автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Совершенствование методов оценки, прогнозирования и средств ограничения коммутационных перенапряжений в системах электроснабжения 6-10 кВ



На правах рукописи

Гаврилова Екатерина Владимировна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ, ПРОГНОЗИРОВАНИЯ И СРЕДСТВ ОГРАНИЧЕНИЯ КОММУТАЦИОННЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 6 - 10КВ

Специальность 05.14.02 - Электрические станции и электроэнергетические системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

9 ИЮН 2011

Красноярск - 2011

4849732

Работа выполнена в ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», г.Красноярск

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Кузьмин Сергей Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Дулесов Александр Сергеевич

кандидат технических наук, профессор, Заслуженный энергетик России Кунгс Ян Александрович

Ведущая организация:

ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет (СибГИЦ)», г.Новокузнецк

Защита диссертации состоится «22» июня 2011г. в 14 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.099.07 при ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» по адресу г.Красноярск, ул.Ленина, 70, ауд.А 204.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского федерального университета по адресу: г.Красноярск, пр.Свободный, 79/10.

Автореферат разослан «21» мая 2011г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ДМ 212.099.07

канд. техн. наук, доцент

Т.М. Чупак

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. На современном этапе развития систем электроснабжения (СЭС) 6 - ЮкВ промышленных предприятий^ широко используются вакуумные и элегазовые выключатели, кабели из сшитого полиэтилена, тири-сторные преобразователи и преобразователи частоты. Это приводит к тому, что в распределительных сетях присутствуют высшие гармоники, а при коммутации электродвигателей и трансформаторов вакуумными и элегазовыми выключателями возникают коммутационные перенапряжения (КП), величина которых может превышать номинальное напряжение сети в 5 - 7 раз.

Опыт эксплуатации электрооборудования в сетях 6 - ЮкВ показал, что основной объем аварийных отключений связан с пробоями изоляции из-за воздействия КП и естественным старением изоляции. Статистика указывает на то, что около 50% однофазных замыканий на землю в системах электроснабжения 6 - 1 ОкВ горно-металлургических предприятий возникает по причине КП.

В период с 1975г. по 2003г. интенсивно разрабатывались средства ограничения КП, такие как ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН), RC-ограничители и RC-гасители. Разработка средств защиты от КП позволила в некоторой степени снять остроту проблемы КП, так как снизилось число пробоев изоляции кабельных линий и трансформаторов, однако интенсивность пробоев изоляции обмоток электродвигателей остается весьма высокой.

Это в первую очередь связано с отсутствием комплексной методики оценки и прогнозирования КП в распределительных сетях 6 - ЮкВ промышленных предприятий, учитывающей влияние на величину и характер КП не только вакуумных и масляных выключателей, но и элегазовых и электромагнитных выключателей, класс напряжения сети, тип кабельной линии и наличие высших гармоник тока, что не позволяет обоснованно подойти к выбору необходимых средств защиты от КП.

Остается открытым вопрос, связанный с эффективным ограничением КП в распределительных сетях 6 - ЮкВ с наличием высших гармоник тока.

Решение указанных задач является актуальным, так как позволит спрогнозировать величину КП в системах электроснабжения 6 - ЮкВ в случае замены устаревших коммутационных аппаратов на современные и обоснованно подойти к выбору средств защиты от КП, как на стадии проектирования, так и во время эксплуатации систем электроснабжения, что положительно отразится на надежности СЭС.

Целью работы является разработка комплексного метода оценки и прогнозирования КП в высоковольтной системе «выключатель - кабельная линия -электроприемник» и совершенствование средств защиты от КП в сетях 6 - ЮкВ при наличии высших гармоник тока.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать современные исследования КП в СЭС 6 - ЮкВ промышленных предприятий, а также методы их оценки и прогнозирования.

2. Выполнить экспериментальные исследования перенапряжений, возникающих при коммутации электродвигателей и трансформаторов элегазовыми и электромагнитными выключателями с последующей статистической обработкой данных для выявления основных факторов, определяющих величину и характер КП.

3. Осуществить математическое моделирование КП в системе «выключатель - кабельная линия - электроприемник» для изучения влияния параметров электроприемника, высших гармоник тока и угла коммутаций на кратность КП.

4. Разработать комплексный метод оценки и прогнозирования КП в СЭС 6-1 ОкВ на основе совершенствования экспресс - методов, за счет учета влияния электромагнитных и элегазовых выключателей, высших гармоник тока, класса напряжения сети и типа кабельной линии на величину перенапряжений.

5. Усовершенствовать конструкцию ЯС-гасителей, предназначенных для эффективного ограничения КП в сетях 6 - ЮкВ с наличием высших гармоник тока

Объект исследования: высоковольтные системы «выключатель - кабельная линия - электродвигатель (трансформатор)», эксплуатируемые в распределительных сетях 6 - ЮкВ горно-металлургических и нефтеперерабатывающих предприятий.

Предмет исследования: коммутационные перенапряжения, возникающие в системе напряжением 6 - ЮкВ «выключатель - кабельная линия - электроприемник».

Методы исследования. В работе использованы методы теории электрических цепей и электрических измерений, теории систем электроснабжения промышленных предприятий, теории электрических машин, численные методы решения уравнений при моделировании переходных процессов в электрических схемах замещения с помощью программного обеспечения МаЛСАЛ, методы математической статистики.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработан комплексный метод оценки и прогнозирования КП в системах электроснабжения 6-10 кВ, включающий:

- оценку зависимости максимальных кратностей КП от типа и мощности электродвигателей и трансформаторов;

- определение возможных диапазонов частоты коммутационного импульса в зависимости от типа и мощности нагрузки для вакуумных, элегазовых, масляных и электромагнитных выключателей, обеспечивающее обоснованный подход к выбору устройств защиты от КП электродвигателей и трансформаторов;

- установленную зависимость понижающего коэффициента кратности КП от напряжения сети, коэффициента искажения синусоидальности кривой тока и типа изоляции кабельной линии.

2. По результатам математического моделирования установлено для электродвигателей мощностью свыше 1000 кВт существенное влияние на рост кратности КП угла коммутации, а для двигателей менее 1000 кВт и гармонического состава тока.

Практическая значимость:

1. Разработанный комплексный метод оценки и прогнозирования КП позволяет оценить величину КП в любой точке высоковольтной системы: «выключатель - кабель - электроприемник», определить точки с наибольшей кратностью КП и обоснованно выбрать необходимые средства защиты.

2. Разработанный и внедренный ЯС-гаситель с выносным блоком резисторов обладает устойчивостью к воздействию высших гармоник тока, ограничивает кратность КП в распределительных сетях 6 - ЮкВ до уровня 1,75 и менее, и тем самым обеспечивает надежную защиту электродвигателей и трансформаторов от перенапряжений.

3. Для эффективного ограничения КП и снижения вероятности термического разрушения данных устройств определены рациональные области использования ОПН, ЯС-ограничителей и ЯС- гасителей.

Реализация полученных результатов. Разработанный комплексный метод оценки и прогнозирования КП использовался при расчетах перенапряжений при коммутации электродвигателей и трансформаторов в системах электроснабжения 6 - ЮкВ следующих промышленных предприятий: ОАО «САЗ», ОАО «БрАЗ», ОАО «ИркАЗ», ОАО «АНПЗ ВНК» и ОАО «Уралкалий». Усовершенствованные КС-гасители успешно эксплуатируются на ОАО «НПЗ ВНК», ОАО «САЗ» и ОАО «ИркАЗ». За период работы с 2008г. по 2010г. не было зафиксировано ни одного случая выхода из строя электродвигателя по причине воздействия КП.

Результаты работы используются в учебном процессе при подготовке инженеров по электротехническим специальностям в ФГАОУ ВПО СФУ ИГДГиГ.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждаются совпадением расчетных значений КП на основе комплексного метода оценки и прогнозирования КП и экспериментальных данных, полученных при измерениях в системах электроснабжения 6-10 кВ таких предприятий, как ОАО «САЗ», ОАО «БрАЗ», ОАО «ИркАЗ», ОАО «НПЗ ВНК» и ОАО «Уралкалий»

На защиту выносятся:

1. Полученные закономерности максимальных кратностей КП от типа и мощности электродвигателей и трансформаторов для элегазовых и электромагнитных выключателей, позволяющие оценить кратность КП на вводах электроприемников.

2. Установленные зависимости понижающего коэффициента кратности КП от класса напряжения сети, коэффициента искажения синусоидальности кривой тока и типа кабельной линии, которые позволяют оценить влияние высших гармоник тока и параметров кабелей на величину перенапряжений при коммутации электродвигателей и трансформаторов.

