автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Защита железобетонных опор от однофазных замыканий на землю в сельских сетях с изолированной нейтралью

На правах рукописи

ШЕРСТОБИТОВ РОМАН МИХАЙЛОВИЧ

ЗАЩИТА ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ОПОР ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ В СЕЛЬСКИХ СЕТЯХ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование

в сельском хозяйстве (по техническим наукам)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Зерноград, 2013

005059644

Диссертационная работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия».

Научный руководитель:

кандидат технических наук, профессор Юндин Михаил Анатольевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Воронин Сергей Михайлович

(ФГБОУ ВПО АЧГАА, профессор кафедры)

доктор технических наук, доцент Ермаков Владимир Филиппович (ФГБОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ), профессор кафедры)

Ведущая организация: Федеральное государственное

бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет» (г. Краснодар)

Защита состоится «_» _ 2013 года в __ часов на заседании

диссертационного совета ДМ 220.001.01, созданного при ФГБОУ ВПО АЧГАА, по адресу: 347740, г. Зерноград, Ростовской области, ул. Ленина, 21, в зале диссертационного совета (аудитория 201, корпус 5).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО АЧГАА.

Автореферат разослан «_

2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Н.И. Шабанов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. В федеральных сетевых компаниях на долю сельских линий электропередачи напряжением 10 кВ приходится более 40%, суммарная протяженность которых превышает 1 млн км. В условиях постоянного ухудшения технического состояния сельских сетей, из-за физического износа и отсутствия необходимых средств на своевременную замену и качественный ремонт электрооборудования, остро стоит проблема электробезопасности и надежности электроснабжения потребителей. В южных районах страны практически все сельские сети 10 кВ выполнены на железобетонных опорах, которые подвержены разрушению токами однофазного замыкания на землю вследствие перегрева комлевой части. От общего количества всех повреждений в сельских электрических сетях напряжением 10 кВ на однофазные замыкания на землю приходится 29-30%. Продолжительность замены одной железобетонной опоры в среднем составляет 5,6 часа на обесточенной линии напряжением 10 кВ.

Кроме разрушения оборудования вследствие длительного существования режима однофазного замыкания на землю, неполное однофазное замыкание в сельской сети 10 кВ создает опасные для человека и животных потенциалы вблизи железобетонных опор на воздушных линиях.

Из сказанного следует, что задача безопасной и надежной работы сельских линий напряжением 10 кВ к настоящему времени в полном объеме не решена.

Цель работы - обоснование защиты железобетонных опор от однофазных замыканий на землю в сельских сетях с изолированной нейтралью на основе оперативного контроля тепловых процессов в комлевой части.

Объект исследования - электромагнитные и тепловые явления, сопровождающие однофазное замыкание на землю через тело железобетонной опоры в сельской электрической сети 10 кВ.

Предмет исследования - установление закономерностей, позволяющих выявить связь между полнотой замыкания на землю и температурой нагрева комлевой части железобетонной опоры при однофазном замыкании на землю в сельской электрической сети 10 кВ.

Научная гипотеза - по электромагнитному состоянию электрической сети на шинах питающей подстанции можно судить о возможном разрушении железобетонных опор токами однофазного замыкания на землю.

Рабочая гипотеза - путем контроля изменений фазных напряжений электрической сети 10 кВ на шинах питающей подстанции можно предотвратить повреждение комлевой части железобетонных опор токами однофазного замыкания на землю.

Методологическая и теоретическая основа исследования: в основу данной работы легли труды A.A. Черникова, P.A. Вайнштейна, М.А. Шабада, JI.E. Дударева, В.М. Кискачи, Ф.А. Лихачева, В.А. Шуина, В.И. Шуцкого и других ученых, внесших значительный вклад в науку об эксплуатации сетей

с изолированной нейтралью и защите электрооборудования от режимов однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) в сельской электрической сети (СЭС).

Обоснованность и достоверность полученных результатов подтверждается достаточным объемом статистических данных, корректным применением основных законов электротехники, законов теплопроводности Фурье в сочетании с методами решения уравнений математической физики в частных производных, а также экспериментальными исследованиями, выполненными с использованием современных приборов, таких как «Энергомонитор 3.3».

Научная новизна основных положений, выносимых на защиту:

1) получены реальные базы данных, по которым рассчитаны современные показатели надежности сельских электрических сетей 10 кВ, выполненных на железобетонных опорах;

2) предложена математическая модель процесса нагревания комлевой части железобетонной опоры энергией, выделяющейся при неполном однофазном замыкании на землю;

3) установлены закономерности изменения температуры в комлевой части железобетонной опоры и вокруг неё в зависимости от времени и электрических параметров сети 10 кВ, возникающих при неполном однофазном замыкании на землю;

4) предложен централизованный метод оперативного диагностирования состояния железобетонных опор и степени электроопасности при однофазном замыкании на землю в сельских электрических сетях 10 кВ без отключения потребителей путем анализа электрических параметров сети на шинах питающей подстанции.

Практическая значимость работы и реализация ее результатов:

1) разработанная методика расчета нестационарных тепловых процессов при протекании тока замыкания на землю в сети 10 кВ позволяет определять изменение температуры вокруг комлевой части железобетонной опоры;

2) установлено условие обеспечения сохранности железобетонной опоры при стекании через неё тока замыкания на землю в сельской сети 10 кВ;

3) предложен набор технических и программных средств, позволяющих сократить денежные средства, время и трудозатраты на замену поврежденных при однофазных замыканиях на землю железобетонных опор в сельских сетях 10 кВ.

Апробация работы и публикации. Основные результаты исследований доложены на научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО АЧГАА в 2008-2012 годах и на международной научно-технической конференции «Система обучения персонала энергокомпании в условиях развития энергоэффективной экономики», 2010 г. (г. Анапа).

По результатам исследований опубликовано 5 печатных работ, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК.

Реализация результатов исследования. Разработанный комплекс устройств прошел производственную проверку в ПО ЮВЭС филиала ОАО «МРСК - Юга» - «Ростовэнерго».

Опытный образец комплекса устройства предупреждения, реализующий предложенные методики и алгоритмы (КУП-1), внедрен на п/с Курганная ПО ЮВЭС филиала ОАО «МРСК - Юга» - «Ростовэнерго».

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений.

