Исследование резонансных процессов на высших гармониках в несимметричных режимах работы систем электроснабжения

Диссертационная работа посвящена исследованию резонансных процессов на высших гармониках в несимметричных режимах работы систем электроснабжения (СЭ). Ее отличие от многочисленных ранее выполненных работ по анализу несинусоидальных режимов состоит в акцентировании внимания на важной и, порой определяющей, специфике несимметричных несинусоидальных режимов.

Прежде чем дать аргументированную актуальными исследованиями необходимость исследования несимметричных несинусоидальных режимов приведем основные положения, свидетельствующие о необходимости внимательного изучения несинусоидальных режимов, под которыми обычно понимают электрические режимы СЭ, когда фазные токи и напряжения помимо основной частоты содержат некоторый спектр высших гармоник. Обычно, высшие гармоники возникают в тех СЭ, в которых имеются так называемые нелинейные потребители, имеющие отклоняющиеся от синусоиды фазные токи при подаче синусоидального напряжения на его зажимы — различного рода преобразователи переменного тока в постоянныйнагрузки с регулированием тока за счет задержки момента начала проводимостиэлектроустановки, использующие электрическую дугу (дуговые печи, сварочные аппараты и др.) — шунты намагничивания трансформаторов и электродвигателейоднофазные нагрузки бытовых потребителей и др. [1−5].

Несинусоидальные режимы отличаются большим непостоянством гармонических спектров, поскольку в отличие от режимов на первой гармонике, ради которых сооружаются и эксплуатируются СЭ, режимы на высших гармониках существенно зависят от наличия в электрических сетях емкостных элементов, в том числе и специально установленных КБ для компенсации реактивной мощности, которые могут приводить к возникновению резонансных процессов на высших гармониках в диапазоне относительных частот V (по отношению к частоте первой гармоники 50 Гц), генерируемых нелинейными электроприемниками и бытовыми потребителями (у = 3 — 40) [1−7].

При резонансах напряжения и токи могут стать соизмеримыми с номинальными токами и напряжениями, ориентированными на основную частоту, что приводит к опасным перегрузкам по току, перенапряжениям, к большим добавочным потерям энергии и неправильности ее учета, к старению изоляции, к аварийному повреждению электрооборудования. Элементом, особенно чувствительным к появлению высших гармоник в СЭ, является КБ, сопротивление которой, как известно, уменьшается пропорционально частоте протекающего через нее тока.

Опасные несинусоидальные режимы возникают не во всех СЭ. Для этого должны существовать определенные условия, связанные с мощностью нелинейных элементов, со спецификой частотных характеристик входного сопротивления узлов нагрузки и электрической сети, зависящих, в основном, от параметров КБ и токоограничивающих реакторов.

В России имеются регионы, в которых опасные усиления высших гармоник особенно характерны — это районы Восточной Сибири с развитой алюминиевой промышленностью и электротранспортом на переменном токе (Транссибирская магистраль), такие условия возникают и в ряде локальных СЭ на предприятиях металлургической и химической промышленности с мощной преобразовательной нагрузкой [8−10].

В мировой практике сложилась система нормирования допустимого содержания высших гармоник напряжения в узлах электрической сети, к которым могут быть подключены общепромышленные и бытовые электропотребители. Эти нормы определяются в международных и государственных стандартах на качество электроэнергии. Российский стандарт ГОСТ 13 109–97 на качество электроэнергии [11], последняя редакция которого введена в действие с 1 января 1999 г., практически идентичен рекомендациям Международной Электротехнической Комиссии и устанавливает следующие требования к качеству напряжения в электрических сетях общего назначения. В качестве основных характеристик несинусоидальных режимов приняты:

1. Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения, %: у=2 где 11(у) — действующее значение у-ой гармонической составляющей напряжения, кВV — ее порядок (номер) — N — порядок последней из учитываемых гармоник.

2. Коэффициент у-ой гармонической составляющей напряжения, %: им и ном.

Нормальное и максимальное значения коэффициента искажения синусоидальности напряжения в точках присоединения к электрическим сетям приведены в таблице 1.1. В таблице 1.2 представлены нормально допускаемые значения коэффициента у-ой гармонической составляющей фазного и (или) линейного напряжения в точках присоединения к электрическим сетям.

Таблица 1.1. Значения коэффициента искажения синусоидальности напряжения, %.

Нормально допускаемые П сдельно допускаемые и"ом, кВ 0.38 6−20 35 110 0.38 6−20 35 110.

