автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Улучшение эксплуатационных характеристик электроустановок систем электроснабжения нефтяной промышленности при перенапряжениях

На правах рукописи

ЗАСЫПКИН Иван Сергеевич

УЛУЧШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НЕФТЯНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ ПРИ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯХ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара - 2011

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Самарском государственном техническом университете на кафедре «Автоматизированные электро-

энергетические системы».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Степанов Валентин Павлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Таджибаев Алексей Ибрагимович

кандидат технических наук, Бобров Владимир Петрович

Ведущее предприятие:

Центр физико-технических проблем энергетики Севера Кольского научного центра Российской академии наук (г. Апатиты)

Защита состоится «20» декабря 2011 г. в 14 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.217.04 при Самарском государственном техническом университете (СамГТУ) по адресу: г. Самара, Молодогвардейская ул., д. 244, корпус, ауд. 4А.

Отзывы по данной работе в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: Россия, 443100, г. Самара, Молодогвардейская ул. 244, Главный корпус, Самарский государственный технический университет, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.04, тел.: (846) 278-44-96, факс (846) 278-44-00, e-mail: aleksbazarov@yandex.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета.

Автореферат разослан «18» ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д 212.217.04,

доктор технических наук, доцент

А.А. Базаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Прирост электроэнергии, распределяемой и потребляемой в электротехнических комплексах (ЭТК) систем электроснабжения и электрических сетей (СЭЭС) 6 35 кВ нефтяной отрасли, достигается за счет ввода новых объектов и интенсификации использования и улучшения эксплуатации электроустановок (ЭУ) и, в частности, силовых трансформаторов (СТ), линий электропередачи (ЛЭП) и электродвигателей (ЭД). И в том, и в другом случае характерна высокая аварийность электрооборудования (ЭО) от эксплуатационных физических воздействий (ЭФВ), в частности, внутренних (феррорезонансных, коммутационных и др.) и внешних (грозовых) перенапряжений и сверхтоков.

В первом случае, причины повреждений это - необоснованные или некорректные решения, принятые на этапах проектирования, монтажа и ввода в эксплуатацию. Во втором случае, основные причины аварийных отказов - нарушения регламентов эксплуатации, а также износ ЭУ. Отметим, что технико-экономический анализ и опыт эксплуатации ЭО, отработавшего установленный срок службы показывают, что его продление на 20 ^ 30 лет для многих ЭУ, в частности, для СТ, вполне конкурентно замене их на новые.

Поэтому по экономическим и техническим причинам при постоянном и повсеместном дефиците финансирования в электроэнергетике, з частности, нефтяной 01расли, не следует ожидать существенного обновления работающих ЭУ. В ближайшем будущем работоспособность ЭО в большой мере будет обеспечиваться продлением срока службы.

Это требует уточненного анализа электромагнитной совместимости (ЭМС) во взаимосвязанных физических процессах, возникающих вне и внутри ЭТК, «ЛЭП-СТ-ЭД» при разнообразных ЭФВ, энергия которых поступает из внешней среды (в частности, атмосферы) или была накоплена внутри ЭТК.

Важнейшая проблема ЭМС в этом аспекте - целевое управление ЭФВ, то есть условиями появления, передачей, переходами через ЭУ, направлениями и величинами потоков энергии в различных видах и формах. При этом должны быть обеспечены технологические процессы энергоснабжения, а также нормальное функционирование ЭТК и в целом СЭЭС с учетом надежности, энергосбережения и энергоэффективности. Особенное значение это приобретает в условиях значительного износа ЭУ и, прежде всего, их изоляции.

Ряд аспектов этой проблемы в настоящее время не имеет как решений, удовлетворяющих в полной мере современным требованиям эксплуатации и проектирования СЭЭС, так и рекомендаций на их основе. Здесь можно назвать классификацию и уточнение формирования ЭФВ, анализ и моделирование собственно обеспечения ЭМС с учетом взаимосвязи процессов при конкретных ЭФВ и др. Особое значение это приобретает в условиях значительного износа объектов СЭЭС и, прежде всего, их изоляции.

Поэтому основные задачи настоящей работы определены в соответствие с се названием в области повышения надежное™ и обеспечения ЭМС в ЭТК б " 35

кВ и, прежде всего, при различных формах переходов электромагнитной энергии ЭФВ внутри, вне и через ЛЭП, СТ и ЭД в квазистационарных и переходных процессах при внешних (грозовых) и внутренних воздействиях, в частности, при возникновении феррорезонансов.

Эти положения определяют актуальность настоящей работы и явились мотивацией выбора и обоснования ее проблемы и цепи.

Цель работы - повышение надежности и обеспечение ЭМС с учетом физики взаимосвязанных энергетических процессов в целом в ЭТК «ЛЭП - СТ - ЭД» при различных видах электромагнитных ЭФВ. Реализация цели позволяет обеспечить нормальную работу ЭУ, в частности при их значительном износе.

Задачи работы, сформулированные в соответствие с поставленной целью:

- построение математических моделей разнонаправленной электромагнитной передачи через обмотки СТ электромагнитных помех в виде квазистационарных и импульсных грозовых перенапряжений и ограничения их уровней до величин, безопасных для изношенного ЭО;

- разработка уточненных методов оценки технического состояния изоляции нейтралей СТ и ЭД систем электроснабжения при воздействиях на них квазистационарных, импульсных и феррорезонансных ЭФВ, а также средств и мероприятий для их глубокого ограничения;

- математическое моделирование перенапряжений при феррорезонансных переходов электромагнитной энергии в ЭУ 6-35 кВ, определение их уровней и разработка средств и рекомендаций для их глубокого ограничения;

- обеспечение ЭМС СТ при градиентных переходах электроэнергии и ограничение перенапряжений при этом с помощью защитных мероприятий и аппаратов, в том числе нелинейными ограничителями перенапряжений (ОПН).

Научную новизну работы определяют следующие положения и разработки:

- построение математических моделей электромагнитной передачи ЭФВ, возникающих с различных сторон электрически и магнитно связанных ЭУ;

- уточнение математических моделей квазистационарных и переходных процессов для исследования перенапряжений в нейтралях СТ и ЭД;

- уточненные математические модели для обеспечения ЭМС при феррорезонансных и градиентных перенапряжениях в ЭТК 6-^35 кВ.

Практическая ценность работы заключается в том, что результаты проведенного в ней систематического исследования процессов электромагнитной передачи ЭФВ (перенапряжений) в комплексах электромагнитно связанных элементов ЭТКС 6 35 кВ (ЛЭП-СТ-ЭД), позволяют значительно сократить аварийность ЭУ, повысить надежность и улучшить обеспечение ЭМС. Для реализации этого в эксплуатации и при проектировании по результатам исследований рекомендованы соответствующие средства и мероприятия.

Сказанное выше позволяет сформулировать основные положения, выдвигаемые на защиту.

1. Научное обоснование и методика математического моделирования квазистационарных и переходных процессов разнонаправленной передачи электромагнитной энергии ЭФВ во взаимосвязанных «ЛЭП-СТ-ЭД» СЭЭС 6 -35 кВ.

2. Усовершенствованные математические модели для определения феррорезо-нансных перенапряжений и зашиты от них ЭО подстанций ЭТК б - 35 кВ и высоковольтных электрических машин.

3. Система научно обоснованных мероприятий по обеспечению ЭМС на основе защиты от перенапряжений в нейтралях СТ и ЭД и градиентных перенагтряжешт.

Объектами исследования являются ЭУ комплексов электромагнитно связанных элементов ЭТК б - 35 кВ (ЛЭП-СТ-ЭД).

Основные методы научных исследований. При проведении работы использованы методы математического моделирования, теории вероятностей и статистической обработки информации. Натурные экспериментальные исследования проводились в реальных условиях эксплуатации.

Достоверность полученных результатов исследований определяется корректным использованием соответствующего математического аппарата, подробной оценкой и научным обоснованием принятых допущений и подтверждается совпадением результатов расчетов и экспериментальных данных.

Апробация работы. Положения диссертации и ее разделы докладывались на научно-технических конференциях и семинарах: «Радиотехника, электротехника и энергетика» МЭИ (ТУ), (Москва, 2009, 2010 г.г.); «Эффективность и качество электроснабжения промышленных предприятий» (Нижний Новгород, 2009 г.): «Проблемы повышения энергоэффективности и надежности электрических сетей и систем электроснабжения предприятий нефти и газа» (Самара, 2010 г.); «Электрическая изоляция - 2010» (Санкт-Петербург, 2010 г.); «Электроэнергетика глазами молодежи»», (Екатеринбург, 2010 г.). «Кибернетика электрических систем», (Новочеркасск, 2009, 2010 г.г.), «Энергосбережение, ЭМС и качество в электрических системах», (Пенза, 2011).

Реализация результатов работы. Результаты диссертации в виде рекомендаций по применению новых средств защиты от перенапряжений, мероприятий, математического и программного обеспечения переданы в подразделения ОАО МРСК Волги, ЗАО «ГК «Электрощит» - ТМ Самара», ОАО «Роснефть», и др., а также для использования при проектировании систем электроснабжения ОАО «Проект-электро» (г. Самара) и ОАО «Самарский Электропроект» (г. Самара).

Разработанные методы моделирования и расчета волновых переходных процессов в схемах подстанций и систем электроснабжения используются в учебном процессе Самарского государственного технического университета на кафедре «Автоматизированные электроэнергетические системы», Петербургского энергетического института повышения квалификации, Ульяновского государственного технического университета, Ивановского государственного энергетического университета и др.

Публикации. Содержание диссертации изложено в 13 печатных работах. боты, 3 из которых - в изданиях по списку ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованпой литературы из 125 наименований, содержит 150 стр. основного текста.

Во введении приводятся определения актуальности и цели настоящей работы. Сформулированы задачи исследования, даны краткая информация об объектах исследования, использованных для этого методах, сведения о научной новизне, практической значимости, достоверности и внедрении результатов работы. Кроме того приведены сведения о ее апробации, а также публикациях, в которых освещено содержание диссертации.

В первой главе рассматривается обеспечение ЭМС при внешних (грозовых) и внутренних воздействиях для ЭУ, используемых в технологических процессах нефтяной отрасли. Оно определяется физическими особенностями разнообразных форм передачу и переходов электромагнитной энергии ЭФВ внутри, вне и через СТ и ЭДъ квазистационарных и переходных процессах.

Обратим внимание на то,

Е Ш

ш

ЭФВ

>1 ЛЭП]

СТ

->] ЛЭП2

¡~ЭФВ~!->| ЛЭП 1

В!1 СТ Ш1 -И эд_|

нгйлшь

ЭФВ

ЛЭП

У+Тэд!

СТ

«сйтра-п

-г

ЛЭП 1<~1 ЭФВ

га 1^фв]-

» ЛЭП 1 г> ан

СТ с

а СТ 1

нгЬшаль

пэд

Рис. 1. Условные схемы передачи электромагнитных ЭФВ в СЭЭС 6 - 35 кВ нефтяной отрасли.

что большинство известных исследований ограничиваются только определением перенапряжений непосредственно на ЭУ при приходе на них ЭФВ, причем, чаще всего, только со стороны сети более высокого напряжения. Однако как показывает анализ их

аварийности, доля энергии ЭФВ, переходящей через СТ и другие ЭУ, весьма значительна, что в ряде случаев приводит к перенапряжениям и нарушениям ЭМС, особенно опасным для ЭУ с большими сроками эксплуатации. На рис. 1 в поз. 1 + 5 в соответствующей классификации представлен ряд наиболее характерных видов названных процессов.

1. ЭФВ инициируется в ЛЭП 1 - линейной части ступени 1 (ВН) приходит на СТ и, переходя на ступень 2 (НН), воздействует на изоляцию обмоток и нейтраль СТ, все электроустановки НН, в том числе и на линии НН - ЛЭП 2.