Работа изложена на 200 страницах, в том числе основной текст - на 168 страницах; включает 19 таблиц, 37 рисунков, библиографический список из 132 наименований на 13 страницах, 5 приложений на 18 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель исследования, кратко изложено содержание работы, представлены основные положения, выносимые на защиту, а также данные о практической ценности и научной новизне.

В первой главе «Проблема разрушения железобетонных опор воздушных линий 10 кВ токами однофазного замыкания на землю» изучены показатели надежности в СЭС на примере ПО ЮВЭС филиала ОАО «МРСК -Юга» - «Ростовэнерго» за 9 лет и причины возникновения однофазных замыканий на землю, техническое состояние парка железобетонных опор 6-10 кВ. А также проведен аналитический обзор режимов нейтрали сети сельских линий в странах мира, существующих методов защиты от однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью, типов заземляющих устройств железобетонных опор воздушных линий (ВЛ) 6—10 кВ.

Анализ причин отказов сельских сетей 10 кВ показал, что одним из частых повреждений BJI 10 кВ являются 033. Особую опасность такой режим представляет для железобетонной опоры. Количество железобетонных опор в электросетевом комплексе страны превышает 30 миллионов штук.

Режим изолированной нейтрали сети, из-за запаса прочности по изоляции, при соответствующей эксплуатации и принятии мер для исключения феррорезонансных процессов, обеспечивает приемлемые показатели эффективности в сельских воздушных сетях 6-10 кВ и в ближайшей перспективе не изменится.

В сельских районах, расположенных в черноземно-глинистых грунтах, характерных для Юга России, применение вертикальных заземлителей целесообразно и наиболее оправдано при выполнении заземления железобетонных опор BJI10 кВ.

Аналитический обзор существующих методов защиты от ОЗЗ в электрических сетях 6-10 кВ показал, что эффективного решения задачи по защите железобетонных опор в действующих СЭС с токами 033 менее 10 А не существует.

В качестве научной гипотезы принято - по электромагнитному состоянию электрической сети на шинах питающей подстанции можно судить о возможном разрушении железобетонных опор токами однофазного замыкания на землю.

В качестве рабочей гипотезы принято — путем контроля изменений фазных напряжений электрической сети 10 кВ на шинах питающей подстанции можно предотвратить повреждение комлевой части железобетонных опор токами однофазного замыкания на землю.

Для достижения заявленной цели поставлены задачи исследования:

1) выполнить анализ частоты появления однофазных замыканий на землю в действующих сельских электрических сетях 10 кВ;

2) изучить существующие методы и технические средства защиты железобетонных опор от разрушения токами замыкания на землю для определения наиболее эффективных;

3) исследовать процесс электромагнитного и теплового режима в системе «провод ВЛ - тело опоры - повторный заземлитель - земля» при неполном однофазном замыкании на землю;

4) экспериментально исследовать изменения электромагнитного состояния сети и температурного поля вокруг заглубленной в землю железобетонной опоры во времени и пространстве при протекании режима однофазного замыкания на землю;

5) обосновать состав, место установки и структуру технических средств, обеспечивающих сохранность железобетонных опор В Л 10 кВ и электробезопасность при протекании по ним токов однофазного замыкания.

Во второй главе «Исследование процесса электромагнитного и теплового режима в системе «Провод воздушной линии - тело опоры - повторный заземлитель — земля» при неполном однофазном замыкании на землю» приведена оценка несущей способности железобетонных опор воздушных линий 6—10 кВ при температурном воздействии. Рассмотрены тепловые и электромагнитные процессы, сопровождающие ОЗЗ через железобетонную опору. Разработана математическая модель процесса нагревания комлевой части железобетонной опоры током неполного однофазного замыкания на землю в сельской электрической сети 10 кВ.

Оценка несущей способности железобетонных опор воздушных линий 6-10 кВ при температурном воздействии на опору линии электропередачи выполнена согласно указаниям СНиП 2.03.01 84* по методу предельных состояний в следующем порядке:

- предварительно выбиралась конструкция опоры;

- ввиду специфических условий работы промежуточных опор сечение ее назначалось симметричным по форме и армированию;

- определялось наибольшее расчетное значение изгибающего момента и сравнивалось с проектным;

- конструкция опоры проверялась по первому предельному состоянию. Согласно указаниям СНиП 2.03.01-84*, расчёт сечений опор нормальных к продольной оси изгибаемых железобетонных элементов и армированных продольной ненапрягаемой арматурой (рисунок 1) произведен из условия: ,, /ч

Мтах<11ъ-Ь-х-(/г0-0,5-х) + 11}С-Л5-(И0-а), (1)

где Мтах - проектное значение момента, кН-м; 7?ь - расчётное сопротивление бетона осевому сжатию для предельных состояний первой группы, МПа; Ъ - ширина прямоугольного сечения, м; д: - высота сжатой зоны бетона, м; А„ - рабочая высота сечения, равная к- а, здесь к - высота прямоугольного сечения; а - расстояние от равнодействующих усилий в арматуре 5, расположенной в растянутой зоне, до ближайшей грани сечения, равное а = с + с!/2, здесь с - толщина защитного слоя бетона; с? - диаметр арматуры; - расчётное сопротивление арматуры сжатию для предельных состояний первой группы; А\ - площадь сечения ненапрягаемой арматуры 5"; а' - расстояние от равнодействующих усилий в арматуре до ближайшей грани сечения, м.

Л

Рисунок 1 - Прямоугольное сечение опоры с двойной арматурой

Рисунок 2 — Влияние повышенных температур на свойства тяжелого бетона марок М200-М500

Кратковременный нагрев вызывает наибольшее снижение прочности, точка минимума составляет 58-68% прочности ненагретого бетона и отмечается при температурах 60-90 °С (рисунок 2).

Воздействие высоких температур на бетон приводит к развитию в нем деструктивных процессов и процессов структурообразования. Деструктивные процессы развиваются в основном при первом кратковременном нагреве и объясняются возникновением самоуравновешенных структурных напряжений, снижением вязкости воды, адсорбционным понижением прочности и рядом других факторов. Они приводят к возникновению и развитию микротрещин и, как следствие, к изменению свойств бетона - снижению прочности и модуля упругости, ухудшению структурных характеристик и т.д.

Призменная прочность при кратковременном нагреве определена по формуле

где 8^(1) — условное начальное напряжение.

