Совершенствование методов и средств снижения однофазных замыканий на землю в распределительных сетях 6-35 кВ промышленных предприятий

Актуальность работы. Эффективность функционирования горнометаллургических предприятий Восточной Сибири в значительной мере определяется надежностью и экономичностью работы его системы электроснабжения.

Основными потребителями электроэнергии на данных предприятиях являются стационарные и передвижные установки большой единичной мощности. Как правило, эти установки относятся к потребителям первой категории по надежности и бесперебойности электроснабжения или к электроустановкам, нарушение электроснабжения которых приводит к значительному недоотпуску продукции.

В процессе эксплуатации изоляция высоковольтного электрооборудования технологических установок испытывает негативное воздействие многочисленных факторов, в результате чего происходит снижение ее диэлектрической прочности, что под воздействием внутренних перенапряжений очень часто приводит к однофазным замыканиям на землю (033). На долю 033 приходится около 66% всех аварийных отключений в распределительных сетях 6−10 кВ горно-металлургических предприятий [38].

Широкое внедрение высоковольтных вакуумных аппаратов привело к тому, что коммутационные перенапряжения (КП) являются одной из основных причин возникновения 033, а неселективность защит от 033 приводит к необоснованному отключению неповрежденных присоединений, что сопровождается неплановым простоем технологического оборудования и негативно отражается на экономических показателях предприятия.

Кроме этого, несвоевременное обнаружение и отключение линии с 033 приводит к многоместным повреждениям в распределительной сети 6−10 кВ за счет перенапряжений, которые возникают в режиме 033.

Поэтому актуально совместное решение двух задач, направленных на ограничение внутренних перенапряжений и повышение эффективности существующих систем защит от 033, что позволит уменьшить количество 033 в распределительных сетях 6−10 кВ промышленных предприятий и сократить необоснованный простой технологического оборудования.

Цель работы: разработка комплекса мер, направленных на сокращение числа 033 в распределительных сетях 6−10 кВ промышленных предприятий и основанных на эффективном ограничении внутренних перенапряжений и на селективной работе защит от 033.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Анализ аварийности распределительных сетей 6−10 кВ на современном этапе для выявления наиболее повреждаемых элементов в системе электроснабжения технологического оборудования.

2. Экспериментальные исследования, направленные на определение основных факторов, влияющих на величину и характер КП и перенапряжений в режиме 033.

3. Аналитические исследования КП в режиме 033, возникающих в системе «выключатель — кабельная линия — электродвигатель» .

4. Разработка эффективных методов и средств, позволяющих повысить селективность работы защит от 033.

Объект исследований: распределительные сети и электродвигатели напряжением 6—10 кВ промышленных предприятий Красноярского края и Иркутской области.

Предмет исследований: коммутационные перенапряжения, напряжения в режиме 033 и селективность защит от 033.

Методика исследований. Для решения поставленных задач в работе использованы методы теории электрических цепей, теории электроснабжения электротехнических комплексов, теории электрических аппаратов, электрических машин, численные методы решения уравнений, методы математического моделирования и математической статистики.

В экспериментальных исследованиях применялись методы измерения внутренних перенапряжений и токов 033.

Научная новизна работы:

1. Определены основные причины, приводящие к возникновению 033 в распределительных сетях 6−10 кВ на современном этапе, и наиболее повреждаемые элементы в системе электроснабжения технологических комплексов, позволяющие разработать комплекс мер по снижению количества 033.

2. Установлены зависимости уровней КП в безаварийном режиме, возникающие в системе «выключатель — кабельная линия — электродвигатель», от параметров данной системы, что позволило разработать методику для определения кратности КП в любой точке указанной системы.

3. Выявлены зависимости уровней перенапряжений, возникающих в режиме 033, от величины и характера тока 033 и режима нейтрали сети напряжением 6−10 кВ, для обоснования рационального режима нейтрали сети.

4. Установлены зависимости уровней КП в режиме 033 от места возникновения 033, частоты коммутационного импульса, кратности перенапряжений в режиме 033, числа повторных зажиганий дуги в вакуумной камере и величины присоединенной емкости на зажимах электродвигателя, возникающие в системе «выключатель — кабельная линия — электродвигатель», позволяющие разработать устройство для эффективного ограничения КП.

Практическая ценность работы:

1. Разработана методика, позволяющая в зависимости от типа выключателя, типа и мощности электродвигателя, длины и сечения кабельной линии определить кратность КП в любой точке системы «выключатель — кабельная линия — электродвигатель» .

