні вимоги до дослідження внутрішніх перенапруг в електричних мережах з ізольованою нейтраллю, їх обмеження та основи моделювання.

У другому розділі розроблено математичну модель аналізу електромагнітних процесів в електричних мережах, яка базується на методі контурних координат і дозволяє враховувати всі види поперечних несиметрії.

З розвитком потужностей обчислювальної техніки виникла можливість розрахунку струмів КЗ - як симетричних, так і несиметричних, неповнофазних режимів, а також складних видів пошкоджень у фазних координатах з урахуванням усіх параметрів електричної мережі без припущень. Точні розрахунки потрібні для релейного захисту, автоматики та заземлення. Вони дають змогу відтворити реальну картину досліджуваних режимів.

Під час аналізу електромагнітних процесів електричних мереж з ізольованою й заземленою через дугогасильну котушку нейтраллю, звичайно, враховуються тільки ємнісні параметри поперечних ризістивно-ємнісних елементів. Автоматичне формування рівнянь стану таких електричних мереж у методі контурних координат ускладнюється через наявність замкнених контурів, що утворюються вітками із суто ємнісними елементами (виродженість другого роду). Така виродженість усувається еквівалентним перетворенням трикутника ємностей у зірку чи формуванням вузлової матриці ємностей.

Параметричне моделювання поперечних несиметрій ємнісними елементами здійснюється з врахуванням другого закону комутації, стосовно вузлів для моменту виникнення несиметрії у вигляді

(1)

(2)

(3)

де - вектори сумарних зарядів вузлів і вузлових напруг до і після комутації відповідно; - матриці вузлових ємностей до і після комутації відповідно.

Послідовність інтегрування диференційних рівнянь стану електричної мережі в методі контурних координат така. У заданий момент комутації за відомими й обчислюється вектор . Формується нова матриця вузлових ємностей . З врахуванням (1) за (3) обчислюється нове значення вузлових напруг , яке використовується для подальшого інтегрування. аварійний режим ліквідується тільки зміною ємнісних елементів вузлової матриці. В обох випадках крок інтегрування практично не відрізняється від кроку інтегрування до комутації.

Розглянемо спосіб усунення виродженості другого роду за допомогою еквівалентних перетворень вихідного повного чотирикутника з поперечних ємностей.

Можливість такого перетворення поперечних елементів трифазної лінії дає метод прямих, для якого розрахункові схеми до і після перетворення мають вигляд, як на рис 1, а, б відповідно. Значення ємностей чотирипроменевої зірки (рис. 1, б) знаходять за такими формулами

(4)

(5)

де - власна часткова ємність фази лінії; - взаємна часткова ємність між фазами лінії.

Аналогічний результат можна отримати перетворенням вихідної схеми (рис. 1, а) з використанням координат симетричних складових. Параметричне моделювання поперечної несиметрії ємнісними елементами здійснюється, як і в першому випадку.

Основними розрахунковими видами поперечної несиметрії для електричних мереж з ізольованою нейтраллю є трифазні , двофазні і замикання фази на землю (металеве чи дугове).

У першому випадку необхідно збільшити на декілька порядків значення ємностей (рис. 2, а) і користуватися схемою (рис. 1, б) та формулами (4) - (5).

У другому й третьому випадках поперечну несиметрію моделюють, вмикаючи відповідні ємностей за й за . На рис. 2, а наведено приклад моделювання замикання фази 3 на землю чи між фазами 1 і 2 . До моменту виникнення короткого замикання значення цих ємностей приймаються на декілька порядків меншими від значення . У момент виникнення короткого замикання їх значення чи повинні бути збільшені на 2-3 порядки щодо значень поперечних ємностей вихідної схеми чи .

В обох випадках (за чи за ) вихідна схема (рис. 2, а) (під час врахування чи відповідно) еквівалентними перетвореннями зводиться до однакової за структурою схеми, наведеної на рис. 2, б. Практика розрахунків показала, що за цією схемою можна розраховувати і симетричні режими електричних мереж, включаючи режими трифазного короткого замикання. У цьому випадку достатньо прийняти значення ємності у схемі рис. 2, б на 4 - 6 порядків більшим від значень ємностей вихідної схеми.