2. То же, что поз.1, но на ступени 2 находится электрическая машина ЭД. Обратим внимание, что в поз. 1, 2, 4 ЭФВ могут быть инициированы не только с ЛЭП 1 и 2, запасами энергии собственно СТ и ЛЭП, что приводит при различных сочетаниях схем СЭЭС и их параметров к перенапряжениям в нейтрали СТ, феррорезонансам, градиентным перенапряжениям и др.

3. ЭФВ с ЛЭП 1 или 2 (10, 6, 0.4 кВ) приходит непосредственно на ЭД.

4. ЭФВ с ЛЭП 10, 6, 0.4 кВ приходит на сторону НН СТ.

5. ЭФВ приходит сторону 10, 6 кВ двухтрансформаторной 6 (10)/0,4 кВ и 0,4/ ираб схемы питания погружных электродвигателей нефтедобычи.

В данных вариантах предполагается, что ЭФВ - это внешние (грозовые) или внутренние (фсррорезонансные и др.) перенапряжения, то есть источниками ЭФВ могут быть атмосферные процессы, а также внутренняя электромагнитная, электромеханическая и др. энергия элементов СЭЭС.

о

Кроме того, на ВН и НН сторонах СТ, а также ЭД могут быть установлены защитные аппараты - вентильные разрядники и нелинейные ограничители перенапряжений. Здесь и далее рассматриваются только наиболее распространенные в СЭЭС 6 35 кВ двухобмоточные трансформаторы (рис. Í, поз. 1. 2, 4, 5). так-как процесс анализа передачи электромагнитных ЭФВ для других видов СТ во многом аналогичен.

Физические особенности квазистационарных и переходных процессов в СТ и ЭД при внешних (грозовых) н внутренних воздействиях, определяются различными формами переходов электромагнитной энергии ЭФВ внутри, вне и через СТ и ЭД. В частности, это справедливо для СТ, питающих, например, в нефтяной отрасли ЭД буровых станков, компрессорных, перекачивающих и насосных станций, станков - качалок и специфических Г1ЭД (рис. I, поз. 2 и 5), работающих на нестандартных напряжениях UpaB = 0,5-^-3 кВ, поэтому в зависимости от схемы электроснабжения СТ в двух или трехобмоточном исполнении должны иметь обмотку с напряжением Upac,. При этом используются схемы питания с двойной трансформацией 6 (!0)/0,4 кВ и 0,4/^,5 и, соответственно, со специфической двойной передачей ЭФВ (рис. 1, поз. 5).

Практика эксплуатации СТ 6 10/0.4 кВ, связанных с BJT (рис. 1, поз. 1), говорит о значительной повреждаемости вследствие воздействия атмосферных перенапряжений особенно в безлесных сельских районах и в городских - с одноэтажной застройкой. По данным ОАО «Самаранефтегаз», Самарских, Жигулевских, Чапаевских, Самарских городских электрических сетей повреждаемость СТ за грозовой сезон достигает 5'-/о от общего числа установленных.

Другой причиной грозовой повреждаемости СТ 6-^10/ 0,4 кВ, которой в настоящее время уделяется необоснованно мало внимания, является переход импульсных волн, приходящих по линиям НН, через обмотки СТ на сторону ВН (рис. 1, поз. 4). Кстати говоря, эта тенденция характерна и для сетей более высоких классов напряжения. Прямые поражения ВЛ НН маловероятны, поскольку, как правило, их провода подвешены не высоко и часто экранированы строениями, деревьями и т.д. При этом амплитуда перенапряжений при отсутствии специальных мер для их ограничения может достигать 1,5 МВ.

В основном же внешние перенапряжения на BJI НН - индуктированные с амплитудой 10 - 60 кВ при вероятности появления в среднем 1 раз в год на 1 км длины ВЛ, с импульсной прочностью изоляции около 5 кВ. В среднем это даст несколько десятков перекрытий в год на 1 км BJ1. Они охватывают большую часть данной сети, что подтверждается случаями одновременного отключения нескольких СТ б 10/0,4 кВ. При разряде молнии на элементы Э'ГК (рис. 1) и, прежде всего, СТ и ЭД воздействуют импульсные волны (с возможным одновременным приходом по разным ВЛ). Их опасность определяется амплитудой, крутизной фронта и длительностью, а также количеством повторных импульсов.

После перехода с обмотки НН в обмотку ВН импульсная волна в ряде случаев приводит к пробою изоляции обмотки и ЭУ на стороне ВН, также несмотря на наличие защитных устройств. Это говорит о необходимости уточнения анализа

переходных процессов и обоснования мероприятий по защите СТ 6 ^ 10/0,4 кВ при приходе волн перенапряжений с обеих его сторон.

С позиций теории электрических и магнитных явлений, представленной в классических работах Г.А. Гринберга, для ЭФВ имеет место электромагнитная передача энергии (ЭПЭ) в виде импульсных и квазистационарных перенапряжений через СТ в переходных процессах, вызванных перераспределением электромагнитной энергии, накопленной внутри СЭЭС составляющими элементами, и пришедшей извне, чаще всего атмосферного электричества. Физика этой передачи в прикладной электротехнике изучена недостаточно.

Как и в большом числе моделей ферромагнитных электротехнических устройств и установок, она может быть условно разделена по физической природе на электрическую и магнитную составляющие, а именно: - электрическая (емкостная) передача (ЭЕП), происходящая за счет емкостных связей между обмотками; - колебательная (магнитная) передача (КМГТ), которая происходит за счет собственных колебаний в СТ и определяется взаимной индукцией между обмотками; - квазистационарная (магнитная) передача (КСП).

Для анализа электромагнитной передачи в СЭЭС 6 ^ 35 кВ в целом и, в частности, в СТ используется общепринятый метод моделирования с помощью схем замещения с сосредоточенными и распределенными -параметрами.

Электростатическая емкостная передача перенапряжений имеет наибольшее значение для грозовых перенапряжений с характерными для них высокими эквивалентными частотами. Колебательная магнитная передача приближенно анализируется с учетом распределенности параметров с допущением о пренебрежении влиянием продольных емкостей и взаимоиндукцией между витками, расположенными в разных плоскостях. При изолированной нейтрали основное колебание образует по длине обмотки 'А волны пространственного распределения и результирующий магнитный поток наводит во вторичной обмотке соответствующую ЭДС. При заземленной нейтрали ХА волны пространственного распределения не создает основного потока и в этом случае возможна лишь передача колебаний высших частот по путям магнитного рассеяния.

Магнитная квазистационарпая передача перенапряжений имеет место при приложении импульсного напряжения, когда по обмотке начинает протекать сквозной ток. Квазистационарная передача является одним из определяющих процессов при феррорезонансных явлениях. Ее анализ при заземленной нейтрали обмотки НН говорит о возбуждении собственных колебаний в контуре «индуктивность рассеяния - емкость первичной обмотки.

С учетом данных об аварийности в сетях б ^ 35 кВ, недостаточной проработки данного вопроса, как в известных исследованиях, так и в директивных документах возникает необходимость физико-математического обоснования математических моделей названных процессов электромагнитной передачи, приемлемых для практического использования.

Обратим вниманне, что отдельное исследование каждого вида передачи, с одной стороны, можно использовать, поскольку в каждом конкретном случае с приближенной оценкой погрешностей определяющим является один, реже два

из них. С другой стороны, по результатам моделирования и данным эксплуатации можно произвести их сопоставление и оценку влияния .

Математическая модель электростатической емкостной передачи перенапряжений строится для условий при падении прямоугольного импульса Со на вход первичной обмотки в виде следующие уравнения:

а-и, Г/, С п —т- + С„, —+ —Ь\ = 0; с!х К, А', 2 '

сЫ р 2 К

и, с

и, =0 .

ч ил 1\ 2 К2

где Ср1 - С + Сь Ср2 = С + Сч. Эти уравнения можно преобразовать к одному дифференциальному уравнению 4 порядка

аГ£/,

с12и2(Ср1

сЬс

сЬ1 К

+ Г/,

+ и2-(Ср1Срг-Сг)/(КгКг) = 0.

Решение этого уравнения определяется корнями биквадратного характеристического уравнения и постоянными, обусловленными граничными условиями. Корни р\+ рд характеристического уравнения

Р* -Р1' 1 к\ + 1 кг) + - с:2) / (Л", • /<"2) = 0 можно найти в виде:

/>.-4 = ± / +■ / / 2 ± / К, + Ср2 /К2)2- 4 ■ (С„, ■ сТ -С2)/ (А'. • А',) После преобразований и упрощений получим приближенное выражение {/2 (0) = С - Ь'0 /^Ср2 + Л/(С, • Ср2 -г С • Ср2) - А', / А, ^ для напряжения на выводе вторичной обмотки {У2(0). При реальных значениях С, С\, С2, Кь К2 и £У0 - 100^150 кВ для наиболее распространенных СТ в СЭЭС 6 10 кВ в тех случаях, когда к вторичной обмотке непосредственно подключены ЭД (в схеме замещения их также можно представить емкостями) и с учетом колебаний, возникающих во вторичной обмотке, амплитуды перенапряжений на выводе обмотки НН скорее всего не превысят амплитуду падающей волны ¿/0, но будет опасными для изоляции ЭД, то есть и2(0)! Ц0 ~ 0,2 -г 0,4 или 20 60 кВ.

Можно констатировать существенно меньшую опасность других вариантов состояния вторичной обмотки, связанных с подключением к обмотке активного сопротивления. В широком диапазоне от относительно небольших значений, соответствующих недвигательной нагрузке, волнового сопротивления ЛЭП и в пределе разомкнутого состояния в режиме холостого хода наиболее опасен последний по очевидным физическим соображениям.

ил*+ ши.» иЛ'И

б) в) Рис. 2. Зависимости 11г{0) / Со при подключении к вторичной обмотке; а) емкости, б) сопротнвлеиия2[т.в том числе волнового сопротивления ЛЭП, в) ОПН Оля — прямоугольно! косоуголыюй(тф~] мкс),----апериодической (¡,2/50мкс) волн6'0.

Уровни перенапряжений при приходе волн прямоугольной, косоугольной с фронтом 1 мкс и апериодической формы (импульсной испытательной волны 1,2/50 мкс) на трансформатор ТМ 630/10/0.4 показаны на рис. 2. Характерна тенденция снижения этих уровней в данной последовательности типов волн.

Поэтому существует необходимость включения на зажимах вторичной обмотки ОПН через отрезок ошиновки (модель — волновое сопротивление ЛЭП) или непосредственно. Наличие нагрузки различного характера (емкость, активное сопротивление) резко уменьшает (рис. 2) величину напряжения и2.

Аналогичные решения представленных выше уравнений выполнены и для импульса и0 на вход обмотки НН. Амплитуды перенапряжений на выводе обмотки ВН также не превысят амплитуду волны Ь'0 ~ 50 60 кВ, падающей на вход обмотки НН, но принципиально могут оказаться опасными теперь уже для изоляции для электроустановок на стороне ВН и самой обмотки, то есть 6^(0) / и0 - 0,4 + 0.6 или 20 35 кВ по очевидным физическим соображениям.

Отметим также, что включение ОПН полностью решает проблему подавления перенапряжений при прямой и обратной передаче через СТ. Для выяснения названного вопроса применительно к цели настоящей работы были проведены компьютерные эксперименты, в которых на сторонах ВН и НН моделировалась установка ЗА с ухудшенными в результате износа характеристиками.

