автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Ограничение импульсных напряжений в линиях электропередачи с усовершенствованными электросетевыми конструкциями

На правах рукописи

ДАНИЛОВ ГЕННАДИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ОГРАНИЧЕНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ НАПРЯЖЕНИИ В ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ С УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫМИ ЭЛЕКТРОСЕТЕВЫМИ КОНСТРУКЦИЯМИ

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Специальность 05.14.02 - «Электрические станции и электроэнергетические системы»

Новосибирск-2013 005537 1**

005537743

Работа выполнена в ФБОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта» (ФБОУ ВПО "НГАВТ")

Научный руководитель: кандидат технических наук

Иванов Михаил Николаевич

Официальные оппоненты: Хрущёв Юрий Васильевич,

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО "Национальный исследовательский Томский политехнический университет", профессор кафедры "Электрические сети и электротехника"

Самородов Герман Иванович, доктор технических наук, профессор, Филиал ОАО "НТЦ электроэнергетики" -Сибирский научно-исследовательский институт энергетики (СибНИИЭ), научный руководитель отдела новых технологий

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО "Омский государственный технический университет"

Защита состоится 11 декабря 2013 г. в 10 часов (ауд. 227) на заседании диссертационного совета Д 223.008.01 при ФБОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта» по адресу: 630099, г. Новосибирск, ул.Щетинкина, 33, ФБОУ ВПО «НГАВТ» (тел/факс (383) 222-49-76; E-mail: ngavt@ngs.ru; ese_sovet@mail.ru).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФБОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта»

Автореферат разослан 6 ноября 2013 г.

Учёный секретарь ,,

диссертационного совета Малышева Елена

Павловна

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Повышение качества функционирования линий электропередачи является главным фактором в комплексе предъявляемых требований по надёжности и экономичности электроснабжения регионов России. Износ основных фондов электрических сетей составляет в среднем 40 %. Темпы нарастания изношенного электрооборудования находятся в пределах от 2 до 6 % в год от общего количества. Увеличивается число ежегодных технологических нарушений и аварий в электрических сетях. При этом, на воздушные линии (BJI) 110 кВ, имеющих наибольшую протяжённость, приходится около 86 % от всех технологических нарушений, 11 % - на BJI 220 кВ и 3 % -на ВЛ 330; 500; 750 кВ. Значительная доля аварийных отключений BJI обусловлена повреждениями проводов и грозозащитных тросов (56 %), изоляторов (19 %) и опор (15 %). Около 10 % отключений происходило вследствие повреждений арматуры и прочих элементов ВЛ.

Социальный аспект повышения качества функционирования линий электропередачи обусловливается не только высокими требованиями к надёжности их работы, но и необходимостью осуществлять передачу электроэнергии в пределах норм технологического расхода.. Эти нормы достигаются при нормируемых значениях уровней электромагнитной совместимости (ЭМС) для кондуктивных низкочастотных электромагнитных помех (ЭМП).

Исследования Горелова В.П., Лизалека H.H., Овсянникова А.Г., Самородова Г.И., Сальникова В.Г., Мусина А.Х., Манусова В.З., Хрущёва Ю.В., Ивановой Е.В. и других отечественных и зарубежных учёных охватывают различные аспекты обеспечения ЭМС технических средств. Однако, научно-техническая задача - ограничение импульсных напряжений в линиях электропередачи с усовершенствованными электросетевыми конструкциями однозначно не решена. Отсутствует соответствующий стандарт. В связи с этим тема диссертации является актуальной.

Объектом исследования является электрическая сеть общего назначения (электропередача).

Предметом исследования являются электромагнитные процессы, обусловливающие импульсные напряжения (импульсные помехи)

и электросетевые конструкции (траверсы, ограничители перенапряжений), устанавливаемые для их ограничения на линиях электропередачи.

Связь темы диссертации с общенаучными (государственными) программами.

Работа выполнена в соответствии с основными положениями "Энергетической стратегии России на период до 2020 года" и Федеральным законом №261 от 23.10.2009 года "Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации", ориентирована на реализацию мероприятий подпрограммы "Энергосбережение и повышение энергетической эффективности в электроэнергетике" Государственной программы Российской федерации "Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020", утверждённой Распоряжением Правительства РФ от 27.12.2010 г. и соответствует Государственному контракту с Министерством образования и науки № 16.526.12.6015 от 11 октября 2011 г. "Разработка технологии производства и создание типоразмерного ряда оксидно-цинковых варисторов и современных композитных материалов, необходимых для их производства".

Идея работы заключается в установлении углублённых связей между импульсными помехами и электросетевыми конструкциями, воздействием на которые можно повысить эффективность линий электропередачи.

Целью работы является разработка научных положений и рекомендаций по ограничению грозовых и коммутационных импульсных напряжений в линиях электропередачи, повышающих качество функционирования систем электроснабжения общего назначения. Для достижения цели в работе ставились и решались следующие взаимоувязанные научно-технические задачи:

- анализ состояния воздушных линий электропередачи;

- обоснование социальной значимости повышения качества функционирования линий электропередачи за счёт ограничения импульсных напряжений и усовершенствования электросетевых конструкций;

- принятие (признание, выбор) критерия режима сети, обеспечивающего нормированный технологический расход электроэнергии на её транспорт;

- определение вероятности появления импульсных напряжений

кратностью более допустимого значения (2,8) в сети 10 кВ с изолированной нейтралью при коммутации вакуумными выключателями индуктивной нагрузки;

- оценка эффективности применения нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН) для ограничения импульсных напряжений при включении и отключении индуктивной нагрузки вакуумными выключателями и объяснения причин различия;

- измерение показателей качества электроэнергии и расчёт кон-дуктивных низкочастотных электромагнитных помех, характеризующих электромагнитную обстановку в сети 10 кВ с изолированной нейтралью полигона исследования;

- экспериментальное исследование коммутационных импульсных напряжений, возникающих при дуговых однофазных замыканиях на землю в исследуемой сети 10 кВ;

- определение влияния интегрального показателя сети (ёмкостного тока замыкания фазы на землю) 10 кВ с изолированной нейтралью на импульсные напряжения, возникающие при дуговых однофазных замыканиях на землю;

- разработка вольт-амперной характеристики оксидноцинковых варисторов, необходимых для создания нелинейных ограничителей перенапряжений;

- разработка устройств для защиты линий электропередачи от грозовых и коммутационных импульсных напряжений;

- разработка системы защит воздушных линий электропередачи с изолирующими траверсами без грозозащитных тросов.

Методы исследования. В процессе выполнения исследований применялись: научно-техническое обобщение литературных источников по исходным предпосылкам исследований, методы теории высоких напряжений, методы математической статистики и теории вероятностей (теория планирования эксперимента, теория производящих функций, теория ошибок), методы системного анализа, рекомендованные Госстандартом России методы и средства измерения уровней ЭМС для кондуктивных ЭМП.

