автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Обоснование и реализация защиты судовых электроэнергетических систем от дуговых перенапряжений изменением режима нейтрали

На правах рукописи

Кажскпн Ильи Еш еш.еппч

ОБОСНОВАНИЕ И РЕАЛИЗАЦИЯ ЗАЩИТЫ СУДОВЫХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ОТ ДУГОВЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ ИЗМЕНЕНИЕМ РЕЖИМА НЕЙТРАЛИ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005570188

2 4 ["ОН 2015

Калининград - 2015

005570188

Работа выполнена на кафедре «Электрооборудование судов и электроэнергетика» Федерального государственного бюджетного общеобразовательного учреждения высшего профессионального образования «Калининградский государственный технический университет»

Научный руководитель: - Благинин Владимир Анатольевич,

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Электрооборудование судов и электроэнергетика» ФГБОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет»

Официальные оппоненты: - Халп.юн Фируднп Халиловпч, доктор

технических наук, профессор, профессор кафедры «Техника высоких напряжений,

электроизоляционная и кабельная техника» ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого»

- Прнходько Валентин Макароппч, кандидат технических наук, профессор, заместитель заведующего кафедрой «Судовые энергетические установки, технические средства и технологии» ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова»

Ведущая организация:

Военный институт (военно-морской политехнический) ФГКВОУ ВПО Военный учебно-научный центр ВМФ «Военно-морская академия имени адмирала флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова», г. Пушкин.

Защита состоится «28» сентября 2015 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.228.03,созданного на базе СПбГМТУ по адресу: г. Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, д. 3, ауд. А-313

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и па сайте СПбГМТУ http://www.smtu.ru

Автореферат разослан « 02» (JClciU?, Р 2015 г. Отзывы просим направлять в 2-х экземплярах но адресу:

по почте - 190008, г. Санкт - Петербург, ул. Лоцманская, д. 3, СПбГМТУ (отдел ученого секретаря).

При наличии электронной подписи - email: disser@smtu.ru Ученый секретарь

диссертационного совета Jf^ ~ А.П. Сеньков

Актуальность темы. Статистические данные по аварийности морских флотов подтверждают высокую опасность электрических замыканий как одного из важнейших источников пожарной аварийности морской техники. Главным образом возможность развития общесудовых пожаров обусловлена уровнем опасности однофазных замыкании на корпус (ОЗ). Они возникают в результате повреждений изоляции между одной из фаз и корпусом судна. В отличие от других видов замыканий, происходящих в судовых электроэнергетических системах (СЭЭС), однофазные замыкания не отключаются соответствующей защитой, а тяжесть их последствий определяется свойствами всего бортового электроэнергетического комплекса.

Применяемый сейчас способ защиты судов от опасных последствий ОЗ сводится к использованию в бортовых электросистемах режима изолированной нейтрали. Он отличается предельной простотой и пнзкой стоимостью реализации. Однако его применение способно обеспечить безопасность ОЗ в электросистемах ограниченной группы судов с невысоким уровнем электроэнерговооруженности. Если же морская техника оснащена достаточно большим количеством потребителей и разветвленными кабельными сетями, что особенно характерно для новых судов, то режим изолированной нейтрали может не обеспечить необходимый уровень безопасности ОЗ. В условиях постоянного роста электроэнерговооруженности состава морских флотов опасность ОЗ неуклонно растет. Этому способствуют и некоторые другие долговременные тенденции в развитии флота, в частности, повышение среднего возраста действующих судов и быстрое увеличение материального ущерба, который может быть нанесен судовым пожаром. В результате на фоне снижения общей аварийности морских судов имеет место рост опасности и относительного числа крупных судовых пожаров. В связи с этим очевидна важность и актуальность совершенствования защиты нынешнего и перспективного составов отечественных флотов от опасных последствий ОЗ.

Изменение способа защиты судовых электросистем от ОЗ затрагивает целый комплекс их эксплуатационных свойств. Причем некоторые из этих свойств могут существенно ухудшаться при улучшении других. Поэтому задача выбора варианта защиты от ОЗ, альтернативного применяемому сейчас, должна решаться с одновременным учетом всех основных видов угроз, связанных с ОЗ. Сопоставление по влиянию на эти угрозы вариантов защиты, уже получивших распространение в промышленных электроустановках средних и низких классов напряжения, показало, что наибольший защитный эффект достигается путем перевода СЭЭС из режима изолированной нейтрали и режим ее неэффективного заземления. Подобные технические решения практически не встречаются в электроустановках действующих судов, хотя Российские морской и речной регистры уже приняли необходимые поправки в своих Правилах, допускающие применение судовых электросистем с неэффективно заземленными нейтралями.

Широкому распространению более безопасных электросистем с неэффективным заземлением нейтрали препятствует недостаточная изученность целого ряда важных последствий их применения. В частности,

остается недостаточно исследованным влияние режима нейтрали на один из важнейших показателей опасности СЭЭС при возникновении ОЗ в виде максимальной величины дуговых перенапряжений, способных развиться в бортовых электроустановках. Дуговые перенапряжения возникают при замыкании фазы па корпус через неустойчивую заземляющую дугу, достигая больших величин и охватывая всю бортовую изоляцию в любой части судна.

