Экспресс-методы оценки и прогнозирования коммутационных перенапряжений в системах электроснабжения 6-10 кВ промышленных предприятий

Актуальность работы. В процессе эксплуатации изоляция высоковольтного электрооборудования технологических установок горнометаллургических предприятий испытывает негативное воздействие многочисленных факторов, в результате чего происходит снижение ее диэлектрической прочности. Это, впоследствии, приводит к ее частым повреждениям, длительным простоям оборудования и значительному экономическому ущербу.

Одним из таких факторов являются внутренние перенапряжения, в частности, коммутационные перенапряжения, которые имеют значительные по величине амплитуды, высокую частоту собственных колебаний и значительную первоначальную скорость нарастания импульса.

Опыт эксплуатации показал, что основной объем аварийного выхода из строя электрооборудования связан с пробоями изоляции вследствие воздействия коммутационных перенапряжений (КП). Свыше 40% однофазных замыканий на землю в системах электроснабжения 6−10 кВ горно-металлургических предприятий возникает из-за КП [54].

Проблема защиты изоляции высоковольтного электрооборудования от коммутационных перенапряжений приобрела наибольшую актуальность после внедрения в промышленную эксплуатацию вакуумной коммутационной аппаратуры. Во-первых, величина перенапряжений при отключении нагрузки вакуумным выключателем (ВВ) может достигать значений, значительно превышающих диэлектрическую прочность изоляции электроустановки. Во-вторых, эти аппараты внедряются в электроустановки с частыми коммутациями. В-третьих, многократные повторные зажигания дуги в дугогасящей камере при неблагоприятных условиях могут привести к эскалации напряжения на вводах электроприемников.

Данная проблема наиболее актуальна для электроприемников с пониженным уровнем прочности изоляции: двигателей, длительно находящихся в эксплуатации или вышедших из капитального ремонта, гибких кабелей, трансформаторов с сухой изоляцией.

В период 2000 — 2006 г. интенсивно разрабатывались эффективные средства ограничения КП, такие как, ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН) и RC-ограничители.

Это позволило в некоторой степени снять остроту проблемы коммутационных перенапряжений, так как снизилось число пробоев изоляции кабельных линий, однако интенсивность пробоев изоляции обмоток электродвигателей и трансформаторов остается весьма высокой.

Это, в первую очередь, связано с отсутствием эффективной методики, позволяющей без сложных методов математического или физического моделирования определить величину максимальных перенапряжений в системе «выключатель — кабель — электродвигатель (трансформатор)» и спрогнозировать изменение величины КП в случае замены одного типа выключателей на другой или изменения параметров нагрузки.

Решение данной задачи является актуальным, так как, позволит обоснованно выбирать необходимые средства защиты от коммутационных перенапряжений и устанавливать их в тех местах, где будет обеспечиваться максимальная эффективность ограничителей.

Цель работы: разработка экспресс-методов оценки и прогнозирования коммутационных перенапряжений в высоковольтной системе «выключатель — кабель — электродвигатель (трансформатор)» и обоснование выбора средств ограничения коммутационных перенапряжений и мест их установки для обеспечения надежной и эффективной работы электродвигателей и трансформаторов в системах электроснабжения напряжением 6 — 10 кВ промышленных предприятий. Задачи исследования: 1. Проанализировать состояние современных исследований КП в системах электроснабжения 6−10 кВ промышленных предприятий и методов их оценки и прогнозирования.

2. Выполнить экспериментальные исследования перенапряжений, возникающих при коммутации электродвигателей и трансформаторов, и их статистическую обработку для выявления основных факторов, влияющих на величину и характер КП.

3. На основе современных методов программирования выполнить моделирование КП в системе «выключатель — кабель — электродвигатель (трансформатор)» для изучения влияния длины и сечения кабельной линии на величину и характер КП.

4. Разработать экспресс-методы оценки и прогнозирования КП в системах электроснабжения 6 — 10 кВ, позволяющие в короткий срок оценить кратность КП и обоснованно выбрать необходимые средства защиты. Объект исследования: системы «высоковольтный выключатель кабель — электродвигатель (трансформатор)», эксплуатируемые в системах электроснабжения 6−10 кВ промышленных предприятий.

