Исследование процессов и разработка рекомендаций по снижению негативного действия перенапряжений вследствие замыкания на корпус трансформатора

Широкое внедрение в последние годы во все сферы человеческой деятельности новых высокопроизводительных устройств и технологий помимо несомненной пользы для общества принесло и проблемы, связанные с ухудшением качества поставляемой потребителям электрической энергии. Только проведение эффективной государственной политики, создание системы мер государственного регулирования в области обеспечения электромагнитной совместимости технических средств сможет обеспечить такие условия, при которых качество производимой и потребляемой электрической энергии будет отвечать требованиям, установленным Государственными стандартами.

Электрическая энергия — вид энергии, выступающий в условиях рыночных отношений как товар, отличающийся особыми потребительскими и физико-техническими свойствами, в том числе:

— невозможностью складирования и возврата;

— совпадением во времени процессов производства и потребленияопасностью поражения электрическим током живых организмов;

— характеристиками качества, обусловленными процессами производства и транспортирования, а также потребления электрической энергии.

Характеристики качества электрической энергии оказывают существенное влияние на безопасность жизни и здоровья людей, надежность и экономичность работы современных технических средств, в том числе средств вычислительной техники, связи, автоматического управления и других электроустройств.

Электромагнитные помехи являются одной из наиболее частых причин нарушения функционирования технических средств.

В зависимости от местоположения генератора помех, источники можно классифицировать на внутренние, в случае его нахождения внутри рассматриваемого объекта и внешние, когда искажения передаются из вне.

Причинами внутренней генерации помех является проектирование и конструирование технических средств без учета параметров электромагнитной совместимости.

Основным методом снижения уровней внешних искажений является установка жестких норм на допустимую эмиссию помех уже подключенных источников, а также создание определенного порядка согласования при присоединении нового оборудования.

Следует отметить, что очень часто у потребителей существует мнение, что задача обеспечения электромагнитной совместимости лежит только на разработчике оборудования. Это в корне неверное мнение, поскольку возможности разработчика не безграничны и определяются, как способностью обеспечения снижения влияния помех техническими средствами, так и экономическими, организационными и правовыми факторами влияния на ту обстановку, в которой будет установлено оборудование.

Электрическая энергия, как любой иной вид продукции, характеризуется совокупностью свойств, обусловливающих потребительскую пригодность ее для нормальной работы электрооборудования потребителей электроэнергии. Перечень свойств, обусловливающих потребительскую пригодность электроэнергии, и показателей, количественно характеризующих эти свойства, а также нормативные требования к значениям показателей установлены в ГОСТ 13 109–97 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения». К указанным свойствам относятся такие как: отклонение напряжения, колебание напряжения, несинусоидальность напряжения, несимметрия напряжения, отклонение частоты, провал напряжения, импульс напряжения, временное перенапряжение.

Приведенный перечень свойств электрической энергии широк, однако не все они хорошо изучены. Таким свойством электроэнергии является перенапряжение. В силу чего в действующем стандарте не были установлены численные нормированные значения, характеризующие такой показатель качества электроэнергии как коэффициент временного перенапряжения.

По материалам зарубежной литературы /17/ 16% всех неполадок, имеющих место в электрической сети, составляют перенапряжения.

Однако в нашей стране данному показателю качества электрической энергии вплоть до сегодняшнего дня придавалось неоправданно малое значение.

Согласно /13/ временное перенапряжение это повышение напряжения в точке электрической сети выше 1.1 ином продолжительностью более 10 мс, возникающее в системах электроснабжения при коммутациях или коротких замыканиях.

Все возникающие в электрических сетях перенапряжения, могут в общем случае разделены на внутренние и внешние /27/.

Источником происхождения внешних перенапряжений в системах электроснабжения является грозовой разряд между облаком и землей.

Внутренние перенапряжения вызываются колебаниями электромагнитной энергии, запасенной в элементах электрической энергии или поступающей в нее от генераторов. В зависимости от условий происхождения и возможной длительности различают коммутационные и резонансные перенапряжения /18/.

Резонансные явления в электрических системах развиваются в форме линейного, параметрического или нелинейного резонанса. Признаком резонансного режима в электрических сетях является совпадение или близость частоты собственных колебаний к частоте источника напряжения, периодическое изменение какого-либо параметра электрической сети внешними силами (индуктивность, взаимная индуктивность, емкость), наличие в сети элементов с нелинейной индуктивностью (шунты намагничивания трансформаторов и реакторов).

Необходимо отметить, что подавляющее большинство перенапряжений, зафиксированных в странах ЕЭС и России, имеют коммутационную природу /27/.

