Повышение качества функционирования электрических сетей среднего напряжения как рецепторов

Электрические сети (далее — сети) среднего напряжения (от 6 до 35 кВ) являются наиболее протяжёнными в России, их общая длина составляет около трёх миллионов километров. Среди них до 90% работают с изолированной нейтралью, а остальные — с нейтралью заземленной через ду-гогасящий реактор (ДГР) или резистор. Сети среднего класса напряжения являются наиболее аварийными. Например, технологические нарушения режимов работы воздушных линий электропередачи в расчёте на 100 км составляют 6−7 случаев в год для районов с умеренным климатом и 20−30 случаев в год для районов со сложными климатическими и грунтовыми условиями (районы Сибири и Севера). Необходимо учитывать, что эти сети имеют значительный физический износ. К 2015 г. сработка ресурса электрических сетей может достигнуть 75%. Темпы нарастания изношенного электрооборудования составляют от 2 до 6% в год от общего количества. Количество технологических нарушений в отечественных сетях среднего напряжения от двух до семи раз больше, чем в промышленно развитых странах. Такая ситуация объясняется не только тяжёлым по своим последствиям гололёдно-ветровое воздействием, но и значительным влиянием кондуктивных электромагнитных помех (ЭМП), распространяющихся по проводам, на сети от 6 до 35 кВ как рецепторы.

Для оценки подобных общетехнических состояний (положений) ГОСТ Р 50 397−93 введён термин — качество функционирования технического средства: совокупность показателей технического средства, характеризующих его способность удовлетворять требованиям эксплуатации. В соответствии с этим качество функционирования отечественных сетей среднего напряжения нельзя признать достаточным.

Нормальное функционирование сетей с изолированной нейтралью в значительной мере обусловливается электромагнитной обстановкой (ЭМО). При несинусоидальных и несимметричных напряжениях усложняется ЭМО, возрастает вероятность повреждения изоляции фаз при однофазных дуговых замыканиях на землю (ОДЗ), появляются резонансы высших гармонических составляющих тока металлического замыкания фазы на землю (ОЗЗ) и т. д. Из-за этого обостряется проблема электромагнитной совместимости (ЭМС) технических средств. Соответствие уровней ЭМС для кондуктивных ЭМП требованиям ГОСТ 13 109–97 необходимо: для обеспечения мероприятий по защите жизни и здоровья граждан, имущества физических и юридических лиц, государственного имущества и по охране окружающей средыдля повышения технико-экономических показателей производств и качества выпускаемой ими продукции.

Исследования Апполонского С. М., Горелова В. П., Дьякова А. Ф., Ивановой Е. В., Карякина Р. Н., Короткевича М. А., Костенко М. Ф., Лизале-ка Н.Н., Манусова В. З., Сальникова В. Г., Сарина Л. И., Челазнова А. А. и др. охватывают различные аспекты обеспечения ЭМС технических средств. Однако, рассматриваемая проблема многогранна и одна из научно-технических задач — повышение качества функционирования сети напряжением от 6 до 35 кВ как рецептора при кондуктивных ЭМП, распространяющихся по проводам, не решена — нет соответствующего стандарта. Поэтому тема диссертации является актуальной.

Объектом исследования являются распределительные электрические сети среднего напряжения общего назначения.

Предметом исследования являются процессы однофазных замыканий на землю при кондуктивных ЭМП в сети напряжением от 6 до 35 кВ с изолированной нейтралью или заземлённой через резистор.

Связь темы диссертации с общенаучными (государственными) программами и планом работы академии. Работа выполнялась в соответствии: с научными направлениями технического комитета № 77 «Электромагнитная совместимость электрооборудования, присоединённого к общей электрической сети» Международной электротехнической комиссии (МЭК), с научной целевой комплексной темой «Разработка мероприятий по повышению надёжности работы оборудования в условиях пониженных температур» (Гос. регистр. № 0188.0004.137) и «Планом развития научных исследований на 2007;2010 гг. (раздел 1.10)» ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта» (ФГОУ ВПО «НГАВТ»).

Идея работы заключается в установлении углубленных связей с помощью новейшей многоканальной компьютеризированной системы сбора, обработки и хранения данных (цифровой запоминающей осциллограф DL 750−8) процессов однофазных замыканий на землю при некачественной электроэнергии с режимом нейтрали, воздействие на которые можно повысить качество функционирования сетей среднего напряжения как рецепторов путём обеспечения ЭМС.

