Маляр Д.Н. ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В СЕТЯХ С
Маляр Д.Н. ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В СЕТЯХ С
Маляр Д.Н. ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В СЕТЯХ С
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
И<strong>С</strong><strong>С</strong>ЛЕ<strong>Д</strong>О<strong>В</strong>А<strong>Н</strong>ИЕ ПЕРЕ<strong>Н</strong>АПРЯЖЕ<strong>Н</strong>ИЙ <strong>В</strong> <strong><strong>С</strong>ЕТЯХ</strong> <strong>С</strong> РЕЗО<strong>Н</strong>А<strong>Н</strong><strong>С</strong><strong>Н</strong>О<br />
Abstract<br />
ЗАЗЕМЛЕ<strong>Н</strong><strong>Н</strong>ОЙ <strong>Н</strong>ЕЙТРАЛЬЮ<br />
<strong>Маляр</strong> <strong>Д</strong>.<strong>Н</strong>.<br />
<strong>Д</strong>онецкий национальный технический университет<br />
Кафедра «Электрические станции»<br />
dimitry@ukrtop.com<br />
Malyar D. Research overvoltages in networks with isolated neutral. In given article the<br />
problems connected to operation of networks with isolated neutral are considered. The<br />
analysis of results of research of the various modes received on described mathematical<br />
model is offered.The reasons of occurrence ferroresonant modes are described. Various<br />
decisions for prevention of consequences are offered at single-phase short circuits in<br />
networks with isolated neutral.<br />
<strong>С</strong>ети 6-35к<strong>В</strong>, работающие в режиме с изолированной нейтралью, являются<br />
наиболее массовыми. Поэтому от надежности их работы в большой мере зависит<br />
бесперебойность снабжения потребителей электрической энергии, что особенно<br />
актуально в контексте текущего высокого уровня изношенности изоляции<br />
электрооборудования распределительных сетей. Поскольку основным видом<br />
повреждения в указанных сетях являются однофазные замыкания на землю (до 90% от<br />
общего числа нарушений нормальной работы сети), то борьба с ними является<br />
стратегическим направлением работы по повышению надежности систем<br />
электроснабжения. Опасность дуговых замыканий определяется не столько их<br />
величиной, а в большей мере тем, что они создают благоприятные условия для пробоя<br />
ослабленных мест изоляции неповрежденных фаз в других точках сети. Пробой<br />
изоляции на неповрежденной фазе ведет к двойному замыканию через землю, которое<br />
может вызвать повреждение токоограничивающих реакторов. А при отключении к<br />
двойного замыкания могут возникнуть перенапряжения с кратностью до 3,5 о.е.<br />
<strong>Д</strong>уговые перенапряжения могут представлять опасность для электродвигателей, так как<br />
прочность их изоляции после капитального ремонта находится на уровне 2,6-2,9 о.е.<br />
494
Ко всему прочему ситуация приобретает неоднозначный характер еще и в связи с<br />
тем, что широко применяемые в настоящее время дугогасящие катушки, как средство<br />
защиты сетей от последствия однофазных замыканий на землю, изначально обладая<br />
рядом известных положительных сторон, в условиях постоянно ухудшающихся ре-<br />
зонансных характеристик контура нулевой последовательности и отсутствия<br />
унифицированных и серийно выпускаемых промышленностью устройств<br />
автоматического регулирования компенсацией в сложившихся условиях эксплуатации<br />
электрических сетей 6-10к<strong>В</strong> не могут быть полностью реализованы на уровне<br />
