автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Совершенствование методов и средств снижения однофазных замыканий на землю в распределительных сетях 6-35 кВ промышленных предприятий

На правах рукописи

Кузьмин Роман Сергеевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ СНИЖЕНИЯ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ 6-35 кВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Специальность 05.14.02 - "Электростанции и электроэнергетические системы"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск 2006

Работа выполнена в Государственном университете цветных металлов и золота

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент, Лапаев Игорь Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, Яковлев Вениамин Николаевич

кандидат технических наук, доцент, Бастрон Андрей Владимирович

Ведущая организация:

Сибирский государственный индустриальный университет (СибГИУ), г. Новокузнецк

Защита состоится " 27 " декабря 2006г. 1400 на заседании диссертационного совета Д 212.098.05 в Красноярском государственном техническом университете по адресу: 660074, Красноярск, ул. Киренского, 26, ауд. Г 224.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Красноярского государственного технического университета

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью просим направлять по адресу: 660074, Красноярск, ул. Киренского, 26, КГТУ, Ученому секретарю диссертационного совета Д 212.098.05; факс +7(3912) 43-06-92 (для кафедры ТЭС): е - mail: boiko@krgtu.ru

Автореферат разослан "27" ноября 2006 г. Ученый секретарь

диссертационного совета /)

к.т.н., доцент Бойко Е.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Эффективность функционирования горно - металлургических предприятий в значительной мере определяется надежностью и экономичностью работы его системы электроснабжения.

Основными потребителями электроэнергии на данных предприятиях являются стационарные и передвижные установки большой единичной мощности. Как правило, эти установки относятся к потребителям первой категории по надежности и бесперебойности электроснабжения или к электроустановкам, нарушение электроснабжения которых приводит к значительному недоотпуску продукции.

В процессе эксплуатации изоляция высоковольтного электрооборудования технологических установок испытывает негативное воздействие многочисленных факторов, в результате чего происходит снижение ее диэлектрической прочности, что под воздействием внутренних перенапряжений очень часто приводит к однофазным замыканиям на землю (ОЗЗ). На долю ОЗЗ приходится около 66 % всех аварийных отключений в распределительных сетях 6-10 кВ.

Широкое внедрение высоковольтных вакуумных аппаратов привело к тому, что коммутационные перенапряжения (КП) являются одной из основных причин возникновения ОЗЗ, а низкая селективность защит от ОЗЗ приводит к необоснованному отключению неповрежденных присоединений, что сопровождается неплановым простоем технологического оборудования и негативно отражается на экономических показателях предприятия.

Кроме того, несвоевременное обнаружение и отключение линии с ОЗЗ приводит к многоместным повреждениям в распределительной сети б - 10 кВ за счет перенапряжений, которые возникают в режиме ОЗЗ.

Поэтому актуально совместное решение двух задач, направленных на ограничение внутренних перенапряжений и повышение эффективности существующих систем защит от ОЗЗ, что позволит уменьшить количество ОЗЗ в рас-

пределительных сетях 6 — 10 кВ промышленных предприятий и сократить необоснованный простой технологического оборудования.

Цель работы: разработка комплекса мер направленных на сокращение числа ОЗЗ в распределительных сетях 6 - 10 кВ промышленных предприятий основанных на эффективном ограничении внутренних перенапряжений и на высокой селективности защит от ОЗЗ. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Анализ аварийности распределительных сетей 6 - 10 кВ на современном этапе для выявления наиболее повреждаемых элементов в системе электроснабжения технологического оборудования.

2. Экспериментальные исследования, направленные на определение основных факторов, влияющих на величину и характер КП и перенапряжений в режиме ОЗЗ.

3. Аналитические исследования КП в режиме ОЗЗ, возникающих в системе "выключатель - кабельная линия - электродвигатель".

4. Разработка эффективных методов и средств, позволяющих повысить селективность работы защит от ОЗЗ.

Объ«сг исследований: распределительные сети и электродвигатели напряжением 6 - 10 кВ промышленных предприятий.

Предмет исследований: КП, перенапряжения и режиме ОЗЗ и селективность защит от ОЗЗ.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы методы теории электрических цепей, теории электроснабжения электротехнических комплексов, теории электрических аппаратов и электрических машин, численные методы решения уравнений, методы математического моделирования и теория математической статистики.

В экспериментальных исследованиях применялись методы измерения внутренних перенапряжений и токов ОЗЗ.

Научная новизна работы:

1. Определены основные причины, приводящие к возникновению ОЗЗ в распределительных сетях 6 - 10 кВ на современном этапе и наиболее повреждаемые элементы в системе электроснабжения технологических комплексов, позволяющие разработать комплекс мер по снижению количества ОЗЗ.

2. Установлены зависимости уровней КП в безаварийном режиме, возникающие в системе "выключатель — кабельная линия - электродвигатель", от параметров данной системы, что позволило разработать методику для определения кратности КП в любой точке указанной системы.

3. Выявлены зависимости уровней перенапряжений, возникающих в режиме ОЗЗ, от величины и характера тока ОЗЗ и режима нейтрали сети напряжением 6-10 кВ, для обоснования рационального режима нейтрали сети.

4. Установлены зависимости уровней КП в режиме ОЗЗ от места возникновения ОЗЗ, частоты коммутационного импульса, кратности перенапряжений в режиме ОЗЗ, числа повторных зажиганий дуги в вакуумной камере и величины присоединенной емкости на зажимах электродвигателя, возникающие в системе " выключатель - кабельная линия - электродвигатель", позволяющие разработать устройство для эффективного ограничения КП.

Практическая ценность работы:

1. Разработана методика, позволяющая в зависимости от типа выключателя, типа и мощности электродвигателя, длины и сечения кабельной линии определить кратность КП в любой точке системы " выключатель - кабельная линия - электродвигатель".

2. На основе экспериментальных и аналитических исследований определены параметры универсального КС - ограничителя и разработана его конструкция, которая была учтена при осуществлении промышленного выпуска ограничения КП типа Г4.С - 6,6 - 0,25/50. Конструкция указанного устройства запатентована, как полезная модель.

3. Определены параметры устройства, предназначенного для резистивного заземления нейтрали сети 6 - 10 кВ промышленных предприятий, разработана

его конструкция (с учетом принудительного отвода тепла), которая была учтена при выпуске устройства типа УДАТ - 10 - 500/75. Конструкция указанного устройства запатентована, как полезная модель.

4. Выполнена практическая реализация комплексного подхода к снижению числа ОЗЗ в распределительных сетях ] 0 кВ ОАО "АГК", основанного на совместной эксплуатации устройств ЯС - 6,6 - 0,25/50 и УДАТ - 10 - 500/75.

Достоверность полученных результатов подтверждается удовлетворительным совпадением теоретических и экспериментальных результатов, положительными отзывами при эксплуатации ограничителей КП типа ЯС — 6,6 — 0,25/50.

Автор защищает:

1. Установление зависимости КП, возникающих в системе "выключатель - кабельная линия — электродвигатель" от параметров данной системы как в безаварийном режиме эксплуатации, так и в режиме ОЗЗ.

2. Установление зависимости уровнен перенапряжений, возникающих в режиме ОЗЗ, от величины и характера тока ОЗЗ и режима заземления нейтрали сети напряжением 6-10 кВ.

3. Методику определения кратности КП в системе "выключатель - кабельная линия — электродвигатель" в зависимости от параметров данной системы.

4. Комплексный подход к снижению числа ОЗЗ в распределительных сетях 6 - 10 кВ промышленных предприятий, основанный на высокой эффективности токовых систем защиты от ОЗЗ и эффективном ограничении внутренних перенапряжений за счет совместной эксплуатации устройства УДАТ - 10 -500/75 с ограничителями КП типа ЯС - 6,6 - 0,25/50, подключенных к зажимам электродвигателей.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Перспективные материалы: получение и технологии

обработки" (г. Красноярск, 2004 г), Международной научно-практической конференции "Стратегические приоритеты и инновации в производстве цветных металлов и золота" (г. Красноярск, 2006 г).

Публикации.

По результатам исследований опубликованы 8 печатных работ, из которых: 2 статьи в периодических изданиях по списку ВАК; 2 статьи в периодических изданиях, не вошедших в список ВАК; 4 работы в международных и всероссийских конференциях. Получено два патента на полезную модель.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 81 наименований и 9 приложений. Основной материал диссертационной работы изложен на 160 страницах, проиллюстрирован 34 рисунками и 15 таблицами, приложения представлены на 59 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформированы цель работы и ее основные задачи. Показана научная новизна и практическая ценность выполненных исследований, изложена структура работы.

В первом разделе выполнен анализ аварийности в распределительных сетях 6 - 10 кВ горных, горно-перерабатываюшнх и металлургических предприятий, расположенных в Восточной Сибири, т.к. данные предприятия рассматривались, как единый объект для исследования.