Рис. 1. До моделювання поперечної несиметрії: а - вихідна схема; б - узагальнена перетворена

Рис. 2. До моделювання поперечної несиметрії: а - вихідна схема; б - розрахункова

Таблиця 1. Розрахункові вирази для обчислення параметрів елементів поперечних несиметрій

№ п/п	Вид КЗ Параметр
1
2
3
4
5
6	(рис. 2.2, а)		-	-
7	(рис. 2.2, б)	-		-

Розрахункові вирази для обчислення параметрів елементів схеми рис. 2, б за різних видів поперечної несиметрії, а також для обчислення струму короткого замикання зведені в табл. 1.

Викладений вище підхід дає змогу моделювати основні розрахункові види несиметрії в електричній мережі з інваріантною топологією, зміною в момент комутації параметрів відповідних елементів.

Математична модель електромагнітних кіл електричної мережі та їх пристроїв керування і захисту в контурних координатах з урахуванням АД

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

де - діагональна матриця резистивних опорів електричного кола; - квадратна матриця індуктивностей і взаємоіндуктивностей електричного кола; - квазідіагональна матриця індуктивностей і взаємоіндуктивностей електромагнітних апаратів (ЕМА); - діагональна матриця диференційних магнітних опорів віток магнітних кіл ЕМА, що зведені до квадрата витків їх первинних обвиток; - вектор-стовпець магнітних потоків віток кола; - вектор-стовпець спадів магнітних напруг віток кола; - квазідіагональна матриця їх витків (містить прямокутні блоки з квадратними підматрицями окремих обвиток); - аналогічна матриця витків первинної обвитки ЕМА; - матриця ємностей електричних кіл; - вектор-стовпець джерел струму; - вектори-стовпці струмів, напруг на ємностях, напруг на нелінійних резистивних елементах (передовсім, вентильних елементах) і ЕРС віток; - вектор-стовпець потокозчеплень первинних обвиток ЕМА; - стала часу регулятора; - вектори-стовпці вихідних і вхідних сигналів регулятора; - коефіцієнт підсилення регулятора; - топологічні матриці електричних кіл мережі, в які входять електричні кола пристроїв керування та захисту; - топологічні матриці магнітних кіл ЕМА; - зведена до полюсної ділянки статора кутова швидкість обертання ротора; - кількість пар полюсів; - момент інерції ротора з приводним механізмом; - електромагнітний момент АД; - механічний момент приводного механізму. У третьому розділі розглянуто принципи моделювання коливних процесів в електричних мережах. Хоча коливання електромагнітного гармонічного осцилятора вивчені досить добре і відповідні результати узагальнені у багатьох монографіях, тим не менше мета роботи й надалі залишається актуальною. Це підтверджується тим, що процеси релаксації актуальні в енергетичних переходах, формуванні коливних спектрів системи осциляторів, та в інших більш загальних фізичних проблемах.

В лінійному наближенні перший інтеграл гармонічних коливань із точністю до сталої інтегрування має вигляд Тут енергообмін (ЕО) із середовищем опору описує дисипативна функція Релея, а з джерелом функція Встановлено, що активну функцію виражається як сума двох складових

, (11)

де

.

Тоді функція Релея представиться у вигляді суперпозиції

(12)

де складові дорівнюють

і

де

Аналіз одержаних виразів свідчить, що виділені нами три складові дисипативної функції мають принципово різні характери часових залежностей. Перша частина описує динаміку розсіювання енергії електроном провідності на омічному опорі. Для лінійного осцилятора функція є обвідною його повній енергії, тому фазовий портрет коливань електромагнітного осцилятора в енергетичних координатах має осцилюючий характер.

Функція від'ємна і плавно зростає із часом. Вона описує втрати енергії осциляторами в середовищі опору внаслідок їх вимушених коливань. Функція з часом осилює, що зумовлене інтерференційними процесами ЕО між коливним станом осцилятора і синусоїдного джерела (рис. 3).

Щоб підтримати в системі вимушені коливання, необхідно включити в дію функцію . Вона також складається із двох частин, перша із яких описує вимушену дію джерела на осцилятор, а друга - інтерференцію коливних станів осцилятора і джерела.

Динамічні спектри і зображені на рис. 4. Осцилююча складова з часом швидко загасає, тоді як вимушена потужність джерела з часом зростає і компенсує втрати в коливному контурі, внаслідок чого в ньому виникають встановлені коливання.