Физическая сущность колебательной передачи перенапряжений заключается в том, что собственные колебания в обмотке ВН под действием приложенного импульсного напряжения создают общий магнитный поток, изменяющийся во времени с частотой, равной собственной частоте обмотки ВН, который наводит в обмотке НН ЭДС той же частоты. В свою очередь, в обмотке НН возникают свободные колебания с частотой, определяемой ее параметрами. Они передаются в обмотку ВН и таким образом вторичное напряжение содержит составляющие двух разных частот со\ и со? напряжения на обмотке НН

и2=—--—-^(мкю,-/-«ка^ •/), где С0, С, С\ - емкости обмотки

/1 С0+(С, + С2) / п"

ВН, отнесенной к нейтрали; между обмотками; обмотки НН и нагрузки.

Уравнения переходного процесса в операторной форме имеют вид

После составления и решения характеристического уравнения, имеющего четыре комплексных корня, а также определения постоянных и перехода от операторного изображения напряжения 02 = 02(х,р) к оригиналу и2(х, 0, получим

ох ах

У -П

—эт®, Д, (£ - л)------— эт ео. Л, (С - х)

о о 114 ' т> с 134 '

!/____уаъа$.Л

СОЙйу •

где X - L—----1—; У = -—^-1—.

р--м-сг р--М-С2

Оценивая результаты построения математической модели можно отмети г и ее определенные возможности, прежде всего, для приближенного анализа процессов К МП импульсных перенапряжений. Для которых она дает завышенную оценку перенапряжений (с запасом ~ 10 + 15 %), так как в нем не учтено демпфирование колебаний влиянием магнитопровода.

Полученное решение для КМП импульсных напряжений с обмотки ИН на обмотку БН после проведенного анализа позволило сделать вывод о его преимущественном применении к трансформаторам с высшим напряжением 35 кВ и меньшей мере к трансформаторам 6 10/0.4 кВ для которых оно не имеет существенного значения. Здесь необходимо учитывать следующие режимные условия:

- обычно нейтрали обмотки НН заземлены наглухо или через пробивной предохранитель. что практически исключает передачу колебании:

- в случае изолированной нейтрали величина перенапряжении, набегающих на обмоису ВН. ограничена импульсной прочностью этой обмотки:

- как в случае заземленной, так и в случае изолированной нейтрали частоты собственных колебаний обмотки НН составляют 500 н- 1000 кГц; в этом частотном диапазоне колебания и их передача во вторичную обмотку существенно ограничиваются демпфирующим влиянием магнитопровода.

Математическую модель КМП импульсных перенапряжений можно представить в виде трех уравнений для операторных изображений напряжений токов рЩ + (pL2 + CR)L, = 0; Ü0 = pL, l + pMi2: U2 =\-CR, где

CR = r2 / (pC2i\ +1). Для периодического случая, который дает наибольшую вели-

чину Ui, при п = %¡L-, 1I, : w = yja1 -\/{aC2L2) \а = 1 /(2C2r,); р = МI -[^Ц.

можно записать U. = - Unpn

£ {cosan-asmcot/<у)

Это решение дает возможность произвести оценку перенапряжений при их КМГ1 и является эффективным инструментом для исследования феррорезо-нансных процессов, особенно в цепях с резонирующими измерительными трансформаторами напряжения.

Вторая глава посвящена вопросам обеспечения ЭМС при передаче электромагнитной энергии ЭФВ в виде перенапряжений на нейтрали С'Г и ЭД. Повреждения нейтрали СТ 6 ^ 35 кВ возникают чаще всего по двум причинам: при разрушении защитных аппаратов (вентильных разрядников и ОПН), предназначенных для защиты нейтрали, и при повреждении изоляции нейтрали. Причинами повреждении нейтралей СТ являются: некорректная координация характеристик ЗА и изоляции нейтрали, все еще нередко имеющее место отсутствие соответствующих ЗА, длительное воздействие напряжения промышленной частоты, превышающего напряжение гашения ЗА.

Это особенно характерно для часто возникающих неполнофазных режимов, приводящих в большом числе случаев к длительным перенапряжениями в результате перегреву шунтирующего сопротивления. При этом ЗА, выполняя свою основную функцию по защите нейтрали СТ, разрушаются.

Иначе говоря, данные эксплуатации свидетельствуют об очевидных нарушениях ЭМС по превышению энергетических параметров ЭФВ над граничными значениями - уровнями ЭМС. Это приводит 1С значительной аварийности, связанной с нейтралью СТ, ее ЗА. и дугогасительных реакторов.

Анализируя современное состояние проблемы перенапряжений в нейтрали и защиты от них и, опираясь на полученные в работе результаты, можно констатировать следующее.

1. По грозовым перенапряжениям в нейтрали СТ информация весьма ограничена. Она получена на моделях, с помощью расчетов или зафиксирована с помощью несовершенной аппаратуры и не полностью отражает реальные эксплуатационные режимы.

2. Число грозовых перенапряжений, опасных для нейтрали СТ 6 ^ 35 кВ, может доходить до десятков в год. При этом перенапряжения в нейтрали СТ приблизительно в 1,2 раза больше, чем на сборных шинах.

3. Кратность перенапряжений зависит от числа отходящих линий. Например, при приходе грозовых волн с линии на многофидерную подстанцию с пятью отходящими линиями, имеется существенная вероятность повреждения изоляции нейтрали СТ с полней изоляцией.

4. По внутренним перенапряжениям наибольшую опасность для нейтрали СТ 6 35 кВ представляют несимметричные режимы линий, работающих по схеме блока или полублока, а также линий, работающих с наглухо присоединенными СТ. При этом несимметрия может появляться вследствие существенного разброса в действии разных полюсов линейных выключателей или при их отказе, при несимметричных коротких замыканиях, или при обрывах одного или двух проводов линии и их заземлением или без него.

5. Наиболее опасные внутренние перенапряжения возникают при отключении ненагруженных СТ и линий; в этом случае ЗА работают, не подвергаясь опасности разрушения.

6. При кратковременной работе участка сети с изолированной нейтралью и однофазным коротким замыканием кратность перенапряжения на нейтрали достигает 1,5 в переходном и доходит до 1,0 в установившемся режиме.

С помощью метода низковольтных импульсов (НВИ) по схемам рис. 3 проведено натурное моделирование перенапряжений в изолированных нейтралях С'Г и ЭД в реальном масштабе времени при пониженных напряжениях для СТ 6 и 10 кВ (24 СТ 10 кВ).

Анализ экспериментальных данных выявил следующие закономерности. 1. С увеличением длины волны хе на линейных вводах СТ увеличивается амплитуда перенапряжений в нейтрали.

2. Величина перенапряжения в нейтрали прямо пропорциональна числу фаз, по которым одновременно приходит волна перенапряжения на линейные вводы СТ.

3. Величина перенапряжений в нейтрали СТ зависит от периода Т основной частоты собственных колебаний обмоток.

Вид кривых и„ /ии - / (т„) для всех исследованных СТ однотипен, следовательно, величина Ш110 является функцией двух величин т„ и Т. Построенные зависимости и„/и„ =/ (т„/Т) для всех исследованных трансформаторов совпали и дали единую зависимость.

Обобщая все вышесказанное, можно дать формулу для определения максимальных значений перенапряжений в нейтрали силовых трансформаторов классов 6 35 кВ Цликс = п / 3 • и0 ■/(т„/Т), где п - число фаз, по которым одновременно приходит волна; и„- амплитуда волны перенапряжений на линейных вводах трансформатора; / (тв/Т) - функция, график которой приведен в работе. Сказанное выше позволяет сделать следующие выводы.

1. Грозовые перенапряжения представляют опасность для изоляции нейтрали СТ 6 35 кВ и поэтому требуется ее защита с помощью специальных ЗА нейтрали.

2. ЗА, установленные на подстанции, снижают величину напряжения в нейтрали, но она продолжает оставаться опасной для ее изоляции при приходе волны по трем фазам.

3. Увеличение числа отходящих линий снижает величину напряжения в нейтрали, но при этом оно продолжает оставаться опасным для изоляции нейтрали СТ.

4. ЗА, установленный в нейтрали СТ, обеспечивает надежную защиту изоляции нейтрали и работает в облегченных условиях, так как импульсное сопротивление обмоток СТ ограничивает ток через ОПН или разрядник. Ток, протекающий через ЗА даже при приходе грозовой волны по трем фазам не может превысить величины 0,6 + 0,9 кА для СТ б 35 кВ.

Максимально возможный импульсный ток в нейтрали упрощенно определяется по закону Ома допустимым напряжением грозовой волны для фазных выводов и импульсным сопротивлением обмотки СТ, например, для СТ 35 кВ он будет равен ~ 0,9 кА.

По результатам исследований для обеспечения ЭМС разземленной нейтрали СТ при грозовых и внутренних перенапряжениях можно рекомендовать следующие схемные и аппаратные мероприятия: - заземление нейтрали через резисторы, что связано с определенными техническими трудностями; - разземление нейтрали СТ подстанций, от которых отходит большое количество воздушных линий и питается несколько СТ; - внедрение релейной защиты от неполнофаз-ных режимов СТ. нейтрали которых изолированы; - внедрение системной авто-

Рис. 3. Схема импульсного обмера СТ при приходе волны по 1 (а), 2 (б) и 3 (<?) фазам.

матики на отключение С Г с изолированной нейтралью при повышешмх напряжения; - установка ОПН в разземленной нейтрали СТ, которые одновременно демпфируют внутренние перенапряжения в нейтрали.

В третьей главе рассматриваются вопросы обеспечения ЭМС от ЭФВ при возникновении феррорезонансных перенапряжений (ФРП) в СЭЭС 6-^-35 кВ, которые чаще всего связаны с неполнофазными режимами при явном обрыве фазного провода или перегорании предохранителя, а также при неодновременном отключении коммутационным аппаратом всех трех фаз неиагруженного понижающего СТ или ЭД.

Как показывает анализ экспериментов н опыта эксплуатации, для развития ФРП достаточно интервалов неодновременное™ отключения, составляющих 0,04 с (2 периода частоты 50 Гц) и более,. Специфичные условия передачи электромагнитной энергии в изолированной нейтрали СТ возникают при не-полнофазных включениях. Анализ величин внутренних перенапряжений в нейтрали СТ был проведен для наиболее характерного расположения СТ в СЭЭС 6 35 кВ (рис. 4, 5). Параметры последней для неполнофазных коммутаций СТ с линией отражают: С^; Ск\ Сс - емкости фаз на землю; Слв\ Сас\ Сем ~ междуфазовые емкости; Ь - индуктивность отражает линейное индуктивное сопротивление питающей системы и линии; Яь /?2 - соответственно, сопротивление линии и эквивалент активной нагрузки СТ. Нелинейные индуктивности фаз СТ в схеме рис. 5 представляются обобщенной характеристикой магнитного потока Ь (<//), для аппроксимации которой используется выражение I = ЩА+С [(аУ)"

+1П

I—!_Ь

П/СТ-Н X,

ИЗ

1 ^ 'ст-'! Ч—

¡. I- л Г-^-УУ-м--1-

Т 1 ГС, =

Рис. 4. Наиболее характерное расположение СТ с разземленной нейтралью в сетях 6 - 35 кВ.

Система уравнений переходного процесса в схемах рис. 4, 5 имеет вид:

Рис. 5. Расчетная схема неполно-фазных режимов.

ф л I ъ ь 12 ¿с;

£'// с/Т

-Г = — = ЯА , где Щ, /,, У) =

Л си

1 -¡2+Фт

с,

с, с/

Анализ результатов натурных измерений и расчетов на ЭВМ позволяет сделать следующие выводы.

1. При неполнофазных режимах работы линии с СТ, имеющим изолированную нейтраль, в сети возможно возникновение ФРП на основной частоте с кратно-стями К < 1,75. Их амплитуда зависит от отношения основных характеризующих систему параметров - длины линии и тока холостого хода СТ (¿'Л„х).

