автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Коммутация батареи статических конденсаторов высокого напряжения выключателем с одним приводом

На правах рукописи

ТИХОНЧУК Дмитрий Александрович

КОММУТАЦИЯ БАТАРЕИ СТАТИЧЕСКИХ КОНДЕНСАТОРОВ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕМ С ОДНИМ

ПРИВОДОМ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

13! 2014

Уфа - 2014

005555012

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уфимский государственный авиационный технический университет» на кафедре электромеханики

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Исмагилов Флюр Рашитовнч доктор технических наук, профессор Тропик Владимир Валентинович ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет»

профессор кафедры применения электрической энергии

кандидат технических наук, доцент Николаев Александр Аркадьевич

Институт энергетики и автоматизированных систем ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет» заведующий кафедрой автоматизированного электропривода и мехатроникн

Ведущая организация: ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС» (г. Москва)

Защита состоится «29» декабря 2014 года в 10°° часов на заседании диссертационного совета Д 212.288.02 при ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» по адресу:

450000, г. Уфа-центр, ул. Карла Маркса, 12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» и на сайте www.ugatu.su

Автореферат разослан «29» октября 2014 года.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, допет

А. В. Месропян

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. За последние годы во многих регионах России выросло потребление электроэнергии. Большая часть трансформаторов и подстанций работает с предельной загрузкой или перегрузкой, что связано с превышением разрешенной мощности, установленной в технических условиях, а также недостаточной компенсацией реактивной мощности (РМ). В связи с отсутствием нормативной базы предприятия не были заинтересованы компенсировать РМ и до недавнего времени перестали заниматься поддержанием коэффициента мощности на стороне потребителя. Данная ситуация привела к возрастанию потоков РМ, увеличению потерь, снижению управляемости режимами работы распределительных сетей и ухудшению качества и надежности электроснабжения потребителей.

Электрооборудование, предназначенное для управляемой коммутации батарей статических конденсаторов высокого напряжения (БСК) 6-10-35-110 кВ, является эффективным средством регулирования потоков реактивной мощности, а также нормализации уровня напряжения.

При коммутации БСК высокого напряжения, вследствие большой запасенной энергии, возникают переходные процессы, сопровождающиеся бросками тока, повторными пробоями или зажиганиями.

Основным коммутирующим аппаратом для батареи статических конденсаторов является высоковольтный выключатель, способный включать и отключать емкостную нагрузку. На сегодняшний день остаются недостаточно изученными процессы, происходящие во время коммутации БСК высокого напряжения.

Использование имитационной модели позволит получить необходимые параметры управляемой коммутации высоковольтных выключателей с трехполюсным управлением одним приводом. Применение управляемой коммутации приводит к существенному уменьшению воздействия переходных процессов при коммутации БСК высокого напряжения, увеличению срока службы электротехнического оборудования подстанции, уменьшению эксплуатационных затрат на ремонт выключателей и БСК.

Существующие математические модели высоковольтных выключателей разработаны преимущественно для решения задачи моделирования отключения номинальных рабочих токов и номинальных токов трехфазных коротких замыкании на линиях электропередач соответствующего напряжения. В известной научно-технической литературе не представлена общепринятая математическая и имитационная модели для процессов коммутации емкостных токов БСК высокого напряжения с учетом возможных бросков тока, повторных пробоев или зажиганий.

Отсутствуют данные анализа срока службы и вероятности безотказной работы конденсаторов в составе БСК-110, а также влияния повторных пробоев или зажиганий, бросков тока при коммутации БСК-110 на срок службы конденсаторов.

В Российской Федерации применение электротехнического оборудования, предназначенного для управляемой коммутации БСК высокого напряжения, не получило широкого распространения из-за дороговизны, связанной со сложностью приводов и синхронизаторов. На сегодняшний день при иополюсном управлении выключателем (устанавливается три привода) типовой синхронизатор позволяет управлять отдельно каждым полюсом, чтобы обеспечить замыкание каждого полюса в требуемый момент времени. При трехполюсном управлении одним приводом полюса регулируют (разносят) механически, при этом научно обоснованные алгоритмы механического разноса отсутствуют.

Объектом исследования является электротехнический комплекс подстанций 35-110 кВ. состоящий из батареи статических конденсаторов, высоковольтного выключателя, а также систем измерения и управления. Под системой измерения подразумевается комплекс измерительных трансформаторов тока и напряжения, а под системой управления - типовой синхронизатор, предназначенный для передачи команд включения и отключения в зависимости от условий синхронной коммутации.

Степень разработанности темы исследования. Значительный вклад в развитие техники высоких напряжений и непосредственно в изучение процессов коммутации сосредоточенной емкости внесли такие ученые и специалисты, как Д. В. Разевиг, А. М. Берковский, Ю. М. Лысков, И.М.Фельдман, Л. И. Сиротинский, Л. И. Долганов.