Рис. 3. Осцилограми складових функції лінійного осцилятора

Рис. 4. Осцилограми активної і координатної функцій вимушених коливань лінійного осцилятора

Рис. 5. Частотні дисперсії активної і дисипативної функцій вимушених коливань лінійного осцилятора

Як зразок апробації одержаних результатів, на рис. 5, подані розрахункові спектри енергетичних функцій і . Бачимо, що вираз для визначає відомий спектр поглинання енергії осцилятором, тоді як відповідний для - дисипацію реакції коливного контуру на синусоїдну дію зовнішнього джерела. В оптиці ця залежність відома як діелектрична функція. Стає також зрозумілим механізм уникнення необмеженого збільшення амплітуди вимушених коливань за умови резонансу за наявності в електромагнітному колу джоулевих втрат. Як бачимо із рис. 5, б, за цих умов складові активної і дисипативної функцій точно скорельовані між собою і взаємно компенсують одна одну.

Під час низькочастотної дії зовнішнього синусоїдного джерела на осцилятор характер биття має процес динамічного ЕО енергіями між ними. Максимум модуляції спектра вимушених коливань формується за умови, коли імпульс пересилання енергії від джерела є в фазі чи протифазі з амплітудою коливань осцилятора. Спектр биття амплітуди вимушених коливань осцилятора формується за умови коли він коливається із періодом а період биття визначається згинаючою функції , яка вже має період Мінімуми амплітуд биття коливань осцилятора формуються за рахунок пересилання енергії назад від осцилятора до джерела. В ці проміжки осцилятор заспокоюється, оскільки протягом них і повна динамічна енергія осцилятора мінімізується Динаміка ЕО осцилятора із середовищем опору його коливного рухові визначається проявом процесів інтерференції коливних станів осцилятора і синусоїдного джерела, втрати енергії осцилятором в середовищі опору внаслідок його вимушених коливань, та відповідним процесом дисипації енергії як вільного лінійного електромагнітного осцилятора. В режимі усталених коливань інтерференційні ефекти в явищі ЕО подавлені загасанням і не актуальні.

Прийнято до уваги, що в розв'язку

(13)

з метою визначення сталих інтегрування та , початкові умови необхідно підставляти в (13), а не в розв'язання відповідного однорідного рівняння.

Суть запису розв'язання у вигляді (13) полягає в тому, що під час обчислення параметрів ЕО між зовнішнім джерелом синусоїдної ЕРС та електромагнітним контуром, приймаються до уваги процеси інтерференції між підсистемами коливної системи в цілому. Тоді спектральний контур усередненої потужності матиме вигляд

(14)

де . Бачимо, що ширина смуги поглинання ідеального електромагнітного контуру насправді є функцією комбінації частот .

Несподіваний на перший погляд результат не містить протиріччя і не свідчить про порушення закону збереження, а відображає інтерференційний характер процесу ЕО. Якщо інтерференцією знехтувати, то смуга поглинання набирає дельта-подібну форму. Щоб виділити актуальність процесу інтерференції, інтеграл обґрунтовано у вигляді

де

Тут описує ЕО між електричною та магнітною підсистемами, а - відображає осцилюючий характер ЕО між джерелом і коливним контуром. Протягом одного періоду коливання потужності дисипативних втрат енергії в контурі описуються рівнянням

(15)

на підставі чого зроблені такі висновки: - із плином часу усереднена потужність дисипативних втрат енергії зменшується з часом згідно із експоненційним законом; - загасаючі коливання лінійного осцилятора доцільно характеризувати також логарифмічним декрементом, означеним як , значення якого співпадає із , оскільки обидва параметри із плином часу залишаються сталими (рис. 5), тоді як величина змінюється.

У четвертому розділі досліджено внутрішні перенапруги в електричних мережах з ізольованою нейтраллю та їх обмеження. напругою ізоляції устаткування електричної мережі визначається його оптимальна робоча напруга в процесі експлуатації. Робота мережі неминуче супроводжується постійними змінами робочої напруги, викликаними змінами навантаження, схеми живлення мережі, числа працюючих генераторів і т.п. У випадку коротких замикань, раптових розривів кола, відключення навантаження й інших несприятливих режимів можливі великі відхилення напруги від заданого нормальним режимом значення. На напругу промислової частоти можуть накладатися короткочасні імпульси, викликані перехідними процесами в мережі чи зовнішніми впливами, такими, як вплив сусідніх кіл чи грозові розряди. Будь-яке перевищення значень найбільших тривало допустимих робочих напруг прийнято називати перенапругою.

