автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Снижение уровней коммутационных перенапряжений в системах электроснабжения кислородно-конвертерных производств посредством схемы защиты

На правах рукописи

005043023

Пушница Константин Александрович

СНИЖЕНИЕ УРОВНЕЙ КОММУТАЦИОННЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ КИСЛОРОДНО-КОНВЕРТЕРНЫХ ПРОИЗВОДСТВ ПОСРЕДСТВОМ СХЕМЫ ЗАЩИТЫ

Специальность 05.09.03 - «Электротехнические комплексы й системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 идя 2012

Липецк-2012

005043023

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет»

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Качановский Юрий Петрович

Официальные оппоненты:

Калинин Вячеслав Федорович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет», первый проректор, заведующий кафедрой «Электрооборудование и автоматизация»

Плащанский Леонид Александрович, кандидат технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет», профессор кафедры «Электрификация и энергоэффективность горных предприятий»

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» (г. Тула)

Защита диссертации состоится 8 июня 2012 года в 1445 на заседании диссертационного совета Д 212.108.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет» по адресу: 398600, г. Липецк, ул. Московская, 30, административный корпус, ауд. 601.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования. «Липецкий государственный технический университет».

Автореферат разослан « » апреля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В системе электроснабжения кислородно-конвертерного производства имеется значительное количество высоковольтных электродвигателей и трансформаторов, коммутируемых различными типами выключателей, в том числе вакуумными. При отключении вакуумными выключателями электродвигательных присоединений возможны значительные перенапряжения, вызванные срезом тока и эскалацией напряжения. Кроме того, при срабатывании вакуумных выключателей возможно явление многократных повторных зажиганий дуги, что приводит к возникновению перенапряжений, имеющих высокочастотный характер. Коммутационные перенапряжения оказывают существенное влияние на изоляцию оборудования, особенно на электродвигатели, изоляция которых обладает наименьшим запасом электрической прочности.

На сегодняшний день отсутствуют эффективные меры гашения подобных коммутационных перенапряжений. Разрядники, нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН), искровые промежутки как средство защиты от высокочастотных перенапряжений малоэффективны. Вызвано это резким подъемом их вольт-секундных характеристик при предразрядных временах менее 1 мкс. Для защиты от перенапряжений, имеющих высокочастотный характер, все большее применение находят защитные ЯС-цепочки. Однако их применение должно сопровождаться достаточно точным моделированием, так как неправильный выбор параметров КС-цепочек может привести даже к ухудшению процесса коммутации. Выбор параметров ЯС-цепочек и оптимальных схем их соединения представляет собой важную техническую задачу. Поэтому проведение исследований по данной теме является своевременным и актуальным.

Целью работы является повышение эффективности электроснабжения кислородно-конвертерных производств посредством снижения уровней коммутационных перенапряжений и улучшения процесса коммутации (уменьшение числа повторных зажиганий дуги в выключателе).

Идея работы состоит в снижении негативного действия коммутационных перенапряжений посредством ЯС-цепочек, подключаемых к защищаемому оборудованию и соединённых по схеме четырехлучевой звезды, три луча которой включены в защищаемые фазы, а один луч соединен с землей, а также в определении оптимальных параметров данной схемы и оценке ее эффективности на имитационной модели.

Научная новизна заключается:

— в разработанном схемном решении комбинированного трехфазного рези-стивно-емкостного ограничителя перенапряжений, имеющего лучшие показатели по

ограничению уровней коммутационных перенапряжений по сравнению с существующими средствами защиты, отличающегося тем, что RC-цепочки подключаются к защищаемому оборудованию и соединены по схеме четырехлучевой звезды, три луча которой включены в защищаемые фазы, а один луч соединен с землей;

- в разработанной имитационной модели вакуумного выключателя, учитывающей процессы, характерные для вакуумного выключателя: срез тока, эскалацию напряжения, повторные зажигания дуги, виртуальные срезы тока, отличающейся тем, что имеет трехфазное исполнение и учитывает сопротивление дуги в выключателе;

- в разработанных имитационных моделях электродвигателя, двигательной нагрузки, кабельной линии и системы, отличающихся тем, что имеют трехфазное исполнение и учитывают затухание колебаний на повышенных частотах;

- в разработанной имитационной модели фрагмента системы электроснабжения, учитывающей срез тока, эскалацию напряжения, повторные зажигания дуги, виртуальные срезы тока в выключателе, отличающейся тем, что имеет трехфазное исполнение, учитывает сопротивление дуги в выключателе и затухание колебаний на повышенных частотах;

- в определенных зависимостях влияния параметров системы электроснабжения и вакуумного выключателя на процесс перенапряжений, отличающихся тем, что получены на более точной имитационной модели;

- в разработанной методике оценки технико-экономической эффективности схем защиты от коммутационных перенапряжений, отличающейся тем, что использует данные, полученные с помощью разработанной имитационной модели.

По материалам разработок получен один патент РФ на изобретение: №2394326 Комбинированный трехфазный резистивно-емкостной ограничитель перенапряжений, заявл. 14.04.2009, опубл. 10.07.2010.

Практическая ценность состоит в том, что разработанный комбинированный трехфазный резистивно-емкостной ограничитель перенапряжений позволяет снижать уровни перенапряжений до 1,62-1,78 o.e. по сравнению с 2,54-3,09 o.e. для ОПН и 1,71-2,16 o.e. для фазной RC-цепочки, уменьшает вероятность повторных зажиганий дуги в выключателе. Это увеличивает срок службы электродвигателя в 1,66-2,53 раз по сравнению с защитой с помощью ОПН и в 1,04-1,2 раза по сравнению с фазной RC-цепочкой. Разработанная имитационная модель позволяет анализировать влияние различных факторов на процесс перенапряжений и выбирать оптимальные параметры защитных RC-цепочек.