Установлено, что основным видом аварий в распределительных сетях 6-10 кВ являются 033. На долю ОЗЗ приходится около 66 % всех аварийных отключений. Основными причинами возникновения ОЗЗ являются КП, перенапряжения в режиме ОЗЗ и естественное старение изоляции. На указанные причины приходится соответственно 38 %, 33 %, и 20 % возникших ОЗЗ в распределительных сетях промышленных предприятий.

Наиболее повреждаемыми элементами в системах электроснабжения технологических комплексов являются высоковольтные электродвигатели и кабельные линии, на долю которых приходится около 80 % всех 033. Анализ аварийности показал, что перенапряжения, возникающие в режиме ОЗЗ, вызывают пробой изоляции в неповреждённых участках сети практически в каждом третьем случае. Это связанно с несвоевременным обнаружением и отключением участка сети с ОЗЗ. Основной причиной несвоевременного обнаружения ОЗЗ является низкая селективность существующих защит от ОЗЗ. Таким образом, было установлено, что для повышения надежности распределительных сетей 6-10 кВ необходимо резко снизить число ОЗЗ, за счет эффективного ограничения КП и перенапряженнй, возникающих в режиме ОЗЗ, а также добиться высокой селективности защит от ОЗЗ.

С внедрением в промышленную эксплуатацию вакуумной коммутационной аппаратуры проблема КП вышла на первое место.

Исследованиям КП были посвящены работы таких ученых, как А.Ф. Гончаров, И.Я. Эпштейн, Г.А. Евдокунин, З.Г. Каганов, Ф.А. Гиндулин, В.Г. Гольдштейн, A.A. Дульзон, Ф.Х. Халилов, В.И. Роховский, К.П. Кадомская.

Результаты экспериментальных работ и теоретических исследований перенапряжений, возникающих при коммутации электродвигателей, имеют противоречивый характер. Это, в свою очередь, не позволяет сделать окончательных выводов по проблеме КП. Практически отсутствуют исследования КП в режиме ОЗЗ.

Нет единого мнения о вопросе эффективности существующих средств защиты электрооборудования от КП, т.к. не существует эффективной инженерной методики, позволяющей оценить уровень КП в системе "выключатель- кабельная линия - электродвигатель".

Исследования аварийности в распределительных сетях 6-10 кВ промышленных предприятий и анализ состояния проблемы ограничения КП и перенапряжений в режиме ОЗЗ позволили сформировать цели и задачи данной диссертационной работы.

Во втором разделе представлены результаты экспериментальных исследований КП и перенапряжений в режиме ОЗЗ. Разработана инженерная методика оценки КП в системе "выключатель - кабельная линия - электродвигатель".

На основе анализа существующих средств для измерений перенапряжения с учетом того, что измерения необходимо было проводить на передвижных (угольные разрезы) и стационарных (металлургические заводы и ОАО "АГК") электропотребителях. В качестве измерительной аппаратуры использовались регистраторы амплитуд КП РКП — 4, компенсированные емкостные делители напряжений ДНЭК — 10 и порторативиые цифровые осциллографы.

Для измерения КП измерительная аппаратура подключалась в начале и конце кабельной линии, которая связывает выключатель и электродвигатель.

Использование двух комплектов измерительной аппаратуры позволило учесть влияние кабельной линии на величину КП как на зажимах электродвигателя, так и на зажимах выключателя.

Искусственное дуговое ОЗЗ создавалось с помощью воздушного промежутка. Перенапряжения фиксировались в трех точках: на зажимах двух электродвигателей и на секции шин подстанции, что позволило оценить влияние конфигурации сети и режима нейтрали сети на величину перенапряжения, а также выявить влияние работоспособности защиты от ОЗЗ на величину КП в режиме ОЗЗ.

Кратность перенапряжений оценивалась по формуле:

где и — напряжение на зажимах электродвигателя, кВ; 1/н — номинальное напряжение сети, кВ.

Статистическая обработка данных по КП и проверка выборок на однородность производилась по трем критериям: сравнению средних значений, дисперсий и по критерию х2 Пирсона. Проверка выборок на экстремальность позволила установить, что зафиксированные максимальные значения КП являются закономерными, т.к. принадлежат генеральной совокупности.

Статистическая обработка данных позволила установить, что основными факторами влияющими на величину и характер КП в системе "выключатель -кабельная линия - электродвигатель", являются тип и мощность электродвигателя, тип коммутационного аппарата, а также длина и сечение кабельной линии.

Установлено, что кабельная линия оказывает существенное влияние на величину КП, возникающих на зажимах электродвигателя, если коммутация осуществляется масляным выключателем и практически не оказывает влияния на величину и характер КП, возникающих на зажимах электродвигателя, если коммутация осуществляется вакуумным выключателем. Это связано с тем, что в первом случае частота не превышает 15 кГц, продольное сопротивление кабеля увеличивается незначительно. Присоединенная емкость на зажимах электродвигателя увеличивается за счет емкости кабеля, что приводит к снижению амплитуды КП на зажимах электродвигателя, т.к.

где /о - величина среза тока в вакуумном выключателе, А; L — индуктивное сопротивление обмотки электродвигателя, Гн; С - присоединенная емкость на зажимах электродвигателя, Ф.

Во втором случае частота коммутационного импульса находится в диапазоне 60 - 120 кГц, что приводит к сильному увеличению продольного сопротивления кабеля. Емкость кабеля не участвует в увеличении присоединенной емкости на зажимах электродвигателя, что приводит к увеличению амплитуды КП на зажимах электродвигателя.

На рис. 1 представлены зависимости максимальных значений коэффициен- \ тов кратности КП от типа и мощности электродвигателя и типа коммутационного аппарата. На рис. 2 представлены зависимости понижающего коэффици-. ента КП в зависимости от длины и сечения кабельной линии связывающей вы- -ключатель с электродвигателем.

Рисунок 1 - Максимальные значения коэффициента кратности коммутационных перенапряжений Ктах для электродвигателей в зависимости от мощности электродвигателя и типа выключателя:

1 — синхронный электродвигатель с вакуумным выключателем;

2 — асинхронный электродвигатель с вакуумным выключателем;

3 - синхронный электродвигатель с масляным выключателем;

4 — асинхпонньтй электпопвигатель с масляным выключателем.

О 50 100 150 200 250 300 ЗБО 400 433 500 550 600 Рисунок 2 - Изменение понижающего коэффициента коммутационных перенапряжений в зависимости от длины и сечения кабельной линии.

Использование данных зависимостей позволило разработать инженерный метод оценки КП в системе "выключатель - кабельная линия - электродвигатель".

Согласно разработанной методики расчет КП и выбор средств защиты от КП, необходимо производить в следующей последовательности:

1. При отключении электродвигателя от сети масляным выключателем кратность КП на зажимах электродвигателя (точка Кг) и на зажимах выключателя (точка К|) определяется по формулам:

, (3)

%

где Кмах - максимальная кратность перенапряжений, определенная по графику (рис. 1) с учетом типа, мощности электродвигателя и типа выключателя, к„ — понижающий коэффициент, величина которого определяется по графику (рис. 2) в зависимости от сечения и длины кабельной линии.

2. При отключении электродвигателя от сети вакуумным выключателем кратность КП на зажимах электродвигателя (точка К2) и на зажимах выключателя (точка К\) определяется по следующим формулам:

к2 к, . (4)

При подключении электродвигателя к сети кратность КП в точке Кг и К\ определяется по формулам

: *,=Т7' ' (5)

3. Производим обоснование необходимости защиты от КП сначала для точки Кг, если К2 > Кдоп, то защита необходима. Выбираем защиту от КП. Далее делаем пересчет кратности КП в точке К\ с учетом ограничения перенапряжений средствами защиты по формуле

. (6) где К0Гр - уровень ограничения КП средствами защиты.

Экспериментальные исследования перенапряжении в режиме 033 показали, что на величину данных перенапряжений сильное влияние оказывает режим нейтрали сети 6 - 10 кВ и величина емкостного тока ОЗЗ.

Максимальные перенапряжения в режиме ОЗЗ возникают в сети с изолированной нейтралью и могут превышать напряжение сети в три раза, если емкостной ток ОЗЗ находится в диапазоне от 5 А до 50 А.

Снизить величину перенапряжений в режиме ОЗЗ до уровня l,8Un можно, если выполнить компенсацию емкостного тока ОЗЗ, при этом разбалансировка реактора не должна превышать 5%, в противном случае кратность перенапряжений может возрасти до 3,3Uh-

Ограничить перенапряжения в режиме ОЗЗ до уровня 1,8UH можно и за счет заземления нейтрали сети через резистор, при этом должно соблюдаться условие

IJU >0,5, (7)

где /, - активный ток ОЗЗ, обусловленный заземлением нейтрали сети через резистор, А; /с - емкостной ток ОЗЗ, А.

Исследования также показали, что заземление нейтрали сети через резистор, при соблюдении условия (7), приводит к снижению бросков собственных емкостных токов, как минимум в 3 раза, что положительно отражается на работоспособности токовых защит от ОЗЗ.