2. На основе экспериментальных и аналитических исследований определены параметры универсального RC-ограничителя и разработана его конструкция, которая была учтена при осуществлении промышленного выпуска ограничения КП типа RC — 6,6 — 0,25/50. Конструкция указанного устройства запатентована как полезная модель.

3. Определены параметры устройства, предназначенного для резистивного заземления нейтрали сети 6−10 кВ промышленных предприятий, разработана его конструкция (с учетом принудительного отвода тепла), которая была учтена при выпуске устройства типа УДАТ — 10 — 500/75. Конструкция указанного устройства запатентована как полезная модель.

4. Выполнена практическая реализация комплексного подхода к снижению числа 033 в распределительных сетях 10 кВ ОАО «АГК», основанного на совместной эксплуатации устройств RC — 6,6 — 0,25/50 и УДАТ -10- 500/75.

Достоверность полученных результатов подтверждается удовлетворительным совпадением теоретических и экспериментальных результатов, положительными отзывами при эксплуатации ограничителей КП типа RC — 6,6 -0,25/50.

Автор защищает:

1. Установление зависимости КП, возникающих в системе «выключатель — кабельная линия — электродвигатель», от параметров данной системы как в безаварийном режиме эксплуатации, так и в режиме 033.

2. Установление зависимости уровней перенапряжений, возникающих в режиме 033, от величины и характера тока 033 и режима заземления нейтрали сети напряжением 6−10 кВ.

3. Методику определения кратности КП в системе «выключатель — кабельная линия — электродвигатель» в зависимости от параметров данной системы.

4. Комплексный подход к снижению числа 033 в распределительных сетях 6—10 кВ промышленных предприятий, основанный на высокой эффективности токовых систем защиты от 033 и эффективном ограничении внутренних перенапряжений за счет совместной эксплуатации устройства УДАТ — 10 -500/75 с ограничителями КП типа RC — 6,6 — 0,25/50, подключенных к зажимам электродвигателей.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективные материалы: получение и технологии обработки» (г. Красноярск, 2004 г.), XII Федеральной научно-технической конференции «Электрификация металлургических предприятий Сибири, прогнозирование параметров электроснабжения и нормирования, реорганизация электроснабжения и ремонта» (г. Новокузнецк, 2004 г.), международной научнопрактической конференции «Стратегические приоритеты и инновации в производстве цветных металлов и золота» (г. Красноярск, 2006 г.).

Публикации.

По результатам исследований опубликованы 8 печатных работ, из которых: 2 статьи в периодических изданиях по списку ВАК- 2 статьи в периодических изданиях, не вошедших в список ВАК- 4 работы в международных и всероссийских конференциях. Получено два патента на полезную модель.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 81 наименований и 9 приложений. Основной пакет диссертационной работы изложен на 160 страницах, проиллюстрирован 34 рисунками и J5 таблицами, приложения представлены на 59 страницах.

Выводы.

1. Допустимая величина КП для высоковольтных электродвигателей не должна превышать значения 1,8 UH, т. е. не более 10,8 кВ для сетей напряжением 6 кВ и 18 кВ для сетей напряжением 10 кВ.

2. Существующие средства защит от КП для электродвигателей: вентильные разрядники (РВРД-6) и нелинейные ограничители перенапряжений (ОПНК-6, ОПНК-Ю) — не обеспечивают требуемый уровень ограничения КП, кроме того, нелинейные ограничители перенапряжений термически не устойчивы в режиме ОЗЗ, следовательно, не могут использоваться для защиты электродвигателя.

3. Наиболее эффективным средством ограничения КП является универсальный трехфазный RC-ограничитель, т.к. осуществляет ограничение КП до 1,7UH, что ниже допустимого значения. Кроме этого, усредненные параметры RC — ограничителя (R=50 Ом, С=0,25 мкФ) позволяют наладить серийное производство, а корпус устройства со степенью защиты IP — 54 позволяет размещать RC-ограничители в непосредственной близости от объекта защиты. Максимальное удаление не должно превышать Юм.

4. Наложение добавочного активного тока величиной 12 и 10 А на ток ОЗЗ соответственно в сетях напряжением 6 кВ и 10 кВ позволяет ликвидировать феррорезонансные и резонансные перенапряжения, добиться селективной работы токовых защит от ОЗЗ, ограничить перенапряжения в режиме ОЗЗ до уровня 1,8UH. т. е. до допустимого значения.