На защиту выносятся:

- анализ состояния линий электропередачи и социальной значимости повышения качества их функционирования за счёт ограничения грозовых и коммутационных импульсных напряжений;

- концепция снижения качества функционирования сетей сред-

него напряжения (от 6 до 35 кВ), обусловленная влиянием глобальных коммутационных импульсных напряжений;

— зависимость коммутационных импульсных напряжений, обусловленных дуговыми однофазными замыканиями на землю в сети 10 кВ с изолированной нейтралью, от интегрального показателя сети и электромагнитной обстановки;

— вольт-амперная характеристика оксидноцинковых варисторов, предназначенных для создания нелинейных ограничителей перенапряжений в линиях электропередачи;

— устройство защиты воздушных линий электропередачи с изолирующими траверсами без грозозащитных тросов от грозовых и коммутационных импульсных напряжений;

— устройство защиты подвесной изоляции воздушных линий и открытых распределительных устройств от грозовых и коммутационных импульсных напряжений.

Достоверность н обоснованность научных положений, выводов н рекомендаций

Достоверность обеспечена: использованием сертификационного оборудования и средств измерений, корректностью применения математических методов обработки результатов измерений.

Обоснованность подтверждается принятыми уровнями допущений при математическом описании явлений, публикациями, практической реализацией полученных результатов.

Научная новизна работы характеризуется научными положениями и подтверждена патентами Российской Федерации:

— показана зависимость качества функционирования линий электропередачи, обусловленного достаточной надёжностью в работе систем ограничения перенапряжений, электросетевых конструкций и нормированным технологическим расходом электроэнергии на её транспорт, от грозовых и коммутационных импульсных напряжений;

— представлена концепция снижения качества функционирования сетей среднего напряжения при коммутации индуктивной нагрузки вакуумным выключателем, обусловленная влиянием глобальных коммутационных импульсных напряжений;

— предложена парадигма, поясняющая снижение эффективности применения ОПН при включении вакуумным выключателем индуктивной нагрузки в сети 10 кВ в 1,5 раза, чем при отключении;

— получена вольт-амперная характеристика оксидноцинковых

варисторов, приемлемая для создания ОПН;

- разработано устройство для защиты линий электропередачи от грозовых и коммутационных импульсных напряжений [13] и на его основе - универсальный модуль для построения мощных устройств (варианты) [10, 11];

- разработаны новые системы защит от грозовых и коммутационных импульсных напряжений многофазных цепей [25], воздушных линий электропередачи с изолирующими траверсами без грозозащитных тросов (варианты) [17, 19-22] и подвесной изоляции линий электропередачи [15] с усовершенствованными электросетевыми конструкциями: опорный полимерный изолятор [12, 18], покрышка полимерная изоляционная [14], горизонтально поворотный разъединитель [24], устройство для закрепления проводов и аппаратов защиты от перенапряжений на опоре воздушной линии от 6 до 35 кВ [16], высоковольтные ввода с улучшенной изоляцией [23].

Теоретическая значимость работы заключается в развитии теоретических основ ЭМС технических средств при возникновении грозовых и коммутационных импульсных напряжений.

Практическая значимость результатов работы заключается в том, что внедрение на отраслевом уровне научных положений и рекомендаций диссертации в проектную и эксплуатационную практику обеспечивает повышение качества функционирования линий электропередачи.

Совокупность полученных результатов представляется как решение важной научно-технической задачи, имеющей большое хозяйственное значение для электроэнергетики.

Реализация работы. Рекомендации по ограничению импульсных напряжений в линиях электропередачи с новыми электросетевыми конструкциями внедрены: в ОАО "Электросетьсервис ЕНЭС; в ОАО "ФСК ЕЭС", ОАО "МРСК холдинг", ОАО "РЖД", с суммарным ожидаемым экономическим эффектом свыше 1500 тыс. руб. при сроке окупаемости капитальных вложений менее пяти лет.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались: на 3-й международной научно-практической конференции "Эффективное и качественное снабжение и использование электроэнергии ЭКСИЭ-03" (г. Екатеринбург, 2013 г.); пятой Российской научно-практической конференции с международным участием "Линии электропередачи 2012: проектирование, строительство, опыт экс-

плуатации и научно-технический прогресс", г. Новосибирск, 2012 г.; Всероссийской конференции "Энергосбережение и энергоэффективность технологий передачи, распределения и потребления электрической энергии", г. Москва, 2011 г. и 2012 г.; 3-ей Российской конференции по молниезащите, г. Санкт-Петербург, 2012 г.; Международном электроэнергетическом форуме "Электросетевой комплекс. Инновации. Развитие", г. Москва, 2012 г.; научно-технических конференциях ФБОУ ВПО "НГАВТ" в 2011-2013 г.; Всероссийских выставках достижений народного хозяйства в 2010-2013 г. (г. Москва).

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

Публикации. Содержание работы изложено в 25 научных трудах, в том числе, в 6 статьях периодических изданий по перечню ВАК, в одной монографии и в 16 патентах России.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 158 наименований и двух приложений. Изложена на 149 страницах машинописного текста, который поясняется 43 рисунками и 19 таблицами.

Основное содержаппе работы

Во введении: обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цели и научные задачи исследования; приведены основные научные результаты, выносимые на защиту; показана научная новизна исследований и оценена их практическая значимость; отражены уровень апробации и личный вклад соискателя в решении научных задач; даны структура и объём диссертационной работы, а также объём публикаций.

В первой главе исследуется содержание проблемы ограничения грозовых и коммутационных импульсных напряжений в линиях электропередачи, которые находятся во взаимосвязи с другими объектами электроэнергетической системы (ЭЭС). В этой системе воздушные линии (ВЛ) являются важными элементами электропередачи.

Применение системного подхода позволило выделить электропередачу из сложной ЭЭС как объект исследования и определить

предмет исследования, который приемлем для всех региональных ЭЭС. Сформулирован главный аспект системного анализа применительно к задачам исследования как обеспечение качественного функционирования линий электропередачи путём усовершенствования электросетевых конструкций (траверсы, ОПН), позволяющих ограничивать грозовые и коммутационные импульсные напряжения. Показано, что условием нормированного технологического расхода электроэнергии на её транспорт по линиям электропередачи является соответствие показателей качества электроэнергии (КЭ) требованиям ГОСТ Р 54149-2010 и ГОСТ 13109-97. Представлен удельный вес причин отказов элементов В Л напряжением от 35 до 500 кВ. Указаны причины отказов.

Во второй главе излагается концепция снижения качества функционирования линий электропередачи с эксплуатационной точки зрения.

Для уточнения требований к системе ограничений импульсных напряжений выполнен анализ регламентированных уровней ЭМС для кондуктивных низкочастотных электромагнитных помех по импульсному напряжению в точках общего присоединения к электрической сети, вызываемых разрядами молний и процессами коммутации.

Проведён ретроспективный анализ возможных уровней коммутационных импульсных напряжений в сетях напряжением от 6 до 35 кВ и на их основании составлена классификация [7].

Глобальные коммутационные импульсные напряжения, зона действия которых охватывает всю или значительную часть линии электропередачи, обусловливаются однофазными дуговыми замыканиями на землю, феррорезонансными явлениями, связанными с трансформаторами напряжения, и переходными процессами, возникающими при коммутации вакуумными выключателями индуктивной нагрузки. Этим обусловливается потребность в их исследованиях.

