Исследование коммутационных процессов и разработка мероприятий по повышению надежности шунтирующих реакторов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование коммутационных процессов и разработка мероприятий по повышению надежности шунтирующих реакторов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

коммутационный шунтирующий реактор сеть

Актуальность темы. На подстанциях ОАО «ФСК ЕЭС» установлено более 340 шунтирующих реакторов (ШР) из них более 270 на напряжение 500 кВ. Эти устройства играют важную роль в обеспечении надежности и бесперебойности энергоснабжения потребителей. Однако надежности работы самих этих устройств уделяется незаслуженно мало внимания. Даже в учебниках по технике высоких напряжений вопрос возникновения перенапряжений при коммутациях индуктивностей описывается в основном на примере холостых трансформаторов, а реакторы, как правило, не рассматриваются. Меж тем в немногих публикациях, в основном зарубежных, в качестве основной гипотезы о причинах возникновения аварий используется негативное воздействие именно коммутационных перенапряжений, в том числе их высокочастотных составляющих, генерируемых элегазовыми выключателями. Для ШР проблема коммутационных перенапряжений усугубляется еще и тем, что реакторы включаются-отключаются гораздо чаще, чем, например, трансформаторы.

Таким образом, имеется проблема повреждаемости ШР при коммутациях. Поэтому исследование процессов, происходящих в реакторах при включениях-отключениях, и выдача рекомендаций по наиболее безопасным способам осуществления коммутаций является актуальной задачей.

Цель работы и задачи исследования. Целью работы является всестороннее исследование коммутационных процессов в цепях с ШР и процессов в бумажно-масляной изоляции ШР. В качестве объекта исследований в данной работе выбраны цепи, содержащие элегазовые выключатели и шунтирующие реакторы. Предметом исследований являются внутренние изоляционные конструкции ШР.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи.

1. Проанализировать факторы, влияющие на повреждаемость ШР.

2. Провести эксперименты по включению-отключению ШР элегазовым выключателем, с целью установления величины перенапряжений, воздействующих на изоляцию ШР.

3. Провести математическое моделирование процессов происходящих в сети при коммутациях ШР элегазовым выключателем.

4. Выявить причины ослабления электрической прочности изоляции ШР.

5. Сравнить полученные разными способами результаты, тем самым, оценив достоверность проведенных экспериментов и выдать заключение о возможности повреждения изоляции под воздействием коммутационных перенапряжений.

Методы исследования. Используемые в данной диссертационной работе методы исследования заключаются в анализе заводской документации, проведении натурных испытаний на действующих объектах энергосистемы, разработке математической модели процессов коммутации шунтирующих реакторов с использованием возможностей современных компьютерных технологий.

Достоверность результатов обеспечивалась проведением испытаний и измерений с помощью поверенной аппаратуры. Испытания и измерения проводились в соответствии с требованиями ГОСТ 1516.2 -76, ГОСТ 20074 -83, стандартов МЭК и других нормативных документов. Расчеты проводились с использованием лицензированных программных продуктов. Адекватность математических моделей проверялась путем сопоставления полученных результатов с экспериментальными данными.

Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.

В работе содержатся следующие новые научные результаты:

1. Экспериментально установлено, что при коммутациях ШР элегазовым выключателем амплитуда напряжения на шинах в 1,4-1,6 раз меньше, чем амплитуда стандартного коммутационного импульса даже в отсутствие синхронизатора; применение устройств управляемой коммутации снижает амплитуду коммутационного перенапряжения еще на 10-15%.

2. Экспериментально установлено, что одной из причин возникновения перенапряжений при включении индуктивной нагрузки являются предпробои между сходящимися контактами выключателя. Амплитуда и частота перенапряжений, а так же количество предпробоев зависят от конфигурации схемы. В некоторых случаях их влияние практически незаметно.