Методы и объекты исследования. Объектом исследования служит система электроснабжения кислородно-конвертерного производства. Предметом исследования являются коммутационные перенапряжения, возникающие при отключении

вакуумным выключателем электродвигательных присоединений. При выполнении работы использованы методы инженерного эксперимента и имитационного моделирования. Теоретические изыскания сопровождались разработкой имитационных моделей. Анализу и обработке подвергались экспериментальные данные, приведенные в литературных источниках.

Достоверность результатов и выводов подтверждена: формулировкой задач исследования, сделанной исходя из всестороннего анализа литературных источников; использованием самых современных средств имитационного моделирования (пакет Matlab); хорошим соответствием экспериментальных осциллограмм и осциллограмм, полученных с помощью разработанной модели.

Реализация работы. Разработанная имитационная модель внедрена в форме лабораторных практикумов и научно-методических разработок по дисциплине «Научно-исследовательская работа» образовательной программы высшего профессионального образования по направлению подготовки 140400 «Электроэнергетика и электротехника» по профилю «Фрактальные и техноценологические структуры электрооборудования и сетей промышленных предприятий». Также программная модель фрагмента системы электроснабжения внедрена в филиале ОАО «Квад-ра»-«Восточная генерация» в качестве дополнения к существующим методикам анализа и оценки уровней коммутационных перенапряжений, возникающих при отключении электродвигательных присоединений вакуумными выключателями.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались и докладывались на II ежегодной международной конференции «Энергетика и энергоэффективные технологии», Липецк, 2007 год.

Публикации. По теме диссертации опубликовано шесть печатных работ, из них три в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и шести приложений. Общий объем диссертации 165 е., в том числе 112 с. основного текста, 113 рисунков, 12 таблиц, список литературы из 117 наименований, 6 приложений на 53 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, указан объект и предмет исследований, сформулирована цель, отражена идея, раскрыта научная новизна, практическая ценность, приведены результаты апробации и реализации теоретических и практических исследований.

В первой главе проведен информационный анализ литературных источников.

Были рассмотрены различные виды коммутационных перенапряжений. Установлено, что коммутационные перенапряжения оказывают существенное влияние на изоляцию оборудования, особенно в установках с частыми коммутациями. Эта проблема наиболее актуальна для металлургических предприятий с тяжелыми условиями эксплуатации электрооборудования.

Среди разнообразных коммутаций была выделена группа коммутаций, где причиной перенапряжений являлись не только колебательные свойства схемы, но и неустойчивый характер дуги в выключателе. При малых индуктивных токах степень ионизации дуги оказывается незначительной, вследствие чего может произойти очень быстрый распад дугового канала еще до того, как ток проходит через свое нормальное нулевое значение, сопротивление дуги скачкообразно возрастает, а ток в дуге резко падает до нуля - происходит «срез» тока. При этом выделяется большая энергия, запасенная в индуктивности схемы, что может привести к значительным перенапряжениям.

После обрыва тока в выключателе электрическая прочность межконтшсгного промежутка постепенно возрастает в связи с расхождением контактов. Если в процессе расхождения контактов окажется, что восстанавливающееся напряжение между контактами выше, чем прочность межконтактного промежутка, то возникнет пробой промежутка, т. е. повторное включение цепи. Следующий обрыв тока произойдет при переходе тока через нуль или при срезе тока в случае отключения малых токов. Таким образом, коммутация отключения может представлять собой серию чередующихся отключений и включений, происходящих до тех пор, пока при полном расхождении контактов дуга окончательно не оборвется. Повторные пробои происходят каждый раз при увеличивающейся прочности межконтактного промежутка, что приводит к эскалации напряжения. Также при отключении тока в одной из фаз возможно прохождение высокочастотной составляющей тока двух других фаз через ноль, вакуумный выключатель при этом может обрывать эти токи. Данный процесс носит название виртуального среза тока и может сопровождаться большими перенапряжениями. Кратности перенапряжений при таких коммутациях могут достигать 68 кратных значений. Основными аппаратами для защиты от перенапряжений являются вентильные разрядники и ограничители перенапряжения нелинейные. Разрядники и ОПН не всегда обеспечивают должную защиту в связи с подъемом их вольт-амперных характеристик при высокочастотном характере процесса. Для ограничения высокочастотных перенапряжений используют последовательно соединенные конденсатор и резистор - КС-цепочку. В литературных источниках приводятся две основные схемы их соединения - включение ИС-цепей между фазами и землей и включение между фазами. Между тем каждая из схем не будет обеспечивать полную

защиту от фазных или междуфазных перенапряжений. Также для точною выбора параметров защитных КС-цепочек и мест их установки необходимо достаточно строгое моделирование как процессов в выключателе, так и характеристик остальных элементов системы: ОПН, линий, трансформаторов, двигателей, шин, реакторов.

Результаты выполненного анализа позволили сформулировать и решить следующие задачи диссертационного исследования:

- определение показателей, характеризующих перенапряжения в системах электроснабжения кислородно-конвертерных производств;

- построение имитационной модели, отображающей процессы перенапряжений;

- проверка адекватности разработанной модели;

- исследование влияния возмущающих факторов на процесс перенапряжений;

- анализ эффективности различных защитных мероприятий, разработка оптимальной схемы защиты.