В ходе выполнения экспериментальных исследований были зафиксированы КП величина которых превышала напряжение сети в 8 - 9 раз. Подобные КП возникали в режиме ОЗЗ на зажимах электродвигателя в случае неселективного отключения их от источника питания защитой от ОЗЗ или за счет действий технического персонала при обнаружении линии с ОЗЗ.

Исследованиями установлено, что максимальные КП возникают на той фазе обмотки электродвигателя, которая до отключения была связана с землей.

Установить основ'ные факторы, влияющие на величину и характер КП на экспериментальном уровне практически невозможно из - за высокой кратности

КП, поэтому дальнейшие исследования в данном направлении были перенесены на аналитический уровень.

В третьем разделе выполнено математическое моделирование КП, возникающих на зажимах электродвигателя, при условии, что линия с электродвигателем была отключена неселективно в режиме ОЗЗ.

Математическое моделирование КП производилось для фазы связанной с землей и для фазы не связанной с землей, без учета и с учетом повторных зажиганий дуги в вакуумной камере выключателя.

Схема замещения фазы статорной обмотки электродвигателя, связанной с землей, представлена на рис. 3, а для фазы, не связанной с землей, на рис. 4.

Рисунок 3 - Схема замещения фазы статорной обмотки электродвигателя связанной с землей при отключении электродвигателя в режиме дугового ОЗЗ.

Использования ключа в схеме замещения, приведенной на рис. 7, связано с соблюдением условия: в момент горения заземляющей дуги напряжение на емкости, которой обладает обмотка электродвигателя по отношению к земле, должна стремиться к нулю, т.к. дуга шунтирует указанную емкость, т.е. С/Д0.)»0.

На основании методов расчета переходных процессов получены уравнения напряжений, возникающих как на фазе связанной с землей, так и на фазе, не связанной с землей в момент неселективного отключения электродвигателя в режиме ОЗЗ.

Рисунок 4 - Схема замещения фазы статорной обмотки электродвигателя, не связанной с землей в режиме дугового ОЗЗ: Сс - емкость внешней фазы сети относительно земли, Ф; Сн - емкость отключаемой нагрузки (включает емкость электродвигателя и кабеля второго участка), Ф; Ьс, Ьн - индуктивности нагрузки и кабеля до места 033, Гн; Ян, Кс - активное сопротивление нагрузки и продольное сопротивления кабеля до места 033, Ом; С?Р - вакуумный .выключатель; Цб - напряжение па фазе сети в режиме ОЗЗ.

Для фазы, связанной с землей, напряжение на нагрузке имеет вид

"«..(О-«"*

Г-<„(0)-Ц,,„<0)а,С„ V д;)»Цнса(0)со5(а>„/)1 , (8)

I. «>а, пЧ. ; 1

где а, -- коэффициент затухания высокочастотного тока; /с»(0) - свободная составляющая высокочастотного тока в первый момент коммутации; ¿Л).св(О) - свободная составляющая напряжения на нагрузке в первый момент коммутации;

) -[ 9<\\ - частота свободных колебаний.

21,.] и. 1

После прекращения повторных зажиганий дуги напряжение на нагрузке определяется по выражению

/( Ш]

11 )

(9)

где а =--й- - коэффициент затухания в контуре нагрузки; /о>(0.) - ток среза в

вакуумном выключателе; а>в = |

а**)

Д ¿и ) ¿н^-н у

- частота свободных колебаний

4

в контуре нагрузки.

Для фазы не связанной с землей напряжение на нагрузке имеет вид

-¡а(0)-а>Копи4„со5(ри)Сн-инсв(0)а,С„'

+ инсв (О)«^/) |, (10)

где Кои - кратность перенапряжения в режиме ОЗЗ, 1!$.« - амплитуда фазного напряжения.

После нескольких повторных зажиганий дуги в вакуумной камере выключателя дуга погасает, а напряжение на нагрузке будет определяться выражением

^н се (') = «"

+ им(0)со^)}. (11)

Математическое моделирование КП выполнялось на примере синхронных электродвигателей типа СДЭУ - 14 - 29 - 6 мощностью 520 кВт и СДЭ - 16 -46-6 мощностью 1250 кВт.

Аналитические исследования показали, что при неселективном отключении электродвигателя от источника питания на величину и характер КП оказывают существенное влияние связь фазы с землей до момента отключения.

Установлено, что кратность КП на фазе связанной с землей всегда выше кратности КП на фазе не связанной с землей. Например: для синхронного электродвигателя мощностью 520 кВт максимальная кратность КП на фазе связанной с землей составила 8,48, а для фазы не связанной с землей - 6,32.

С ростом мощности электродвигателя кратность КП снижается как на фазе связанной с землей, так и на фазе не связанной с землей. Например: с ростом мощности синхронного электродвигателя с 520 кВт до 1250 кВт кратность КП снижается с 7,29 до 2,41, при этом ток среза составляет 14,1 А.

Уменьшение тока среза с 14Д А до 5,66 А приводит к снижению кратности КП с 7,29 до 2,83 для синхронного электродвигателя мощностью 520 кВт.

Кроме вышеуказанных факторов на величину и характер КП для фазы связанной с землей серьезное влияние оказывают расстояние между электродвигателем и местом 033 для фазы не связанной с землей и кратность перенапряжения в режиме ОЗЗ. С увеличением расстояния кратность КП увеличивается, а увеличение кратности перенапряжения в режиме ОЗЗ снижает кратность КП.

Снижение кратности КП на зажимах электродвигателя можно добиться за счет увеличения присоединенной емкости на зажимах электродвигателя, если выполняется условие

/Мз«/с,„. (12)

где/оя - частота колебаний напряжения на неповрежденной фазе сети в режиме ОЗЗ, Гц; /св.н - частота свободных колебаний электромагнитной энергии в отключаемом контуре нагрузки, Гц.

В частности, увеличение присоединенной емкости до 0,25 мкФ на зажимах синхронного электродвигателя мощностью 520 кВт позволяет снизить кратность КП с 2,6 до 0,75, если расстояние между местом ОЗЗ и электродвигателем составляет 100 м. Увеличение расстояния до 1000 м между местом ОЗЗ и электродвигателем практически не влияет на величину КП, если присоединенная емкость на зажимах электродвигателя не опускается ниже 0,25 мкФ.

Несоблюдение условия (12) и увеличение присоединенной емкости на зажимах электродвигателя может привести к росту кратности КП. Поэтому для ликвидации условий, при которых могут возникать максимальные КП на зажимах электродвигателя, недостаточно увеличить присоединенную емкость на зажимах электродвигателя, а необходимо исключить неселективное отключение электродвигателя в режиме ОЗЗ.

В четвертом разделе выполнен анализ эффективности защитных средств и устройств от КП. Разработан универсальный резистивно - емкостной ограничитель КП. Сделан анализ работоспособности существующих систем защит от ОЗЗ. Обосновано совместное использование КС - ограничителей, подключен-

ных к зажимам электродвигателей, и частичного заземления нейтрали сети 6 — 10 кВ через резистор.

Анализ эффективности существующих средств ограничения КП показал, что нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН) не способны защитить изоляцию электродвигателей от КП, т.к. их уровень ограничения КП находится в диапазоне (2,2^2,6)ин, что выше допустимого значения 1,8ин- Кроме этого, ОПН обладает низкой термической устойчивостью в режиме 033. Наиболее эффективным средством ограничения КП является резистивно - емкостной ограничитель перенапряжений.

Принимая во внимание, что допустимое значение КП для электродвигателей не должно превышать 1,8Т_1н, были рассчитаны усредненные значения емкости и сопротивления ЛС - ограничителя (С - 0,25 мкФ, К = 500м, мощность резистора 60 Вт), что позволяло разработать конструкцию универсального КС -ограничителя. Универсальный ЯС — ограничитель состоит из трех однофазных КС - цепочек, собранных по схеме "звезда" и помещенных в специальный корпус со степенью защиты 1Р - 54.Внешний вид универсального КС — ограничителя показан на рис.5.

Рисунок 5 - Внешний вид базового элемента и КС — ограничителя.

Уровень ограничения КП находится в диапазоне (1,3-*-1,7)Цн- С увеличением мощности электродвигателя уровень КП снижается.

Анализ работоспособности систем защит от ОЗЗ показал, что наиболее эффективной системой защиты от ОЗЗ является двухступенчатая токовая система.

Однако коэффициент правильных действий такой системы в сетях 6 - 10 кВ не превышает 40 %. Установлено, что основными причинами, негативно влияющими на коэффициент правильных действий, являются недостаточная величина входного сигнала, которая зависит от конфигурации сети, и броски собственных емкостных токов отдельных линий.