Экспериментальные исследования коммутационных импульсных напряжений при коммутации вакуумным выключателем типа ВВЭ-М-10-20 (10 кВ, 630 А) индуктивной нагрузки (трансформатор типа ТМ 1000 10 / 0,4 кВ в режиме холостого хода) проводились в действующей сети 10 кВ [7]. Соответствие вакуумного выключателя техническим требованиям проверялось с помощью прибора контроля высоковольтных выключателей типа ПКВ / М7.

Для определения числа испытаний и колеблющейся (варьирующейся) величины использовался коэффициент вариации у, показываю-

щий в каком диапазоне меняется эта величина. При этом

п - 3,84у2 / А2, (1)

где А - предел отклонения.

Исходя из анализа кратностей коммутационных импульсных напряжений в сетях от 6 до 35 кВ, была определена искомая величина, п = 14. Осциллографирование импульсных напряжений осуществлялось цифровым осциллографом типа DL-750, подключённым к низковольтным плечам делителей напряжения типа ДН-10 соединительными кабелями типа КР-50 длиной до 15 м [7].

Осциллограммы искажений напряжений, возникающие при коммутации вакуумным выключателем (ВВ), приведены в [7]. Математическая обработка осциллограмм проводилась в программе MATLAB.

Максимальные зафиксированные коммутационные импульсные напряжения, воздействующие на изоляцию фидера: при включении составили 2,7 С/фмпл, при отключении-2ифшш1.

Показано, что вероятность появления указанных импульсных напряжений составляет 0,682. С вероятностью 0,318 кратности импульсных напряжений превышают допустимое значение (2,8). Эффективность ОПН при защите кабельной изоляции в 1,4 раза ниже при включении ВВ, чем при отключении. В условиях неопределённости причины, поясняющей это явление, приходится использовать парадигму, которая шире, чем теория. Сформулировано положение: из-за высокой частоты коммутационных импульсных напряжений ОПН не оказывает заметного влияния на напряжение в начальном периоде включения. Эта парадигма отображает концепцию снижения качества функционирования линий электропередачи вакуумных выключателей в режиме эксплуатации.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований параметров переходного процесса, возникающего в сети 10 кВ с изолированной нейтралью при дуговом однофазном замыкании на землю (тока замыкания на землю /, и импульсных напряжений Unep).

В первый момент времени однофазного замыкания на землю возникает переходный процесс, который обусловливается разрядом на землю ёмкости повреждённой фазы и дозарядом ёмкостей неповреждённых фаз. В дальнейшем ток переходного процесса затухает. В этот момент наблюдаются также перенапряжения в неповреждённых фазах

сети. Возникновение значительных дуговых импульсных перенапряжений наиболее вероятно при перемежающейся дуге.

Активная составляющая тока замыкания фазы на землю составляет от 2 до 6 % полного тока (13). Поэтому, если этой составляющей тока пренебречь, то ёмкостный ток (/(,) замыкания на землю приближённо можно определить по формуле

Г » 1 °'5

I, »|[(Ом +С0В +Сос)ю£/,]2 [ииип(Сол +Сш+Сос)]2| , (2)

где (У,, II п — соответственно, действующее значение основной и п-й гармоники напряжения фазы до металлического замыкания на землю, В; Сол, Сш, С()(. -смкости фаз на землю, Ф; со - угловая частота, с1;п-

количество учитываемых гармоник.

Второй параметр переходного процесса 1]пер не описывается единой математической моделью. Его можно определить по теориям У.Петерсена, Дж.Пеперса, Х.Слепяна, Г.А.Евдокунина и др., исходя из заданных условий горения дуги. В связи с этим в дальнейшем используются данные экспериментальных исследований в действующей сети 10 кВ с изолированной нейтралью.

Процесс возникновения кондуктивной низкочастотной ЭМП по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения представляется математической моделью [7]

Ки \Р(Кин < Ки < Кип) > 0,05; Р(К[;и < Ки 8Ки, (3)

где Ки н; К,. п -соответственно, нормально и предельно допустимое значение коэффициента Ки, %; 0,05 - допустимая вероятность в течение суток неравенства Ки > Ки ы.

Измерение коэффициента Ки осуществлялось информационно-вычислительным комплексом (ИВК) "Омск-М" в течение суток.

Величина 5Ки определялась по алгоритму, представленному в соответствии с теорией кондуктивных низкочастотных ЭМП, обусловленных нестандартными значениями показателей качества электроэнергии (рисунок 3). Электромагнитная обстановка в исследуемой сети 10 кВ характеризуется кондуктивной низкочастотной ЭМП, которая представляется с вероятностью 0,95 математическим ожиданием м\ЬКи\=4,6%

и средним квадратическнм отклонением с[5/Сг; ] = 0,4 % . Вероятность появления этой помехи (0,13) превышает допустимую вероятность превышения коэффициентом Ки нормально допустимого значения (0,05) в 2,6 раза.

Измерение коэффициента Ки в течение суток

Определение закона распределения значений

Ки как случайной величины теории вероятностей и математической статистики

Расчёт параметров закона распределения величины ЬКи :М[5Ки ], сг^&К^, ]

Определение вероятности появления исследуемой помехи Р(ЪКи) за расчётный период

Рисунок 1 — Алгоритм определения кондуктивной низкочастотной электромагнитной помехи по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения

Обнаружена также кондуктивная низкочастотная ЭМП по 5-й гармонической составляющей напряжения ( Ка(5)), которая характеризуется: математическим ожиданием Л-/[5^(/(5)] = 3,9 %, средним квадратическнм отклонением а[8АГ£/(5)]= 0,4 %. Вероятность появления этой

помехи составляет р[б^,/(5)]= 0,95 и превышает допустимую вероятность превышения коэффициентом Ки(5) нормально допустимого значения (0,05) в 19 раз.

Осциллографирование коммутационных импульсных напряжений при однофазном дуговом замыкании на землю (ОДЗ) осуществлялось при обнаруженных кондуктивных низкочастотных ЭПП, обусловленных несинусоидальностью напряжения [7].

Для создания ОДЗ на землю использовался искровой промежуток с шаровыми медными электродами определённого диаметра. Расстояние между электродами устанавливается таким образом; чтобы обеспечить пробой воздушного промежутка при прохождении подвижного электрода под неподвижным. За счёт заданной скорости вращения подвижного электрода обеспечивалось горение перемещающейся (прерывистой) дуги при схождении - расхождении электродов, а также определённое количество циклов возникновения дуги [7]. Характерные осциллограммы фазных напряжений в сети 10 кВ с изолированной нейтралью, полученные с помощью осциллографа ОЬ-750, приведены на рисунке 2. Кратности коммутационных импульсных напряжений (К) при различных значениях ёмкостного тока замыкания фазы на землю (7С) характеризуются следующими значениями:

В четвёртой главе излагаются рекомендации по применению устройств защиты линий электропередачи от грозовых и коммутационных импульсных напряжений, созданных на основе нелинейных ограничителей перенапряжений с оксидноцинковыми варисторами и новых электросетевых конструкций [6,7, 10-25].