При определении значений этих функций продолжительность первого кратковременного нагрева допускается принимать равной одним суткам, если она специально не оговаривается. Коэффициент три используемый при нормировании влияния повышенных температур на прочность (рисунок 2), определен как

О)

кь

Тогда в окончательном виде условие прочности опор, нормальных к продольной оси изгибаемых железобетонных элементов и армированных продольной напрягаемой арматурой, при кратковременном нагреве с учетом выражений (2)-(3) определено по формуле (1):

Мтгх < 0,4ЦХ + а'х4р(к0 - а') , (4)

где сг15с - напряжение в напрягаемой арматуре 5' в предельном состоянии элемента при разрушении бетона от сжатия; А'вр- площадь сечения напрягаемой части арматуры 5", расположенной в сжатой зоне.

Пример расчета прочности железобетонных опор при кратковременном нагреве представлен таблицей 1.

Таблица 1 - Пример расчета прочности железобетонных опор

Тип опор Нормативная приз-менная прочность Яъ Н/м2 Изгибающий момент М, кНм

при кратковременном нагреве опоры °С ( в течение одних суток) Проектный изгибающий момент Мга№ кНм

III ветер, III гололед V ветер, IV гололед

>50 70 85 100 125 150

СВ105-3,5 14800 29,73 27,25 26,19 25,13 24,77 24,42 36

СВ 105-3,6 17300 39,01 35,76 34,37 32,97 32,51 32,05 36

СВ110-5 17300 40,45 37,08 35,64 34,20 33,72 33,23 39

СВ110-1-1а 17300 31,24 28,63 27,52 26,40 26,03 25,66 36 -

Для правильной трактовки наблюдаемых явлений экспериментально разделялись деформации первого нагрева на температурные и усадочные, так как они развиваются одновременно. С целью детального изучения свойств бетона ранее исследователями был выполнен ряд опытов. Часть призм перед испытанием была гидроизолирована двумя слоями фольги и двумя слоями эпоксидного клея.

Исследования показали, что необратимая температурная деформация составила существенную часть температурной деформации гидроизолиро-

ванного бетона - 18% при первом нагреве до 70 °С, и соответственно 21% при первом нагреве до 90 °С. Большая часть необратимых температурных деформаций при температурах 70 и 90 °С развивается в период первого нагрева, соответственно 68 и 76%, а остальная часть - в течение последующих 30-40 ч при повышенной температуре.

Как следует из рисунка 3, прочность на сжатие сухого бетона при нагревании до 70 °С практически не изменяется. Прочность влажного бетона с повышением температуры до 70 °С снижается примерно на 15-22% и в дальнейшем не восстанавливается.

Особенности развития температурно-усадочных деформаций старого бетона нормального твердения при повышенных температурах проиллюстрированы рисунком 4.

т

\

Л -й: -Л яш&т тЬш

—N V

40

а т

Г

ли

бремя действия повышенной температуры

Рисунок 3 - Влияние температуры нагрева Рисунок 4 - Компоненты температурно-бетона на прочность опоры усадочных деформаций бетона при

повышенных температурах

Большие колебания температуры вызывают внутреннее растрескивание бетона из-за различного теплового расширения крупного заполнителя и цементного камня. Температурный коэффициент линейного расширения тяжелого бетона составляет (Ю...12)-10"бК"1. Это значит, что при увеличении температуры бетона на 50-70 °С расширение составит 0,5-0,8 мм/м, что не приемлемо.

Пороговая температура нагрева железобетонной опоры <9П = 70 °С. При превышении температуры нагрева бетона свыше 70 °С в железобетонной опоре возникают необратимые температурные деформации, приводящие к разрушению опор.

Расчетная схема неполного замыкания на землю приведена на рисунке 5. Влиянием нагрузки пренебрегали. Расчет тока замыкания на землю выполнялся методом симметричных составляющих.

Граничными условиями для рассматриваемого случая являлись:

Ч!к=К-Ь=К'к\к= 0;7с=0, (5)

где /д =/3 - ток замыкания на землю; Ц'А- напряжение фазы «А» по отношению к земле в месте повреждения.

Рисунок 5 - Замыкание одной фазы Рисунок 6 - Векторная диаграмма

на землю через переходное сопротивление напряжений и токов в месте однофазного

замыкания на землю через сопротивление Кп (общий случай)

Определение токов и напряжений при повреждении изоляции сети выполнено при помощи уравнений напряжений для схем трех последовательностей и уравнения (5) через симметричные составляющие.

В результате решения получена зависимость переходного сопротивления от значения напряжения нулевой последовательности и0. С ростом Я„ соответственно уменьшаются токи и напряжения нулевой последовательности в месте повреждённой фазы.

Ток замыкания на землю определен как

/ =3-7 - 1-ї-®'с-Ч-А (6)

^ 3 • Л п — у • *с 1+у-З-й}-С-Яп'

Фазные напряжения в месте повреждения:

и\ = и.

и' = а ■

1±±Лс--ц

■ Л п - у ■ х с

а 2 + } ' х с 3 • д л - і ■ х I а + у • х с 3 ■ Л „ - і ■ х .

1 - 1

А 1 + і ■

•С -Я, :г -1

■У.,

1 + у • 3

•сл.

1+ у • 3 • й) ■ С • Л ,

Емкостные токи на землю отдельных фаз:

Ч(с)

У -£У

} а - С

¿£(с) - J

2{о) ~ ] '

■с-г/і =

■С - ІГС = і-

со ■С

а С

1-1

1 + і •3-а -С

а2- 1 ■иК\

1 + і ■ ■3 а -С ■Дп

а- 1 — А '

1 + у ■ 3-со С ■ с

(8)

Векторная диаграмма напряжений и токов в месте замыкания на землю через Лп показана рисунке 6. Здесь в зависимости от Яп концы векторов С/А, Цъ и и с, выражающих фазные напряжения, скользят по полуокружностям радиуса С/ф/2. Эти же полуокружности являются геометрическим местом концов вектора Щ, значение и фаза которого при заданной емкости С зависят от значения Яп.

Треугольник линейных напряжений независимо от Яп при однофазном замыкании на землю практически не изменяется. Однако фазные напряжения отличаются друг от друга.