Кнс 8.0 5.0 4.0 2.0 12.0 8.0 6.0 3.0.

В течении 95% времени суток значения этих коэффициентов не должны входить за пределы нормальных. На зажимах источников гармоник допускаются значения показателей в больших пределах, если это не приводит к нарушению норм стандарта у других потребителей электроэнергии. При соблюдении изложенных требований к коэффициенту несинусоидальности формально гарантируется работоспособность электрической сети и электромагнитная совместимость подключенных к ней электроприемников различного назначения.

Таблица 1.2. Коэффициент п-ой гармонической составляющей напряжения, %.

Нечетные га эмоники, некратные 3 Нечетные гармоники, кратные 3 п ином 0.38 6−20 35 110 п ином 0.38 6−20 35 110.

5 6.0 4.0 3.0 1.5 3 5.0 3.0 3.0 1.5.

7 5.0 3.0 2.5 1.0 9 1.5 1.0 1.0 0.4.

11 3.0 2.0 2.0 1.0 15 0.3 0.3 0.3 0.2.

Рассмотренные нормы относятся к нормальным установившимся режимам. Однако, на практике могут возникать кратковременные аварийные и послеаварийные режимы, когда вследствие изменения конфигурации схемы, в частности, при возникновении резкой пофазной несимметрии параметров сети, или при аварийных повреждениях нелинейных элементов уровни высших гармоник могут резко усилиться и превысить предельно допустимые по ГОСТ 13 109–97 значения.

Обычно такие режимы относят к кратковременным аварийным и рассматривают в плане разработки комплекса мер по их возможно быстрой локализации, ограничению перенапряжений с помощью установки нелинейных ограничителей перенапряжений и т. п.

К сожалению, не все из этих режимов могут быть своевременно выявлены и устранены. Например, при возникновении режима однофазного замыкания на землю в сетях среднего класса напряжения 6−10−35 кВ, имеющих изолированную нейтраль, допускается длительный период поиска места повреждения (до двух часов, согласно Инструкции [12]). Здесь нет фактора кратковременности, и если в данной сети имеются условия для развития резонансных усилений напряжений и токов высших гармоник, следует иметь ввиду опасные сценарии развития аварий уже под влиянием высших гармоник [13, 14, 15].

Методики расчета несинусоидальных симметричных режимов СЭ разработаны в достаточно полном объеме, пригодном для инженерной практики. Из работ, выполненных в нашей стране следует отметить монографии, статьи и диссертации [16−29]. Определенный вклад внесен и школой кафедры ЭСиС СПбГТУ [17−20, 27−29]. В упомянутых трудах основное внимание уделялось анализу различного вида нелинейной нагрузки как источников высших гармоникметодикам расчета частотных характеристик сети и методам расчета напряжений и токов высших гармоник в разветвленных СЭ при наличии нелинейных элементовметодам снижения, если это необходимо, уровней высших гармоник в сети до допустимых значений за счет установки фильтрокомпенсирующих устройств, изменения типа преобразователей, конфигурации схемы и т. д.- разработке программных средств расчета подобных режимов.

Практически все перечисленные работы, за исключением [19], относятся к приемам расчета, анализу и оптимизации несинусоидальных режимов при пофазной симметрии высших гармоник в трехфазных сетях. Необходимость развития направлений расчета и анализа несимметричных несинусоидальных режимов наиболее четко обозначена в диссертационной работе [19] и публикации [30], где сделаны начальные шаги в разработке соответствующего программного обеспечения для расчета этих режимов. Тем не менее, изучение практики эксплуатации реальных систем электроснабжения свидетельствует о явной недостаточности знаний в данной области. Особенно актуальным можно признать направление анализа несинусоидальных несимметричных режимов при упомянутом выше режиме однофазного замыкания на землю (033), когда наблюдается многократное превышение токами в точке замыкания допустимого уровня (10, 20 и 30 А в сетях с изолированной нейтралью с номинальными напряжениями 35, 10 и 6 кВ, соответственно) за счет преобладания высших гармоник в токе замыкания [13, 14, 15]. Есть серьезные основания полагать, что возникающие резонансные перенапряжения могут приводить к трехфазным перекрытиям линейной изоляции [14, 15]. Безусловно, подобные явления могут возникать только в случаях наличия в сети источников, генерирующих высшие гармоники с определенными мощностью и гармоническим составом, или в случае наличия гармоник в напряжениях питающей сети высокого напряжения, которая при анализе процессов во внутренних системах электроснабжения за понижающим трансформатором связи с высоковольтной системой, в первом приближении, может быть принята системой бесконечной мощности.