Исследование токораспределения трехфазной системы в режиме 033 показало, что увеличить и стабилизировать величину входного сигнала по току нулевой последовательности можно за счет наложения добавочного активного тока на ток 033 (1а=10-Н2 А), т.е. за счет заземления нейтрали сети через резистор величиной 500 Ом. В этом случае броски собственных емкостных токов отдельных линий не будут превышать полуторократных значений, а величина входного сигнала практически становится независима от конфигурации сети, что позволяет расширить диапазон уставок по току.

Кроме этого, заземление нейтрали сети 6-10 кВ через резистор величиной 500 Ом позволяет ограничить перенапряжения в режиме ОЗЗ до уровня 1,8ин-

Для заземления нейтрали сети 6-10 кВ через сопротивление был разработан резистор,сопротивление которого составило 500 Ом и мощность 75 кВт с принудительным отводом тепла, что позволило эксплуатировать данный резистор в режиме ОЗЗ более двух часов. Внешний вид резистора показан на рис.6.

Г

■А////>//// С

о о

Рисунок 6 - Устройство для создания добавочного активного тока: базовый элемент; 2. корпус; 3. вентиляторы; 4. опорный изолятор,"5. проходной изолятор; 6. трансформатор тока.

Использование указанного резистора в сетях 6-10 кВ позволило наложить на ток ОЗЗ добавочный активный ток, в результате чего коэффициент правильных действий двухступенчатой токовой системы защиты вырос до 95 %, в первую очередь, за счет снижения неселективных (ложных) отключений неповрежденных линий в режиме ОЗЗ.

Таким образом, заземление нейтрали через резистор величиной 500 Ом и использование ЯС - ограничителей, подключенных к зажимам электродвигателей, позволяет эффективно ограничивать КП и перенапряжения в режиме ОЗЗ и добиться селективной работы токовых защит от ОЗЗ, что приводит к снижению числа ОЗЗ в сетях 6 — 10 кВ.

Указанный комплексный подход к снижению числа ОЗЗ в сетях 10 кВ был реализован на ОАО "АГК". Это позволило снизить число ОЗЗ в 2006г по сравнению с 2003г в 4,4раз. Экономический эффект от внедрения указанной системы составил свыше 11,7 млн. руб.

В приложениях приведены следующие материалы: результаты измерения КП в системе электроснабжения электродвигателей и их статистическая обработка; осциллограммы переходных процессов в режиме ОЗЗ; выводы уравнений с помощью которых проводились аналитические исследования КП в режиме ОЗЗ; фотографии разработанного ЯС — ограничителя и резистора; заключения и отзывы о работе КС - ограничителей; акты внедрения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В процессе проведенных исследований были получены следующие результаты:

1. Анализ аварийности распределительных сетей 6-10 кВ на горнометаллургических предприятиях в современных условиях показал, что на долю ОЗЗ приходится 66 % от общего числа аварийных отключений. Основными причинами ОЗЗ являются КП и перенапряжения, возникающие в режиме ОЗЗ, на долю которых соответственно приходится 38,5 и 33 % аварийных отключений.

2. Основными факторами, влияющими на величину и характер КП являются: тип и мощность электродвигателя, тип коммутационного аппарата, длина и сечение кабельной линии, связывающей выключатель с электродвигателем. С ростом мощности электродвигателя уровень КП снижается. Вакуумные выключатели создают КП в 1,5-5-2 раза выше, чем масляные выключатели. Если электродвигатель коммутируется вакуумным выключателем, то длина и сечение кабельной линии не оказывают влияния на величину и характер КП, возникающих на зажимах электродвигателя. При коммутации электродвигателя масляным выключателем увеличение длины н сечения кабельной линии приводит к снижению КП иа зажимах электродвигателя.

3. Разработана инженерная методика по оценке КП, которая учитывает основные факторы, влияющие на величину КП, позволяет определить кратность перенапряжения в любой точке системы "выключатель - кабельная линия - электродвигатель".

4. Основными факторами, влияющими на величину перенапряжений в режиме 033, являются: величина и характер тока 033, режим нейтрали сети и вид 033. В сетях с изолированной нейтралью кратность перенапряжения в режиме ОЗЗ может изменяться от 2,1 до 3, в зависимости от величины тока ОЗЗ. В сетях с компенсированной нейтралью кратность перенапряжений может изменяться от 1,7 до 3,3 в зависимости от разбалансировки реактора. При заземлении нейтрали сети 6-10 кВ через резистор можно снизить кратность перенапряжений до 2,0, если выполняется условие /„/Д. > 0,2, а при выполнении условия /0//с > 0,5 кратность перенапряжений снижается до 1,7+1,8. Дальнейшее увеличение добавочного активного тока практически не приводит к снижению кратности перенапряжений.

5. Исследование КП в режиме ОЗЗ в сети с двигательной нагрузкой показало, что на величину КП, возникающих в фазе связанной с землей, влияют следующие факторы: ток среза и повторные зажигания дуги в вакуумной камере, величина присоединенной емкости на зажимах электродвигателя, мощность электродвигателя, расстояние между местом ОЗЗ и электродвигателем.

Установлено, что рост мощности электродвигателя, увеличение присоединенной емкости на зажимах электродвигателя, а так же уменьшение тока среза приводят к снижению уровня КП, а увеличение расстояния между местом ОЗЗ и электродвигателем увеличивает число повторных зажиганий дуги в вакуумной камере и как следствие повышает уровень КП. Для фазы не связанной с землей, на ряду с выше указанными факторами, серьезное влияние оказывает соотношение между частотой колебаний напряжения (fon) на не поврежденной фазе сети в режиме ОЗЗ и частотой свободных колебаний электромагнитной энергии в отключаемом контуре нагрузки (£,). Если /а1, < то соблюдаются вышеизложенные закономерности, а если /аи>/си, то увеличение присоединенной емкости приведет к росту кратности КП.

6. Научно обоснован и реализован комплекс мер по снижению количества ОЗЗ в распределительных сетях 6-10 кВ, основанный на совместной эксплуатации RC - ограничителей (RC-6,6-0,25/50), подключенных к зажимам электродвигателей и резистора (УДАТ-10,5-500/75), подключенного к нейтральной точке сети. Это позволяет ограничивать КП на зажимах электродвигателя до уровня 1,7 Un, а уровень перенапряжений в режиме ОЗЗ не превышает значения 1,8 UH, коэффициент правильных действий защит от ОЗЗ возрастает до 92 %.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

1. Меньшиков В.А. Влияние внутренних перенапряжений в узлах нагрузки горно - перерабатывающих предприятий на ресурсосберегающие технологии при добыче и переработке полезных ископаемых / Меньшиков В. А., Кузьмин Р. С. // Перспективные материалы: получение и технологии обработки: Сборник материалов Всероссийской научно - технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Красноярск: ГОУ ВПО ГУЦМиЗ, 2004. - С. 231 -232.

2. Кузьмин С. В. Трехфазные КС-ограпичит^ли и RC-гасители - область применения и экономическая эффективность / Кузьмин С. В., Кузьмин Р. С.,

Меньшиков В. А., Лапаев И. И., Ожиганов А. Ю. // Электрика, 2005. - №4. - С. 28-32.

3. Гончаров А. Ф. RC-ограничители и RC-гасители - устройства глубокого ограничения коммутационных перенапряжений в сетях 6-10 кВ / Гончаров А. Ф., Павлов В. В., Кузьмин Р. С., Меньшиков В. А., Ожиганов А. Ю. // Горное оборудование и электромеханика, 2005. - №3.- С. 38 - 40.

4. Кузьмин Р. С. Меры по предотвращению однофазных замыканий на землю в сетях 6-10кВ и повышению селективности отключений на горных предприятиях Сибири / Кузьмин Р. С., Меньшиков В, А., Лапаев И. И., Павлов

B. В. // Горное оборудование и электромеханика, 2005. - №3.- С. 41 - 42.

5. Кузьмин Р. С. Пути повышения надежности систем электроснабжения напряжением 6-10 кВ на предприятиях РУСАЛ / Кузьмин Р. С., Береснев В. В., Кузьмин С. В., Суров В. И., Дубин В. Е., Северин В. И. // Техникоэкономиче-ский вестник РУСАЛ, 2006. - № 14. - С.32 - 37.

6. Кузьмин Р. С. Влияние длины кабельной линии на коммутационные перенапряжения высоковольтных электродвигателей и трансформаторов/ Кузьмин Р. С., Меньшиков В. А., Ковалева О. А., Кузьмин С. В. // Стратегические приоритеты и инновации в производстве цветных металлов и золота: Материалы международной научно-практической конференции / Под ред. В.В. Кравцова: ГОУ ВПО ГУЦМиЗ - Красноярск, 2006. - С.283 - 287.

7. Кузьмин С. В. Проблемы перенапряжений при использовании вакуумных коммутационных аппаратов / Кузьмин С. В., Кузьмин Р. С., Майнагашев Р. А., Заварыкин Б. С., Краснова И. В. // Стратегические приоритеты и инновации в производстве цветных металлов и золота: Материалы международной научно-практической конференции/ Под ред. В.В.Кравцова: ГОУ ВПО ГУЦМиЗ -Красноярск, 2006. - С.287- 293.