С уменьшением полноты замыкания часть тока однофазного 033 ответвляется от места повреждения в емкость, образованную проводами заземленной фазы относительно земли. Связь между током через железобетонную опору и током однофазного замыкания может быть установлена при любой полноте замыкания через коэффициент к\ по следующему выражению:

Т -

1ЛП ~ . 5

(9)

где /3 — ток однофазного 033, А; к\ - коэффициент, учитывающий связь между током через железобетонную опору и током однофазного замыкания.

Режим замыкания фазы сети на землю через железобетонную опору, в общем случае можно представить следующим образом. При пробое изолятора на ВЛ, обрыве вязки и падении провода на траверсу и т.п. ток однофазного 033 последовательно от провода протекает через следующие участки: переход провод ВЛ - траверса - железобетонная стойка, далее - тело опоры и затем - второй переход: железобетонная стойка - грунт.

Выделяющаяся в месте повреждения теплота в течение времени ґ в режиме замыкания фазы сети на землю через железобетонную опору может быть определена по следующему выражению:

_ . Г> Г2 . V _1_ 7 2 Т> I Г 2 о , 1-2

•^ПР + -^оп

Дт + 10П

+ /оп

Дг)-'> (10)

где Лпр - сопротивление перехода: провод BJI - траверса; RT - сопротивление перехода: траверса - арматура железобетонной опоры; Яжб - сопротивление тела железобетонной опоры; R3 - сопротивление перехода: арматура железобетонной опоры - заземлитель; Rr- сопротивление растекания заземлитель -грунт; t - продолжительность замыкания на землю.

На основании выводов, сделанных ранее, значение Um определяется как

и0П=Щ-ки, (И)

где С/ф - напряжение поврежденной фазы, измеренное на шинах подстанции, В; ки - коэффициент, учитывающий распределение падений напряжения на поврежденной фазе.

На первой стадии теплового воздействия тока 033 на железобетонную опору (от момента возникновения однофазного замыкания на землю до начала интенсивного испарения влаги из бетона и прилегающего к опоре грунта) величина переходного сопротивления изменяется по линейному закону.

Поэтому на данной стадии существования режима однофазного 033 выделяющаяся в месте повреждения теплота, которая равна затраченной электрической энергии, может быть определена по следующему выражению:

AWon=AQou=U,-k„-^-At. (12)

Анализ теплового процесса при стекании тока ОЗЗ с заземлителей заземляющих устройств опоры 6-10 кВ в сельских электрических сетях позволяет утверждать, что:

- начальное термическое повреждение заземлителя и комлевой части железобетонной опоры происходит в сухом слое земли (до 0,8 м);

- при протекании токов ОЗЗ через железобетонную опору, термическое поражение заземлителя возможно при температурах намного ниже 100° С без видимого парообразования.

Для характеристики температурного поля, разрушающего подземную часть железобетонной опоры, достаточно знать распределение температуры вокруг заземлителя в плоскости, перпендикулярной вертикальному заземли-телю. С этой целью выделили в почве элементарный столб, имеющий высоту 1 м, а основание - равное площади элементарного слоя.

При решении поставленной задачи принят ряд следующих допущений:

1)в качестве начального условия принята температура, постоянная по глубине; такое допущение известно как режим изотермии;

2) постоянство тепловых характеристик исследуемой почвы по глубине;

3) постоянство тепловых характеристик (теплоемкость, коэффициент температуропроводности) исследуемой почвы при нагреве;

4) постоянство мощности нагрева.

Так как внутри тела имеется положительный источник теплоты с удельной мощностью источника (количество выделяемой теплоты в единицу времени в единице объема тела) q = const (Дж/с-м3), то температурное поле,

перпендикулярное выделенному тонкому полуограниченному стержню, математически может быть записано в виде:

дв д20(хл) д

= х—' (13)

от д.х с- р

Для однозначного определения рассматриваемого процесса теплопроводности к дифференциальному уравнению были добавлены условия однозначности при следующих граничных условиях:

I = 0, 0(х,О) = 0О> * = со, в = 0К, 0(0, г) = 6>к. (14)

Применив преобразование Лапласа, получили окончательное решение в виде:

-чм---Ч£кь_ 4.АВ6-М15)

где с - теплоемкость кДж/(кг-К); р — плотность кг/м3; % - коэффициент температуропроводности м2/с; /г - высота источника теплоты, м; г — радиус источника теплоты, м.

Таким образом, выражение (15) позволяет определить температуру ®(х,{) в любой точке объема нагреваемой почвы в функции расстояния и времени при существовании режима ОЗЗ, и, как следствие, возможность с приемлемой для практического использования точностью дать количественную оценку допустимой длительности существования режима ОЗЗ с гарантией того, что при возникшей полноте замыкания железобетонная опора не потеряет своей первоначальной прочности.

График зависимости нагрева комлевой части железобетонной опоры от длительности существования режима ОЗЗ в сети 10 кВ по выражению (15) представлен на рисунке 7.

Рисунок 7 - Зависимость нагрева Рисунок 8 - График критической

комлевой части железобетонных опор продолжительности ОЗЗ железобетонных опор

от длительности существования в зависимости от полноты замыкания

режима ОЗЗ на отходящих ВЛ 10 кВ и протяжённости сети 10 кВ

График длительности режима ОЗЗ, приведенный на рисунке 8, показывает, что и в относительно коротких электрических сетях 10 кВ может произойти термическое повреждение железобетонной опоры. Например, для сети протяженностью 50 км при напряжении на заземленной фазе Щ = 3 кВ необратимые процессы деструктивных преобразований железобетона опоры наступят через 10,5 часов. Быстрее всего эти процессы будут протекать, когда напряжение на заземленной фазе превысит 3 кВ независимо от протяжённости сети.

Следовательно, одной критической продолжительности могут соответствовать различные значения напряжения на заземленной фазе в сетях, отличающихся друг от друга по протяженности. Данное обстоятельство свидетельствует о недостаточности критерия «плотности тока» при выборе защитных мероприятий для железобетонных опор.

В третьей главе «Программа и методика проведения полевых экспериментальных исследований» разработаны программа и методика экспериментальных исследований, описана установка для проведения эксперимента. Определена методика оценки погрешности результата измерений. Выполнено сравнение математической модели процесса нагревания комлевой части железобетонной опоры с опытными данными.

