Обеспечение эффективности функционирования систем электроснабжения на основе компенсации однофазных замыканий на землю

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

Обеспечение эффективности функционирования систем электроснабжения на основе компенсации однофазных замыканий на землю

Филимонов С.А.

1. Общая характеристика работы

Актуальность работы. В состав энергосистемы России входит более 700 электростанций общей мощностью 215,6 млн. кВт. Основными источниками питания для большинства промышленных производств служат электрические станции и районные подстанции. Резкое повышение энергоемкости потребителей обусловливает быстрый рост распределительных сетей, что требует повышения безотказности их работы и ресурсов изоляции электрооборудования. Сегодня это целесообразно реализовывать в сетях 6-10-35 кВ с использованием современных технологий на основе резонансного заземления нейтрали. Связано это с тем, что установившиеся токи однофазных замыканий на землю определяются режимом работы нейтрали электрических систем.

Эксплуатационные показатели электрических сетей, методы локализации аварийных повреждений и условия безотказного электроснабжения потребителей в значительной степени определяются режимом заземления нейтрали. Это обусловлено тем, что более 75% аварийных повреждений в распределительных сетях 6-10-35 кВ вызваны однофазными замыканиями на землю. Они служат причиной основных нарушений, приводящих к перерывам электроснабжения потребителей. Под воздействием перенапряжений это способствует ускоренному старению изоляции, а также преждевременному выходу из строя высоковольтного электрооборудования. Поэтому исследования, ориентированные на разработку способов эффективной компенсации емкостных токов утечки при замыканиях фазы на землю, обеспечивают повышение эффективности электроснабжения предприятий, что, в настоящее время, особенно актуально.

Целью работы является обеспечение эффективности функционирования систем электроснабжения предприятий посредством компенсации однофазных замыканий на основе разработки способов точной настройки резонансного заземления нейтрали распределительных сетей подстанций 110/10/6 кВ и устранение нарушений изоляции токоведущих элементов при воздействиях внешних возмущающих факторов в системах электроснабжения.

Идея работы состоит в использовании рациональных приемов компенсации однофазных замыканий на землю путем устранения емкостных токов утечки распределительных сетей понижающих подстанций за счет регулирования суммарной емкости относительно индуктивности дугогасящего реактора, что отличается в использовании компенсирующего устройства, с изменением емкости которого реализуется компенсация проводимостей фаз контуров для настройки заземления нейтрали в режим резонанса токов.

Научная новизна заключается в:

- разработанном математическом описании, позволяющем реализовать нормализацию режима работы нейтрали распределительных сетей 6-10-35 кВ на понижающих подстанциях, отличающимся в учете вероятностей отказа узла нагрузки и повторного зажигания дуги при замыканиях фазы на землю;

- разработанном способе резонансного заземления нейтрали, который заключается в регулировании емкости сети относительно индуктивности ступенчатого дугогасящего реактора, отличающийся тем, что на нейтрали включается компенсирующее устройство с регулируемой емкостью;

- методике подбора и регулирования емкости компенсирующего устройства, подключаемого параллельно индуктивности реактора, которая отличается тем, что предусматривает расчеты степеней расстройки от резонанса.

Практическая ценность состоит в том, что принципы компенсации емкостных токов утечки при замыканиях фазы на землю позволяют точно настраивать резонансное заземление нейтрали распределительных сетей без нарушения в их структуре и замены электрооборудования. Метод оценки безотказности электроснабжения понижающих подстанций применим для предприятий, системы которых располагают значительным числом коммутационных аппаратов. Методика диагностики ресурсов изоляции кабельных линий может быть использована при проектировании, модернизации или реструктуризации систем электроснабжения.

Методы и объекты исследования. При выполнении работы использованы методы математической статистики, математического моделирования и инженерного эксперимента. Теоретические изыскания сопровождались разработкой математических моделей. Экспериментальные исследования проводились в реальных производственных условиях эксплуатации распределительной сети 6 кВ подстанции «Привокзальная» с учетом действующего электрооборудования и токоведущих частей. Осуществлена программная реализация решения задач на ЭВМ.