Механизм развития максимальных дуговых перенапряжений довольно сложен. Нынешний уровень его теоретического и экспериментального изучения недостаточен для обоснованного сопоставления вариантов защиты СЭЭС от опасных последствий ОЗ. Кроме того, оценка предельных величин дуговых перенапряжений имеет большое самостоятельное значение. Она составляет основу для установления уровней изоляции бортового электрооборудования и для совершенствования способов ее профилактических испытаний. Ограничение дуговых перенапряжений, невозможное без глубокого понимания механизма их развития, позволяет существенно замедлить старение изоляции всего бортового электроэнергетического комплекса и уменьшить аварийность судов из-за отказов силовой полупроводниковой техники. Проблема осложняется тем, что сделанные с использованием известных теорий оценки дуговых перенапряжений расходятся с результатами их регистрации в низковольтных СЭЭС. Устранение перечисленных выше пробелов в определении максимальных величин дуговых перенапряжений, а также в разработке способов их ограничения на основе изменения режима нейтрали в СЭЭС составляет предмет настоящего диссертационного исследования.

Объектом исследовании диссертационной работы являются дуговые перенапряжения, развивающиеся в судовых электроэнергетических системах переменного тока напряжением до 1 кВ с изолированными или неэффективно заземленными нейтралями.

Целыо диссертационной работы является повышение надежности и безопасности СЭЭС путем снижения предельных значений дуговых перенапряжений средствами неэффективного заземления нейтрали.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

- разработка расчетной модели для определения предельных значений дуговых перенапряжений в низковольтных СЭЭС с изолированной нейтралью;

- разработка теоретической модели развития максимальных величин дуговых перенапряжений в СЭЭС при использовании в них неэффективного заземления нейтрали;

- разработка способов предотвращения феррорезонансных явлений, возникающих при дуговых перенапряжениях и оказывающих негативное влияние на их формирование в СЭЭС с компенсацией емкостного тока ОЗ;

- разработка средств ограничения дуговых перенапряжений, позволяющих одновременно с этим обеспечивать безопасные значения токов однофазных замыканий на корпус.

Методы исследовании. При выполнении диссертационной работы на этапе постановки цели и задач исследований использовались методы теории принятия решений и методы экспертных оценок. При решении поставленных

задач применялись методы анализа электрических цепей, методы теории устойчивости, численные методы решения систем дифференциальных уравнений на ЭВМ, а также методы программирования в системе МаШсас! Экспериментальные исследования переходных процессов при однофазных замыканиях проводились на физической модели СЭЭС и в электросистеме действующего судна с использованием современной регистрирующей аппаратуры. При обработке результатов экспериментов были применены методы математической статистики, а также методы теории погрешностей.

Научнан Мишина работы заключается в следующем:

- разработана модель расчета максимальных величин дуговых перенапряжений в низковольтных электроэнергетических системах с изолированной нейтралью, отличительными особенностями которой являются установление областей применения известных теорий Петерса-Слепяна и Белякова па основе анализа устойчивости и уточнение теории Белякова на основе исследования электрической прочности последугового промежутка;

- разработана модель формирования дуговых перенапряжений в низковольтных судовых электроэнергетических системах с режимами неэффективного заземления нейтрали, отличающаяся тем, что она основана на анализе процесса восстановления разрядного напряжения дугового промежутка после гашения заземляющей дуги и учитывает влияние разделительной емкости на процесс восстановления напряжения поврежденной фазы;

выявлены условия возникновения феррорезонанспых явлений, сопровождающих дуговые перенапряжения в судовых электроэнергетических системах с компенсацией тока однофазного замыкания.

Полученные в ходе выполнения работы результаты представляют нрак-гпчсскую ценность:

- установлены предельные величины дуговых перенапряжений, что позволяет уточнить уровни изоляции судового электрооборудования и испытательные напряжения для судовых электронных устройств;

- разработан класс устройств заземления нейтрали, действие которых направлено на уменьшение дуговых перенапряжений при одновременном обеспечении безопасной величины токов однофазных замыканий в низковольтных судовых электроэнергетических системах;

- предложен способ предотвращения феррорезонанспых явлений при возникновении неустойчивых заземляющих дуг в низковольтных судовых электроэнергетических системах с компенсацией емкостных токов однофазных замыканий на корпус.

Положении, нмноснмме па защиту:

1. Впервые выявлено, что максимальные значения дуговых перенапряжений в низковольтных электросистемах с изолированной нейтралью могут быть определены на основе известного подхода Петерса - Слепяна и скорректированного подхода Белякова, а области применения данных подходов определяются устойчивостью заземляющей дуги.

2. Показано, что перевод СЭЭС из режима изолированной нейтрали в режим ее неэффективного заземления приводит к снижению дуговых

перенапряжений, которое происходит за счет процесса перераспределения зарядов между емкостями электросети и устройства заземления нейтрали после гашения заземляющей дуга.

3. Показано, что при дуговых перенапряжениях в СЭЭС с компенсацией тока ОЗ возможно возникновение феррорезонансных процессов, способствующих их увеличению, а устранение опасности этих процессов может быть достигнуто на основе предложенных критериев выбора параметров устройства заземления нейтрали.

Теоретическая н практическая значимость работы

Теоретическая значимость работы обусловлена ее новизной и заключается в развитии научного направления, связанного с исследованием дуговых перенапряжений. Полученные результаты представляют собой обобщение известных теорий дуговых перенапряжений в системах с изолированной нейтралью и разработку новых подходов к расчету этого вида перепапряжешш в системах с иными режимами нейтрали при их реализации в судовых условиях.

