автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Совершенствование защиты систем электроснабжения от дуговых перенапряжений с помощью нелинейных ограничителей

-3 9 3

ДОНЕЦКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ Ре«ч5г'\~ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

осудар:1з-, члл

|\1«л Специализированный совет К 068.20.01

•псормц:;*

На правах рукописи

ЭРРЕРА РАФАЭЛЬ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЗАЩИТЫ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ОТ ДУГОВЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ С ПОМОЩЬЮ НЕЛИНЕЙНЫХ ОГРАНИЧИТЕЛЕЙ

Специальность 05.09.03 — „Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ДОНЕЦК 1!Ш

ДОНЕЦК"й ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Специализированный совет К 068.20.01

на правах рукописи

ЭРРЕРА РАФАЭЛЬ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЗАШИТЫ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБШИЯ ОТ ДУГОВЫХ ПЕРЕНАПРЯ1ЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ НЕЛИНЕЙНЫХ ОГРАНИЧИТЕЛЕЙ

Специальность 05.09.03 - "Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ДОНЕЦК 1993

-г-

ГйО'ота выполнена в Динецком ордена Трудового Красного Знамени попителничеси.ви институте.

Научный ру ко водите Jí^^:

кандидат технических наук, доцент ДУДйРЕВ Л.Е.

ЬфицийЛони« оппонент:

диЬ1 ир технических наук, прифессор МНУХИН Й.Г.

пандидо! технических наук, доцент СОБПЕЛЬ В.Б.

ЬьДУ1»ее ТфсДЛрИ^ПИе - Гйсударс ТЬёННМЙ ПрОеь) Ни-ИЗЫСКЭТ еЛЬСКИй И ИзуЧНО-ИССЛеДкВаТелрСКИЙ ИНСТИТУТ, ГПИНИИ ''УкрлНерГиПрОеКТ".

Защита состоится /ЛдрГд ¡^Зг. в ¡3*° час б ауд. 1,201

IЛаЬмиГо КорИЦСй На ЗдС ЬД ЛЫИ СПеЦиаЛИ¿ИриваННиГО СОЬе1а

¡1 008,20,01 .ДопеЦьОГО ИОЛИТеХИИЧеСьоГи ииститугй (. 340000, г.Донецк, ул.Артёма, 53 >.

С диссертацией ио^ни ознакомиться ь библиотеке Донецкого политехнического института.

*

Автореферат разослан 1 №&рТ<Ь . 1;Шг.

ОI ¿иьи Н<1 автореферат в ДЬух «.зеШиЫрак, ЗаЬерёНние гербовой печатьи учреждения, нрисим направлять пи адресу: 340000,

1 .Д'ЩкЦ!., ул.нрТеМа, 08, уЧвНому секретари) (.ОВета,

Учений секретарь специализированного сове¡а канд.техн.наук, доцент

СИДтМНКО (¡.Т.

ОБЩЙЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМИ.Эффективность систем электроснабжения существенно связана с аварийностью, обусловленной дуговыми перенапряжениями, возникающими при однофазных замыканиях на землю (033). В результате воздействия дуговых перенапряжений и недостаточной эффективности применяющихся в настоящее время мероприятий по их ограничению ежегодно выходит из строя немалая часть высоковольтных электродвигателей и кабелей. Поэтому повышение надежности систем электроснабжения путем совершенствования защит для глубокого ограничения дуговых перенапряжений с помощью более эффективных устройств, как нелинейные ограничители (ОПН), является актуальной задачей и гоедставляет большой практический интерес.

Серийно выпускаемые ОПН для сетей 6-10 кВ предназначены для ограничения индуктированных атмосферных и коммутационных перенапряжений. Энергия, выделяемая в ОПН в резух.тате разовых воздействий таких перенапряжений, практически не зависит от параметров сети, поэтому серийные ОПН применяют как универсальные устройства, независимо от существующих разновидностей сетей.

Ограничение дуговых перенапряжений связано с многократными срабатываниями ОПН, а величина выделяемой энергии существенно зависит от параметров сети, Это значит, что зкономически целесообразным может оказаться ограничение дуговых перенапряжений с помощью нескольких типоразмеров ОПН с ограниченной областью применения, так как АПН, рассчитанные на максимально возможную выделяемую энергию, достаточно загружена только в некоторой части сетей, Т.е. для значительной части сетей такие ОПН необоснованно громоздки и будут работать с больвим запасом по тепловым нагрузкам. Для обоснования целесообразности количества типоразмеров в проектируемом ряде ОПН необходимо разработать достаточно досто-

