автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Оценка генераторных выключателей малых ГЭС по параметрам коммутационных процессов

На правах рукописи

Омокеева Айзада Абдневна

ОЦЕНКА ГЕНЕРАТОРНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ МАЛЫХ ГЭС ПО ПАРАМЕТРАМ КОММУТАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ

05.14.02 - Электрические станции и электроэнергетические системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

2 9 ноя шг

Москва, 2012 г.

005055722

005055722

Работа выполнена на кафедре электрических станций Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального . образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Гусев Юрий Павлович Национальный исследовательский университет «МЭИ»

Официальные оппоненты: Челазнов Александр Алексеевич

доктор технических наук, заведующий отделом энергоснабжения предприятий ОАО «Газпром»

института ОАО «Газпром промгаз»

Сергеев Юрий Георгиевич кандидат технических наук, доцент кафедры Техники и электрофизики высоких напряжений Национальный исследовательский университет «МЭИ»

Ведущая организация: ОАО «Институт Теплоэлектропроект»

г. Москва

Защита состоится «21» декабря 2012г. в аудитории Г-200 в 15 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.157.03 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» по адресу: Москва, ул. Красноказарменная, д. 17, 2 этаж, корпус «Г».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке «НИУ «МЭИ».

Отзывы и замечания на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим присылать по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет «НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан «&» ноября 2012 г.

Председатель

диссертационного совета Д 212.157.03 доктор технических наук, профессор

Жуков В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность задачи исследования

Срок службы изоляции электрооборудования в электрических сетях во многом зависят от уровня коммутационных перенапряжений. В последнее время актуальность данного вопроса существенно возросла в связи с внедрением в эксплуатацию сверхбыстродействующих выключателей нового поколения. Обзор и анализ литературы показал, что на электрических станциях происходит замена устаревших генераторных маломасляных выключателей на элегазовые и вакуумные, и опыт эксплуатации таких выключателей в цепях генератор - трансформатор пока недостаточен. Изучение и исследование данной проблемы своевременно и требует проведения анализа электромагнитных переходных процессов в цепях генераторного напряжения. Вероятность возникновения перенапряжений, представляющих опасность повреждения изоляции обмотки статора генератора, существует при коммутациях присоединений выключателями с жестким дугогашением, к которьм относятся вакуумные выключатели. Вакуумные выключатели в силу своих особенностей способны отключать индуктивный ток, содержащий высокочастотную составляющую, возникающую при повторных зажиганиях дуги, которые имеют место, в случае если восстанавливающееся напряжение на контактах выключателя превысит электрическую прочность вакуумного промежутка. При этом изоляция коммутируемого электрооборудования может подвергаться градиентным перенапряжениям.

Оценка уровней перенапряжений, возникающих при коммутациях генераторными выключателями с различными дугогасящими средами, проводилось путем сопоставления импульсной прочности изоляции электрооборудования со значениями воздействующих перенапряжений, при варьировании параметров основного оборудования сети генераторного напряжения ГЭС малой мощности. Анализ результатов позволил определить зависимость коммутационных перенапряжений от проектных решений по подключению генераторов к трансформаторам.

Таким образом, цель работы заключалась в сопоставительной оценке вакуумных и элегазовых генераторных выключателей, по параметрам коммутационных перенапряжений, в условиях их применения на малых ГЭС.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

- выполнен анализ параметров основного электрооборудования и электрических схем реальных ГЭС малой мощности электроэнергетической системы Кыргызстана, позволивший получить необходимые исходные данные для разработки математической модели электрической части генераторного блока ГЭС малой мощности;

- разработаны математические модели блоков ГЭС малой мощности с учетом коммутационных процессов в генераторных маломасляных, элегазовых и вакуумных выключателях и примыкающего участка электрической сети;

- проведены расчётно-теоретические исследования переходных процессов, возникающих при коммутациях генераторными выключателями, и выявлены основные факторы, влияющие на параметры коммутационных процессов в цепях генераторного напряжения;

- получены зависимости параметров коммутационных перенапряжений от параметров блочных трансформаторов, генераторов, соединительных токопроводов и от параметров выключателей, применяющихся на малых ГЭС;

- разработаны рекомендации по проектированию распределительных устройств генераторного напряжения и защите генераторов малых ГЭС от перенапряжений, возникающих при коммутациях генераторными выключателями.

Методы исследования

В работе использованы методы теории электрических цепей и математического моделирования электромагнитных переходных процессов в специализированной программе ЕМТР-К V.

Достоверность сформулированных выводов и рекомендаций обоснованы корректным использованием аналитической и численной методик расчета электромагнитных переходных процессов, обоснованностью принятых допущений и сопоставлением полученных результатов расчетов переходного восстанавливающегося напряжения и параметров коммутационных перенапряжений с результатами других исследователей, полученными при решении аналогичных задач.

Научная новизна и значимость полученных результатов заключается в оценке вакуумных и элегазовых генераторных выключателей малых ГЭС по коммутационным параметрам и состоит в следующем:

1. Разработана математическая модель электрической части генераторного блока ГЭС малой мощности, отличающаяся от известных использованием моделей генераторных выключателей с разными дугогасительными средами - маломасляных, вакуумных и элегазовых.

2. Выявлены основные факторы, влияющие на параметры коммутационных перенапряжений в цепях генераторного напряжения, определяющими из которых являются схема эксплуатации, параметры генератора, соединительного токопровода, трансформатора и выключателя, при этом влияние параметров внешней сети незначительно.

3. Разработаны рекомендации по проектированию распределительных устройств генераторного напряжения и защите генераторов малых ГЭС от коммутационных перенапряжений, включающие требования к их параметрам и месту установки в электрической схеме, позволяющие повысить надежность эксплуатации электрооборудования блока.

Практическое значение и внедрение

Основные положения диссертации и разработанные рекомендации по защите генераторов малых ГЭС от перенапряжений при коммутациях выключателями могут быть использованы проектными организациями при проведении работ по реконструкции электрических станций, а также при

разработке инструкций по установке защитных средств от перенапряжений, возникающих при коммутациях вакуумными выключателями в цепях генераторного напряжения станций. ,

Полученные результаты по диапазонам изменения прочности межконтактного промежутка могут быть учтены при разработке новых выключателей и средств защиты от перенапряжений.

Апробация работы

Основные результаты работы апробированы и работа в целом обсуждалась на кафедре «Электрические станции» НИУ «МЭИ», на XVII -международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (Москва, 2011), на V -Всероссийской научно-технической конференции «Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования» НИ ТПУ (Томск, 2012), на Международных научно - технических конференциях КГТУ им. И. Раззакова (г.Бишкек, 2011).

Публикации по проведенным исследованиям размещены в журнале «Электрические станции» (2012) и в трудах четырех конференций. По теме диссертации опубликовано шесть печатных работ, одна из которых в издании по перечню ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и двух приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, определена цель и основные задачи исследования, приведены основные положения диссертации, отражающие научную новизну и практическую значимость.

Глава первая. Особенности схем эксплуатации и основного электрооборудования сетей генераторного напряжения малых ГЭС

Аналитическому обзору подвергнуты электрические схемы и параметры основного электрооборудования малых ГЭС электроэнергетической системы Кыргызстана. Показано, что согласно современной тенденции развития выключателей среднего класса напряжения, в сетях генераторного напряжения взамен маломасляным выключателям внедряются вакуумные и элегазовые выключатели. Рассмотрены принципы работы вакуумных и элегазовых выключателей. Проведен обзор и анализ публикаций по проблеме. '

Из работ, посвященных исследованию перенапряжений, вызываемых коммутациями вакуумными выключателями, установлено, что на момент установки первых вакуумных генераторных выключателей на ГЭС в 2008 г. не было ни опыта применения таких аппаратов, ни методических указаний, позволяющих проектировщикам выполнить необходимые расчеты для выбора параметров, и места установки средств защиты. Почти все публикации с рекомендациями по защите электрооборудования от

коммутационных перенапряжений, создаваемых вакуумными выключателями, в основном относятся к защите оборудования распределительных сетей 6-10 кВ и сети собственных нужд электростанций.

Сформулирован перечень задач по проведению расчетов электромагнитных переходных процессов, при коммутациях выключателями в цепях генераторного напряжения с учетом дуговых процессов и других влияющих факторов.

Определена цель данной работы - сравнительная оценка вакуумных и элегазовых генераторных выключателей, устанавливаемых на малых ГЭС, по параметрам коммутационных процессов.

Глава вторая. Расчетно-теоретическое исследование электромагнитных переходных процессов при коммутациях в сетях генераторного напряжения

Проведен расчетно - теоретический анализ электромагнитных переходных процессов при операциях включения и отключения выключателей в схеме блока генератор - трансформатор, с учетом неполнофазных режимов, возникающих в процессе эксплуатации вследствие задержки или отказа в действии полюсов генераторного выключателя. Коммутации рассматривались в предположении, что выключатель является «идеальным», сопротивление межконтаткного промежутка которого принимается бесконечным после прохождения тока через нуль. Рассмотрены исходные данные и основные параметры электрооборудования, которые входят в формулы расчета восстанавливающегося напряжения на контактах выключателей. Принципиальная схема с указанием расчетных точек КЗ, по которой составлена расчетная схема замещения, показана на рис.1.