Основними видами комутацій, що приводять до розвитку перенапруг, є: планове включення під напругу ділянки ненавантаженої лінії електропересилання; автоматичне вмикання лінії і циклі АПВ; оперативне чи автоматичне вимкнення ненавантаженої лінії; коротке замикання в мережі і ліквідація його; розриви лінії електропересилання в режимі передачі великої потужності чи в режимі асинхронного ходу генераторів, підключених по різні сторони від лінії; вимкнення ненавантажених трансформаторів і іншого устаткування, що споживає малий індуктивний струм; періодичні запалювання і гасіння дуги однофазного замикання на землю в мережі з неефективно заземленою нейтраллю. Допустима амплітуда перенапруг імпульсного характеру залежить від фізичних особливостей ізоляції, а також від ряду інших характеристик перенапруг: форми і кількості імпульсів, очікуваної кількості їх за час експлуатації ізоляції; кількості ізоляційних конструкцій, що знаходяться одночасно під впливом даної перенапруги, очікуваного збитку у випадку порушення електричної міцності ізоляції від даного виду перенапруг.

Для кабельних мереж 10 кВ, які працюють з ізольованою нейтраллю, властивими є внутрішні перенапруги: комутаційні, ферорезонансні та під час замикання фази на землю. Небезпечні за своєю кратністю для ізоляції мережі перенапруги, комутаційного чи ферорезонансного походження, ефективно обмежуються вентильними розрядниками (наприклад, типу РВП, РВО). Крім цього, на ізоляцію електрообладнання мережі діють перенапруги, рівень яких не перевищує напруги спрацювання вказаних розрядників і здебільшого є значно нижчі від неї. Такі перенапруги, що виникають у мережі під час замикання фази на землю через повторно-нестійку дугу, можуть тривати до декількох годин, їх дія на ізоляцію електрообладнання мережі є небажана, оскільки призводить до прискорення деградації ізоляції електрообладнання мережі, особливо силових кабелів.

Перенапруги поширюються від місця замикання лініями мережі та діють на всі її елементи. За рахунок коливних електромагнітних процесів у мережі вони підсилюються і часто у вузлах мережі їх значення перевищує рівень перенапруг у місці замикання. Це властиве як для фазних, так і для лінійних напруг. Наприклад, у мережі з ємнісним струмом замикання на землю 7,5 А нестійке дугове замикання фази на землю у вузлі призводить до збільшення амплітуди фазної напруги в місці аварії до 24,9 кВ, а лінійної - до 29 кВ. Напруга у вузлі тоді становить: фазна - 28,2 кВ, а лінійна - 32,6 кВ. Фазні та лінійні перенапруги підсилилися приблизно в 1,12 разів. Під час досліджень подібне спостерігалося для різних вузлів схеми у всіх розглянутих випадках замикання на землю в різних місцях і властиве мережам з ємнісним струмом замикання на землю включно аж до 30 А. Найбільше отримане підсилення перенапруг у досліджуваній мережі не перевищувало 20 %. Загалом для мережі з ємнісним струмом замикання на землю 7,5 А, максимальні значення кратностей фазних перенапруг не перевищують 3,2 та лінійних - 3,85, а для мережі з ємнісним струмом замикання на землю 29,2 А, максимальні значення кратностей перенапруг зросли - фазних до 3,73 та лінійних до 4,11 раз.

Під час досліджень аналізували можливість глибокого обмеження перенапруг у кабельних мережах металооксидними нелінійними обмежувачами перенапруг (ОПН).