Во второй главе рассмотрены особенности функционирования систем электроснабжения кислородно-конвертерных производств и осуществлено построение имитационной модели для исследования коммутационных перенапряжений.

Для электроснабжения комплекса кислородно-конвертерного производства предназначена главная понизительная подстанция (ГПП) 110/10/6 кВ и цеховые распределительные подстанции, оборудованные распределительными устройствами 6 и 10 кВ. Они укомплектованы шкафами КРУ-20-10 и КВЭ-6-13. Система шин распределительного устройства бкВ разделена на секции. Они питаются отдельными кабельными линиями соответственно от секций главной понизительной подстанции, относящихся к разным трансформаторам.

Основными приемниками электрической энергии кислородно-конвертерного производства являются различной мощности асинхронные двигатели и комплектные трансформаторные подстанции, через которые запитываются более мелкие приемники. Типовой схемой будет питание приемников через промежуточные РП, то есть схема: трансформатор-линия-РП-линия-приемник, где в качестве приемника выступает асинхронный двигатель или КТП. Так как асинхронный двигатель обладает существенно меньшим запасом электрической прочности изоляции, чем трансформатор, то именно он был выбран для дальнейшего исследования. Основное электрооборудование, используемое в кислородно-конвертерном производстве, представлено в табл.1. Исследуемая схема фрагмента системы электроснабжения кислородно-конвертерного производства представлена на рис.1.

Для построения моделей элементов использовался пакет МаНаЬ. Пакет позволяет моделировать сложные электроэнергетические системы, сочетая методы имитационного и структурного моделирования. При построении моделей элементов си-

стемы использовались следующие стандартные блоки: Three-Phase Transformer (Three Windings) (трансформатор ТДЦГНК на рис.1), 3-Phase Series RLC Load (нагрузки S! - S4 и конденсаторные батареи на рис.1), Mutual Inductance (реактор РСБДГ на рис.1), Surge Arrester (модель ОПН).

Таблица 1

Основное электрооборудование кислородно-конвертерного производства

Тип оборудования Мощность Напряжение, кВ

Трансформатор: ТДЦТНК; 63 МВА 110

ТМЗ, ТМ, ТНЗ 400-2500 кВА 6-10

Выключатель: ВМП-10э, ВМПЭ-10к, ВВ/ТЕЬ — 6-10

Кабель: ААШВ — 6-10

Реактор: РБСДГ, РБДГ 6-10

Электродвигатель:

А114-4М; 320 кВт 6

ДАЛ 15-83-4/8; 2500 кВт 10

АКС-16-44-24; 500 кВт 6

СДСЗ-17-41-16 1600 кВт 6

Конденсаторная батарея 3600 квар 10

Для учета затухания свободных колебаний в системе до выключателя была разработана модель затухания колебаний в системе. Структура разработанной модели представлена на рис.2, внешний вид и параметры на рис.3. Потери в стали трансформатора и от поверхностного эффекта в проводниках моделировались с помощью блоков Current Measurement, Controlled Voltage Source, Fourier и некоторых других. Блок Fourier позволяет определить амплитуду и угол гармоники заданной частоты (частота задается). На основе этих данных формируется синусоидальная ЭДС, направленная против направления тока. Эта ЭДС моделирует падение напряжения на сопротивлении системы для данной частоты.

При моделировании кабельной линии учитывались активные и индуктивные сопротивления проводов, проводимости и емкости как между фазой и землей, так и между фазами. Для лучшего приближения было учтено то, что эти параметры равномерно распределены вдоль длины линии. Учет скин-эффекта осуществлялся по формуле:

R(to) = R(l 00л) • л/со/100я .

где R(co) - сопротивление для расчетной частоты, R(l 00л) - сопротивление для частоты 50 Гц, со — угловая частота.

стоты 50 Гц, со - угловая частота.

В модель были добавлены демпфирующие контуры по концам кабельной линии (аналогично модели затухания колебаний в системе).

8с

Рис. 1. Исследуемая схема фрагмента системы электроснабжения кислородно-конвертерного производства

Затухание колебаний на высоких частотах моделировалось подключением резисторов по концам линии, величина которых бралась пропорционально затуханию на частоте свободных колебаний и задавалась через коэффициент пропорциональности Учет затухания на высоких частотах производился только для кабельной линии коммутируемого присоединения вследствие большей доли высокочастотных составляю-

щих. Для кабельных линий остальной части системы предусмотрены только демпфирующие контуры (моделируют затухание колебаний в остальной части схемы).

Асинхронный двигатель моделировался с применением блока Asynchronous Machine. Блок не учитывает емкостей обмоток и повышенного затухания колебаний в стали и проводниках для более высоких частот, повышенных потерь в пусковом режиме, поэтому были использованы дополнительные емкости, контуры затухания и резисторы, моделируемые соответствующими блоками. Модель асинхронной машины включает в себя модель электрической части, представленной моделью пространства состояний четвертого порядка, и модель механической части в виде системы второго порядка. Все электрические переменные и параметры машины приведены к статору. Исходные уравнения электрической части машины записаны для двухфазной (dq-оси) системы координат.