Повысить пропускную способность варисторов в (1,5-2,0) раза и исключить перекрытие по боковой поверхности удаётся применением диэлектрического покрытия боковой поверхности варисторов. Для этой цели используется покрытие на основе органических полимеров (глифталевые или эпоксидные эмали) либо комбинированное покрытие, состоящее из двух слоёв: слоя непроводящего стекла или керамики, который покрыт слоем изолирующего покрытия на основе органического связующего

Получены патенты РФ на устройство защиты от грозовых и коммутационных импульсных напряжений [13] и универсального модуля устройства защиты от импульсных напряжений (перенапряжений) [10].

Универсальный модуль (рисунок 3) содержит цилиндрический

1с, А 3,3 К 4,3

4,56 4,7 5,6 5,63 3,7 3,4 2,9 2,64

изоляционный корпус 1, в который помещена колонка 2, состоящая из последовательно соединённых нелинейных резисторов 3.

Рисунок 2 - Осциллограммы фазных напряжений в сети 10 кВ (1С =4,68 А) при дуговом однофазном замыкании на землю: масштаб - 7,4 кВ/дел

Мощное устройство для защиты от перенапряжений состоит из последовательного соединения нескольких этажей, например пяти, по несколько, например по три, параллельно установленных универсальных модуля 1 В каждом (рисунок 4). Каждый этаж и модули в этаже соединяют друг с другом механически и электрически посредством переходных перемычек 6. Для выравнивания распределения напряжения по высоте устройство оснащается экранами 2, 3.

Рисунок 3 - Универсальный модуль устройства для защиты от перенапряжений

Рисунок 4 - Мощное устройство для защиты от импульсных напряжений линий электропередачи

На месте сборки размещают, например три, универсальных модуля 1, устанавливают поверх модулей контактную перемычку 4 и закрепляют на ней верхний экран 12. С помощью держателей 5 крепится экран 3, устанавливается переходная перемычка 6. Полностью собранная конструкция крепится к монтажной плите 7.

2

.2.

В районах с высокой коррозионной агрессивностью атмосферы грозозащитные тросы корродируют значительно быстрее проводов, так как они выполнены из стали. При достижении коррозией критических значений происходит обрыв грозотросов. При падении гро-зотрос часто попадает на провода, приводя к коротким замыканиям и аварийному отключению ВЛ.

Предлагается выполнить грозозащиту ВЛ без грозозащитных тросов при помощи ОПН, изменяя их пространственное положение [17,19-22]. Один из вариантов устройства грозозащиты линии электропередачи с изолирующими траверсами приведены на рисунке 5 [20]. Конструкция выполнена из одного поддерживающего изолятора 1, подверженного растягивающим нагрузкам, и одного опорного изолятора 2, воспринимающего сжимающие нагрузки, к точке связи которых между собой прикреплен провод 3. Каждый из них прикреплён другим концом к стойке опоры 4 ВЛ. Предложено установить на стойке 4 опоры в изолирующую траверсу вместо опорного опорного изолятора. При этом ОПН выполнен таким образом, что ва-ристоры в виде блока 6 варисторов, расположенного в полости корпуса вдоль этой трубчатой формы полости, занимают не всю его внутреннюю длину.

Рисунок 5 — Вариант устройства грозозащиты линии электропередачи с изолирующими траверсами

Выполнены исследования по защите от импульсных напряжений опорной изоляции линий электропередачи высокого класса напряжения [11] и подвесной изоляции [15].

Для повышения эффективности представленных изобретений по защите линий электропередачи от грозовых и импульсных напряжений [10,11,13,15,17,19-22,25] предложены опорный полимерный изо-

8

3

2

лятор [12,18], покрышка полимерная электроизоляционная [14], горизонтально-поверхностный разъединитель [24], устройство для закрепления проводов и аппаратов защиты от перенапряжений на опоре ВЛ напряжением от 6 до 35 кВ [16], способ вакуумно-нагнетательной пропитки и запечки изоляции высоковольтных вводов [23].

Заключепие

1 Выполнен, для уточнения требований к системе ограничений импульсных напряжений, анализ регламентированных уровней электромагнитной совместимости для кондуктивных низкочастотных электромагнитных помех по импульсному напряжению в точках общего присоединения к электрической сети, вызываемых молниевыми разрядами и процессами коммутации.

2 Показана зависимость качества функционирования линий электропередачи, обусловленного достаточной надёжностью в работе систем ограничения перенапряжений, электросетевых конструкций и нормированным технологическим расходом электроэнергии на её транспорт, от грозовых и коммутационных импульсных напряжений.

3 Представлена концепция снижения качества функционирования линий электропередачи среднего напряжения при коммутации индуктивной нагрузки вакуумными выключателями, разработанная на основе экспериментальных данных, полученных в действующей сети 10 кВ с изолированной нейтралью. Сущность этой концепции раскрывают следующие положения.

3.1 Применение вакуумных выключателей обусловливает появления в линии электропередачи глобальных коммутационных импульсных напряжений.

3.2 Вероятность появления импульсных напряжений кратностью более допустимого значения (2,8) составляет 0,318, что указывает на необходимость применять специальные технические средства для их ограничения.

3.3 Эффективность применения нелинейных ограничителей перенапряжений при включении вакуумным выключателем индуктивной нагрузки в 1,4 раза ниже, чем при отключении. Предложенная парадигма поясняет это положение: из-за высокой частоты коммутационных импульсных напряжений нелинейные ограничители перенапряжений не оказывают заметного влияния на напряжение в начальном периоде включения.

4 Экспериментальное исследование коммутационных импульсных напряжений в электрической сети 10 кВ с изолированной нейтралью, обусловленных дуговыми однофазными замыканиями на землю, показывает, что при гармоническом воздействии и несимметрии напряжений в пределах нормированных значений математических ожиданий коэффициентов искажения синусоидальности кривой напряжения (5 %) и несимметрии напряжений по обратной последовательности (2 %) за расчётный период (24 с) кратность импульсных напряжений значительно зависит от величины ёмкостного тока сети. С вероятностью 0,95 установлено, что при увеличении этого тока от 3,3 до 5,63 А кратность уменьшается с 4,3 до 2,64. Это положение имеет важное практическое значение при организации эксплуатации электрических сетей 10 кВ различных промыслов Северных регионов России с ёмкостным током замыкания фазы на землю менее 10 А.

5 Разработано устройство для защиты линий электропередачи от грозовых и коммутационных импульсных напряжений [13] и на его основе - универсальный модуль для построения мощных устройств (варианты) [10, 11].

6 Разработаны новые системы защит от грозовых и коммутационных импульсных напряжений многофазных цепей [25], воздушных линий электропередачи с изолирующими траверсами без грозозащитных тросов (варианты) [17, 19-22] и подвесной изоляции линий электропередачи [15] с усовершенствованными электросетевыми конструкциями: опорный полимерный изолятор [12, 18], покрышка полимерная изоляционная [14], горизонтально поворотный разъединитель [24], устройство для закрепления проводов и аппаратов защиты от перенапряжений на опоре воздушной линии от 6 до 35 кВ [16], высоковольтные ввода с улучшенной изоляцией [23].

Список научных трудов по теме диссертации

Статьи, опубликованные в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК

1 Данилов, Г.А. Способ сброса гололёда с проводов линий электропередачи / Г.А.Данилов, С.В.Горелов, П.Г.Шушара // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. - 2012. - №2. - С. 139-142.