установленных требований. Проблема усложняется ещё и тем, что при создании рынка<br />
электроэнергии подстанции, на которых установлены автоматические компенсаторы, и<br />
электрические сети, где в них нуждаются, оказались в разном ведомственном<br />
подчинении, что привело к резкому снижению уровня эксплуатации средств<br />
автокомпенсации и адекватным изменениям в эффективности практического ис-<br />
пользования этих средств, сопровождающихся резким повышением удельной<br />
повреждаемости в сетях с дугогасящими катушками и сответствуюшим снижением<br />
надёжности и безопасности функционирования систем электроснабжения .<br />
Исходя из этого, требуется анализ предельных кратностей перенапряжений при<br />
дуговых, феррорезонансных и коммутационных переходных процессах. При<br />
отсутствии надежных средств защиты электрооборудования от последствий дуговых<br />
перенапряжений, эффективное решение проблемы может быть найдено в оптимизации<br />
и управлении режимом нейтрали сети.<br />
<strong>Д</strong>ля анализа и решения вышеизложенной задачи могут с успехом применены как<br />
методы компьютерного моделирования, так и исследования на физической модели.<br />
Ярким примером удачного применения компьютерного моделирования может служить<br />
программа расчсета режимов работы сети, разработанная силами научной школы<br />
кафедры «Электрические станции». За основу взята схема сети, представленная на<br />
495
рисунке1.<br />
Рисунок 1-<strong>С</strong>хема замещени сети<br />
<strong>Д</strong>анная математическая модель сети 6-10 к<strong>В</strong>, отличается возможностью учёта<br />
влияния на исследуемые процессы двигательной нагрузки, длины кабеля от сборных<br />
шин до выводов электродвигателя, влияния двигателей друг на друга, междуфазной<br />
ёмкости сети, активной и ёмкостной проводимостей утечек через изоляцию,<br />
нелинейной характеристики ОП<strong>Н</strong>, феррорезонансных процессов из-за наличия<br />
трансформатора напряжения и т.д. Модель описана системой нелинейных и<br />
дифференциальных уравнений и обладет численной устойчивостью. <strong>С</strong>хема замещения<br />
цепи описана следующей системой дифференциальных уравнений относительно<br />
неизвестных контурных токов:<br />
Rbi1+Lbpi1+UB-UA+Ra(i1+i2+i30)+Lap(i1+i2+i30)=eb-ea ; ( 2.1 )<br />
Rci2+Lcpi2+UC-UA+Ra(i1+i2+i30)+Lap(i1+i2+i30)=ec-ea ; ( 2.2 )<br />
RT2ai3+LT2api3+Rd(i3+i4+i5)+Ldp(i3+i4+i5)-UA=0 ( 2.3 )<br />
RT2bi4+LT2bpi4+Rd(i3+i4+i5)+Ldp(i3+i4+i5)-UB=0 ; ( 2.4 )<br />
RT2ci5+LT2cpi5+Rd(i3+i4+i5)+Ldp(i3+i4+i5)-UC=0 ; ( 2.5 )<br />
R3ai6+L3api6+R3c(i6+i7)+L3cp(i6+i7)+UC-UA=0 ; ( 2.6 )<br />
R3bi7+L3bpi7+R3c(i6+i7)+L3cp(i6+i7)+UC-UB=0 ; ( 2.7 )<br />
496
RT1ai8+LT1api8-UA=0 ; ( 2.8 )<br />
RT1bi9+LT1bpi9-UB=0 ; ( 2.9 )<br />
RT1ci10+LT1cpi10-UC=0 ; ( 2.10 )<br />
R′1ai11+L′1api11+UR-UA=0 ; ( 2.11 )<br />
R′1bi12+L′1bpi12+R1b(i12-i13)+L1bp(i12-i13)+R1a(i12-i13+i14-i15)+<br />
+L1ap(i12-i13+i14-i15)+UR-UB=0 ; ( 2.12 )<br />
US-UR+R1a(i13-i12-i14+i15)+L1ap(i13-i12-i14+i15)+R1b(i13-i12)+<br />
+L1bp(i13-i12)=0 ; ( 2.13 )<br />
R′1ci14+L′1cpi14+R1c(i14-i15)+L1cp(i14-i15)+R1a(i14+i12-i13-i15)+<br />
+L1ap(i14+i12-i13-i15)+UR-UC=0 ; ( 2.14 )<br />
UT-UR+R1a(i15-i12+i13-i14)+L1ap(i15-i12+i13-i14)+R1c(i15-i14)+<br />
+L1cp(i15-i14)=0 ; ( 2.15 )<br />
R′2ai16+L′2api16+R2a(i16-i17)+L2ap(i16-i17)+R2c(i16-i17+i18-i19)+<br />
+L2cp(i16-i17+i18-i19)+UG-UA=0 ; ( 2.16 )<br />
UM-UG+R2c(i17-i16-i18+i19)+L2cp(i17-i16-i18+i19)+R2a(i17-i16)+<br />