г гв т ОРУВН Кз^ Кг4 ____„ ,

Рис.1: Принципиальная схема блока электрической станции

Расчетная схема замещения представляет собой схему с двухсторонним питанием. Процессы восстановления напряжения в схеме зависят от собственных частот контуров, определяемые параметрами модели статарных обмоток генератора, трансформатора, токопроводов между генератором и выключателем и между выключателем и трансформатором (см.рис.2).

Математическая модель, с общепринятыми допущениями, описывается по полным дифференциальным уравнениям, которая позволяет производить расчётно-теоретические исследования переходных процессов при симметричных и несимметричных возмущениях. Напряжения на условных нейтралях генератора и трансформатора, зависящие от значений существенно различающихся и изменяющихся в широких переделах входных емкостей генератора и трансформатора (Сг=0,1+0,3 мкФ, Ст=1+20 нФ), определяют кратности перенапряжений относительно земли на оборудовании по обе

стороны выключателя. *

R] R,

Рис.2. Расчетная схема замещения для исследования электромагнитных переходных процессов при включении первого полюса выключателя блока

На рис.3, представлены осциллограммы напряжений при коммутации включения выключателем присоединения при принятых значениях входных емкостей генераторов и трансформаторов, характерных для блоков ГЭС малой мощности, на которых видно, что при включении первой фазы коммутационные перенапряжения возникают только на не включенных фазах со стороны трансформатора.

Рис.3. Компьютерные осциллограммы неограниченных перенапряжений, возникающих на фазах со стороны генератора (а) и трансформатора (б) при операции включения

выключателя

Как известно, перенапряжения на не включенных фазах «Ъ» и «с» зависят от угла между векторами напряжений на выводах генератора и шинах ОРУ S в момент включения первого полюса

uB(t) = ur(t)-um(t) = Ea[cos(cot+S/2)-cos(at-S/2)] = -2Етsin(S/2)sineot. (1) Расчеты показали, что при включении выключателя при наибольших значениях д на зажимах трансформатора на не включенных фазах кратности перенапряжений достигают наибольших значений, но при этом изоляция генератора не подвергается опасным перенапряжениям и что при заданных

Г

параметрах расчетной схемы, характерных для сетей генераторного напряжения малых ГЭС с изолированной нейтралью, расчетной коммутацией при отключении является отключение первого полюса выключателя.

Таким образом, аналитический расчет электромагнитных переходных процессов в упрощенной схеме без учета дуговых процессов позволил выявить основные факторы, определяющие процессы восстановления напряжения и уровни перенапряжений на контактах выключателя, возникающих при коммутациях в цепи генератор-трансформатор.

Третья глава. Математическое описание электрических свойств дуговых процессов и разработка моделей маломасляного, элегазового и вакуумного выключателей в ЕМТР-ЛУ

Основными методами моделирования дуги являются физические и адаптивные. Установлено, что физические методы используются в случаях, когда необходимо определить характер влияния конструктивных факторов на процесс гашения дуги для оптимизации дугогасительного устройства, а для оценки взаимодействия дуговых процессов в выключателях с сетью и влияния на коммутационные процессы на практике широко применяются адаптивные методы моделирования дуги. Различия физических процессов горения дуги в плотных средах (масло, элегаз) и в вакууме обуславливают различия в ее математическом моделировании.

В работе математическое моделирование дуги в плотной среде производилось на основе экспериментальных данных в следующем порядке:

• Выбор уравнения. Дуга описывается дифференциальным уравнением, которое связывает проводимость с изменением тока и напряжения на дуге.

• Экспериментальные испытания. Осциллограммы токов и напряжений полученные опытным путем показывают основные характеристики дуги при размыкании контактов выключателя.

• Определение параметров уравнения дуги. Тепловые параметры, входящие в дифференциальное уравнение дуги, вычисляются по методике, предусматривающей использование экспериментальных осциллограмм токов и напряжения.

• Численное моделирование. Система уравнений коммутируемой цепи вместе с уравнением дуги решаются численно, в результате определяются ток и напряжение в районе нуля тока (расчетные осциллограммы) с воспроизведением процессов отключения выключателя.

Математические модели маломасляного и элегазового выключателей разработаны на базе уравнений Касси (2) и Майера (3) согласно которым на каждом шаге решения была получена проводимость дугового промежутка.

= (2)

¿8т/Л = (?/Р0-8я)/г., (3)

где $с, gm, Тс,Тт - проводимости дуги и постоянные времени модели Касси и Майера соответственно; Ро - отводимая тепловая мощность; Е/с -«напряжение Касси»; г, и- ток и напряжение на дуге соответственно.

*

Известно, что все параметры, определяющие поведение дуги в процессе отключения тока, делятся на параметры, зависящие только от электрической схемы, и параметры, зависящие от условий в дугогасительной камере. Если последние определены по результатам испытаний, поведение дуги можно рассчитывать при использовании этих параметров и в другой схеме. Из обзора и анализа литературы, для элегазовых выключателей были определены значения параметров уравнений: тс =0,14-2,5 мкс, =0,22+3,0 мкс, ис = 0,1ч-5,414 кВ и Р0 =8,8+1500 кВт. Для определения параметров дуги в масле использовались экспериментальные осциллограммы токов и напряжений дуги процессов отключения токов короткого замыкания (8 и 10 кА) маломасляным выключателем типа ВМП-10. Параметры уравнения дуги вычислялись по осциллограммам двух опытов, различающихся значениями отключаемого тока при неизменных прочих параметрах на основе известной методики. Из сравнения двух кривых изменения проводимости параметры определялись в точках с одинаковыми значениями проводимости дуги по формулам

___

(4)

g{dg2/dt-dgJdt)' 1 '

где индексы 1 и 2 соответствуют значениям тока / и производной проводимости dg|dt по времени для данного значения g.

В результате проведенных вычислений получены следующие значения параметров модели дуги в масле г, =0,018+0,8 мкс, хт =0,05+1,1 мкс, ис = 0,07+11,811 кВ и Р0 =791,7+4142,17 кВт. Широкий разброс параметров дуги объясняется влиянием конструкции, величины отключаемого выключателем тока и разбросом эмпирических параметров, быстрым ростом сопротивления дуги, происходящим в течение небольшого интервала времени при сложном взаимодействии различных факторов.

Математическая модель, разработанная Хабеданком показывает хорошее совпадение с экспериментальными данными, при четырех неизвестных параметрах, определяемых уравнениями Майера и Касси.

Согласно разработанной теории, проводимость дуги представляется в виде

. (6)

¿> £т

Структура реализации математического моделирования дуги и математическая модель дуги, описывающая дуговые процессы в плотной дугогасительной среде, на базе уравнений Касси и Майера в программе ЕМТР-ЯУ для исследования электромагнитных переходных процессов при коммутациях выключателями показаны на рис.4 и 5.

Компьютерные исследования показали, что при коммутациях отключения присоединения идеальным выключателем кратности перенапряжений принимают большие значения по сравнению с кратностями

перенапряжений, вызываемых выключателями учитывающие процессы дугогашения. При моделировании процессов дугогашения в выключателях наблюдается снижение амплитуды восстанавливающегося напряжения на контактах выключателя из-за наличия напряжения на дуге и остаточной проводимости после гашения дуги, которая оказывает демпфирующее влияние на процесс восстановления напряжения (см.рис.6).

Модель блока w' у J ^ Модель дуги

ru*)=т

Рис.4. Структура реализации модели дуги в масле и элегазе в программе ЕМТР-ЯУ

Компьютерные осциллограммы напряжений и токов процесса отключения генератора идеальным выключателем и элегазовым выключателем, смоделированного на базе уравнений Касси и Майера (г„ =0,5 мкс, те= 0,1 мкс, Р0 = 500 кВт, 1/с = 100 В) показаны на рис.6.

Simplified Habedanc Arc Model based on Mayr's & Cassies equations

Mayr arc conductance (low current)

<w

-2—G

n m

Po

Cassie arc conductance (high current)

<Wf

Calculated arc resistance

"Ю-1—

вд2 •

кр4

Controlled conductance branch

Рис. 5. Скриншот с изображением математической модели дуги Хабеданка на базе уравнений Касси и Майера в программе ЕМГР-К V

Восстановление диэлектрической прочности между расходящимися контактами для вакуумных выключателей описывается выражением

«дэО = *('+'„)> (7)

где к - скорость восстановления диэлектрической прочности межконтактного промежутка после погасания дуги, /0 - время сдвига между началом

расхождения контактов и моментом прохождения тока промышленной частоты через нулевое значение.