Розглянуто три схеми під'єднання ОПН до мережі (рис. 6). Фазна схема (рис. 6, а) ефективно обмежує перенапруги, які виникають чи наводяться у вузлі її під'єднання. У мережі з ємнісним струмом замикання на землю 29,2 А встановлення ОПН на шинах ПС обмежило кратність перенапруги на них фазних з 3,26 до 2,85 та лінійних з 3,56 до 3,45. В інших вузлах мережі спостерігалося зменшення фазних перенапруг у 1,08 - 1,3 рази, а лінійних - у 1,03 - 1,06 рази. Подібне було отримано і при встановленні ОПН в інших вузлах мережі, але кратності фазних та лінійних перенапруг все ж у деяких вузлах мережі обмежувалися недостатньо - до 3,51 фазні та 3,94 - лінійні. Лінійні перенапруги обмежувалися незначно, хоч вони такого ж рівня, як і фазні. Встановлення ОПН лише на лінійну напругу (рис. 6, б) приводило до схожості процесу, але відносно лінійних перенапруг.

Рис. 6. Схеми під'єднання ОПН до вузлів мережі: а - фазна; б - лінійна; в - комбінована

Комбінована схема з шести ОПН (рис. 6, в) ефективно обмежує фазні та лінійні перенапруги в мережі: максимальні фазні перенапруги - до рівня 3,17 та лінійні - до рівня 3,46, проти 3,73 фазних і 4,11 лінійних в мережі без ОПН; та 3,51 фазних і 3,94 лінійних - з ОПН, ввімкненими на фазну напругу.

Після встановлення ОПН (комбінована схема) на шинах 10 кВ ПС, перенапруги в досліджуваній мережі були глибоко обмежені - до 2,67 фазні та 2,84 лінійні. Зменшення вказаної кількості ОПН, чи зміна вузлів їх під'єднання в мережі призводили до збільшення кратностей перенапруг.

На рис. 7 наведені характерні осцилограми лінійних та фазних напруг без ОПН-ів і з встановленими ОПН-ми за умови однофазних замикань на землю.



а в

б г

Рис. 7. Лінійні (а) і фазні (б) напруги у вузлі РП без ОПН-ів та лінійні (в) і фазні (г) напруги у вузлі РП з встановленими ОПН-ми на РП-31 за умови ОЗЗ у вузлі ЦН-1

Встановлення ОПН-нів (схема “трикутник-зірка”) на шинах РП і у вузлі, кратність перенапруг зменшилася до . Без встановлення ОПН-нів кратність перенапруг сягала до . Досліджено виникнення ферорезонансних явищ на лініях 35 кВ, які відходять від підстанції. Заступна схема досліджуваної мережі наведена на рис. 8.



Рис. 8. Заступна схема електричної мережі 35 кВ



а б

в г

Рис. 9. Струми та напруги за умови виникнення ферорезонансу: а - напруга на шинах 35 кВ підстанції; рис. 9, б - струм в первинній обмотці трансформатора напруги; рис. 9, в - напруга в розімкнутому трикутнику трансформатора напруги; рис. 9, г - струм в вторинній обмотці трансформатора напруги



а б

в г

Рис. 10. Струми та напруги під час погашення ферорезонансу вмиканням активного опору у розімкнути трикутник трансформатора напруги: рис. 10, а - напруга на шинах 35 кВ підстанції; рис. 10, б - струм в первинній обмотці трансформатора напруги; рис. 10, в - напруга в розімкнутому трикутнику трансформатора напруги; рис. 10, г - струм в вторинній обмотці трансформатора напруги

За умови однофазних замикань на землю та невеликих збурень в наведеній електричній мережі виникає ферорезонанс. Виникнення таких ферорезонансних явищ показано на рис. 9: рис. 9, а - напруга на шинах 35 кВ підстанції; рис. 9, б - струм в первинній обмотці трансформатора напруги; рис. 9, в - напруга в розімкнутому трикутнику трансформатора напруги; рис. 9, г - струм в вторинній обмотці трансформатора напруги.. Для погашення ферорезонансу запропоновано вмикання в розімкнутий трикутник трансформатора напруги на момент виникнення однофазних замикань на землю 20 Ом активного опору. На рис. 10 показано результати математичного моделювання такого режиму: рис. 10, а - напруга на шинах 35 кВ підстанції; рис. 10, б - струм в первинній обмотці трансформатора напруги; рис. 10, в - напруга в розімкнутому трикутнику трансформатора напруги; рис. 10, г - струм в вторинній обмотці трансформатора напруги.

Для погашення ферорезонансних явищ в електричних мережах можна використовувати також трансформатори напруги, які мають повітряний зазор в магнетній системі чи збільшенням величини магнітної системи.