Предмет исследования: коммутационные перенапряжения, возникающие в системе: высоковольтный выключатель — кабельная линия — электроприемник напряжением 6−10 кВ.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы методы теории электрических аппаратов, электрических цепей и электрических измерений, теории систем электроснабжения промышленных предприятий, численные методы решения уравнений, методы моделирования переходных процессов в электрических системах, методы математической статистики. Научная новизна работы:

1. Выявлено, что на величину КП основное влияние оказывает совокупность следующих факторов: вид коммутации, тип и мощность электроприемника, длина и сечение кабельной линии, тип коммутационного аппарата и частота коммутационного импульса (КИ), что является основой для разработки экспресс-методов оценки и прогнозирования КП при коммутации электроприемников;

2. Получены экспериментальные зависимости максимальных кратностей КП от типа и мощности электродвигателей и трансформаторов для масляных и вакуумных выключателей, что позволяет оценить кратность КП на вводах электроприемников при использовании указанных типов выключателей;

3. Установлена зависимость величины и характера КП от длины и сечения кабельной линии для различных частот коммутационных импульсов, что позволяет обосновать рациональные места установки средств ограничения КП;

4. Предложено учитывать влияние распределенной емкости кабельной линии по отношению к земле на величину КП с помощью понижающего коэффициента кратности КП на основе полученных зависимостей величины данного коэффициента от длины и сечения кабеля, связывающего выключатель с электроприемником. Практическая значимость работы заключается в следующем:

1. Разработаны экспресс-методы оценки и прогнозирования КП, позволяющие оценить величину КП в любом месте высоковольтной системы: «выключатель — кабель — электродвигатель или трансформатор», что позволяет определять точки с наибольшей кратностью КП и обоснованно выбирать необходимые средства защиты;

2. Определено, что наиболее эффективным средством защиты электродвигателей от КП является RC-гаситель, так как обеспечивает кратности КП не выше 1,8 и снижает частоту коммутационного импульса, что в свою очередь, позволяет кабельной линии частично снижать величину КП на зажимах электродвигателя;

3. Установлено, что по технико-экономическим показателям, для защиты трансформаторов, достаточно использовать нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН), предусмотрев при этом меры по устойчивой работе ОПН в режиме однофазного замыкания на землю;

4. На основе экспресс-методов оценки КП определены рациональные места установки средств защиты от КП для электродвигателей и трансформаторов: при длине КЛ не более 50 м — ячейка выключателя, а при длине К Л более 50 м — ввод электроприемника. Реализация полученных результатов: разработанные экспресс-методы оценки и прогнозирования коммутационных перенапряжений использовались при выборе средств защиты от КП электродвигателей и трансформаторов на следующих промышленных предприятиях: ОАО «Русал-Ачинск», ОАО «АНПЗ ВНК», ОАО «САЗ», ОАО «БрАЗ», ОАО «КрАЗ», ФГУП «ГХК», ООО «Красноярский цемент». За период эксплуатации с 2006 по 2010 г. не было зафиксировано ни одного случая выхода из строя электродвигателя или трансформатора по причине воздействия КП.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждаются совпадением расчетных значений КП на основе экспресс-методов и экспериментальных данных, полученных при измерениях в системах электроснабжения 6−10 кВ таких предприятий, как ОАО «Русал-Ачинск" — ОАО «АНПЗ ВНК" — ОАО «САЗ" — ОАО «БрАЗ" — ОАО «КрАЗ" — ФГУП «ГХК" — ООО «Красноярский цемент». Автор защищает:

1. Полученные зависимости максимальных кратностей КП от типа и мощности электродвигателей и трансформаторов для масляных и вакуумных выключателей, позволяют оценить кратность КП на вводах электроприемников;

2. Установленные зависимости понижающего коэффициента кратности КП от длины и сечения кабельной линии (КЛ) позволяют оценить влияние кабельной линии на величину перенапряжений при коммутации электродвигателей и трансформаторов;

3. Методы экспресс-оценки КП в системе: выключатель — кабельная линия — электроприемник напряжением 6−10 кВ, позволяют определить точки с максимальной кратностью КП в зависимости от параметров кабелей и электроприемников, частоты КИ и обоснованно выбрать необходимые средства защиты, как на стадии проектирования, так и в процессе эксплуатации данной системы;

4. Рекомендации по обоснованному выбору мест установки средств ограничения КП, основанные на использовании результатов экспресс-методов оценки и прогнозирования КП в системе «выключатель — кабельная линия — электроприемник».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских, межрегиональных и региональных конференциях: I Международная научно-практическая конференция «ИНТЕХМЕТ-2008» (г.Санкт-Петербург, 2008 г.) — Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективные материалы: получение и технологии обработки» (г. Красноярск, 2004 г.) — Всероссийская научная конференция «Наука. Технологии. Инновации» (г. Новосибирск, 2005 г.) — VIII Всероссийская научно-практическая конференция «Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города» (г.Красноярск, 2007 г.) — Всероссийская научно-техническая конференция «Инновационные технологии в обучении и производстве» (г. Камышин, 2005 г.) — Региональная межвузовская научно-техническая конференция «Перспективные технологии» (г. Ачинск, 2006 г.).