Развитию теории и практики компенсации реактивной мощности и особенностям коммутации БСК уделяли внимание В. Ф. Белей, Ю. С. Железко, Я. Ю. Солодухо, Г. С. Кучинский, Н. И. Назаров, Ю. А. Дементьев, В. С. Поляков, Н. А. Колядина, А.И.Толкачев, И. Л. Шлейфман, Ю. А. Бушля, А.К.Манн, К. М. Антинов, Н. П. Александрова, John Н. В гичке, А. Ф. Курбатов, В. И. Полков, В. С. Зуев, Л. К. Тучина, В. Г. Жилкин, Е. А. Самсонов, Т. Е. Browne, G. Bizjak, D. Povh, Р. Zunko.

Проблемы перенапряжений и восстанавливающейся прочности в высоковольтных выключателях отразили в своих работах Н. В. Шилин, Ю. А. Никуев, В. В. Базуткин, К. П. ЬСадомская, М. Н. Костенко, Ю. А. Михайлов, Г. В. Буткевич, Г. А. Славин, J. Schwarz, U. Habedank.

Цель работы - совершенствование моделей и алгоритмов коммутации конденсаторных батарей высокого напряжения в области управляемой коммутации с высоковольтными выключателями с механическим разносом привода.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Разработка математической модели влияния повторных пробоев или зажиганий, а также бросков тока при коммутации БСК на срок службы конденсаторов для определения остаточного ресурса.

2. Разработка математической модели и алгоритма механического разноса высоковольтных выключателей 110 кВ для задания требуемой разновременности при реализации управляемой коммутации.

3. Разработка компьютерной имитационной модели коммутации сосредоточенной емкости на примере батареи статических конденсаторов

высокого напряжения, и исследование параметров механического разноса при реализации управляемой коммутации.

4. Создание программного комплекса для моделирования коммутации батареи статических конденсаторов высокого напряжения выключателями с трехполюсным управлением одним приводом и его механического разноса.

Научная новизна:

1. Компьютерная имитационная модель коммутации емкостной нагрузки высокого напряжения, заключающаяся в моделировании электрических процессов коммутации БСК, учитывающая процессы повторных пробоев или зажиганий, а также высокочастотных бросков тока, возникающих при разновременном включении/отключении, позволяющая исследовать параметры механического разноса и управляемой коммутации.

2. Математическая модель воздействия повторных пробоев или зажиганий, а также высокочастотных бросков тока, определяющая влияние данных явлений на срок службы (ресурс) конденсаторов батареи статических конденсаторов высокого напряжения, позволяющая оценивать значения уменьшения остаточного ресурса.

3. Математическая модель механического разноса высоковольтных выключателей ПОкВ для расчета кинематической схемы коммутационного аппарата, позволяющая научно обосновано получить параметры для механического задания требуемой разновременности.

4. Зависимост и наличия или отсутствия повторных пробоев или зажиганий, а также высокочастотных бросков тока в цепях батареи статических конденсаторов высокого напряжения от временных параметров разноса высоковольтного выключателя, характеризующие определенные интервалы времени включения/отключения, позволяющие научно обосновано определять благоприятные моменты коммутации.

Теоретическая и практическая значимость работы:

1. Анализ и классификация отказов конденсаторов батареи статических конденсаторов 110 кВ на подстанциях ООО «Башкирэнерго» с расчетом их вероятности безотказной работы, вероятности отказа, средней наработки на отказ, интенсивности отказов.

2. Алгоритм осуществления механического разноса высоковольтных выключателей 110 кВ.

3. Программный продукт, который предоставляет за счет ввода в него данных требуемые параметры, визуальные представления для алгоритма механического разноса, тем самым, позволяя инженерным работникам производить необходимые расчеты с минимальными затратами времени.

4. Рекомендации по выбору режима и параметров управляемой коммутации для БСК.

Методология и методы исследования.

Для решения поставленных задач и достижения намеченной цели исследования электромагнитных переходных процессов при коммутации батарей статических конденсаторов высокого напряжения, а также влияния повторных пробоев или зажиганий, высокочастотных бросков тока на срок службы

конденсаторов БСК использованы аналитические методы, теория дифференциального и интегрального исчислений, математическое моделирование с использованием пакетов MathCAD, Matlab R2012b.

Обработка результатов экспериментов и измерений, а также данных компьютерного моделирования производилась в пакете Matlab R20l2b. Разработка программного комплекса выполнена на объектно-ориентированном языке программирования Delphi 7.