Висновки

В дисертаційній роботі розв'язана задача вдосконалення методів розрахунку внутрішніх перенапруг в електричних мережах з ізольованою нейтраллю, розроблення засобів обмеження внутрішніх перенапруг та фізичних основ моделювання коливних процесів.

Застосування запропонованих рішень дозволяє підвищити ефективність та надійність функціонування електричних мереж з ізольованою нейтраллю.

В роботі отримано такі основні результати:

1. На підставі існуючих підходів розрахунку внутрішніх перенапруг в електричних мережах з ізольованою нейтраллю та їх обмеження, здійснено їх аналіз за структурними та функційними ознаками.

2. Удосконалено математичну модель електричної мережі в координатах контурних струмів для дослідження електромагнітних процесів в електричних мережах в частині дослідження внутрішніх перенапруг.

3. Розроблено фізичні основи коливних станів в процесах енергообміну, які дозволили враховувати дисипативний фактор під час аналізу перехідних процесів в електричних мережах.

4. Запропоновано погашення ферорезонансних явищ в електричних мережах вмиканням активного опору в розімкнутий трикутник трансформатора напруги, а також використанням трансформаторів напруги, які мають повітряний зазор в магнітній системі чи збільшенням величини магнітної системи.

5. Доцільним є глибоке обмеження перенапруг за допомогою ОПН-ів, але рівень обмеження повинен визначатися для кожної конкретної мережі на підставі детального вивчення стану перенапруг в ній та з врахуванням комплексу заходів щодо обмеження перенапруг в мережі.

6. Під час замикання фази на землю через нестійку дугу в кабельних мережах 10 кВ виникають як фазні, так і лінійні перенапруги, які можуть перевищувати в 4 рази амплітуду фазної напруги доаварійного режиму мережі. Кратності фазних та лінійних перенапруг є спів вимірними, тому доцільно обмежувати як одні, так і інші.

7. На рівень обмеження перенапруг у мережі впливає схема під'єднання ОПН-ів до мережі. Для ефективного обмеження фазних та лінійних перенапруг у мережі доцільно використовувати комбіновану схему ОПН-ів.

Публікації за темою дисертаційної роботи

1. Сегеда М.С. Внутрішні перенапруги в електричних мережах 6…10 кВ та захист від перенапруг / З.М. Бахор, Н.О. Равлик, Г.Ш. Бакало // Праці Інституту електродинаміки Національної академії наук України: Зб. наук. пр. К.: - 2006. - № 1 (13). - С. 23 - 30.

2. Кособуцький П.С. Моделювання динамічного енергообміну електромагнітного осцилятора з середовищем омічного опору та силовим джерелом синусоїдної дії і кореляція його із спектром коливання / М.С. Сегеда, Г.Ш. Бакало // Технічна електродинаміка. - К.: - 2007. - №. 1. - С. 24 26.

3. Kosobutskyy P. Simulation of nterference process of vibration charge in the electromagnetic contour / M. Seheda, G. Bаkalo, T. Mazur // Вісник НУ “Львівська політехніка”, “Електроенергетичні та електромеханічні системи”. 2007. - Вип. 596. - С. 52 - 57.

4. Кособуцький П.С. До питання про усереднену потужність енергообміну між електричним джерелом синусоїдної дії і електромагнітним - контуром / М.С. Сегеда, Г.Ш. Бакало // Науково-технічний журнал "Енергетика та автоматизація виробничих процесів". - Дніпропетровськ. - 2008. - № 2. - С. 81 - 82.

5. Сегеда М.С. Покращення пуску асинхронних двигунів власних потреб електричних станцій / Н.О. Равлик, Г.Ш. Бакало // Вісник НУ “Львівська політехніка”, “Електроенергетичні та електромеханічні системи”. - 2009. - Вип. 654. - С. 199 - 202.

6. Сегеда М.С. Оптимізація роботи генераторів когенераційної установки під час паралельної роботи з електричною мережею / Н.О. Равлик, Бакало Г.Ш., Дудурич О.Б. // Праці інституту електродинаміки. - 2010. Спеціальний випуск.- С. 57 - 59.

Анотації

Бакало Г.Ш. Внутрішні перенапруги в електричних мережах з ізольованою нейтраллю, їх обмеження та основи моделювання. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.02 - електричні станції, мережі і системи - Національний університет «Львівська політехніка», Львів, 2011.