верную методику оценки энергии, выделяемой в ОПН при дуговых замыканиях на землю.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является повышение эффективности защиты от дуговых перенапряжений с помощью ОПН путем всестороннего исследования и установления качественных и количественных зависимостей, определяющих условия возникновения энергетической неустойчивости ОПН при режимах дуговых замыканий фазы на землю, и разработка способа ограничения токовых перегрузок ОПН при этих режимах, что в итоге существенно повысит надежность электроснабжения.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- разработка достоверной матем; ической модели системы электроснабжения в режиме дугового 033 с учетом ОПН;

- разработка способов существенного сокращения затрат машинного времени при реализации модели на ПЗВМ;

- количественная оценка максимально возможных уровней дуговых перенапряжений и условий их возникновения:

- разработка методики количественной оценки энергии, выделяемой в ОПН при дуговых 033;

- разработка способа ограничения токовых перегрузок на ОПН.

ИДЕЯ РАБОТЫ. Нчет влияния параметров сети на энергетическую

устойчивость ОПН при дуговых 033 дает возможность рассмотреть несколько категорий сетей и соответственно рассмотреть применение нескольких типоразмеров ОПН, отличающихся уровнем пропускной способности в зависимости от параметров сетей.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ. При решении поставленных задач применяются аналитические методы исследования на основе математического моделирования, общей теории переходных процессов в системах электроснабжения, а также вычислительной математики ( численных методов анализа, вычислительных экспериментов) и физических экспериментов с целью обоснования аналитических исследований

и практической проверки принятых технических решений.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА заключается в:

- разработке математической модели, алгоритма и программы расчета на ПЭВМ режима дугового замыкания фазы на землю в сетях с изолированной нейтралью, отличающихся тем, что среди существенно влияющих факторов и нелинейности измерительных трансформаторов напряжения (ТН) учитываются и нелинейности ОПН;

- исследовании влияния активного сопротивления уравнительного контура на максимальные перенапряжения и энергия, выделяемую в ОПН при однофазных замыканиях на земли:

- установлении новых зависимостей энергш, выделяемой в ОПН при первом замыкании и за расчетное время горения дуги, от параметров источника питания, сети и ОПН с учетом момента гашения дуги и количества повторных пробоев дугового промежутка;

- разработке способа ограничения токовых перегрузок на ОПН.

АВТОР ВЫНОСИТ на^защиту:

- разработанные математическую модель, алгоритм и программу расчета переходных процессов, реализованных гз ПЭВМ, с учетом нелинейности ОПН:

- новые зависимости максимальных кратностей дуговых перенапряжений от параметров сети при учете уравнительных высокочастотных составляющих;

- методику количественной оценки энергии, выделяемой в ОПН при единично* и дуговом замыкании фазы на землю,, базирующейся на физических процессах в дуговом промежутке:

- новые зависимости энергии, выделяемой в ОПН при единичном и дуговом замыканиях,, от параметров сети и ОПН;

- методику проверки работоспособности ОПН в конкретной сети и способ ограничения тепловых перегрузок на ОПН.

НАУЧНАЯ ЦЕННОСТЬ состоит в:

- снятии противоречий между теоретическими, расчетными и экспериментальными оценками максимально возможных уровней перенапряжений, а также выявлении роли высокочастотных уравнительных составляющих перенапряжений:

- установлении количественных соотношений параметров источника питания, сети и ОПН. определяющих, энергетическую устойчивость варисторов при дуговых 033.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ результатов работы заключена в:

- разработке математической модели, алгоритма и программы, позволяющих количественно оценивать возможность надежного применения существующих ОПН с пониженными защитными кратностями в каждой конкретной сети;

- возможности разработки основных требований к разрабатываемым ОПН и выборе оптимальных конструктивных решений при конструировании.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертации докладывались на ХЮ научно-методической конференции "Компьютерные технологии обучения и управления вузом" (Донецк-1992) и на научных конференциях профессорско-преподавательского состава кафедры " Электрические станции " Донецкого политехнического института.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано три работы.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из.введения, 4 глав и заключения, изложенных на 1ЯЯ- страницах машинописного текста, включая Я7 рисунков, 3 таблицы, перечень из наименований'и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВО ВВЕДЕНИИ обосновывается выбор темы, кратко излагается цель и задачи работы.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ приведьн аналитический обзор публикаций, посвященных проблемам количественной оценки энергии, выделяемой

в ОПН при дуговых замыканиях фазы на землю, а также проблемам количественной оценки наибольших возможных уровней дуговых перенапряжений и проблемам эффективности существующих в настоящее время мероприятий по глубокому ограничении .дуговых перенапряжений. На основе этого анализа освещено состояние вопроса и сформулированы задачи исследований.