Основные теоретические положения и выводы подтверждены результатами экспериментальных исследований и измерений на действующем электротехническом подстанциониом оборудовании. Исследования проводились на объектах ООО «Башкирэнерго» г. Уфа и на кафедре электромеханики УГЛТУ.

Положения, выносимые на защит}':

1. Компьютерная имитационная модель, позволяющая выполнять расчет переходных процессов при коммутации сосредоточенной емкости, на примере БСК-J10. учитывающая процессы повторных пробоев или зажиганий, а также высокочастотных бросков тока и соответствующие зависимости их наличия или отсутствия.

2. Математическая модель влияния повторных пробоев или зажиганий, а также высокочастотных бросков тока на срок службы конденсаторов батареи статических конденсаторов высокого напряжения.

3. Математическая модель и алгоритм выполнения механического разноса высоковольтного выключателя 110 кВ с учетом важных параметров; разновременность и ход в контактах, допустимые перемещения, допустимые скорости.

Степень достоверности результатов, полученных в работе, подтверждается тем, что в теоретических построениях использовались законы и подходы, справедливость которых общепризнана, а также известный и корректный математический аппарат; вводимые допущения мотивировались фактами, известными из практики. Достоверность и обоснованность научных положений подтверждена также соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Апробация результатов работы.

Основные теоретические и практические результаты работ докладывались на конференциях и публиковались в научных журналах и изданиях:

]. Всероссийская конференция с элементами научной школы для молодежи «Научно-исследовательские проблемы а области энергетики и энергосбережения», г. Уфа, 2011 г.

2. Всероссийская конференция-конкурс «У.М.H.H.K. Башкортостан 2011», победитель программы, г. Уфа, 2011 г.

3. Республиканский молодежный инновационный Форум «Иннова-2011» с представлением проекта «Коммутация конденсаторных батарей 11()кВ», г.Уфа, 2011 г.

4. VI молодежная научная конференция «Тинчуринские чтения», г. Казань, 2011г.

5. VI Всероссийская зимняя школа-аспирантов и молодых ученых, г. Уфа, 2011 г.

6. Финальное мероприятие молодежной программы «Инвестируя в будущее» в рамках международной выставки и конференции Russia Power, г. Москва, 2013 г.

7. Международная научно-мракгическая конференция «Современные научные достижения-2013», г. Прага, 2013 г.

8. VIII Международная научно-техническая п практическая конференция «Перспективы развития электроэнергетики и высоковольтного электротехнического оборудования. Энергоэффективность и энергосбережение» 25-26 марта 2014 года, г. Москва, 2014 г.

9. Международная конференция «Energy Quest 2014, 23-25 April, Ekaterinburg, Russia», г. Екатеринбург, 2014 г.

По результатам исследовании опубликовано 12 печатных работ, в том числе 5 статей, входящих в перечень ВАК, 7 материалов конференций.

Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены в OCX) «Башкирэнерго», г. Уфа. Отдельные результаты работы использованы в учебном процессе в Уфимском государственном авиационном техническом университете на кафедре электромеханики.

Структура и объем диссертации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 120 наименований и шести приложений. Общий объем диссертации составляет 232 страницы.

Во введении приводится обоснование важности и актуальности исследования, сформулирована его цель, охарактеризованы предмет и объект изучения, определены научная новизна, теоретическая и практическая значимость результатов работы.

В первой главе проведен сравнительный анализ моделей коммутации конденсаторных батарей высокого напряжения, а также причин сопутствующих повторных пробоев или зажиганий, а также высокочастотных бросков тока и их вероятностей.

Коммутация БСК, не сопровождающаяся повторными пробоями или зажиганиями, бросками тока, обеспечивает существенное уменьшение воздействия переходных процессов, увеличение срока службы электротехнического оборудования подстанции, уменьшение эксплуатационных затрат на ремонт выключателей и БСК. Отсутствует какая-либо количественная оценка воздействия переходных процессов на срок службы электротехнического оборудования, а именно, силовых конденсаторов в составе БСК.

На основе статистических данных проведен анализ и разработана классификация отказов конденсаторов в составе БСК-110 на трех подстанциях ООО «Башкирэнерго» с расчетом вероя тности безотказной работы, вероятности

отказа, средней наработки на отказ, интенсивности отказов. Данные параметры сущест венно отличаются от требований нормативно-технической документации.

В ходе обзора выявлено, что исследованию коммутации конденсаторных батарей и, особенно, управляемой коммутации и, в частности, механическому или электрическому разносу посвящено ограниченное количество публикаций как зарубежных, так и отечественных. Большинство публикаций лишь утверждает о преимуществах управляемой коммутации, а также возможности и крайней сложности задания разновременности при механическом разносе.

Выполнен обзор основных задач управляемой коммутации, а также перспектив коммерциализации с применением механического разноса.