3. Экспериментально подтверждена гипотеза о возможности возникновения резонансных перенапряжений внутри обмотки реактора. Установлено, что частоты, возникающие в схеме при коммутациях реактора, близки к собственным резонансным частотам обмотки ШР, что может привести к локальному повышению напряжения во внутренней изоляции реактора. При этом такое повышение напряжения не регистрируется аппаратурой подключенной к выводам обмотки реактора.

4. Предложена методика приведения реального коммутационного воздействия к испытательному стандартному коммутационному импульсу, учитывающая различия в форме, частоте повторения, длительности фронта и прочих параметров. Показано, что амплитуда эквивалентного приведенного импульса может превысить амплитуду стандартного испытательного коммутационного импульса.

5. Обоснована необходимость изменения системы охлаждения реакторов РОМБСМ-60000/500 с естественной на принудительную c циркуляцией масла и дутьем воздуха, что позволит снизить скорость термического старения бумажно-масляной изоляции и продлить срок службы реакторов.

Практическое значение и реализация результатов работы.

Разработанные методы расчета переходных процессов в цепях, содержащих элегазовые выключатели, имеют универсальное значение и могут использоваться в других практических задачах по оценке амплитуды и формы перенапряжений. Дана количественная оценка эффективности управляемой коммутации в части снижения амплитуды коммутационных перенапряжений при включениях реакторов. Предложенные в работе граничные концентрации газов, растворенных в масле, могут использоваться в предприятиях ОАО «ФСК ЕЭС» при оценке технического состояния шунтирующих реакторов класса напряжения 500 кВ двух наиболее распространенных типов.

Результаты работы в виде научно-технических отчетов переданы Заказчику - МЭС Сибири. Граничные концентрации используются в ОАО «Электросетьсервис ЕНЭС» при оценке технического состояния шунтирующих реакторов.

Полученные результаты используются при чтении лекций по курсу «Технические средства диагностики» для студентов и магистрантов Новосибирского государственного технического университета.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на научных семинарах НСПБ и кафедры «Техники и электрофизики высоких напряжений», на конференциях, в том числе международных: «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт - 2007», «Трансформаторы: эксплуатация, диагностирование, ремонт и продление срока службы - 2010», «Семинар по диагностике электрических установок - 2011».

Публикации. По направлению диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, в том числе: 2 работы в рецензируемом издании, входящем в перечень рекомендованных ВАК РФ и 5 в трудах научных конференций.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 175 страницах основного текста, иллюстрируется 86 рисунками и 20 таблицами. Общий объем работы - 178 страниц. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка использованной литературы из 104 наименований и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, определены научная новизна и практическая ценность работы, дана общая характеристика полученных результатов.

В первой главе проводится анализ литературы, посвященной переходным процессам, сопровождающим коммутации шунтирующих реакторов (ШР).

В номинальном режиме в обмотке ШР течет относительно небольшой индуктивный ток. При его отключении возникают перенапряжения, обусловленные срезом тока в выключателе. Энергия, запасенная в магнитном поле индуктивности реактора, переходит в энергию электрического поля емкости цепи, с последующим возникновением затухающих колебаний большой амплитуды в контуре индуктивность реактора - емкость цепи. Эти колебания приводят к увеличению напряжения между расходящимися контактами выключателя. Если скорость восстановления электрической прочности недостаточна, то происходит повторное зажигание дуги в выключателе, что приводит к дальнейшему росту амплитуды перенапряжений. При этом величина тока среза, а, следовательно, и амплитуда перенапряжений зависит не только от конструкции дугогасительной камеры и дугогасящей среды, но и от момента начала коммутационного процесса.

Амплитуда перенапряжений при включении реактора так же зависит от момента включения, из-за неравномерности распределения напряжения вдоль обмотки реактора.

Многочисленные коммутации с амплитудой перенапряжений ниже критической, могут приводить к постепенному развитию дефекта теплового или электрического характера. Такие дефекты можно выявить в процессе периодического технического диагностирования, при отборе проб и анализах масла из бака реактора, регистрации температурных полей, интенсивности частичных разрядов и т.д.