Достоверность результатов и выводов подтверждена: формулировкой задач исследования, сделанной исходя из анализа эксплуатации контуров нулевой последовательности распределительных сетей с различными режимами заземления нейтрали; математическим обоснованием разработанных зависимостей; предварительной выборкой данных, полученных в производственных условиях при помощи современных измерительных приборов; хорошей сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Реализация работы. Научные и практические результаты диссертационной работы использованы в системе электроснабжения подстанции «Привокзальная» ОАО «МРСК-Центра» - «Липецкэнерго» в качестве внедрения способа настройки резонансного заземления нейтрали трехфазных электрических сетей переменного тока. Их применение позволило снизить частоту отказов воздушных и кабельных линий системы электроснабжения подстанции на 30-35%. Ожидаемый экономический эффект составил 251,2 тыс. рублей за год. Разработки внедрены в учебном процессе ГОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет» по образовательной программе «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений».

Апробация работы. Положения диссертационной работы обсуждались на семинарах III-ей международной выставки-интернет-конференции «Энергообеспечение и строительство», VII-й международной научно-практической выставки-интернет-конференции «Энерго- и ресурсосбережение XXI век», г. Орел, 2009.

Публикации. По теме диссертации опубликовано девять печатных работ.

2. Содержание работы

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель, раскрыта научная новизна, практическая ценность работы, приведены результаты апробации, а также реализации теоретических и практических исследований.

В первой главе проведен информационный анализ литературных источников, позволивший установить, что наиболее перспективным способом обеспечения эффективности функционирования системы электроснабжения ответвительных подстанций является повышение точности в настройке резонансного заземления нейтрали распределительных сетей 6-10-35 кВ, заключающееся в устранении негативного воздействия возмущающих факторов, вызывающих емкостные токи короткого замыкания на землю. Создана классификация факторов согласно причинно-следственной связи, условно выделены виды возможных нарушений и мероприятия по их предотвращению. Установлено, что для уменьшения тока замыкания на землю, скорости восстановления напряжения на поврежденной фазе после гашения заземляющей дуги, кратности перенапряжений при повторных зажиганиях дуги и создания условий для ее самопогасания внедряется компенсация емкостного тока в сетях с резонансным заземлением нейтрали.

Одним из этапов в работе является исследование методов ограничения, а также возможности полного устранения негативных последствий от воздействия емкостных токов утечки в распределительных сетях систем электроснабжения электрических подстанций.

Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

- формирование статистических показателей условий эксплуатации распределительных сетей и элементов изоляционных конструкций;

- определение и классификация причинно-следственных связей емкостных токов замыкания на землю, а также мероприятий по их устранению;

- разработка закономерностей влияния последствий от емкостных токов замыкания на эффективность электроснабжения понижающих подстанций;

- разработка способа настройки резонансного заземления нейтрали распределительных сетей понижающих подстанций;

- разработка методов прогнозирования отказов систем электроснабжения от возмущающих факторов, приводящих к однофазным замыканиям на землю;

- создание методики повышения эффективности электроснабжения на основе предупреждения и устранения нарушений изоляции токоведущих частей.

Во второй главе определены параметры электрической сети в режиме замыкания фазы на землю, разработаны математические зависимости и модели к построению методики резонансной настройки контура нулевой последовательности сети. Для компенсации емкостных составляющих создана схема замещения трехфазной цепи (рис. 1). Схема смоделирована в общем виде и позволяет выделить параметры параллельного контура для реализации режима резонанса токов - равенства проводимостей путем подбора требуемой добавочной емкости. Располагая значениями емкостей фаз сети и индуктивности реактора, определяют результирующую проводимость:

. (1)

Знак перед b_? определяет направление настройки заземления нейтрали в режим резонанса токов. Когда , то необходима компенсация емкостного тока; при - компенсация индуктивного тока реактора; если , то необходимости в компенсации нет. Результирующую проводимость предлагается выражать активно-емкостными параметрами добавочной ветви:

, (2)

где С_д - требуемая добавочная емкость компенсирующего устройства, мкФ; R_д - активные потери компенсирующего устройства, Ом.