Для БСК с заземленной нейтралью три полюса должны коммутироваться с разностью по времени в 1/6 периода (3,33 мс при 50 Гц, или 2,8 мс при 60 Гц), первый полюс коммутируется при нулевом напряжении. Дпя БСК с незаземленной нейтралью два полюса должны коммутироваться одновременно при околонулевом значении напряжения, а последний - на 1/4 периода позже (5 мс при 50 Гц или 4,2 .мс при 60 Гц).

Исследовав многообразие выключателей за продолжительное время применения управляемой коммутации, определено, что отсутствуют научно обоснованные алгоритмы по механическому разносу высоковольтных выключателей и программы испытаний в эксплуатации подобных модификаций.

Механический разнос полюсов выключателей 110 кВ в мировой практике осуществляется только подбором регулировочных характеристик без обоснования соответствующими расчетами.

Механическое задание разновременности, или, в дословном переводе с английского языка механический разнос, является индивидуальным процессом для каждого коммутационного аппарата, поэтому разработка универсального алгоритма механического разноса на основе данных математической модели и визуального представления является главной задачей исследований.

Разработана классификация способов механического разноса выключателей 110 кВ. Наиболее подходящим для реализации является способ изменения угла между внутренним и наружным рычагом высоковольтного выключателя.

При данном подходе один полюс (предположигельно центральный) выбирается в качестве базы и не подвергается регулированию. Для двух оставшихся полюсов производится операция регулировки, сводящаяся к изменению взаимного угла между рычагами за счет изменения начатьного положения внутреннего рычага по отношению к неизменному наружному рычагу.

Результатом проведенного анализа явилось формулирование целей и задач исследования.

Во второй главе разработана математическая модель (1) влияния повторных пробоев или зажиганий, а также бросков тока при коммутации БСК высокого напряжения на срок службы конденсаторов.

Для определения выработки ресурса от воздействия повторных пробоев или зажиганий, а также высокочастотных бросков тока предлагается применять метод ступенчатого учета напряженности, температуры и времени при каждом пробое или зажигании, а также высокочастотных бросках. В качестве допущений принято

следующее: напряженность приведена к действующему напряжению; температура приведена к силе тока одного конденсатора; нормативный срок службы 25 лет. Абсолютная погрешность среднего значения коэффициента пробоя равняется 12,6; коэффициента броска - 941.36; при этом относительная погрешность среднего значения коэффициента пробоя составляет 20,3 %; коэффициента броска- 15,4 %. Модель представляет систему уравнений минимум для двух подстанций (двух БСК), включающих нормативный срок службы

т изделий и фактически отработанное времся тфаг1:

(

Ч»<, +2>;|

НО{чЧ I

Ы1 №

и.....

•ехр

-Кг.

!± и

к,.

V (

__^

I,

(1)

• ехр

-К

с'цух ка

Т

где переменные с индексом / и } соответствуют параметрам конденсаторов, отказавшим в разное время за разные периоды п и т\ ток при /-й ступени, Л; ^ном - ток при номинальных условиях, А; ¿У,- - напряжение при /-й ступени, В; 11„т — напряжение при номинальных условиях, В; Л/, - продолжительность /-й сту пени при соответствующем напряжении и токе, с; Агу- - время до отказа на последней п-й ступени при соответствующем токе и напряжении, с; А',,,™«» - коэффициент пробоя; Айрола - коэффициен т броска.

Создана математическая модель и алгоритм механического разноса высоковольтного выключателя, расчет в зависимости от заданной разновременности и от взаимного угла.

Для математического расчета и создания алгорит ма механического разноса выключателя 110кВ была разработана кинематическая схема, представленная в отключенном положении выключателя на рисунке I.

Полученная математическая модель включает в себя функции (2-4).

Ординаты нижнего конца штока

5+Ьсо.ч(ч/). - (2)

Скорости:

• 5, - £• \|/'• . (3)

Ускорения:

У, =</• 5У ■ - ¿-(Ч''" -С08(\|/) + \|/"-51П(11/)), ^

где у' - производная от у.

, -и., • (1 • Б. VI» =—1-(5)

- вторая производная от VI/:

<1 ■ 5, ■ со,. ,2 . , ч

-1-+ V)/ • 51П(\|/)

V'=■

сок(\4/)

Угол у:

\(/ = агс81п

'(«-¿•О'

Ь

(6)

(7)

где е - смещение линии движения штока о-х,с1 — длина внутреннего рычага Ъ - с, Ь - длина шатуна штока Ь — Ь\.