В связи с изложенным задачи настоящего исследования можно сформулировать следующим образом:

1. Провести натурные эксперименты включения-отключения ШР элегазовым выключателем.

2. Выполнить компьютерное моделирование процессов коммутации ШР в наиболее тяжелых режимах.

3. Рассмотреть процессы, происходящие в элегазовых выключателях, при коммутациях индуктивной нагрузки. Оценить влияние устройств управляемой коммутации на величину перенапряжений.

4. Проанализировать уровни напряжения, возникающие при коммутациях, и при условии возникновения опасных перенапряжений предложить меры защиты от них.

5. Рассмотреть процессы, происходящие внутри обмотки реактора при воздействии волн коммутационных перенапряжений.

6. Сравнить нормы по хроматографическому анализу растворенных в масле газов, приведенные в различных источниках. Оценить влияние конструкции реактора на скорость газовыделения.

Во второй главе приведено описание экспериментальных исследований процессов происходящих при коммутациях ШР элегазовым выключателем. Основные результаты приведены в табл. 1 и на рис. 1.

Таблица 1. Последовательность действий в серии экспериментов

Так натурные испытания на ПС «Алтай-1150» показали, что амплитуды перенапряжений при включениях с синхронизатором не превышали 520…550 кВ и без синхронизатора - 650 кВ. При отключении уровни перенапряжений не превышали 550…660 кВ. Таким образом, максимальные значения перенапряжений значительно меньше нормированного испытательного напряжения коммутационного импульса.

В третьей главе выполнено математическое моделирование коммутаций ШР элегазовым выключателем.

Так как амплитуда перенапряжений существенно зависит от момента коммутации, при сетевых испытаниях могли осуществиться только благоприятные условия для коммутаций и, соответственно, минимальные амплитуды перенапряжений. Для рассмотрения наиболее неблагоприятных условий коммутаций выполнялось моделирование процессов коммутаций ШР в специализированном программном комплексе МАЭС.

За основу принята схема, в которой проводились натурные испытания. Для расчетов были выбраны следующие случаи отключения реактора:

1 - размыкание контактов выключателя происходит при максимальном значении напряжения на фазе «А»;

2 - размыкание контактов происходит одновременно, при нулевом значении напряжения на фазе «А»;

3 - размыкание контактов происходит одновременно в нуле напряжения на фазе «А», со срезом тока в выключателе при величинах 1, 3, 7 и 10 А;

4 - размыкание контактов происходит при нулевом значении напряжения на фазе «А», но с разбросом в срабатывании полюсов выключателя 1 мс и при токе среза 10 А.

Результаты численных экспериментов сведены в табл. 2.

Таблица 2.Отключение реактора

Оценка основной частоты собственных колебаний при коммутациях ШР может быть произведена в первом приближении как =1.07 кГц. Расчетные данные несколько завышены, так как не учтены емкость и индуктивность ошиновки.

Фронт волны полученных колебаний составляет Т_ф = 350 мкс.

При включении реактора рассматривались следующие наиболее характерные случаи:

1 - включение фаз реактора при нулевом напряжении на фазе «А»;

2 - то же что и в 1, но разброс в срабатывании полюсов выключателя 1 мс;

3 - включение фаз реактора при максимальном напряжении на фазе «А»;

4 - то же, что в 3, но разброс в срабатывании полюсов выключателя 1 мс.

Полученные амплитуды перенапряжений сведены в табл. 3.

Таблица 3. Параметры переходного процесса при включении фаз реактора

Ни при включении, ни при отключении на изоляцию реактора не воздействуют перенапряжения, превышающие уровень испытательных воздействий. Напряжение на контактах выключателя при отключении так же не превышает уровня испытательного воздействия.