2 Данилов, Г.А. Обзор технологии 2ЮВЕЕ / Г.А.Данилов, В.ГТ.Горелов, М.А.Кручинин, М.В.Рябов // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. - 2012. - №2. - С. 239-243.

3 Данилов, Г.А. Разработка варисторов для нелинейных ограничителей перенапряжений / Г.А.Данилов, М.Н.Иванов [и др.]// Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. - 2013. - №1. - С. 353-357.

4 Данилов, Г.А. Системный подход к анализу мероприятий, повышающих надёжность энергетических объектов / Г.А.Данилов, А.Г.Данилов [и др.] // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. -2013. — №1. -С. 357-362.

5 Данилов, Г.А. Предварительные испытания системы мониторинга числа срабатывания устройства сброса гололёда / Г.А.Данилов, В.П.Горелов, М.А.Кручинин, М.В.Рябов // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. - 2013. -№1,-С. 377-380.

6 Данилов, Г.А. Инновационный опытно-конструкторский проект, направленный на повышение надёжности и долговечности воздушных линий электропередачи / Г.А.Данилов, В.П.Горелов, П.Г.Шушара // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост.-2013.-№1.-С. 380-383.

Монографии (научные издания)

I Данилов, Г.А. Повышение качества функционирования линий электропередачи / Г.А.Данилов, Ю.М.Денчик, М.Н.Иванов, Г.В.Ситников; под ред. В.П.Горелова, В.Г.Сальникова. - Новосибирск: Новосиб. гос. акад. водн. трансп., 2013. -559 с.

Монографии (учебные издания)

8 Данилов, Г.А. Электроснабжение транспортных объектов: учеб. пособие: в 2 кн. Кн. 1. Водный транспорт с комбинированными электроисточниками / Г.А.Данилов, М.Н.Иванов [и др.]; под ред. В.П.Горелова, В.Г.Сальникова. - Новосибирск: Новосиб. гос. акад. водн. трансп., 2012. -299 с.

9 Данилов, Г.А. Электроснабжение транспортных объектов: учеб. пособие: в 2 кн. Кн. 2. Электротранспорт и промышленные предприятия / Г.А.Данилов [и др.]; под ред. В.П.Горелова, В.Г.Сальникова. - Новосибирск: Новосиб. гос. акад. водн. трансп., 2012. - 378 с.

Патенты на полезную модель и изобретения

10 Свид. на полезную модель 13720 Рос. Федерация, МПК7 НОЮ 7/12. Устройство для защиты от перенапряжений / Г.А.Данилов, А.П.Заболотников, В.Г. Табатчиков, В.Г.Сяков, В.В.Власов ((Ш); патентообладатель Закрытое акционерное общество "Феникс-88" (ЯЦ). -№ 99123685/20; заявл. 09.11.1999; опубликовано 10.05.2000. - 5 с.

II Свнд. на полезную модель 12486 Рос. Федерация, МПК7 НОЮ 7/12. Устройство для защиты от перенапряжений / Г.А.Данилов,

A.П.Заболотников, В.Г.Табатчиков, В.А.Девочкина, В.Г.Сяков (RU); патентообладатель Закрытое акционерное общество "Феникс-88" (RU). - № 99119280/20; заявл. 06.09.1999; опубликовано 10.01.2000. - 2 с.

12 Пат. на полезную модель 75250 Рос. Федерация, МПК Н01В 17/14. Опорный полимерный изолятор / Г.А.Данилов, В.В.Власов,

B.М.Сухар, А.В.Сухар, В.Г.Сяков, А.О. Малышкин (RU); патентообладатель Закрытое акционерное общество "Феникс-88" (RU). - № 2008111631/22; заявл. 26.03.2008; опубл. 27.07.2008. - 7 с.

13 Пат. на полезную модель 81843 Рос. Федерация, МПК НО 1С 7/12. Устройство для защиты от перенапряжений / Г.А.Данилов, В.В.Власов, А.О.Малышкин, В.Г.Табатчиков, В.М.Сухар (RU); патентообладатель Закрытое акционерное общество "Феникс-88" (RU). - № 2008142476/22; заявл. 27.10.2008; опубл. 27.03.2009. - 11 с.

14 Пат. на полезную модель 815596 Рос. Федерация, МПК HOIB 17/26. Покрышка полимерная электроизоляционная / Г.А.Данилов, В.Г.Сяков, А.Н.Котов, А.В.Сухар, В.М.Сухар, В.В.Власов (RU); патентообладатель Закрытое акционерное общество "Феникс-88" (RU). - № 2008144746/22; заявл. 12.11.2008; опубл. 20.03.2009.-4 с.

15 Пат. на полезную модель 85040 Рос. Федерация, МПК Н02Н 9/06. Устройство для защиты от перенапряжений высоковольтных линий (варианты) / Г.А.Данилов, В.Г.Боровицкий, Ю.Е.Лошаков, В.В.Власов,

C.Зубков, В.М.Сухар (RU); патентообладатель Закрытое акционерное общество "Феникс-88" (RU). - № 2008149550/22; заявл. 15.12.2008; опубл. 20.07.2009. -10 с.

16 Пат. на полезную модель 89292 Рос. Федерация, МПК H02G 7/20. Устройство для закрепления проводов и аппаратов защиты от перенапряжений на опоре воздушной линии 6-35 кВ / Г.А.Данилов, М.Сухар, А.В.Сухар,

A.С.Зубков, В.В.Власов, А.О.Малышкин (RU); патентообладатель Закрытое акционерное общество "Феникс-88" (RU). - № 2009129862/22; заявл. 03.08.2009; опубл. 27.11.2009. - 9 с.

17 Пат. на полезную модель 92577 Рос. Федерация, МПК H02G 7/20. Устройство горозозащиты воздушной линии электропередачи / Г.А. Данилов, Ю.Р. Гунгер, Ю.А. Лавров, В.М. Сухар, В.В. Власов, A.C. Зубков (RU); патентообладатель Данилов Г.А. (RU), Гунгер Ю.Р. (RU). - № 2009140159/22; заявл. 30.10.2009; опубл. 20.03.2010.-4 с.

18 Пат. 2395128 Рос. Федерация, МПК Н01В 17/14. Способ изготовления полимерного высоковольтного изолятора / Г.А.Данилов, А.В.Сухар,

B.В.Власов, В.М.Сухар (RU); патентообладатель Закрытое акционерное общество "Феникс-88" (RU). -№ 2009127917/09; заявл. 20.07.2009; опубл. 6с.

19 Пат. 2400894 Рос. Федерация, МПК H02G 7/00. Устройство грозозащиты для воздушной линии электропередачи (варианты) / Г.А.Данилов,

Ю.Р.Гунгер, Ю.А.Лавров, В.М.Сухар, В.В.Власов, А.С.Зубков (ГШ); патентообладатель Данилов Г .А. (ГШ), Гунгер Ю.Р. (1Ш). - № 2009140161/07; заявл. 30.10.2009; опубл. 27.09.2010. - 5 с.