Реализации результатов работы. Результаты работы были использованы при корректировке раздела 4.1 «Системы распределения» Правил Российского речного регистра,. Результаты диссертациопной работы применялись в процессе выполнения НИОКР по теме «Устройства заземления нейтрали судовых электросетей», Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (Пр. № 7965 от 2009 г.; Пр. № 13980 от 2011 г.). Кроме того, в процессе выполнения НИР по темам: «Разработка и изготовление макетных образцов низковольтных учебно-исследовательских стендов по электротехническим дисциплинам» (Per. №01201250715; Инв.№ 02201261009), «Совершенствование устройств защитного заземления нейтрали для электроэнергетических систем рыбопромысловых судов» (Per. № 01201264354; Инв.№ 02201351867), «Анализ устойчивости заземляющей дуги в низковольтных электросистемах с режимом неэффективного заземления нейтрали» (Per. № 01201364339; Инв.№02201450729), а также при выполнении НИР по теме «Разработка Руководства но выбору, установке и эксплуатации устройств заземления нейтрали в системах распределения электрической энергии на судах с классом РРР» № 12- 45.2.1, по договору с ФГУ «Российский речной регистр» № Р 92/10.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, выставках и форумах: Международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии, машины и механизмы в машиностроении» (Балттехмаш - 2006), г. Калининград, 2006 г.; Международной научной конференции «Инновации в пауке и образовании-2005», г. Калининград, 2005 г.; V Международной научной конференции «Инновации в науке и образовании-2007», г. Калининград, 2007 г.; VI юбилейной Международной научной конференции «Инновации в науке и образовании-2008», г. Калининград, 2008 г.; десятой Российской научно-технической конференции по электромагнитной совместимости технических средств и электромагнитной безопасности

«ЭМС - 2008», г. Санкт-Петербург, 2008г.; Пятой Всероссийской конференции «Ограничение перенапряжений. Режимы заземления нейтрали. Электрооборудование сетей 6-35 кВ», г. Новосибирск, 2008 г.; межвузовской научной конференции аспирантов, соискателей и докторантов «Научно-технические разработки в решении проблем рыбопромыслового флота и подготовки кадров», г. Калининград 2009 г.; VII международной научной конференции «Инновации в науке и образовании - 2009» г. Калининград, 2009 г.; IX Международной Конференции «Морская индустрия, транспорт и логистика в странах региона Балтийского моря: новые вызовы и ответы» г. Светлогорск, 2011 г.; XI Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи, г. Москва, 2011 г.; X международной конференции «Инновации в науке, образовании и бизнесе - 2012», г. Калининград, 2012 г.; XI международной конференции «Инновации в науке, образовании и бизнесе - 2013», г. Калининград, 2013 г.; II Балтийском морском форуме, в г. Светлогорск, 2014 г.; XII международной конференции «Инновации в науке, образовании и бизнесе - 2014», г. Калининград, 2014 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 43 работы, в том числе 4 статьи в изданиях ВАК, 5 патентов на изобретение, 2 авторских свидетельства на программы для ЭВМ.

Струкмура н объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, включающего 182 наименования, и б приложений. Основная часть работы изложена на 154 страницах, включающих 63 рисунка, 8 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы. Сформулированы цель и задачи исследований, представлены научная новизна и практическая значимость полученных результатов, а также научные положения, выносимые на защиту. Отражены уровни апробации и реализации полученных результатов.

В нерпой главе показана необходимость проведения исследований дуговых перенапряжений в низковольтных СЭЭС с различными режимами нейтрали для повышения их надежности и безопасности.

Наиболее распространенный вид замыкания в судовых электроустановках - замыкания одной из фаз на корпус. При используемом в СЭЭС режиме изолированной нейтрали такие замыкания сопровождаются дуговыми перенапряжениями высокой кратности. Такие перенапряжения способствуют выходу из строя изоляции силового электрооборудования, возникновению судовых пожаров, негативно воздействуют на силовую и управляющую электронику. Опасность дуговых перенапряжений в СЭЭС постоянно растет. Это обусловлено основными направлениями в развитии флота, приведшим к увеличению тяжести последствий и вероятности возникновения перенапряжений.

Кроме того, развитие флота привело к тому, что применяемая в настоящее время на судах защита от ОЗ, основанная на использовании в СЭЭС режима изолированной нейтрали, получила существенные ограничения в части обеспечения надежности и безопасности электрооборудования. Это связано с увеличением неотюночаемых защитой токов в месте замыкания фазы на

корпус, величина которых на наиболее крупных и дорогостоящих объектах морской техники достигла электро- и пожароопасных значений. В результате большое значение приобрел вопрос совершенствования защиты, которое должно проводиться с учетом целого ряда основных последствий ОЗ, способных оказать влияние на безопасность судна в целом. Для такого учета методом экспертных оценок были сопоставлены основные виды возникающих при ОЗ угроз и определены важнейшие из них:

- угроза потери электроснабжения судовых потребителей;

- угроза со стороны повышенных токов в месте замыкания фазы на корпус судна;

- угрозы, обусловленные возникновением и развитием максимальных кратностей дуговых перенапряжений в СЭЭС.

Анализ возможностей известных способов обеспечения безопасности СЭЭС показал, что устранение первых двух видов угроз должно основываться их на переводе из режима изолированной нейтрали в режим ее неэффективного заземления. При этом возникает проблема сопоставления режимов нейтрали СЭЭС по влиянию па дуговые перенапряжения.