8. Кузьмин P.C. Рационализация мест установки устройств, снижающих коммутационные перенапряжения / Кузьмин Р. С., Меньшиков В. А., Кузьмин

C. В., Павлов В. В., Соломенцев В. М. // Стратегические приоритеты и инновации в производстве цветных металлов и золота: Материалы международной на-

учно-практической конференции/ Под ред. В.В.Кравцова: ГОУ ВПО ГУЦМиЗ -Красноярск, 2006, - С.293 - 298.

9. Пат. 44008 Российская Федерация, МПК Н0249/04, Н01С7/12. Устройство для защиты электрооборудования от перенапряжений / Кузьмин С. В., Бе-реснев В. В., Кузьмин Р. С., Струков А. А. - №2004116997/22; опубл. 10.02.05, бюл. №4.

10. Пат. 54254 Российская Федерация, МПК Н01С7/04. Устройство для заземления нейтрали /, Кузьмин С. В., Береснев В. В., Кузьмин Р. С., Струков А. А. -№2005138671/22; опубл. 10.06.06, бюл. №16.

Кузьмин Роман Сергеевич Совершенствование методов и средств снижения однофазных замыканий на

землю в распределительных сетях 6-35 кВ промышленных предприятий Автореферат диссертации на соискание степени кандидата технических наук Подписано в печать 22.11.2006. Заказ № 539 Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 1 тираж 100 экз. Типография Красноярского государственного технического университета

Введение.

1. Состояние вопроса и задачи исследования.

1.1 Общие положения.

1.2 Анализ аварийности распределительных сетей напряжением 6-10 кВ.

1.3 Анализ исследований коммутационных перенапряжений.

1.4 Анализ исследований перенапряжений в режиме однофазного замыкания на землю.

2. Экспериментальные исследования внутренних перенапряжений в электрических сетях напряжением 6-10 кВ.

2.1. Методические основы экспериментальных исследований коммутационных перенапряжений.

2.2 Методические основы экспериментальных исследований перенапряжений в режиме однофазного замыкания на землю.

2.3. Методические основы математической обработки экспериментальных данных. 36 2.4 Результаты измерения коммутационных перенапряжений и результаты обработки статистических данных при коммутации асинхронных и синхронных электродвигателей.

2.5. Инженерная методика оценки коммутационных перенапряжений в сетях 6 - 10 кВ при использовании масляных или вакуумных выключателей для коммутации электродвигателей.

2.6 Результаты измерений перенапряжений в режиме дугового однофазного замыкания на землю.

2.7 Результаты измерений коммутационных перенапряжений в режиме однофазного замыкания на землю.

Выводы.

3. Аналитические исследования коммутационных перенапряжений в режиме однофазного замыкания на землю.

3.1 Общие сведения и методика исследований.

3.2 Описание физических процессов при коммутации электрических машин в режиме 033.

3.3 Математическое моделирование коммутационных перенапряжений в результате среза тока без повторных зажиганий дуги в вакуумной камере выключателя.

3.4 Математическое моделирование коммутационных перенапряжений в режиме 033 с учетом повторных зажиганий дуги в вакуумной камере выключателя.

3.5 Сравнение теоретических и экспериментальных исследований.

Выводы.

4. Разработка комплекса мер по снижению однофазных замыканий на землю.

4.1 Анализ существующих устройств защиты от перенапряжений.

4.2 Разработка универсального трехфазного резистивно - емкостного ограничителя перенапряжений и опыт его внедрения.

4.3 Анализ эффективности защит от однофазных замыканий на землю.

4.4 Анализ существующих устройств для создания добавочного. активного тока в режиме 033.

4.5 Разработка термически устойчивого устройства для создания добавочного активного тока.

4.6 Комплекс мер по снижению однофазных замыканий на землю в сетях 6-1 ОкВ промышленных предприятий.

4.7 Расчет экономического эффекта от внедрения комплекса мер по снижению

Выводы.

Актуальность работы. Эффективность функционирования горнометаллургических предприятий Восточной Сибири в значительной мере определяется надежностью и экономичностью работы его системы электроснабжения.

Основными потребителями электроэнергии на данных предприятиях являются стационарные и передвижные установки большой единичной мощности. Как правило, эти установки относятся к потребителям первой категории по надежности и бесперебойности электроснабжения или к электроустановкам, нарушение электроснабжения которых приводит к значительному недоотпуску продукции.

В процессе эксплуатации изоляция высоковольтного электрооборудования технологических установок испытывает негативное воздействие многочисленных факторов, в результате чего происходит снижение ее диэлектрической прочности, что под воздействием внутренних перенапряжений очень часто приводит к однофазным замыканиям на землю (033). На долю 033 приходится около 66 % всех аварийных отключений в распределительных сетях 6-10 кВ горно-металлургических предприятий [38].

Широкое внедрение высоковольтных вакуумных аппаратов привело к тому, что коммутационные перенапряжения (КП) являются одной из основных причин возникновения 033, а неселективность защит от 033 приводит к необоснованному отключению неповрежденных присоединений, что сопровождается неплановым простоем технологического оборудования и негативно отражается на экономических показателях предприятия.

Кроме этого, несвоевременное обнаружение и отключение линии с 033 приводит к многоместным повреждениям в распределительной сети 6-10 кВ за счет перенапряжений, которые возникают в режиме 033.

Поэтому актуально совместное решение двух задач, направленных на ограничение внутренних перенапряжений и повышение эффективности существующих систем защит от 033, что позволит уменьшить количество 033 в распределительных сетях 6-10 кВ промышленных предприятий и сократить необоснованный простой технологического оборудования.

Цель работы: разработка комплекса мер, направленных на сокращение числа 033 в распределительных сетях 6-10 кВ промышленных предприятий и основанных на эффективном ограничении внутренних перенапряжений и на селективной работе защит от 033.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Анализ аварийности распределительных сетей 6-10 кВ на современном этапе для выявления наиболее повреждаемых элементов в системе электроснабжения технологического оборудования.

2. Экспериментальные исследования, направленные на определение основных факторов, влияющих на величину и характер КП и перенапряжений в режиме 033.

3. Аналитические исследования КП в режиме 033, возникающих в системе "выключатель - кабельная линия - электродвигатель".

4. Разработка эффективных методов и средств, позволяющих повысить селективность работы защит от 033.

Объект исследований: распределительные сети и электродвигатели напряжением 6—10 кВ промышленных предприятий Красноярского края и Иркутской области.

Предмет исследований: коммутационные перенапряжения, напряжения в режиме 033 и селективность защит от 033.

Методика исследований. Для решения поставленных задач в работе использованы методы теории электрических цепей, теории электроснабжения электротехнических комплексов, теории электрических аппаратов, электрических машин, численные методы решения уравнений, методы математического моделирования и математической статистики.

В экспериментальных исследованиях применялись методы измерения внутренних перенапряжений и токов 033.

Научная новизна работы:

1. Определены основные причины, приводящие к возникновению 033 в распределительных сетях 6-10 кВ на современном этапе, и наиболее повреждаемые элементы в системе электроснабжения технологических комплексов, позволяющие разработать комплекс мер по снижению количества 033.

2. Установлены зависимости уровней КП в безаварийном режиме, возникающие в системе "выключатель - кабельная линия - электродвигатель", от параметров данной системы, что позволило разработать методику для определения кратности КП в любой точке указанной системы.

3. Выявлены зависимости уровней перенапряжений, возникающих в режиме 033, от величины и характера тока 033 и режима нейтрали сети напряжением 6-10 кВ, для обоснования рационального режима нейтрали сети.

4. Установлены зависимости уровней КП в режиме 033 от места возникновения 033, частоты коммутационного импульса, кратности перенапряжений в режиме 033, числа повторных зажиганий дуги в вакуумной камере и величины присоединенной емкости на зажимах электродвигателя, возникающие в системе " выключатель - кабельная линия - электродвигатель", позволяющие разработать устройство для эффективного ограничения КП.

Практическая ценность работы:

1. Разработана методика, позволяющая в зависимости от типа выключателя, типа и мощности электродвигателя, длины и сечения кабельной линии определить кратность КП в любой точке системы " выключатель - кабельная линия - электродвигатель".

2. На основе экспериментальных и аналитических исследований определены параметры универсального RC-ограничителя и разработана его конструкция, которая была учтена при осуществлении промышленного выпуска ограничения КП типа RC - 6,6 - 0,25/50. Конструкция указанного устройства запатентована как полезная модель.

3. Определены параметры устройства, предназначенного для резистивного заземления нейтрали сети 6-10 кВ промышленных предприятий, разработана его конструкция (с учетом принудительного отвода тепла), которая была учтена при выпуске устройства типа УДАТ - 10 - 500/75. Конструкция указанного устройства запатентована как полезная модель.