ВТОРАЯ ГЛАВА посвящена разработке математической модели сети с изолированной нейтралью в режиме дуговых 033, отличающихся тем, что среди существенно влияющих факторов и нелинейности ТН учитываются и нелинейности ОПН, подключаемых к шинам подстанции.

Наиболее опасные дуговые перенапряжения чаще всего проявляются в сетях с относительно малыми токами замыкания на землю (до 10 Й). На рис.1,а представлена принципиальная схема электроснабжения типовой сети, работающей с изолированной нейтралью и питающейся от трехфазного трансформатора типа ТМН-2500/35/. К шинам подстанции подключены: ТН типа НТМИ-Р-66, трехфазный комплект ОПН и кабельные присоединения. Нэ рис.1,6 приведена схема замещения указанной сети с учетом следующих допущений:

- источник питания отражен эквивалентными фазными ЭДС (¿'а , €ъ, €с), фазной индуктивностью рассеивания ([.и) и фазным активным сопротивлением (!}и);

- эквивалентные параметры разветвленной сети: активное сопротивление (Яс), фазная индуктивность (Ьс), фазная (Со) и междуфазная (См) емкости приняты сосредоточенными:

- дуга вводится в контур замыкания в виде активного сопротивления Яо в режиме 033 (3 - замкнут) и бесконечности в режиме .бестоковой паузы (5 - разомкнут);

- ТН отражен нелинейными фазными потокосцеплениями намагничивания ^ ( ) и фазными активными сопротивлениями первичной об-, мотки (Ятн);

- 8- не учитываются активные проводимости фаз сети по отношению к земле;

- не учитываются токи нагрузки и падение напряжения от них;

- ОПН отражены нелинейными активными сопротивлениями RonHl с ). Не учитывается емкостная проводимость ОПН.

Все параметры системы определяются из справочно-паспортной информации оборудования подстанции и сети, а также экспериментальных характеристик нелинейных элементов. (ТН и ОПН). Эквивалентные параметры сети определяются при параллельном сложении параметров отдельных присоединений, входящих в сеть. Апроксима-ция нелинейной характеристики ТН осществлена по известной методике - 4-мя полиномами для характерных потокосцеплений %

при iVl < Vf / = А/У . ' H)

при % ч< \ < ^ 1-. + A* ),К (2)

при Vi 4 IVI < Уз L -- А3.{Ц>1 + В, . (3)

при 1Ф1 > % I -- АVI + ВА , (4)

при этом знак тока соответствует знаку потокосцепления.

Апроксимация ВАХ ОПН (рис.2) осуществлена кусочно-линейным методом. Для J-го участка уравнение апроксимации имеет вид;

UonHj = Aj + Bj'Logt iопнj ), (5)

где Aj и Bj - постоянные коэффициенты на j-ом интервале. Нелинейное сопротивление ОПН определяется выражением:

RonHj = UonHj / ionHj (6)

Погрешность, вносимая апроксимацией,не превышает 52.

В соответствии с контурными токами, показанными на рис.2, и с учетом нелинейности ТН и ОПН сеть в режиме 033 (s-замкнут) описывается следующей системой дифференциальных уравнений: (pLu + Ru) 6 < + U а в + (pLu + Ru К ¿ f - ùi ) = ¿К - £в.. (7) (pLu + Ru)( l^ - i1 ) + Ubc + (pLu + Ru)/^ = t в - ¿с. (8)

» ь

(рЬс + Яс> 6А + Ийсо - (р1с + Яс) I в - иВсо - и а в = О, (Э) > •

(рЬс + Рс)в + иВсо - СрЬс + 1?с)1с - 11Ссо - Овс = 0, (10)

3-р + р ¿з + Р ¿ч- - Р ¿1 - р ¿1 = 0. (И)

р Ц)^ + 1*тн>66 - ийсо - сЯс + р1с)1/\ = 0,- (12)

р^в + Ртн-6? - 11Всо - (йс + рЬс)/в = 0, (13)

рУч + Ртн-бб - ОСсо - (йс + рЬс)6с = 0, (' 4)

Шнн-Ьд - 1)0со - (йс + р1с) ¿А = 0, (15)

Иопнв. с,о - ИВсо - (|*с + р1с)А в = 0, (16)

|}опнс-£м - 11Ссо - (Яс + рЬс) С с = 0. (17)

- иСсо - (|?с + рЬс)¿. с = 0. (18)

р1)0со = ¿Л / Со, (19)

рКВсо = I в / Со. (20)

рИСсо = I с / Со, (21)

рЧсд = - ¿^/Ст. (22)

риЛ в = -(-¿\ + ¿з + Ькч) / Сш, (23)

р1!вс = -(-¿г+ ¿V ) / Сш. (24)

• * * ^ .11», •

где: и ¿ С'-Сч. -¿I -¿„-¿е..