Приравнивая попарно (1) и (2), можно выразить и требуемую добавочную емкость компесирующего устройства:

; (3)

. (4)

Выражение (4) справедливо при эксплуатации сетей 6-35 кВ в нормальном режиме. Однако, не менее 75% всех повреждений в них обусловлено однофазными замыканиями на землю.

Рисунок 1 - Схема замещения цепи с резонансным заземлением нейтрали

Поэтому предполагается введение коэффициента . Он учитывает негативное влияние возмущающих факторов на параметры сети при замыкании фазы в отношении вероятности отказа участка сети и повторного зажигания дуги . Его значения носят эмпирический характер, они приведены в табл. 1.

Таблица 1- Опытные значения коэффициента сетей 6-35 кВ с LC-нейтралью

При этом выражены с учетом изменения удаленности места замыкания и параметров линий электропередачи.

, (5)

где - требуемая величина добавочной емкости компенсирующего устройства, мкФ; - коэффициент, учитывающий изменения параметров электрической сети в режиме однофазного замыкания на землю, значения которого принадлежат интервалу ; - результирующая проводимость резонансной цепи, мСм; - угловая частота сети, ; - активные потери компенсирующего устройства, Ом.

Предложенный подход к компенсации емкостных токов смоделирован на базе математических моделей для уровней напряжения 6-10-35 кВ при учетах ступеней тока заземляющих реакторов: ЗРОМ-350/6, ЗРОМ-300/10 и ЗРОМ-550/35. Промежуточные и конечные результаты сведены в табл. 2 для сети 6 кВ.

Таблица 2 - Параметры настройки резонансного заземления нейтрали сети 6 кВ

В третьей главе проведен анализ функционирования систем электроснабжения ответвительных электрических подстанций на примере «Привокзальной» 110/6 кВ. Выявлено, что однофазные замыкания на землю, в том числе дуговые, являются причиной повреждаемости трансформаторов напряжения. Для контроля изоляции в сетях с изолированной нейтралью предложено использовать токи утечки опорных изоляторов или высоковольтных конденсаторов с нулевой точкой «звезды» сопротивлений. Исследования показывают, что точная резонансная настройка заземления нейтрали в сетях 6-35 кВ позволяет повысить надежность работы защитных разрядников. Перенапряжения, возникающие при дуговых замыканиях, ограничиваются до (2,5-, и они безопасны для изоляции электрооборудования и токоведущих частей. При этом требуемая безотказность распределительных линий может быть обеспечена без грозозащитного троса. Количество переходов однофазных замыканий на землю в многофазные со срабатыванием максимальной токовой защиты сокращается по отношению к сетям со статической компенсацией в 4,04 раза.

Параметры функционирования электрооборудования распределительных сетей предложено описывать случайными событиями - отказами и наработками на отказ. Если из системы выделить единицу электрооборудования, то в качестве математической модели его работы можно использовать стационарный независимый поток прямоугольных импульсов. Импульсы описывают тем же законом распределения, что и наработки на отказ, а паузы - законом распределения продолжительностей отказов. Вероятности появления отказов и восстановления оцениваются через средние параметры потока:

; , (6)

где - средняя длительность импульсов; - средняя пауза.

Для любого потока частоты импульсов и пауз должны быть равными. В случае использования законов распределения средние значения длительностей и пауз , т.е. их математические ожидания, определяются по зависимостям:

; , (7)

где - это плотность вероятности длительности наработки на отказ единицы электрооборудования; - плотность вероятности времени восстановления отказов в распределительной сети.