Для моделирования потерь в пусковых режимах (потери на вихревые токи, гистерезис, дополнительные потери) предусматривается подключение дополнительного резистора R^.«, величина которого выбирается из условия равенства пускового тока модели значению, приведенному в каталоге. Затухание на частоте свободных колебаний в результате поверхностного эффекта и в стали двигателя рассчитывается пропорционально R^c, умноженному на отношение частот (относительно частоты 50 Гц) в определенной степени. Затухание колебаний в двигателе на высоких частотах моделировалось резистором, подключение которого осуществляется при обрыве тока в фазе выключателя (подается сигнал с модели выключателя). Его величина бралась пропорционально затуханию на частоте свободных колебаний (задается через коэффициент). Моделирование двигательной нагрузки рядом с коммутируемым присоединением (двигатели той же марки) осуществлялось упрощенно, с учетом того, что они работают в нормальном режиме при номинальной нагрузке.

При построении модели вакуумного выключателя использовались следующие основные положения, которые заключаются в следующем:

- электрическая прочность межконтактного промежутка описывается линейной зависимостью и составляет 20-80 кВ/мс;

- рост электрической прочности до предельного значения имеет место в течение 6 мс при скорости движения контактов 1 мм/мс;

- первое прерывание тока считается возможным при мгновенном значении тока не более ¡ф (ток среза, который зависит от материала контактов; для современных выключателей имеет значение 2-5 А);

- при возникновении первого и последующих пробоев межконтакшого промежутка считается возможным гашение высокочастотного тока при его переходе через "нуль" со скоростью не выше заданной (лежит в пределах 50 < oi/St < 150 А/мкс);

- сопротивление дуги учитывается и моделируется постоянным сопротивлением, величина которого берется пропорционально величине отключаемого тока.

Данная модель была реализована в Matlab для всех трех фаз выключателя с использованием блоков имитационного моделирования. Срез тока происходит в первой отключаемой фазе и один раз, в дальнейшем во всех трех фазах возможны только виртуальные срезы тока. Повторные зажигания дуги возможны во всех трех фазах. Общий вид исследуемой системы представлен на рис.2.

Для определения частоты выше номинальной, которая задается в блоках, моделирующих затухание, строится упрощенная схема всей системы (без блоков, моделирующих затухание и с идеальными выключателями). Для определения частоты в заданных точках модели был разработан специальный блок для измерения частоты, который строится на основе дискретного преобразования Фурье.

В третьей главе проводилось исследование параметров системы электроснабжения и выключателя на процесс перенапряжений. При неизменных параметрах выключателя основными факторами, влияющими на процесс перенапряжений, будут соотношение индуктивности, емкости и активного сопротивления коммутируемого присоединения. Они в свою очередь будут зависеть от мощности двигателя и длины линии. Результаты расчетов на модели без ОПН и с ОПН приведены на рис. 3,4. Частоты собственных колебаний в коммутируемом присоединении в зависимости от длины линии и мощности двигателя представлены на рис.5. Как видно из рис.3, максимальные кратности перенапряжений возникают при виртуальных срезах тока (ВСТ). Основной диапазон возникновения ВСТ- двигатели мощностью 100-700 кВт, для двигателей 800-1100 кВт произошло по одному ВСТ. Для маломощных двигателей 100-200 кВт, присоединенных достаточно длинными линиями, наблюдались отключения без повторных зажиганий (ПЗ) дуги в выключателе. Подключение ОПН позволяет во многих случаях предотвратить ВСТ. Однако для маломощных двигателей 100-200 кВт ВСТ все равно возникали.

В дальнейшем в работе проводилось исследование влияния параметров выключателя на процесс перенапряжений. На рис. 6 представлена зависимость кратности перенапряжений от скорости гашения высокочастотного тока di/dt, на рис. 7 зависимость кратности перенапряжений от скорости восстановления диэлектрической прочности межконтактного промежутка (К).

Исследование влияния на процесс перенапряжений момента начала движения контактов было совмещено с анализом работы средств защиты, так как рассматриваемые средства защиты создают разный угол сдвига между током и напряжением, и исследование их работы для какого-то фиксированного времени было бы некорректно.

Three-Phase Source

Asynchronous Machine

Рис.2. Общий вид модели исследуемой системы в пакете Matlab

Рис. 3. Кратность перенапряжений в зависимости от длины линии и мощности двигателя без ОПН

Рис. 4. Кратность перенапряжений в зависимости от длины линии и мощности двигателя с ОПН

н

| 4000' ^ 2000-

2000

500 0

1000

Р, кВт

Рис. 5. Частоты собственных колебаний в коммутируемом присоединении в зависимости от длины линии и мощности двигателя

В качестве средств защиты были проанализированы следующие: ОПН; ЯС-цепочки, подключаемые между фазой и землей; ЯС-цепочки, подключаемые между фазами после выключателя; предлагаемая комбинированная схема защиты. На рис.8,9 представлены кратности перенапряжений в зависимости от момента начала движения контактов для двух значений К.

35 30 25 20 15 10 5 0

кКп, о.е.-- \ без ОПН — Г \ • • с ОПН — — Степенна. 1 (без ОПН)

\ / ! \ ^ -V ч \ / \

Г > » , 1 ---- ч / \ . / \

» ' 1 ' V у \т V '

\ 1 »'

А/мкс

50 70 90 110 130 150

Рис. 6. Зависимость кратности перенапряжений от скорости гашения высокочастотного тока

Рис. 7. Зависимость кратности перенапряжений от скорости восстановления диэлектрической прочности межконтактного промежутка 20

Кп, о.е.--

0,02179 0,02189 эсть крат

движения контактов при подключении средств защиты, К=20 кВ/мс

0,02199 0,02209 0,02219

Рис. 8. Зависимость кратности перенапряжений от момента начала

40 30 20

10

0

0,02179 0,02189 0,02199 0,02209 0,02219

Рис. 9. Зависимость кратности перенапряжений от момента начала движения контактов при подключении средств защиты, К=50 кВ/мс

В четвертой главе произведена оценка технико-экономического эффекта от использования различных схем защиты. Расчет производился для одного двигательного присоединения и относительно универсального средства защиты - ОПН. Результаты расчета для предлагаемой схемы, а также для существующих схем защиты представлены в табл.2.