В первом разделе работы констатируется, что расчеты несимметричных и несинусоидальных режимов можно проводить только с использованием специализированных программно-вычислительных комплексов, разработка которых, к сожалению, к моменту начала выполнения работы еще не была завершена в должном объеме. Требовались определенные доработки как в математическом описании процессов при несимметричных и несинусоидальных режимах, приемах их анализа и оптимизации, так и в области совершенствования алгоритмов расчета и соответствующего программного обеспечения.

В результате вышеизложенного при выполнении настоящей диссертационной работы ставились следующие задачи:

1. Анализ особенностей протекания несинусоидальных и несимметричных режимов в СЭ в зависимости от состава и параметров нелинейной нагрузки и гармонических искажений напряжения в энергосистеме с углубленным исследованием актуальных для практики процессов при 033.

2. Исследование малоизученного вопроса об учете в расчетах несимметричных несинусоидальных режимов в СЭ непременно присутствующих принципиально несимметричных источников высших гармоник в виде шунтов намагничивания силовых трансформаторов, разработка аналитической методики расчета пофазно несимметричных векторов токов высших гармоник в токе намагничивания.

Экспериментальное исследование гармоник в намагничивающих токах трансформаторов и подтверждение разработанной теоретической методики. Разработка приемов учета влияния высших гармоник от шунтов намагничивания в переходных режимах типа включения трансформатора на холостой ход.

3. Совершенствование программных методов анализа квазиустановившихся несимметричных несинусоидальных режимов работы СЭ по методу гармонического баланса. В том числе разработка математической модели несимметричных шунтов намагничивания трансформаторов, совершенствование приемов расчета частотных характеристик сети, выявляющих дополнительно появляющиеся в несимметричных режимах частоты свободных колебаний.

4. Расчетно-экспериментальное исследование процессов на высших гармониках при 033 с получением инженерных оценок резонансных частот и опасных резонансных усилений высших гармоник в токах и напряжениях. Исследование приемов снижения гармонических возмущений при ОЗЗ.

5. Выполнены расчеты режимов 033 для СЭ конкретных действующих предприятий, экспериментально подтвердившие корректность расчетов, разработаны рекомендации по совершенствованию режимов нейтрали 6 и 10 к В этих предприятий.

6. Совершенствование методов расчетно-экспериментального определения параметров изоляции сети на землю, в том числе разработка программного обеспечения для расчета активно-реактивных составляющих сопротивления изоляции сетей на землю (в том числе и с учетом включенных дугогасящих реакторов) с проведением натурных экспериментов, подтверждающих правильность предложенных алгоритмов.

7. Систематизация известных и полученных в ходе выполнения работы сведений по расчету и анализу несимметричных несинусоидальных режимов с формированием направления дальнейшего совершенствования знаний в данной области.

Методические, расчетные и экспериментальные результаты, полученные автором при решении поставленных задач нашли свое отражение в нижеследующих пяти главах диссертационной работы.

5.5. Выводы по главе 5.

1. Выполненный анализ известных методов определения сопротивления изоляции сети на землю, отличных от опасного и трудоемкого опыта металлического замыкания фазы на землю, показал на целесообразность.

197 развития этих способов в направлениях повышения точности определения не только реактивных составляющих сопротивления, но и активных, поиск способов, пригодных для применения в сетях, где дугогасящие реакторы отсутствуют. В этом отношении определенным преимуществом обладает способ смещения нейтрали сети за счет подключения между фазой и землей дополнительной емкости.

2. Разработан уточненный алгоритм расчета комплексных сопротивлений изоляции и токов 033, ориентированный на данные измерений фазных напряжений сети до и после подключения на фазу дополнительной емкости, а также программная реализация этого алгоритма. Проверка работы алгоритма и программы на математических моделях сложных многоузловых систем электроснабжения при имитации опыта ОЗЗ показала на высокую достоверность полученных результатов.