4. Выполнена практическая реализация комплексного подхода к снижению числа 033 в распределительных сетях 10 кВ ОАО "АГК", основанного на совместной эксплуатации устройств RC - 6,6 - 0,25/50 и УДАТ -10- 500/75.

Достоверность полученных результатов подтверждается удовлетворительным совпадением теоретических и экспериментальных результатов, положительными отзывами при эксплуатации ограничителей КП типа RC - 6,6 -0,25/50.

Автор защищает:

1. Установление зависимости КП, возникающих в системе "выключатель - кабельная линия - электродвигатель", от параметров данной системы как в безаварийном режиме эксплуатации, так и в режиме 033.

2. Установление зависимости уровней перенапряжений, возникающих в режиме 033, от величины и характера тока 033 и режима заземления нейтрали сети напряжением 6-10 кВ.

3. Методику определения кратности КП в системе "выключатель - кабельная линия - электродвигатель" в зависимости от параметров данной системы.

4. Комплексный подход к снижению числа 033 в распределительных сетях 6—10 кВ промышленных предприятий, основанный на высокой эффективности токовых систем защиты от 033 и эффективном ограничении внутренних перенапряжений за счет совместной эксплуатации устройства УДАТ - 10 -500/75 с ограничителями КП типа RC - 6,6 - 0,25/50, подключенных к зажимам электродвигателей.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Перспективные материалы: получение и технологии обработки" (г. Красноярск, 2004г.), XII Федеральной научно-технической конференции "Электрификация металлургических предприятий Сибири, прогнозирование параметров электроснабжения и нормирования, реорганизация электроснабжения и ремонта" (г. Новокузнецк, 2004г.), международной научно -практической конференции "Стратегические приоритеты и инновации в производстве цветных металлов и золота" (г. Красноярск, 2006г.).

Публикации.

По результатам исследований опубликованы 8 печатных работ, из которых: 2 статьи в периодических изданиях по списку ВАК; 2 статьи в периодических изданиях, не вошедших в список ВАК; 4 работы в международных и всероссийских конференциях. Получено два патента на полезную модель.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 81 наименований и 9 приложений. Основной пакет диссертационной работы изложен на 160 страницах, проиллюстрирован 34 рисунками и J5 таблицами, приложения представлены на 59 страницах.

Выводы

1. Допустимая величина КП для высоковольтных электродвигателей не должна превышать значения 1,8 UH, т.е. не более 10,8 кВ для сетей напряжением 6 кВ и 18 кВ для сетей напряжением 10 кВ.

2. Существующие средства защит от КП для электродвигателей: вентильные разрядники (РВРД-6) и нелинейные ограничители перенапряжений (ОПНК-6, ОПНК-Ю) - не обеспечивают требуемый уровень ограничения КП, кроме того, нелинейные ограничители перенапряжений термически не устойчивы в режиме ОЗЗ, следовательно, не могут использоваться для защиты электродвигателя.

3. Наиболее эффективным средством ограничения КП является универсальный трехфазный RC-ограничитель, т.к. осуществляет ограничение КП до 1,7UH, что ниже допустимого значения. Кроме этого, усредненные параметры RC - ограничителя (R=50 Ом, С=0,25 мкФ) позволяют наладить серийное производство, а корпус устройства со степенью защиты IP - 54 позволяет размещать RC-ограничители в непосредственной близости от объекта защиты. Максимальное удаление не должно превышать Юм.

4. Наложение добавочного активного тока величиной 12 и 10 А на ток ОЗЗ соответственно в сетях напряжением 6 кВ и 10 кВ позволяет ликвидировать феррорезонансные и резонансные перенапряжения, добиться селективной работы токовых защит от ОЗЗ, ограничить перенапряжения в режиме ОЗЗ до уровня 1,8UH. т.е. до допустимого значения.

5. Существующие средства создания добавочного активного тока ( трансформаторы НТМИ-10, бетэловые резисторы и резисторы типа РЗ) имеют недостаточную термическую устойчивость. Это снижает время работы устройств в режиме ОЗЗ (трансформаторы - 6с, бетэловые резисторы - 30 с, резисторы РЗ - 1,5 ч), что приводит к снижению эффективности ограничения перенапряжений в режиме ОЗЗ, срыву селективности в работе токовых защит и невозможности полностью ликвидировать феррорезонансные и резонансные явления в сетях 6-10 кВ.

6. Разработанное в настоящей работе устройство для создания добавочного активного тока, является термически устойчивым, т.к. предусмотрен принудительный отвод тепла, недорогим, так как выполнен из простых и дешевых материалов. Время работы устройства в режиме ОЗЗ при температуре окружающей среды 40° С составляет 12 ч.

7. Комплексный подход к снижению ОЗЗ, основанный на совместной работе устройства для создания добавочного активного тока и RC -ограничителей, подключенных к электродвигателям, позволяет эффективно ограничивать коммутационные перенапряжения, перенапряжения в режиме ОЗЗ, ликвидировать условие возникновения фер-рорезонансных и резонансных явлений в сетях 6-10 кВ, добиться высокой селективности токовых защит от ОЗЗ, что позволяет резко сократить число ОЗЗ в сетях 6-1 ОкВ.

8. Внедрение комплекса мер по снижению ОЗЗ на ГПП-2 ОАО "АГК" в период 2004-2006 г. позволило в 2005 г. снизить число ОЗЗ в 4,4 раза по сравнению с 2003 г.

Заключение

В процессе проведенных исследований были получены следующие результаты:

1. Анализ эксплуатации распределительных сетей 6-10 кВ на горно -металлургических предприятиях в современных условиях показал, что на долю ОЗЗ приходится 66 % от общего числа аварийных отключений.

2. Основными причинами возникновения ОЗЗ являются КП и перенапряжения, возникающие в режиме ОЗЗ, на их долю соответственно приходится 38,5 % и 33 % аварийных отключений.

3. Длина и сечение кабельной линии, связывающей включатель и электродвигатель, оказывают существенное влияние на величину КП, если электродвигатель коммутируется масляным выключателем, и не оказывает практически ни какого влияния, если электродвигатель коммутируется вакуумным выключателем.

4. Экспериментальные исследования показали, что с ростом мощности электродвигателей максимальная кратность перенапряжений на зажимах электродвигателя снижается, так при использовании вакуумных выключателей зафиксированы следующие максимальные кратности перенапряжений для синхронных электродвигателей: 7,4; 7; 6,5; 6,2; 5,5; 5,2; 3,4; 2,5, мощность которых соответственно составляла 315, 400, 500, 630, 1000, 1250, 2500, 6300 кВт; а для асинхронных электродвигателей аналогичной мощности максимальная кратность перенапряжений соответственно равна 6,4; 6,2; 6; 5,8; 5,3; 5,2; 4; 3. При использовании масляных выключателей максимальная кратность перенапряжений для вышеуказанных синхронных электродвигателей равна: 4,8; 4,6; 4,5; 4,3; 3,8; 3,6; 2,4; 1,6, а для асинхронных электродвигателей соответственно составила: 4,6; 4,4; 4,25; 4,1; 3,7; 3,6; 2,9; 2,5.

5. Обработка экспериментальных значений КП методами математической статистики позволила разработать инженерную методику оценки КП в любой точке системы "выключатель - кабель - электродвигатель", не прибегая к методам математического моделирования и к экспериментальным измерениям.

6. При выполнении экспериментальных исследований установлено, что кратность перенапряжений в режиме дугового ОЗЗ для сети 6 -10 кВ с изолированной нейтралью при емкостном токе ОЗЗ до 5 А не превышает 2,1. Если величина тока ОЗЗ находится в диапазоне 5+50 А, то кратность перенапряжения находится в пределе 2,2+3,0. С увеличением емкостного тока свыше 50 А кратность перенапряжения не превышает 2,5. Для сети с компенсированной нейтралью кратность перенапряжений в режиме ОЗЗ может быть снижена до 1,7+1,8, если разбалансировка реактора не превышает 5 %, в противном случае кратность перенапряжения возрастает и становится соизмеримой с кратностью перенапряжений для сети с изолированной нейтралью.

7. При заземлении нейтрали сети 6 - 10 кВ на землю через резистор можно снизить кратность перенапряжений до 2,0, если выполняется условие 1а/1с > 0,2, а при выполнении условия 1а/1с > 0,6 кратность перенапряжений снижается до 1,7+1,8. Дальнейшее увеличение добавочного активного тока практически не приводит к снижению кратности перенапряжений.

8. Экспериментальные исследования показали, что максимальные значения КП, превышающие напряжение сети в 8 раз, могут возникать в режиме ОЗЗ в неповрежденной линии с двигательной нагрузкой в той фазе, в которой существует ОЗЗ, в случае отключения данной линии от сети вакуумным выключателем.