Рис.6. Компьютерные осциллограммы (а) восстанавливающегося напряжения на контактах выключателя иЕ; (б) тока отключаемой фазы при отключении идеальным выключателем (1) и элегазовым выключателем (2)

Модель вакуумного выключателя в программе ЕМТР- RV позволяет осуществить сравнение восстанавливающегося напряжения us(t) на контактах выключателя с диэлектрической прочностью «дэ(0. При превышении восстанавливающегося напряжения диэлектрической прочности, происходят повторные зажигания (ПЗ) электрической дуги и возникновение высокочастотного тока в межконтактном промежутке. Блок управления идеальным ключом (control switch - cSW2), моделирующего повторные зажигания показан на рис.7.

Управляемый выключатель, моделирующий повторные зажигания

Рис.7. Блок управления выключателя, моделирующего повторные зажигания

Процесс «соревнования» возрастающего восстанавливающегося напряжения на контактах выключателя ив с электрической прочностью промежутка МдЭ при отключении вакуумным выключателем номинального тока генератора показан на рис.8, сопровождающимся несколькими повторными зажиганиями и погасаниями дуги. Этот процесс является высокочастотным и может привести к эскалации перенапряжений на коммутируемом оборудовании.

Рис.8. Процесс «соревнования» восстанавливающегося напряжения на контактах выключателя и электрической прочности межконтактного промежутка

На рис.9 показана осциллограмма токов промышленной частоты г(0 и высокочастотного тока, протекающих через контакты вакуумного выключателя. Гашение высокочастотного тока происходит, если скорость его прохождения через нулевое значение оказывается меньше некоторой величины (50 - 100 АУмкс).

Рис. 9. Осциллограмма токов промышленной частоты г(0 и высокочастотного тока ц протекающего через контакты вакуумного выключателя (а) и развернутый фрагмент (б)

В реальных схемах скорость перехода высокочастотного тока через нулевое значение такова, что дуга в подавляющем количестве случаев при этом гаснет, в таком случае, основной характеристикой, определяющей надежность осуществления коммутаций вакуумным выключателем, является его коммутационная способность, характеризуемая начальной скоростью восстановления диэлектрической прочности в первом приближении.

Таким образом, разработанные математические модели выключателей позволяют объяснить возможные механизмы развития дуговых процессов. Исследования, проведенные применительно к процессу отключения с помощью модели вакуумного выключателя, показали, что ПЗ дуги в межконтактном промежутке могут привести к увеличению кратности перенапряжений на контактах выключателя, следовательно, и на изоляции коммутируемого оборудования.

Глава четвертая. Компьютерное исследование влияния параметров элементов сети и типа выключателя на коммутационные процессы в сетях генераторного напряжения

Уровень коммутационных перенапряжений существенно влияет на срок службы изоляции основного электрооборудования станции, что требует анализа электромагнитных переходных процессов, сопровождающих коммутации выключателями. Для электрооборудования сети генераторного напряжения ГЭС характерно существенное различие в испытательных напряжениях. Наименьшую электрическую прочность имеет изоляция статора генератора, для которой согласно ГОСТ Р 52776 кратность испытательного одноминутного напряжения по отношению к эффективному значению номинального фазного напряжения составляет 2,0С/ном+1 кВ. Следовательно, компьютерное исследование предельных параметров коммутационных перенапряжений, вызванных работой генераторными выключателями, особо важно с точки зрения электрической прочности изоляции обмоток генератора. Моделирование процессов при коммутациях в цепи генераторного напряжения и анализ влияния на них параметров основного оборудования с учетом дуговых процессов в выключателях проведены с помощью разработанных математической модели ГЭС малой мощности по схеме укрупненного блока и смежного участка сети (см.рис.10).

Проведен анализ влияния на параметры коммутационных переходных процессов таких факторов как: мощность генераторов и повышающего трансформатора блока; длина и сечение соединительных токопроводов; дугогасительная среда в выключателях. Оценена эффективность применения защитных средств от перенапряжений, влияние их параметров и места установки.

С увеличением мощности генераторов блока кратность перенапряжений на их статорной обмотке уменьшаются (см.рис.11). Повышение мощности связано с увеличением размеров паза и сечения проводников, что ведет к увеличению емкости и индуктивности обмотки статора. Индуктивность генератора связана, в основном, со сверхпереходным реактансом, который создается главным образом потоком рассеяния статора.

С учетом того, что индуктивность Ь изменяется в соответствии со сверхпереходной индуктивностью /у, то, следовательно, Ь увеличивается по мере роста мощности генераторов. В таком случае можно предположить, что значения сверхпереходной индуктивности, при больших мощностях генераторов, определяют нижнюю частоту собственных колебаний и скорость роста восстанавливающегося напряжения, что становится причиной снижения максимальной амплитуды напряжения на обмотке, если не учитывать влияние емкостей, и, соответственно, снижения кратностей перенапряжения на статоре генератора. Характерная для генераторов способность сохранять относительно постоянное значение индуктивности рассеяния на высоких частотах, отсутствует у трансформаторов, однако, при этом степень изменения индуктивности рассеяния трансформаторов невелика.

Зависимость величины и характера коммутационных перенапряжений от параметров (длины и сечения) соединительных токопроводов показывает, что наибольшие кратности перенапряжений (более 2,5 o.e.) возникают при коммутациях присоединения с короткими длинами соединительных токопроводов (менее 100 м).

О Н-1-1-1-I-г-I-1-1-

5,63 7,5 8,25 9,4 10 11,25 11,8 14,1 15,6 Мощность генератора, МВА Рис. 11. Зависимости кратности перенапряжений от мощности генераторов блока и мощности повышающего трансформатора: 1 - при ST = 16 МВА; 2 - при ST =10 МВА

На рис. 12 приведена зависимость кратности перенапряжений на статорной обмотке генератора от значения суммарной емкости С, со стороны генератора (емкость соединительных токопроводов, генератора) и суммарной емкости С2 со стороны шин генераторного напряжения (ошиновки, и оборудования, подключенного к шинам генераторного напряжения). Из полученной зависимости кратности перенапряжений на генераторе от значения емкости, подключенной по ту и другую стороны выключателя, следует, что влияние емкости на шинах генераторного напряжения незначительно по сравнению с емкостью, подключенной со стороны генератора.

Емкость, мкФ

Рис.12. Зависимости кратности перенапряжения на статорной обмотке генератора от значений: 1 - емкости со стороны генератора (емкость соединительных токопроводов, генератора); 2 - емкости на шинах генераторного напряжения

Расчеты показали, что определяющим в процессах восстановления напряжения является емкость сети смежного участка, но при этом перенапряжения, распространяющиеся в сети, ниже перенапряжений в цепях

генераторного напряжения, что обусловлено шунтирующим действием емкости питающей сети.

В вакуумных выключателях, благодаря современным достижениям техники (путем комбинирования материалов контактов), значения среза тока имеют уровни - среднее значение 3-4 А, а предельное 5-6 А. В результате проведенных расчетов получена зависимость кратности перенапряжений, возникающих на статоре коммутируемого генератора блока при отключении присоединения вакуумным выключателем, от величины среза тока, из которой следует, что при значениях тока среза более 5 А уровень перенапряжений может превысить допустимые значения для коммутируемого генератора (см.рис.13). Следовательно, в цепях генераторов предпочтительно устанавливать вакуумные выключатели с током среза менее 5 А.

Кп, 4 - ■ o.e.

3,5 з -■

2,5 •■ 2

1,5 ■

2 4 6 8 10 12

/ср, А

Рис. 13. Зависимость кратности перенапряжений Кп на статоре генератора блока при отключении вакуумным выключателем от значения среза тока

При компьютерном моделировании по расчетным осциллограммам были определены начальные скорости роста восстанавливающегося напряжения на контактах вакуумного выключателя. Наибольшие начальные скорости восстановления напряжения на контактах выключателя возникают при отключении токов КЗ на выводах генератора (в точке К3), и, существенно меньшая опасность переходного процесса имеет место при отключении номинального тока генератора. Наибольшие значения скорости восстанавливающегося напряжения (80-120 кВ/мс) определяют требуемую диэлектрическую прочность вакуумной дугогасительной камеры (ВДК), при которой не должны возникать повторные зажигания и соответственно эскалация напряжения, что может быть определяющим критерием при выборе выключателя.

Максимально возможные кратности перенапряжений на статоре генератора при отключении тока холостого хода повышающего трансформатора блока вакуумным выключателем при одновременном варьировании параметров соединительных токопроводов, представлены на рис.14, а и б. Откуда следует, что для ограничения перенапряжений при

I

I

выполнении таких коммутаций вакуумным выключателем необходимо применение дополнительных мер. Наибольшие кратности перенапряжений соответствуют присоединениям с меньшими длинами соединительных токопроводов.