2. В узком диапазоне отношений в системе возможно возникновение смешанного резонанса, сложение резонанса по основной частоте с резонансом на частоте, равной 1/2 основной. Амплитуда ФРП при этом увеличивается до значений кратности АГ = 3,5 в 1 - фазном и К = 2,6 в 2- фазном режиме.

3. Кроме феррорезонансного режима работы, система имеет еще одно устойчивое состояние, соответствующее нормальному режиму работы сети с кратно-стями перенапряжений в нейтрали трансформатора К = 0,5 и К = 0,4 для однофазного и двухфазного режима, соответственно. Условием перехода от нормального режима к феррорезонансному является включение линии под напряжение с углом включения 0° ^ 10°.

4. Амплитуда ФРП в однофазном режиме опасна для изоляции нейтрали СТ. В двухфазном режиме, в определенном диапазоне отношений Ша, возникает опасность для изоляции нейтрали. Кроме этого, амплитуды ФРП как 1-фазного, так и 2-фазного режима, больше длительно допустимого значения напряжения для вентильных разрядников, установленных в нейтрал]!.

5. Включение на СТ 15% активной нагрузки исключает возможность возникновения феррорезонанса.

6. Возникновение феррорезонансных режимов возможно на линиях с воздушными выключателями 1 раз в 15 лет с вероятностью 0,22, на линиях с масляными выключателями 1 раз в 15 лет с вероятностью 0,33.

7. Предлагаемые в работе условия выбора ОПИ исключают возможность их разрушения при неполнофазных режимах и в феррорезонансно-опасных схемах.

Поскольку аналитическое исследование переходных процессов в этом случае практически невозможно, наиболее целесообразным способом исследования является компьютерное моделирование переходных процессов возникновения ФРП. Для этого п работе используется программный комплекс №1А8Т, разработанный под руководством проф. Г.А. Евдокунина. В частности приведены результаты анализа процессов, связанные с разрывом одной из фаз ненагружен-ного СТ (мощность СТ 1000 кВА; = 1,6 %; ак = 5,5 % и емкость кабельного присоединения 0,1 мкФ), в схемах, типичных для разветвленных сетей, где возможно неполнофазное подключение отдельных присоединений с емкостью С2 и малонагруженным СТ. Переходные процессы размыкания одной фазы СТ (па-пример, при перегорании плавкой вставки предохранителя) вызывают длительно существующие перенапряжения высокой кратности (до 4,9 о.е.).

В сетях 6 10 кВ ФРП возникает даже при отключении металлического замыкания на землю при номинальном уровне напряжения. В сети 35 кВ при отключении металлического замыкания ФРП возможен при напряжении в сети на 5 % выше номинального, особенно, если оно происходит в момент максиму-

ма потока. Если же отключение произойдет при значении потока, близком к нулю, то ФРП не возникает.

Анализ, проведенный в работе, позволяет определить, какое изменение характеристики намагничивания У=/(О ТН необходимо произвести, чтобы ФРП в сетях с изолированной нейтралью вообще не возбуждался. Показано, что в сети с изолированной нейтралью с учетом возможных колебаний напряжения сети ТН необходимо рассчитать так, чтобы и„ = 1,15 • Щ) = 1,8 ■ ип. То есть ФРП не будет возникать в сети с ТН, характеристики намагничивания которого рассчитаны исходя из номинальной индукции 0,9 Тл (ТН типа НКМИ-10, рекомендуемый для замены ТН типа НТМИ-10), а не 1,5 Тл, как это принято сейчас. У этого ТН обмотка, подключаемая к фазному проводу и земле, рассчитана на длительное приложение линейного напряжения (длительность металлического замыкания не ограничена, дугового - 8 часов) и на полное испытательное напряжение 4 ■ (У:1 = 42 кВ для сети с изолированной нейтралью.

У трансформатора НТМИ-10 длительность работы при С/раб = {/, ограничена четырьмя часами, а испытательное напряжение всего на 30 % выше £/„. Правда, уменьшение номинальной индукции привело к увеличивает сечение магнитопро-вода и, соответственно, массы ТН до 110 кг. При этом установлена неэффективность известного предложения о включении в схему разомкнутого треугольника ннзкоомного резистора 25 Ом. Его величина выбрана по 8<ю ~ 400 В'А - длительно допустимой мощности ТН, к которому подключен резистор. Такой может подавить ФРП при очень малом значении эквивалентной емкости сети.

Из опыта эксплуатации известно, что наиболее часто ТН повреждаются от ФРП в сети с /г = 0,8 1,0 А на комплект ТН. Для подавления ФРП в такой сети к схему разомкнутого треугольника необходимо было бы включить резистор г„„, ~ 0,33 Ом, что внесло бы нагрузку на ТН Р - 3,3 кВт и является недопустимым (максимальная мощность 'ГН составляет 1200 В-А).

Даны рекомендации по предотвращению ФРП при неполнофазных коммутациях: симметричное включение всех трех фаз СТ; недопустимость повышения сетевого напряжения; установка выключателя непосредственно у СТ, что устраняет прохождение тока намагничивания по емкостному сопротивлению; применение «гасящей» активной нагрузки; нарушение резонансных контуров и др. Однако наиболее эффективным мероприятием, как показывают проведенные Исследования, является установка ОПН в присоединениях СТ и ТН.

В четвертой главе рассмотрены специфические физические процессы ЭПЭ. связанные с перенапряжениями на продольной (межкатушечной, междуслоевом и междувитковой) изоляции и получившие название градиентных. В отличие от ЭУ высших классов напряжения (110 кВ и выше) з С'Г и ЭД ЭССЭ 6 35 кВ мероприятия по снижению перенапряжений на продольной изоляции (например, с помощью регулирования поля), не предусмотрены, что является причиной их значительной аварийности в эксплуатации.

В большинстве случаев градиентные переходные процессы в обмотке можно рассматривать упрощенно, условно разбивая их определение на 3 этапа.

1. Начальное распределение напряжения при падении на начало обмотки крутой (прямоугольной) волны, которое приближенно производится по емкостям.

2. Установившееся распределение напряжения вдоль обмотки, которое зависит от режима заземления нейтрали: при заземленной нейтрали в силу однородности обмотки иуст определяется наклонной прямой, а при изолированной нейтрали - вся обмотка принимает одинаковый потенциал относительно земли и иус,„ представляет собой горизонтальную линию.

3. Нахождение огибающей кривой максимальных перенапряжений - переходное напряжение, которое отвечает процессу ЭПЭ как изменение ее параметров от и„ач (х) к иуст (х) в процессе собственных колебаний обмотки в виде

и(х,()^иусп(х)- Е ит(х)-со!Хй„г1 или для/=0 И(х,1) = I и^х)=1< (х)-Цш{х), ко-

т=1

гда сумма амплитуд всех гармоник равна разности напряжений в установившемся и начальном режимах. При этом ита/х)^игс,,(х)+ Е процессе развиты

тия собственных колебаний превосходит напряжения установившегося режима (эти значения также значительно превышают границы, определяемые ЭМС), стремясь к нему по мере затухания этих колебаний. При изолированной нейтрали и„:са в конце обмотки достигает (1,5 1,8) иит. В случае заземления нейтрали это повышение составляет (1,2 + 1,3) и,шч вблизи начала обмотки.

Таким образом, при ЭПЭ на СТ грозовых волн и крутых волн коммутационных перенапряжений на главную и продольную изоляцию могут воздействовать перенапряжения, существенно превышающие амплитуду исходной волны и допустимые кратности перенапряжений для этой изоляции, что и является одной причин высокой аварийности СТ и ЭД в ЭССЭ 6 35 кВ в нефтяной отрасли. В работе приведены результаты натурного моделирования на низковольтных импульсах (АПП конструкции СПбГПУ) для трансформатора типа ТМ 30/10, напряжением 10/0,4 кВ с соединением обмоток У / У0-а-

По результатам проведенных компьютерных экспериментов и натурного моделирования процессов ЭПЭ, связанных с градиентными перенапряжениями, было зафиксировано хорошее совпадение результатов, что говорит о непротиворечивости и удовлетворительной оценке исследований. При этом: - максимальные потенциалы не превышали 1,4 от амплитуды падающей волны и отмечены в начале обмотки (-5% от начала); их величина зависит от длины фронта тф и выше при %ф < 1,5 мке;- с увеличением числа фаз, по которым одновременно набегают волны, растет величина потенциалов вдоль обмотки; максимальный потенциал (1,39 -и„) зафиксирован при набегании волны по 3 фазам:- потенциал изолированной нейтрали не превышает 1,3 и пропорционален числу фаз, по которым одновременно приходят грозовые волны; максимальная измеренная величина градиента не превышала 34% при т(/, = 0.17 мке: - максимальные градиенты практически не зависят от способа заземления нейтрали: - максимальные градиенты возникают при воздействии волны по одной фазе; с увеличением числа фаз, по которым набегаю!' волны, градиент уменьшается.

В работе проанализированы и рекомендованы схемные и аппаратные мероприятия по снижению вероятности нарушений ЭМС при ЭГ1Э в виде градиентных перенапряжений для силовых трансформаторов 6-35 кВ и электрических машин 6^-10 кВ. В частности, для сглаживания фронта импульсов ,ф перенапряжений около трансформатора или электрических машин в ряде случаев между проводами и землей рекомендуется подключать конденсаторы емкостью С0 пли R-C цепочки. При емкости С0 £ 0,2 + 0,3 мкФ или при длнне кабеля С = 100 -г 200 м величина t,¡, импульсов перенапряжений на изоляции достигает 5 мкс и более, что является определяющим фактором, обеспечивающим снижение перенапряжений до безопасной величины.

Заключение

По результатам диссертационной работы можно сделать следующие выводы.

1. Для СЭЭС 0.4 35 кВ проведена групповая классификация и определены характеристики и уровни электромагнитных помех в виде кратностей перенапряжений на изоляции вне и внутри ЭУ 0,4 ^ 35 кВ нефтяной отрасли.

2. Научно обосновано количественное определение показателей ЭМС в виде допустимых кратностей импульсных и квазистациокарных перенапряжений.

3. На основе анализа перенапряжений в нейтрали СТ 6 и 10 кВ (24 СТ 10 кВ) получены обобщенные зависимости величины грозовых перенапряжений от амплитуды и формы приходящей грозовой волны.

4. Анализ экспериментальных данных выявил следующие закономерности: -с увеличением длины волны т„ на линейных вводах СТ увеличивается амплитуда перенапряжений в нейтрали; - величина перенапряжения в нейтрали прямо пропорциональна числу фаз, по которым одновременно приходит волна перенапряжения на линейные вводы С'Г: - величина перенапряжений в нейтрали СТ зависит от периода основной частоты собственных колебаний обмоток.

5. С помощью расчетов, моделей и измерительной аппаратуры ЭПЭ в нейтрали СТ с учетом реачьных параметров эксплуатационных режимы установлена зависимость кратности перенапряжений от числа отходящих линий, а также то, что перенапряжения в нейтрали СТ приблизительно в 1,2 раза больше, чем на сборных шинах. При этом число грозовых перенапряжений, опасных для нейтрали СТ 6 + 35 кВ, может доходить до нескольких десятков в год.

6. При кратковременной работе участка сети с изолированной нейтралью и однофазным коротким замыканием кратность перенапряжеш1я на нейтрали достигает 1.5 в переходном и доходит до 1.0 в установившемся режиме.

7. Перенапряжения при отключении КЗ не представляют опасности для изоляции нейтрали, так как имеют небольшие величины. Опасные внутренние перенапряжения возникают при отключении ненагруженных СТ и линий; в этом случае ЗА могут сработать, но не подвергаются опасности разрушения.

