Повышение надежности и эффективности систем электроснабжения с автоматическим секционированием на стороне 6 (10) кВ

Актуальность работы. Эффективность функционирования предприятия по добыче и переработке полезных ископаемых в значительной мере определяется надежностью и экономичностью работы его системы электроснабжения (СЭС).

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.

Большая протяженность низкои высоковольтных сетей, территориальная рассредоточенность потребителей электроэнергии, неравномерность графиков электрических нагрузок потребителей, (что обусловлено самой технологией и организацией работ), являются основными преградами на пути повышения надежности и экономичности электроснабжения. Поэтому добиться повышения надежности и экономичности можно в случае, если одновременно с увеличением потребляемой мощности и развитием предприятия будут приняты меры по реконструкции электросетей.

Особое место в решении задачи повышения надежности электроснабжения играют распределительные электрические сети среднего напряжения 6(10) кВ. Данные сети являются наиболее протяженными. Их общая протяженность составляет почти 45% от общей протяженности всех линий электропередачи 0,4−110 кВ. При этом 70% всех нарушений электроснабжения происходит именно в сетях 6(10) кВ. Не менее 75% из этих аварийных повреждений в данных сетях связаны с однофазными замыканиями на землю (033);

Эксплуатационные качества электрических сетей, способы локализации аварийных повреждений и условия бесперебойного электроснабжения потребителей в значительной мере определяются режимом заземления нейтрали. При правильно выбранном режиме нейтрали, характеристиках и уставках срабатывания защитных аппаратов представляется возможным быстро и селективно локализовать однофазное замыкание на землю. Однако для этого требуется применять автоматическое секционирование для селективного выделения поврежденных участков и резервирования электроснабжения неповрежденных потребителей. Существующие в распределительных сетях средства релейной защиты и коммутационные аппараты не позволяют выполнять такие функции.

Научные положения по усовершенствованию СЭС сформулированы в работах Шабада М. А., Евдокунина Е. А., Обабкова В. К., Абрамовича Б. Н., Смоловика С. В., Павлова В. В. Однако, к настоящему времени не решен комплекс вопросов, связанных с ограничением перенапряжений и обеспечением надежного секционирования в децентрализованных системах электроснабжения. В этой ситуации задача повышения надежности и эффективности систем электроснабжения с автоматическим секционированием на стороне 6(10) кВ представляется актуальной, особенно для предприятий нефтегазодобычи и переработки, где технологические процессы характеризуются непрерывностью и значительными экономическими ущербами при нарушениях электроснабжения.

Цель работы — Повышение надежности и эффективности электроснабжения электроустановок предприятий по добыче и переработке полезных ископаемых путем устройства эффективной системы заземления нейтрали и предотвращения аварийных режимов, связанных с однофазными замыканиями на землю при автоматическом секционировании линий электропередачи на стороне 6(10) кВ.

Идея работы заключается в обеспечении надежного и эффективного электроснабжения предприятий по добыче и переработке полезных ископаемых, путём обоснования рационального режима заземления нейтрали и на основе этого построения децентрализованной системы электроснабжения, в которой исключается возможность двухфазного замыкания на землю при автоматическом секционировании на стороне 6(10) кВ. Задачи исследования:

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• выявить зависимость уровня перенапряжений на электроустановках электротехнического комплекса от параметров системы электроснабжения, включая напряжение, параметры питающих линий электропередачи, нагрузки, устройства заземления нейтрали и характер деионизации изоляционных промежутков;

• выявить закономерности, позволяющие определить поврежденную фазу в сети с номинальным напряжением 6(10) кВ при вариации переходного сопротивления в месте однофазного замыкания и проводимостей фаз относительно земли;

• разработать рекомендации по выбору эффективной системы заземления нейтрали в зависимости от параметров электрических сетей и нагрузки, позволяющие селективно выявить поврежденные участки и фазы при секционировании на стороне 6(10) кВ;

• разработать структуру автоматического секционирования линии > электропередачи, обеспечивающую повышение надежности и эффективности предприятий по добыче и переработке полезных ископаемых;

Методы исследований: в работе использованы методы теории электрических цепей, теории систем электроснабжения электротехнических комплексов, численные методы решения уравнений, теории вероятности, метод моделирования электромагнитных процессов в системах электроснабжения с помощью ЭВМ.

Положения, выносимые на защиту:

1. Зависимости тока однофазного замыкания и уровней перенапряжения на изоляции элементов системы электроснабжения при вариации продольных и поперечных параметров линии, системы заземления нейтрали, времени деионизации изоляционных промежутков, вида нагрузки, включая преобразовательные установки, средств защиты, позволяют установить рациональные режимы нейтрали, степень компенсации тока утечки, тока однофазного замыкания на землю и уровень координации изоляции электрооборудования.

2. Метод секционирования и защиты сетей среднего напряжения 6−35кВ путем резервирования электропитания отдельных линий или объединения системы сборных шин на стороне 6(10)кВ территориально рассредоточенных подстанций посредством применения автоматических пунктов секционирования с использованием средств автоматического включения резерва и децентрализованной автоматизации распределительной сети позволяет обеспечить надежность электроснабжения электроприемников при однофазном замыкании на землю разноименных фаз, подлежащих секционированию частей системы электротехнического комплекса.