20 Пат. 2400895 Рос. Федерация, МПК Н02С 7/20, Н02С 13/00. Устройство грозозащиты для воздушной линии электропередачи (варианты) / Г.А.Данилов, Ю.Р.Гунгер, Ю.А.Лавров, В.М.Сухар, В.В.Власов, А.С.Зубков (1Ш); патентообладатель Данилов Г.А. (ГШ), Гунгер Ю.Р. (ГШ). - № 2009140160/07; заявл. 30.10.2009; опубл. 27.09.2010. - 6 с.

21 Пат. 2400896 Рос. Федерация, МПК Н02С 7/20, Н020 13/00. Устройство грозозащиты для воздушной линии электропередачи (варианты) / Г.А.Данилов, Ю.Р.Гунгер, Ю.А.Лавров, В.М.Сухар, В.В.Власов, А.С.Зубков (Яи); патентообладатель Данилов Г.А. (ГШ), Гунгер Ю.Р. (ГШ). -№ 2009140163/07; заявл. 30.10.2009; опубл. 27.09.2010. - 5 с.

22 Пат. 2414031 Рос. Федерация, МПК Н02С 7/00. Устройство грозозащиты для воздушной линии электропередачи (варианты) / Г.А.Данилов, Ю.Р.Гунгер, Ю.А.Лавров, В.М.Сухар, В.В.Власов, А.С.Зубков (1Ш); патентообладатель Данилов Г.А. (ГШ), Гунгер Ю.Р. (ГШ). - № 2009140162/07; заявл. 30.10.2009; опубл. 10.03.2011. - 5 с.

23 Пат. 2362227 Рос. Федерация, МПК Н01В 19/02, Н02К 17/28. Способ вакуумно-нагнетательной пропитки н запечки изоляции высоковольтных вводов / Г.А. Данилов, В.Г. Сяков, В.М. Сухар, А.С. Зубков, В.Г. Огоньков (ГШ); патентообладатель Закрытое акционерное общество "Феникс-88" (ГШ). - № 2008127055/09; заявл. 02.07.2008; опубл. 20.07.2009. - 9 с.

24 Пат. 2235382 Рос. Федерация, МПК НОШ 31/30, НОШ 31/02. Горизонтально-поворотный разъединитель / Г.А.Данилов, В.М.Сухар (ГШ); патентообладатель Закрытое акционерное общество "Феникс-88" (К 11). — № 2002133703/09; заявл. 15.12.2002; опубл. 27.08.2004. - 8 с.

25 Пат. 2193268 Рос. Федерация, МПК7 Н02н 9/06, Н01Т 1/16. Устройство защиты от перенапряжений многофазных цепей / Г.А.Данилов, А.П.Заболотников, В.М.Сухар (ГШ); патентообладатель Закрытое акционерное общество "Феникс-88" (1Ш). - № 2001108481/09; заявл. 29.03.2001; опубл. 20.11.2002.-3 с.

Статьи, опубликованные в российских изданиях; материалы международных и всероссийских конференций

26 Данилов, Г.А. Алгоритм определения показателей полной мощности в электрической сети при гармоническом воздействии / Г.А.Данилов, А.В.Гноевой, Ю.М.Денчик, В.Г.Сальников // Эффективное и качественное снабжение и использование электроэнергии (ЭКСИЭ-ОЗ): сб. докл. 3-й меж-дунар. научн.-практ. конф. в рамках выставки "Энергосбережение, отопление, вентиляция, водоснабжение" (г. Екатеринбург, 15-17 мая 2013 г.). - Екатеринбург: УрФУ, 2013. - 222 с. - С. 54-58.

Отчёты о научно-исследовательских работах

27 Парадигма применения технических средств на трансформаторной подстанции со сдвоенным токоограничивающим реактором: отчёт о НИР (промежуточн.), г/б - 11 / ФБОУ ВПО "Новосиб. гос. акад. вод. трансп."; рук. Горелов В.П.; исполн. Данилов Г.А. [и др.]. - Новосибирск: [б.и.], 2011. -153 с.-Библиогр.: С.154-168.-ГР №01.88. 0004137.

28 Исследование нормальных и аварийных режимов в линиях сверхвысокого напряжения с комбинированной поперечной компенсацией линий: отчёт о НИР (промежуточн.), г/б - 11 / ФБОУ ВПО "Новосиб. гос. акад. вод. трансп."; рук. Горелов В.П.; исполн. Данилов Г.А. [и др.]. - Новосибирск: [б.и.], 2011. - 153 с. - Библиогр.: С. 132-140. - ГР № 01.88.0004137. - Инв. № 02.201.261575.

29 Устойчивость узлов нагрузки в замкнутых электрических сетях от 6 до 35 кВ: отчёт о НИР (промежуточн.), г/б - 11 / ФБОУ ВПО "НГАВТ" рук. Горелов В.П. - Новосибирск: [б.и.], 2012. - 142 с. - исполн. Данилов Г.А. [и др.]. - Библиогр.: С.132—140. - ГР №01.88. 0004137. - Инв. № 02.201.261576.

30 Разработка рекомендаций и средств защиты персонала при обслуживании высоковольтного электрооборудования под напряжением: отчёт о НИР (промежуточн.), г/б - 11 / ФБОУ ВПО "НГАВТ"; рук. Горелов В.П.; исполн. Данилов Г.А. [и др.]. - Новосибирск: [б.и.], 2013.-141 с. - Библиогр.: С. 130-141.-ГР №01.88. 0004137.-Инв. №02201353915.

31 Актуализация математической модели электроэнергетической системы в составе задач иерархической противоаварийной автоматики: отчёт о НИР (промежуточн.), г/б - 11 / ФБОУ ВПО "Новосиб. гос. акад. вод. трансп."; рук. Горелов В.П.; исполн. Даннлов Г.А. [и др.]. - Новосибирск: [б.и.], 2013,- 152 с.-Библиогр.: С. 139-152. - ГР № 01.88.0004137. - Инв. № 02201358727.

Личный вклад в патентах, опубликованных в соавторстве, и в отчётах по НИР составляет не менее 20 %.

Подписано в печать 10.09.2013 г. с оригинал-макета.

Бумага офсетная № 1, формат 60 х 84 1/16, печать трафаретная - Riso. Уел печ. л. 1,3. Тираж 130 экз. Заказ № 108. Бесплатно.

ФБОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта»

ФБОУ ВПО («НГАВТ»),

630099, Новосибирск, ул. Щетинкина, 33.

Отпечатано в издательстве ФБОУ ВПО «НГАВТ

Федеральное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новосибирская государственная академия водного транспорта»

На правах рукописи

04201451200

ДАНИЛОВ ГЕННАДИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ОГРАНИЧЕНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ С УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫМИ ЭЛЕКТРОСЕТЕВЫМИ КОНСТРУКЦИЯМИ

Специальность 05.14.02 - «Электрические станции и электроэнергетические системы»

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук Иванов Михаил Николаевич

Новосибирск - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

С.

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................. 5

ГЛАВА 1 СОДЕРЖАНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ 12 КАЧЕСТВА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДЧИ..................................................................

1.1 Главный аспект системного анализа объекта исследования 12 в структуре сложной энергетической системы....................................