Длина, м Длина, м

а) <4

Рис.14. Кратности перенапряжений при отключениях вакуумным выключателем тока холостого хода трансформатора Т при вариации параметров соединительных токопроводов 1 (а) и 2 (б)

Диаграммы наибольших кратностей перенапряжений на генераторе показывают, что коммутация выключателями с различными дугогасящими средами номинальных токов и токов КЗ не приводит к перенапряжениям на статорной обмотке генератора, рис.15. Полагая, что прочность изоляции находится на уровне 2,7-2,9 o.e., из диаграмм следует, что наиболее высокие уровни кратности перенапряжений характерны для вакуумных выключателей, при отключении токов холостого хода трансформатора блока (3,76С/фП1) при условии превышения восстанавливающегося напряжения на контактах выключателя диэлектрической прочности промежутка в ВДК.

выключатели выключатели выключатели

Рис.15. Максимальные значения кратности перенапряжений на статоре генератора при коммутациях различными выключателями: 1 - номинального тока генератора; 2 -тока КЗ; 3 - тока холостого хода трансформатора

Таким образом, для надежной эксплуатации электрооборудования блока при коммутациях современными выключателями, в частности

вакуумными, требуется установка на коммутируемом присоединении дополнительных защитных устройств. В работах, посвященным экспериментальным исследованиям перенапряжений, возникающих при коммутациях вакуумными выключателями в цепях генераторного напряжения, предлагается снижение уровней перенапряжений с помощью нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН) и КС- цепочек.

Расчеты показали, что установка ограничителей перенапряжений позволило ограничить амплитуду перенапряжений, снизить количество ПЗ в межконтактном промежутке выключателя и тем самым облегчило процесс отключения. Однако, современные ограничители перенапряжений, выпускаемые промышленностью, имеют примерно трехкратный уровень ограничения, вследствие чего, они практически не влияют на начальный процесс восстановления напряжения и его частоту, так как срабатывают при определенном повышении напряжения. Расчеты показали, что при малой скорости роста диэлектрической прочности вакуумного межконтактного промежутка (менее 50 кВ/мс) кратность перенапряжений на выводах генератора превышает 2,9Щт при длине соединительного токопровода менее 100 м. Значения уровней перенапряжений на выводах отключаемого генератора при варьировании параметрами защитной ЯС— цепочки приведены на рис.16. Из полученной зависимости следует, что наибольшее снижение перенапряжений достигается при параметрах защитной цепочки: 00,1-0,3 мкФ и Д=50-100 Ом.

0,1 0,2 С ,мкФ

Рис.16. Зависимости кратностей перенапряжений на выводах генератора от параметров

защитной КС -цепочки

Защитное действие ЯС- цепочки проявляется в уменьшении частоты собственных колебаний процесса восстановления напряжения на контактах выключателя, что приводит либо к снижению количества ПЗ, либо к их полному исключению. Компьютерные осциллограммы показали, что эффективность действия ЯС- цепочки зависит также и от места ее установки. По приведенным данным в табл. 1 следует, что при установке ЯС- цепочки со стороны генератора перед выключателем число ПЗ уменьшается. Наибольшие кратности перенапряжений зафиксированы не при первом, а при

последующих погасаниях дуги, и при меньших значениях мощностей генераторов (см.табл.2).

Таблица 1

Влияние места установки КС - цепочки на процесс восстановления напряжения _№=100 Ом, 00,1 мкФ) __

Место установки НС - цепочки ЛГпз Кг, о.е. Kt, о.е.

Перед выключателем (со стороны

генератора) 6 2,85 2,35

За выключателем (со стороны

повышающего трансформатора) 8 2,93 2,49

Таблица 2

Характеристики процесса, эффективность ЯС - цепочки при различной мощности генераторов при неизменных параметрах соединительных токопроводов

№ п/п Рном* МВт Nm Кг, о.е. К„ о.е. Наличие (+) и отсутствие (-) RC -цепочки

1. 4,5 8 3 2,53 -

6 2,8 2,35 +

2. 6,4 4 2,66 2,08 -

2 2,5 2,05 +

3. 7 3 2,4 1,9 -

0 2,3 1,7 +

Присоединение RC- цепочек совместно с ОПН позволило снизить крутизну подъема напряжения, повысить затухание высокочастотного переходного процесса и исключить ПЗ в выключателе.

Заключение

1. Разработаны математические модели блоков ГЭС малой мощности и примыкающего к ним участка электрической сети и математические модели коммутационных процессов в маломасляных, элегазовых и вакуумных выключателях, позволяющие определить количественные характеристики коммутационных процессов.

2. Определен предельный уровень среза тока - 5 А, при котором кратности перенапряжений на статоре генератора могут превысить допустимые значения. Рекомендовано применение для коммутаций в цепях генераторов вакуумных выключателей с током среза менее 5 А и низкой вероятностью повторных пробоев, что позволит уменьшить негативное влияние градиентных перенапряжений на изоляцию генератора.

3. Установлена требуемая скорость восстановления диэлектрической прочности межконтактного промежутка ВДЕС, которая должна учитывать диапазон изменения начальной скорости восстановлёния напряжения (80-120 кВ/мс) при длине соединительных токопроводов менее 100 м, что обеспечит исключение повторных зажиганий электрической дуги в ВДК.

4. Установлено, что при коммутациях вакуумными выключателями токов холостого хода трансформатора блока более 100 А перенапряжения достигают опасных для изоляции генератора значений.

5. Разработаны рекомендации по проектированию распределительных устройств генераторного напряжения и защите генераторов малых ГЭС от перенапряжений, включающие требования к их параметрам и месту установки в электрической схеме блока. Установлено, что при совместной установке ОПН и RC- цепочек со стороны генератора снижаются уровни перенапряжений и количества ПЗ. Наибольшее снижение кратностей перенапряжений достигается при параметрах защитной RC - цепочки: 0=0,1-0,3 мкФ и Ä=50-100 Ом.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

В изданиях по списку ВАК:

1. Омокеева A.A., Гусев Ю.П. Анализ коммутационных процессов в цепях генераторного напряжения малых ГЭС при замене маломасляных выключателей на вакуумные и элегазовые. // Электрические станции. -2012. -№12.

В других изданиях:

2. Омокеева A.A., Гусев Ю.П. Коммутационная способность выключателей при групповых прямых пусках генераторов на малых ГЭС // Семнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тезисы докладов. -М.: Издательский дом МЭИ, 2011, т. 3. -С. 365-366..........

3. Омокеева A.A., Гусев Ю.П. Коммутационные процессы в цепях генераторов малых ГЭС // Прикладная математика и механика: проблемы перспективы. Материалы международной научно - технической конференции. Известие ЮТУ им. И. Раззакова. -2011. -№22. -С. 42 - 46.

4. Омокеева A.A. Влияние некоторых параметров цепи на коммутационные перенапряжения в цепях среднего напряжения. // Энергобезопасность и энергоэффекгивность: состояние и проблемы. Известие КГТУ им. И. Раззакова. -2011. -№25. -С. 236 - 239.

5. Омокеева A.A. Особенности моделирования генераторных выключателей при исследовании коммутационных процессов //. Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования. Материалы V Всероссийской научно-технической конференции. 17-18 мая, Томский политехнический университет, 2012. -С. 76-78.

6. Омокеева A.A. Влияние параметров электрооборудования блока ГЭС малой мощности на коммутационные переходные процессы // Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования. Материалы V Всероссийской научно-технической конференции. 17-18 мая, Томский политехнический университет, 2012. -С. 78-80.

Подписано в печать Л• Г. зак. S9f Тир. йО П.л.

Полиграфический центр МЭИ

Красноказарменная ул., д. 13

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. Особенности схем эксплуатации и основного электрооборудования сетей генераторного напряжения на малых ГЭС.

1.1. Схемы эксплуатации сетей генераторного напряжения малых 16 ГЭС современной электроэнергетической системы Кыргызстана.

1.2. Параметры основного электрооборудования малых ГЭС.

1.3. Генераторные выключатели в блоках малых ГЭС.

1.3.1. Обзор генераторных выключателей установленных в 21 блоках действующих ГЭС.

1.3.2. Современная тенденция развития и мировые 22 производители выключателей среднего напряжения.

1.3.3. Принцип работы и конструктивные особенности 28 элегазовых и вакуумных выключателей.

1.3.3.1. Элегазовые выключатели.

1.3.3.2. Вакуумные выключатели.

1.4. Причины перенапряжений при коммутациях выключателями и 37 сравнительная оценка выключателей среднего напряжения.

1.5. Выводы по главе.

ГЛАВА II. Расчетно — теоретическое исследование электромагнитных переходных процессов при коммутациях в сетях генераторного напряжения.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Исходные данные и основные параметры элементов расчетной схемы.

2.2.1. Питающая энергосистема.

2.2.2. Синхронные генераторы.

2.2.3. Статическая нагрузка.

2.2.4. Силовой трансформатор и измерительные трансформаторы.

2.2.5. Соединительные токопроводы и шины.

2.2.6. Эквивалентные значения емкостей в расчетной схеме (на шинах генераторного напряжения 6,3 кВ и РУ ВН 35 кВ).