Синус угла х/ между шатуном и вертикалью движения штока:

sinW = iízj<l. (8)

Угловое перемещение внутреннего рычага над горизонталью точки С в радианах:

Ф„=Ф-Я. (9)

Вертикальное перемещение конца внутреннего рычага над горизонталью точки С:

5,=вш<<р,). (10)

Горизонтальное перемещение конца внутреннего рычага от вертикали точки

С:

^««(ф*). (И)

\ а ь т \ а Ь 1 \а Чл]

1 —1* L Г 1 1 [. \ 1 1

Рисунок 1 — Кинематическая схема привода высоковольтного выключателя 110 кВ в отключенном положении

В большинстве выключателей 110 кВ звена Ь-Ь\ не существует, поэтому в качестве допущения принято, что требуемая прямолинейная траектория движения точки К осуществляется за счет изгиба тяги ЬГК. Для математической модели механического разноса абсолютное отклонение среднего значения составляет 0,115 мс, относительное отклонение среднего значения - 15,97 %.

Создана имитационная модель коммутации емкостной нагрузки высокого напряжения. Моделирование выполнено в среде МайаЬМтиНпк, основными элементами модели выбраны блоки, представленные на рисунке 2.

•4ЛЛЛ-

Шины 110 «В подстанции

Сопротивления оборудования довьгслкяателя Фазы А

■ ■ цех! 4

Вышочагал) 110 кВ фаза А

Осциллограф тока в трех фазах ^

зЩ. [ Емкость оборудования

после выключателя БСК-110 | фазы А

—44 --

Амперметр Фазы А

Вольтметр на контактах выклкыателя фазы А [у]

Емкость БСК-110 фазы А

Сопротивления оборудования после выключателя

Фазы А Вольтметр нейтрали фазы АгЛ

1(—.децилпограф напряжения ^ {

^^^ в трех фазах на контактах выключателя Осцилгогрзф шпрж.»«^

в трех фазах на нейтрале '—II

Рисунок 2 - Элементы разработанной модели в однофазном представлении

При этом главным элементом является выключателя 110 кВ, представленная на рисунке 3.

модель высоковольтного

сопротивление при поетооном пообо€

Рисунок 3 - Составные элементы модели высоковольтного выключателя 110 кВ

Основой разработанной имитационной модели (12) является модель горения дуги «Шварца», которая, в свою очередь, является модификацией модели «Майера». Для данных моделей постоянная времени электрической дуги и мощность охлаждения зависят от проводимости электрической дуги. Для реализации поставленной задачи имитационного моделирования в указанную математическую модель внесены условие возникновения повторного пробоя и зажигания, дополнительная переходная проводимость, влияющая на характер броска тока при повторном пробое или зажигании, а также применены нижеприведенные коэффициенты:

1 _с1\п^ 1 Г н-1 Д

где # - проводимость электрической дуги, См; и - напряжение электрической дуги, В; I - ток электрической дуги, А; т - постоянная времени электрической дуги; а - параметр, влияющий на зависимость проводимости от постоянной времени (т); Я - постоянная мощности охлаждения; Ь - параметр, влияющий на зависимость проводимости (#) от мощности охлаждения; г,--восстанавливающееся сопротивление, Ом; £псрсх - переходная проводимость, См.

Связь между электрическими и механическими параметрами, то есть между моделью механического разноса высоковольтного выключателя и коммутации БОС реализуется через задаваемую или рассчитываемую временную разновременность включения/отключения. Проводимость электрической дуги £ следует ограничивать значением меньшим или равным 1- Ю"10 См для того, чтобы исключить вычислительные ошибки. В качестве базовых параметров в полученной модели необходимо использовать следующие значения: момент первого включения - 0 с; момент первого отключения - 0,33 с; коэффициент нарастания диэлектрической прочности - 99-10~'°; параметр, влияющий на зависимость проводимости 0?) от постоянной времени (т) 0,8; постоянная мощности охлаждения 100-105; параметр, влияющий на зависимость проводимости (#) от мощности охлаждения 0,6; переходная проводимость -МО4 См.

Трегья глава посвящена исследуемым объектам, способам получения экспериментальных и расчетных данных.

В ходе научных исследований применялся регистратор аварийных событий (РАС) «Черный ящик», установленный в системе ООО «Башкнрэнерго» на узловых подстанциях.

С помощью данного комплекса ведется постоянный мониторинг за коммутационными процессами исследуемого оборудования.

Экспериментальные данные взяты за период с 2010 по 2014 гг.