Целью работы является разработка научных положений и рекомендаций, позволяющих повысить эффективность функционирования электрических сетей среднего напряжения как рецепторов. Для достижения этой цели в работе ставились и решались следующие взаимосвязанные задачи:

— исследование содержания проблемы повышения качества функционирования сетей от 6 до 35 кВ как рецепторов в электроэнергетической системе (ЭЭС);

— обоснование требований к измерительной технике и методического подхода к осциллографированию параметров переходных процессов при различных замыканиях фазы на землю в сетях с изолированной и заземлённый через резистор нейтралью;

— осциллографирование токов замыкания фазы на землю и фазных напряжений в сети 10 кВ с изолированной и заземлённой через резистор нейтралью, математическая обработка результатов измерений;

— определение критерия качественного функционирования сети от 6 до 35 кВ при нестандартном показателе качества электроэнергии (КЭ);

— разработка методики расчёта критерия качественного функционирования сети среднего напряжения при некачественной электроэнергии;

— экспериментальное исследование кондуктивной ЭМП по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения в сети 10 кВкритерия качественного функционирования сети по искажению напряжения;

— разработка математической модели зависимости резонансной частоты высших гармонических составляющих тока металлического замыкания фазы на землю в сетях среднего напряжения с изолированной нейтралью от ёмкостного тока сети;

— разработка рекомендаций по повышению качества функционирования сетей от 6 до 35 кВ как рецепторов и экспериментальная проверка эффективности их применения;

— выбор методики расчёта стоимости работы по определению параметров кондуктивных ЭМП в сетях среднего напряжения, распространяющихся по проводам.

Методы исследования. В процессе выполнения исследований применялись: научно-техническое обобщение литературных источников по исходным предпосылкам исследований, методы теоретических основ электротехники и теории электрических сетей, методы математической статистики и теории вероятностей (теория производящих функций, теория ошибок), метод аналитических исследований (гармонический анализ), методы системного анализа. Экспериментальные исследования выполнялись комплексным методом с применением делителей напряжения, трансформаторов тока, цифрового запоминающего осциллографа типа DL-750−8, измерительно-вычислительного комплекса (ИВК) «Омск-М» и специальных программ для расчётов на компьютере.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: отбором значимых для проведения научных исследований процессов и новейших средств измерения и осцилло-графирования переходных процессовпринятыми уровнями допущений при математическом описании явленийисследованиями погрешностей разработанных математических моделейудовлетворительным совпадением результатов теоретических исследований с результатами экспериментов, выполненных в реальной сети 10 кВ (с вероятностью 0,95 относительная ошибка не превышает ± 10%) — достаточным объёмом исследований и практической реализацией основных выводов и рекомендаций.

На защиту выносятся:

1 Критерий качества функционирования сетей напряжением от 6 до 35кВ как рецепторов в ЭЭС.

2 Методика определения критерия качественного функционирования сетей среднего напряжения как рецепторов-кондуктивной ЭМП, обусловленной нестандартным значением показателя КЭ.

3 Математическая модель зависимости резонансной частоты высших гармонических составляющих тока металлического замыкания фазы на землю в сетях среднего напряжения с изолированной нейтралью от ёмкостного тока сети.

4 Рекомендации по повышению качества функционирования сетей среднего напряжения как рецепторов в ЭЭС.

Научная новизна работы заключается в развитии теоретических основ ЭМС технических средств в ЭЭС. В рамках решаемой автором научной задачи она характеризуется следующими новыми научными положениями:

— доказано с помощью теоремы о параметрах, что критериями качества функционирования сетей от 6 до 35 кВ при нестандартных значениях показателей качества электроэнергии являются кондуктивные ЭМП, распространяющиеся по проводам;

— разработана методика определения критерия качества функционирования электрической сети от 6 до 35кВ — кондуктивной ЭМП, обусловленной нестандартным показателем качества электроэнергии, позволяющая с вероятностью 0,95 определять параметры распределения в течение расчётного времени и вероятность её появления, что имеет существенное значения для обеспечения ЭМС технических средств;

— разработана математическая модель зависимости резонансной частоты высших гармонических составляющих тока замыкания фазы на землю в сети среднего напряжения с изолированной нейтралью от ёмкостного тока сети, позволяющая прогнозировать резонансные явления.

Практическая ценность работы заключается в том, что внедрение следующих новых научных положений в проектную и эксплуатационную практику обеспечивает повышение уровня ЭМС электрических сетей от 6 до 35кВ как рецепторов:

— методика определения кондуктивной ЭМП, обусловленной нестандартным показателем КЭ и искажающей ЭМО в сети среднего напряжения;

— математическая модель зависимости резонансной частоты высших гармонических составляющих тока металлического замыкания фазы на земля в сети с изолированной нейтралью от ёмкостного тока сети;

— рекомендации по повышению качества функционирования этих сетей как рецепторов.