Таблица 2

Экономический эффект относительно схемы с ОПН, руб.

Защитная схема Число коммутаций

1 10 100

К=20 кВ/мс ОПН 0 0 0

Фазная ЯС 487 4870 48700

Межфазная НС -448 -4480 -44800

Комбинированная КС 687 6870 68700

К=50 кВ/мс ОПН 0 0 0

Фазная ЯС 264 2640 26400

Межфазная ИС 252 2520 25200

Комбинированная ИС 293 2930 29300

Расчет проводился для двух различных скоростей восстановления диэлектрической прочности межконтактного промежутка (К). Как видно из табл.2 экономический эффект от применения разработанной схемы по сравнению со стандартной защитой с помощью ОПН тем выше, чем меньше К и больше число коммутаций.

Кп, о.е. --без ОПН Л Л

--с ОПН -с фазной Б ---с межфазн С / ой КС ' V /

эованной ЯС / /

/ ---,1- ^ с

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В представленной работе решены задачи по повышению эффективности электроснабжения кислородно-конвертерных производств посредством снижения уровней коммутационных перенапряжений и улучшения процесса коммутации. Материалы проведенных исследований позволяют сформулировать основные научно-практические результаты в виде следующих выводов и рекомендаций:

1. Разработана имитационная модель системы электроснабжения кислородно-конвертерного производства, учитывающая срез тока, эскалацию напряжения, повторные зажигания дуги, виртуальные срезы тока в выключателе, отличающаяся трехфазным исполнением, учетом сопротивления дуги в выключателе и затухания колебаний на повышенных частотах.

2. Наиболее высокие кратности перенапряжений происходят при возникновении в цепи виртуальных срезов тока. Вероятный диапазон их возникновения -двигатели малой мощности, подключенные недостаточно длинными кабельными линиями. При определенной длине линии процесс отключения происходит без повторных зажиганий дуги в выключателе.

3. Ограничитель перенапряжений нелинейный (ОПН) в большинстве случаев позволяет предотвратить виртуальные срезы тока, однако для маломощных двигателей (100-200 кВт) виртуальные срезы тока возникают. ОПН не предотвращает повторные зажигания дуги в выключателе.

4. Для мощных двигателей увеличение длины линии ведет к возрастанию кратности перенапряжений. Виртуальные срезы тока для двигателей мощностью 1200-2000 кВт практически не возникают вследствие большого отключаемого тока.

5. Увеличение скорости гашения высокочастотного тока немного снижает кратности перенапряжений (до 30%), но ведет к увеличению числа повторных зажиганий дуги в выключателе.

6. При увеличении скорости восстановления диэлектрической прочности межконтактного промежутка перенапряжения возрастают, но после достижения скорости восстановления 77 кВ/мс и выше резко снижаются.

7. Разработана схема защиты, состоящая из RC-цепочек, подключаемых у защищаемого оборудования и соединённых по схеме четырехлучевой звезды, три луча которой включены в защищаемые фазы, а один луч соединен с землей (патент №.2394326). Разработанная схема позволяет снижать уровни перенапряжений до 1,62-1,78 o.e. по сравнению с 2,54-3,09 o.e. для ОПН и 1,71-2,16 o.e. для фазной RC-цепочки, уменьшает вероятность повторных зажиганий дуги в выключателе.

8. Предложена схема защиты, обеспечивающая среди существующих схем наилучшие результаты для различной скорости восстановления диэлектрической прочности межконтактного промежутка и сокращающая интервал, в течение которого могут происходить повторные зажигания.

9. Разработана методика оценки технико-экономической эффективности различных схем защиты. По результатам оценки срок службы электродвигателя увеличивается в 1,66-2,53 раз по сравнению с защитой с помощью ОПН и в 1,04-1,20 раза по сравнению с фазной RC-цепочкой.

Работы, опубликованные по теме диссертации:

1. Шпиганович А.Н., Захаров К.Д., Пушница К.А. Исследование коммутационных перенапряжений вызванных отключением электродвигателей основного оборудования кислородно-конвертерных производств // Вести высших учебных заведений Черноземья. 2010. №1. С. 6-13.

2. Качановский Ю.П., Пушница К.А. Оценка влияния длины линии и мощности двигателя на процесс перенапряжений // Вести высших учебных заведений Черноземья. 2011. №3. С. 31-35.

3. Качановский Ю.П., Пушница К.А. Исследование влияния скорости гашения высокочастотного тока и скорости восстановления диэлектрической прочности межконтактного промежутка на процесс перенапряжений // Вести высших учебных заведений Черноземья. 2011. №4. С. 12-15.

4. Комбинированный трехфазный резистивно-емкостной ограничитель перенапряжений: пат. 2394326 Рос. Федерация. №2009114298/09; заявл. 14.04.2009; опубл. 10.07.2010, Бюл. №19. 8 с.