3. Комплексный метод оценки и прогнозирования КП в системе «выключатель - кабельная линия - электроприемник», позволяющий определить точки с максимальной кратностью КП в зависимости от типа коммутационного аппарата, параметров кабелей и электроприемников, частоты коммутационного импульса, коэффициента искажения синусоидальности кривой тока и обоснованно

выбрать необходимые средства защиты, как на стадии проектирования, так и в процессе эксплуатации данной системы.

4. Конструкцию RC-гасителя, предназначенного для ограничения КП в сетях 6 - ЮкВ с наличием высших гармоник тока и рациональные области использования ОПНов, RC-ограничителей и RC-гасителей.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях: I Международная научно-практическая конференция «ИНТЕХМЕТ-2008» (г.Санкт-Петербург, 2008 г.); VIII Всероссийская научно-практическая конференция «Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города» (г.Красноярск, 2007 г.); IX Всероссийская научно-практическая конференция «Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города» (г.Красноярск, 2008 г.); X Всероссийская научно-практическая конференция «Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города» (г.Красноярск, 2009 г.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 10 печатных работ, из которых: 3 статьи в периодическом издании по списку ВАК; 1 статья в периодическом издании; 6 работ в трудах международных и всероссийских конференций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 91 наименования. Основной текст диссертационной работы изложен на 147 страницах, проиллюстрирован 32 рисунками и 29 таблицами.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, даётся общая характеристика работы, её научная новизна и практическая ценность, сформулированы цели и задачи исследований, отражены вопросы реализации и апробации научных результатов, сформулированы основные положения работы, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен анализ аварийности распределительных сетей 6 - ЮкВ на примере горно-металлургических предприятий и нефтеперерабатывающих заводов. Рассмотрены методы оценки КП и существующие средства и устройства их ограничения. Обобщены результаты исследований КП в распределительных сетях 6 - ЮкВ.

Показано, что на современном этапе развития СЭС 6 - 1 ОкВ промышленных предприятий основными факторами, влияющими на аварийность распределительных сетей, является сочетание КП и естественного старения изоляции кабельных линий, обмоток электродвигателей и трансформаторов. На долю КП приходится около 50% однофазных замыканий на землю. Это связано с широким использованием вакуумных и элегазовых выключателей.

Для ограничения КП в настоящее время используются ОПН, RC-ограничители и RC-гасители. Выбор устройств защиты от КП и место их установки без учета параметров защищаемого объекта, типа коммутационного аппарата и кабельной линии, наличие высших гармоник в сетях 6 - ЮкВ, частоты коммутационного импульса приводит к низкой эффективности устройств, а в

определенных случаях к их термическому разрушению. Например, использование ОПНов для защиты от КП электродвигателей мощностью 2500 кВт и менее, при их коммутации вакуумным выключателем вызывает появление «зоны замирания» в работе ОПН, то есть на определенном промежутке времени ОПН не реагирует на КП, следовательно, не ограничивает их, что способствует возникновению электрического пробоя изоляции обмоток электродвигателей. Подобный эффект наблюдается если частота коммутационного импульса более 45 кГц.

Использование RC-ограничителей и RC-гасителей со встроенным блоком резисторов в распределительных сетях с наличием высших гармоник тока в определенных случаях приводит к их термическому разрушению. Термическому разрушению подвержены и ОПНы в режиме однофазного замыкания на землю.

Необоснованность выбора средств защиты от КП связана с отсутствием достоверного прогнозирования КП в СЭС 6 - ЮкВ. Существующие методы оценки и прогнозирования КП, к которым относятся методы математического и физического моделирования, экспериментальные и экспресс - методы оценки КП, не обладают достаточной для практики точностью или трудоемки, если коммутация электроприемников осуществляется элегазовыми или электромагнитными выключателями, а в сети присутствуют высшие гармоники тока. Следовательно, наиболее актуальным направлением повышения эффективности ограничения КП в СЭС 6 - ЮкВ промышленных предприятий является совершенствование методов оценки, прогнозирования и средств ограничения КП с учетом влияния высших гармоник, электромагнитных и элегазовых выключателей.

Во второй главе обоснованы методика и приборная база для измерения перенапряжений при коммутации электродвигателей и трансформаторов элегазовыми и электромагнитными выключателями.

Для фиксации и осциллографирования КП использовался компенсационный RC- делитель типа ДНЕК-10 и четырехканальный цифровой осциллограф Tektronix TDS2024B. КП фиксировались как на вводах электроприемника, так и на зажимах выключателя. Это позволило оценить влияние параметров электроприемника, кабельной линии на величину и кратность КП в разных точках системы «выключатель - кабельная линия - электропрнемник».

На основе статистической обработки экспериментальных данных получены зависимости максимальных кратностей КП от типа и мощности электродвигателей и трансформаторов для электромагнитных и элегазовых выключателей, данные зависимости представлены на рисунках 1 и 2.

На рисунке 1 приведены максимальные значения кратности коммутационных перенапряжений в зависимости от типа и мощности электродвигателя и типа выключателя: 1 -асинхронный электродвигатель с элегазовым выключателем; 2 - синхронный электродвигатель с элегазовым выключателем; 3 -асинхронный электродвигатель с электромагнитным выключателем; 4 - синхронный электродвигатель с электромагнитным выключателем.

На рисунке 2 представлены максимальные значения кратности коммутационных перенапряжений для масляных и сухих трансформаторов в зависимости от их мощности и типа выключателя: 1 - сухой трансформатор с элегазовым выключателем; 2- масляный трансформатор с элегазовым выключателем; 3

- сухой трансформатор с электромагнитным выключателем; 4 - масляный трансформатор с электромагнитным выключателем.

Кша:

543 2

Ц

250 500

1 -асинхронный электродвигатель с элегазовым выключателем

2 - синхронный электродвигатель с элегазовым выключателем

3 -асинхронный электродвигатель с электромагнитным выключателем

4 - синхронный электродвигатель с электромагнитным выключателем

1000

1500

2000

Р, кВт

2500

Юп®

б

5~| 4 3 2 1-

Рисунок 1 - Максимальные значения кратности коммутационных перенапряжений в зависимости от типа и мощности электродвигателя и типа выключателя

1 - сухой трансформатор с элегазовым выключателем 2- масляный трансформатор с элегазовым выключателем

3 - сухой трансформатор с электромагнитным выключателем

4 - масляный трансформатор с электромагнитным выключателем

н—I Г~ 100 250 400 630

кВ-А

1000

1600

2000

2500

Рисунок 2 - Максимальные значения кратности коммутационных перенапряжений для масляных и сухих трансформаторов в зависимости от их мощности и типа выключателя

Анализ полученных зависимостей показывает, что с увеличением мощности электроприемника кратность КП падает, подобные закономерности характерны и для перенапряжений, возникающих при коммутации электродвигателей и трансформаторов вакуумными и масляными выключателями.

Зависимости, представленные на рисунках 1 и 2, в дальнейшем были использованы при разработке комплексного метода оценки КП в СЭС 6 - ЮкВ.

В результате выполнения экспериментальных исследований были получены возможные диапазоны коммутационных импульсов при коммутации асинхронных и синхронных электродвигателей разными типами выключателей, которые представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Диапазон частот коммутационного импульса при коммутации асинхронных и синхронных электродвигателей, разными типами выключателей

Тип выключателя Мощность электродвигателя, кВт

250 320(315) 400 500(520) 630 1250 2500

Электромагнитный 20-28 18-24 16-22 14-20 12-16 10-14 6-8

Масляный 30-38 28-34 24-32 20-28 18-25 12-15 7-10

Элегазовый 60-70 55-65 50-60 45-55 45-50 35-40 20-35

Вакуумный 100-120 80-100 80-90 70-80 60-80 50-70 30-42

Ранее доказано, что кабельная линия способствует снижению кратности КП на вводах электроприемника, если частота коммутационного импульса не превышает 45 кГц, поэтому можно утверждать, что для электродвигателей мощностью 250 кВт и более, которые коммутируются вакуумными выключателями, параметры кабельной линии не будут оказывать влияние на величину КП в сторону её уменьшения. Для элегазовых выключателей влияние длины и сечения кабельной линии на параметры КП будет ощущаться для электродвигателей мощностью 1250 кВт и более. При коммутации электродвигателей масляными и электромагнитными выключателями кабельная линия оказывает постоянное влияние на величину и характер КП.

Экспериментально установлено, что при коммутации трансформаторов любым типом выключателей частота коммутационного импульса не превышает 22 кГц. Следовательно, кабельная линия будет оказывать влияние на величину и характер КП на вводах трансформаторов.