При этом если более подробно рассмотреть начальную часть осциллограммы напряжения при включении реактора в опытах на подстанции «Алтай-1150», то можно заметить два высокочастотных колебательных процесса небольшой амплитуды, которые следуют один за другим через 0.5 мс. Подобный переходной процесс, только гораздо большей амплитуды, был зарегистрирован при натурных экспериментах на Бурейской ГЭС, при коммутациях ненагруженного трансформатора. Так как при этом процесс более выражен, рассмотрение причин возникновения ВЧ-колебаний удобно провести именно для этого случая.

В качестве основной версии появления характерных участков на кривой перенапряжения было предположено наличие нескольких предпробоев элегазового промежутка при замыкании контактов выключателя.

Моделирование коммутаций показало, что процесс развивается следующим образом: при сближении контактов выключателя В4-500 (участок 1 на рис. 3, б) уменьшающийся межконтактный промежуток пробивается, зажигается дуга, и в схеме возникает затухающий переходный процесс с частотой, определяемой параметрами контура "емкость КРУЭ-500 - емкость кабельной вставки - индуктивность холостого трансформатора" (частота колебаний f = 46,6 кГц). Примерно через 0,2 мс ток через выключатель снижается до установившегося значения, ионизация канала дуги уменьшается, и в контактной системе создаются условия для гашения тока. Канал первого пробоя гаснет при очередном переходе тока через ноль, и напряжение между контактами выключателя начинает восстанавливаться. Время восстановления напряжения находится в интервале между концом участка 1 и началом участка 2 и составляет примерно 1 мс. Когда восстанавливающееся напряжение превысит электрическую прочность промежутка между сходящимися контактами, произойдет повторный пробой (участок 2 на рис. 3, б) и процесс повторяется.

В зависимости от конфигурации схемы и параметров коммутаций количество предпробоев варьируется от одного до трех, изменяется и амплитуда ВЧ-перенапряжений. Поэтому, например, при коммутациях ШР на ПС «Алтай-1150» перенапряжения, обусловленные предпробоями, были столь неярко выражены. Однако на другой подстанции, при другой конфигурации сети такие перенапряжения могут играть определяющую роль при включении ШР (или ненагруженного трансформатора).

При коммутациях на изоляцию реактора воздействуют колебания (см. рис. 1 и рис. 2), значительно отличающиеся от стандартного коммутационного импульса с формой волны 250/2500 мкс. Например, при включении реактора, на его обмотки воздействуют колебания с фронтом 30 мкс и частотой 12.5 кГц. Следовательно, неверно полагать, что по своему воздействию на изоляцию данное колебание будет таким же, что и стандартный импульс. Необходимо рассмотреть, как при изменении параметров импульса изменяется электрическая прочность внутренней изоляции реактора.

Для этого предложена методика приведения перенапряжений возникающих в реальной схеме. Коэффициенты приведения определяются исходя из общеизвестных зависимостей пробивного напряжения (или напряженности) от различных параметров.

Таблица 4Коэффициенты приведения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Таким образом, учет кумулятивного эффекта и отличия формы импульса внутренних перенапряжений от стандартного испытательного импульса приводит к заключению, что перенапряжения при включении, воздействующие на изоляцию реактора, могут оказаться опаснее нормированных воздействий стандартной формы.

Четвертая глава посвящена анализу существующих норм по хроматографическому анализу растворенных в масле газов (ХАРГ). С помощью методов математической статистики вычислены граничные концентрации (ГК) для двух типов реакторов 500 кВ РОДЦ-60000/500 и РОМБСМ-60000/500 и сравнены со значениями, приведенными в РД 153-34.0-46.302-00 и ЦСО-Д-02-2010М (выпущены ОАО «Электрозавод» для реакторов РОМБСМ собственного производства). Полученные данные приведены в табл. 5.

Из данных табл. 5 следует, что расчеты для реакторов типа РОДЦ-60000/500 довольно близко совпадают с данными РД, а расчеты для реакторов типа РОМБСМ-60000/500 довольно близко совпадают с данными ЦСО-Д-02-2010М (кроме концентраций водорода и ацетилена в обоих случаях). При этом граничные концентрации ЦСО в 1.5-3 раза больше, чем в РД.