По плотностям вероятности длительностей импульсов и пауз случайного элементарного потока определяется безотказность электрооборудования: параметр потока отказов, интенсивность отказов и вероятность безотказной работы. Возможен и обратный переход от параметров безотказности электрооборудования к зависимостям элементарного импульсного потока, что позволяет описывать прерывистые и изменяющиеся во времени физические процессы электрических подстанций. Определены и параметры безотказности функционирования системы электроснабжения подстанции с автоматической и ручной настройкой резонансного заземления нейтрали распределительных сетей. Сравнение текущих и полученных данных показывает, что длительность между аварийными отключениями секции шин 0,4 кВ с полной компенсацией емкостных токов повысится в 2,89 раза до 0,24 года.

В четвертой главе выполнена технико-экономическая оценка внедрения компенсации емкостных токов замыкания на землю. Исследование режимов заземления нейтрали предложено формализовать через векторный критерий эффективности системы электроснабжения :

, (8)

где - абсолютное число дуговых пробоев изоляции, которая накапливает кумулятивные эффекты; - интеграл, учитывающий кратность сверхнормативных перенапряжений; , , - число междуфазных коротких замыканий, отключений единичных электроустановок при однофазных замыканиях и групповых отключений нагрузок соответственно; - величина активной мощности, выделяемой в месте замыкания фазы на землю; - количество электричества, оценивающее электробезопасность; - число однофазных замыканий, не устраняемых без ремонта сети; - длительность простоев установок из-за отсутствия электроэнергии; S_эр - стоимость затрат на поддержание и профилактику изоляции, а также всей защитной аппаратуры.

Минимизация каждого из элементов (8) соответствует минимальной длине вектора, что ведет к повышению эффективности функционирования системы электроснабжения при оптимизации процессов самозащиты сетей 6-35 кВ. Сведение векторного критерия к скалярному осуществляется с помощью линейной или квадратичной формы:

, (9)

где - весовые коэффициенты каждого компонента векторного критерия качества функционирования системы электроснабжения.

По результатам проведенных исследований предложено оценивать ресурсы изоляции электроустановок с параметрическим учетом температуры нагрева проводников в режиме однофазного замыкания на землю по следующей математической зависимости:

, (10)

где - расчетное число часов в году, час; - эффективное время минимизации длительности замыканий на землю, час; - продолжительность дуговых замыканий на землю без компенсации емкостных токов утечки; - температурный коэффициент сопротивления металлических частей проводника; - конечная температура проводника с учетом теплоотдачи в изоляцию, .

Параметр предложено определять в зависимости от степени компенсации емкостных токов для распределительных сетей без резонансного заземления нейтрали, с ручной и автоматической компенсацией. Графическая зависимость долговечности изоляционного материала от длительности аварий в кабельной сети 6 кВ с учетом теплового спада тока короткого замыкания приведена на рис. 2, где 1 - алюминиевые жилы 90 мм²; 2 - медные жилы 50 мм².

В расчетах минимального тока короткого замыкания рекомендуется учитывать сопротивление электрической дуги и увеличение активного сопротивления проводников вследствие их нагрева - эффект теплового спада тока короткого замыкания. В отношении изоляции электроустановок и коммутационных аппаратов определяющей служит конечная температура нагрева проводника с учетом тепло-отдачи в изоляцию. Этот параметр предлагается использовать при оценке эффекта теплового спада тока замыкания фазы, когда активное сопротивление проводника составляет менее 20% от суммарного индуктивного сопротивления цепи. Параметр срока службы изоляции необходимо вводить в зависимость для определения затрат на усиление системы электроснабжения подстанций:

Рисунок 2 - Ресурс изоляции кабельной сети 6 кВ от длительности замыкания

, (11)

где - дополнительные затраты на установку или модернизацию оборудования, руб.; I - нормативный коэффициент (учетная ставка); - срок службы (ресурс) изоляции электроустановок с учетом полной компенсации, год.