В ходе экспериментальных исследований происходила регистрация токов и напряжений от измерительных трансформаторов тока и напряжения сети 110 кВ с частотой дискретизации не менее 1000 Гц. Время записи, предшествующее аварийному событию, не менее 0,2 с. Событие - интервал времени, когда пусковые устройства РАС находятся в сработанном состоянии. Время записи аварийного события обычно не превышает 1-2 с. При длительном срабатывании пусковых органов РАС предусматривается возможность ограничения записи до 12 с и автоматический вывод из работы длительно сработанных пусковых органов. Процесс записи события состоит из трех интервалов времени: интервал времени, предшествующий событию, во время самого события и последующие за событием. РАС обеспечивает время записи сигналов после события не менее

1 с. Временные метки последовательности событий устанавливаются с точностью до ±10 миллисекунд и разрешением в 1 мс. Измерения временных и скоростных характеристик проводились с применением приборов контроля состояния выключателей TM-1600 SA-00020 0040 V000 производства GE «Programmen-» и ПКВ-м5 производства (Х)О «СКВ электротехнического приборостроения».

Измерения переходного сопротивления высоковольтных выключателей проводились с применением мнкроомметра МИКО-1 производства ООО «СКБ электротехнического приборостроения». Высоковольтные испытания и эксперимент проводились с применением высоковольтных лабораторий производственных отделений Октябрьских электрических сетей и Сибайских электрических сетей ООО «Башкирэнерго».

Работы проводились на действующем оборудовании в условиях реальной подстанции. Следует отметить, что определение влияния повторных пробоев или зажиганий, а также высокочастотных бросков тока на конденсаторы в составе БСК-110 проводилось исключительно на заведомо исправных конденсаторах. Реализация алгоритма механического разноса проводилась на выключателе тина LTB-145 на ПС «СибПП» ООО «Башкирэнерго».

Моделирование процессов коммутации БСК высоковольтным выключателем 110 кВ выполнялось в Mat-lab. Настройки самой программной среды Matlab R2Q\2b, которые отличаются от типовых: Zero-crossing control-.disable all; solver: odelM) (stiff/TR-BDFl); Relative tolerance: le-4; Number of consecutive, min steps: 10.

Расчет срока эксплуатации (ресурса) оборудования, а также определение влияния на эти значения наличия или отсутствия повторных пробоев и зажиганий выполнялось в MathCAD, при этом параметры вычислений в программе остались по умолчанию.

Моделирование механического разноса и написание соответствующей компьютерной программы выполнялось на языке Delphi 7. Для имитационной модели абсолютное отклонение среднего значения составляет 13.35 А, относительное отклонение среднего значения - 25,21 %.

Наглядно представлено изучение повторных зажиганий и пробоев на контактах выключателей ПОкВ с использованием программного комплекса, изложен подробный алгоритм работы программы.

Для моделирования процессов коммутации конденсаторных батарей высокого напряжения в составе программы разработаны следующие укрупненные модули: модуль мониторинга условий коммутации, модуль управления высоковольтным выключателем, модуль синхронной коммутации, модуль имитации сети, модуль имитации высоковольтного выключателя, модуль пользовательского интерфейса.

При отключении БСК-110 высоковольтным выключателем типа МКП-110, ВМТ-110 выявлены повторные зажигания дуги на его контактах. В выключателе ПОкВ типа LTB-145 после механического разноса повторные пробои или зажигания на контактах не выявлены, что позволяет утверждать о целесообразности данного алгоритма. По трем подстанциям можно сделать вывод об опыте эксплуатации различных типов высоковольтных выключателей

для коммутации БСК-110 (ВМТ-110, МКП-110 и 1Л"В-145), а также особенности процессов коммутации.

По результатам моделирования определена возможность использования разработанной модели с незначительными изменениями для моделирования других типов выключателей и коммутации сосредоточенных емкостей высокого напряжения, а также ненагруженных длинных линий 35 кВ и выше, внося необходимые изменения в параметры элементов. Наибольших изменений потребует моделирование вакуумных выключателей.

В четвертой главе проведен анализ результатов исследований, определены зависимости наличия или отсутствия повторных пробоев и зажиганий, а также высокочастотных бросков тока в цепях батареи статических конденсаторов высокого напряжения от временных параметров разноса высоковольтного выключателя, результаты сопоставлены с данными других авторов. Особенности эксплуатации в случае механического разноса приводят к необходимости выбора режима управляемого включения в цепи БСК для элегазовых выключателей, а для масляных и воздушных выключателей режима управляемого отключения. Вероятность повторных пробоев в элегазовых выключателях сведена к минимуму, а для ограничения пусковых токов решение синхронной коммутации полностью подходит. При наличии в схеме токоограничивающих реакторов выполнять управляемую коммутацию следует в режиме отключения.

Рассмотрены режимы, отражающие способы отключения и параметры высоковольтного выключателя:

- измерения на пробойном состоянии без разноса. На данном режиме параметры высоковольтного выключателя были заданы таким образом, что повторный пробой или зажигание обязательно возникали (81 % случаев), при этом все три полюса отключались одновременно.