Данные диапазоны частот коммутационных импульсов позволяют не только оценить влияние кабельной линии на величину КП, но и обоснованно подойти к выбору устройств защиты от КП, в первую очередь ОПНов, что позволит избежать появления «зоны замирания» в работе устройства.

Экспериментальные исследования не позволили в полной мере оценить влияние высших гармоник тока на величину и характер КП. Поэтому исследования влияния высших гармоник на величину и характер КП были выполнены с использованием математического моделирования.

В третьей главе приведены результаты аналитических исследований перенапряжений при коммутации электроприемников в сетях 6 - ЮкВ с наличием высших гармоник тока.

Аналитические исследования производились на базе синхронных двигателей 520 кВт и 1250 кВт, что позволило установить влияние параметров электродвигателей мощностью до и свыше 1000 кВт в сочетании с высшими гармониками тока и углом коммутации на величину и характер КП.

В основу разработки математической модели, описывающей переходные процессы токов и напряжений при отключении электродвигателей от сети 6 кВ, были приняты во внимание следующие факторы, полученные экспериментальным путем:

- длительность коммутационного импульса ничтожно мала по отношению к периоду промышленной частоты и не превышает значения 5-10"4с;

- переходные процессы токов и напряжений в обмотках статора электродвигателей обусловлены срезом тока, то есть дуга между контактами выключателя отсутствует.

В этих условиях можно принять следующие допущения: выключатель можно считать идеальным ключом; параметры обмотки электрической машины будут линейны и не зависимы т величины тока и напряжения, ротор двигателя в момент коммутации является неподвижным; значение напряжения сети при частоте 50 Гц считаем квазипостоянной величиной равной мгновенному значению напряжения в начальный момент коммутации; междуфазную и межвит-ковую емкость не учитываем (первой пренебрегаем в виду ее незначительности - 2,5% от емкости фазы на землю, вторая учитывается только для электродвигателей малой мощности).

Это позволяет коммутируемую цепь считать линейной, а влияние высших гармоник оценить с помощью метода суперпозиций.

В результате математического моделирования получены зависимости КП от коэффициента искажения синусоидальности кривой тока и угла коммутации при отключении синхронных электродвигателей от сети 6 кВ. Данные зависимости, представленные на рисунке 3, показывают, что для двигателей мощностью менее 1000 кВт кратность КП возрастает, как с увеличением значения искажения синусоидальности кривой тока, так и угла коммутации. Для двигателей мощностью свыше 1000 кВт основным фактором, влияющим на кратность КП является угол коммутации.

На основе математического моделирования были определены оптимальные значения параметров КС-гасителей, предназначенных для ограничения КП в распределительных сетях 6 - ЮкВ при наличии высших гармоник: Я = 12,5 Ом, С = 0,25 мкФ. При указанных параметрах КС-гасителей на кратность КП не оказывают влияние высшие гармоники тока и угол коммутации. Это видно из третьей зависимости, представленной на рисунке 3, при этом кратность КП не превышает значения 1,75, что обеспечивает надежную защиту электродвигателей от КП, так как допустимая кратность КП для изоляции обмоток электродвигателей составляет 1,8.

Кп

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

а)

Ф=203

<р=103 9=103

О

10 20 30 40 50 60 б)

70 80 90 100

Рисунок 3 - Зависимость кратности коммутационных перенапряжений от значения коэффициента искажения синусоидальности кривой тока при отключении синхронного двигателя мощностью 520 кВт (а) и 1250 кВт (б): 1, 2 - без устройств защиты от КП; 3 - с использованием ЯС-гаситсля

Результаты математического моделирования были использованы для определения поправочного коэффициента, учитывающего влияние высших гармоник на кратность КП, при разработке комплексной методики оценки и прогнозирования перенапряжений в СЭС 6 - ЮкВ и разработки конструкции КС-гасителей для ограничения КП в сетях с наличием высших гармоник.

В четвертой главе приведен комплексный метод оценки и прогнозирования КП в СЭС 6 - ЮкВ промышленных предприятий, который базируется на экспресс - методах и позволяет учесть влияние элегазовых и электромагнитных выключателей, а также тип кабельной линии, наличие высших гармоник в сети и напряжение сети. Влияние высших гармоник, длины и сечения кабельной линии и тип её изоляции учитывается с помощью корректирующих коэффициентов. Для сетей напряжением 6 кВ корректирующий коэффициент определяется по формуле:

к.к.6 V . V .V

квг кп ктип

(1)

где квг - поправочный коэффициент, учитывающий влияние высших гармоник тока на величину КП и определяется по кривым, представленным на рисунке 4, в зависимости от значения коэффициента искажения синусоидальности кривой тока;

кп - понижающий коэффициент, учитывающий влияние длины и сечения кабельной линии, связывающей выключатель с электроприемником, на величину КП и определяется по кривым, представленным на рисунке 5;

ктип - поправочный коэффициент, учитывающий тип кабельной линии на величину КП и равен 1; 1,4 и 2,6 для кабелей соответственно с бумажной пропитанной изоляцией в металлической оболочке (броне); с пластиковой или резиновой изоляцией и изоляцией из сшитого полиэтилена.

1 - Электродвигатели мощностью более 1 ООО кВт и трансформаторы

2 - Электродвигатели мощностью менее 1000 кВт

Kj,%

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Рисунок 4 - Зависимость поправочного коэффициента кратности коммутационных перенапряжений от коэффициента искажения синусоидальности кривой тока

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550

1 - 3x25 мм2, 2 - 3x35 мм2, 3 - 3x50 мм2,4 - 3x70 мм2,5 - 3x95 мм2, 6-3x120 мм2, 7 - 3x150 мм2, 8 - 3x185 мм2, 9 - 3x240 мм

Рисунок 5 - Изменение понижающего коэффициента коммутационного перенапряжения в зависимости от длины и сечения кабельной линии

Комплексный метод состоит из трех основных частей.

Первая часть метода позволяет оценить величину перенапряжений при коммутации электродвигателей и трансформаторов масляными и электромагнитными выключателями. Расчет КП в системе «выключатель - кабельная линия - электроприемник», представленной на рисунке 6, осуществляется в следующей последовательности:

Рисунок 6 - Расчетная схема для определения кратьостей коммутационных перенапряжений

1. Величина КП на зажимах двигателя или трансформатора при отключении (точка К2) определяется по формулам:

к(2) =^и.к ,К т

п10 ^/з к.к.6 тах' V*

Кп6)=кк.к.6-Ктах. (3)

где Ктах - максимальное значение кратности КП на зажимах нагрузки, которое выбирается по кривым, представленным на рисунках 7,8 и 9 в зависимости от типа и мощности электродвигателя или трансформатора, с учетом типа выключателя;

ки = 1,45 и 1,5 — соответственно для кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена и для остальных типов кабелей.

2. Величина КП при отключении в точке соединения кабельной линии и выключателя (точка К1) определяется по выражениям:

к(2)

к(Л)=-— - (4)

п6 к -к ^ п тип

К (2)

кО)—^а!-0-, (5)

п1° к -к ^ п тип

3. Величина КП в сетях 6 - ЮкВ на зажимах электродвигателя или трансформатора при включении (точка К2) определяется по выражению:

к

(2) _ 4,2

к -к п тип

(6)

4. Величина КП в точке соединения кабельной линии и выключателя при включении (точка К1) определяется по формуле:

(2)

П.ВКЛ П\

^п.вкл-^ •

п тип

Вторая часть метода посвящена оценки перенапряжений при коммутации электродвигателей мощностью до 1250 кВт и до 2500 кВт соответственно эле-газовыми и вакуумными выключателями. Расчет КП осуществляется в следующей последовательности:

1. Величина КП на зажимах электродвигателя при отключении (точка К2) определяется по формулам:

к(2)=5тшх (8)

п.6 к ' 4 '

вг

п\ к -К

тДА) _ и тах п.10- 7з.к ' ^

вг

2. Величина КП при отключении в точке соединения кабельной линии и выключателя (точка К1) определяется по выражениям:

к(2)

к(1)=-п6_ (10)

п6 к -к ^ ' п тип

К(2)

К*1,^—ПШ-, (11)

п1° к -к V ; п тип

3. Величина КП на зажимах двигателя и выключателя при включении (точка К2 и К1) определяется соответственно по формулам (6) и (7).