+L2ap(i17-i16)=0 ; ( 2.17 )<br />
R′2bi18+L′2bpi18+R2b(i18-i19)+L2bp(i18-i19)+R2c(i18+i16-i17-i19)+<br />
+L2cp(i18+i16-i17-i19)+UG-UB=0 ; ( 2.18 )<br />
UV -UG+R2c(i19-i16+i17-i18)+L2cp(i19-i16+i17-i18)+R2b(i19-i18)+<br />
+L2bp(i19-i18)=0 ; ( 2.19 )<br />
R′2ci20+L′2cpi20+UG-UC=0 ; ( 2.20 )<br />
Mpi21+UNA+UA-UC=0 ; ( 2.21 )<br />
Mpi22+UPB+UB-UA=0 ; ( 2.22 )<br />
Mpi23+UKC+UC-UB=0 ; ( 2.23 )<br />
UA1-UA+Mpi24=0 ; ( 2.24 )<br />
UB1-UB+Mpi25=0 ; ( 2.25 )<br />
UC1-UC+Mpi26=0 ; ( 2.26 )<br />
UA2-UA+Mpi27=0 ; ( 2.27 )<br />
UB2-UB+Mpi28=0 ; ( 2.28 )<br />
UC2-UC+Mpi29=0 ; ( 2.29 )<br />
Rr1i30+UX-UA+Ra(i30+i1+i2)+Lap(i30+i1+i2)=-ea ; ( 2.30 )<br />
, где p - оператор дифференцирования.<br />
497
Как видим, в результате получилась система дифференциальных уравнений 49-го<br />
порядка, поэтому расчёты в программе ведутся в матричной форме. Проверка на<br />
сходимость результатов расчёта сети на ПЭ<strong>В</strong>М с теоретическими и<br />
экспериментальными данными проводилась на основе теорий Петерсена и Петерса-<br />
<strong>С</strong>лепяна и показала полную состоятельность данного метода расчета.<br />
Как отмечалось выше, в большинстве существующих сетей 6-10 к<strong>В</strong> Украины по<br />
различным причинам не удаётся добиться настройки <strong>Д</strong>ГК в резонанс и<br />
дугогасительные катушки находятся в режиме или недокомпенсации или<br />
перекомпенсации, часто превышающем допустимый правилами предел в 5%. <strong>В</strong><br />
качестве примера в сети с током замыкания на землю 30 А была взята расстройка <strong>Д</strong>ГК<br />
на + 25% и – 25% ( рис. 2 ). <strong>В</strong>ызванный раскомпенсацией процесс биения напряжений<br />
приводит к тому, что восстанавливающееся напряжение на больной фазе превышает<br />
фазное, в данном случае в 1.68 и 1.71 раз. Хотя к этому моменту электрическая<br />
прочность в месте пробоя успевает восстановиться, происходит повторный пробой из-<br />
за повышенного напряжения.<br />
Рисунок 2 – Замыкание фазы на землю в сети с током замыкания на землю 30 А<br />
(расстройка <strong>Д</strong>ГК на – 25% )<br />
Основываясь на данных проведенных исследований, можно сделать вывод, что<br />
бесспорным преимуществом дугогасительной катушки является уменьшение тока<br />
однофазного замыкания на землю, что способствует быстрому гашению возникаемой<br />
дуги. <strong>Н</strong>о отсутствие в настоящее время хороших авторегуляторов для настройки <strong>Д</strong>ГК в<br />
резонанс, сводит на нет это преимущество и на передний план выходят недостатки,<br />
присущие <strong>Д</strong>ГК. <strong>В</strong>о-первых, в нормальном эксплуатационном режиме при наличии<br />
несимметрии в сети катушка создаёт большое напряжение смещения нейтрали, которое<br />
498
приводит к преждевременному старению изоляции. <strong>В</strong>о-вторых, даже при небольшой<br />
расстройке катушки, после замыкания на землю, напряжение на больной фазе<br />
восстанавливаясь превышает Uф, что создаёт большую вероятность возникновения<br />
нового пробоя с высоким уровнем перенапряжений по фазам.<br />
Большой научный интерес вызывает также исследование феррорезонансных<br />
режимов. Феррорезонансные процессы возникают в трехфазных сетях, где линейные<br />
элементы – индуктивности, емкости и активные сопротивления сложным образом<br />
соединены между собой и с нелинейными индуктивностями, образованными<br />