Таблица 5Расчетные граничные концентрации газов

Данные представленные в табл. 5 очень показательны и позволяют сделать несколько выводов.

Во-первых, концентрации метана, этана и этилена для реакторов РОМБСМ выше, чем для РОДЦ. Эти газы являются детекторами дефектов термического характера: этан в диапазоне низких температур, метан в диапазоне средних температур, и этилен в диапазоне высоких температур. Если вспомнить, что у реакторов РОМБСМ пассивная система охлаждения, то можно предположить, что повышенное содержание «нагревных» газов является следствием недостаточной эффективности работы системы охлаждения.

Во-вторых, т.к. реакторы РОДЦ более распространены в энергосистеме, то в выборке участвовали реакторы со средней наработкой около 15 лет. При этом значения концентраций СО и СО₂, газов характеризующих старение и увлажнение масла и твердой изоляции, оказались близки к концентрациям для РОМБСМ (со средней наработкой 5 лет), что так же косвенно может свидетельствовать о более эффективной работе системы охлаждения ДЦ по сравнению с системой М.

В-третьих, концентрации водорода и ацетилена для обоих типов реакторов оказались гораздо ниже норм РД. Эти газы характеризуют дефекты электрического характера, которые могут очень быстро привести к аварии. При нормальной работе оборудования, обычно, этих газов в анализах масла нет. Поэтому, возможно, будет целесообразно пересмотреть нормы РД с целью уменьшения предельных концентраций водорода и ацетилена. Так в нормах МЭК ГК ацетилена в 3 раза, а в нормах IEEE в 10 раз ниже, чем в РД.

В пятой главе описаны результаты экспериментальных исследований по определению амплитудно-частотных параметров обмотки (рис. 5), которые использовались для вычисления собственных резонансных частот обмотки реактора.

Одна из полученных частот составляет ~11 кГц, что близко к частоте, возникающей при включении реактора. Это может привести к локальному повышению напряжения внутри обмотки, при этом, такие перенапряжения не будут регистрироваться аппаратурой подключенной к вводу и нейтрали обмотки.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. В результате ретроспективного анализа литературных данных установлено, что в нашей стране вопросу надежности шунтирующих реакторов уделяется крайне мало внимания. За рубежом, напротив, хорошо понимают роль ШР в обеспечении надежности электроснабжения потребителей, и проблему безаварийной работы реакторов рассматривают со всех сторон. Так же не до конца изучена степень влияния элегазовых выключателей на возможность возникновения перенапряжений при коммутациях ШР.

2. В натурных экспериментах исследованы процессы, возникающие при коммутациях шунтирующих реакторов элегазовыми выключателями. Установлено, что при отключениях перенапряжения не превышают 550…660 кВ. При включениях максимальные значения коммутационных перенапряжений при работе элегазового выключателя с синхронизатором не превышали 520…550 кВ и без синхронизатора - 650 кВ. Кроме того, при определенной конфигурации сети, при включении индуктивной нагрузки может возникнуть высокочастотный переходной процесс большой амплитуды, обусловленный явлением предпробоя межконтактного промежутка элегазового выключателя. Амплитуда переходного процесса и возможность его возникновения определяется параметрами схемы, в которой происходит коммутация и моментом времени включения.

3. На стадии математического моделирования процессов коммутации показано, что даже при моделировании наиболее тяжелого режима, напряжения на изоляции реактора не превышают величины стандартного коммутационного импульса. Напряжение на контактах выключателя, так же ниже уровня электрической прочности для данного выключателя. Все это позволило сделать предварительный вывод о малой вероятности возникновения перенапряжений в условиях реальных коммутаций.