250 500 1000 1500 2000 2500

Рисунок 7 - Максимальные значения коэффициента кратности коммутационных перенапряжений для синхронных и асинхронных электродвигателей в зависимости от

типа выключателя:

1 - асинхронный электродвигатель с вакуумным выключателем; 2 - синхронный электродвигатель с вакуумным выключателем; 3 -асинхронный электродвигатель с элегазовым выключателем; 4 - синхронный электродвигатель с элегазовым выключателем; 5 -асинхронный электродвигатель с масляным выключателем; 6 -синхронный электродвигатель с масляным выключателем; 7 -асинхронный электродвигатель с электромагнитным выключателем; 8 - синхронный электродвигатель с электромагнитным выключателем

Ктах

100 250 400 630 1000

8, кВ А 2500

Рисунок 8 - Максимальные значения коэффициент кратности коммутационных перенапряжений для сухих трансформаторов в зависимости от типа выключателя: 1 - вакуумный; 2 - элегазовый; 3 - масляный; 4 - электромагнитный

5

4-

з-2-

2

1-

3

4

кВ-А

100 250 400 630

1000

1600

2000

2500

Рисунок 9 - Максимальные значения коэффициента кратности коммутационных перенапряжений для масляных трансформаторов в зависимости от типа выключателя: 1 - вакуумный; 2 - элегазовый; 3 - масляный; 4 - электромагнитный

Отличие первой части от второй состоит в том, что при коммутации электродвигателей и трансформаторов масляными и электромагнитными выключателями частота коммутационного импульса менее 45 кГц, поэтому в формуле (3) присутствует понижающий коэффициент (к„), учитывающий влияние длины и сечения кабельной линии на кратность КП.

В третьей части метода рассмотрен расчет перенапряжений при коммутации трансформаторов и электродвигателей мощностью более 1250 кВт и 2500 кВт соответственно элегазовьми и вакуумными выключателями. В этом случае частота коммутационного импульса не превышает 45 кГц, поэтому определение величины кратности производится по формулам (3) - (8).

Относительная погрешность предложенного метода оценки и прогнозирования КП по отношению к экспериментальным данным не превышает 10%, поэтому данный метод можно использовать как на стадии проектирования СЭС, так и во время их эксплуатации.

В пятой главе выполнен анализ эффективности существующих устройств ограничения КП и определены рациональные области использования ОПН, ЯС- ограничителей и ЯС-гасителей.

Показано, что для исключения «зоны замирания» в работе ОПН и повышения термической устойчивости в режиме однофазных замыканий на землю, ограничители перенапряжений нелинейные рационально использовать в сетях 6 - ЮкВ с резистивным или комбинированным режимом нейтрали для защиты силовых трансформаторов и кабельных линий от КП.

Обоснованно, что областью использования ЯС-ограничителей является защита электродвигателей в распределительных сетях 6 - 1 ОкВ промышленных предприятий с токами однофазного замыкания на землю не более 5А, а коэффициент искажения синусоидальности кривой тока не должен превышать 10%.

RC-гасители рациональнее использовать для защита электродвигателей и трансформаторов в сетях с токами однофазного замыкания на землю более 5А и искажением синусоидальности кривой тока не превышающем 10%.

Превышение значения коэффициента искажения синусоидальности кривой тока более 10% может вызвать термическое разрушение RC-ограничителей и RC-гасителей. Это связано с конструкцией данных устройств, в которой блок резисторов и конденсаторов располагается в одном герметичном корпусе, заполненном диэлектрической жидкостью для пропитки конденсаторов, биораз-лагающейся в окружающей среде, типа Jarilec С101.

Протекание токов высших гармоник может вызвать интенсивный нагрев резисторов, сопровождающийся повышением давления внутри корпуса, что в конечном счете приводит к разгерметизации устройства и его термическому разрушению. При этом сопротивление резистора составляет 50 Ом, а мощность рассеяния 60 Вт.

Для исключения интенсивного нагрева RC-цепей в герметичном корпусе, предложено блок резисторов вынести наружу, снизить его сопротивление до 12,5 Ом, увеличив мощность рассеяния до 180 Вт, что позволит существенно снизить вероятность термического разрушения RC-гасителей.

Опыт использования RC-гасителей подобной конструкции в распределительных сетях 10 кВ на Саяногорском и Иркутском алюминиевых заводов показал, что за три года эксплуатации ни один электродвигатель не вышел из строя по причине КП, а термическое разрушение RC-гасителей не наблюдалось, при этом значение коэффициента искажения синусоидальности кривой тока изменялось от 24% до 76%.

Внешний вид RC-гасителей данной конструкции представлен на рисунке 10.

Технические характеристики: Номинальное напряжение сети 6 - 10 кВ Уровень ограничения КП < 1,75 Электрические параметры:

12,5 Ом С=0,25"мкФ

Габаритные размеры (МхЬ): 700 х 700 х 350 мм Вес - 28 кг.

Рисунок 10 - Внешний вид ЯС-гасителя с выносным блоком сопротивлений

Таким образом, использование двух конструкций КС-гасителей позволит расширить область их применения, включая металлургические предприятия.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Выполненный анализ аварийности распределительных сетей 6 - ЮкВ показал, что в настоящее время основной причиной аварийных отключений в системах электроснабжения промышленных предприятий является совокупность естественного старения изоляции кабельных линий и электрооборудования с КП, поэтому эффективное ограничение КП на основе достоверного прогнозирования КП позволит повысить надежность СЭС промышленных предприятий.

2. При выполнении экспериментальных исследований получены диапазоны частот коммутационных импульсов при использовании вакуумных, элегазо-вых, масляных и электромагнитных выключателей для коммутации электродвигателей и трансформаторов что позволило эффективно использовать кабельные линии для ограничения КП. Ограничение КП за счет параметров кабельной линии наблюдается, если частота коммутационного импульса менее 45 кГц, что приводит к ограничению перенапряжений на зажимах электродвигателей мощностью 2500 кВт и более при их коммутации вакуумным выключателем. При использовании элегазовых выключателей кабельная линия снижает величину КП на зажимах электродвигателей мощностью 1250 кВт и более. При эксплуатации масляных и электромагнитных выключателей кабельная линия уменьшает перенапряжения при коммутации электродвигателей независимо от их мощности. Кабельная линия снижает перенапряжения при коммутации трансформаторов любыми типами выключателей.

3. По результатам статистической обработки экспериментальных данных получены зависимости максимальных кратностей КП от типа и мощности электродвигателей и трансформаторов, для элегазовых и электромагнитных выключателей, что позволяет оценить кратность КП на вводах электроприемников, при использовании указанных типов включателей и выбрать необходимые устройства защиты от КП.

4. Результаты математического моделирования показывают, что для двигателей мощностью свыше 1000 кВт существенное влияние на рост кратности КП оказывает угол коммутации, в то время как для двигателей мощностью менее 1000 кВт величина КП зависит как от угла коммутации, так и от наличия высших гармоник, что позволило установить зависимость кратности КП от значения коэффициента искажения синусоидальности кривой тока.

5. По результатам математического моделирования и экспериментальных исследований определено, что использование RC-цепей с параметрами: С = 0,25 мкФ и R = 12,5 Ом, позволяет обеспечить надежную защиту электродвигателей от КП при наличии высших гармоник тока в сетях 6 - ЮкВ, так как кратность КП не превышает значения 1,75, что ниже допустимого уровня для изоляции обмоток электродвигателей равного 1,8 и практически не зависит от мощности и типа двигателя, коэффициента искажения синусоидальности кривой тока и угла коммутации. Усовершенствованные RC-гасители с данными параметрами и выносным блоком резисторов успешно эксплуатируются в течении трех лет в сетях 10 кВ Саяногорском и Иркутском алюминиевых заводов компании РУСАЛ.

6. Разработан комплексный метод оценки и прогнозирования КП в СЭС 6

- ЮкВ, охватывающий все типы высоковольтных коммутационных аппаратов, с учетом влияния напряжения сети, типа кабеля, параметров электродвигателей и трансформаторов и наличия высших гармоник тока.

7. Анализ эффективности устройств защиты от КП на основе использования методов относительных критериев позволил определить рациональные области использования ОПН, RC-ограничителей и RC-гасителей. Рациональная область использования ОПН - защита трансформаторов от КП в распределительных сетях 6 - ЮкВ с резистивным и комбинированным режимом нейтрали. RC-ограничители и RC-гасители со встроенным блоком резисторов целесообразно использовать для защиты электродвигателей в сетях 6-1 ОкВ с коэффициентом искажения синусоидальности кривой тока не боле 10% и токами однофазного замыкания на землю менее и более 5А соответственно. RC-гаситель с выносным блоком резисторов может эксплуатироваться в распределительных сетях независимо от режима нейтрали, величины тока однофазного замыкания на землю и наличия высших гармоник.