С о - ток замыкания на землю, р = (1/(11 - оператор дифференцирования, 1)йсо, иВсо, иСсо - напряжения на фазных емкостях, 11ав, иве, иск - напряжения на меядуфазных емкостях. Нелинейные сопротивления Яопна . Яопнв и Яопнс определяются по выраиению (6), а нелинейные потокосцепления . Ч)в> ^с - по выраяениям (1-4).

Система уравнений в реяиме бестоковой паузы (5 - разомкнут), может быть получена из системы, отраяающей. сеть в реяиме замыкания. Это достигается за счет исключения уравнения 18 и

о

подстановки, где это потребуется ¿о = 0.

Система дифференциальных уравнений, описывающая сеть при наличии 0ПН, является яееткой. В данном случае яесткость обусловлена большими значениями нелинейных сопротивлений при малых, приломенных к 0ПН, мгновенных значениях фазнчх напряжений сети

(1)опн). Для снятия жесткости системы в данной работе вводится понятие напряжения срабатывания ОПН (Пер). с помощью которого работа ОПН моделируется двумя состояниями - проводящим при иопн } иер (Яапн = иопн/ I опн) и непроводящим при иопн < 1!ср (Иопн = бесконечности).

При глубоком ограничении перенапряжений при замыканиях фазы на землю ток через ОПН увеличивается, но увеличение его до 0,1 А происходит очень быстро (в среднем мке), поэтому энергия, выделяемая в ОПН на этом интервале времени, оказывается незначительна (порядка мДж). Поэтому за Пер ОПН принято напряжение, соответствующее 0,1 А, что в соответствии с ВйХ ОПН, приведенной на рис.2, составляет 9.2 кВ. Этот прием позволил снять жесткость системы и решать ее обыкновенными классическими методами, кроме того поочередное исключение из системы контуров ограничения при иопн < иер позволило существенно сократить затраты машинного времени при реализации модели на ПЭВМ.

В ТРЕТЬЕЙ главе обосновывается выбор численного метода анализа на основе сравнительной оценки затрат машинного времени, при этом более целесообразным оказался метод Рунге-Кутта-Хеммин-га; предложен практический способ определения параметров разветвленной сети, основанный на реальных осциллограммах перенапряжений;, дана оценка достоверности разработанной математической модели путем сравнения полученных расчетных результатов с экспериментальными осциллограммами, полученными в реальных сетях. Сопоставление расчетных и экспериментальных кривых позволило сделать вывод о качественном и количественном совпадении результатов. Количественное отклонение при этом не превысило 82.

ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА посвящена разработке методики количественной оценки максимальной энергии, выделяемой в ОПН при дуговых 033 и способам снижения тепловых нагрузок ОПН при этих режимах.

Существует значительное разногласие между экспериментальными (до 5,0-Цфм). и теоретическими (до 3,5-11фм) данными о максимальных перенапряжениях при 033 и об условиях их возникновения.

Анализ схем замещения рис. 1,6 показал, что'-при 033 (г -замкнут) образунтся Я-Ь-С-контуры выравнивания фазных и линейных напряжений (уравнительные контуры), в которых в соответствии с физикой процессов возникают уравнительные высокочастотные составляющие перенапряжений С УВЧС). при этом наибольшие перенапряжения в точках, соответствующих шинам сети, определяются наложением уравнительной, подзарядной и вынужденной составляющих.

Время затухания УВЧС определяется сопротивлениями Яс и Яо. поэтому в сетях с малыми потерями УВЧС могут значительно увеличить известный предел максимальных дуговых перенапряжений.

На практике Яс и Яо могут изменяться в относительно широком диапазоне, поэтому практический интерес представляет оценка влияния этих параметров уа уровень перенапряжений при 033.

Расчеты проводились для базовой гети (Ьи=4 мГн, Яи=о,4 Ом, Ьс=0,9 мГн, Со=1 мкФ, См=Со/3 при 033 на шине фазы С. Первый пробой происходит на максимуме ЭДС поврежденной фазы.