8. На основе анализа проблем ФРГ1 даны рекомендации для защиты от возникающих при этом повреждений: - контроль симметрии параметров сети; - исключение неполнофазных коммутаций выключателей; - увеличение активных

потерь и затухания в контуре нулевой последовательности; - уменьшение нелинейности кривой намагничивания индуктивного элемента сети и др.

9. Компьютерные эксперименты к натурное моделирование градиентных перенапряжений показали: - максимальные перенапряжения пропорциональны числу фаз, зависят от длины фронта и не превышали 1.4 и 1,3 от амплитуды падающей волны, приходящей по 3 фазам), соответственно, в начале обмотки (~5% от начала) и на изолированной нейтрали ; - распределение потенциалов вдоль обмотки имеет зависимость от величины сопротивления в нейтрали, которая усиливается с увеличением %ф.

10. Максимальные градиенты в измерениях отмечены не более 34% при 1ф =

0.17.мкс, практически не зависят от способа заземления нейтрали, возникают при воздействии волны по одной фазе и уменьшаются с увеличением числа фаз, по которым набет'ают волны. При падении полной волны перенапряжений с 1ф = 3 -т- 3,5 мкс по одной, двум и трем фазам, а также при различных режимах работы нейтрали они превышают градиент равномерного распределения, который для исследованного СТ с количеством слоев 7 составляет -14%.

11. Результаты решения проблем организации защиты от грозовых и внутренних перенапряжений ЭО и линий систем электроснабжения и электрических сетей нефтяной промышленности внедрены и используются в предприятиях ОАО «Роснефть», «Самаранефтегаз» и др., а также в учебном процессе в вузах.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях. В изданиях по списку ВАК.

1. Засыпкин И.С., Халилов Ф.Х. Проблемы защиты от внутренних перенапряжений электрооборудования и линий предприятий нефти и газа. Изв. Вузов «Электромеханика». №3.2011. с. 85 - 87.

2. Засыпкин И.С., Дронов А.П. и др. Математическое моделирование передачи импульсных и квазистационарных напряжений через обмотки силовых трансформаторов. Изв. Вузов «Электромеханика». Спец. выпуск. 2009. с. 67 - 69.

3. Засыпкин И.С., Дронов А.П. и др. Перенапряжения при коммутациях индуктивных элементов. Изв. Вузов «Электромеханика». Спец. выпуск. 2009. с. 52 - 53. В других изданиях.

4. Засыпкин И.С., Дронов А.П., Степанов В.П. О феррорезонансных процессах в цепях с трансформаторами напряжения. - Н. Новгород: НГТУ, 2009. с. 75 - 78.

5. Засыпкин И.С. Классификация переходов перенапряжений через электроустановки в сетях 0,4 35 кв. Сборник статей И-ой Международной, науч.-практ. конфер. «Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах». - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2011. с. 77 - 80.

6. Засыпкин И.С., Гольдштейн В.Г., Серебреников Д.С. О проблеме надежности сетей 6 35 кВ и их защиты от перенапряжений. Сб. тез. докл VIII Всерос. научн.-практ. конф. "Будущее современной энергетики". - Нижний Новгород: НГТУ, 2009. с. 105- 106.

7. Засыпкин И.С., Боброва Т.В., Гольдштейн В.Г. и др. Анализ старения аппаратов защиты от перенапряжений. Сб. тез. докл. XV Международ, научн.-техн.

•и » 2 2 2 3 2

конф. "Радиотехника, электротехника и энергетика". Том 3. МЭИ (ТУ). - М. 2009. с. 367-369.

8. Засыпкин Й.С., Гольдштейн В.Г. и др. Перенапряжения при коммутациях в сетях 6^35 кВ. Сб. тез. докл VIII Всерос. научн.-практ. конф. "Будущее современной энергетики".- Нижний Новгород: НГТУ, 2009. с. 125 - 128.

9. Засыпкин И.С., Гольдштейн В.Г. и др. Электромагнитная совместимость при передаче перенапряжений в электроустановках 0,4 -35 кВ. Науч. тр. межд. конф. РУО ЛИН «Инженерная поддержка инновации и модернизации». 110.12.2010 г. Вып. I. Екатеринбург: ИВТОБ, 2010. с. 162-165.

10.Засыпкин И.С., Дронов А.П., Гольдштейн В.Г., Степанов В.П., Фатеева К.С. Обеспечение электромагнитной совместимости электрических машин, гальванически связанных с воздушными сетями при грозовых воздействиях. Сб. тез. докл. XVI-ая Междунар. науч.-техн. конф. «Радиотехника, электротехника и энергетика». Том 3. Издательский дом МЭИ. -М.: 2010. с. 481-482.

11. Засыпкин И.С., Дронов А.П., Гольдштейн В.Г., Анализ повреждаемости систем электроснабжения 0,4-35 кВ. «Электроэнергетика глазами молодежи»: на-учн. тр. Всерос. науч.-техн. конф.: сбор, статей. В 2 т. Екатеринбург: УРФУ. 2010 г. Т. 2. с. 166-169.

12. Засыпкин И.С., Дронов А.П., Гольдштейн В.Г., Анализ повреждаемости воздушных линий систем электроснабжения 6 110 кВ. «Электроэнергетика глазами молодежи»: научн. тр. Всерос. науч.-техн. конф.: сбор, статей. В 2 г. Екатеринбург: УРФУ. 2010 г. т. 2. с. 155-158.

Личный вклад автора. Все основные положения диссертации разработаны автором лично. Статья [5] написана лично. В работах [1, 3-6, 8-9] автору принадлежат разработка и реализация виртуальной модели ЭГ1Э расчетная часть статистическая обработка данных эксплуатации; в [10, 11] - постановка задачи, обобщение данных эксплуатации и разработка комплекса мероприятий по повышению надежности работы электроустановок нефтедобычи; в [7] - общая постановка научной задачи ЭМС, путей и методов построения ее решений; в [12] - сбоп данных о повреждаемости ЭО.

2010293329

Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д212.217.04 ФГБОУ ВПО «Самарский №сударственный технический университет», (протокол №9 от 08 ноября 2011 г.).

Заказ №1101. Тираж 100 экз. Отпечатано на ризографе. ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет». Отдел типографии и оперативной печати. 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

2010293329

Введение

1. Анализ переходов электромагнитной энергии ЭФВ внутри, вне и 18 через электроустановки в квазистационарных и переходных процессах и их передача в виде перенапряжений.

1.1 Классификация передачи электромагнитных эксплуатационных 18 физических воздействий через электроустановки СЭЭС 6 35 кВ нефтяной отрасли.

1.2 Анализ аварийности в СЭЭС, связанной с перенапряжениями, 20 возникающими при переходах через электроустановки.

1.3 Классификация видов передачи энергии ЭФВ через электроуста- 26 новки и их эквивалентные схемы замещения.

1.4 Емкостная электрическая передача ЭФВ в виде импульсных пе- 33 ренапряжений.

1.5 Приближенный анализ передачи ЭФВ в виде импульсных пере- 39 напряжений в магнитных колебательных процессах.

1.6 Физические процессы и математические модели перенапряжений 46 и токов »при магнитной квазистационарной передаче ЭФВ.

1.7 Определение электромагнитных параметров режимов магнитной* 49 квазистационарной передаче ЭФВ.

2. Опасные перенапряжения на изоляции изолированных нейтралей 61 электроустановок в сетях 6 -ь 35 кВ и их предотвращение

2.1. Эксплуатационные характеристики изоляции нейтрали

2.2. Анализ и исследования импульсных перенапряжений в нейтрали

2.3. Натурное моделирование грозовых перенапряжений в нейтрали 68 силовых трансформаторов и электрических машин

2.4. Уточнение математических моделей для анализа внутренних пе- 70 ренапряжений в нейтрали

2.5. Обобщенные данные натурного и компьютерного исследования 75 внутренних перенапряжений в нейтрали силовых трансформаторов и электрических машин

2.6. Схемные и аппаратные мероприятия по защите нейтрали сетей 6 35 76 кВ от перенапряжений

2.7. Обоснование характеристик аппаратов для защиты от перенапряже- 77 ний в нейтрали

3. Анализ причин и защита от феррорезонансных перенапряжений 84 в сетях 6 -г-35 кВ

3.1 Физические процессы при периодических изменениях индуктив- 84 ности и емкости в цепях с ферромагнитными элементами

3.2. Аномальные режимы силовых трансформаторов, как причина 93 феррорезонансных перенапряжений

3.3. Аномальные режимы трансформаторов напряжения, как причина 104 феррорезонансных перенапряжений

3.4. Режимные и аппаратные мероприятия подавления опасных фер- 114 рорезонансных процессов

4. Перенапряжения на продольной изоляции (градиентные) транс- 118 форматоров и электрических машин

4.1. Математическая модель градиентных процессов

4.2. Приближенное представление продольных градиентных процес- 120 сов в обмотках трансформаторов и электрических машин

4.3. Режимные и аппаратные мероприятия подавления опасных гра- 132 диентных перенапряжений

В экономике страны нефтяная отрасль занимает значительное место, определяя решение многих государственных проблем. Важнейшим направлением ее развития на современном этапе является повышение энергоэффективности и надежности систем электроснабжения и электрических сетей (СЭЭС) с номинальными напряжениями 0,4 -ь 35 кВ. Их безаварийность и эксплуатационная гибкость работы зависит от безотказной работы электротехнических комплексов (ЭТК), в которых основными электроустановками (ЭУ) являются линии электропередачи (ЛЭП), силовые трансформаторы (СТ) и электрические двигатели (ЭД).

Устойчивую экономичную работу этого электрооборудования (ЭО), удовлетворяющую требованиям стандартов и директивных документов* [1-5], во многом определяют такие взаимосвязанные технико-экономические показатели (ТЭП), как энергосбережение, энергоэффективность и надежность.

В связи с характерным для современных экономических условий России ростом объемов продукции в нефтяной отрасли [6] при широком внедрении энергоэффективных энергосберегающих процессов, технологий и ЭУ по статистике производственных результатов и состава СЭЭС 6 + 35 кВ' отмечается увеличение электропотребления. Оно обеспечивается как вновь создаваемыми, так и в большой мере существующими ЭТК. В последних — прирост распределяемой и потребляемой электроэнергии достигается за счет интенсификации использования и улучшения методов эксплуатации ЭО. И для тех, и других характерна высокая аварийность ЭО от эксплуатационных физических воздействий (ЭФВ), в частности, внутренних (феррорезонансных, коммутационных и др.) и внешних (грозовых) перенапряжений и сверхтоков.

В первом случае причины повреждений это — необоснованные или некорректные решения, принятые на этапах проектирования, монтажа и ввода в эксплуатацию. Они связаны с характерными особенностями новых ЭУ, их конструкциями и материалами. Здесь можно назвать, например, вакуумные выключатели, новые типы нелинейных ограничителей перенапряжений, кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена и др.

Во втором случае основными причинами аварийных отказов являются нарушения регламентов эксплуатации, а также износ ЭУ. Необходимо особо выделить ситуации, в которых в составе одного или связанных ЭТК вместе с физически и морально изношенными ЭУ используются новое ЭО и технологии.

Особая значимость последних положений определяется тем, что в условиях постоянного и повсеместного дефицита финансирования электроснабжения в нефтяной отрасли, как и в целом в электроэнергетике России, не следует ожидать существенного обновления СТ и ЭД, находящихся в эксплуатации. Поэтому так отчетливо видна тенденция роста доли ЭО, отработавшего установленные нормативные сроки службы.

Возникает вопрос - демонтировать и заменить ЭО на новое или провести цикл восстановительных мероприятий и продлить его эксплуатацию?