Научная новизна работы:

• выявлены зависимости уровней перенапряжениий на элементах электрооборудования электротехнического комплекса горных предприятий от параметров системы электроснабжения среднего напряжения, включая напряжение и параметры питающих линий электропередачи, нагрузки и времени деионизации изоляционных промежутков, позволяющие выбрать рациональный режим нейтрали в децентрализованной системе электроснабжения;

• установлены зависимости напряжений в поврежденных фазах и нейтрали системы электроснабжения в режиме 033 при вариации в широком диапазоне переходного сопротивления в месте замыкания фазы сети на землю и проводимостей фаз относительно земли, позволяющие выявить фазу, в которой имеет место замыкание на землю;

• разработан алгоритм определения поврежденной фазы в децентрализованной системе электроснабжения при однофазных замыканиях на землю разноименных фаз секционируемых линий;

Обоснованность и достоверность научных положений базируется на применении положений теории электрических цепей, теории электромагнитных процессов в системах электроснабжения и электрических машинах, теории вероятности, численных методах решения уравнений, методах математического моделирования с помощью ЭВМ, удовлетворительной сходимостью теоретических результатов с экспериментальными данными.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

• разработана структура автоматического секционирования линий электропередачи, обеспечивающая повышение эффективности и надежности электроснабжения;

• разработана методика определения эффективного способа заземления нейтрали с использованием математической модели электротехнического комплекса в среде MathLAB;

• дана оценка эффективности и надежности секционирования линий ^ электропередач 6(10) кВ.

Апробация. Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на конференциях молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» в 2003, 2005, 2006 гг. в СПГГИ (ТУ) — политехническом симпозиуме: «Молодые ученые промышленности Северо-западного региона», 2004 г.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 6 печатных работах.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Установлены зависимости уровней перенапряжения на электроустановках электротехнического комплекса в зависимости от параметров системы электроснабжения и способа заземления нейтрали. В сетях с изолированной нейтралью возможно возникновение перемежающейся дуги и связанной с ней эскалации напряжения, изоляция сети при этом испытывает перенапряжения до 6 11ф. Уровень дуговых перенапряжений в режиме полной компенсации не превышает 2,0 11ф. Высокоомный резистор в нейтрали сети позволяет ограничить уровень дуговых перенапряжений на уровне 2,511ф.

2. На основании показателей рациональности работы систем электроснабжения (СЭС) определены режимы нейтрали для воздушных и воздушно-кабельных промысловых сетей 6(10) кВ, содержащих высоковольтные электродвигатели.

3. Установлено, что для сетей с наличием высоковольтных вращающихся машин, а так же сетей, имеющих резервный источник питания, при токе однофазного замыкания на землю 20 > 1С > 5 А рациональным является низкоомное резистированние, позволяющие создать ток, достаточный для селективного отключения поврежденного присоединения. Энергетические характеристики резистора в данной конструкции рассчитываются на воздействие токов 033 в течение 1.5−3 с (длительность его эксплуатации в режиме 033 определяется быстродействием релейной защиты).

4. Для сетей /с < 5Л, не имеющих автоматического ввода резерва, рациональным является заземление нейтрали через «высокоомный» резистор. Применение высокоомного резистора позволяет применить токовые защиты от 033 с действием на сигнал и ограничить уровень дуговых перенапряжений на уровне 2,5 иф. Применение резистора требует минимальной реконструкции подстанций.

5.. Для сетей с током замыкания1С >20А, не имеющих резервного источника питания, рациональной является полная компенсация емкостных токов замыкания на землю. Применение полной компенсации позволяет длительно противодействовать развитию аварии и поддерживать минимальное напряжение на дуговом промежутке, что обеспечивает высокую степень самоликвидации дуговых замыканий. Для реализации режима полной компенсации потребуется установка дополнительной управляемой индуктивности, обеспечивающей постоянную готовность контура нулевой последовательности сети противодействовать развитию 033.

6. Выявлены закономерности позволяющие определить поврежденную фазу в сети среднего напряжения 6−10 кВ при вариации переходного сопротивления в месте однофазного замыкания и проводимостей фаз относительно землиустановлено, что параметром, однозначно указывающим на поврежденную фазу сети, является начальная фаза вектора напряжения нулевой последовательности (фо). Начальная фаза напряжения нулевой последовательности при замыкании на землю не выходит за пределы значений: при замыкании фазы, А Аф0=90°-1800- при замыкании фазы В Аф0=-30°-600- при замыкании фазы С Афо=210°-300°.

7. Разработан алгоритм определения поврежденной фазы по области Аф0, в которой находится начальная фаза напряжения нулевой последовательности. Определение поврежденной фазы происходит с обеих сторон АПС на линии 1 и линии 2. Наличие в АПС определителя поврежденной фазы позволяет исключить возможность работаты при существовании 033 разноименных фаз с различных сторон линии секционируемых линий.

8. Разработана структура автоматического секционирования линии электропередачи, обеспечивающая повышение надежности и эффективности предприятий по добыче и переработке полезных ископаемыхустановлено, что длительность отключений электроснабжения при последовательно-параллельном секционировании в сети с двухсторонним питанием с применением АПС снижается на 87%, частота отказов уменьшается в 1,8 раза, а время восстановления после отказа — в 1,4 раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе содержится научно обоснованное техническое решение актуальной задачи повышения надежности и эффективности электроснабжения электроустановок предприятий по добыче и переработке полезных ископаемых, путем устройства эффективной системы заземления нейтрали и предотвращения аварийных режимов, связанных с однофазными замыканиями на землю при автоматическом секционировании линий электропередачи на стороне 6−10 кВ.