обмотками силовых и измерительных трансформаторов. Феррорезонанс в подобных<br />
контурах, является нелинейным резонансом, и характеризуется значительными<br />
повышениями и искажения формы напряжения на элементах схемы и токов на них.<br />
Если аналитическое описание переходного процесса в линейной схеме можно получить<br />
на основе решения системы линейных дифференциальных уравнений (при этом<br />
решение однозначно и принципиальных трудностей в его получении нет), то система<br />
дифференциальных уравнений даже простейшего последовательного нелинейного<br />
колебательного не имеет однозначного решения по причине зависимости его<br />
индуктивности от приложенного напряжения (потокосцепления). Исходя из этого<br />
практически единственным достоверным способом исследования феррорезонансных<br />
явлений в трехфазных сетях является компьютерное моделирование переходных<br />
процессов, которое воплощено в вышеописанной математической модели.<br />
Таким образом, на основе большого объема исследований, выполненных с<br />
использованием математических и физических моделей сети и отдельных опытах в<br />
реальных сетях, нами обнаружены принципиально новые явления, требующие нового<br />
подхода к выбору и расстановке средств защиты от дуговых перенапряжений. <strong>В</strong><br />
процессе анализа результатов исследования установлено, что традиционно<br />
применяемые в нашей стране режимы заземления нейтрали распределительных сетей<br />
6-10к<strong>В</strong> в сложившихся условиях не удовлетворяют требованиям современного<br />
состояния изоляции электрооборудования, и потому должны совершенствоваться,<br />
однако показано, что однозначного решения этой проблемы не существует.<br />
При выборе режима нейтрали для каждой конкретной сети должны учитываться<br />
ее специфические особенности, в частности: ее параметры, состояние изоляции,<br />
категория потребителей, наличия средств защиты от замыканий на землю, требования к<br />
электробезопасности и т.д.. <strong>С</strong> целью снижения влияния режима нейтрали на условия<br />
работы электрооборудования нами предложены схемные решения, практическая<br />
499
реализация которых позволяет исключить возможность однофазных замыканий в<br />
междуфазные короткие замыкания, групповой выход из строя электрооборудования и<br />
многоместные пробои изоляции на поврежденной фазе, что существенно повысит<br />
надежность работы распределительных сетей в сложившихся условиях.<br />
Литература<br />
1. Правила устройства электроустановок. М.: Энергоатомиздат. 1986 г.<br />
2. Лихачев Ф. А. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с<br />
компенсацией емкостных токов. М.: Энергия, 1971.<br />
3. <strong>С</strong>правочник по электрическим установкам высокого напряжения. Под редакцией И.<br />
А. Баумштейна, <strong>С</strong>. А. Баженова. М.: Энергоатомиздат, 1989.<br />
4. Евдокунин Г. А., Коршунов Е. <strong>В</strong>., <strong>С</strong>еппинг <strong>В</strong>. А., Ярвик Я. Я. Методы расчета на<br />
Э<strong>В</strong>М электромагнитных переходных процессов в ферромагнитных устройствах с<br />
произвольной структурой магнитной и электрической цепей. Электротехника, 1991, N<br />
2.<br />
5. Евдокунин Г. А., Гудилин <strong>С</strong>. <strong>В</strong>., Корепанов А. А. <strong>В</strong>ыбор способа заземления<br />
нейтрали в сетях 6-10 к<strong>В</strong>. Электричество, 1998, N 12<br />
500