2.3. Моделирование электромагнитных переходных процессов при включении присоединения.

2.3.1. Расчетная схема замещения и математическая модель исследуемых явлений.

2.4. Моделирование электромагнитных переходных процессов при отключении присоединений блока.

2.5. Выводы по главе.

ГЛАВА III. Математическое описание электрических свойств дуговых процессов и разработка моделей маломасляного, элегазового и вакуумного выключателей в EMTP-R V.

3.1. Методы моделирования дуги и математическое описание электрических свойств дуговых процессов в выключателях.

3.1.1. Физические методы моделирования дуги в плотной дугогасящей среде.

3.1.2. Адаптивные методы описания дуги в выключателях. Модель дуги на базе уравнений Касси и Майера.

3.1.3. Определение параметров уравнения дуги в элегазовой среде и в масле.

3.2. Моделирование вакуумного выключателя.

3.3. Выводы по главе.

Глава IV. Компьютерное исследование влияния параметров элементов сети и типа генераторного выключателя на коммутационные процессы.

4.1. Математическая модель сети генераторного напряжения блока

4.2. Моделирование и анализ влияния параметров элементов сети на коммутационные процессы в сетях генераторного напряжения блока электрической станции с учетом типа генераторных выключателей.

4.2.1. Анализ влияния параметров электрооборудования блока на характеристики коммутационных процессов.

4.2.1.1. Влияние мощности генераторов и повышающего трансформатора блока.

4.2.1.2. Влияние емкости соединительных токопроводов, ошиновки и другого электрооборудования.

4.2.1.3. Влияние параметров соединительных токопроводов

4.2.1.4. Влияния типа выключателя на коммутационные переходные процессы.

4.2.2. Компьютерное исследование коммутационных процессов с учетом типа выключателей.

4.2.3. Влияние защитных средств на коммутационные процессы в сетях генераторного напряжения блока станции.

4.2.3.1. Установка ограничителей перенапряжений.

4.2.3.2. Установка ЯС- цепочек.

4.3. Выводы по главе.

Актуальность. Для малых ГЭС, установленная мощность которых не превышает 30 МВт, построенных еще при Советском Союзе характерны блочные схемы, в которых в качестве генераторных выключателей в основном применялись маломасляные и воздушные выключатели. Эксплуатация существующего физически устаревшего электрооборудования станций связана с высокой стоимостью обслуживания из-за выработки их ресурса и превышения нормативного срока службы, что обуславливает повышенный риск возникновения аварий, вследствие чего назрела необходимость в их частичной или полной замене, в том числе и выключателей.

Выключатель, установленный в цепи генератора, должен обладать высоким коммутационным ресурсом, так как по режимным соображениям в схемах ГЭС необходима частая коммутация. Согласно современной тенденции развития коммутационных аппаратов в настоящее время в сети генераторного напряжения внедряются выключатели нового типа, превосходящие по своим техническим характеристикам маломасляные и воздушные. Мировая практика, в области создания коммутационных аппаратов показывает, что наметилась тенденция применения в качестве дугогасительной среды - элегаза и вакуума. Элегазовые и вакуумные выключатели имеют ряд преимуществ перед маломасляными, традиционно применяемыми в средних классах напряжения. К примеру, электрическая прочность межконтактного промежутка в элегазовых выключателях обладает высокой скоростью восстановления после погасания дуги, что практически исключает ее повторное зажигание и, следовательно, исключается возможность возникновения высоких кратностей перенапряжений на изоляции коммутируемого электрооборудования.

Считается, что высокие кратности перенапряжений на изоляции коммутируемого электрооборудования могут возникнуть при оснащении сети генераторного напряжения выключателями с жестким дугогашением, к которым можно отнести вакуумные выключатели. Вакуумные выключатели в силу своих особенностей способны отключать индуктивный ток, содержащий высокочастотную составляющую, возникшую при повторном зажигании (ПЗ) дуги в вакуумной дугогасительной камере (ВДК). ПЗ дуги в камере возникают, в случае если напряжение на контактах выключателя превысит прочность межконтактного промежутка. В этом случае, возникает так называемая эскалация напряжений, возникающие при этом на изоляции обмотки статора генератора градиентные перенапряжения могут превосходит допустимый уровень для витковой изоляции. Отключение индуктивной нагрузки генераторным выключателем имеет место при отключении токов короткого замыкания (КЗ) за выключателем (на выводах генератора или на стороне блочного трансформатора) и при отключении тока холостого хода повышающего трансформатора блока.

Срок службы изоляции электрооборудования в электрических сетях во многом зависят от уровня коммутационных перенапряжений. Изоляция генераторов, с точки зрения электрической прочности является наиболее слабым элементом блока. Электрическая прочность изоляции генераторов в процессе эксплуатации снижается под воздействием ряда неблагоприятных факторов (частые и тяжелые пусковые режимы, эксплуатация в среде с высокой влажностью, повышенная вибрация, перегревы), что приводит к появлению мест с ослабленной изоляцией, повышающие вероятность повреждения генераторов при воздействиях перенапряжений, в том числе и коммутационных.

Исследование электромагнитных переходных процессов при штатных и нештатных ситуациях, сопровождающие эксплуатацию выключателей нового поколения, позволяет определить уровень коммутационных перенапряжений, влияющие на срок службы изоляции электрооборудования станции. В связи с тем, что к настоящему времени опыт эксплуатации вакуумных и элегазовых выключателей в цепи «генератор - трансформатор» недостаточен, то в таких условиях расчетные исследования являются основным методом определения наибольших уровней перенапряжений, воздействующих на изоляцию генератора. При этом становится также возможным решение вопросов о необходимости установки средств защиты от коммутационных перенапряжений, путем сопоставления импульсной прочности изоляции электрооборудования с величиной воздействующих перенапряжений.

В процессе выполнения научной работы произведен анализ имеющихся российских и зарубежных материалов по данному направлению по публикациям в периодических и печатных изданиях, а также в среде Internet. После проведения анализа был сделан вывод о том, что изучение и исследование данной проблемы актуально и своевременно. Работа рассматривает вопросы, связанные с внедрением в сети генераторного напряжения элегазовых и вакуумных выключателей, пришедшим на смену маломасляным и воздушным. В диссертации применен метод математического моделирования электрической цепи в специализированной программе EMTP-RV {Electromagnetic transients program), которая отличается высокой точностью вычислений, улучшенным математическим аппаратом и широко применяется инженерами и научными работниками электроэнергетической отрасли за рубежом.

В программе EMTP-RV разработаны математические модели, позволяющие оценить влияние параметров сети, в которой предполагается использовать коммутационный аппарат, на уровни перенапряжений, возникающие при коммутациях электрической цепи выключателями с различными дугогасительными средами. Необходимо отметить, что процессы восстановления напряжения между контактами выключателя после гашения дуги определяются в основном параметрами отключаемой цепи (внешняя характеристика процесса отключения) и в меньшей степени на него влияют свойства дугогасительной среды выключателя. Основным требованием к коммутационной способности выключателей является отсутствие ПЗ дуги. В случае применения вакуумных выключателей, возникающие высокочастотные процессы при ПЗ дуги в дугогасительной камере с большой вероятностью могут привести к нарушению электрической прочности изоляции генераторов и трансформаторов блока станции или к её ускоренной деградации. Источниками информации о возможном применении вакуумного генераторного выключателя в схеме энергоблока являются работы Кадомской К.П., Лаврова Ю.А., Бушуева С.А., Матвеева Д.А., Лоханина А.К. и других [1,8,9,10,15,17], в которых указано, что проблемы перенапряжений связаны главным образом с физическими процессами, происходящими в дугогасящей среде в виде вакуума. В [10] отмечено, что впервые на практике измерения перенапряжений при коммутации генераторным вакуумным выключателем проведены на действующем энергообъекте (Камской ГЭС, 2009 г.), а именно осциллографирование перенапряжений при отключении ненагруженного блочного трансформатора при наличии защитных 7?С-цепочек и без них.

Целью работы является сопоставительная оценка вакуумных и элегазовых генераторных выключателей, по параметрам коммутационных перенапряжений, в условиях их применения на малых ГЭС.

Исходя из выше сформулированной цели в работе определены и решены следующие задачи:

- выполнен анализ параметров основного электрооборудования и электрических схем реальных ГЭС малой мощности электроэнергетической системы Кыргызстана, позволивший получить необходимые исходные данные для разработки математической модели электрической части генераторного блока ГЭС малой мощности;

- разработаны математические модели блоков ГЭС малой мощности с учетом коммутационных процессов в генераторных маломасляных, элегазовых и вакуумных выключателях и примыкающего участка электрической сети; проведены расчётно-теоретические исследования переходных процессов, возникающих при коммутациях генераторными выключателями, и выявлены основные факторы, влияющие на параметры коммутационных процессов в цепях генераторного напряжения;

- получены зависимости параметров коммутационных перенапряжений от параметров блочных трансформаторов, генераторов, соединительных токопроводов и от параметров выключателей, применяющихся на малых ГЭС;

- р азработаны рекомендации по проектированию распределительных устройств генераторного напряжения и защите генераторов малых ГЭС от перенапряжений, возникающих при коммутациях генераторными выключателями.