Дуговые перенапряжения достаточно подробно изучены в приложении к береговым электросетям средних классов напряжений. Однако результаты этих исследований не могут быть использованы в низковольтных СЭЭС, что обусловлено следующими причинами. Во-первых, максимальные

зарегистрированные значения дуговых перенапряжений в низковольтных СЭЭС с изолированной нейтралью не соответствуют известным теориям. Во-вторых, при реализации неэффективного заземления нейтрали в низковольтных СЭЭС важно сохранить возможность непрерывного контроля изоляции, что достигается применением разделительных конденсаторов. В результате этого изменяется механизм формирования дуговых перенапряжений, делая непредсказуемыми последствия перехода от изолированной к неэффективно заземленной нейтрали. Более того, при использовании в СЭЭС компенсации тока ОЗ выявлена возможность опасных феррорезонансных явлений, сопровождающих дуговые перенапряжепия.

Таким образом, для совершенствования защиты СЭЭС от ОЗ необходимо:

- проведение оценки и обоснования предельных значений дуговых перенапряжений в низковольтных электросистемах с изолированной нейтралью;

- изучение влияния неэффективного заземления нейтрали в низковольтных СЭЭС на процесс формирования предельных значений дуговых перенапряжений;

- исследование условий возникновения и разработка способов устранения феррорезонансных процессов при ОЗ в СЭЭС с компенсацией тока в месте повреждения изоляции.

Во второй главе на основе экспериментальных исследований выполнен анализ возможности применения известных теорий для оценки дуговых перенапряжений в низковольтных электросистемах с изолированной нейтралью. С использованием анализа устойчивости горения заземляющей дуги изучены закономерности формирования предельных значений дуговых

перенапряжений в низковольтных СЭЭС и разработана расчетная модель для их оценки.

Экспериментальные исследования проведены на физической модели напряжением 220 В. 11ри регистрациях перенапряжений измерялась величина напряжения смещения нейтрали по постоянному потенциалу чШост, что позволило сократить объем экспериментов для определения предельных значений. На основе полученных более чем 18000 значений этой величины установлено, что распределение ее кратности относительно амплитуды фазной ЭДС электросистемы ч'№юст наилучшим образом описывается семейством распределений Би-Джонсона.

f {^Мюст ) — "

V2X^i^-af+Ä*

хехр

<з+6 In

+ Л

(1)

где а ,а,/3,Л - параметры распределения; и]'Щост - отношение напряжения смещения нейтрали по постоянному потенциалу к амплитуде фазной ЭДС

электросистемы.

Примеры распределений плотности вероятности величины и]'Шод11 при различных сочетаниях фазной Сф и междуфазной Смф емкостей СЭЭС приведены на рисунке 1.

Сф = 1 мкФ, Смф =0

Сф = 16 мкФ, Смф = 0

1 — теоретическое распределение; 2 - экспериментальное распределение Рисунок 1 - Примеры распределений плотности вероятности напряжения смещения нейтрали по постоянному потенциалу при величине Сф, равной 1 и 16 мкФ

/("torai)

В ходе экспериментов ни разу не подтвердилась теория Петерсена. Более вероятным оказалось (Армирование перенапряжений, соответствующих теории Петерса и Слепяна. При значениях фазной емкости электросистемы до 1.9 мкФ перенапряжения не превышали уровень, соответствующий этой теории. В остальных случаях максимальные перенапряжения могут быть определены на основе подхода, изложенного H.H. Беляковым. Однако для его применения в низковольтных электросистемах потребовалась корректировка величины напряжения «пика гашения».

Такое разделение областей применения теорий при расчете максимальных перенапряжений обосновано при помощи анализа устойчивости заземляющей дуги, выполненного по методу Гурвица. В результате анализа установлено, что

величина критического сопротивления дуги КЬгр зависит от значения фазной емкости электросистемы. Причем с уменьшением емкости значение Идкр увеличивается, т.е. дуга становится более устойчивой.

Влияние критического сопротивления дуги на перенапряжения проанализировано следующим образом. Известно, что изменение сопротивления дуги при заданном законе изменения тока описывается в соответствии с выражением:

-L = e »í-L+J-'f¿Jtfe'dt),

ъ U a! J

(2)

где R0 - статическое сопротивление дуги (R„=Rd при t = 0); Q0 - постоянная; id(t) - зависимость мгновенного значения тока дуги от времени; в - постоянная времени дуги.

В выражении (2) ток заземляющей дуги ¿4 (г) представлен суммой двух составляющих: принужденной и свободной.

h (') = ¡npm sin (й*) + 1ае* sin (<гу), (3)

где lnpm, со - амплитуда и частота принужденной составляющей тока ОЗ; 1а, <и0, S - амплитуда, частота и коэффициент затухания свободной составляющей тока ОЗ.

На основе выражений (2) и (3) построены зависимости сопротивления дуги от времени с учетом влияния свободной составляющей тока ОЗ, представленные на рисунке 2.