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Гаврилова, Е.В. Влияние процесса дугогашения в высоковольтных выключателях на величину коммутационных перенапряжений, возникающих в сетях 6 - ЮкВ горнодобывающих предприятий [Текст] / Е.В. Гаврилова, C.B. Кузьмин, Д.В. Барышников // Горное оборудование и электромеханика. - 2009.

- №2. - С. 41 - 44.

2. Гаврилова, Е.В. Влияние типа и мощности электродвигателей и типа выключателей на величину коммутационных перенапряжений, возникающих в сетях 6-10 кВ горнодобывающих предприятий [Текст] / Е.В. Гаврилова, C.B. Кузьмин, В.А. Меньшиков, М.В. Коровина // Горное оборудование и электромеханика. - 2011. - №3. - С. 6 - 9.

3. Гаврилова, Е.В. Опыт эксплуатации средств защиты от коммутационных перенапряжений в системах электроснабжения 6 кВ горных предприятий [Текст] / Е.В. Гаврилова, C.B. Кузьмин, P.A. Майнагашев, C.B. Немков // Горное оборудование и электромеханика. - 2011. - №4. - С. 53 - 54.

В прочих изданиях:

4. Гаврилова, Е.В. Электромагнитная совместимость средств защиты от коммутационных перенапряжений с защищаемыми объектами [Текст] / Е.В. Гаврилова, C.B. Кузьмин, P.C. Кузьмин, В.Н. Язев, В.И. Суров, В.Е. Дубин,

B.А. Меньшиков // Технико-экономический вестник РУСАЛа. - 2006. - №17 -

C. 62 - 64.

5. Гаврилова, Е.В. Анализ аварийности в системах электроснабжения 6-10 кВ горно-металлургических предприятий Сибири и основные направления по снижению аварийности [Текст] / Е.В. Гаврилова, C.B. Кузьмин, P.C. Кузьмин, И.С. Зыков // Сборник материалов I международной научно-практической конференции «Интехмет-2008» // Санкт-Петербург. - 2008. - С. 22 - 24.

6. Гаврилова, E.B. Влияние процесса дугогашения выключателя на уровень и характер коммутационных перенапряжений [Текст] / Е.В. Гаврилова, C.B. Кузьмин // Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города: Материалы VIII Всероссийской научно-практической конференции // Красноярск. -

2007.-С. 322-325.

7. Гаврилова, Е.В. Исследование коммутационных перенапряжений в системах электроснабжения 6-10 кВ горно-металлургических предприятий в режиме однофазного замыкания на землю [Текст] / Е.В. Гаврилова, P.C. Кузьмин, В.А. Меньшиков, P.A. Майнагашев // Сборник материалов I международной научно-практической конференции «Интехмет-2008» // Санкт-Петербург. -

2008.-С. 66-67.

8. Гаврилова, Е.В. Основные направления по снижению аварийности в системах электроснабжения 6-10 кВ промышленных предприятий [Текст] / Е.В. Гаврилова, И.С. Зыков, P.A. Майнагашев, В.В. Дементьев // Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города: Материалы IX Всероссийской научно-практической конференций // Красноярск. - 2008. - С. 142 -146.

9. Гаврилова, Е.В. Сравнительный анализ высоковольтных коммутационных аппаратов с точки зрения коммутационных перенапряжений, возникающих в системах электроснабжения электродвигателей [Текст] / Е.В. Гаврилова, C.B. Кузьмин, В.Н. Язев // Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города: Материалы VIII Всероссийской научно-практической конференции // Красноярск. - 2007. - С. 280 - 285.

10. Гаврилова, Е.В. Устойчивость силовых трансформаторов 6 - 35 кВ к коммутационным перенапряжениям объектами [Текст] / Е.В. Гаврилова, В.В. Павлов, P.A. Майнагашев, И.С. Кузьмин // Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города: Материалы X Всероссийской научно-практической конференции // Красноярск. - 2009.

Подписано в печать 18.05.2011 Формат 60x84/16. Уч.-изд. л. 1,1 Тираж 110 экз. Заказ № 4086

Отпечатано:

Полиграфический центр Библиотечно-издательского комплекса Сибирского федерального университета 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 82а

Принятые обозначения и сокращения.

ВВЕДЕНИЕ.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Общие положения.

1.2 Анализ аварийности распределительных сетей 6-10кВ.

1.3 Анализ существующих средств и устройств ограничения коммутационных перенапряжений.

1.3.1 Кабельные линии.

1.3.2 Нелинейные ограничители перенапряжений.

1.3.3Резистивно-емкостные ограничители перенапряжений (КСограничители)

1.3.4Резистивно-емкостные гасители перенапряжения (КС-гасители).

1.4 Анализ исследований коммутационных перенапряжений.

1.5 Анализ существующих методов оценки коммутационных перенапряжений.

2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОММУТАЦИОННЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ И СТАТИСТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ДАННЫХ.

2.1 Методики измерения коммутационных перенапряжений и обработки статистических данных.

2.1.1 Методика измерений коммутационных перенапряжений.

2.1.2 Методика обработки статистических данных.

2.2 Результаты обработки статистических данных при коммутации синхронных и асинхронных высоковольтных электродвигателей.

2.3 Результаты обработки статистических данных при коммутации масляных и сухих трансформаторов.

2.4 Экспериментальные исследования частоты коммутационного импульса.

2.5 Исследование влияния высших гармоник тока на величину коммутационных перенапряжений.

Выводы по второй главе:.

3 АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОММУТАЦИОННЫХ

ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ.

3.1 Общие сведения и методика исследований.

3.2 Физические процессы, возникающие при отключении электродвигателей от сети 6 - 10 кВ при наличии высших гармоник тока.

3.3 Математическая модель коммутационных перенапряжений при наличии высших гармоник тока в результате среза тока без повторных зажиганий дуги.

3.4 Результаты математического моделирования коммутационных перенапряжений при отключении синхронных двигателей мощностью 520 кВт и 1250 кВт без средств защиты от коммутационных перенапряжений.

3.5 Результаты математического моделирования коммутационных перенапряжений при отключении синхронных двигателей мощностью 520 кВт и 1250 кВт со средствами защиты от коммутационных перенапряжений.

Выводы по третьей главе:.

4 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ КОММУТАЦИОННЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 6 - 10 КВ.

4.1 Изучение влияния класса напряжения сети на величину понижающего коэффициента.

4.2 Изучение влияния типа кабельной линии на величину понижающего коэффициента.

4.3 Влияние высших гармоник тока на перенапряжения, возникающие при коммутации силовых трансформаторов.

4.4 Определение корректирующего коэффициента кратности КП.

4.5 Комплексная методика оценки и прогнозирования коммутационных перенапряжений в сетях 6-10кВ.

4.5.1 Оценка перенапряжений при коммутации электродвигателей и трансформаторов масляными и электромагнитными выключателями.

4.5.20ценка перенапряжений при коммутации электродвигателей мощностью до 1250 кВт и до 2500 кВт соответственно элегазовыми и вакуумными выключателями.

4.5.3Оценка перенапряжений при коммутации трансформаторов и электродвигателей мощностью более 1250 кВт и 2500 кВт соответственно элегазовыми и вакуумными выключателями.

4.6 Сравнительный анализ достоверности прогнозирования перенапряжений комплексным методом и методом экспресс оценки коммутационных перенапряжений.

Выводы по четвертой главе:.

5 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ УСТРОЙСТВ ОГРАНИЧЕНИЯ КОММУТАЦИОННЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ.

5.1 Общие сведения.

5.2 Сравнительный анализ эффективности средств защиты от коммутационных перенапряжений.

5.3 Рациональные области использования и применения устройств защиты от коммутационных перенапряжений.

5.3.1 Нелинейные ограничители перенапряжений.

5.3.2 RC- ограничители.

5.3.3 RC-гасители.

5.4 Усовершенствованный RC-гаситель.

Выводы по пятой главе:.

Актуальность работы. На современном этапе развития систем электроснабжения (СЭС) 6 - 10 кВ промышленных предприятий широко используются вакуумные и элегазовые выключатели, кабели из сшитого полиэтилена, тиристорные преобразователи и преобразователи частоты. Это приводит к тому, что в распределительных сетях присутствуют высшие гармоники, а при коммутации электродвигателей и трансформаторов вакуумными и эле-газовыми выключателями возникают коммутационные перенапряжения (КП), величина которых может превышать номинальное напряжение сети в 5 - 7 раз.

Опыт эксплуатации электрооборудования в сетях 6 - 10 кВ показал, что основной объем аварийных отключений связан с пробоями изоляции из-за воздействия КП и естественным старением изоляции. Статистика указывает на то, что около 50% однофазных замыканий на землю в системах электроснабжения 6 - 10 кВ горно-металлургических предприятий возникает по причине КП.