Достоверность сформулированных выводов и рекомендаций обоснованы корректным использованием аналитической и численной методик расчета электромагнитных переходных процессов, обоснованностью принятых допущений и сопоставлением полученных результатов расчетов переходного восстанавливающегося напряжения и параметров коммутационных перенапряжений с результатами других исследователей, полученными при решении аналогичных задач.

Практическое значение и внедрение

Основные положения диссертации и разработанные рекомендации по защите генераторов малых ГЭС от перенапряжений при коммутациях выключателями могут быть использованы проектными организациями при проведении работ по реконструкции электрических станций, а также при разработке инструкций по установке защитных средств от перенапряжений, возникающих при коммутациях вакуумными выключателями в цепях генераторного напряжения станций.

Полученные результаты по диапазонам изменения прочности межконтактного промежутка могут быть учтены при разработке новых выключателей и средств защиты от перенапряжений.

Научная новизна основных положений и результатов может быть сформулирована следующим образом:

• Разработана математическая модель электрической части генераторного блока ГЭС малой мощности, отличающаяся от известных использованием моделей генераторных выключателей с разными дугогасительными средами - маломасляных, вакуумных и элегазовых.

• Выявлены основные факторы, влияющие на параметры коммутационных перенапряжений в цепях генераторного напряжения, определяющими из которых являются схема эксплуатации, параметры генератора, соединительного токопровода, трансформатора и выключателя, при этом влияние параметров внешней сети незначительно.

• Разработаны рекомендации по проектированию распределительных устройств генераторного напряжения и защите генераторов малых ГЭС от коммутационных перенапряжений, включающие требования к их параметрам и месту установки в электрической схеме, позволяющие повысить надежность эксплуатации электрооборудования блока.

Методы исследования. В диссертации использованы математическое моделирование на основе теорий электрических цепей, электромагнитных переходных процессов и метод математического моделирования электрической цепи в специализированной программе ЕМТР-ЯУ.

Апробация работы и публикации. Отдельные результаты работы апробированы и работа в целом обсуждалась на кафедре «Электрические станции» НИУ «МЭИ», на XVII - международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (МЭИ (ТУ), 2011), на V - Всероссийской научно-технической конференции «Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования» (НИ ТПУ, 2012), на Международных научно -технических конференциях КГТУ им. И. Раззакова, г.Бишкек (2011г.).

Всего опубликованных работ - 6, в том числе по теме диссертации - 6, из них: 5 - научные статьи, в том числе одна статья в журнале «Электрические станции», рекомендованном ВАК РФ для публикаций и материалов диссертационных работ, 1 - тезисы доклада на научной конференции студентов и аспирантов НИУ «МЭИ».

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, 2 приложений и списка используемой литературы, содержащего 106 наименований. Основной текст изложен на 115 страницах, включает 59 рисунков и 15 таблиц. Общий объём диссертации 140 страниц.

4.3. Выводы по главе:

1. Параметры генератора, трансформатора, соединительных токопроводов и коммутирующего выключателя оказывают значительное влияние на коммутационные перенапряжения в цепях генераторного напряжения, при этом влияние параметров внешней сети незначительно. Кратности перенапряжений увеличиваются при уменьшении длин и сечений соединительных токопроводов в цепях генераторов.

2. На характер протекания электромагнитных переходных процессов, обусловленных коммутациями генераторными выключателями, влияние оказывают индуктивности генераторов и частотно зависимые индуктивности трансформаторов, а также их емкости относительно земли. С ростом мощности генераторов перенапряжения на обмотках статора уменьшаются. Увеличение сверхпереходных сопротивлений генератора определяющих нижние частоты собственных колебаний и скорость роста восстанавливающихся напряжений, приводит к снижению пиковых значений напряжения на обмотках статора генератора.

3. Установлено влияние емкости, подключенной по ту и другую стороны выключателя, на кратность коммутационных перенапряжений. Влияние емкости на шинах генераторного напряжения (ошиновки, кабеля, и другого оборудования, подключенного к шинам генераторного напряжения) незначительно по сравнению с емкостью со стороны генератора (емкость соединительных токопроводов, генератора) при С >0,1 мкФ.

4. Результаты моделирования показывают, что требуемая начальная скорость восстановления диэлектрической прочности межконтактного промежутка ВДК должна быть не менее 80 - 120 кВ/мс. При недостаточной скорости восстановления диэлектрической прочности, будут наблюдаться повторные зажигания электрической дуги в ВДК, следовательно, могут возникать недопустимо опасные перенапряжения на изоляции генератора. В цепях генераторного напряжения рекомендуется использовать вакуумные выключатели с током среза менее 5 А.

5. Возникающие при повторных пробоях в камере вакуумного выключателя импульсы перенапряжений, представляют существенную опасность для изоляции генератора. В этом отношении «наиболее неблагоприятными» являются присоединения с короткими кабелями (менее 100 м) и малой мощностью генератора. Компьютерные исследования показали, что повторные пробои и зажигания дуги в вакуумном выключателе ограничивают амплитуду, однако кратности менее 3 o.e. могут представлять опасность для витковой изоляции статора генератора, вследствие неравномерного распределения напряжений в обмотке.

6. Установлено, что перенапряжения достигают опасных для изоляции генератора значений при коммутациях вакуумным выключателем тока холостого хода трансформатора порядка 100 А.

7. Установлено, что более глубокое ограничение коммутационных перенапряжений достигается при совместной установке ограничителей перенапряжений и RC- цепочки (ограничение амплитуды перенапряжений с уменьшением количества ПЗ дуги).

Выявлено, что наибольшее снижение кратностей перенапряжений достигается при установке защитной RC- цепочки со стороны генератора при параметрах защитной RC- цепочки С=0,1-0,3 мкФ и R=50 - 100 Ом.

119

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработаны математические модели блоков ГЭС малой мощности и примыкающего к ним участка электрической сети и математические модели коммутационных процессов в маломасляных, элегазовых и вакуумных выключателях, позволяющие определить количественные характеристики коммутационных процессов.

2. Определен предельный уровень среза тока - 5 А, при котором кратности перенапряжений на статоре генератора могут превысить допустимые значения. Рекомендовано применение для коммутаций в цепях генераторов вакуумных выключателей с током среза менее 5 А и низкой вероятностью повторных пробоев, что позволит уменьшить негативное влияние градиентных перенапряжений на изоляцию генератора.

3. Установлена требуемая скорость восстановления диэлектрической прочности межконтактного промежутка ВДК, которая должна учитывать диапазон изменения скорости восстановления напряжения (80 - 120 кВ/мс) при длине соединительных токопроводов менее 100 м, что обеспечит исключение повторных зажиганий электрической дуги в ВДК.

4. Установлено, что при коммутациях вакуумными выключателями токов холостого хода трансформатора блока более 100 А перенапряжения достигают опасных для изоляции генератора значений.

5. Разработаны рекомендации по проектированию распределительных устройств генераторного напряжения и защите генераторов малых ГЭС от перенапряжений, включающие требования к их параметрам и месту установки в электрической схеме блока. Установлено, что при совместной установке ОПН и ЯС- цепочек со стороны генератора снижаются уровни перенапряжений и количества ПЗ. Наибольшее снижение кратностей перенапряжений достигается при параметрах защитной ЯС - цепочки: С=0,1-0,3 мкФ и Д=50-100 Ом.

1. Кадомская К.П., Кондаков С., Лавров Ю.А. Вакуумные генераторные выключатели. Моделирование процессов // Новости Электротехники.-2006. №5(41).

2. Беляков Ю.П., Рахимов K.P. Гидроэнергетические ресурсы Киргизии и их освоение. Фрунзе: КыргызИНТИ. 1985. с.53

3. Развитие энергетики Кыргызстана: / Ж.Т. Тулебердиев, K.P. Рахимов, Ю.П. Беляков. -Б.: Шам, 1997. с.266

4. Кадомская К.П., Лавров Ю.А., Рейхердт A.A. Перенапряжения в электрических сетях различного назначения и защита от них. -Новосибирск: Издательство НГТУ. 2004

5. ГОСТ 1516.1-76. Электрооборудование переменного тока на напряжения от 3 до 500 кВ. Требование к электрической прочности изоляции. -М.: Изд. стандартов. -1976, ИПК Изд. стандартов. 1999 (переиздано). - 50 с.

6. ГОСТ Р 52776-2007 (МЭК 60034-1-2004),.Машины электрические вращающиеся. Номинальные данные и характеристики. -М.: Стандартинформ. -2008 г.