а)

1 1 1с*а =0.01 А -í\yJa'~a=0L0SA

0 003 0.004 o.ÚOó

а) при неизменной амплитуде свободной составляющей; б) при меняющейся амплитуде свободной составляющей тока ОЗ Рисунок 2 — Изменение сопротивления дуги в течение половины периода при фазной емкости сети 4 мкФ

Как видно из рисунка 2, сопротивление дуги Кд резко увеличивается при затухании свободной составляющей тока ОЗ. При достижении я, критического значения происходит гашение заземляющей дуги. Значение 1„е~6'',

использовано при оценке наибольшей величины иПпхт, которая определяется следующим образом:

1„е~

3 Ет со %{аяг) +

СФ УУ

.ссЦеу^+р)

-, (4)

где Ет - амплитуда фазной ЭДС; Сф - фазная емкость сети; гг, <р, <5 -момент гашения дуги, начальная фаза и коэффициент затухания свободной составляющей тока дуги; 1све~*' - амплитуда свободной составляющей тока ОЗ в момент гашения дуги.

Используя в выражении (4) значения 1све~&-, соответствующие найденным в результате анализа устойчивости Яд1<р, исследовано влияние параметров СЭЭС на максимальную величину пШост. Зависимости, характеризующие это влияние,

в частности влияние фазной емкости, построены на рисунке 3.

верхний предел величины ме»: по теории Н.Н.Белякова

Рисунок 3 - Влияние фазной емкости сети на величину наибольшего напряжения смещения нейтрали по постоянному потенциалу при различных значения постоянной времени дуги в

Анализируя полученные зависимости, следует отметить, что при малых емкостях заземляющая дуга горит более устойчиво и гаснет после затухания свободной составляющей тока ОЗ. При таком поведении заземляющей дуги максимальные перенапряжения определяются теорией Петерса и С'лепяна. По мере увеличения емкости снижается устойчивость дуги и ее гашение возможно при больших значениях свободной составляющей тока ОЗ. В соответствии с выражением (4), это приводит к увеличению напряжения смещения нейтрали, которое ограничивается уже лишь электрической прочностью дугового

промежутка и должно определяться на основе скорректированного подхода H.H. Белякова.

Исходя из вышесказанного, в низковольтных электросистемах с изолированной нейтралью предложено проводить расчеты предельных значений дуговых перенапряжений следующим образом:

U„ =j3Emsin(y,+3 0°Y(EmSm¥>-Ulilepm-uNim)(\-d)(l-k), (5)

где Ет - амплитуда фазной ЭДС; у. - момент повторного зажигания душ; - амплитуда напряжения смещения нейтрали по переменному потенциалу; nNm„ - наибольшее значение напряжения смещения нейтрали по постоянному потенциалу; (l-rf)(l-&) - коэффициент, учитывающий затухание свободной составляющей и влияние междуфазной емкости.

При фазной емкости СЭЭС до 1.9 мкФ максимальные перенапряжения могут быть оценены по теории Петерса и Сленяна, согласно которой величина 'Vmax в выражении (5) соответствует амплитуде фазной ЭДС. При больших значениях фазной емкости СЭЭС напряжение смещения нейтрали по постоянному потенциалу uNma можно определить по результатам ее регистрации, согласно которым ее наибольшее значение равно 2.01 Ет. В исследуемой электроустановке напряжением 220 В величина иЫта соответствует значению ?/,_, равному 400 В, что отличается от величины Ur!, полученной Беляковым для сети 6 кВ, как по кратности, так и по абсолютному значению. В первом приближении такое изменепие «пика гашения» 11 пг в диапазоне рабочих напряжений сети от 0.22 кВ до 6 кВ можно учесть при помощи формулы следующего вида:

Um = 0,24 • UH + 320,0. (6)

Таким образом, используя приведенные выше выражения, можно проводить инженерные расчеты ожидаемых предельных значений дуговых перенапряжений при ОЗ в зависимости от параметров СЭЭС.

В третьей главе выполнен анализ процессов формирования максимальных значений дуговых перенапряжений при неэффективном заземлении нейтрали СЭЭС.

В СЭЭС совместимость заземления нейтрали с возможностью контроля изоляции обеспечивается за счет использования разделительных конденсаторов, включение которых показано на рисунке 4.

еА, ев, ес - ЭДС источника;/., К - индуктивность и активное сопротивление источника; Ср - разделительная емкость; 2Ы - заземляющее нейтраль

сопротивление; Сф - фазная емкость сети. Рисунок 4 - Схема судовой электросети с неэффективно заземленной

нейтралью

Очевидно, что ограничение перенапряжений за счет стекання заряда после гашения дуги в таких электросистемах невозможно из-за наличия разделительных конденсаторов, представленных на рисунке 4 емкостью С . При подобном заземлении нейтрали снижение перенапряжений обусловлено процессом перераспределения зарядов на фазных Сф и разделительных С емкостях после гашения дуги. В результате этого процесса на нейтрали остается напряжение, определяемое следующим образом:

,, , [~3еА{1,)±2сА(,,){\-<1){\-к)\Сф

НМ>,ос»1 (Л / —

зс\+зс

ф р

до

[2Ср±2Сф{1-а){1-к))

(7)

ЗС',+ЗС'

ф р

где е4(/,), - ЭДС поврежденной фазы в моменты гашения и

зажигания дуги; Ср - емкость разделительных конденсаторов.