Установлено, что автоматическая компенсация емкостных токов кабельной сети обеспечивает повышение ресурса изоляции токоведущих элементов на 92% от их срока службы без резонансной настройки заземления нейтрали. Это позволяет снизить частоту отказов питающих линий на 30-35%. При усилении системы электроснабжения с повышением безотказности функционирования ее изоляционных элементов следует учитывать возмущающие факторы. Методика расчета ресурсов изоляции с учетом параметров компенсации емкостных токов замыкания позволяет снизить частоту отказов кабельных линий до 4,174 в год. В ходе оценки экономических потерь установлено, что ожидаемый экономический эффект для типовой ответвительной подстанции со ступенями напряжения 110/6 кВ составляет 251200 руб./год.

электроснабжение нейтраль изоляция токоведущий

Заключение

В представленной работе реализовано решение комплекса актуальных на сегодняшний день задач по вопросам повышения безотказности функционирования распределительных сетей в системах электроснабжения с учетом негативного влияния емкостных токов однофазного замыкания на землю. Разработаны технические приемы для повышения эффективности и надежности эксплуатации систем электроснабжения понижающих подстанций. Предложены способы для компенсации емкостных токов утечки и оценки влияния точности резонансной настройки заземления нейтрали на поведение защит распределительных сетей 6-10-35 кВ при замыканиях фазы на землю. Установлен векторный многокомпонентный критерий для оценки эффективности электроснабжения с обоснованием оптимального режима заземления нейтрали.

Основные научно-практические результаты и выводы диссертации:

1. Установлено, что при эксплуатации распределительных сетей электрических подстанций необходимо учитывать внешние возмущающие факторы. Это и позволяет разработать рациональную методику прогнозирования отказов и оценки срока службы изоляции электроустановок в зависимости от компенсации токов однофазного замыкания.

2. Выявлены закономерности в отношении взаимосвязи режимов работы нейтрали электрических систем и динамики изменения параметров замыканий фазы на землю. Наиболее эффективным способом защиты сетей 6-35 кВ в данном случае является заземление их нейтралей через дугогасящий реактор.

3. В целях обеспечения самозащиты распределительной сети разработана математическая модель, позволяющая оценивать и регулировать параметры заземления нейтрали. Реализация модели позволяет осуществлять точную резонансную настройку контура нулевой последовательности с учетом возмущающих факторов без изменения структуры схемы электроснабжения подстанций. В режиме однофазного замыкания при этом учитываются вероятности отказов участка сети и повторного зажигания дуги.

4. Подтверждено, что суммарная емкость сетей с LC-нейтралью подвержена изменениям от различных возмущений, тогда как индуктивность ступенчатых реакторов имеет фиксированное значение. На сегодняшний день в электрических системах с резонансным заземлением нейтрали не удается добиться точности в настройке резонанса токов с помощью серийных технических устройств, что ведет к авариям при замыканиях фазы на землю. Ограничения действия дуги нужно добиваться компенсацией тока замыкания током реактора.

5. С учетом районов эксплуатации электрических подстанций выявлены зависимости повреждаемости распределительных сетей 6-10 кВ от влияния эффективности компенсации емкостных токов утечки, грозовых перенапряжений и оснащенности средствами грозозащиты. Установлено, что резонансное заземление нейтрали с компенсацией емкостных токов позволяет улучшить условия работы вентильных разрядников. В этом случае перенапряжения, возникающие при дуговых замыканий, ограничиваются до безопасного для изоляции уровня в (2,5-2,6)E_m, доля повреждений от замыканий фазы на землю снижается до 2%, а эквивалентная длительность замыканий - до 0,07 часа.

6. Предложена усовершенствованная методика для оценки вероятностно-статистических показателей безотказности систем электроснабжения распределительных подстанций с учетом нарушений различной этиологии («короткое замыкание», «обрыв цепи» и «скрытый отказ»). Данная методика позволяет повысить длительность между аварийными отключениями секции шин 0,4 кВ в 2,89 раза и сократить восстановления узла нагрузки до величины год посредством компенсации емкостных токов утечки при замыканиях фазы на землю.