Реализация работы. Рекомендации по повышению качества функционирования сетей среднего напряжения внедрены в: ОАО «Тюменьэнер-го» филиал «Тюменские распределительные сети. Тобольское ТПО» (г.Тобольск) с ожидаемым годовым экономическим эффектом в 350 тыс. руб. при сроке окупаемости капитальных вложений 3 года- «ООО» ПНП" Болид" (г.Новосибирск) с годовым экономическим эффектом в 743 тыс. руб. при сроке окупаемости капитальных вложений около 2-х лет.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 8 международных, всероссийских и региональных конференциях: международной научно-технической конференции «Энергосистема: исследование свойств, управления, автоматизация» (г.Новосибирск, Россия, 2009 г.), третьей международной научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт» (г.Омск, Россия, 2007 г.), пятой международной научно-технической конференции «Энергетика, телекоммуникации и высшее образование в современных условиях» (г. Алматы, Республика Казахстан, 2006 г.), всероссийской научно-техническая конференция «Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования» (г.Томск, 2008 г.), первой международной научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение» (г.Усть-Каменогорск, Республика Казахстан, 2005 г.), международной научно-практической конференции «Электроэнергетика в сельском хозяйстве» (Республика Алтай, Чемальский район, база НГТУ Эрлагол, Россия, 2009 г.), пятой научно-практической конференции с международным участием «Проблемы и достижения в промышленной энергетике» (г.Екатеринбург, 2005 г.), международной научно-практической конференции «Индустриально-инновационное развитие на современном этапе: состояние и перспективы» (г.Павлодар, Республика Казахстан, 2009 г.).

Личный вклад. Постановка научно-исследовательских задач и их решения, научные положения, выносимые на защиту, основные выводы и рекомендации диссертации принадлежат автору. Личный вклад в работах, опубликованных в соавторстве, показан в Приложении, А диссертации и составляет не менее 50%.

Публикации. Содержание работы изложено в 28 научных трудах, в том числе 7 статьях в периодических изданиях по перечню ВАК.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 121 наименований и двух приложений. Изложена на 155 страницах машинописного текста, который поясняется 37 рисунками и 14 таблицами.

Основные выводы и рекомендации.

1 Обоснованы требования и методический подход к осциллографи-рованию переходных процессов, протекающих в сетях среднего напряжения при однофазных замыканиях на землю. Рекомендуется использовать комплексный подход и цифровые запоминающие осциллографы типов DL — 750 — 8 и ЦЗО — 04.

2 Критерием качества функционирования сетей среднего напряжения при нестандартных значениях показателей качества электроэнергии являются кондуктивные электромагнитные помехи, распространяющиеся по проводам.

3 Разработана методика расчёта кондуктивной электромагнитной помехи по любому нестандартному показателю качества электроэнергии, позволяющая с вероятностью 0,95 определять параметры распределения и вероятность её появления, что существенно повышает потребность в повышении качества функционирования сетей среднего напряжения.

4 Показано с помощью теоремы об эквивалентности параметрических множеств возможность подавления кондуктивных электромагнитных помех в едином параметрическом пространстве с помехоподавляющими техническими средствами.

5 Приведён алгоритм расчёта критерия качества функционирования электрических сетей по искажению напряжения — кондуктивной электромагнитной помехи по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения. В исследуемой сети 10 кВ эта помеха является локальным параметром, характеризуется параметрами распределения (М[5Ки] = 4,62%, а[5Ки] = 0,42%), появляется с вероятностью (0,13), превышающей допустимую вероятность нарушения (0,05) нормально допустимого значения коэффициентом искажения (5%) в 2,6 раза.

6 Разработана математическая модель зависимости резонансной частоты высших гармонических составляющих тока металлического замыкания на землю в сети среднего напряжения с изолированной нейтралью от мкостного тока сети. Определена область её применения. Относительная ошибка прогнозирования резонансной частоты по этой формуле не превышает ± 10%.

7 Рекомендовано резистивное заземление нейтрали для повышения качества функционирования сети напряжением от 6 до 35 кВ. Этот режим позволяет:

— установить соответствующим подбором сопротивления резистора отношение ёмкостной составляющей к активной составляющей тока через резистор, при котором дуговые перенапряжения при замыкании фазы на землю не превышают (2,2 — 2,5) значений амплитудного фазного напряжения;

— увеличить активную составляющую тока замыкания фазы на землю, которая используется для обеспечения необходимых селективности и чувствительности релейной защиты от однофазных замыканий на землю.

8 Осуществлена экспериментальная проверка эффективности рези-стивного заземления нейтрали сети 10 кВ при дуговом однофазном замыкании. Обнаружено, что кратности коммутационных импульсных напряжений с вероятностью 0,95 снижаются не менее чем в 1,2 раза по сравнению с дуговыми замыканиями фазы на землю в сети с изолированной нейтралью. Наблюдается устойчивое горение дуги при отношении активной составляющей тока к ёмкостной равном и более (1,8−2,5).

9 Предложено для расчёта стоимости работы по определению параметров качества функционирования сетей среднего напряжения использовать нормативно параметрический метод, который, несмотря на немонопольный характер этих услуг на рынке электроэнергетического консалтинга, позволяет сформировать цену в виде взвешенного соглашения заказчика и подрядчика.