Поскольку в (7) коэффициент при всегда меньше единицы,

можно сделать вывод, что напряжение смещения нейтрали по постоянному потенциалу будет ограничено некоторой величиной и1кр. Эта величина определяется условием и^,„('г) = »Л5га(',), используя которое из (7) получено следующее выражение для и,,гр :

(8)

_{-^ел{1!)±2еА{1,){\-а){\-к)']Сф

ъсра^2сф{\-с1)(\-к)+ъсф

В соответствии с (8) в СЭЭС с резистированным заземлением нейтрали,

Л<г) = итос„, {<,)'-

т.е. при ZN=RN, максимальная величина иК

не должна превышать

амплитуду фазной ЭДС при (1-</)(1-£) = 1. При (1-</)(1-£)<1 максимальное значение и№ихт снижается с уменьшением фазной емкости сети Сф, что подтверждается результатами многочисленных регистрации этой величины. Однако следует отметить, что при достаточно малых значениях процесс восстановления напряжения поврежденной фазы носит колебательный характер, а снижение величины и№юст за счет перераспределения зарядов незначительно. В этом случае предельные величины дуговых перенапряжений ограничиваются разрядным напряжением последугового промежутка, зависимость которого от времени, прошедшего после гашения заземляющей дуги, построена ниже.

При использовании компенсации тока ОЗ сопротивление имеет

индуктивный характер, что приводит к возникновению колебаний напряжения на нейтрали после гашения заземляющей дуги, которое в низковольтных СЭЭС часто происходит в виде среза тока. Амплитуда возникающих колебаний может в несколько раз превышать амплитуду фазной ЭДС. Колебания накладываются на напряжение каждой из фаз и тем самым способствуют росту перенапряжений при повторном зажигании дуги. На рисунке 5 построены зависимости максимального значения напряжения поврежденной фазы иЛтж от степени настройки компенсации для различных значений коэффициента затухания ¿.

¿г

2Х

\ и ' \ 5

/ /а г

ёк,

1 - ¿=10 с"1; 2 - ¿=20 с"1; 3 - ¿=30 с1; 4 - ¿=40 с1; 5 - ¿=50 с1; Рисунок 5 - Зависимость максимального напряжения на поврежденной фазе после гашения дуги

Как видно из рисунка 5, при перекомпенсации, т.е. при о>0г >со, амплитуда колебаний напряжения между поврежденной фазой и корпусом судна иА может в несколько раз превышать амплитуду фазной ЭДС. Предельные значения напряжения иА определены в результате экспериментального исследования процесса восстановления разрядного напряжения дугового промежутка. В ходе экспериментов регистрировались значения величины ил, при которых происходили повторные пробои дугового промежутка. Найденные таким образом значения напряжения пробоя Unp при различных моментах времени Дг, прошедшего после гашения дуги, отражены на рисунке 6.

Ущ.В

1500 1000 500

% 0 2 04 Об 0.8 ЛёГмс

Рисунок 6 - Зависимость разрядного напряжения дугового промежутка от момента времени после погасания заземляющей дуги Дt

Выражение, описывающее огибающую максимальных величин Unp дугового промежутка после гашения дуги, выглядит следующим образом

Uv=Urpß. (9)

Установлено, что значения Unp0 и в, при которых выражение (9) наиболее точно описывает огибающую максимальных значений разрядного напряжения, изображенную на рисунке б, равны 522.7 В и 0.329 мс соответственно.

Проведенные экспериментальные и теоретические исследования позволяют скорректировать подход H.H. Белякова для его применения в низковольтных СЭЭС с компенсацией тока ОЗ. В результате корректировки получена следующая формула для расчета максимальных значений дуговых перенапряжений в сетях 230 В:

Vm«=j3E>"(v,+30o)j+uAalm{l-d)il-k), (10)

гДе "лши " максимальное напряжение поврежденной фазы перед зажиганием дуги.

• • • • • « . •

• 1 • Л*. • •• • • • • • « • : *

Ет эт уг) - Ет +

(П)

\

/

где "Лт„

- максимальное напряжение поврежденной фазы перед

зажиганием дуги, найденное на основе расчета переходных процессов после предыдущего гашения подобно построениям на рисунке 5.

Снижению дуговых перенапряжений при компенсации тока ОЗ способствует включение высокоомнош резистора параллельно дугогасящему реактору (ДГР), т.е. перевод в режим комбинированного заземления нейтрали. Это приводит к снижению влияния несимметрии фазных емкостей электросистемы и ограничению амплитуды колебаний после гашения заземляющей дуги в режиме перекомпенсации. Возможность снижения дуговых перенапряжений при компенсации тока ОЗ за счет использования комбинированного заземления нейтрали подтверждена экспериментально.

В четвертой главе выполнено сопоставление режимов нейтрали по величине дуговых перенапряжений, сформулированы рекомендации по выбору способа заземления нейтрали низковольтных СЭЭС, а также описаны испытания устройств, реализующих неэффективное заземление нейтрали в них.

Параметры устройств защитного заземления нейтрали должны выбираться такими, чтобы обеспечивались безопасные значения токов ОЗ, а также исключалась выявленная в ходе экспериментов возможность возникновения феррорезонансных явлений. Феррорезонансные явления обусловлены возникающим при ОЗ контуром, включающем в себя нелинейную индуктивность ДГР и емкость разделительных конденсаторов. Для обоснования условий их устранения предложено два подхода. Первый основан на анализе вольт-амперных характеристик элементов, входящих в контур. Он удобен для инженерных расчетов параметров устройства заземления нейтрали, исключающих возникновение феррорезонанса. Второй подход основан на результатах расчета переходных процессов в контуре после замыкания фазы на корпус. Его применение требует проведения серии численных экспериментов, но позволяет получить результаты наиболее близкие к экспериментальным. Сопоставление предложенных критериев с экспериментальными данными показано на рисунке 7, где в координатах значений Ик (активное сопротивление ветви ДГР) и С построены границы области, в которой исключается возникновение феррорезонапса для исследуемого ДГР.