- измерения на предпробойном состоянии без разноса. На данном режиме параметры высоковольтного выключателя были заданы таким образом, что повторный пробой или зажигание возникали только в определенных критических точках на осциллограмме тока и напряжения (38 % случаев), при этом все три полюса отключались одновременно.

- измерения на предпробойном состоянии с разносом в нротивофазе. На данном режиме параметры высоковольтного выключателя были заданы таким образом, что повторный пробой или зажигание возникали только в определенных критических точках на осциллограмме тока и напряжения (38 % случаев). При этом все три полюса отключались с заданной разновременностью 3,3 мс и 6,6 мс, положения точек коммутации на осциллограмме тока и напряжения всех трех полюсов различно.

- измерения на пробойном состоянии с разносом в протнвофазе. На данном режиме параметры высоковольтного выключателя были заданы таким образом, что повторный пробой или зажигание обязательно возникали (66 % случаев), при этом все три полюса отключались с заданной разновременностью 3,3 мс и 6,6 мс, положения точек коммутации на осциллог рамме тока и напряжения всех трех полюсов различно.

- измерения на предпробойном состоянии с разносом в правильной фазе. На данном режиме параметры высоковольтного выключателя были заданы таким образом, что повторный пробой или зажигание возникали только в определенных критических точках на осциллограмме тока и напряжения (38 % случаев). При этом все три полюса отключались с заданной разновременностью 3,3 мс и 6,6 мс, положения точек коммутации на осциллограмме тока и напряжения всех трех полюсов идентично.

Характерные зависимости при отключении отображены на рисунке 4.

Рисунок 4 - Зависимость наличия или отсутствия повторных пробоев от момента

времени отключения

Для изучения второго важнейшего процесса были рассмотрены режимы, отражающие способы включения и параметры высоковольтного выключателя:

- измерения включения без разноса. На данном режиме все три полюса включались одновременно.

- измерения включения при разносе в противофазе. На данном режиме все три полюса отключались с заданной разновременностью 3,3 мс и 6,6 мс, положения точек коммутации на осциллограмме тока и напряжения всех трех полюсов различно.

- измерения включения при разносе в правильной фазе. На данном режиме все три полюса отключались с заданной разновременностью 3,3 мс и 6,6 мс, положения точек коммутации на осциллограмме тока и напряжения всех трех полюсов идентично.

Характерные зависимости при включении отображены на рисунке 5.

У/Л Зона гробоез Ш11 Зона уставного пробоя

Зона без пробоев

А и

Л\

Рисунок 5 - Зависимость наличия или отсутствия бросков тока от момента времени включения

Сформулированы основные результаты и выводы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана математическая модель влияния наличия или отсутствия повторных пробоев и зажиганий, а также бросков тока на срок эксплуатации (ресурс) конденсаторов на основе экспериментальных подтверждений расчетных данных, математической, имитационной моделей коммутации БСК. Используя разработанную модель, получены среднеарифметические значения параметров коэффициента пробоя и коэффициента броска, равные 62,05 и 6085,82 соответственно, что равняется средней арифметической выработке ресурса в 1260 часов при одном повторном зажигании или нробое, а также в 36 часов - при высокочастотном броске тока. Основываясь на полученных закономерность возможно количественно определять уменьшение ресурса, то есть рассчитывать на сколько снижается срок эксплуатации конденсаторов в составе БСК за счет влияния повторных пробоев и зажигания, а также бросков тока, возникающих при коммутации БСК, следует проводить своевременную замену конденсаторов или минимизировать воздействие указанных явлений.

2. Разработаны математическая модель и алгоритм механического разноса выключателей ПОкВ. Созданный алгоритм позволяет на основе научно обоснованных закономерностей осуществлять задание требуемой разновременности между полюсами высоковольтного выключателя при реализации электротехнических комплексов по управляемой коммутации. На основе полученных результатов выявлены существенные ограничения при применении механического разноса и сформулированы практические рекомендации по выбору режима и параметров управляемой

коммутации для БСК. Установлено, что механический разнос не обеспечивает одновременного выполнения режимов управляемого включения и отключения, а только один из выбранных режимов, следовательно, необходимо выбирать один конкретный режим исходя из существующих условий.

3. Разработана имитационная компьютерная модель коммутации батареи статических конденсаторов высокого напряжения с учетом повторных пробоев и зажиганий, а также высокочастотных бросков тока. Достигнутые результаты позволили выполнить исследования переходных процессов при коммутации сосредоточенной емкости на примере БСК-110 с наглядным визуальным представлением, осуществить расчет перенапряжений и бросков тока, возникающих при разновременном отключении, таким образом, выявить особенности управляемой коммутации и механического разноса. По результатам моделирования рекомендуется для минимизации значения тока включать БСК в диапазоне [0;-36), и, (-144;36) и (144;180] электрических градусов по осциллограмме напряжения, а для исключения повторных пробоев и зажиганий отключать БСК в диапазоне [!80:-18] и СО; 18] электрических градусов по осциллограмме тока.