9. Математическое моделирование КП в режиме ОЗЗ в сети с двигательной нагрузкой подтвердило экспериментальные исследования и показало, что на величину КП, возникающих в фазе, связанной с землей, влияют следующие факторы: повторные зажигания дуги в вакуумной камере, величина присоединенной емкости на зажимах электродвигателя, ток среза, мощность электродвигателя и расстояние между местом ОЗЗ и электродвигателем. Установлено, что рост мощности электродвигателя, увеличение присоединенной емкости на зажимах электродвигателя и уменьшение тока среза приводят к снижению уровня КП, а увеличение расстояния между местом ОЗЗ и электродвигателем увеличивает число повторных зажиганий дуги в вакуумной камере, и как следствие, повышает уровень КП.

10. Математическое моделирование КП, возникающих на фазе статорной обмотки, не связанной с землей, с учетом повторных зажиганий дуги в вакуумной камере при неселективном отключении электродвигателя в режиме ОЗЗ показало, что на величину и характер КП оказывают серьезное влияние не только величина присоединенной емкости на зажимах электродвигателя, ток среза, мощность электродвигателя, кратность перенапряжений в режиме ОЗЗ, расстояния между местом ОЗЗ и электродвигателем, но и соотношение между частотой колебаний напряжения (f0Xi) на неповрежденной фазе сети в режиме ОЗЗ и частотой свободных колебаний электромагнитной энергии в отключаемом контуре нагрузки (fCIi). Если f0TJ< fCB, то соблюдаются закономерности изложенные в предыдущем выводе, а если f0TJ> fcli, то увеличение присоединенной емкости приведет к росту кратности КП.

11 .Наиболее эффективным средством ограничения КП является универсальный трехфазный RC-ограничитель, т.к. осуществляет ограничение КП до 1,7U„, что не представляет опасности для изоляции электродвигателя. Кроме этого, усредненные параметры RC-ограничителя (R=50 Ом, С=0,25 мкФ) позволяют наладить серийное производство ограничителя RC - 6,6 - 0,25/50, а корпус устройства со степенью защиты IP - 54 позволяет размещать RC-ограничители в непосредственной близости от объекта защиты, при этом максимальное удаление не должно превышать 10 м.

12.Наложение добавочного активного тока величиной 12 и 10 на ток ОЗЗ соответственно в сетях напряжением 6 кВ и 10 кВ позволяет ликвидировать феррорезонансные и резонансные перенапряжения, добиться селективной работы токовых защит от ОЗЗ, ограничить перенапряжения в режиме ОЗЗ до уровня 1,8U„ не представляющих серьезной опасности как для изоляции электродвигателей, так и для изоляции кабельных линий, т.к. допустимая кратность перенапряжений для указанных объектов соответственно составляла 1,80,, и 2,8Un. .Разработанное в настоящей работе устройство для создания добавочного активного тока типа УДАТ - 10,5 - 500/75 выпускается в ООО "Рутас" как опытно - промышленная партия и является термически устойчивым, т.к. предусмотрен принудительный отвод тепла, и недорогим, так как выполнен из простых и дешевых материалов. Время работы устройства в режиме ОЗЗ при температуре окружающей среды 40° С составляет 12 ч.

14.Комплексный подход к снижению ОЗЗ, основанный на совместной работе устройства для создания добавочного активного тока и RC, -ограничителей, подключенных к зажимам электродвигателей, позволяет эффективно ограничивать КП, перенапряжения в режиме ОЗЗ, ликвидировать условие возникновения феррорезонансных и резонансных явлений в сетях 6-10 кВ, добиться высокой селективности токовых защит от ОЗЗ, что позволит сократить число ОЗЗ в сетях 6-ЮкВ. Внедрение комплекса мер по снижению ОЗЗ на ГПП-2 ОАО "АГК" в период 2004-2006 г. позволило в 2006 г. снизить число ОЗЗ в 4,4 раза по сравнению с 2003 г.

1. Абрамович Б. Перенапряжения и электрическая совместимость оборудования электрических сетей 6 35 кВ /Б. Абрамович, С. Кабанов, А. Сергеев, В. Полищук // Новости электротехники. 2002.-№5-С. 22 - 24.

2. Аржанников Е.А. Дистанционный принцип в релейной защите и автоматике линий при замыканиях на землю /Е. А. Аржанников. М.: Энерго-атомиздат, 1985. - 176 с.

3. Базуткин В.В. Техника высоких напряжений. Изоляция и перенапряжения в электрических системах / В.В. Базуткин, В.П. Ларионов, Ю.С. Пин-таль- М.: Энергоатомиздат, 1986. 464 с.

4. Белкин Г.С. Закономерности среза тока в вакууме / Г.С. Белкин // Электричество. -1991.- №4. С.6 - 10.

5. Беляков Н.Н. Исследование перенапряжений при дуговых замыканиях на землю/Н.Н. Беляков//Электричество. 1957. - №5. - С.31 - 36.

6. Бикфорд Д.П. Моделирование на цифровых ЭВМ процесса неявного среза тока в вакуумных выключателях / Д.П. Бикфорд // Elektric Applications. 1979. - №4. - С. 125 - 131.

7. Буткевич Г.В. Дуговые процессы при коммутации электрических цепей / Г.В. Буткевич М.: Высшая школа, 1967. - 163 с.

8. Вакуумные дуги: Пер с англ. / Под. ред. Дж. Лаффети. М.: Мир, 1982. -432 с.

9. Воздвиженский В.А. Вакуумные выключатели в схемах управления электродвигателями / В.А. Воздвиженский, А.Ф. Гончаров, В.Б. Козлов и др.. М.: Энергоатомиздат,1988. -200 с.

10. Воздвиженский В.А. Срез тока в вакуумном выключателе / В.А. Воздвиженский // Электричество. 1973. - №6. - С.57 - 61.

11. Гандулин Ф.А. Перенапряжения в сетях 6 35кВ / Ф.А. Гандулин, В.Г. Гольдштейн, А.А. Дульзон, Ф.Х. Халимов. - М.: Энергоатомиздат, 1989.- 192 с.

12. Гольдберг О.Д. Влияние коммутационных перенапряжений на надежность электродвигателей / О.Д. Гольдберг, И.М. Комлев, Н.И. Суворов и др. // Электротехника. 1968. - №5. - С. 14 - 18.

13. Гмурман В.Е. Руководство к решению задач по теории вероятностей и математической статистики / В.Е. Гмурман. .М.: Высшая школа, 1975.- 333 с.

14. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика/ В.Е. Гмурман. М.: Высшая школа, 1998. - 479 с.

15. Гончаров А.Ф. Повышение эффективности применения RC ограничителей коммутационных перенапряжений / А.Ф. Гончаров, В.Н. Язев, В.В. Павлов и др. // Информационно - аналитический сборник - "Краснояр-скэнергонадзор". - 2002. - №2. - С. 81 - 84.

16. Гончаров А.Ф. Выбор защитных емкостей для высоковольтных двигателей экскаваторов с учетом тока однофазного замыкания на землю / А.Ф.

17. Гончаров, И .Я. Эпштейн // Изв. вузов. Горный журнал. - 1986. - №11.-С.26-29.

18. Гончаров А.Ф. Влияние RC защиты от коммутационных перенапряжений на условие электробезопасности / А.Ф. Гончаров, И .Я. Эпштейн, С.В. Кузьмин, Ю.М. Попов // Изв. вузов. - Горный журнал. - 1989. - №8. -С.32 - 36.

19. Гончаров А.Ф. Анализ результатов измерения перенапряжений при коммутации высоковольтных двигателей экскаваторов / А.Ф. Гончаров, И,Я. Эпштейн, Ю.Н. Попов и др. // Электротехника. 1986. - №9. - С. 13 - 16.

20. Даки Н.В. Режимы заземления нейтрали сетей 6-10 кВ ОАО "Газпром / Н.В. Даки, С.В. Великий, А.А. Челазнов // Ограничение перенапряжений и режимы заземления нейтрали сетей 6-35 кВ:Тр.П Всерос.научн. -техн. конф. Новосибирск, 2002. - С. 13 - 22.

21. Джуварлы Ч.М. К теории перенапряжений от заземляющих дуг в сетях с изолированной нейтралью / Ч.М. Джуварлы//Электричество. 1953.-№6. - С.18 -27.

22. Долгинов А.И. Перенапряжения в электрических системах / А.И. Долги-нов. М.: Госэнергоиздат, 1962. - 126 с.

23. Евдокунин Г.А. Современная вакуумная коммутационная техника для сетей среднего напряжения / Г.А. Евдокунин. С. - Петербург: Изд-во Сизова М.П., 2002,- 147 с.

24. Заболотников А.П. Выбор ограничителей перенапряжений для сетей 6 -35 кВ / А.П. Заболотников // Ограничение перенапряжений и режимы заземления нейтрали сетей 6 35кВ: Тр.II Всерос. научн. - техн. конф. -Новосибирск, 2002.-С.177- 183.

25. Зевеке Г.В. Основы теории цепей: Учеб. пособие для вузов / Г.В. Зевеке, П.А. Ионкин, А.В. нетушил, С.В. Страхов. -М: Энергия, 1965.-450 с.