и подключения приборов при испытаниях и подключения приборов при испытаниях,

вид сверху

Изменения фазных, линейных напряжений, силы тока нулевой последовательности на питающей линии фиксировались прибором «Энергомонитор 3.3», установленным на питающей подстанции в ячейке трансформатора напряжения (НАМИ-10).

Для измерения силы тока, проходящего через опору, в месте замыкания был подключен трансформатор тока ТПЛМ-10 30/5 (рисунок 9). Значения силы тока фиксировались амперметром, подключенным по схеме на рисунке 10. Амперметр устанавливали непосредственно на изолированной площадке, на рабочем месте исследователя.

Все термометры сопротивления подключали к восьмиканальному измерителю температуры ИТ 58-103, измерительные проводники изолировалась от земли с помощью оперативных штанг.

Четыре термометра сопротивления ТСП/1-1288, смонтированных на направляющем штыре длиной 2000 мм и распределённых по длине штыря равномерно, погружали в грунт на границе опора — грунт. Пятый термометр сопротивления ТСП/1-1288 был установлен на поверхности грунта на расстоянии 350 мм от тела опоры.

Предложенная принципиальная схема установки позволила экспериментально исследовать изменения электромагнитного состояния сети и температурное поле вокруг заглубленной в землю железобетонной опоры при протекании тока однофазного замыкания на землю через тело железобетонной опоры.

В четвертой главе «Экспериментальные результаты изменения электромагнитного состояния сети и температурного поля вокруг заглубленной в землю железобетонной опоры» приведены результаты экспериментов, а также итоги сравнения математического моделирования процесса нагревания комлевой части железобетонной опоры при неполном однофазном замыкании на землю в СЭС 10 кВ с опытными данными.

В 2010—2011 годах в действующих электрических сетях напряжением 10 кВ были организованы специальные полевые испытания, в процессе которых проведено двенадцать опытов однофазного замыкания на землю через тело железобетонной опоры.

На основании результатов экспериментальных исследований установлено:

- электромагнитные параметры на шинах питающей подстанции и тепловые процессы, протекающие в комлевой части железобетонной опоры при однофазном замыкании на землю, взаимосвязаны, что иллюстрирует рисунок 11;

- при токах однофазного замыкания на землю до 10 А возможны необратимые процессы деструктивных преобразований в железобетонной опоре, на которой повреждена фазная изоляция;

- по напряжению на поврежденной фазе при однофазном замыкании на землю можно судить о целостности подземной части железобетонной опоры;

- математическая модель процесса нагревания комлевой части железобетонной опоры энергией, возникающей при неполном однофазном замыкании на землю в сельской электрической сети 10 кВ с приемлемой для практики точностью, соответствует реальным процессам электромагнитного- и теплового режима вокруг заглубленной в землю железобетонной опоры во времени.

Точность математической модели процесса нагревания комлевой части железобетонной опоры при неполном однофазном замыкании на землю в СЭС 10 кВ проиллюстрирована рисунком 12.

80 О 70

£ 60

¡Г £ 50

О)

с 40 £

£ 30 20 10 0

-Теория

1 3 5 7 9 111315171921232527293133 Время опыта, час

О. 60

Опыт

Теория

1 4 7 101316192225283134374043464952

Время опыта, час

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 2123 25 27 29 3133 Время опыта, час

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 2123 25 27 29 3133 _Время опыта, час_

1 3 5 7 9 11 1315 17 19 2123 25 27 29 3133 Время опыта, час_

Рисунок 11 - Графики изменения Рисунок 12 - Графики сравнения

термодинамических и электрических математической модели нагревания параметров на подстанции 35/10 комлевой части железобетонной опоры

с экспериментальными данными

Погрешность в значениях времени при математическом моделировании процесса нагревания комлевой части железобетонной опоры и при экспериментальном определении идет в запас времени поиска повреждения, следовательно, предполагаемая методика ужесточает технологию поиска места однофазного замыкания на землю в сельской сети 10 кВ.

В пятой главе «Комплекс устройств для выявления и предотвращения разрушения железобетонных опор в сетях 6—10 кВ» сформированы основные требования, разработаны алгоритмы работы, обоснованы состав, место установки и структура технических средств, выявляющих и предотвращающих разрушение железобетонных опор в сетях ВЛ 10 кВ.

Комплекс устройств, выявляющих разрушение железобетонных опор при однофазном замыкании на землю типа КУП-1 (рисунок 14), включает в себя: стандартный антиферрорезонансный трехфазный трансформатор напряжения типа НАМИ-10, программируемый логический контроллер ОВЕН ПЛК 150, многофункциональное устройство для организации коллективного доступа по IP-телефонии (VoIP) типа TREND net tew 432BRP, панели управления оператора на базе персонального компьютера с операционной системой MS Windows и программой управления.

Программа управления реализована в SCADA системе GeniDAQ фирмы Advantech.

Рисунок 13-Внешний вид комплекса Рисунок 14 - Функциональная схема

устройства типа КУП-1 комплекса устройства типа КУП-2

Применение микропроцессорных защит типа КУП-1 в автоматизированной системе диспетчеризации управления имеет и свой системный недостаток, присущий всем СЭС. Если в подсистеме телемеханики электроснабжения промышленных и других энергетически важных объектов задача удаленного, то есть с диспетчерского пункта, управления решена давно, то в защите СЭС до сих пор используется возможность удаленно проводить только мониторинг параметров. Изменение условий, влияющих на разрушения железо-

однаюжние tmu/jpme tmmmm

вв/т 10-20

Р0УЇЕР

Ж150

блок упрабления

ву/т

W/220-2W

бетонных опор в сетях с изолированной нейтралью при применении КУП-1, можно проводить только по месту происходящих событий.

Для устранения данного недостатка в комплекс устройства типа КУП-1 добавлены элементы, функциональная блок-схема которых изображена на рисунке 14. В полученном устройстве КУП-2 реализован принцип защитного шунтирования фазы с пробоем изоляции при ОЗЗ.

В шестой главе «Экономический эффект от применения устройств по предупреждению разрушения железобетонных опор при однофазном замыкании на землю» выполнено технико-экономическое обоснование применения комплекса устройства КУП-1 и КУП-2 для выявления и предотвращения разрушения железобетонных опор в сетях 6-10 кВ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1 В результате аналитического обзора выявлено, что эффективной защиты железобетонных опор в сельской электрической сети В Л 10 кВ от повреждения токами однофазного замыкания на землю менее 10 А нет. В то же время собственными исследованиями за период 2002-2011 г. установлено, что 32,9% от всех повреждений на В Л 10 кВ приходится на однофазные замыкания на землю, из них 74,2% представляют опасность для железобетонных опор.