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 9 печатных работах, из которых: 1 статья из перечня ВАК, 2 статьи в периодических изданиях, 6 статей в сборниках трудов международных и российских конференций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, заключения, библиографического списка из 80 наименований. Основной текст диссертационной работы изложен на 144 страницах, проиллюстрирован 43 рисунками и 37 таблицами.

4.5 Выводы.

1. Полученная зависимость понижающего коэффициента кратности КП от длины и сечения кабельной линии, имеет нелинейный характер, с увеличением длины и сечения значение понижающего коэффициента увеличивается.

2. Разработанный экспресс-метод оценки КП в системе «выключателькабельная линия — электродвигатель (трансформатор)» достаточно прост в применении, поэтому может широко использоваться для оценки КП, как на стадии проектирования, так и в производственных условиях.

3. Установлено, что обобщенный коэффициент эффективности RC-ограничителя в 3 раза выше, чем у нелинейного ограничителя перенапряжений.

4. Установлено, что ОПН имеет низкую термическую устойчивость в режиме ОЗЗ и обладает «зоной замирания», если частота коммутационного импульса 45 кГц и более.

5. RC-ограничитель снижает частоту коммутационного импульса и скорость нарастания напряжения, так как является простым широкополосным фильтром.

6. Защиту электродвигателей от КП следует выполнять только на базе RC-ограничителей, а для защиты трансформаторов и кабельных линий можно использовать как RC-ограничители, так и ОПН.

7. Устройства защиты от КП необходимо располагать в непосредственной близости от объекта защиты, не далее 10 м от электродвигателей и не далее 15 м от трансформаторов.

Заключение

.

Основные научные и практические выводы диссертационной работы:

1. На основании экспериментальных данных и их статистической обработки выявлено, что основными факторами, влияющими на величину и характер КП, являются: вид коммутации, тип и мощность электродвигателя или трансформатора, длина и сечение кабельной линии и тип выключателя, исходя из чего построены зависимости между кратностью КП и мощностью электрической машины, позволяющие оценить уровень КП на вводах разных типов электродвигателей и трансформаторов при их отключении масляным или вакуумным выключателем.

2. Установлено, что снижение кратности КП, возникающих как на зажимах электроприемника, так и на зажимах выключателя, обусловленное длиной и сечением KJI, определяется понижающим коэффициентом кратности КП в зависимости от частоты КИ.

3. Экспериментальные исследования и компьютерное моделирование КП в системе «выключатель — кабельная линия — электроприемник» показали, что при отключении электродвигателей мощностью не более 2500 кВт вакуумным выключателем частота КИ не опускается ниже 45 кГц, что определяет слабое влияние кабельной линии на величину КП, возникающих на зажимах электродвигателя, которые могут превышать напряжение сети в 6,5 раз.

4. Доказано, что при коммутации электродвигателей и трансформаторов масляным выключателем, а так же при отключении трансформаторов любой мощности и электродвигателей 2500 кВт и более вакуумным выключателем, частота КИ не превышает 45 кГц, что позволяет частично ограничивать КП на вводах электродвигателей и трансформаторов за счет емкости кабельной линии, влияние которой оценивается с помощью понижающего коэффициента кратности КП.

5. Разработанные экспресс-методы оценки и прогнозирования КП в системе «выключатель — кабельная линия — электроприемник» на основе типа и мощности электроприемника, длины и сечения кабельной линии и типа выключателя, позволяют оценить кратности КП в любой точке данной системы, не выполняя детальных расчетов, что делает возможным выбор необходимых средств защиты от КП и рационализацию места их установки для эффективного ограничения КП.

6. Исходя из технико-экономических показателей обосновано, что для защиты высоковольтных электродвигателей от КП необходимо использовать RC-гасители, а при защите трансформаторов достаточно использовать ОПН, предусмотрев при этом специальные меры по термической устойчивости ОПН в режиме ОЗЗ, что позволит обеспечить кратности КП, не превышающие допустимых значений.