Проблема защиты изоляции высоковольтного электрооборудования от КП приобрела наибольшую актуальность после широкого внедрения вакуумных и элегазовых выключателей. Данная проблема наиболее характерна для электроприемников с пониженным уровнем прочности изоляции - электродвигателей, кабелей и трансформаторов, длительно находящихся в эксплуатации.

Вопросами исследования коммутационных перенапряжений посвящены работы многих известных ученых: Кадомской К.П., Разгильдеева Г.И., Раховского В.И., Эпштейна И.Я., Гончарова А.Ф., Евдокунина Г.А., Халило-ва Ф.Х., Мнухина А.Г., Каганова З.Г. и других.

В период с 1975г. по 2003г. интенсивно разрабатывались средства ограничения КП, такие как ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН), КС-ограничители и КС-гасители. Разработка средств защиты от КП позволила в некоторой степени снять остроту проблемы КП, так как снизилось число пробоев изоляции кабельных линий и трансформаторов, однако интенсивность .• пробоев изоляции обмоток электродвигателей остается весьма высокой.

Это, в первую очередь, связано с отсутствием комплексной методики оценки и прогнозирования КП в распределительных сетях 6 - 10 кВ промышленных предприятий, учитывающей влияние на величину и характер КП не только вакуумных и масляных выключателей, но и элегазовых и электромагнитных, класс напряжения сети, тип кабельной линии и наличие высших гармоник тока, что не позволяет обоснованно подойти к выбору необходимых средств защиты от КП.

Остается открытым вопрос, связанный с эффективным ограничением -КП в распределительных сетях 6 - 10 кВ с наличием высших гармоник тока.

Решение указанных задач является актуальным, так как позволит спрогнозировать величину КП в системах электроснабжения 6 - 10 кВ в случае замены устаревших коммутационных аппаратов на современные и обоснованно подойти к выбору средств защиты от КП как на стадии проектирования, так и во время эксплуатации систем электроснабжения, что положительно отразится на надежности СЭС.

Целью работы является разработка комплексного метода оценки и прогнозирования КП в высоковольтной системе «выключатель — кабельная линия - электроприемник» и совершенствование средств защиты от КП в сетях 6 - 10 кВ при наличии высших гармоник тока.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать современные исследования КП в СЭС 6 - 10 кВ промышленных предприятий, а также методы их оценки и прогнозирования.

2. Выполнить экспериментальные исследования перенапряжений, возникающих при коммутации электродвигателей и трансформаторов элегазовыми и электромагнитными выключателями, с последующей статистической обработкой данных для выявления основных факторов, определяющих величину и характер КП.

3. Осуществить математическое моделирование КП в системе «выключатель - кабельная линия - электроприемник» для изучения влияния параметров электроприемника, высших гармоник тока и угла коммутаций на кратность КП.

4. Разработать комплексный метод оценки и прогнозирования КП в СЭС 6 - 10 кВ на основе совершенствования экспресс - методов за счет учета влияния электромагнитных и элегазовых выключателей, высших гармоник тока, класса напряжения сети и типа кабельной линии на величину перенапряжений.

5. Усовершенствовать конструкцию ЯС-гасителей, предназначенных для эффективного ограничения КП в сетях 6 - 10 кВ с наличием высших гармоник тока.

Объект исследования: высоковольтные системы «выключатель — кабельная линия - электродвигатель (трансформатор)», эксплуатируемые в распределительных сетях 6 - 10 кВ горно-металлургических и нефтеперерабатывающих предприятий.

Предмет исследования: коммутационные перенапряжения, возникающие в системе напряжением 6 - 10 кВ «выключатель - кабельная линия -электроприемник».

Методы исследования. В работе использованы методы теории электрических цепей и электрических измерений, теории СЭС промышленных предприятий, теории электрических машин, численные методы решения уравнений при моделировании переходных процессов в электрических схемах замещения с помощью программного обеспечения МаШСАЕ), методы математической статистики.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработан комплексный метод оценки и прогнозирования КП в системах электроснабжения 6-10 кВ, включающий:

- оценку зависимости максимальных кратностей КП от типа и мощности электродвигателей и трансформаторов;

- определение возможных диапазонов частоты коммутационного импульса в зависимости от типа и мощности нагрузки для вакуумных, элегазовых, масляных и электромагнитных выключателей, обеспечивающих обоснованный подход к выбору устройств защиты от КП электродвигателей и трансформаторов;

- установленную зависимость понижающего коэффициента кратности КП от напряжения сети, коэффициента искажения синусоидальности кривой тока и типа изоляции кабельной линии.

2. По результатам математического моделирования установлено для электродвигателей мощностью свыше 1000 кВт существенное влияние на рост кратности КП угла коммутации, а для двигателей менее 1 ООО кВт и гармонического состава тока.

Практическая значимость:

1. Разработанный комплексный метод оценки и прогнозирования КП ■ позволяет оценить величину КП в любой точке высоковольтной системы: «выключатель — кабель - электроприемник», определить точки с наибольшей кратностью КП и обоснованно выбрать необходимые средства защиты.

2. Разработанный и внедренный ЫС-гаситель с выносным блоком резисторов обладает устойчивостью к воздействию высших гармоник тока, ограничивает кратность КП в распределительных сетях 6—10 кВ до уровня 1,75 и менее и тем самым обеспечивает надежную защиту электродвигателей и трансформаторов от перенапряжений.

3. Для эффективного ограничения КП и снижения вероятности термического разрушения данных устройств определены рациональные области использования ОПН, КС-ограничителей и ЯС- гасителей.

Реализация полученных результатов. Разработанный комплексный метод оценки и прогнозирования КП использовался при расчетах перенапряжений при коммутации электродвигателей и трансформаторов в системах электроснабжения 6 - ЮкВ следующих промышленных предприятий: ОАО «САЗ», ОАО «БрАЗ», ОАО «ИркАЗ», ОАО «АНПЗ ВНК» и ОАО «Уралка-лий». Усовершенствованные КС-гасители успешно эксплуатируются на ОАО «АНПЗ ВНК», ОАО «САЗ» и ОАО «ИркАЗ». За период работы с 2008г. по 2010г. не было зафиксировано ни одного случая выхода из строя электродвигателя по причине воздействия КП.

Результаты работы используются в учебном процессе при подготовке инженеров по электротехническим специальностям в ФГАОУ ВПО СФУ ИГДГиГ.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждается совпадением расчетных значений КП на основе комплексного метода оценки и прогнозирования КП и экспериментальных данных, полученных при измерениях в системах электроснабжения 6-10 кВ таких предприятий, как ОАО «САЗ», ОАО «БрАЗ», ОАО «ИркАЗ», ОАО «АНПЗ ВНК» и ОАО «Уралкалий».

На защиту выносятся:

1. Полученные закономерности максимальных кратностей КП от типа и мощности электродвигателей и трансформаторов для элегазовых и электромагнитных выключателей, позволяющие оценить кратность КП на вводах электроприемников.

2. Установленные зависимости понижающего коэффициента кратности КП от класса напряжения сети, коэффициента искажения синусоидальности кривой тока и типа кабельной линии, которые позволяют оценить влияние высших гармоник тока и параметров кабелей на величину перенапряжений при коммутации электродвигателей и трансформаторов.

3. Комплексный метод оценки и прогнозирования КП в системе «выключатель — кабельная линия — электроприемник», позволяющий определить точки с максимальной кратностью КП в зависимости от типа коммутационного аппарата, параметров кабелей и электроприемников, частоты коммутационного импульса, коэффициента искажения синусоидальности кривой тока и обоснованно выбрать необходимые средства защиты как на стадии проектирования, так и в процессе эксплуатации данной системы.

4. Конструкция КС-гасителя, предназначенного для ограничения КП в сетях 6 - 10 кВ с наличием высших гармоник тока, и рациональные области использования ОПН, КС-ограничителей и КС-гасителей. Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях: I Международная научно-практическая конференция «ИНТЕХМЕТ-2008» (г.Санкт-Петербург, 2008 г.); VIII Всероссийская научно-практическая конференция «Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города» (г.Красноярск, 2007 г.); IX Всероссийская научно-практическая конференция «Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города» (г.Красноярск, 2008 г.); X Всероссийская научно-практическая конференция «Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города» (г.Красноярск, 2009 г.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 10 печатных работ, из которых 3 статьи в периодическом издании по списку ВАК; 1 статья в периодическом издании; 6 работ в трудах международных и всероссийских конференций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 91 наименования. Основной текст диссертационной работы изложен на 147 страницах, проиллюстрирован 32 рисунками и 29 таблицами.