1.2 Состояние воздушных линий электропередачи........................ 21

1.2.1 Системообразующие и межсистемные воздушные линии 21 220, 330, 500, 750, 1150кВ..............................................................

1.2.2 Распределительные сети 6, 10, 35, 110 кВ.......................... 24

1.3 Условия нормированного технологического расхода 33 электроэнергии на её транспорт по линиям электропередачи.................

1.4 Направления и предмет исследования.................................... 39

ГЛАВА 2 КОНЦЕПЦИЯ СНИЖЕНИЯ КАЧЕСТВА 42 ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ С ВАКУУМНЫМИ ВЫКЛЮЧАТЕЛЯМИ....................................

2.1 Регламентированные уровни электромагнитной совместимости 42 для кондуктивных низкочастотных электромагнитных помех по импульсному напряжению.............................................................

2.2 Коммутационные импульсные напряжения в электрических 47 сетях среднего напряжения как вид искажения напряжения...................

2.3 Коммутационные импульсные напряжения при коммутации 50 вакуумным выключателем индуктивной нагрузки................................

2.3.1 Задачи исследования.....................................................

2.3.2 Система осциллографирования коммутационных 56 импульсных напряжений...............................................................

2.3.3 Результаты экспериментальных измерений коммутационных 60 импульсных напряжений...............................................................

2.4 Выводы по главе 2............................................................ '65

ГЛАВА 3 КОММУТАЦИОННЫЕ ИМПУЛЬСНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ 67 В СЕТИ 10 кВ ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИ ГАРМОНИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ..........................................

3.1 Коммутационное импульсное напряжение в линиях 67 электропередачи как параметр электромагнитной обстановки................

3.2 Электрическая схема экспериментальных исследований 76 однофазных замыканий на землю в сети 10 кВ объекта исследования.......

3.3 Методика расчёта кондуктивных низкочастотных 81 электромагнитных помех, обусловленных несинусоидальностью

напряжения................................................................................

3.3.1 Алгоритм определения кондуктивной низкочастотной 81 электромагнитной помехи по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения.......................................................................

3.3.2 Алгоритм определения кондуктивной низкочастотной 85 электромагнитной помехи по коэффициенту п-й гармонической составляющей напряжения............................................................

3.4 Расчётные значения кондуктивных низкочастотных 89 электромагнитных помех, обусловленных несинусоидальностью напряжения в сети 10 кВ...............................................................

3.4.1 Кондуктивная низкочастотная электромагнитная помеха по 89 коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения............

3.4.2 Характеристика электромагнитной обстановки при 93 исследовании однофазных замыканий на землю.................................

3.5 Коммутационные импульсные напряжения в исследуемой сети 95 при однофазных замыканиях на землю.............................................

3.5.1 Металлическое замыкание фазы на землю.......................... 95

3.5.2 Кратности коммутационных импульсных напряжений при 101 однофазном дуговом замыкании на землю.........................................

3.6 Выводы по главе 3.......................................................... Ю4

ГЛАВА 4 ЭЛЕКТРОСЕТЕВЫЕ КОНСТРУКЦИИ ПОВЫШАЮЩИЕ 106 ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОГРАНИЧЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ЛИНИЯХ ЭЛЕКЕТРОПЕРЕДАЧИ.....................

4.1 Оксидноцинковые варисторы для нелинейных ограничителей 106 перенапряжений..........................................................................

4.1.1 Вольт-амперная характеристика варистора......................... 1

4.1.2 Типоразмеры варисторов............................................... НО

4.2 Устройства электросетевых конструкций............................... П4

4.2.1 Устройства для защиты от импульсных напряжений 114 (перенапряжений) линий электропередачи среднего класса напряжения...

4.2.2 Устройство защиты от импульсных напряжений 118 (перенапряжений) многофазных цепей.............................................

4.2.3 Устройство грозозащиты для воздушных линий 120 электропередачи высокого класса напряжения, выполненных без грозозащитных тросов..................................................................

4.2.4 Устройство для защиты от импульсных напряжений 121 (перенапряжений) опорной изоляции линий электропередачи высокого класса напряжения.......................................................................

4.2.5 Устройство защиты подвесной изоляции высоковольтных 122 линий электропередачи от грозовых импульсных напряжений................

4.3 Выводы по главе 4............................................................ 124

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................................................................................125

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................................................................127

ПРИЛОЖЕНИЯ................................................................................................................................................144

Приложение А Вклад соискателя в опубликованные научные 145

написаны...................................................................................

Приложение Б Акты о внедрении научных положений и выводов 146 диссертации...............................................................................

Введение

Повышение качества функционирования линий электропередачи является главным фактором в комплексе предъявляемых требований по надёжности и экономичности электроснабжения регионов России. Износ основных фондов электрических сетей составляет в среднем 40 %. Темпы нарастания изношенного электрооборудования находятся в пределах от 2 до 6 % в год от общего количества. Увеличивается число ежегодных технологических нарушений и аварий в электрических сетях. При этом, на воздушные линии (ВЛ) 110 кВ, имеющих наибольшую протяжённость, приходится около 86 % от всех технологических нарушений, 11 % - на ВЛ 220 кВ и 3 % - на ВЛ 330; 500; 750 кВ. Значительная доля аварийных отключений ВЛ обусловлена повреждениями проводов и грозозащитных тросов (56 %), изоляторов (19 %) и опор (15 %). Около 10 % отключений происходило вследствие повреждений арматуры и прочих элементов ВЛ.

Социальный аспект повышения качества функционирования линий электропередачи обусловливается не только высокими требованиями к надёжности их работы, но и необходимостью осуществлять передачу электроэнергии в пределах норм технологического расхода.. Эти нормы достигаются при нормируемых значениях уровней электромагнитной совместимости (ЭМС) для кондуктивных низкочастотных электромагнитных помех (ЭМП).

Исследования Горелова В.П., Лизалека H.H., Овсянникова А.Г., Самородова Г.И., Сальникова В.Г., Мусина А.Х., Манусова В.З., Хрущёва Ю.В., Ивановой Е.В. и других отечественных и зарубежных учёных охватывают различные аспекты обеспечения ЭМС технических средств. Однако, научно-техническая задача -ограничение импульсных напряжений в линиях электропередачи с усовершенствованными электросетевыми конструкциями однозначно не решена. Отсутствует соответствующий стандарт. В связи с этим тема диссертации является актуальной.

Объектом исследования является электрическая сеть общего назначения (электропередача).

Предметом исследования являются электромагнитные процессы, обусловливающие импульсные напряжения (импульсные помехи) и электросетевые конструкции (траверсы, ограничители перенапряжений), устанавливаемые для их ограничения на линиях электропередачи.

Связь темы диссертации с общенаучными (государственными) программами.

Работа выполнена в соответствии с основными положениями "Энергетической стратегии России на период до 2020 года" и Федеральным законом №261 от 23.10.2009 года "Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации", ориентирована на реализацию мероприятий подпрограммы "Энергосбережение и повышение энергетической эффективности в электроэнергетике" Государственной программы Российской федерации "Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020", утверждённой Распоряжением Правительства РФ от 27.12.2010 г. и соответствует Государственному контракту с Министерством образования и науки № 16.526.12.6015 от 11 октября 2011 г. "Разработка технологии производства и создание типоразмерного ряда ок-сидноцинковых варисторов и современных композитных материалов, необходимых для их производства".