Технико-экономический анализ и накопленный опыт эксплуатации ЭО показывают, что для ряда эксплуатируемых ЭУ продление сроков службы часто дает большую выгоду, чем замена их на новые. В частности, для СТ это продление возможно до 20 -н 30 лет. Необходимое условие - научное и методическое обоснование, обеспеченное техническими рекомендациями и реализованное соответствующими эксплуатационными мероприятиями.

Предпосылкой этих положений, как показывает ретроспективный* и текущий анализ [6], является^ исторически сложившаяся в нашей стране практика закладывания значительных коэффициентов запаса при проектировании и производстве изоляционных, проводниковых, ферромагнитных, механических и других элементов ЭО в СЭЭС 6-^-35 кВ. Поэтому в ближайшей перспективе актуальна разработка и реализация мероприятий по сохранению работоспособности и продлению срока службы ныне работающих ЭУ.

Аварийные отказы в СЭЭС 6-^-35 кВ на производствах нефтяной отрасли с непрерывным циклом часто приводят к большим ущербам из-за недобора нефти, повреждения дорогостоящего технологического оборудования и др.

Поэтому с учетом сказанного выше возникает кардинальная необходимость во всесторонних исследованиях перенапряжений и сверхтоков в СЭ-ЭС 6 + 35 кВ и, прежде всего, определения их предельных значений при ЭФВ, возникающих в разнообразных электромагнитных квазистационарных и переходных процессах [6-8].

Решение этих задач наряду с оценкой работоспособности названного ЭО позволяет определить мероприятия по повышению надежности передачи и распределения электроэнергии.

Это требует уточненного анализа электромагнитной совместимости (ЭМС) во взаимосвязанных физических процессах, возникающих вне и внутри ЭТК, составленных различными сочетаниями известных элементов «ЛЭП-СТ-ЭД» при разнообразных ЭФВ [6-7]. Их энергия или поступает из внешней среды (в частности, атмосферы) или накоплена внутри ЭТК.

Важнейшая проблема ЭМС в этом аспекте — голевое управление ЭФВ, то есть условиями появления, передачей, переходами через ЭУ потоков энергии в различных видах и формах, а также их направлениями и величинами. При этом, с одной стороны, должны быть обеспечены технологические процессы энергоснабжения, а, с другой, — нормальное функционирование ЭТК и в целом СЭЭС с учетом надежности, энергосбережения и энергоэффективности.

Ряд аспектов этой проблемы в настоящее время не имеет как решений, удовлетворяющих в полной мере современным требованиям эксплуатации и проектирования СЭЭС, так и рекомендаций на их основе. Здесь можно назвать классификацию и уточнение формирования ЭФВ, анализ и моделирование собственно обеспечения ЭМС с учетом взаимосвязи процессов, при конкретных ЭФВ и др. Особое значение это приобретает в условиях значительного износа объектов СЭЭС и, прежде всего, их изоляции.

Сказанное выше позволяет сформулировать основные положения оптимизации эксплуатации СТ и других ЭУ, включающие в себя обследования состояния оборудования с целью принятия наиболее выгодной стратегии технического обслуживания и ремонтов, а при необходимости выяснения возможностей продления срока службы ЭУ с учетом их технического состояния.

Это производится, с одной стороны, на основе всеобъемлющего применения соответствующих методов и средств контроля и диагностики состояния этих ЭУ. При этом первостепенное значение, как важнейшие составные части эксплуатации, приобретают эффективный контроль состояния и определение работоспособности и текущих ресурсов ЭО.

С другой стороны, сложившаяся ситуация выливается в актуальную проблему, требующую всестороннего исследования в СЭЭС 6-^-35 кВ кумулятивного накопления результатов ЭФВ и спорадических повреждений ЭУ при перенапряжениях и сверхтоках [11-13]. При этом, прежде всего, необходимо определение их предельных значений, возникающих в разнообразных электромагнитных квазистационарных и переходных процессах.

Поэтому задачи настоящей работы определены в соответствие с ее* названием в области повышения надежности и обеспечения ЭМС в ЭТК СЭЭС 6 ^ 35 кВ и, прежде всего, при различных формах переходов электромагнитной энергии ЭФВ внутри, вне и через ЛЭП, СТ и ЭД при внешних (грозовых) и внутренних воздействиях, в частности, при возникновении феррорезонансов.

Необходимым результатом решения названных задач является разработка эффективных средств, мероприятий и рекомендаций, позволяющих на основе обеспечения ЭМС создать условия для повышения энергоэффективности и энергосбережения, как кардинального направления развития электроэнергетики страны. Эти положения определяют научные направления настоящей работы и явились мотивацией выбора и обоснования ее проблемы и цели.

СЭЭС 6 -н 35 кВ нефтяной промышленности по классификации относятся к сетевым структурам низкого и среднего класса напряжения и являются по всем техническим показателям наиболее распространенными. Они отличаются большим разнообразием схемных решений и ЭО, используемого для обеспечения электроэнергией как основных технологических процессов, например, добычи, транспорта и переработки нефти, так и других видов потребителей. Их надежность, являясь важнейшим аспектом эксплуатации, как и в целом в электроэнергетике, всегда была предметом внимания при исследований отечественных и зарубежных ученых.

Существенный вклад в развитие проблем повышения надежности силовых трансформаторов, электрических машин и их электромагнитной совместимости внесли исследования В.В. Клюева, М.В. Костенко, К.П. Кадомской, Б.В., Ефимова, Ф.Х. Халилова, И.А. Биргера, В.Г. Гольдштейна, И.В. Дави-денко, Я.Б. Данилевича, Г.А. Евдокунина, Ю.Н. Львова, А.Г. Овсянникова, H.H. Тиходеева, Ф.Л. Когана, Г.С. Кучинского, А.К. Черновца, А.Ю. Хренникова и др. Важную роль в становлении и развитии систем технического обслуживания и ремонта, неотъемлемой частью которых является оценка технического состояния^ названных ЭУ, сыграли работы А.И. Таджибаева, В.А. Савельева, Е.Ю. Барзиловича, П.И. Бартоломея, А.Н. Назарычева, Ф. Байхельта, A.B. Ляхомского, В. Смита, Р.И. Соколова и других.

Развитию теории и методов обеспечения надежности, связи проблемюбес-печения надежности с оценкой параметров импульсных и квазистационарных процессов, приводящих к опасным электромагнитным воздействиям на-разнообразные электроустановки посвящены работы Ю.Н. Руденко, В.А. Непомнящего, П.М. Ерохина, М.Н. Розанова, A.B. Паздерина, Н.И. Воропая, Ю.Б. Гу-ка, Ю.А. Фокина и других.

Значительный вклад в разработку методов и средств оценки состояния энергетического оборудования' как важнейшего инструмента обеспечения надежности, безопасности и экономичности, в развитие теории, ускорение внедрения в практику внесли участники Всероссийского научного семинара РАН «Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики» и Международного научно-технического семинара «Методы и средства оценки состояния энергетического оборудования».

Проведенный анализ исследований в области возбуждения, распространения и ограничения перенапряжений и защиты от них в названных электроэнергетических объектах показал, что в настоящее время недостаточное внимание уделяется проблемам, возникающим при нарушениях ЭМС, связаны со следующими видами перенапряжений [6-14].

1. Перенапряжения при электростатической и магнитной импульсной и квазистационарной передаче напряжений через обмотки трансформаторов и электрических машин.

2. Перенапряжения в нейтралях электроустановок.

3. Феррорезонансные и параметрические перенапряжения в присоединениях силовых и измерительных трансформаторов.

4. Градиентные перенапряжения в обмотках трансформаторов и электрических машин.

По данным, полученным СамГТУ при анализе аварийности трансформаторного парка и электродвигателей в ОАО;«Самаранефтегаз» и ОАО «СГЭС» в 1995 2005 г.г. [6, 14] на долю названных выше мощных электромагнитных помех можно отнести до 30 % всех аварийных отказов, связанных с перенапряжениями. Это подтверждается и оценкой аварийности от перенапряжений, полученной A.A. Гирфановым [6] для погружных электродвигателей при передаче грозовых импульсных перенапряжений через обмотки на двигатель при одно и1 двухтрансформаторных схемах питания этих специфических технологических объектов.

С учетом того, что в настоящее время более 80% из высоковольтного электрооборудования, являющихся объектами исследований в настоящей работе, исчерпало свой ресурс и опираясь на данные эксплуатации об аварийности, можно констатировать, что электромагнитные возмущения, названные выше, являются значительными причинами повреждений-их изоляции.

Исследование перенапряжений - один из основополагающих факторов выполнения защиты систем электроснабжения и распределительных электрических сетей 6 35 кВ. Разработка эффективных и контролируемых методов исследования перенапряжений с использованием современных вычислительных машин является в настоящее время ключевым звеном создания нового представления о мероприятиях и средствах повышения надежности, основного электрооборудования 6 35 кВ систем электроснабжения [20, 21].

Их основой является целенаправленное управление импульсными и квазистационарными ЭМВ с целью обеспечения ЭМС путем создания соответствующей эффективной комплексной защиты ЭО, обеспечивающей глубокое ограничение всех видов перенапряжений.

Перспективными устройствами, которые могут использоваться для названного положения, являются нелинейные ограничители перенапряжений ОПН). Большое разнообразие подобных аппаратов российского и зарубежного исполнения и специфических особенностей-их установки и эксплуатации позволяет утверждать, что для, выбора, защитного устройства требуется как можно большее представление об электромагнитном'квазистационарном или переходном процессе, вызвавшем перенапряжения.

На основе сказанного выше актуальность проблемы и темы диссертации определяется необходимостью предотвращения; опасных ситуаций в обмотках и нейтралях СТ и ЭД при ферромагнитных и параметрических резонансных процессах, приводящих к недопустимым; импульсным и квазистаг ционарным перенапряжениям. Количественные оценки кратностей возникающих: перенапряжений,.: полученные в результате с помощью математического и натурного моделирования; являются; базой для разработки мероприятий и средств защиты электрооборудования? СЭЭС, в частности предприятий нефтяной промышленности.

Цель работы - повышение, надежности и обеспечение ЭМС с учетом физики взаимосвязанных энергетических процессов в целом в ЭТК «ЛЭП-СТ-+ЭД» при различных видах электромагнитных ЭФВ.

Реализация цели позволяет обеспечить нормальную работу как новых ЭУ, так и. при их значительном износе. Она предполагает аналитическое, численное и экспериментальное исследования феррорезонансных и параметрических перенапряжений в обмотках и нейтралях электроустановок, разработку и внедрение средств и мероприятий по их эффективному ограничению.

Задачи работы, сформулированные в соответствии с целью:

- построение математических моделей разнонаправленной электромагнитной передачи через обмотки СТ электромагнитных помех в виде квазистационарных и импульсных грозовых перенапряжений их и ограничения их уровней до величин, безопасных для изношенного электрооборудования;

- разработка уточненных методов оценки технического состояния изоляции нейтралей СТ и ЭД систем электроснабжения при воздействиях на них квазистационарных, импульсных и феррорезонансных ЭФВ, а также средств и мероприятий для их глубокого ограничения;

- математическое моделирование перенапряжений при феррорезонансных переходов электромагнитной энергии в ЭУ 6 - 35 кВ, определение их уровней и разработка средств и рекомендаций для их глубокого ограничения;

- обеспечение ЭМС СТ при градиентных переходах электроэнергии и ограничение перенапряжений при этом с помощью защитных мероприятий и- аппаратов, в том числе нелинейными ограничителями перенапряжений (ОПН):

Научная новизна и практическая значимость работы. Комплекс решенных в диссертации задач при их методическом единстве направлен на решение проблемы обеспечения ЭМС при перенапряжениях в силовых и измерительных трансформаторах и электрических машинах на-основе их глубокого ограничения с помощью разнообразных мероприятий* и средств,защиты от них, частности, с.помощью нелинейных ограничителей перенапряжений.