7. Предложен многокритериальный подход оценки эффективности систем электроснабжения для учета производственных потерь. Данный подход позволяет комплексно повысить эффективность электроснабжения через предупреждение и устранение возможных нарушений изоляционных элементов оборудования в 1,8-2,3 раза на основе перехода к сетям с нейтралью, заземленной через настроенный дугогасящий реактор в сочетании с компенсацией и остаточных, и активных составляющих на поврежденной фазе.

8. Разработана методика определения сроков службы изоляции кабельных линий в зависимости от совершенства средств и способов компенсации емкостных токов утечки в режиме однофазного замыкания на землю. Полученные результаты позволяют оценить автоматическую настройку устройств компенсации. Технико-экономический эффект достигается за счет предотвращения повреждений электрооборудования и повышения безотказности работы сетей при возникновении замыкания и снижения недоотпуска электроэнергии потребителям. Для кабельной сети обеспечивается повышение ресурса изоляции токоведущих элементов на 92% от их срока службы без резонансной настройки заземления. Реализация предложенной методики позволяет снизить частоту отказов питающих воздушных и кабельных распределительных линий на 30-35%. Экономический эффект, выражающийся в сокращении длительности перерывов электроснабжения потребителей подстанции 110/6 кВ «Привокзальная» ОАО «МРСК-Центра» - «Липецкэнерго», составляет 251,2 тыс. руб. в год.

Работы, опубликованные по теме диссертации

1. Филимонов, С.А. Старение изоляции распределительных сетей промышленных предприятий [Текст] / С.А. Филимонов // Вести высших учебных заведений Черноземья. - 2006. №2. - С. 28-30.

2. Шпиганович, А.Н. Воздействие возмущающих факторов на изоляцию распределительных сетей электроснабжения [Текст] / А.Н. Шпиганович, С.А. Филимонов, И.А. Черных // Вести высших учебных заведений Черноземья. - 2006. №3. - С. 34-38.

3. Филимонов, С.А. Зависимость ресурса изоляции кабельной сети от длительностей однофазного замыкания на землю [Текст] / С.А. Филимонов // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2009. №2. - С. 288-291.

4. Шпиганович, А.Н. Математическая модель резонансного заземления нейтрали распределительных электрических сетей [Текст] / А.Н. Шпиганович, С.А. Филимонов // Вести высших учебных заведений Черноземья. - 2009. №3. - С. 51-55.

5. Шпиганович, А.Н. Эффективность защиты от перенапряжений с компенсацией токов замыкания на землю [Текст] / А.Н. Шпиганович, С.А. Филимонов // Сборник материалов III международной выставки-интернет конференции «Энергообеспечение и строительство». - ч.1. - Орел: Изд-во ООО «Картуш», 2009. - 344 с.: С. 77-81.

6. Филимонов, С.А. Оценка повреждаемости измерительных трансформаторов напряжения при однофазных замыканиях [Текст] / С.А. Филимонов // Вести высших учебных заведений Черноземья. - 2009. №4. - С. 9-13.

7. Филимонов, С.А. Автоматическая компенсация емкостных токов как средство защиты от однофазных коротких замыканий на землю [Текст] / С.А. Филимонов // Энерго- и ресурсосбережение XXI век: сб. материалов VII-й международной научно-практической выставки-интернет-конференции / Под ред. д.т.н., проф. В.А. Голенкова, д.т.н., проф. А.Н. Качанова, д.т.н., проф. Степанова. - Орел: ООО «Издательский дом «ОРЛИК» и К», 2009. - 204 с.: С. 112-115.

8. Филимонов, С.А. Оценка эффективности средств автоматической компенсации емкостных токов утечки [Текст] С.А. Филимонов // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2010. №1. - С. 273-276.

9. Филимонов, С.А. Критериальный подход оценки эффективности функционирования систем электроснабжения [Текст] / С.А. Филимонов // Вести высших учебных заведений Черноземья. - 2010. №1. - С. 3-9.

Размещено на Allbest.ru