Идея работы заключается в установлении углублённых связей между импульсными помехами и электросетевыми конструкциями, воздействием на которые можно повысить эффективность линий электропередачи.

Целью работы является разработка научных положений и рекомендаций по ограничению грозовых и коммутационных импульсных напряжений в линиях электропередачи, повышающих качество функционирования систем электроснабжения общего назначения. Для достижения цели в работе ставились и решались следующие взаимоувязанные научно-технические задачи:

- анализ состояния воздушных линий электропередачи;

- обоснование социальной значимости повышения качества функционирования линий электропередачи за счёт ограничения импульсных напряжений и усо-

вершенствования электросетевых конструкций;

- принятие (признание, выбор) критерия режима сети, обеспечивающего нормированный технологический расход электроэнергии на её транспорт;

- определение вероятности появления импульсных напряжений кратностью более допустимого значения (2,8) в сети 10 кВ с изолированной нейтралью при коммутации вакуумными выключателями индуктивной нагрузки;

- оценка эффективности применения нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН) для ограничения импульсных напряжений при включении и отключении индуктивной нагрузки вакуумными выключателями и объяснения причин различия;

- измерение показателей качества электроэнергии и расчёт кондуктивных низкочастотных электромагнитных помех, характеризующих электромагнитную обстановку в сети 10 кВ с изолированной нейтралью полигона исследования;

- экспериментальное исследование коммутационных импульсных напряжений, возникающих при дуговых однофазных замыканиях на землю в исследуемой сети 10 кВ;

- определение влияния интегрального показателя сети (ёмкостного тока замыкания фазы на землю) 10 кВ с изолированной нейтралью на импульсные напряжения, возникающие при дуговых однофазных замыканиях на землю;

- разработка вольт-амперной характеристики оксидноцинковых варисторов, необходимых для создания нелинейных ограничителей перенапряжений;

- разработка устройств для защиты линий электропередачи от грозовых и коммутационных импульсных напряжений;

- разработка системы защит воздушных линий электропередачи с изолирующими траверсами без грозозащитных тросов.

Методы исследования. В процессе выполнения исследований применялись: научно-техническое обобщение литературных источников по исходным предпосылкам исследований, методы теории высоких напряжений, методы математической статистики и теории вероятностей (теория планирования эксперимента, теория производящих функций, теория ошибок), методы системного анализа, ре-

комендованные Госстандартом России методы и средства измерения уровней ЭМС для кондуктивных ЭМП.

На защиту выносятся:

- анализ состояния линий электропередачи и социальной значимости повышения качества их функционирования за счёт ограничения грозовых и коммутационных импульсных напряжений;

- концепция снижения качества функционирования сетей среднего напряжения (от 6 до 35 кВ), обусловленная влиянием глобальных коммутационных импульсных напряжений;

- зависимость коммутационных импульсных напряжений, обусловленных дуговыми однофазными замыканиями на землю в сети 10 кВ с изолированной нейтралью, от интегрального показателя сети и электромагнитной обстановки;

- вольт-амперная характеристика оксидноцинковых варисторов, предназначенных для создания нелинейных ограничителей перенапряжений в линиях электропередачи;

- устройство защиты воздушных линий электропередачи с изолирующими траверсами без грозозащитных тросов от грозовых и коммутационных импульсных напряжений;

- устройство защиты подвесной изоляции воздушных линий и открытых распределительных устройств от грозовых и коммутационных импульсных напряжений.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций

Достоверность обеспечена: использованием сертификационного оборудования и средств измерений, корректностью применения математических методов обработки результатов измерений.

Обоснованность подтверждается принятыми уровнями допущений при математическом описании явлений, публикациями, практической реализацией полученных результатов.

Научная новизна работы характеризуется научными положениями и подтверждена патентами Российской Федерации:

- показана зависимость качества функционирования линий электропередачи, обусловленного достаточной надёжностью в работе систем ограничения перенапряжений, электросетевых конструкций и нормированным технологическим расходом электроэнергии на её транспорт, от грозовых и коммутационных импульсных напряжений;

- представлена концепция снижения качества функционирования сетей среднего напряжения при коммутации индуктивной нагрузки вакуумным выключателем, обусловленная влиянием глобальных коммутационных импульсных напряжений;

- предложена парадигма, поясняющая снижение эффективности применения ОПН при включении вакуумным выключателем индуктивной нагрузки в сети 10 кВ в 1,5 раза, чем при отключении;

- получена вольт-амперная характеристика оксидноцинковых варисторов, приемлемая для создания ОПН;

-разработано устройство для защиты линий электропередачи от грозовых и коммутационных импульсных напряжений [13] и на его основе - универсальный модуль для построения мощных устройств (варианты) [10, 11];

- разработаны новые системы защит от грозовых и коммутационных импульсных напряжений многофазных цепей [25], воздушных линий электропередачи с изолирующими траверсами без грозозащитных тросов (варианты) [17, 1922] и подвесной изоляции линий электропередачи [15] с усовершенствованными электросетевыми конструкциями: опорный полимерный изолятор [12, 18], покрышка полимерная изоляционная [14], горизонтально поворотный разъединитель [24], устройство для закрепления проводов и аппаратов защиты от перенапряжений на опоре воздушной линии от 6 до 35 кВ [16], высоковольтные ввода с улучшенной изоляцией [23].

Теоретическая значимость работы заключается в развитии теоретических основ ЭМС технических средств при возникновении грозовых и коммутационных импульсных напряжений.

Практическая значимость результатов работы заключается в том, что внедрение на отраслевом уровне научных положений и рекомендаций диссертации в проектную и эксплуатационную практику обеспечивает повышение качества функционирования линий электропередачи.

Совокупность полученных результатов представляется как решение важной научно-технической задачи, имеющей большое хозяйственное значение для электроэнергетики.

Реализация работы. Рекомендации по ограничению импульсных напряжений в линиях электропередачи с новыми электросетевыми конструкциями внедрены: в ОАО "Электросетьсервис ЕНЭС; в ОАО "ФСК ЕЭС", ОАО "МРСК холдинг", ОАО "РЖД", с суммарным ожидаемым экономическим эффектом свыше 1500 тыс. руб. при сроке окупаемости капитальных вложений менее пяти лет.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались: на 3-й международной научно-практической конференции "Эффективное и качественное снабжение и использование электроэнергии ЭКСИЭ-03" (г. Екатеринбург, 2013 г.); пятой Российской научно-практической конференции с международным участием "Линии электропередачи 2012: проектирование, строительство, опыт эксплуатации и научно-технический прогресс", г. Новосибирск, 2012 г.; Всероссийской конференции "Энергосбережение и энергоэффективность технологий передачи, распределения и потребления электрической энергии", г. Москва, 2011 г. и 2012 г.; 3-ей Российской конференции по молниезащите, г. Санкт-Петербург, 2012 г.; Международном электроэнергетическом форуме "Электросетевой комплекс. Инновации. Развитие", г. Москва, 2012 г.; научно-технических конференциях ФБ