Выводы по пятой главе:

1. Эффективность ЯС-гасителей по отношению к нелинейным ограничителям перенапряжения и ЯС-ограничителям выше в 4,5 и 2,5 раза соответственно.

2. Рациональная область применения нелинейных ограничителей перенапряжения — защита силовых трансформаторов в распределительных сетях 6 — 10 кВ с наличием высших гармоник и резистивным или комбинированным режимом нейтрали.

3. ЯС — ограничители наиболее рационально использовать для защиты электродвигателей на горных предприятиях по добыче полезных ископаемых открытым способом с токами однофазного замыкания на землю менее 5 А.

4. Использование двух конструкций ЯС-гасителей позволяет успешно защищать как электродвигатели, так и трансформаторы от коммутационных перенапряжений в сетях 6 - 10 кВ практически на любых предприятиях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе проведенных исследований были получены следующие основные результаты:

1. Выполненный анализ аварийности распределительных сетей 6 - 10 кВ показал, что в настоящее время основной причиной аварийных отключений в системах электроснабжения промышленных предприятий является совокупность КП и естественного старения изоляции кабельных линий и электрооборудования, поэтому эффективное ограничение КП на основе достоверного прогнозирования КП позволит повысит надежность СЭС промышленных предприятий.

2. При выполнении экспериментальных исследований получены диапазоны частот коммутационных импульсов при использовании вакуумных, элегазовых, масляных и электромагнитных выключателей для коммутации электродвигателей и трансформаторов, что позволяет эффективно использовать кабельные линии для ограничения КП. Ограничение КП за счет параметров кабельной линии наблюдается, если частота коммутационного импульса менее 45 кГц, что приводит к ограничению перенапряжений на зажимах электродвигателей мощностью 2500 кВт и более при их коммутации вакуумным выключателем. При использовании элегазовых выключателей кабельная линия снижает величину КП на зажимах электродвигателей мощностью 1250 кВт и более. При эксплуатации масляных и электромагнитных выключателей кабельная линия уменьшает перенапряжения при коммутации электродвигателей независимо от их мощности. Кабельная линия снижает перенапряжения при коммутации трансформаторов любыми типами выключателей.

3. На основе статистической обработки экспериментальных данных получены зависимости максимальных кратностей КП от типа и мощности электродвигателей и трансформаторов для элегазовых и электромагнитных выключателей, что позволяет оценить кратность КП на вводах электроприемников при использовании указанных типов включателей и выбрать необходимые устройства защиты от КП.

4. Результаты математического моделирования показывают, что для двигателей мощностью свыше 1000 кВт существенное влияние на рост кратности КП оказывает угол коммутации, в то время как для двигателей мощностью менее 1000 кВт величина КП зависит как от угла коммутации, так и от наличия высших гармоник, что позволило установить зависимость кратности КП от значения коэффициента искажения синусоидальности кривой тока.

5. По результатам математического моделирования и экспериментальных исследований определено, что использование ЯС-цепей с параметрами: С = 0,25 мкФ и Я = 12,5 Ом - позволяет обеспечить надежную защиту электродвигателей от КП при наличии высших гармоник тока в сетях 6-10 кВ, так как кратность КП не превышает значения 1,75, что ниже допустимого уровня для изоляции обмоток электродвигателей, равного 1,8, и практически не зависит от мощности и типа двигателя, коэффициента искажения синусоидальности кривой тока и угла коммутации. Усовершенствованные ЯС-гасители выносным блоком резисторов и данными параметрами успешно эксплуатируются в течение трех лет в сетях 10 кВ на Саяногорском и Иркутском алюминиевых заводах компании РУСАЛ.

6. Разработан комплексный метод оценки и прогнозирования КП в СЭС 6-10 кВ, охватывающий все типы высоковольтных коммутационных аппаратов, с учетом влияния напряжения сети, типа кабеля, параметров электродвигателей и трансформаторов и наличия высших гармоник тока.

7. Анализ эффективности устройств защиты от КП на основе использования методов относительных критериев позволил определить рациональные области использования ОПН, ЯС-ограничителей и ЯСгасителей. Рациональная область использования ОПН — защита трансформаторов от КП в распределительных сетях 6 - 10 кВ с ре-зистивным и комбинированным режимом нейтрали. ЯС-ограничители и ЯС-гасители со встроенным блоком резисторов целесообразно использовать для защиты электродвигателей в сетях 6 -10 кВ с коэффициентом искажения синусоидальности кривой тока не боле 10% и токами однофазного замыкания на землю менее и более 5А соответственно. ЯС-гаситель с выносным блоком резисторов может эксплуатироваться в распределительных сетях независимо от режима нейтрали, величины тока однофазного замыкания на землю и наличия высших гармоник.

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

2. Альбокринов, B.C. Перенапряжения и защита от них в электроустановках нефтяной промышленности Текст. / B.C. Альбокринов, В.Г. Гольдштейн, Ф.Х. Халилов // Самара: Самарский университет. — 1997.324с. :ил.

3. Базуткин, В.В. Ограничение перенапряжений, возникающих при коммутациях индуктивных цепей вакуумными выключателями Текст. / В.В. Базуткин, Г.А. Евдокунин, Ф.Х. Халилов // Электричество. — 1994. №2.

4. Базуткин, В.В. Техника высоких напряжений. Изоляция и перенапряжения в электрических системах Текст. /В.В. Базуткин, В.П. Ларионов, Ю.С. Пинталь // —М.: Энергоатомиздат. 1986. — 464с:ил.

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

6. Бессонов, JI.A. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи: Учебник. — 10-е изд. Текст. / Л.А. Бессонов // М.: Гардарики, 1999.-638 е.: ил.

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

8. Бухтояров, В.Ф. Защита от замыканий на землю электроустановок карьеров Текст. / В.Ф. Бухтояров, A.M. Маврицын // — М.: Недра. -1986.- 184с. :ил.

9. Важнов, А.И. переходные процессы в машинах переменного тока Текст. /

10. A.И. Важнов // JX: Энергия. Ленингр. отд-ние. —1980. — 256 е.: ил.

11. Вакуумные дуги: Перевод с английского Текст. / Под ред. Дж. Лаф-фети. М.: Мир. - 1982. - 432с.

12. Васюра, Ю.Ф. Коммутационные перенапряжения при самозапуске высоковольтных электродвигателей Текст. / Ю.Ф. Васюра, Г.А. Евдоку-нин // Электротехника. — 1985. № 9.

13. Виноградов, A.B. Защита В Л, выполненных СИП, от грозовых перенапряжений Текст. / A.B. Виноградов // КАБЕЛЬ-news. 2009. - №4. -С.31-34.

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

15. Воздвиженский, В.А. Срез тока в вакуумном выключателе Текст. /

16. B.А. Воздвиженский // Электричество. — 1973. №6. — С.57-61.

17. Гаврилова, Е.В. Сравнительный анализ высоковольтных коммутационных аппаратов с точки зрения коммутационных перенапряжений, возникающих в системах электроснабжения электродвигателей Текст.

18. E.B. Гаврилова, C.B. Кузьмин, В.H. Язев // Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города: Материалы VIII Всероссийской научно-практической конференции // Красноярск. — 2007. — С. 280 — 285.

19. Гандулин, Ф.А. Перенапряжения в сетях 6 — 35 кВ Текст. / Ф.А. Ган-дулин, В.Г. Гольдштейн, A.A. Дульзон, Ф.Х. Халилов // — М.: Энерго-атомиздат. 1989. — 192 с.

20. Герасимов, А.И. Проектирование электроснабжения промышленных предприятий Текст. / А.И. Герасимов, C.B. Кузьмин // Учебное пособие. Красноярск: ГУЦМиЗ. - 2005. - 250с.

21. Гинзбург, С. Г. Методы решения задач по переходным процессам в электрических цепях Текст. / С. Г. Гинзбург // М.: Высшая школа. — 1967.-389 с.

22. Голубев, В.А. Вакуумные выключатели в электрических сетях открытых горных разработок Текст. / В.А. Голубев, В.А. Котлярчук // М.: Недра. - 1975.

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

24. Гончаров, А.Ф. Анализ результатов измерения перенапряжений при коммутации высоковольтных двигателей экскаваторов Текст. / А.Ф.

25. Гончаров, И.Я. Эппггейн, Ю.Н. Попов // Электротехника. 1986. - №9. -С.13-16.

26. Гончаров, А.Ф. Влияние RC-защиты от коммутационных перенапряжений на условия электробезопасности Текст. / А.Ф. Гончаров, И.Я. Эпштейн, C.B. Кузьмин, Ю.Н. Попов // Изв. вузов Горный журнал. — 1989.-№8.