2 Сопоставление полученных показателей надежности В Л 10 кВ с аналогичными у других авторов показало, что количество однофазных замыканий на землю в сельских сетях 10 кВ возросло с 1,47 (уровень 2002 г.) до 3,56 (уровень 2011 г.): случаев в год на 100 км В Л.

3 В результате исследования электромагнитного и теплового режима в системе «провод ВЛ - тело опоры - повторный заземлитель - земля» при неполном однофазном замыкании на землю в сельской электрической сети 10 кВ создана математическая модель процесса нагревания комлевой части железобетонной опоры в зависимости от параметров сети на шинах питающей подстанции.

4 Адекватность математической модели процесса нагревания комлевой части железобетонной опоры, при неполном однофазном замыкании на землю, подтверждена экспериментальными исследованиями (коэффициент детерминации 0,71-0,89, наибольшая погрешность измерения температуры ± 0,8 °С, при доверительной вероятности 0,95), что подтверждает возможность использования предложенной математической модели для практических расчетов.

5 Разработан метод централизованного оперативного диагностирования состояния железобетонных опор и степени электроопасности при однофазном замыкании на землю в сельских электрических сетях 10 кВ без отключения потребителей путем анализа электрических параметров сети на шинах питающей подстанции, который позволяет оценить предельную продолжительность режима неполнофазного замыкания на землю, гарантирующую сохранность железобетонных опор.

6 На основе полученных алгоритмов разработаны комплексы устройств, выявляющих разрушения железобетонных опор (КУП-1) и предотвращающих разрушения железобетонных опор (КУП-2), позволяющих централизованно контролировать от 100 до 164 железобетонных опор с доверительной вероятностью 0,95.

7 Использование комплекса устройств типа КУП-1 и КУП-2 позволяет получить чистую прибыль энергоснабжающим организациям с чистым дисконтированным доходом в первом варианте 5,2 млн руб., во втором 2,4 млн руб. и сроком окупаемости проекта 0,6 и 2,8 года соответственно. Полученные результаты доказывают экономическую эффективность предложенных проектов по внедрению данных комплексов устройств.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях:

- в изданиях, рекомендованных ВАК'.

1. Шерстобитов, P.M. Влияние однофазных замыканий на землю в сети В Л 10 кв на надежность электроснабжения потребителей / P.M. Шерстобитов, М.А. Юндин // Надежность и безопасность энергетики. - 2010. - № 3. -С. 63-66.

2. Шерстобитов, P.M. Показатели надежности сети В Л 10 кВ / P.M. Шерстобитов, М.А. Юндин // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2011.-№ 1. - С. 17-18.

3. Шерстобитов, P.M. Исследование целостности железобетонных опор при однофазных замыканиях на землю в воздушных линиях 10 кВ / P.M. Шерстобитов // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. - 2012. - № 1. - С. 19-23.

4. Шерстобитов, P.M. Защита железобетонных опор в сетях с изолированной нейтралью / P.M. Шерстобитов, М.А. Юндин, С.А. Бузун // Надежность и безопасность энергетики. - 2012. - № 17. - С. 68-70.

- в сборниках научных трудов и научно-практических журналах-.

1. Шерстобитов, P.M. Показатели надежности и основные повреждаемые элементы сети ВЛ 10 кВ / P.M. Шерстобитов, М.А. Юндин, A.B. Колесников // Материалы 16 Всероссийского семинара руководителей образовательных учреждений и служб подготовки персонала предприятий электроэнергетики. -Майкоп, 2010. - 155 с.

ЛР 65-13 от 15.02.99. Подписано в печать 22.04.2013. Формат 60x84/16. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 156. РИО ФГБОУ ВПО АЧГАА 347740, г. Зерноград, Ростовская обл., ул. Советская, 15.

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ДЕПАРТАМЕНТ НАУЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ И ОБРАЗОВАНИЯ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «АЗОВО-ЧЕРНОМОРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АГРОИНЖЕНЕРНАЯ АКАДЕМИЯ»

УДК 621.315

0420135781 4

Шерстобитов Роман Михайлович

ЗАЩИТА ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ОПОР ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ В СЕЛЬСКИХ СЕТЯХ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ

Специальность: 05.20.02. Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук профессор М.А. Юндин

Зерноград 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................ 5

1 ПРОБЛЕМА РАЗРУШЕНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ОПОР ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ 10 кВ ТОКАМИ ОДНОФАЗНОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ........................................................................ 10

1.1 Анализ повреждаемости в сельских электрических сетях............... 10

1.2 Техническое состояние парка железобетонных опор 6-10 кВ......... 24

1.3 Аналитический обзор выбора режимов нейтрали в сетях 6-10 кВ..... 27

1.4 Существующие методы защиты от замыканий на землю

в электрических сетях 6-10кВ.................................................. 36

1.5 Применение заземляющих устройств железобетонных опор

ВЛ 6-10 кВ......................................................................... 46

Постановка задачи исследования...................................................... 49

2 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО И ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА В СИСТЕМЕ «ПРОВОД ВОЗДУШНОЙ ЛИНИИ - ТЕЛО ОПОРЫ - ПОВТОРНЫЙ ЗАЗЕМЛИТЕЛЬ -ЗЕМЛЯ» ПРИ НЕПОЛНОМ ОДНОФАЗНОМ ЗАМЫКАНИИ НА ЗЕМЛЮ................................................................................... 51

2.1 Оценка несущей способности железобетонных опор воздушных линий 6-10 кВ при температурном воздействии.......................... 51

2.2 Изменение электрических параметров сети при замыкании

на землю через тело железобетонной опоры............................... 64

2.3 Физическая сторона теплового процесса стекания тока однофазного замыкания на землю через заземлите ль опоры........... 76

2.4 Математическая модель процесса нагревания комлевой части железобетонной опоры при неполном однофазном замыкании на

землю в сельской электрической сети 10 кВ............................... 80

Выводы по главе 2................................................................ 93

3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ПОЛЕВЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ............................. 95