На рис.3 показаны расчетные зависимости кратностей перенапряжений (К) от величины активных сопротивлений Яс и Яо. Кривая 1 отражает зависимость кратности перенапряжения от Яо при Яс = 12 0м, кривая 2 от Яс при Ро = 12 0м и кривая 3 от Яс при Яо = 0. Кривые 1 и 2 показывают, что при относительно большом значении одного из сопротивлений Яо или Яс (в этом случае до 12 0м) уменьшение другого, даже до малых значений, слабо влияет на увеличение кратности перенапряжений, так как они последовательно соединены в уравнительном контуре. При Яо=0 и Со=1 мкФ (кривая 3) уменьшение Яс весьма существенно сказывается на увелыение перенапряжений. Так при Яс < 2 Ом они смогут достигать от 4«11фм до 5-ифм.

- 1Я-

Кривые 4 и 5 отражают ту же зависимость, что и кривая 3, но при Со=0,5 мкФ и Со-2 учФ. Эти кривьй показывают, что при увеличении Со перенапряжения более существенно снижаются при больших значениях Ис и Яо, чем при малых.

Это значит, что при учете уравнительных составляющих в зависимости от 13с и [*о снимается указанное противоречие о максимальных перенапряжениях при 033 и об условиях их возникновения.

Из приведенного анализа следует, что наиболее тяжелые условия работы ОПН проявляются при их подключении к шинам сети.

С помощью разработанной модели были проведены расчеты в течение 0,1 с режима дугового замыкания для базовой сети 6,0 кВ с параметрами Ьи=9 мГн, 1?и=3,5 Ом, Ьс = 0,3 мГн, Яс = 13,5 Ом, Со = 1 мкФ, См=Со/3, Но = 12 Ош и 1Л00 = 2.4* 11фм. Первый пробой осуществляется при максимуме ЭДС поврежденной фазы. Обрыв дуги происходит при третьем переходе через нуль подзарядной составляющей тока замыкания (М=3). Пробивное напряжение при повторных пробоях при-нимлось равным 1,25-ифм. 033 происходит на шине фазы С.

На рис.4 приведены расчетные кривые напряжения фаз относительно земли С и а . Нв. 11с), ЗДС поврежденной фазы (¿'с) и токов

С О

через ОПН фазы А ( ¿опна) и фазы В ( 1опнв),

Кривые Ца . 1)в и показывают, что наибольшее остаточное напряжение достигло 2,2-1]фм и имело место в фазе В при первом пробое. При этом в фазе А перенапряжение достигло 2>ифм. Повторные пробои следовали в каждом полупериоде При этом перенапряжения в фазе А составили 2,08-1!фм - 2-1)фм, а на фазе В -1,В'ифм-1,85»ифм. Переход максимальных перенапряжений из фазы В при первом пробое к фазе А при последующих связан со смещением момента повторных пробоев относительно максимумов £z.

» о

Кривые 6опнд и ¿опне показывают, что при каждом пробое имеет место импульс тока через ОПН, состоящий из серии максиму-

мов в соответствии с частотами свободных составляющих. Наибольшая амплитуда тока достигла 34 fl в ОПН фазы В при первом пробое. В то не время через ОПН фазы А импульс тока достиг только 9 fl.

• с

При всех повторных пробоях Lопнв достигал 1 fl - 1,5 0, а L опна - 9 А - 9,4 А. Это значит, что наиболее нагруженным в данном случае является ОПН фазы А. При этом выделяемая энергия составила 45 Дж - 50 Да, а за время 0,1 с режима дугового замыкания суммарная энергия достигла 450 Дж.

Энергия, выделяемая в ОПН при каждом повторном замыкании в среднем остается неизменной. Это значит, что энергию в течение всего времени горения дуги можно определить исходя из числа пробоев дугового промежутка выпажением:

Ад = 1100-1 + l)«Au, (26)

где t - расчетное- время горения дуги и Au - средняя максимальная энергия, выделяемая в ОПН в каждом повторном пробое дугового замыкания. Это значит, что при известной максимальной допустимой энергии, выделяемой в ОПН (Адм), и средней энергии (flu), шонно из выражения (26) определить максимально допустимое время устойчивой работы ОПН (tflon) при режимах дуговых замыканий.

Практический интерес представляет оценка влияния параметров алгоритма (М и Un) и емкости сети Со на величину энергии, выделяемой в ОПН за-расчетное время горения дуги.