Научную новизну работы определяют следующие положения и разработки:

- построение математических моделей электромагнитной передачи ЭФВ, возникающих с различных сторон электрически и магнитно связанных ЭУ;

- уточнение математических моделей квазистационарных и переходных процессов для исследования перенапряжений в нейтралях СТ и ЭД;

- уточненные математические модели для обеспечения ЭМС при феррорезонансных и градиентных перенапряжениях в ЭТКС 6^35 кВ.

Практическая ценность работы заключается в том, что результаты проведенного в ней систематического исследования процессов электромагнитной передачи ЭФВ в виде перенапряжений в комплексах электромагнитно связанных элементов ЭТКС 6 35 кВ (ЛЭП-СТ-ЭД), позволяют значительно сократить аварийность ЭУ, повысить надежность и улучшить обеспечение ЭМС. Для реализации этого в эксплуатации и при проектировании по результатам исследований рекомендованы соответствующие средства и мероприятия в том числе связанные с разработкой новых методов исследования и практически важных применений результатов полученных исследований.

Результаты решения проблем развития1 и глубокого ограничения грозовых и внутренних перенапряжений, возникающих в СЭЭС, в частности, нефтяной промышленности позволяют сформулировать основные положения;,выдвигаемые на защиту.

1. Научное обоснование и методика математического моделирования квазистационарных и переходных процессов разнонаправленной передачи электромагнитной энергии ЭФВ.во взаимосвязанных (ЛЭП-СТ- ЭД) СЭЭС 6-^-35 кВ.

2. Усовершенствованные математические модели для определения феррорезо-нансных перенапряжений и защиты от них в присоединениях силовых и измерительных трансформаторов.

3. Разработка математических моделей и система научно обоснованных мероприятий по обеспечению ЭМС при перенапряжениях в нейтралях СТ и ЭД и градиентных перенапряжениях.

Объектом исследования являются ЭУ комплексов электромагнитно связанных элементов ЭТКС 6 35 кВ (ЛЭП-СТ-ЭД), а также нелинейные ограничители перенапряжений, как наиболее эффективные устройства защиты от перенапряжений в электрических сетях.

Основные методы научных исследований. При проведении работы использованы методы математического анализа и моделирования, теории вероятностей и статистической обработки информации. Теоретические исследования сопровождались разработкой математических моделей и методик. Экс

12 периментальные исследования проводились в реальных условиях эксплуатации с помощью низковольтной аппаратуры для натурного моделирования.

Достоверность полученных результатов исследований определяется корректным использованием соответствующего математического аппарата, программного обеспечения, обоснованностью принятых допущений и подтверждается удовлетворительным совпадением результатов расчетов и данных эксплуатации и полученных с помощью натурного моделирования.

Апробация^ работы: Положения диссертации и ее разделы докладывались на научно-технических конференциях и семинарах: «Радиотехника, электротехника и энергетика» МЭИ (ТУ), (Москва, 2009, 2010 г.г.); «Эффективность и качество электроснабжения промышленных предприятий» (Нижний Новгород, 2009 г.); «Проблемы повышения энергоэффективности и надежности электрических сетей и систем электроснабжения предприятий нефти и газа» (Самара, 2010 г.); «Электрическая изоляция - 2010» (Санкт-Петербург, 2010 г.); «Электроэнергетика глазами молодежи»», (Екатеринбург, 2010 г., Самара, 2011 г.), «Кибернетика электрических систем», (Новочеркасск, 2009, 2010 г.г.), «Энергосбережение, ЭМС и качество в электрических системах»,. (Пенза, 2011).

Реализациярезультатовработы.

Результаты диссертации в виде рекомендаций по применению новых средств защиты от перенапряжений, мероприятий, математического и программного обеспечения переданы в подразделения МРСК Средней Волги, ОАО «Роснефть», в частности, ОАО «Самаранефтегаз», «Нижневартовскнеф-тегаз», и др., а также для использования при проектировании систем электроснабжения ОАО «Проект-электро» (г. Самара) и ОАО «Самарский Электропроект» (г. Самара).

Разработанные методы моделирования и расчета переходных процессов в схемах подстанций и систем электроснабжения используются в учебном процессе Самарского государственного технического университета на кафедре «Автоматизированные электроэнергетические системы», Петербургского энер

13 гетического института повышения квалификации, Ульяновского государственного технического университета, Ивановского государственного энергетического университета Оренбургского государственного университета и др.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 12 печатных работах, опубликованных автором лично и в соавторстве.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 112 наименований, содержит 150 стр. основного текста.

Заключение

По результатам диссертационной работы можно сделать следующие выводы.

1. Для СЭЭС 0,4 -т- 35 кВ проведена групповая: классификация- и определены характеристики и; уровни электромагнитных помех в виде кратностей перенапряжений; на изоляции вне и внутри« ЭУ 0,4 35* кВ нефтяной отрасли;

2. Научно обосновано количественное определение показателей ЭМО в виде допустимых кратностей импульсных и квазистационарных перенапряжений.

3. На основе анализа перенапряжений в нейтрали СТ 6 и 10 кВ (24 СТ 10 кВ) получены обобщенные зависимости величины грозовых перенапряжений от амплитуды и формы приходящей грозовой волны.

4. Анализ экспериментальных данных выявил следующие закономерности: -с увеличением длины, волны тв на линейных вводах СТ увеличивается амплитуда перенапряжений внейтрали; - величина перенапряжения в

Л нейтрали* прямо пропорциональна числу фаз, по которым, одновременно. . приходит волна! перенапряжения на линейные вводы СТ: - величина перенапряжений в нейтрали СТ зависит от периода основной частоты собственных колебаний обмоток.

5. С помощью расчетов, моделей- т измерительной? аппаратуры ЭПЭ в? нейтрали СТ с учетом реальных параметров эксплуатационных режимы установлена зависимость кратности? перенапряжений/ от числа; отходящих линий, а также то, что перенапряжения в нейтрали- СТ приблизительно в 1,2 раза больше; чем на сборных шинах. При этом число грозовых перенапряжений, опасных для нейтрали СТ 6 35 кВ, может доходить до нескольких десятков в год;

6. При кратковременной работе участка сети с изолированной нейтралью и однофазным коротким, замыканием кратность перенапряжения на нейтрали достигает 1,5 в переходном и доходит до 1,0 в установившемся режиме.

7. Перенапряжения при отключении КЗ не представляют опасности для изоляции нейтрали, так как имеют небольшие величины. Опасные внутренние перенапряжения возникают при отключении-ненагруженных СТ и линий; в этом случае ЗА* могут сработать, но не подвергаются опасности разрушения.

8. На основе анализа проблем ФРП даны рекомендации для защиты? от возникающих при этом повреждений: - контроль симметрии параметров сети; - исключение неполнофазных коммутаций выключателей; -увеличение активных потерь и затухания в* контуре нулевой последовательности; - уменьшение нелинейности кривой намагничивания,индуктивного элемента сети и др.

9. Компьютерные эксперименты и-натурное'моделирование градиентных перенапряжений показали: - максимальные перенапряжения пропорциональны числу фаз, зависят от длины фронта и< не превышали 1.4 и 1.3 от амплитуды-падающей'волны, приходящей по 3 фазам), соответственно; в-начале обмотки (~5% от начала) и на изолированной нейтрали; - распределение потенциалов- вдоль обмотки, имеет зависимость от величины сопротивления в нейтрали, которая усиливается с увеличением ^.

Ю.Максимальные градиенты в измерениях отмечены-не более 34%при^/; = 0,17 мкс, практически- не зависят от способа заземления нейтрали, возникают при' воздействии волны по одной фазе и уменьшаются с увеличением числа фаз, по которым набегают волны. При падении полной,волны перенапряжений с Тф = 3 -г- 3,5 мкс по одной, двум и трем фазам, а также при различных режимах работы нейтрали- они превышают градиент равномерного распределения, который для исследованного СТ с количеством слоев 1 составляет ~14%.

11.Результаты решения проблем организации защиты от грозовых и внутренних перенапряжений ЭО и линий систем электроснабжения и электрических сетей нефтяной промышленности внедрены и используются в предприятиях ОАО «Роснефть», «Самаранефтегаз», а также в учебном процессе в вузах.

1. ГОСТ 13109-97. Международный стандарт. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. "Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения" Минск, 1997.

2. ГОСТ Р 51317.4.5-99 (МЭК 61000-4-5-95) "Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к микросекундным импульсным помехам большой энергии. Требования и методы испытаний." Взамен ГОСТ 30376-95/ГОСТ Р50627-93.

3. Правила устройств электроустановок. / Минэнерго СССР.-6-е изд., пере-раб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1986.

4. Руководящие указания по защите от грозовых и внутренних перенапряжений электрических сетей 6-1150 кВ единой энергосистемы СССР,1 том 2. Грозозащита линий.и подстанций 6-1150 кВ. СПб, НИИПТ, 1991.

5. Руководящие указания по защите электрических станций и подстанций 3— 500 кВ от прямых ударов, молний и грозовых волн, набегающих с линий электропередачи. М;; ОРГРЭС, 1975.

6. Альбокринов В.С., Гольдштейн В.Г., Халилов Ф.Х. Перенапряжения и защита от них в электроустановках нефтяной промышленности. Изд. Самарского университета, Самара, 1997

7. Костенко М.В., Михайлов Ю.А., Халилов Ф.Х. Электроэнергетика. Электромагнитная'совместимость. Часть 1: Учебное пособие/ Санкт-Петербург.: Изд-во СПбГТУ, 1997. - 103 с.

8. Засыпкин И.С., Халилов Ф.Х. Проблемы защиты от внутренних перенапряжений электрооборудования и линий предприятий нефти и газа. Изв. вузов «Электромеханика». 2011. №3. С. 85 — 87

9. Гринберг Г.А. Избранные вопросы математической теории электрических и магнитных явлений. Изд-во АН СССР. М.: 1948. - 728 с.

10. Костенко М.В., Ефимов Б.В., и др. Анализ надежности грозозащиты под140станций. Л., "Наука" 1981 128 с.

11. Борисов Б.П., Вагин Г.Я. Электроснабжение электротехнологических установок. Киев. Наукова думка. 1992 — 236 с.

12. Ford D.V. The British Electricity Boards national fault and interruption reporting scheme — objectives and operating experience. ШЕЕ Trans. Power Appar. Syst., 1972, №5.

13. Лихачев Ф.А. Повышение надежности распределительных сетей 6-10 кВ. Электрические станции, 1981, № 11.

14. Гиндулин Ф.А., Гольдштейн В.Г., Дульзон A.A., Халилов Ф.Х. Перенапряжения в сетях 6—35 кВ. Энергоатомиздат, 1989.

15. Grünewald Н-. Kann die Gewitterschutz von Vittel Spannungshetzen noch verbessert werden? Elektizitätswirtschaft. 1965, vol 3, № 64.

16. Hurstell1 V.L., West M/G/ Shielding 13,8 kV. Distribution Circuits. Power Appar. Syst. 1959, № 45.

17. Йорданов H. Исследования на повредите и изключванията по електропро-водите и трансформаторните постове 20 кВ в района на электроснабдително предприятие в.гр. Пловдив. Годшин энергопроект Г—59, 1969, т.2, № 1>3>.

18. Всерос. науч. практ. конф. "Будущее современной энергетики". — Н. Новгород: НГТУ, 2009. С. 105 - 106.

19. Шидловский А.К., Борисов Б.Г1., Вагин Г.Я; и др; Электромагнитная» совместимость электроприемников промышленных предприятий. Киев; Науко-ва думка. 1992-236с.