О - устойчивый феррорезонанс не зарегистрирован У - устойчивый феррорезонанс зарегистрирован

1 - граница, построенная на основе анализа вольт-амперной характеристики;

2 - граница, построенная по результатам расчета переходных процессов.

Рисунок 7 — Границы области устранения феррорезонанса

По предложенным рекомендациям изготовлено устройство заземления нейтрали, которое было всесторонне испытано как в лабораторных условиях, так и в составе электросистемы буксира-кантовщика (БК) «Василий Албанов» (рисунок 8) при различных режимах эксплуатации судна: стоянка,

Рисунок 8 - БК «Василий Албанов» и установка на борту устройства защитного

заземления нейтрали

Испытания заключались в измерениях токов ОЗ и максимальных дуговых перенапряжений, выполненных с целыо сопоставления их величин в сетях с неэффективным заземлением нейтрали и с изолированной нейтралью. Регистрация токов и перенапряжений проводилась в соответствии со схемой, изображенной на рисунке 9.

\ 1 02

О"

ез

Делипгель нанряжения

РЯ

(2РЛ - автоматический выключатель; Ср - разделительные конденсаторы;

Ц - катушка индуктивности; - резистор, включенный в нейтраль параллельно реактору; 0 - контакт; 02, 03, <24 - контакты между фазой и корпусом; РА - амперметр; Я - заземляющий резистор; - осциллограф. Рисунок 9 — Схема регистрации тока замыкания фазы на корпус и дуговых

перенапряжений

В результате испытаний подтверждена возможность устройства комбинированного заземления нейтрали ограничивать токи ОЗ и однофазного прикосновения до безопасных значений. Кроме того, выполнена регистрация дуговых перенапряжений итж. Перенапряжения регистрировались на неповрежденных фазах при неустойчивом дуговом или искровом контакте поврежденной фазы с корпусом судна. Примеры осциллограмм приведены на рисунке 10.

а) при изолированной нейтрали

б) при резистированной нейтрали

в) при комбинированной нейтрали Рисунок 10 - Напряжение между неповрежденной фазой и корпусом судна при неустойчивом ОЗ и при различных режимах нейтрали

При переводе электроэнергетической системы БК «Василий Албанов» в режим неэффективного заземления нейтрали практически исчезло напряжение смещения нейтрали но постоянному потенциалу иШост, что показано на рисунке 10, а максимальные перепапряжений снизились на 22%.

Наблюдение за работой устройства заземления нейтрали в составе электроэнергетической системы действующего судна продолжалось более чем два года. Оно показало, что в течение всего срока эксплуатации устройство сохраняло свои способности по одновременному снижению дуговых перенапряжений и обеспечению безопасных значений токов ОЗ. Анализ результатов решстраций токов и перенапряжений показал отсутствие изменений параметров СЭЭС, приводящих к снижению эффективности применения устройства заземления нейтрали.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований, изложенных в диссертации, могут быть сформулированы следующим образом:

1. Выявлена тенденция увеличения опасности ОЗ в СЭЭС. Среди последствий ОЗ особая роль в увеличении их опасности принадлежит дуговым перенапряжениям, способствующим как процессам возникновения и развития судовых пожаров, так и выходу из строя судового оборудования. Опасность дуговых перенапряжений усугубляется тем, что на фоне увеличения тяжести их последствий, обусловленного рядом тенденций в развитии флота, в СЭЭС повсеместно продолжает использоваться режим изолированной нейтрали, соответствующий их наибольшим кратностям в сравнении с альтернативными режимами нейтрали.

2. Разработан и реализован комплексный подход к совершенствованию защиты СЭЭС от основных негативных последствий ОЗ. Подход учитывает степень важности для безопасности судна различных угроз, связанных с применением известных вариантов защиты от ОЗ. Согласно этому подход}' защита от ОЗ должна быть направлена на устранение:

- угроз потери электроснабжения судовых потребителей;

- угроз со стороны повышенных токов в месте замыкания фазы на корпус судна;

- угроз, обусловленных возникновением и развитием максимальных кратностей дуговых перенапряжений при ОЗ в СЭЭС.

3. Анализ способов защиты электросистем от ОЗ показал, что наименее затратным и пеприводящим к потере электроснабжения средством предотвращения угроз, связанных с протеканием тока в месте замыкания фазы на корпус, яшшется перевод СЭЭС в режим неэффективного заземления нейтрали.

4. Экспериментально и теоретически обосновано разграничение областей применения теорий для оценки наибольших величин дуговых перенапряжений в низковольтных СЭЭС с изолированной нейтралью. Установлено, что в СЭЭС с малой величиной фазной емкости наибольшие перенапряжения соответствуют теории Нетерса и Слепяна. В СЭЭС с большой емкостью они могут быть определены на основе скорректированного подхода, предложенного H.H. Беляковым.