7. Кадомская К.П. Новое коммутационное электрооборудование в электрических сетях среднего напряжения и вопросы исследования электромагнитных переходных процессов, сопровождающих его эксплуатацию. // Энергоэксперт. №1,2009

8. Кукеков Г.А. Выключатели переменного тока высокого напряжения. -Л.: «Энергия», 1972

9. Адонъев Н.М., Афанасьев В.В., Локш А.Ш. Генераторные выключатели и аппаратные комплексы высокого напряжения. -СПб.: «Энергоатомиздат». 1992. -160с.

10. Генераторные выключатели 10 кВ нового поколения // Электрические станции. ЗАО Высоковольтный союз. №4. 2007

11. Белкин Г.С., Вариводов В.Н. Перспективы развития коммутационной аппаратуры высокого напряжения // Электротехника. №11. 2003

12. Гусев A.A., Хворост В.Ю., Чалый М.А. Новое поколение вакуумных выключателей для электрических сетей среднего напряжения // Электрические станции. -1999. №4, с. 58-64

13. Paul G. Slade, Cutler Hammer. Growth of Vacuum Interrupter Application in Distribution Switchgear Trends in Distribution Switchgear, 10-12 November 1998, Conference Publication No. 459 IEEE

14. Евдокунин Г.А., Тилер Г. Современная вакуумная коммутационная техника для сетей среднего напряжения (технические преимущества и эксплуатационные характеристики). -СПб.: Издательство Сизова М.П., -2000.-114с., с илл.

15. Bettge Н. Konstruktion und Herstellung von Vakuumschalterruhren -Siemens- Energietechnik 3 (1981) s.4-9

16. Вакуумные генераторные выключатели. // Электрические станции. ЗАО Высоковольтный союз. №7. 200720. www.elteh.ru

17. Ларин B.C., Лоханин А.К., Матвеев Д.А., Шейко П.А. Исследование работы вакуумных генераторных выключателей на Камской ГЭС // Энергоэксперт, №2. 2011. с. 60-67.

18. Элегазовые выключатели распределительных устройств высокого напряжения. / В.В. Афонин, К.А. Набатов. -Тамбов: Изд. Тамб. гос. тех. Унта. -2009. 96с.

19. Технология отключения в сетях среднего напряжения (СН). Техническая коллекция Schneider Electric. Выпуск №14, март 2008.

20. Базуткин В.В., Евдокунин Г.А., Халилов Ф.Х. Ограничение перенапряжений, возникающих при коммутациях индуктивных цепей вакуумными выключателями.// Электричество.- 1994, №2.- С.9-14

21. Евдокунин Г.А., Корепанов А.А. Перенапряжения при коммутации цепей вакуумными выключателями и их ограничение // Электричество.-1998.- №4.-С.2-14

22. АношинО.А., Барсуков П.И., Максимов Б.К., Матвеев Д.А., Юркин П.Л. Защита электрооборудования собственных нужд электрических станций от перенапряжений, вызываемых вакуумными выключателями// Электричество.- 1997.- №9.- С.9-16

23. Glinkowski М., Moisés R., Braun D. Voltage escalation and reignition behavior of vacuum generator circuit breakers during load shedding// IEEE Transactions on Power Delivery.- 1997, vol.12, No.l.- P.-219-228

24. Considerations on the specification of circuit breakers intended to interrupt small inductive currents. -Electra, 1993, №147, 45-69

25. Белкин Г. С. Коммутационные процессы в электрических аппаратах. -М.: «Знак». 2003. с. 244

26. Yanabu S., Kaneko Е., Okumura Н., Aiyocbi Т. Novel electrode structure of vacuum interrupter and its practical application. IEEE Trans. Power Appar. a. Syst. PAS-100 (1981)s. 1966

27. Paul G. Slade. Adva nces in Material Development for High Power Vacuum Interrupter Contacts. IEEE, Fellow.

28. Yanubu S., Satoh Y, Tamagawa Т., Kaneko E., Sohma S. Ten years experience in axial magnetic field type vacuum interrupters. IEEE Trans. Power Del., vol. PWRD-1, pp. 202-208, Oct.1986.

29. Yanubu S., Kaneko E. Research and development of axial magnetic field electrode and is application. IEEE, 18th int. Symp. on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum Eindhoven- 1998.

30. Yanubu S., Kaneko E., Tsutsumi Т., Yokokura К Resent Technical Developments in High Voltage and High Power Vacuum circuit breaker. IEEE, Trans. On plasma science. Vol. 17. no. 5. Oct., 1989

31. Шейко П. А. Генераторные выключатели 6-24 кВ. Проблема выбора и применения // Новости ЭлектроТехники.- 2006. № 2 (38). - С. 70-72.

32. Headley A. Meeting system requirements with modern switchgear // Proceedings IEEE Symp. on trends in modern switchgear design 3,3-150 kV. -Newcastle. 1984. - pp. 9.1-9.5.

33. Slade P.O. Vacuum interrupters: The new technology for switching and protecting distribution circuits//IEEE Transaction on industry applications. -1997. -№6.-vol. 33.-pp. 1501-1511.

34. Dommel H. EMTP Theory Book. Microtran Power System Analysis Corporation. April. 1996.

35. Переходные процессы в электроэнергетических системах: учебник для вузов / И.П. Крючков, В.А. Старшинов, Ю.П. Гусев, М.В. Пираторов; под ред. И.П. Крючкова. М.: Издательский дом МЭИ, 2008 416 с. :ил.

36. Крючков И.П., Старшинов В.А., Гусев Ю.П., Пираторов М.В. Короткие замыкания и несимметричные режимы электроустановок. 2-е изд., стер. -М.: Издательский дом МЭИ, 2011. -472с. :ил.

37. Евдокунин Г. А., Титенков С. С. Внутренние перенапряжения в сетях 6-35кВ. СПб: Издательство Терция, 2004.- С. 188.

38. Омокеева А.А. Коммутационные процессы в цепях генераторов малых ГЭС. Международная научно-техническая конференция на тему

39. Прикладная математика и механика: проблемы и перспективы», посвященная дню науки Кыргызстана. КГТУ им. И.Раззакова, 2010 г.

40. Чунихин A.A. Электрические аппараты. -М.: Энергоатомиздат, 1988.-720с.

41. Демянчук В.М., Кадомская К.П., Тихонов A.A., Щавелев С.А. Методика оценки перенапряжений, возникающих при отключении двигателей вакуумными выключателями// Изв. высш. уч. зав. и энерг. объед. СНГ.- 1994.- №5-6.- С.27-33

42. Буткевич Г.В. Дуговые процессы при коммутации электрических цепей. -М.: Изд-во Энергия, 1973.

43. Неклепаев Б.Н., Крючков И.П. Электрическая часть электростанций и подстанций: Справочные материалы для курсового и дипломного проектирования: Учеб. пособие для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 608 е.: ил.

44. Справочник по проектированию электроэнергетических систем / В.В. Ершевич, А.Н. Зейлигер, Г.А. Илларионов и др.; Под ред. С.С. Рокотяна и И.М. Шапиро. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 352 с.

45. Электротехнический справочник: В 4 т. Т.2. Электротехнические изделия и устройства / Под общ. ред. профессоров МЭИ В.Г. Герасимова и др. (гл. ред. И.Н. Орлов) 8-е изд., испр. и доп. - М.: Издательство МЭИ, 2001.-518 с.

46. БД "Промышленные каталоги 1994-2000 гг." (CD-ROM). В.Ю. Бугаев и др. М: ИПР "Информэлектро", 2000. - 195 МБ.

47. Хаммарлунд П. Восстанавливающееся напряжение на контактах выключателя. Под ред. Буткевича Г.В. —JL: Госэнергоиздат, 1956. 296 с.

48. Электрическая часть станций и подстанций. Под ред. A.A. Васильева. -М.: Энергия, 1980.

49. Чунихин A.A. Электрические аппараты высокого напряжения. Выключатели. Том 1. Справочник. -М.: Информэлектро, 1994, 124с.

50. Справочник по проектированию электрических сетей /Под редакцией Д. Л. Файбисовича. М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2006. -320 е.: ил.

51. Справочник по электрическим установкам высокого напряжения. Бажанов С.А., Батхон И.С., Баумштейн И.А. и др. Под ред. Баумштейна И.А., 2-е издание, перераб. и доп.; Энергоиздат, 1981. 656с., ил.

52. Кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена. Технические условия ТУ 16.К71-300-2000, дата введения 01.10.2000. ЗАО «АВВ-Москабель», 29с.

53. IEEE Recommended Practice for Excitation system models for Power system Stability studies. IEEE Std 421.5. NY 10016-5997. USA. 2006

54. Заболотников А.П., Кадомская К.П., Тихонов A.A. Математическое моделирование и перенапряжения в электрических сетях 6- 35 кВ. -Новосибирск, гос. тех. унив. -Новосибирск, -1993. -158с.

55. Лыкин А.В. Математическое моделирование электрических систем и их элементов: учеб. пособие / А.В. Лыкин. 2-е изд., перераб. и доп. -Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2009. - 228 с.