27. Гончаров, А.Ф. Выбор защитных емкостей для высоковольтных двигателей экскаваторов с учётом тока однофазного замыкания на землю Текст. / А.Ф. Гончаров, И .Я. Эпштейн // Изв. вузов. — Горный журнал. 1986.-№ 11.

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

29. Евдокунин, Г.А. Современная вакуумная коммутационная техника для сетей среднего напряжения Текст. / Г.А. Евдокунин, Г. Тиллер // — С.Петербург: Издательство Сизова М.П. 2002. - 147 с.

30. Евдокунин, Г.А. Перенапряжения в сетях 6 (10) кВ создаются при коммутации как вакуумными, так и элегазовыми выключателями Текст. / Г.А. Евдокунин, С. Гитенков // Новости электротехники. — 2002. №5 (17). - С.27 - 29.

31. Закс, Л. Статическое оценивание Текст. / Пер. с нем. В.Н. Варыгина. Под ред. Ю.П. Адлера, В.Г. горского // М.: Статистика. — 1976.

32. Зимин, В.И. Обмотки электрических машин: 7-е издание Текст. / В.И. Зимин, М. Я. Каплан, М. М. Палей // Л.: Энергия. - 1975. - 288 с.

33. Каганов, 3. Г. Волновые напряжения в электрических машинах Текст. / З.Г. Каганов // М.: Энергия 1970. - 209 с.

34. Каталог «Защитные аппараты. Ограничители перенапряжений» Текст. // -Великие Луки: ЗАО «Завод электрического оборудования». 2000. — 32с.

35. Каталог ОПН типа ОПН/ТЕЬ Текст. // М.: РК «Таврида Электрик». -2007. - 8с.

36. Копылов, И.П. Математическое моделирование электрических машин Текст. / И.П. Копылов // М.: Высшая школа. -1987. - 248с.

37. Корицкий, Ю.В. справочник по электротехническим материалам Текст. / Ю.В. Корицкий // Л.: Энергоатомиздат. - 1988. - 728с.

38. Котлярчук, В.А. Исследование коммутационных перенапряжений при коммутации сетевых двигателей экскаваторов вакуумными выключателями. Отчет о НИР (промежут.) Текст. / КИЦМ; Руководитель В. А. Котлярчук. Красноярск, 1975. — 85 е.: ил.

39. Кузьмин, C.B. Анализ аварийности в системе электроснабжения 6-10 кВ горно-металлургических предприятий Сибири Текст. / C.B. Кузьмин, И.С. Зыков, P.A. майнагашев, К.П. Ящук // Горное оборудование и электромеханика. — 2009. №3. — С. 23 — 25.

40. Кузьмин, C.B. Проблемы перенапряжений при использовании вакуумных коммутационных аппаратов Текст. / C.B. Кузьмин, P.C. Кузьмин,

41. P.A. Майнагашев, Б.С. Заварыкин, И.В. Краснова // Сборник материалов международной научно-практической конференции: "Стратегические приоритеты и инновации в производстве цветных металлов и золота". ГОУ ВПО "ГУЦМиЗ". Красноярск. - 2006. - С. 183 - 187.

42. Кузьмичева, К.И. Ограничение перенапряжений при отключении вакуумными выключателями пусковых токов электродвигателей с помощью ОПН Текст. / К.И. Кузьмичева, В.Н. Подьячев, И.Л. Шлейфман // Электростанции. — 1996. №4.

43. Лайбль, Т. Теория синхронной машины при переходных процессах Текст. / Т. Лайбль // М.: Л.: Госэнергоиздат. 1957. - 126 с.

44. Леман, Э. Теория точечного оценивания Текст. / Э. Леман // М.: Наука. - 1991.

45. Лютер, P.A. Расчет синхронных машин Текст. / P.A. Лютер // Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние. - 1979. — 272 е.: ил.

46. Мнухин, А.Г. Защита электрических сетей шахт от коммутационных перенапряжений Текст. / А.Г. Мухин, Б.И. Коневский // М.: Недра. -1987.- 143 с.

47. Немцов, М.В. Справочник по расчету параметров катушек индуктивности Текст. / М.В. Немцов, Ю.М. Шамаев // М.: Энергоиздат. — 1981.-136 с.

48. Ограничение перенапряжений и режимы заземления нейтрали сети 6 -35 кВ: Труды второй Всероссийской научно-технической конференции Текст. // Под ред. К.П. Кадомской и др. — Новосибирск. — 2002. 200с.

49. Ограничение перенапряжений и режимы заземления нейтрали сети 6 -35 кВ: Труды третьей Всероссийской научно-технической конференции Текст. // Под ред. К.П. Кадомской и др. — Новосибирск. — 2004.

50. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей РФ Текст. // М.: СПО ОРГРЭС, 2003.

51. Правила устройства электроустановок. Издание 7 Текст. // М.: НЦ ЭНАС. 2004.

52. Разгильдеев, Г.И. Эксплуатация вакуумных выключателей в электрических сетях горных предприятий Текст. / Г.И. Разгильдеев, В.В. Ку-рехин В.В. //-М.: Недра. 1988. - 102 е.: ил.

53. Раховский, В.И. Физические основы коммутации электрического тока в вакууме Текст. / В.И. Раховский // М.: Наука. - 1970. - 536.: ил.

54. Рыбкин, В.А. Определение волновых параметров и коммутационных перенапряжений при отключении вакуумным выключателем двигателя 6 кВ Текст. / В.А. Рыбкин, С.С. Чубрик, В.Н. Помыткин // Промышленная энергетика. — 1977. №11. - С. 41 - 44.

55. Самойлович, И.С. Режимы нейтрали электрических сетей карьеров Текст. / И.С. Самойлович//-М.: "Недра".- 1976.- 175 с.

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

57. Справочник по электрическим машинам: В 2т. Текст. / Под общ. ред. И.П. Копылова, Б.К. Кпокова// М.: Энергоатомиздат. 1988. - 456 е.: ил.

58. Справочник энергетика карьера Текст. / В.А. Голубев, П.П. Мирошкин, Н.М. Шадрин. Под ред. В.А. Голубева // М.: Недра. -1986. - 420 с.

59. Филиппов, В.И. Внедрение вакуумных выключателей на экскаваторах Текст. / В.И. Филиппов // Сборник материалов первой научной конференции по проблемам одноковшовых экскаваторов «Электропривод одноковшовых экскаваторов». — Свердловск. — 1972. — С.294.

60. Филиппов, В.И. Исследования и пути повышения надежности систем распределения электрической энергии на разрезах Канско-Ачинского бассейна Текст. / В.И. Филиппов // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Красноярск. — 1972.

61. Фишман, В. Способы заземления нейтрали в сетях 6 35 кВ. Точка зрения проектировщика Текст. / В.Фишман // Новости электротехники. - 2008.- №2(50).

62. Чистяков, Г.Н. Экспериментальные исследования на синтетической модели импульсных перенапряжений при коммутации вакуумного выключателя Текст. / Г.Н. Чистяков // Промышленная энергетика. — 2003. -№12.

63. Щуцкий, В.И. Защита от замыканий на землю в сетях приисков перенапряжением 6 кВ Текст. / В.И. Щуцкий, A.A. Буралков, B.C. Смирнов, С.В. Кузьмин, В.М. Соломенцев // М.: ЦНИИцветмет экономики и информатики. — 1990. - 52.

64. Эпштейн, И.Я. Применение вакуумных выключателей в электрических сетях 6 кВ угольных разрезов Текст. / И.Я. Эпштейн // Сборник материалов технической конференции «Надежность электроснабжения угольных разрезов». Красноярск. — 1971. — С.133.

65. Юу, К.У. Моделирование на цифровых ЭВМ процесса неявного среза тока в вакуумных выключателях Текст. / К.У. Юу, Дж. П. Бикфорд // Elektric power Applications. 1979. - №4. - С. 125 - 131.

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

67. Interruption of small inductive currents: Chapter 5: Switching of transformers Текст. / Part2. Electra. 1991. - №134. - p.29 - 34.

68. Matsui, Y. Reignition current interruption characteristics of the vacuum interrupters Текст. / Y. Matsui, T. Yokoyama, E. Umeya // IEEE Trans, on Power Delivery. Vol.3. 1988. - № 4. - p. 1672 - 1677.

69. Working group paper: Interruption of small inductive currents (chapter 1, 2) Текст. // Electra. 1980. - №72. - pp.73 - 103.

70. Yokokura, K. Multiple restriking voltage effect in a vacuum circuit breaker on motor insulation / K. Yokokura, S. Masuda, H. Nishikava // "IEEE Trans, on PAS" Vol PAS-100. 1981. - №4.148