Дисертація присвячена розв'язанню актуальної задачі - розвитку і вдосконаленню методів аналізу внутрішніх перенапруг в електричних мережах з ізольованою нейтраллю, їх математичного моделювання та дослідження з метою розробки рекомендацій щодо підвищення ефективності й надійності функціонування ЕЕС.

В роботі удосконалено математичну модель для дослідження електромагнітних процесів в електричних мережах, обґрунтована роль інтерференції коливних станів в процесах енергообміну між ними, одержаний точний вираз для дисипативної функції Релея електромагнітних коливань в колах у наближенні лінійного закону Ома, коли сила опору вільному гармонійному рухові заряду у ділянці кола із активним опором пропорційна швидкості переносу заряду через неї.

Показано доцільність глибокого обмеження перенапруг за допомогою ОПН-ів, а також обмеження перенапруг повинно визначатися для кожної конкретної мережі на підставі детального вивчення стану перенапруг в ній та з врахуванням комплексу заходів щодо обмеження перенапруг в мережі, запропоновано погашення ферорезонансних явищ в електричних мережах вмиканням активного опору в розімкнутий трикутник трансформатора напруги.

Ключові слова: електрична мережа, внутрішні перенапруги, математичне моделювання, ізольована нейтраль, фізичні основи моделювання.

Бакало Г.Ш. Внутренние перенапряжения в электрических сетях с изолированной нейтралью, их ограничения и основы моделирования. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.02 - электрические станции, сети и системы - Национальный университет «Львовская политехника», Львов, 2011.

Диссертация посвящена решению актуальной задачи - развитию и совершенствованию методов анализа внутренних перенапряжений в электрических сетях с изолированной нейтралью, их математического моделирования и исследования с целью разработки рекомендаций по повышению эффективности и надежности функционирования ЭЭС.

В работе усовершенствована математическая модель для исследования електромагнетних процессов в электрических сетях, обоснована роль интерференции колеблющихся состояний в процессах энергообмена между ними, полученный точное выражение для диссипативной функции Рэлея электромагнитных колебаний в цепях в приближении линейного закона Ома, когда сила сопротивления свободному гармоническому движению заряда в области цепи с активным сопротивлением пропорциональна скорости переноса заряда через нее. Показана целесообразность глубокого ограничения перенапряжений с помощью ОПН-ов, а также ограничения перенапряжений должно определяться для каждой конкретной сети на основании детального изучения состояния перенапряжений в ней и с учетом комплекса мер по ограничению перенапряжений в сети, предложено погашения феррорезонансных явлений в электрических сетях включением активного сопротивления в разомкнутый треугольник трансформатора напряжения.

Ключевые слова: электрическая сеть, внутренние перенапряжения, математическое моделирование, изолированная нейтраль, физические основы моделирования.

Bakalоu G.Sh. Internals overvoltages in electrical networks with isolated neutral, their limitations and basis of modeling. - Manuscript.

Thesis for scientific degree Ph.D.Technical Sciences in the specialty 05.14.02 - power stations, networks and systems - National University "Lviv Polytechnic", Lviv, 2011.

The dissertation is devoted solution to an actual problem - the developments and improvements of methods analysis of internal overvoltages in electrical networks with isolated neutral, their mathematical modeling and studies to develop recommendations to improve the efficiency and reliability of functioning of the electrical power system.

In the work presented improved mathematical model for the research of electromagnetic processes in electrical networks, substantiated the role of interference in the processes of vibrational states of energy exchange between them, obtained the exact expression dissipative function the Rayleigh of electromagnetic oscillations in the circles in the approaching linear of Ohm's law, when resistance force the free harmonic movement of charge in the area range of active resistance proportional to velocity of charge transport through it. The demonstrated appropriateness of limiting deep overvoltages arresters using of nonlinear terminators of overstrain, and limiting overvoltages must be determined for each individual network on the basis of a detailed study of overvoltages in it and in view of measures to limit overvoltages in the network, proposed repayment ferorezonansnyh phenomena in electrical networks plugging active resistance in disconnected triangle voltage transformer.

Keywords: electrical network, internals overvoltages, mathematical modeling, isolation neutral, the physical basis of modeling.

Размещено на Allbest.ur

...