56. Демянчук В.М., Кадомская К.П., Тихонов А.А., Щавелев С.А. Методика оценки перенапряжений, возникающих при отключении двигателей вакуумными выключателями// Изв. высш. уч. зав. и энерг. объед. СНГ.- 1994.- №5-6.- С.27-33

57. Phaniraj К, Phadke A.G. Modeling of circuit breakers in the Electromagnetic Transients Program. IEEE Transactions of Power Systems, Volume: 3 Issue: 2, May 1988; Page(s): 799-805

58. Ramirez C., Calva P. A. Simulation of electric power circuit breakers in the EMTP incorporating electric arc models application to reactor banc switching and shirt line fault. IEEE Conference on electrical insulation and Dielectric Phenomena, 2001

59. Stanislav Misak. Mathematical model of electric arc respecting Mayer theory in EMTP-ATP. Acta Electrotechnica et Informatica Vol. 8, No. 3, 2008, 66-69

60. Darwish H.A., Elkalashy N.I. Comparison of Circuit Breaker Arc representation with EMTP built-in-model. International conference on Power System Transients IPST 2003 in New Orleans, USA

61. Ala G., Inzerillo M. An improved Circuit- Breaker Model in MODELS Language for ATP-EMTP Code. International conference on Power System Transients (IPST 99), June, Budapest Hungary, 1999

62. CIGRE WG 13.01, 1993, "Applications of Black Box Modelling to Circuit Breakers", Electra no.149, 41-71.

63. Cassie A.M. Arc rupture and circuit severity: a new theory. Proceedings of Conference Internationale des Grands reseaux Electriques a Haute Tension, Paris, France, 1932, pp. 1-14

64. Mayr O., "Beitrage zur Theorie des Statischen und des Dynamischen Lichthogens", Archiv f'ur Elektrotechnik, vol. Band 37, no. Heft 12, pp. 588-608, 1943.

65. Cassie A.M.,"Theorie Nouvelle des Ares de Rupture et de la Rigidit'e des Circuits", CIGRE, Report 102, 1939, pp. 588-608.

66. Habedank U. On the mathematical description of arc behavior in the vicinity of current zero. ETZArchiv, Bd. 10, H 11, 1988

67. Habedank U. Improved evaluation of shortcircuit breaking tests. Report at the Colloquium of CIGRE SC 13, Sarajevo (Yogoslavia), May 1989.

68. Hrabovsky M., Mastny V., Vostracky Z. Application of mathematical arc model for determination of thermal failure limiting characteristics of circuit breaker. Доклад 13 01 на сессии СИГРЭ 1984.

69. Hanisch К, Kuhnhardt G., Mencke H., Rother W. Mathematical modelling of switching arc as means, to realize desighing of gas blast circuit breakers. Доклад 13 - 12 на сессии СИГРЭ 1984.

70. Gimenez W., Hevia О. Method to determine the parameters of the electric arc from test data. IPST'99 International conference on Power system transients. June 20 - 24,1999. Budapest - Hungary.

71. Lionel R., Orama-Exclusa, Bienvenido Rodriguez-Medina. Numerical Arc model Parameter Extraction for SF6 circuit breaker simulations. International conference on Power System Transients IPST 2003 in New Orleans, USA

72. Glinkovski M. Т., Takanashi K. Parameter Optimization of Cassie- Mayer Equation for SF6 arc modeling. Proceedings of North American Power Symposium, November 1996, Boston M.A.

73. Koshizuka Т., Shinkai Т., Udagawa K., Kawano H. Circuit Breaker Model using Serially connected 3 Arc Models for EMTP Simulation. International conference on Power System Transients (IPST 2009) in Kyoto, Japan. June, 2009.

74. Prousalidis J.M., Hatziargyriou N.D., Papadias B.S. A Circuit Breaker Model for Small inductive Current Interruption. International conference on Power System Transients (IPST 99). Budapest-Hungary, June 1999.

75. Schavemaker P.H., Van Der Sluis L. The Arc model Blockset. Proceedings of the Second LASTED International Conference POWER AND ENERGY SYSTEMS (EuroPES) June 25-28, 2002, Crete, Greece

76. Leung S. Y., Snider Laurence A., Wong Cat S.M. SF6 Generator Circuit Breaker Modeling. International conference on Power System Transients (IPST 05) in Montreal, Canada on June 19-23, 2005 Paper No. IPST05 243

77. Tadashi Koshizuka, Takeshi Shinkai, Susumu Nishiwaki, Satoru Yanabu. EMTP Simulation of SLF Interrupting Performance for Two Serially Connected Arcs with Different Arc Parameters. Electrical Engineering in Japan, Vol. 141, No. 4, 2002

78. Zaima E, Okabe S, Nishiwaki S, Ishikawa M, Suzuki K, Toda H. Application of dynamic arc equations to high-frequency arc extinctions in SF6 gas circuit breakers. IEEE Trans Power Delivery 1993;8:1199- 1205.

79. Nitu S., Nitu C., Mihalache C., Anghelita P., Pavelescu D. Comparison between model and experiment in studying the electric arc. Journal of optoelectronics and advanced materials. Vol. 10, No. 5, May 2008, p. 1192 1196

80. Thomas D.W.P., Pereira E.T., Christopoulos C., Howe A.F. The simulation of circuit breaker switching using a composite Cassie modified Mayer model. IEEE Transaction of Power Delivery, Vol.10, No 4, October 1995, pp. 1829-1835

81. Sandra Hutter, Ivo Uglesic. Universal arc resistance model "Zagreb" for EMTP. 19th International Conference on Electricity Distribution. Vienna, 21-24 May 2007

82. Sawicki A., Switon L., Sosinski R. Process Simulation in the AC Welding Arc Circuit Using a Cassie-Mayr Hybrid Model. Supplement to the WELDING JOURNAL, March 2011

83. Омокеева А.А. Особенности моделирования генераторных выключателей при исследовании коммутационных процессов. V -Всероссийская научно- техническая конференция «Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования». НИ ТПУ, 2012

84. Воздвиженский В.А. Вакуумные выключатели в схемах управления электродвигателями. -М.: Энергоатомиздат, 1998. -198с.

85. Коновалов Е.Ф., Дроздов Н.В., Зубрилин А.В. О защите действующих электрических сетей от перенапряжений. //Энергетик. -1998. -№4. -с. 12-14.

86. КоноваловЕ.Ф., Дроздов Н.В. Вакуумные выключатели в сетях 6, 10 кВ. // Электрические станции. -2003. -№4. с.52-55.

87. Greenwood A., Glinkowski М. Voltage Escalation in Vacuum Switching Operation// IEEE Trans, on Power Delivery.- vol.3.- No.4.- October, 1988.

88. Maksic M, Matvoz D., Kosmac J., Papic I. Circuit Breaker Switching Transients at Arc Furnace Installation. Paper submitted to the International Conference on Power Systems Transients (IPST2009) in Kyoto, Japan June 3-6, 2009

89. Vollet C., De Metz-Noblat B. Vacuum Circuit Breaker Model: application Case to Motors Switching.Presented at the International Conference on Power Systems Transients (IPST'07) in Lyon, France on June 4-7, 2007

90. Abey Daniel, Samson Gebre. Analysis of Transients in Wind Parks: Modeling of System Components and Experimental Verification. Master of Science Thesis in Electric Power Engineering. Chalmers University of Technology. Goteborg, Sweden, 2008. pp. 25-34

91. Wong S.M., Snider L.A., Lo E.W.C. Overvoltages and Reignition behavior of Vacuum Circuit Breaker. International Conference on Power System Transients IPST 2003.

92. Kondala Rao В., Gopal Gajjar. Development and Application of Vacuum Circuit Breaker Model in Electromagnetic Transient Simulation. IEEE Transactions on Power Delivery, 2006.

93. Таврида Электрик. Физические основы коммутации в вакууме. -М.: Россия. -1999

94. Омокеева А. А. Влияние некоторых параметров цепи на коммутационные перенапряжения в цепях среднего напряжения.

95. Международная научно-техническая конференция на тему «Энергобезопасность и энергоэффективность: состояние и проблемы». КГТУ им. И. Раззакова, 2011 г.

96. Гусев Ю.П., Омокеева A.A. Анализ коммутационных процессов в цепях генераторного напряжения малых ГЭС при замене маломасляных выключателей на вакуумные и элегазовые //Электрические станции. 2012. №12.

97. Околович М.Н. Проектирование электрических станций. -М.: Энергоиздат, 1982. -400с.104. http://www.exctr.ru/content/idl00/

98. Линниченко Н.М. Восстановление напряжения в двухчастотном контуре // Электричество, 1949. №11.

99. Кузьмин C.B., Кокин С.Е., Медведева М.Л., Шадрин Д.П., Анисимов Д.М., Немков C.B., Кудрявцев A.A. Оценка перенапряжений при коммутациях масляных выключателей 6(10) кВ. // Энергоэксперт. -2011. №5. -с. 96-97.131