На рис.5 кривые 1 и 2 отражают расчетные зависимости рассеиваемой энергии в течении 0,1 с режима дуговою замыкания от кратности пробивного напряжения (К = Un/Чфм) при первом СЫ=1) и третьем iM=3) переходах подзарядкой составляющей тока замыкания через нуль при базовых параметрах Со=1 мкФ. Rc=13,5 0м, Ro=12 0м и Uceти=6.3 кВ. Сопоставление этих кривых показывает, что при М=3 максимальная эьергия больше, чем при М=1 " достигла 450 Дж при кратности, равной 1,25. При увеличении Un до 1,25-ифм энер-

гия увеличивалась засчет увеличения перенапряжений. Однако, при дальнейшем увеличении кратности (К > 1,25) энергия уменьшается в связи с тем, что изменялся характер горения дуги и пробои начинают происходить с пропусками одного и более полупериодов ЗДС поврежденной фазы. В этом случае энергия импульсов в течение каждого единичного замыкания по-преянему продолжает увеличиваться, но число пробоев сокращается и это обуславливает уменьшение суммарной энергии в течение полного времени горения дуги. Это 'значит, что существует такая комбинация параметров алгоритма, при которой выделяемая в ОПН энергия максимальна. В этом случае М=3 и Un=l ,25«11фм.

Кривая 3 отражает зависимость энергии, выделяемой в ОПН фазы й, от Со. Кривая 4 отражает эту же зависимость для ОПН фазы В. Максимальное значение энергии достигается при Со = 2,5 мкФ, при этом в ОПН фазы В она достигла 425 Дж, а в ОПН фазы fi - 580 Дж.

Из расчетных результатов следует, что для конкретной сети существует только один режим стабильного дугового замыкания, определяющий наибольшую энергетическую нагрузку на ОПН, Отыскание этого режима сводится к определению параметров алгоритма М и Un, при которых выделяемая энергия за расчетное время максимальна. Затем при этих параметрах и наиболее вероятных малых Ro и Rc отыскивается Со, при которой энергия также максимальна.

Поскольку многократные воздействия дуговых перенапряжений при 033 определяют энергетическую устойчивость работы ОПН в сетях 6 кВ с изолированной нейтралью, то этими воздействиями определяются требования по всем основным параметрам ОПН:

- наибольшему длительному допустимому напряжению <ифм);

- уровню ограничения перенапряжений (U100);

- пропускной способности (Рдм).

Цфм ограничителя определяется максимальным допустимым на-

пряяением сетиг'В сетях 6 кВ общего назначения по ПУЗ допускается повышение номинального напряжения на Следовательно, Цфм, приложенное к ОПН, составляет 5,144 кВ. Остаточное напряжение при заданном 1Л00 (например, 1Л00 = 2,4• Цфм)'должно быть ниже наименниего испытательного напряжения прочности изоляции элементов сети. В основном это относится к электродвигателям, которые после капитального ремонта проверяются одноминутным испытательным напряжением в 14,1 кВ С2.74= 11фы 1.

Пропускная способность варисторов диаметром 28 мм нормируется 20 импульсами 1,2x2,5 мс с амплитудой 70 й. Из ВЙХ исследуемого ОПН видно, что этому току соответствует напряжение 12 кВ. Приближенно максимально допустимую энергию оценивают из предположения, что импульс имеет прямоугольную форму выражением 20-иопн'1опнм-1, т.е. величиной 20-12000-70 0,0037= 62160 Дж. В данной работе при более строгом подходе с учетом формы импульса допустимая энергия оценена величиной йдм = 40 кДж.

Расчеты проводились для источника с параметрами Ьи=3,8 мГн и Ки=1.5 0м с учетом высокочастотного характера тока и базовой сети, которая по своим параметрам (Ьс=0,9 мГн, Яс=С13,5 - 4) 0м, Яо=12 0м, Со=(0,5-2) шкФ и Ст = Со/3) относится к сетям с малыми токами замыкания на землю.

Установлено, что энергия, выделяемая в ОПН за вре'мя.единичного замыкания, максимальна при М=1 и 1]п=11фм, а за время 0,1 с дугового замыкания при М=3 и Чп= 1.25- 11фм. С учетом этого и для , рассматриваемого ОПН с иЮ0=2.4«11фм. Расчеты показали, что при первом зсмыкании дугового промежутка увеличение Со от 0,5 мкФ до 2 мкФ единичная энергия увеличивается от 33 Дж до 125 Да, остаточные перенапряжения изменяются в пределах 2,22«Цфм - 2,20«11фм и амплитуды тока че^ез ОПН - в пределах 30 й - 28 й, а для случая горения дуги в течение 0,1 с энергия увеличивается от 75 Дж

до 300 Дя, остаточное перенапряжение изменяются в пределах 2.04-Ифм - 2,00-11фм и амплитуды тока через ОПН - от 10 А до В А.