5. Определены предельные перенапряжения, возникающие при ОЗ в СЭЭС с неэффективными способами заземления нейтрали. Анализ влияния заземления нейтрали СЭЭС на максимальные величины дуговых перенапряжений выполнен на основе предложенной модели их формирования, основанной на анализе процесса восстановления разрядного напряжения дугового промежутка после гашения заземляющей дуги и учитывающей влияние разделительной емкости на процесс восстановления напряжения поврежденной фазы.

6. Определены условия устранения феррорезонансных процессов при неустойчивом замыкании фазы на корпус в низковольтных СЭЭС с компенсацией тока ОЗ. Получено упрощенное выражение для выбора параметров устройства заземления нейтрали, исключающих возможность феррорезонанса.

7. Впервые для СЭЭС разработаны устройства заземления нейтрали, позволяющие одновременно ограничивать дуговые перенапряжения и обеспечивать безопасные величины тока ОЗ. В устройствах реализуется принцип ограничения дуговых перепапряжений, основанный на перераспределении зарядов между фазной емкостью и емкостью разделительных конденсаторов после гашения заземляющей душ. Применение разработанных устройств позволяет снизить напряжение смещения нейтрали по постоянному потенциалу, что является условием уменьшения перенапряжений при повторных замыканиях фазы на корпус судна.

8. Разработанные устройства неэффективного заземления нейтрали прошли приемо-сдаточные испытания в действующей СЭЭС. Испытания показали, что перевод электросистемы из режима изолированной нейтрали в режим резистированной нейтрали улучшает эксплуатационные свойства СЭЭС. Это позволяет снизить максимальные кратности дуговых перенапряжений на 22% при сохранении тех же значений тока ОЗ. Перевод СЭЭС в режим комбинированного заземления нейтрали позволяет снизить дуговые перенапряжения также на 22 % при снижении токов ОЗ в 2.8 и более раз. Тем самым подтверждена способность разработанных устройств обеспечивать защиту СЭЭС от опасных последствий замыкания фазы на корпус.

Список основных работ, опублнковапных автором по теме диссертации

в изданиях из Перечня российских рецензируемых научных журналов, рекомендованных ВАК Минобрнауки России:

1. Благинин В.А. Многокритериальный подход к выбору режима нейтрали в электросетях / В.А. Благинин, И.Ii. Кажекин // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. — 2008. — Специальный выпуск №1. -Новосибирск. — С. 9-16. (автор — 80%)

2. Благинин В.А. Прогнозирование дуговых перенапряжений в судовых электросетях низких и средних классов напряжений / В.А. Благинин, И.Е. Кажекин// Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2008. -№ 2. - Новосибирск. - С. 247-250. (автор - 80%)

3. Благинин В. А. Варианты защиты судовых электросистем от однофазных замыкании/ В.А. Благинин, И.Е. Кажекин // Безопасность жизнедеятельности. - М. - 2010. - №3. - С. 23-30. (автор - 50%)

4. Благинин В.А. Профилактика аварийности отечественного рыбопромыслового флота / В.А. Благинин, И.Е. Кажекин // Безопасность жизнедеятельности. - М. - 2010. - №3. - С. 40-47.(автор - 50%)

Патенты па изобретения и свидетельства о регистрации программ для

ЭВМ:

5. Пат. 2342756 Российская федерация, МПК Н 02 11 9/00 Способ ограничения перенапряжений в электросетях / В.А. Благинин, И.Е. Кажекин; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО КГТУ - № 2007149444/09 ; заявл. 27.12.2007; опубл. 27.12.2008, Бюл. № 36 - 8 с. (автор - 70%)

6. Определение возможности возникновения феррорезонанса напряжений / Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ/ В.А. Благинин, И.Е. Кажекин; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО КГТУ №2011616401. - М.: Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам, 2011. (автор - 80%)

7. Пат. 2453020 Российская федерация, МПК Н 02 Н 9/02 Способ заземления нейтрали/ В.А. Благинин, И.Е. Кажекин; заявитель и патентообладатель Благинин В.А. - № 2011113076/07; заявл. 05.04.2011; опубл. 10.06.2012, Бюл. № 16 - 7 с. (автор - 90%)

8. Пат. 2516437 Российская федерация, МПК Н02НЗ/20 Н02Н9/04 Способ заземления нейтрали / В.А. Благинин, И.Е. Кажекин; заявитель и патентообладатель Благинин В.А. -№ 2012131721/07; заявл. 24.07.2012; опубл. 20.05.2014, Бюл. № 14 - 9 с. (автор - 80%)

Прочие публикации:

9. Кажекин И.Е. Определение требований к защите судовых электроэнергетических систем от однофазных замыканий/ И.Е. Кажекин // Электрика. - М. - 2011. - С. 35-39. (автор - 100%)

10. Кажекин И.Е. Дуговые перенапряжения в судовых электроэнергетических системах с резистированным заземлением нейтрали/ И.Е. Кажекин // Известия КГТУ. - Калининград - 2014. - №33. - С. 174-182. (автор - 100%)

11. Благинин В.А. Исследование дуговых перенапряжений на основе анализа устойчивости заземляющей дуги / В.А. Благинин, И.Е. Кажекин // Известия КГТУ. - Калининград - 2014. - №34. - С. 224-235. (автор - 90%)

Подписано в печать 26.05.2015 Формат 60x84/16. Объем 1 усл. печ. л. Тираж 100 эю.

Отпечатано в типографии ФГБОУ ВПО «КГТУ» 236022, г. Калининград, Советский пр. 1.