5. Существующие средства создания добавочного активного тока (трансформаторы НТМИ-10, бетэловые резисторы и резисторы типа РЗ) имеют недостаточную термическую устойчивость. Это снижает время работы устройств в режиме ОЗЗ (трансформаторы — 6с, бетэловые резисторы — 30 с, резисторы РЗ — 1,5 ч), что приводит к снижению эффективности ограничения перенапряжений в режиме ОЗЗ, срыву селективности в работе токовых защит и невозможности полностью ликвидировать феррорезонансные и резонансные явления в сетях 6−10 кВ.

6. Разработанное в настоящей работе устройство для создания добавочного активного тока, является термически устойчивым, т.к. предусмотрен принудительный отвод тепла, недорогим, так как выполнен из простых и дешевых материалов. Время работы устройства в режиме ОЗЗ при температуре окружающей среды 40° С составляет 12 ч.

7. Комплексный подход к снижению ОЗЗ, основанный на совместной работе устройства для создания добавочного активного тока и RCограничителей, подключенных к электродвигателям, позволяет эффективно ограничивать коммутационные перенапряжения, перенапряжения в режиме ОЗЗ, ликвидировать условие возникновения фер-рорезонансных и резонансных явлений в сетях 6−10 кВ, добиться высокой селективности токовых защит от ОЗЗ, что позволяет резко сократить число ОЗЗ в сетях 6−1 ОкВ.

8. Внедрение комплекса мер по снижению ОЗЗ на ГПП-2 ОАО «АГК» в период 2004;2006 г. позволило в 2005 г. снизить число ОЗЗ в 4,4 раза по сравнению с 2003 г.

Заключение

.

В процессе проведенных исследований были получены следующие результаты:

1. Анализ эксплуатации распределительных сетей 6−10 кВ на горнометаллургических предприятиях в современных условиях показал, что на долю ОЗЗ приходится 66% от общего числа аварийных отключений.

2. Основными причинами возникновения ОЗЗ являются КП и перенапряжения, возникающие в режиме ОЗЗ, на их долю соответственно приходится 38,5% и 33% аварийных отключений.

3. Длина и сечение кабельной линии, связывающей включатель и электродвигатель, оказывают существенное влияние на величину КП, если электродвигатель коммутируется масляным выключателем, и не оказывает практически ни какого влияния, если электродвигатель коммутируется вакуумным выключателем.

4. Экспериментальные исследования показали, что с ростом мощности электродвигателей максимальная кратность перенапряжений на зажимах электродвигателя снижается, так при использовании вакуумных выключателей зафиксированы следующие максимальные кратности перенапряжений для синхронных электродвигателей: 7,4- 7- 6,5- 6,2- 5,5- 5,2- 3,4- 2,5, мощность которых соответственно составляла 315, 400, 500, 630, 1000, 1250, 2500, 6300 кВта для асинхронных электродвигателей аналогичной мощности максимальная кратность перенапряжений соответственно равна 6,4- 6,2- 6- 5,8- 5,3- 5,2- 4- 3. При использовании масляных выключателей максимальная кратность перенапряжений для вышеуказанных синхронных электродвигателей равна: 4,8- 4,6- 4,5- 4,3- 3,8- 3,6- 2,4- 1,6, а для асинхронных электродвигателей соответственно составила: 4,6- 4,4- 4,25- 4,1- 3,7- 3,6- 2,9- 2,5.

5. Обработка экспериментальных значений КП методами математической статистики позволила разработать инженерную методику оценки КП в любой точке системы «выключатель — кабель — электродвигатель», не прибегая к методам математического моделирования и к экспериментальным измерениям.

6. При выполнении экспериментальных исследований установлено, что кратность перенапряжений в режиме дугового ОЗЗ для сети 6 -10 кВ с изолированной нейтралью при емкостном токе ОЗЗ до 5 А не превышает 2,1. Если величина тока ОЗЗ находится в диапазоне 5+50 А, то кратность перенапряжения находится в пределе 2,2+3,0. С увеличением емкостного тока свыше 50 А кратность перенапряжения не превышает 2,5. Для сети с компенсированной нейтралью кратность перенапряжений в режиме ОЗЗ может быть снижена до 1,7+1,8, если разбалансировка реактора не превышает 5%, в противном случае кратность перенапряжения возрастает и становится соизмеримой с кратностью перенапряжений для сети с изолированной нейтралью.