За 0,1 с горения дуги имеют место 11 пробоев с учетом первого. Это значит, что средняя максимальная энергия, приходящаяся на один пробой составляет йи = 27.3 Ля. Это величина примерно в 5 раз меньше, чем максимальная энергия первого замыкания, равная 125 Дж. В этом случае при максимальной допустимой энергии Ад = 40 кДж допустимое время работа ОПН из выражения (26) составляет около 15 с. Время, в течение которого наблюдаются максимальные перенапряжения и токи через ОПН, существенно ниже. Эксперимент и опыт эксплуатации показывает, что после горения дуги длительностью 1 с наступает режим, близкий к металлическому замыканию с существенно снияенными пробивными напряжениями. Исходя из приведенного исследования можно утверждать, что ОПН 6 кВ с III00 = 2,4«11фм надежно обеспечивает защиту от дуговых перенапряжений в указанных сетях. При этом уровень ограниченных перенапряжений не .превышает 2,2«1)фм, т.е. обеспечивается надежная защита электродвигателей с уровнем прочности изоляции, равным 2,71Цфм.

В сетях с малыми 1?с и 1?о в связи с глубоким уменьшением сопротивления варистора при 033 возникает предположение, что токи через ОПН можно в некоторой мере ограничить с помощью дополнительного линейного токоограничивакщего пезистора (ТОР) без существенного увеличения остаточного напряяения в сети.

Для проверки указанного предположения в математической модели были введены дополнительные ТОР, включаемые в цепь нейтрали трехфазного комплекта ОПН, при Яо=2 0ш, Яс=2 Ои и Со= 1 мкФ.

В рассматриваемой сети за счет ТОР 1-5 0м энергия, выделяемая в ОПН. уменьшается на 20-90% и при этом остаточные напряжения увеличиваются с 2.38*11фм до 2,58»1)фм, что приемлемо с точки зрения практики.

- ir-

is итоге значение энергии, выделяемой в ОПН за.время одного пробоя дугового промежутка в режиме дугового замыкания, может изменяться от нескольких джоулей до 200 Дж и более. В данной работе при рассмотрении ОПН с допустимой энергией рассеивания до 40 кДж установлено, что этот типоразмер ОПН может устойчиво ограничивать дуговые перенапряжения в течение 15 с в тех сетях, в которых энергия', выделяемая в ОПН в течение одного пробоя дугового замыкания, не превышает 30 Дж. Зто значит, что в первом приближении существующие сети по энергии, выделяемой в ОПН в течение одного пробоя дугового промежутка при 11100 = 2,4«U$m, можно разделить на три категории:

- сети с энергией импульса до 30 Дж;

- сети с энергией импульса до 100 Дж;

- сети с энергией импульса до 200 Д1 и более.

Существующие ОПН устойчиво рассеивают энергию примерно до

40 кДж, поэтому в сетях указанных категорий они могут устойчиво работать при дуговых замыканиях в течение 13,3 с, 4,0 с, 2,0 с соответственно. Устойчивая работа существующих ОПН, как показано выше, при дуговых замыканиях может быть обеспечена только в сетях первой категории. Для сетей второй и третьей категории в случае необходимости устойчивой работы ОПН при дуговых замыканиях длительностью до 15 с необходимо разрабатывать ограничители с допустимой энергией рассеивания примерно в шесть раз больше.

В ЗАКЛЮЧЕНИИ сформулированы основные результаты работы.

1. Разработана математическая модель сети в режиме дуговых 033, отличающаяся от известных тем, что она учитывает нелинейные ограничители перенапряжений, подключаемые к шинам сети.

2. Разработаны алгоритмы и программы численного анализа переходных процессов дугового замыкания, отпчавщиеся от известных тем, что за счет использования более рациональных методов реше-

-гения системы нелинейных дифференциальных уравнений и специальных приемов снятия жесткости существенно сокращены затраты машинного времени, что обуславливает использование ПЭВМ.

3. Разработанные математическая модель и программа ее реализации позволяют проводить численный анализ переходных процессов, как при наличии, так и при отсутствии ОПН.

4. Впервые разработана методика прямого численного определения энергии, выделяемой в ОПН при перемежающихся дуговых 033.

5. Достоверность численного анализа переходных процессов с использованием разработанных моделей подтверждена достаточно хорошим количественным и качественным совпадением расчетных и экспериментальных параметров. Количественные отклонения расчетных параметров от экспериментальных не превышают 8'/..

6. В отличие от классических теорий дуговых перенапряжений при 033 теоретически показано, что наибольшие возможные перенапряжения могут достигать не 3,5*ифм, а 5*ифм, что подтверждено численным анализом переходных процессов.