3.1 Программа экспериментальных исследований........................... 95

3.2 Установка для проведения эксперимента................................... 96

3.3 Методика экспериментальных исследований.............................. 102

3.4 Оценка погрешности результата измерений................................ 105

3.5 Методика сравнения математической модели процесса нагревания комлевой части железобетонной опоры, с опытными данными....... 107

3.6 Условия для проведения экспериментов.................................... 109

3.7 Порядок проведения экспериментальных исследований................. 109

3.8 Выводы по главе 3................:.............................................. 112

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО СОСТОЯНИЯ СЕТИ

И ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ ВОКРУГ ЗАГЛУБЛЕННОЙ В ЗЕМЛЮ ЖЕЛЕЗОБЕТОННОЙ ОПОРЫ.................................... 113

4.1 Результаты эксперимента...................................................... 113

4.2 Сравнение математической модели процесса нагревания

комлевой части железобетонной опоры с опытными данными...... 124

В ыводы по главе 4................................................................. 134

5 КОМПЛЕКС УСТРОЙСТВ ДЛЯ ВЫЯВЛЕНИЯ И ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ РАЗРУШЕНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ОПОР

В СЕТЯХ 6-10 кВ....................................................................... 135

5.1 Основные требования.............................................................................. 135

5.2 Комплекс устройств, своевременно выявляющий разрушение железобетонных опор в сетях 6-10кВ....................................... 136

5.3 Комплекс устройств, предотвращающий разрушение железобетонных опор в сетях 6-10кВ....................................... 141

Выводы по главе 5.................................................................. 148

6 ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ОТ ПРИМЕНЕНИЯ УСТРОЙСТВ ПО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЮ РАЗРУШЕНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ОПОР ПРИ ОДНОФАЗНОМ ЗАМЫКАНИИ

НА ЗЕМЛЮ............................................................................................................................................................149

6.1 Определение экономического эффекта от внедрения........................................149

6.2 Определение капитальных затрат на внедрение устройства..............................156

6.3 Оценка экономической эффективности от внедрения........................................157

Выводы по главе 6..................................................................................................................................164

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................................................165

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ..........167

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..........................................................................................................168

ПРИЛОЖЕНИЕ А Обзор несчастного случая............................................................182

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Выбор типа комплекса устройств КУП по зоне

ПОЮВЭС................................................................................................185

ПРИЛОЖЕНИЕ В Калькуляция комплекса устройств КУП-1,

КУП-2............................................................................................................189

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Интервальная оценка математического

ожидания защиты железобетонных опор одним комплексом устройств типа КУП-1

или КУП-2....................................................................................191

ПРИЛОЖЕНИЕ Д Акт о внедрении диссертационной работы................199

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования. В федеральных сетевых компаниях на долю сельских линий электропередачи напряжением 10 кВ приходится более 40% [69, 70], суммарная протяженность которых превышает 1 млн км [76]. В условиях постоянного ухудшения технического состояния сельских сетей, из-за физического износа и отсутствия необходимых средств на своевременную замену и качественный ремонт электрооборудования остро стоит проблема электробезопасности и надежности электроснабжения потребителей. В южных районах страны практически все сельские сети 10 кВ выполнены на железобетонных опорах, которые подвержены разрушению токами однофазного замыкания на землю вследствие перегрева комлевой части. От общего количества всех повреждений в сельских электрических сетях напряжением 10 кВ на однофазные замыкания на землю приходится 29-30% [104]. Продолжительность замены одной железобетонной опоры в среднем составляет 5,6 часа на обесточенной линии напряжением 10 кВ [99].

Кроме разрушения оборудования вследствие длительного существования режима однофазного замыкания на землю, неполное однофазное замыкание в сельской сети 10 кВ создает опасные для человека и животных потенциалы вблизи железобетонных опор на воздушных линиях.

Из сказанного следует, что задача безопасной и надежной работы сельских линий напряжением 10 кВ к настоящему времени в полном объеме не решена.

Цель работы - обоснование защиты железобетонных опор от однофазных замыканий на землю в сельских сетях с изолированной нейтралью на основе оперативного контроля тепловых процессов в комлевой части.

Объект исследования - электромагнитные и тепловые явления, сопровождающие однофазное замыкание на землю через тело железобетонной опоры в сельской электрической сети 10 кВ.

Предмет исследования - установление закономерностей, позволяющих выявить связь между полнотой замыкания на землю и температурой нагрева комлевой части железобетонной опоры при однофазном замыкании на землю в сельской электрической сети 10 кВ.

Научная гипотеза - по электромагнитному состоянию электрической сети на шинах питающей подстанции можно судить о возможном разрушении железобетонных опор токами однофазного замыкания на землю.

Рабочая гипотеза - путем контроля изменений фазных напряжений электрической сети 10 кВ на шинах питающей подстанции можно предотвратить повреждение комлевой части железобетонных опор токами однофазного замыкания на землю.

Методологическая и теоретическая основа исследования: в основу данной работы легли труды A.A. Черникова, P.A. Вайнштейна, М.А. Шабада, JT.E. Дударева, В.М. Кискачи, Ф.А. Лихачева, В.А. Шуина, В.И. Шуцкого и других ученых, внесших значительный вклад в науку об эксплуатации сетей с изолированной нейтралью и защите электрооборудования от режимов однофазного замыкания на землю в сельской электрической сети.

Обоснованность и достоверность полученных результатов подтверждается достаточным объемом статистических данных, корректным применением основных законов электротехники, законов теплопроводности Фурье в сочетании с методами решения уравнений математической физики в частных производных, а также экспериментальными исследованиями, выполненными с использованием современных приборов, таких, как «Энергомонитор 3.3».

Научная новизна основных положений, выносимых на защиту:

1) получены реальные базы данных, по которым рассчитаны современные показатели надежности сельских электрических сетей 10 кВ, выполненных на железобетонных опорах;

2) предложена математическая модель процесса нагревания комлевой части железобетонной опоры энергией, выделяющейся при неполном однофазном замыкании на землю;

3) установлены закономерности изменения температуры в комлевой части железобетонной опоры и вокруг неё в зависимости от времени и электрических параметров сети 10 кВ, возникающих при неполном однофазном замыкании на землю;

4) предложен централизованный метод оперативного диагностирования состояния железобетонных опор и степени электроопасности при однофазном замыкании на землю в сельских электрических сетях 10 кВ без отключения потребителей путем анализа электрических параметров сети на шинах питающей подстанции.