4. Создан программный комплекс для моделирования коммутации батареи статических конденсаторов высокого напряжения выключателями с трехполюсным управлением одним приводом и его механического разноса. Опыт внедрения показывает, что применение программного комплекса п электросетевой организации, эксплуатирующей БСК, позволяет инженерным работникам высокоэффективно производить необходимые наглядные расчеты с минимальными затратами времени.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

В рецензируемых журналах из списка ВАК:

1. Тихончук Д. А. Вероятность повторных пробоев в выключателях разных типов при коммутации батарей статических конденсаторов ПОкВ / Д. А. Тихончук // Промышленная энергети ка. 2013. № 6. С. 38-42.

2. Тихончук Д. А. Моделирование процессов повторного пробоя и зажигания в высоковольтном выключателе 110 кВ при отключении батареи статических конденсаторов 110 кВ / Д. А. Тихончук //Перспективы науки. 2013. №8. С. 132-138.

3. Тихончук Д. А. Условия безотказной работы батареи статических конденсаторов / Д. А. Тихончук // Главный энергетик. 2014. № 1. С. 44-50.

4. Тихончук Д. А. Моделирование режимов работы высоковольтного выключателя / Д. А. Тихончук // Главный энергетик. 2014. № 4. С. 59-65.

5. Тихончук Д. А. Механический разнос выключателей для коммутации батареи статических конденсаторов 110 кВ / Д. А. Тихончук // Вестник УГА'ГУ. 2014. Т. 18. № 1(62). С. 62-72.

В других изданиях:

6. Исмагилов Ф. Р., Тихончук Д. А. Механический разное выключателей для коммутации батареи статических конденсаторов ПОкВ. Сборник IX Международной научно-практической конференции «Современные научные достижения - 2013» Materiály IX mezinárodní vedecko - praktícká konference «Moderní vymozenosti védy - 2013». Díl 76. Technické vedy: Praha. Publishing House «Education and Science» s.r.o. 96 stran.

7. Исмагилов Ф. P., Тихончук Д. А. Коммутация батареи статических конденсаторов ПОкВ выключателями с трехиолюсным управлением одним приводом. Материалы докладов VI молодежной научной конференции «Тинчуринскне чтения». Казань: Гос. .энерго ун-т, 2011. 284 с.

8. Исмагилов Ф. Р., Тихончук Д. А. Решение задачи коммутации конденсаторных батарей ПОкВ. Публикация в сборнике «Научно-исследовательские проблемы в области энергетики и энергосбережения». Уфа: УГАТУ, 2010. 326 с.

9. Исмагилов Ф. Р., Тихончук Д. А. Коммутация батареи статических конденсаторов (БСК) ПОкВ и выше выключателями с трехиолюсным управлением одним приводом. Актуальные проблемы науки и техники. Том 2. Машиностроение, электроника, приборостроение. Управление и экономика: Сборник трудов Шестой Всероссийской зимней школы-аспирантов и молодых ученых. Уфа: УГАТУ, 2011. 254 с.

10. Исмагилов Ф. Р., Тихончук Д. А. Коммутация конденсаторных батарей 110 кВ. V Слег молодых энергетиков Башкортостана: Сборник докладов молодежной научно-технической конференции. Уфа: Изд-во «Скиф», 2012. 524 с.

11. Исмагилов Ф. Р., Тихончук Д. А. Коммутация батарей статических конденсаторов ПОкВ. Материалы VIH Международной научно-технической и практической конференции «Перспективы развития электроэнергетики и высоковольтного электротехнического оборудования. Энергоэффективность и энергосбережение». М, 2014.

12. Исмагилов Ф. Р., Тихончук Д. A. Analysis and classification of failures of capacitor banks at 110 kV substations of Ltd «Bashkirenergo». Материалы Международной конференции «Energy Quest 2014, 23-25 April. Ekaterinburg, Russia». Екатеринбург, 2014. С. 583-59 i

Диссертант

ТИХОНЧУК Дмитрий Александрович

КОММУТАЦИЯ БАТАРЕИ СТАТИЧЕСКИХ КОНДЕНСАТОРОВ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕМ С ОДНИМ ПРИВОДОМ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 28.J 0.14 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать ризографическая. Тираж 100 экз. Заказ 098. Гарнитура «TiniesNewRoman». Отпечатано в типографии «ПЕЧАТ11ЫЙ ДОМЪ» ИП ВЕРКО. Объем 1н.л. Уфа, Карла Маркса 12 кори. 5, т/ф: 27-27-600. 27-29-12.3