7. Перенапряжения с кратностью до 5-11фм возможны в сетях с малыми эквивалентными активными сопротивлениями фаз сети и оболочек кабелей, а также сопротивлением в месте замыкания.

8. Расчетным путем получены зависимости кратностей перенапряжений от наиболее существенно влияющих параметров сети, которые обуславливают реально возможные сочетания параметров сети,' при которых могут быть экспериментально или расчетным путем обнаружены наибольшие перенапряжения в каждой конкретной сети.

9. Расчетным путем получены зависимости энергии, выделяемой в ОПН при единичном замыкании и при дуговом замыкании от параметров сети и от условий горения дуги в дуговом промежутке.

10. Впервые показано, что в отличие от ограничителей грозовых и коммутационных перенапряжений на работу ограничителей ду-

говых перенапряжений весьма существенно сказываются параметры сети, что исключает практическую целесообразность применения только одного типоразмера ОПН:

11. Показано', что существующие ОПН с уровнем ограничения 1Л00=2,411фм и допустимой суммарной энергией в 40 кДж могут устойчиво работать при дуговых замыканиях до 15 с в сетях, в которых энергия, выделяемая в ОПН в течение одного пробоя дугового промежутка, не превышает 30 Дж.

12. Область возможного применения указанных ОПН может быть расширена за счет линейных активных сопротивлений, включаемых последовательно с ОПН.

13. Для сетей, в которых энергия, выделемая в ОПН в течение одного пробоя дугового промежутка, достигает до 100 Дж и 200 Дж, необходимо разрабатывать ОПН с допустимой суммарной энергией до 120 кДж и 240 кДж соответственно.

14. В связи с тем, что обеспечение термической устойчивости ОПН при дуговых замыканиях за счет ограничения времени их существования связано с нежелательным отключением поврежденных присоединений, наиболее целесообразным путем является путь увеличения пропускной способности ОПН'.

15. Пропускная способность ОПН может быть увеличена за счет:

- применения параллельных ветвей варисторов;

- интенсификации отвода тепла из ОПН за счет металлических радиаторов и жидких охладителей.

16. Приведенную рекомендацию о типоразмерах ОПН следует рассматривать, как ориентировочную, так как нуждаются в уточнении:

- длительность реального существования дуговых замыканий;

- характер изменения горения дуги;

- суммарная энергия, рассеиваемая в ОПН ^ течение реального времени существования дугового замыкания.

-Яо-

Схема электроснабжения Ф и схема замещения б) сети с ОПН

ТМИ-2500/35

а)

6,3 к В

С(\ 1и

Ис 1_с Со

ев

ее

-Ф-

е)

В

"10

■11

См

Т-птг^3^11!

. и 15' о^^-Ц-

¿-В

М N 0 V

|}опн

I?

«.» « ' . >г

и ПРо

М! Рис. 1

I

- fct-

BAX ОПН .6 kB

13 12 11 10

0,1 0,5 1 5 10 50 100 500 РИС.2.

Расчетные зависимости К от Re и Ro

К

ч

3 4

ал

О Я Ч 6 8 RcjRo Ом Рис.5

Расчетные кривые Lonw и UonHot4i при Аугоеом замыкании

U5U<M

Рис. 4

Расчетные зависимости А от К , М и Со

А,

Дж

600

400

2.00

0,5 1 1,5 К=иД« Я > ' --' * ......

О 1 % Со,»*Ф з

3 *

г" ---^М-З -

Рис.5

ОСНОВННЕ П0Л08ЕНИЯ диссертации опубликованы в работах: Дударев /I.E., Эррера Р. Пакет программ для анализа дуговых замыканий фазы на землю // Компъютерьые технологии обучения и управления вузом // Тез. докл. XIU научно-методическая конференция,- Донецк, 1992.

Дударев (I.E., Зррера Р. Анализ переходных процессов с помощью ПЭВМ при дуговых замыканиях фазы на землю // Деп, в НкрИН-ТЗИ. No 694 - ук 92. 1992.- 13 с.

Дударев /I.E., Зррера Р. Численный анализ переходных процессов при дуговых замыканиях фазы на землю в сети с ОПН // Деп. в НкрИНТЗИ, No 692-ук 92, 1992.-12 с.

Подл, в печатьМ.ОЯ,'^Формат 60Х847и. Бумага m,U.lWt¡UUJ). Офсетна» печать. Усл. печ. л. . Усл. кр.-отт. t,6 . Уч.-иэд. л. {,0 , Тираж J20 »и.

Заказ »Mt

Донецкий политехнический институт, 340000, Донецк, ул. Артема, 58. ДМПП, 340050, Донецк, ул. Артема, 96