Практическая значимость работы и реализация ее результатов:

1) разработанная методика расчета нестационарных тепловых процессов при протекании тока замыкания на землю в сети 10 кВ позволяет определять изменение температуры вокруг комлевой части железобетонной опоры;

2) установлено условие обеспечения сохранности железобетонной опоры при стекании через неё тока замыкания на землю в сельской сети 10 кВ;

3) предложен набор технических и программных средств, позволяющий сократить денежные средства, время и трудозатраты на замену поврежденных при однофазных замыканиях на землю железобетонных опор в сельских сетях 10 кВ.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Отраженные в диссертации научные положения соответствуют области исследования специальности 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве, определяющей разработку новых методов и технических средств для снижения электротравматизма людей и повышения надежности электроснабжения потребителей.

Апробация работы и публикации. Основные результаты исследований доложены на научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО АЧГАА в 2008-2012 годах и на международной научно-технической конференции «Система обучения персонала энергокомпании в условиях развития энергоэффективной экономики», 2010 г. (г. Анапа).

По результатам исследований опубликовано 5 печатных работ, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК.

Реализация результатов исследования. Разработанный комплекс устройств прошел производственную проверку в ПО ЮВЭС филиала ОАО «МРСК - Юга» - «Ростовэнерго».

Опытный образец комплекса устройства предупреждения, реализующий предложенные методики и алгоритмы (КУП-1), внедрен на п/с Курганная ПО ЮВЭС филиала ОАО «МРСК - Юга» - «Ростовэнерго».

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений.

Работа изложена на 200 страницах, в том числе основной текст на 165 страницах, включает 19 таблиц, 37 рисунок, библиографический список из 132 наименований на 13 страницах, 5 приложений на 18 страницах.

В первой главе изучены показатели надежности в СЭС на примере ПО ЮВЭС филиала ОАО «МРСК - Юга» - «Ростовэнерго» за 9 лет и причины возникновения однофазных замыканий на землю, техническое состояние парка железобетонных опор 6-10 кВ. А также проведен аналитический обзор режимов нейтрали сети сельских линий в странах мира, существующих методов защиты от однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью, типов заземляющих устройств железобетонных опор воздушных линий 6-10 кВ.

Вторая глава посвящена оценке несущей способности железобетонных опор воздушных линий 6-10 кВ при температурном воздействии. Рассмотрены тепловые и электромагнитные процессы, сопровождающие ОЗЗ через железобетонную опору. Разработана математическая модель процесса нагревания комлевой части железобетонной опоры током неполного однофазного замыкания на землю в сельской электрической сети 10 кВ.

В третьей главе разработаны программа и методика экспериментальных исследований, описана установка для проведения эксперимента. Определена методика оценки погрешности результата измерений. Выполнено сравнение

математической модели процесса нагревания комлевой части железобетонной опоры с опытными данными.

В четвертой главе приведены результаты экспериментов, а также итоги сравнения математического моделирования процесса нагревания комлевой части железобетонной опоры при неполном однофазном замыкании на землю в СЭС 10 кВ с опытными данными.

В пятой главе сформированы основные требования, разработаны алгоритмы работы, обоснованы состав, место установки и структура технических средств, выявляющих и предотвращающих разрушение железобетонных опор в сетях В Л 10 кВ.

В шестой главе выполнено технико-экономическое обоснование применения комплекса устройства КУП-1 и КУП-2 для выявления и предотвращения разрушения железобетонных опор в сетях 6-10 кВ.

В заключении приведены основные результаты и выводы по работе.

Приложения содержат: обзор несчастных случаев; пример выбора типа и калькуляцию комплексов устройств; интервальную оценку математического ожидания защиты железобетонных опор одним устройством; акт внедрения.

1 ПРОБЛЕМА РАЗРУШЕНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ОПОР ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ 10 кВ ТОКАМИ ОДНОФАЗНОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ

1.1 Анализ повреждаемости в сельских электрических сетях

В настоящее время проблема обеспечения надежным электроснабжением потребителей сельскохозяйственного назначения по-прежнему остается актуальной. Сведения о надежности работы линий позволяют более эффективно управлять надежностью электроснабжения потребителей, знать наиболее повреждаемое оборудование сети В Л 10 кВ, обоснованно планировать нормативы необходимых материалов и электрооборудования, а также оценивать работу отдельных служб и всего предприятия в целом. В связи с этим, периодически возникает интерес к проблеме надежности распределительных электрических сетей.

Сложившиеся в теории надежности электрических систем математические методы в основном предназначены для решения задач надежности, возникающих на уровне отдельных устройств и систем локального характера, при этом без учета возможностей и характера эксплуатации. В действительности в системах электроснабжения приходится иметь дело с большими территориально распределенными системами, в эксплуатации которых должно учитываться еще и наличие и состояние дорог, обеспеченность средствами связи и телемеханики, географическое расположение ремонтно-эксплуатационных баз и назначение ремонтных бригад [18].

Критическая роль, которую играет электроэнергия в обеспечении социально-экономического роста, и возрастающая зависимость общества от ее использования привели к росту требований, предъявляемых к надежности энергоснабжения потребителей и качеству электроэнергии. В то же время достижение стопроцентной вероятности безотказной работы технически и экономически

невозможно из-за случайного характера отказов оборудования системы и воздействия ряда трудно прогнозируемых внешних факторов.

Средства обеспечения надежного электроснабжения условно можно разделить на технические и организационно-технические (см. рисунок 1.1) [18].

Проблема определения, обоснования и достижения так называемого «максимально возможного» или «требуемого» уровня надежности энергоснабжения потребителей не является новой в науке. Так, например, в системе ППР была предусмотрена надежность оборудования на уровне 98% [23]. Однако по ряду причин актуальность этой проблемы значительно возросла именно в последнее время.

Во-первых, резко изменилась структура собственности и одновременно с этим изменились внешние и внутренние факторы функционирования энергопредприятий. Реформирование электроэнергетики, которое сопровождалось образованием оптовых и розничных рынков и формированием новой отраслевой парадигмы, обусловило выход проблемы обеспечения надежности на первый план [107].

Во-вторых, развитие техники и технологии привело к появлению большого числа потребителей, нарушение энергоснабжения которых повлечет за собой серьезные негативные последствия.

В-третьих, в рамках таких новейших концеп