4. Форма стандартного коммутационного импульса значительно отличается от формы импульсов воздействующих на изоляцию ШР при коммутациях в реальности. Поэтому, предложена методика приведения реальных колебаний к стандартному импульсу. Расчеты по этой методике показывают, что при включении амплитуда перенапряжений в 1,16 раза выше, чем амплитуда стандартного импульса. Кроме того экспериментальное измерение амплитудно-частотной характеристики обмотки реактора показало, что существуют несколько резонансных частот, в частности ~ 11.1 кГц. Эта частота близка к частоте переходного процесса при включении. Таким образом, принимая во внимание амплитуду приведенного импульса и его частоту, можно предположить, что операция включения воздействует на изоляцию реактора более негативно, чем отключение, приводя, по крайней мере, к ускоренному старению изоляции.

5. На основе сравнительного анализа расчетных граничных концентраций растворенных в масле газов для реакторов РОМБСМ-60000/500 и ГК приведенных в ЦСО-Д-02-2010М показано, что повышенное содержание «нагревных» газов является следствием недостаточной эффективности работы системы охлаждения реактора. Сравнение с данными для реакторов РОДЦ-60000/500 позволило рекомендовать изменение системы охлаждения с М на ДЦ.

6. Сопоставление расчетных значений ГК с зарубежными нормами показало, что в РД 153-34.0-46.302-00 значения ГК для водорода и ацетилена гораздо выше. Так как эти газы характеризуют дефекты электрического характера, которые могут очень быстро привести к аварии, было рекомендовано пересмотреть нормы для этих газов в сторону уменьшения, по крайней мере, для реакторов.

НАУЧНЫЕ СТАТЬИ В РЕЦЕНЗИРУЕМЫХ ИЗДАНИЯХ, РЕКОМЕНДОВАННЫХ ВАК МИНИСТЕРСТВА ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

1. Шиллер О.Ю., Овсянников А.Г., Лавров Ю.А., Шевченко С.С. Перенапряжения при коммутации блочного трансформатора 500 кВ элегазовым выключателем. //Электро, № 6, 2010. - С. 24-27.

2. Шиллер О.Ю., Овсянников А.Г. Исследования перенапряжений при коммутации силовых шунтирующих реакторов. // Электро, № 2, 2011. - С.11-14.

Научные публикации в других изданиях

3. Шиллер О.Ю. Использование мер системной автоматики и релейной защиты для ограничения коммутационных перенапряжений в электрических сетях сверхвысокого напряжения. //Материалы всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука, технологии, инновации», часть 3, Новосибирск, 2006, с. 229-231.

4. Шиллер О.Ю. Использование мер системной автоматики и релейной защиты для ограничения коммутационных перенапряжений в электрических сетях высокого напряжения. //Материалы IX Всероссийского студенческого научно-технического семинара «Энергетика: экология, надежность, безопасность», том 1, Томск, апрель 2007, с. 219-222.

5. Шиллер О.Ю., Кадомская К.П. Использование мер системной автоматики и релейной защиты для ограничения коммутационных перенапряжений в электрических сетях высокого напряжения. //Труды третьей международной научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт», часть 2, Омск, июнь 2007, с. 56-59.

6. Шиллер О.Ю., Овсянников А.Г., Лавров Ю.А., Шевченко С.С. Перенапряжения при коммутации включения-отключения силового блочного трансформатора 500 кВ элегазовым выключателем. //Материалы международной н.-практ. конференции «Трансформаторы: эксплуатация, диагностирование, ремонт и продление срока службы. - Екатеринбург: Издательский дом «Автограф», 2010. - С. 30-34.

7. Шиллер О.Ю., Лавров Ю.А., Шевченко С.С., Овсянников А.Г. Перенапряжения при коммутации включения-отключения силовых шунтирующих реакторов 500 кВ элегазовыми выключателями. //Материалы международной н.-практ. конференции «Трансформаторы: эксплуатация, диагностирование, ремонт и продление срока службы. - Екатеринбург: Издательский дом «Автограф», 2010. - С. 161-169.

Размещено на Allbest.ru