26. Каганов З.Г. Внутренние воздействия перенапряжений и другие воздействия на витковую изоляцию электродвигателей. Испытание витковой изоляции электрических машин / З.Г. Каганов. Л.: Энергоатомиздат, 1988.-728 с.

27. Каганов З.Г. Волновые напряжения в электрических машинах / З.Г. каганов. М.: Энергия, 1970. - 209 с.

28. Корицкий Ю.В. Справочник по электротехническим материалам / Ю.В. Корицкий. Л.: Энергоатомиздат, 1988. - 728 с.

29. Куликовский B.C. Защита высоковольтных электродвигателей экскаваторов от коммутационных перенапряжений, инициируемых вакуумными выключателями: Автореф. дис. канд. техн. наук. Красноярск, 2002 -26 с. - В надзад: Краснояр. гос. техн. ун-т.

30. Лифачев Ф.А. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов / Ф.А. Лифачев. М.: Энергия, 1971.-152 с.

31. Методика сбора и обработки статистической информации о надежности шахтного электрооборудования / Под ред. Р.Г. Беккера: ИГД им Скочин-ского, 1975. 96с.

32. Немеш М. Коэффициент перенапряжений при однофазном замыкании в распределительных сетях с нейтралью, заземленной через ограничительный резистор / М. Немеш, Д. Вэкару, Ш. Аренстайн. Энергетика (СРР). - 1982. -№1. - С. 13 - 16.

33. Обабков В.К. Еще раз о компенсации емкостных токов в сетях 6-35 кВ / В.К. Обабков // Энергетика. 2002. - №2. - С.32 - 36.

34. Обабков В.К. Устройства автокомпенсации емкостных и активных составляющих типа УАРК в системах электроснабжения с резонансным заземлением нейтрали / В.К. Обабков, Ю.Н. Целуевский // Пром. энергетика. 1989. - №3. - С. 17 - 25.

35. Ограничение перенапряжений и режимы заземления нейтрали сетей 6 -35кВ: Тр тр.III Всерос. научн. техн. конф. / Отв. ред. К. П. Кадомская. -Новосибирск, 2004.

36. Озерной М.И. Переходные процессы в участковой электросети при коммутации асинхронных короткозамкнутых электродвигателей / М.И. Озерной, В.М. Фарович // Изв. Вузов Горный журнал. - 1969. - №3 -С.163 - 168.

37. Пат. №44008 РФ, МПК Н0249/04, Н01С7/12. Устройство защиты электрооборудования от перенапряжений/ Кузьмин С.В., Береснев В.В, Кузьмин Р.С., Струков А.А. № 2004116997/22; опубл. 10.02.05 , бюл. №4.

38. Пат. №54254 РФ, МПК Н01С7/04. Устройство для заземления нейтрали / Кузьмин С.В., Береснев В.В, Кузьмин Р.С., Струков А.А. -№2005138671/22; опубл. 10.06.06, бюл. №6.

39. Перцев А.А. Повторные пробои двух соединенных последовательно вакуумных дугогасительных камер / А.А. Перцев, Л.А. Рыльская, В.В. Чул-ков // Электричество. 1991. - №3. - С.23 - 27.

40. Перцев А.А. Вакуумные дугогосительные камеры для выключателей 35- ПО кВ / А.А. Перцев, Л.А. Рыльская // Электрическая промышленность. Сер. Аппараты высокого напряжения. 1981. - вып. 8(121).- С.7- 10.

41. Половой И.Ф. Внутренние перенапряжения на электрооборудовании высокого и сверхвысокого напряжения / И.Ф. Половой, Ю.А. Михайлов-Л.: Энергоатомиздат, 1990. 152 с.

42. Попов И.А. Вакуумные выключатели / И.А. Попова. М.: Энергия, 1985. -200 с.

43. Попов И.Н. Релейная защита основанная на контроле переходных процессов / И.Н. Попов, Г.В. Соколова. М.: Энергоатомиздат, 1986 - 246 с.

44. Разгильдеев Г.И. Эксплуатация вакуумных выключателей в электрических сетях горных предприятий / Г.И. Разгильдеев, В.В. Курехин. М.: Недра, 1988.- 102 с.

45. Разработка мероприятий по повышению эффективности применения вакуумных коммутационных аппаратов в карьерных сетях: отчет по НИР 143 02, № гос. ре 81066643 / И .Я. Эпштейн, А.Ф. Гончаров, С.Н. Нага-рев и др. - КИЦМ, 1981. - 52 с.

46. Раховский В.И. Физические основы коммутации электрического тока в вакууме / В.И. Раховский. М.: Наука, 1970. - 536 с.

47. Риман Я.С. Защита шахтных установок сетей от токов короткого замыкания / Я.С. Риман. М.:Недра, 1985. - 88 с.

48. Рыбкин В.А. Определение волновых параметров и коммутационных перенапряжений при отключении вакуумным выключателем двигателя 6 кВ / В.А. Рыбкин, С.С. Чубрик, В.Н. Помыткин // Пром. Энергетика. 1977. -№11.-С. 41-44.

49. Рыбкин A.M. Перенапряжения при отключении вакуумным выключателем трансформатора без нагрузки и с индуктивной нагрузкой / A.M. Рыбкин, И.А. Лукацкая, А.Л. Буйнов, С.М. Давыдов, В.Д. Леменков // Электрические станции. 1990. - №1. - С.62 - 68.

50. Рыльская Л.А. Электрическая прочность вакуумной дугогасительной камеры после отключения тока / Л.А. Рыльская, А.А. Перцев // Электротехника. 1985. - №1.-С.5 - 9.

51. Серов В.И. Методы и средства борьбы с замыканиями на землю в высоковольтных системах горных предприятий / В.И. Серов, В.И. Щуцкий, Б.М. Ягудаев. М.: Наука, 1985. - 136 с.

52. Сирота И.М. Трансформаторы и фильтры напряжения и тока нулевой последовательности / И.М. Сирота. Киев: Наукова думка, 1983. - 268 с.

53. Статистическое оценивание / Под ред. Ю.П. Адлера, В.Г. Горского, М.: Статистика, 1976. 586 с.

54. Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов / Б.М. Тареев. М.: Энергоиздат, 1982. - 320 с.

55. Уинди Б. Кабельные линии высокого напряжения: Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1983 -232 с.

56. Цапенко Е.Ф. Шахтные кабели и электробезопасность сетей / Е.Ф. Ца-пенко, Л.И. Сычев, П.Н. Кулешов М.: недра, 1988. - 213 с.

57. Шабунов В.А. Разработка схем испытаний выключателя в режиме отключения двигателей высокого напряжения / В.А. Шабунов. Электро-техн. пром - сть. Сер. Аппараты высокого напряжения, трансформаторы, силовые конденсаторы. - 1984. - вып. 6. - С. 12 - 16.

58. Щуцкий В.И. Защита от замыканий на землю в сетях приисков напряжением 6кВ / В.И Щуцкий, А.А Буралков, B.C. Смирнов, С.В. Кузьмин, В.М. Соломенцев. М.: ЦНИИцветмет экономики и информатики, 1990. -52 с.

59. Электрические и электронные аппараты: Учеб. пособие для вузов / Под ред. Ю.К. Розанова. М.: Энергоатомиздат, 1998. - 752 с.

60. Эпштейн И.Я. Импульсная прочность изоляции экскаваторных электродвигателей / И .Я. Эпштейн, А.Ф. Гончаров, Ю.Н. Попов // Горный журнал. 1991.-№9. - С. 36-39.

61. Эпштейн И.Я. Методика оценки влияния коммутационных аппаратов на эксплуатационную надежность изоляции электрооборудования / И.Я. Эпштейн, А.Ф. Гончаров // Электротехника. 1990. - №2. - С. 28 - 32.

62. Bloomquist W.C., Owen K.J. High resistance grounded power systems why not. Pt. 1 - 3/ - In: IEEE Conf. Rec. Annu. Pulp. And Pap. Ind. Techn. Conf, Vancouver, 1975. N.Y., 1975,p. 54-62.

63. Bridger B. High resistance grounding/ IEEE Trans. Industry APPL., 1983, vol. IA- 19, N 1, p. 15-21.

64. Gelent В., Schade E., Dullm E. Mlasurement of partikcles and vapor density after high Current vacuum arcs by laser technigues // IEEE Trans or Plasma Scienc, 1987. vol PS -№15. - C.545 - 551.

65. Nassar O.M. Surqe protection of motors isit sufficient. IEEE Trans., 1984, PAS - 103, N 8, p.2181-2185.

66. Ohkawa M, Koike H. Switching surge in vacuum. Switching devices and counter-measures // Toschiba Rev. Int. Ed., 1976. N. 105, p. 18 25.

67. Wanygary N. Moffatt W. Might resistance downing and selective ground fault protection for major industrial facility. In: 30th Annu. Petrol, and С hem. In-dustr. Conf, Denver (col.), 12-14 Sept., 1983. N.Y., 1983. p. 69-77.