20. Markku Kokkonen. "Development of Lightning Protection for CoveredOon-ductor", ICCC, 2000.31. «Положение о технической политике ОАО «ФСК ЕЭС» в распределительном; электросетевом комплексе», ФСК, 2006 (см. «Новости электротехники», №6 ,2006);

21. Засыпкин И;С., Дронов А.П:, Косорлуков И.А. Перенапряжения при коммутациях индуктивных . элементов. Изв. вузов «Электромеханика». Спец. вып. 2009. С. 524-53. ' ' . '

22. Техника высоких напряжений / Под редакцией' Г.С.Кучинского. Санкт-Петербург Энергоатомиздат, 2003.

23. Половой И.Ф., Михайлов Ю:А., Халилов Ф.Х. Внутренние перенапряжения на электрооборудовании-высокого и сверхвысокого напряжения. Энергоатомиздат, JIO, 1986.

24. Костенко М.В., Богатенков И.М., Михайлов Ю. А.,Халилов Ф.Х. Коммутационные перенапряжения в энергосистемах. Учебное пособие. Изд. ЛГТУ, Ленинград, 1991.

25. Interruption of small inductive currents: Chapter 3V Part A. Electra, N 75, 1981, p 16-17.

26. Rano>H., Haramada T„ Kurosawa Y. Switching surge phenomena in> induction. motor windings and their, endurance. Hitachi Review, vol 24, № 5, 1975; p. 225232*.

27. Colombo S/, Costa G., Piccarreta L. Results of an investigation on the overvoltages due to a vacuum circuit breaker when switching an Н.У/ motor. IEEE Trans. On Power Delivery, Vol. 3, Jan. 1988, p. 205-213.

28. Telander S.H., Wilhelm M.R., Stump K.B. Surge limiters for vacuum.circuit breaker switchgear. IEEE Transaction on Power Delivery, Vol. 2, № 1, January 1987.

29. Interruption of small inductive currents: Chapter 5: Switching of unloaded transformers, Part 2, Electra, № 134, 1991, p. 29-34.

30. Interruption of small inductive currents: Chapter 5: Switching of unloaded transformers, Part 1, Electra, № 133, 1991.

31. Greenwood A.N., Kurtz D.R., Sofianek J.C. A guide to the application of vacuum circuit breakers. IEEE Transaction on Power Application and Systems, Vol. 90, №3, 1971.

32. Yokokura K., Masuda S., Nishikava H. Multiple restricting voltage effect in a vacuum circuit breaker on> motor insulation. "IEEE Trans, on PAS", Vol. PAS-100, №4, April 1981.

33. Roguski A.T. Experimental investigation of the dielectric recovery strength between the separating contracts of vacuum circuit breakers. IEEE Transactiomon Power Delivery, Vol. 4, № 2, April 1989:

34. Perkins J.F., Bhasavanich D. Vacuum switchgear application study with reference to switching surge protection. IEEE Transaction on industry Application, Vol. 19, № 5, September 1983, p;879^-888.

35. Matsui, Т. Yokoyama, Е. Umeya. Resignation current interruption characteristics of the vacuum interrupters. IEEE Transaction on Power Delivery, Vol; 3, № 4, Jet 1988, p.1672-1677.

36. Беляков H.H. Защита от перенапряжений установок с вакуумными выключателями. Электрические станции, № 9, 1994.

37. Васюра Ю.Ф:, Гамилко В.А., Евдокунин Г.А., Утегулов Н.И. Защита от перенапряжений в сетях 6—10 кВ. Электротехника, № 5/6, 1994.

38. РД 34.45-51.300-97. Объём и нормы испытаний электрооборудования / -М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2-е изд. с изм., 2002.

39. IEEE Working group progress report."Impulse voltage strength of ac rotating machines'VTEEE Trans, on PAS", Vol. PAS-100, № 8, Aug 1981.

40. Zotos P.A. Motor failures due to steep fronted switching surges: The need for surge protection — user's experience. IEEE Transaction on Industry Appl., Vol.30, №6, Nov 1988.

41. Кучинский Г.С., Каплан Д.А., Мессерман T.T. Бумажно-маслянная изоляция в высоковольтных конструкциях. М—Л., Госэнергоиздат. 1963.

42. Алиев Ф.Г., Горюнов А.К., Евсеев А.Н., Таджибаев А.И., Халилов Ф.Х. Перенапряжения'в нейтрали силовых трансформаторов 6—220 кВ и методы их ограничения Изд. ПИЭПК Минэнерго РФ., С.-Петербург, 2001.

43. Богомолов А.Ф., Иванов Л.И. Перенапряжения в трехфазных распределительных трансформаторах. Электрические станции, 1939, № 7.

44. Рыбаков Л.М., Халилов Ф.Х. Повышение надежности работы трансформаторов и электродвигателей высокого напряжения. Изд. Иркутского университета. 1991.

45. Баранов Б.М., Баженов С.А. Защита распределительных трансформаторов от перенапряжений со стороны низкого напряжения. Электрические станции, 1939, №12.

46. Богословский-П;В., Пономарев Ю:И., Пухов Б.И. Защита распределительных трансформаторов от перенапряжений. Сб: трудов ИЭИ, 1962.

47. Кудрявцев И.Ф: Защита низковольтного электрооборудования от атмосферных перенапряжений. Труды Московского института механизации и электрификации сельского хозяйства; 1956; №-3.

48. Сенчинов K.M., Шишман Д.В. Грозовые поражениями защита сельских сетей низкого напряжения. Электричество, 1950; № 10.

49. Hylte'n — Covallius N., Strömberg A. Stötha'l-lfastheten has la'gspannings -unstallationer, ERA, 1958, 11 (импульсная прочность установок низкого напряжения).

50. Долгинов А.И. Перенапряжения в электрических системах. Госэнергоиздат, 1962.

51. Будзко А.И., Зуль Н.М. За технический прогресс в электрификации сельского хозяйства. Вестник электропромышленности, 1962, № 9.

52. Геллер Б., Веверка А. Волновые процессы в электрических машинах. Госэнергоиздат, 1960.

53. Сиротинский Л.И. Техника высоких напряжений, ч. III, выпуск 1, Госэнергоиздат, 1959.

54. Heller В., Hlavka J., Veverka A. Na'razove' zjeby v transforma'torach c. J:El,Obz., 1948, (начальное напряжение в трансформаторах).

55. Abetti P.A. Electrostatic voltage distribution and transfer in 3- winding transformers. Nrans. AIEE, III, 1954 (Емкостное распределение напряжения и его передача в трехобмоточных трансформаторах).

56. De Bernochi Cesara. Sultransferimebto di sovratensioni impulsive nei trans-formatorn. Enepgia. Clettr, 1962, № 3. (О передаче импульсных перенапряжений*в трансформаторах).

57. Гольдштен В.Г., Халилов,Ф1Х., Гордиенко А.Н.1, Пухальский A.A., Повышение надежности работьгэлектрооборудования и линий 0,4 110 кВ нефтяной промышленности при воздействиях перенапряжений. Энергоатомиздат.- М'.: 2006. 356 с.

58. Wittins J. Die Skhwingungsgleichungen eines idealisierten Hochspannungs. Transformators. Arch. El., 1954. (Уравнения- колебаний идеального высоковольтного трансформатора).

59. Бьюлей Л.В: Волновые процессы в линиях передачи и трансформаторах. Госэнергоиздат, 1938.

60. Palueff К.К., Hagenguth J.H. Effect of transient voltages on Power Transformer Design. IV. AIEE, Trans., vol. 51, 1932. (Воздействие перенапряжений на трансформаторы).

61. Сапожников A.B. Конструирование трансформаторов. Госэнергоиздат, 1959.

62. Гинсбург С.Г. Методы решения задач по переходным процессам в электрических цепях. Изд. "Советское радио", 1954.

63. Теумин И.И. Справочник по- переходным электрическим процессам. Связьиздат, 195.86.> Конторович М.И. Операционное исчисление и нестандартные явления в электрических цепях. Гос. изд. технико-теоретической литературы, 1955.

64. Левинштейн М.Л. Операционное исчисление и его применение к задачам электротехники. Энергоиздат., 1971.

65. Люлько В.А., Мамонова* О.М. Система1 ЧАНИБЕД для расчета* перенапряжений. Труды ЛПИ, 1981, № 380, с:34-40.

66. Электротехнический справочник. 7-ое издание, исправленное и дополненное. Том 3, книга 1. Производство и распределение электрической энергии. М. Энергоатомиздат, 1988, 880 с.

67. Engels Т., Waste W., Zadik Н.// ETZ, 1960, А-81, № 17, р.592-596.

68. Remmler М // ETZ, 1960, А-81, № 17, р.592-596.

69. Волыюв К.Д. Измерение максимальных уровней внутренних перенапряжений в сетях 6 35 кВ7 Изв. ВУЗов - Энергетика, 1964, № 3, с.14-16.

70. Тольдштейн В:Г., Дудиков Ю.С. Применение метода наложения в расчетах подрежимов коротких замыканий. Тр. IV Всерос. науч.-техн. конф. «Энергетика: состояние, проблемы, перспективы».— Оренбург, 2007. с. 29-33.

71. AIEE Report Impulse testing of rotating a.c. machines. Power Appar. and systems, 1960, № 48.

72. Михайлов Ю:А'., Халилов Ф.Х. Погрешности, вносимые трансформаторами- напряжения^ при* регистрации внутренних пере-напряжений в сетях 6 — 35 кВ. Электрические станции, 1971, № 9, с.77-78.

73. Перенапряжения!в электрических сетях и электрическая.прочность высоковольтной» изоляции. Межвузовский" сборник научных трудов. Изд. Новосибирского электротехнического института. Новосибирск,.1987.

74. Гольдштейн В*.Г. Реализация1 частотного метода, восстановления ^ оригиналов-операционных изображений на ЭВМ: В еб. научн. трудов "Управление и информация?'. ДВНЦ АН СССР. Владивосток: 1972'. с. 147-155.

75. Гольдштейн В:Г., Ф.Х. Халилов; Необходимость принудительного огра-, ниченияшеренапряжений в сетях низкого напряжения. Пром. энергетика: Mi: №6.1992: с. 39-41. . ,

76. ЮЗ'.Гольдштейн В!Г.,Саямов Э.А., Стеблев В.А. Измерение и регистрация внутренних перенапряжений в-энергосистемах. В? сб. докл. конф. "Устройства преобразования- информации для контроля и- управления в энергетике". Харьков: 1982.С. 35-37.

77. Ю4.Гольдштейн В.Г., Маврицкий Л.Г. и др. Регистратор внутренних перенапряжений РВП-1. Инф. лист. №83-79 НТД: Научн. тер. ЦНТИ. Куйбышев: 1979.4 с.

78. Гольдштейн В.Г., Маврицкий Л.Г. и др. Регистратор внутренних перенапряжений РВП-М. Инф. лист. № 82-37 НТД. Научн. тер. ЦНТИ. Куйбышев: 1982. 2 с.

79. Юб.Ведерников; B.C., Тольдштейн В.Г., Проблемы электромагнитной совместимости аппаратов защиты от перенапряжений. Сб. тез. докл. УПГМеждунар. науч.-техн. конференции "Радиотехника,, электротехника и энергетика". МЭИ(ТУ). М. 2001. с. 329-330.

80. Кадомская К.П. Перенапряжения в энергосистемах. Часть I. Волновые процессы в ВЛ и KJI . Новосибирск. 1980.

81. Колычев A.B., ШилинаН.А., Халилов Ф.Х. Необходимость защиты сетей напряжением до 1 кВ от перенапряжений.Труды СПбГТУ "Электротехника и электроэнергетика". Проблемы управления электроэнергетическими системами,. №471, 1998 г.

82. Кудрявцев И.Ф. Защита низковольтного; электрооборудования от атмосферных перенапряжений. . Труды Московского института механизации и электрификации сельского хозяйства, 1956, № 3.