5. Захаров К.Д., Зацепина В.И., Пушница К.А. Влияние длины линии на процесс перенапряжения: сб. докл. II ежегодн. междунар. науч.-техн. конф. «Энергетика и энергоэффективные технологии». Липецк: ЛГТУ, 2007. С. 81-86.

6. Перенапряжения в системе электроснабжения кислородно-конвертер-ного производства: сб. докл. II ежегодн. междунар. науч.-техн. конф. «Энергетика и энергоэффективные технологии» / Пушница [и др.]. Липецк: ЛГТУ, 2007. С. 133-134.

Личный вклад автора в работах, написанных в соавторстве, заключается в следующем: в [1] разработаны имитационные модели элементов системы электроснабжения кислородно-конвертерного производства и рассмотрены принципы построения имитационных моделей, в [2,5] исследовано влияние параметров цепи на процесс перенапряжений, в [3] - влияние параметров выключателя. В [4] рассмотрено построение и расчет разработанной защитной схемы. В [6] рассмотрены особенности системы электроснабжения кислородно-конвертерного производства в отношении коммутационных перенапряжений.

Подписано в печать 23.04.2012 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Ризография. Объем 1,2 п. л. Тираж 120 экз. Заказ № 196.

Полиграфическое подразделение Издательства Липецкого государственного технического университета. 398600 Липецк, ул. Московская, 30.

61 12-5/3881

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ПУШНИЦА КОНСТАНТИН АЛЕКСАНДРОВИЧ

СНИЖЕНИЕ УРОВНЕЙ КОММУТАЦИОННЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ КИСЛОРОДНО-КОНВЕРТЕРНЫХ ПРОИЗВОДСТВ ПОСРЕДСТВОМ СХЕМЫ ЗАЩИТЫ

Специальность 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель канд. техн. наук, доцент, проректор по учебной работе КАЧАНОВСКИЙ Ю.П.

Липецк - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................ 4

1 АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ....................................................................... 7

1.1 Анализ литературных источников............................................... 7

1.2 Задачи исследования................................................................ 24

2 ПОСТРОЕНИЕ ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КОММУТАЦИОННЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ.......... 26

2.1 Особенности функционирования системы электроснабжении кислородно-конвертерного производства.............................................. 26

2.2 Исследуемая схема системы электроснабжения................................... 38

2.3 Имитационные модели элементов системы электроснабжения............ 39

2.4 Предлагаемая модель кабельной линии электропередачи с учетом затухания колебаний при воздействии поверхностного эффекта................. 45

2.5 Предлагаемая модель электродвигателя с учетом емкости обмоток, затухания колебаний в стали и проводниках........................................ 51

2.6 Предлагаемая модель выключателя с учетом среза тока, повторных зажиганий, эскалации напряжения, виртуальных срезов тока и

сопротивления дуги в выключателе.................................................. 61

2.7. Идентификация параметров модели............................................. 71

3 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ И ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ НА ПРОЦЕСС ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ..................................................................... 72

3.1 Оценка влияния длины линии и мощности двигателя

на процесс перенапряжений............................................................ 72

3.2 Оценка влияния скорости гашения высокочастотного тока

на процесс перенапряжений............................................................ 76

3.3 Оценка влияния скорости восстановления диэлектрической

прочности межконтактного промежутка на процесс перенапряжений........ 77

3.4 Оценка влияния момента начала движения контактов и средств

защиты на процесс перенапряжений................................................. 79

3.5 Оценка адекватности предложенной модели................................... 84

4. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ

ЭФФЕКТИВНОСТИ СХЕМ ЗАЩИТЫ................................................ 92

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................... 97

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ................................. 99

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ КАБЕЛЬНОЙ ЛИНИИ В

ПРОГРАММЕ MATHCAD............................................................. 113

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ДВИГАТЕЛЯ В

ПРОГРАММЕ MATHCAD............................................................. 115

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ЗАЩИТНЫХ СХЕМ,

СОСТОЯЩИХ ИЗ RC-ЦЕПЕЙ, В ПРОГРАММЕ MATHCAD................. 118

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. ОСЦИЛЛОГРАММЫ ПРОЦЕССОВ, ПОЛУЧЕННЫХ

НА МОДЕЛИ.............................................................................. 120

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. ДАННЫЕ, СНЯТЫЕ С ПОМОЩЬЮ МОДЕЛИ, В

ТАБЛИЧНОЙ ФОРМЕ.................................................................... 155

ПРИЛОЖЕНИЕ 6. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ..................................................... 163

ВВЕДЕНИЕ

В системе электроснабжения кислородно-конвертерного производства имеется значительное количество высоковольтных электродвигателей и трансформаторов, коммутируемых различными типами выключателей, в том числе вакуумными. При отключении вакуумными выключателями электродвигательных присоединений возможны значительные перенапряжения, вызванные срезом тока и эскалацией напряжения. Кроме того, при срабатывании вакуумных выключателей возможно явление многократных повторных зажиганий дуги, что приводит к возникновению перенапряжений имеющих высокочастотный характер. Коммутационные перенапряжения оказывают существенное влияние на изоляцию оборудования, особенно на электродвигатели, изоляция которых обладает наименьшим запасом электрической прочности.

На сегодняшний день отсутствуют эффективные меры гашения подобных коммутационных перенапряжений. Разрядники, нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН), искровые промежутки как средство защиты от высокочастотных перенапряжений малоэффективны. Вызвано это резким подъемом их вольт-секундных характеристик при предразрядных временах менее 1 мкс. Для защиты от перенапряжений, имеющих высокочастотный характер, все большее применение находят защитные ЯС-цепочки. Однако их применение должно сопровождаться достаточно точным моделированием, так как неправильный выбор параметров ЯС-цепочек может привести даже к ухудшению процесса коммутации. Выбор параметров ЯС-цепочек и оптимальных схем их соединения представляет собой важную техническую задачу. Поэтому проведение исследований по данной теме является своевременным и актуальным.