3. Разработанная методика проведения эксперимента по определению параметров режима ОЗЗ была успешно применена на двух действующих объектах — объединенной сети 6кВ ГРЭС-19и ОАО «Киришинефтеоргсинтез» и сети ЮкВ ОАО «Аммофос». Простота проведения опыта, высокая точность определения интересующих параметров и автоматизация представления протокола испытаний свидетельствуют о практической ценности выполненной разработки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Разработанные в диссертации теоретические положения и выполненный комплекс расчетных и экспериментальных исследований несимметричных и несинусоидальных режимов в системах электроснабжения, в том числе режимов 033, позволяют сформулировать следующие научные и практические результаты.

1. Обоснованы положения о том, что практически все наблюдаемые электрические режимы в СЭ следует относить к разряду несимметричных, при детальном анализе которых необходимо использовать специальные приемы и алгоритмы, отличные от традиционно применяемых при исследованиях симметричных несинусоидальных режимов. Показано, что одной из основных причин несимметрии в нормальном режиме являются намагничивающие токи силовых трансформаторов, выполняемых с несимметричными магнитопроводами.

2. Развита теория расчета высших гармоник в токах намагничивания трансформаторов, доведенная до законченной методики определения векторов фазных токов намагничивания и их симметричных составляющих для трансформаторов с различными схемами соединения обмоток. Корректность методики подтверждена проведенными экспериментальными измерениями на силовых трансформаторах.

3. Выполнены уточнения алгоритмов и усовершенствована универсальная программа расчета квазиустановившихся несимметричных и несинусоидальных режимов в СЭ по методу гармонического баланса. Внесен вклад в разработку специальных подпрограмм учета нелинейных и несимметричных шунтов намагничивания силовых трансформаторов, расчета частотных характеристик и потокораспределений в условиях несимметрии параметров, практические приемы проведения по программам расчетов и анализа несимметричных и несинусоидальных режимов с корректным учетом трехфазных и, в общем случае, несимметричных нелинейных элементов систем электроснабжения.

4. Выполнен теоретический анализ частотных свойств систем электроснабжения с изолированной (компенсированной) нейтралью, в которых возникает несимметрия из-за однофазных замыканий на землю. Получены выражения, пригодные для оценки частот свободных колебаний в контуре замыкания для эквивалентных схем замещения, разработаны приемы расчета таких частот по программам для схем с произвольной структурой.

5. С использованием разработанного специального программного обеспечения выполнены расчеты и сделан сопоставительный анализ влияния на развитие резонансных процессов при 033 мест возникновения замыкания, различных типов источников гармонических возмущений в системе (шунты намагничивания трансформаторов, преобразователи, электрическая дуга в месте замыкания, дугогасящие реакторы с нелинейными электромагнитными характеристиками и др.). Показана крайняя опасность резонансных режимов, приводящих к многократным превышениям токами высших гармоник в месте замыкания допустимых уровней и к развитию резонансных перенапряжений на высших гармониках с кратностью до 1.5−2. Проанализированы факторы, позволяющие в практических условиях снизить вероятность возникновения опасных резонансных режимов при ОЗЗ: снижение количества замыканий на землю за счет более качественной эксплуатации СЭ и своевременной замены электрооборудования, принятие мер по снижению уровней высших гармоник в напряжениях в нормальном режиме, коррекция ЧХ сопротивлений возможных контуров замыкания на землю, переход на резистивное заземление нейтрали с организацией предельно быстрой и селективной локализации места 033. К сожалению, все указанные мероприятия требуют больших затрат.

6. Разработана трехфазная и несимметричная математическая модель сложной многоузловой схемы электроснабжения конкретного промышленного предприятия с величиной тока ОЗЗ порядка 450 А, с.

200 использованием которой выполнен комплексный анализ всех особенностей несимметричных и несинусоидальных режимов ОЗЗ с оценкой предельных гармонических усилений токов и напряжений и рекомендациями по отстройке от резонансных режимов. Методика построения математической модели и анализа процессов представляет интерес для других объектов систем электроснабжения, где возможны опасные резонансные процессы при 033.

7. Внесен вклад в совершенствование методики определения параметров изоляции сети и токов замыкания на землю для действующих систем электроснабжения, базирующейся на проведении опытов возмущения электрической сети за счет однофазного включения дополнительной емкости и измерения изменяющихся при этом модулей фазных напряжений. Разработанное программное обеспечение для обработки результатов экспериментов позволяет определять активные и реактивные составляющие проводимости изоляции на землю, активные и реактивные токи ОЗЗ и оценивать возможные погрешности таких расчетов, обусловленные неточностями измерений напряжений в процессе эксперимента. Методика и программа успешно апробированы в СЭ.