Причиной возникновения коммутационных перенапряжений могут являться переходные явления, вызванные разного рода коммутациями в электросети: включение, выключение, устранение короткого замыкания и т. д. /9/. Максимальное значение напряжения определяется главным образом моментом коммутации по отношению к напряжению питающей сети. Наибольшее перенапряжение возникает, когда включение происходит в момент прохождения максимума синусоидой питающего напряжения.

Величина коммутационного перенапряжения зависит от многих параметров: от типа сети, вида коммутационной операции (включение, выключение), характера и величины нагрузки и т. д.

В большинстве случаев максимальное напряжение не превышает двукратной амплитуды напряжения сети, но возможно появление и более высоких значений, особенно при коммутациях реактивных нагрузок (двигатели, трансформаторы, конденсаторы и т. д.).

Переходные процессы, приводящие к перенапряжениям, протекают в многоканальной системе с сосредоточенными и распределенными параметрами, часть которых нелинейно зависит от частоты, напряжения и тока. Кроме того, это задача — статистическая, требующая рассмотрения большого числа вариантов, в которых изменяются различные факторы и их сочетания.

Расчет и прогнозирование перенапряжений в электрических системах являются основой выбора уровня изоляции и соответствующих защит.

Целью работы данной работы является: анализ перенапряжений и.

TTPrPYr"TTWT.TY ТТГГ"ТТ<="Г>Г, Г"Тг ТЭтЦТЛТ^ЯХГЧТТТТЛЛ' ППП QQA/f t-Tf С1г1Т/ГТД Т/Г 1лоол/гт1тг'оит^тд rhooilT. — —-^^". ". — -. J. —. ¦ ~ — ~ ^ .— J.^.. —-' 1 ¦ I,... «АЛ^ДЛ .J Ч. '1U111ДА ^M^lTAl/llVVbJAIAXl —- 1 Л высокого напряжения на корпус трансформатора, и разработка мероприятий по предотвращению нежелательных последствий от таких перенапряжений.

Для достижения этой цели в работе решались следующие задачи: 1. Анализ статистических данных о пожарах, причиной которых являлись нарушения в работе электротехнического оборудования. 2. Определение наиболее вероятной зоны и источника возникновения пожара.

3. Исследование переходных процессов, возникающих в результате замыкания фазы высокого напряжения на корпус трансформатора 6(10)/0,4 кВ.

4. Определение аналитической зависимости вероятности возникновения пожара при замыкании фазы высокого напряжения на корпус трансформатора от величины тока переходного процесса, длины и типа используемых проводников и случайных факторов.

5. Обзор существующих электроизоляционных материалов, применяемых при производстве кабелей и проводов, для выбора наиболее термически стойких и электрически прочных.

6. Разработка мероприятий по предотвращению пожаров от воздействия перенапряжений, возникающих при замыкании фазы высокого напряжения на корпус трансформатора 6(10)/0,4 кВ.

Методы проведения исследований.

Исследования, проведенные в ходе работы, базируются на использовании теоретических основ электротехники, методов математического моделирования, компьютеризированной разработки исследуемой модели.

Научная новизна результатов исследований заключается в следующем:

1. Применены существующие методики для исследования переходного процесса при замыкании на корпус трансформатора 6−10/0.4 кВ.

2. Разработан алгоритм протекания процессов, возникающих в результате замыкания на корпус трансформатора с глухозаземленной нейтралью.

3. Разработана математическая модель для отображения процессов, протекающих в электрических сетях при замыкании на корпус трансформатора, реализованная в виде расчетных схем программы Electronics Workbench.

4. Разработаны мероприятия по снижению количества пожаров при замыкании фазы высокого напряжения на корпус трансформатора.

Практическая значимость работы:

1. Разработана модель, позволяющая учесть влияние активных и индуктивных сопротивлений линии напряжения 6−10 кВ, а также активных, индуктивных сопротивлений и системы намагничивания трансформатора на переходные процессы, возникающие на стороне 0,4 кВ при замыкании фазы высокого напряжения на корпус трансформатора.

2. Выбраны наиболее термически стойкие и электрически прочные изоляционные материалы, используемые при производстве кабелей и проводов.

3. Предложено использование зоновой концепции защиты от импульсных грозовых перенапряжений, разработанной МЭК, для защиты сетей 0,4 кВ от перенапряжений, возникающих при замыкании фазы высокого напряжения на корпус трансформатора.