7. При заземлении нейтрали сети 6 — 10 кВ на землю через резистор можно снизить кратность перенапряжений до 2,0, если выполняется условие 1а/1с > 0,2, а при выполнении условия 1а/1с > 0,6 кратность перенапряжений снижается до 1,7+1,8. Дальнейшее увеличение добавочного активного тока практически не приводит к снижению кратности перенапряжений.

8. Экспериментальные исследования показали, что максимальные значения КП, превышающие напряжение сети в 8 раз, могут возникать в режиме ОЗЗ в неповрежденной линии с двигательной нагрузкой в той фазе, в которой существует ОЗЗ, в случае отключения данной линии от сети вакуумным выключателем.

9. Математическое моделирование КП в режиме ОЗЗ в сети с двигательной нагрузкой подтвердило экспериментальные исследования и показало, что на величину КП, возникающих в фазе, связанной с землей, влияют следующие факторы: повторные зажигания дуги в вакуумной камере, величина присоединенной емкости на зажимах электродвигателя, ток среза, мощность электродвигателя и расстояние между местом ОЗЗ и электродвигателем. Установлено, что рост мощности электродвигателя, увеличение присоединенной емкости на зажимах электродвигателя и уменьшение тока среза приводят к снижению уровня КП, а увеличение расстояния между местом ОЗЗ и электродвигателем увеличивает число повторных зажиганий дуги в вакуумной камере, и как следствие, повышает уровень КП.

10. Математическое моделирование КП, возникающих на фазе статорной обмотки, не связанной с землей, с учетом повторных зажиганий дуги в вакуумной камере при неселективном отключении электродвигателя в режиме ОЗЗ показало, что на величину и характер КП оказывают серьезное влияние не только величина присоединенной емкости на зажимах электродвигателя, ток среза, мощность электродвигателя, кратность перенапряжений в режиме ОЗЗ, расстояния между местом ОЗЗ и электродвигателем, но и соотношение между частотой колебаний напряжения (f0Xi) на неповрежденной фазе сети в режиме ОЗЗ и частотой свободных колебаний электромагнитной энергии в отключаемом контуре нагрузки (fCIi). Если f0TJ< fCB, то соблюдаются закономерности изложенные в предыдущем выводе, а если f0TJ> fcli, то увеличение присоединенной емкости приведет к росту кратности КП.

11 .Наиболее эффективным средством ограничения КП является универсальный трехфазный RC-ограничитель, т.к. осуществляет ограничение КП до 1,7U", что не представляет опасности для изоляции электродвигателя. Кроме этого, усредненные параметры RC-ограничителя (R=50 Ом, С=0,25 мкФ) позволяют наладить серийное производство ограничителя RC — 6,6 — 0,25/50, а корпус устройства со степенью защиты IP — 54 позволяет размещать RC-ограничители в непосредственной близости от объекта защиты, при этом максимальное удаление не должно превышать 10 м.

12.Наложение добавочного активного тока величиной 12 и 10 на ток ОЗЗ соответственно в сетях напряжением 6 кВ и 10 кВ позволяет ликвидировать феррорезонансные и резонансные перенапряжения, добиться селективной работы токовых защит от ОЗЗ, ограничить перенапряжения в режиме ОЗЗ до уровня 1,8U" не представляющих серьезной опасности как для изоляции электродвигателей, так и для изоляции кабельных линий, т.к. допустимая кратность перенапряжений для указанных объектов соответственно составляла 1,80, и 2,8Un. .Разработанное в настоящей работе устройство для создания добавочного активного тока типа УДАТ — 10,5 — 500/75 выпускается в ООО «Рутас» как опытно — промышленная партия и является термически устойчивым, т.к. предусмотрен принудительный отвод тепла, и недорогим, так как выполнен из простых и дешевых материалов. Время работы устройства в режиме ОЗЗ при температуре окружающей среды 40° С составляет 12 ч.

14.Комплексный подход к снижению ОЗЗ, основанный на совместной работе устройства для создания добавочного активного тока и RC, -ограничителей, подключенных к зажимам электродвигателей, позволяет эффективно ограничивать КП, перенапряжения в режиме ОЗЗ, ликвидировать условие возникновения феррорезонансных и резонансных явлений в сетях 6−10 кВ, добиться высокой селективности токовых защит от ОЗЗ, что позволит сократить число ОЗЗ в сетях 6-ЮкВ. Внедрение комплекса мер по снижению ОЗЗ на ГПП-2 ОАО «АГК» в период 2004;2006 г. позволило в 2006 г. снизить число ОЗЗ в 4,4 раза по сравнению с 2003 г.