Целью работы является повышение эффективности электроснабжения кислородно-конвертерных производств посредством снижения уровней коммутационных перенапряжений и улучшения процесса коммутации (уменьшение числа повторных зажиганий дуги в выключателе).

Идея работы состоит в снижении негативного действия коммутационных

перенапряжений посредством ЯС-цепочек, подключаемых к защищаемому оборудованию и соединённых по схеме четырехлучевой звезды, три луча которой включены в защищаемые фазы, а один луч соединен с землей, а также в определении оптимальных параметров данной схемы и оценке ее эффективности на имитационной модели.

Научная новизна заключается:

- в разработанном схемном решении комбинированного трехфазного ре-зистивно-емкостного ограничителя перенапряжений, имеющего лучшие показатели по ограничению уровней коммутационных перенапряжений по сравнению с существующими средствами защиты, отличающегося тем, что ЯС-цепочки подключаются к защищаемому оборудованию и соединены по схеме четырехлучевой звезды, три луча которой включены в защищаемые фазы, а один луч соединен с землей;

- в разработанной имитационной модели вакуумного выключателя, учитывающей процессы, характерные для вакуумного выключателя: срез тока, эскалацию напряжения, повторные зажигания дуги, виртуальные срезы тока, отличающейся тем, что имеет трехфазное исполнение и учитывает сопротивление дуги в выключателе;

- в разработанных имитационных моделях электродвигателя, двигательной нагрузки, кабельной линии и системы, отличающихся тем, что имеют трехфазное исполнение и учитывают затухание колебаний на повышенных частотах;

- в разработанной имитационной модели фрагмента системы электроснабжения, учитывающей срез тока, эскалацию напряжения, повторные зажигания дуги, виртуальные срезы тока в выключателе, отличающейся тем, что имеет трехфазное исполнение, учитывает сопротивление дуги в выключателе и затухание колебаний на повышенных частотах;

- в определенных зависимостях влияния параметров системы электроснабжения и вакуумного выключателя на процесс перенапряжений, отличающихся тем, что получены на более точной имитационной модели;

- в разработанной методике оценки технико-экономической эффективности схем защиты от коммутационных перенапряжений, отличающейся тем, что использует данные, полученные с помощью разработанной имитационной модели.

По материалам разработок получен один патент РФ на изобретение: №2394326 Комбинированный трехфазный резистивно-емкостной ограничитель перенапряжений, заявл. 14.04.2009, опубл. 10.07.2010.

Практическая ценность состоит в том, что разработанный комбинированный трехфазный резистивно-емкостной ограничитель перенапряжений позволяет снижать уровни перенапряжений до 1,62-1,78 o.e. по сравнению с 2,54-3,09 o.e. для ОПН и 1,71-2,16 o.e. для фазной RC-цепочки, уменьшает вероятность повторных зажиганий дуги в выключателе. Это увеличивает срок службы электродвигателя в 1,66-2,53 раз по сравнению с защитой с помощью ОПН и в 1,041,2 раза по сравнению с фазной RC-цепочкой. Разработанная имитационная модель позволяет анализировать влияние различных факторов на процесс перенапряжений и выбирать оптимальные параметры защитных RC-цепочек.

Методы и объекты исследования. Объектом исследования служит система электроснабжения кислородно-конвертерного производства. Предметом исследования являются коммутационные перенапряжения, возникающие при отключении вакуумным выключателем электродвигательных присоединений. При выполнении работы использованы методы инженерного эксперимента и имитационного моделирования. Теоретические изыскания сопровождались разработкой имитационных моделей. Анализу и обработке подвергались экспериментальные данные, приведенные в литературных источниках.

Достоверность результатов и выводов подтверждена: формулировкой задач исследования, сделанной исходя из всестороннего анализа литературных источников; использованием самых современных средств имитационного моделирования (пакет Matlab); хорошим соответствием экспериментальных осциллограмм и осциллограмм, полученных с помощью разработанной модели.

Реализация работы. Разработанная имитационная модель внедрена в форме

лабораторных практикумов и научно-методических разработок по дисциплине «Научно-исследовательская работа» образовательной программы высшего профессионального образования по направлению подготовки 140400 «Электроэнергетика и электротехника» по профилю «Фрактальные и техноценологиче-ские структуры электрооборудования и сетей промышленных предприятий». Также программная модель фрагмента системы электроснабжения внедрена в филиале ОАО «Квадра»-«Восточная генерация» в качестве дополнения к существующим методикам анализа и оценки уровней коммутационных перенапряжений, возникающих при отключении электродвигательных присоединений вакуумными выключателями.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались и докладывались на II ежегодной международной конференции «Энергетика и энергоэффективные технологии», Липецк, 2007 год.

Публикации. По теме диссертации опубликовано шесть печатных работ, из них три в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и шести приложений. Общий объем диссертации 165 е., в том числе 112 с. основного текста, ИЗ рисунков, 12 таблиц, список литературы из 117 наименований, 6 приложений на 53 страницах.