4. Рекомендовано:

— осуществлять прокладку проводников в специальных пластмассовых плинтусах;

— применять проводники с медными жилами;

— ужесточить контроль за состоянием эксплуатируемого оборудования;

— не применять проводники с завышенным сечением;

— предусматривать установку устройств ограничителей перенапряжения.

На защиту выносится: ¡-.Методика и результаты расчета переходного процесса при замыкании фазы высокого напряжения на корпус трансформатора.

2. Аналитическая зависимость определения вероятности возникновения пожара при замыкании фазы высокого напряжения на корпус трансформатора от величины тока переходного процесса, длины и типа используемых проводников и случайных факторов.

3. Рекомендации по использованию изоляционных материалов, применяемых при производстве кабелей и проводов, обеспечивающих наибольшую термическую стойкость и электрическую прочность.

4. Мероприятия по снижению вероятности возникновения пожаров при замыкании фазы высокого напряжения на корпус трансформатора.

Апробация работы:

1. Седьмая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». г. Москва. 27−8 февраля 2001 г.

2. Восьмая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». г. Москва. 28 февраля — 1 марта 2002 г.

3. XIX Международная межвузовская школа-семинар «Методы и средства технической диагностики». г. Йошкар-Ола.1−7 июля 2002 г.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Проведен анализ статистических данных причин, источников и зон возникновения пожаров. По результатам, которого было установлено, что возникновение пожаров в большинстве случаев происходит в селитебной зоне. Наиболее вероятными источниками возникновения пожара являются кабели и провода. Возникновение пожаров в 42% случаев произошло по причине нарушение правил эксплуатации.

2. Выполнен сравнительный анализ методов расчета переходных процессов при замыкании фазы высокого напряжения на корпус трансформатора.

3. Показано, что метод Е. Ф. Цапенко может быть применен при исследовании указанного режима только для расчета импульса напряжения, возникающего в первый момент переходного процесса на нейтрали трансформатора.

4. Создана модель исследуемого режима приближенная к реальной, позволяющая рассчитать переходные процессы, трансформируемые через обмотки трансформатора в сеть низкого напряжения. Посредством программы Electronics Workbench проведены измерения токов и напряжений на низкой стороне трансформатора для схемы с заданными параметрами.

Установлен общий вид переходного режима при замыкании фазы высокого напряжения на корпус трансформатора, который представляет импульс напряжения амплитудой 8,5 кВ в фазных и нулевом проводниках, переходящий в установившемся режиме к номинальному напряжению сети. При прерывании замыкания в фазных проводах возникает импульс напряжения амплитудой 2,4 кВ, переходящий в установившемся режиме также в номинальное напряжение.

Впервые оценена величина импульса, возникающего при прерывании замыкания фазы высокого напряжения на корпус трансформатора. Показано, что длительность переходного процесса и амплитудное значение импульса напряжения зависят от вида ЛЭП 10 кВ, момента и вида коммутации.

5. На основании анализа электротепловых процессов, описанных Г. И. Смелковым, получены следующие закономерности, позволяющие оценить вероятность возникновения пожара при заданых параметрах сети:

— наибольшая вероятность возникновения пожара соответствует кратностям тока от 3−5,5 до 13−18, при кратностях тока превышающих 13−18 наиболее вероятен тепловой взрыв проводника;

— для проводников большего сечения характерна большая вероятность возникновения пожара от поверхностного оплавления и выброса частиц метала.

6. По результатам анализа электроизоляционных материалов, используемых при производстве кабелей и проводов в качестве наиболее термически стойких и электрически прочных были рекомендованы:

— поливинилхлоридные пластикаты — для изоляции кабелей и проводов, используемых при одиночном монтаже;

— Ф-50 (сополимер тетрафторэтилена с перфтор-(алкилвиниловыми) эфирами) и АППР (резина типа РНИ) — для проводов и кабелей при групповых прокладках, в качестве изоляционного материала не распространяющего горение;

— полиамидно-фторопластовые пленки — для скрепления сердечников кабелей и в качестве защитных покровов кабеля между антикоррозийным битумным покрытием и слоем пластмассы.

7. Получена аналитическая зависимость вероятности возникновения пожара при замыкании фазы высокого напряжения на корпус трансформатора 10/0.4 кВ от величины тока переходного процесса, длины и типа используемых проводников и случайных факторов.

8. Показано, что устанавливаемые устройства защиты в типовых схемах электроснабжения не обеспечивают защиту от перенапряжений.

9. Рекомендована зоновая концепция защиты от импульсных грозовых перенапряжений, разработанная МЭК, в качестве варианта защиты сетей 0.4 кВ от перенапряжений возникающих при замыкании фазы высокого напряжения на корпус трансформатора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.