1 АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1Л Анализ литературных источников

Изоляция электрических сетей и электрооборудования должна длительно (в течение десятков лет) выдерживать приложенное к ней рабочее напряжение с учетом загрязнения, увлажнения и других воздействий окружающей среды, а также старения вследствие частичных разрядов, электродинамических усилий, коррозии и других электрофизических, электрохимических и электромеханических воздействий в процессе эксплуатации. Кроме того, изоляция должна надежно выдерживать многократные коммутационные перенапряжения и обеспечивать возможно быструю и легкую ликвидацию последствий в случае ее перекрытия. При этом необходимо учитывать защитное действие нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН), разрядников, оптимизацию действия релейной защиты, автоматического повторного включения (АПВ) и другие меры ограничения перенапряжений и защиты сети от нарушений ее нормальной работы [1, 2, 3, 4].

Технический прогресс в области мер защиты дает возможность поставить проблему приведения изоляции к норме, т. е. создать комплекс мер ограничения и защиты от перенапряжений, при котором изоляция линий и подстанций определялась бы в основном длительным приложением рабочего напряжения. Уровень изоляции при перенапряжениях и соответствующие коэффициенты запаса электрической прочности определяются естественными электрофизическими процессами запаздывания развития пробоя изоляции вследствие кратковременности перенапряжений [1, 5, 6, 7].

Повышение рабочего напряжения и увеличение протяженности воздушных линий электропередачи (ВЛ), с одной стороны, и тенденция снижения их габаритов - с другой, делают все более актуальной задачу глубокого ограничения в них коммутационных перенапряжений. Относится это и к высоковольт-

ным кабельным линиям (КЛ) различного конструктивного исполнения. На практике возникает необходимость уточнения расчетов перенапряжений и условий работы устройств ограничения [8, 9, 10].

Изоляция электрических сетей подвергается длительному (в течение всего срока эксплуатации) воздействию рабочего напряжения, изменение которого допускается в ограниченных пределах. Согласно [4, 11, 12], рабочее напряжение не должно превышать 115% от номинального напряжения для электрических сетей до 220 кВ включительно; 110% для электрических сетей 330 кВ; 105% для электрических сетей 500 кВ и выше. Для сетей 6-35 кВ в соответствии с [13] максимальное рабочее напряжение для 6-20 кВ не должно превышать 120%, для 35 кВ - 115% (40,5 кВ).

Длительное воздействие рабочего напряжения и многократное воздействие перенапряжений в сочетании с неблагоприятными атмосферными условиями (колебания давления, температуры, влажности воздуха; выпадение осадков; загрязнение) и механическими воздействиями могут привести к пробою или перекрытию изоляции, а также к постепенному старению и преждевременному выходу ее из строя. Под перенапряжением понимают любое напряжение, превышающее амплитуду наибольшего рабочего напряжения на изоляции элементов электрической сети. В зависимости от места приложения различают следующие виды перенапряжений [1, 14, 15]:

- фазные, воздействующие на изоляцию токоведущих частей по отношению к земле и имеющие наибольшее практическое значение;

- междуфазные, возникающие на изоляции между токоведущими частями различных фаз;

- внутриобмоточные, воздействующие на изоляцию между различными элементами обмотки (витками, катушками) одной фазы;

- междуконтактные, приложенные между разомкнутыми контактами одноименных фаз коммутационных аппаратов (выключателей, разъединителей).

После любой коммутации возникают коммутационные перенапряжения. Они образуются при резком изменении структуры и параметров сети из-за за-

ряда и перезаряда ее емкостей в процессе перехода системы от одного состояния к другому. Коммутационные перенапряжения определяются двумя составляющими: вынужденной и переходной. При коммутации включения линии амплитуды обеих составляющих одинаковы, а наиболее высокие перенапряжения определяются удвоенной амплитудой вынужденной составляющей перенапряжений. При некоторых коммутациях перенапряжения могут быть больше из-за увеличения переходной составляющей, которая может быть ограничена разрядниками или нелинейными ограничителями перенапряжений. При этом ограничение вынужденной составляющей перенапряжений приводит к ограничению и переходной составляющей и позволяет обеспечить более глубокое ограничение последней разрядниками и нелинейными ограничителями перенапряжений. Поэтому основным средством ограничения коммутационных перенапряжений является уменьшение вынужденной составляющей перенапряжений, которая в свою очередь определяется условиями работы электропередачи в электрической сети [5, 6, 16].

Коммутационные перенапряжения оказывают существенное влияние на изоляцию оборудования, особенно в установках с частыми коммутациями, оборудованных вакуумными выключателями. Эта проблема наиболее актуальна для металлургических предприятий с тяжелыми условиями эксплуатации электрооборудования. Коммутационные перенапряжения возникают не только на зажимах двигателей и трансформаторов при их включении или отключении, но и на секциях шин подстанций при отключении нагруженных линий. В сети с изолированной нейтралью при отключении ненагруженной линии от шин подстанции, суммарная присоединенная емкость которой меньше емкости отключаемой линии в 2-3,5 раза, можно ожидать появления коммутационных перенапряжений на стороне питающих шин с кратностью от 2,3 до 3,5. Такие перенапряжения могут вызвать пробои изоляции электродвигателей, которые питаются от секций шин, если длина кабельных линий менее 300 м [17, 18, 19].

Коммутационные перенапряжения возникают в результате внезапных изменений схемы или параметров сети - коммутаций в широком смысле слова.

Типичными коммутациями являются плановые и аварийные отключения и включения линий, трансформаторов и других элементов сети, а также замыкания на землю и между фазами [20 - 23]. Коммутационные перенапряжения имеют преобладаю