Улучшение эксплуатационных характеристик высоковольтных электротехнических


с. 1

На правах рукописи


БОБРОВ Владимир Петрович

УЛУЧШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

С УЧЕТОМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ

Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы



АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Самара – 2007

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Самарском государственном техническом университете на кафедре «Автоматизированные электроэнергетические системы».



Научный руководитель:



доктор технических наук, профессор

Гольдштейн Валерий Геннадьевич,

Самарский государственный технический

университет











Официальные оппоненты:



доктор технических наук, профессор

Ляхомский Александр Валентинович,

Московский государственный горный

университет







кандидат технических наук, доцент

Сенько Владислав Владимирович,

Тольяттинский государственный университет












Ведущее предприятие:



Южно-Российский государственный технический университет (НПИ), г. Новочеркасск

Защита состоится 29 мая 2007 г. в 10 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, Главный корпус, ауд. 200.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СамГТУ, а с авторефератом на официальном сайте СамГТУ www.samgtu.ru
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: aees@rambler.ru.

Автореферат разослан апреля 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д 212.217.04,

кандидат технических наук, доцент Е.А. Кротков



КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
Актуальность темы. Повышение надежности и качества электроснабжения потребителей в значительной мере связано с развитием высоковольтных электротехнических комплексов (ВЭТК) электрических сетей, объектами которых являются линий электропередачи (ЛЭП) и подстанций (ПС). ВЭТК - самостоятельные технологические комплексы, являющиеся неотъемлемыми составными частями электрических систем как систем бо­лее высокого уровня, должны обеспечивать их эффективное и безопасное функционирование в широком круге мощных электромагнитных воздействий (ЭМВ). Среди них можно выделить кратковременные импульсные внешние и внутренние перенапряжения, часто являющиеся причиной тяжелых аварий. Поэтому в эксплуатации ЛЭП и ПС существенным фактором улучшения эксплуатационных характеристик и, прежде всего, повышения надежности является обеспечение их электромагнитной совместимости (ЭМС) при перенапряжениях.

Особую значимость приобретает проблема ЭМС при решении задач обеспечения надежности защиты от перенапряжений электрооборудования ВЭТК - ЛЭП, силовых и измерительных трансформаторов высокого напряжения (ВН), а также коммутационных аппаратов, реакторов и др. Как показывает анализ, доля нарушений ЭМС от перенапряжений и специфики электромагнитных процессов, в общем потоке отказов электрооборудования ВЭТК, превышает 35 - 40%.

Эти положения в силу масштабов, условий развития и влияния энергетики на другие отрасли экономики имеют особо важное значение. Обеспечение надежности и качества электроснабжения на основе защиты от внешних и внутренних перенапряжений накладывает жесткие требования на разработку и создание схем защиты от них и защитных аппаратов (ЗА) и, прежде всего, нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН) и вентильных разрядников (РВ). Назначение ЗА с точки зрения ЭМС состоит в том, что на короткие промежутки времени, характерные для перенапряжений, они создают пути, по которым энергия ЭМВ, опасная для защищаемых электроустановок, отводится мимо них в землю.

Рассмотренные выше положения были сформулированы на основе проведенного обзора и анализа основных теоретических результатов и соответствующих технических решений по актуальным проблемам работы электрооборудования ВЭТК на напряжениях 110  750 кВ, изложенных в работах таких известных ученых и исследователей, как Александров Г.Н., Бургсдорф В.В., Гольдштейн В.Г., Горюнов А.К., Ершевич В.В., Ефимов Б.В., Кадомская К.П., Костенко М.В., Крылов С.В., Кучинский Г.С., Мерхалев С.Д., Некрасов А.М., Половой И.Ф., Разевиг Д.В., Рид Дж. Р., Рокотян С.С., Таджибаев А.И., Тиходеев Н.Н., Халилов Ф.Х., Шеренцис А.Н., R.G. Wasley, L.M. Wedepohl, W.H. Wise и многих других исследователей.

Анализ современного состояния проблем оценки работоспособности и надежности электрооборудования ВЭТК подтверждает необходимость уточнения и совершенствования методов анализа и математических моделей переходных процессов в ЛЭП и на подстанциях, включая процессы в заземляющих и защитных устройствах.

В условиях ВЭТК математические и другие виды моделей названых электроустановок и процессов в них значительно усложняются за счет необходимости учета специфики и конструктивных особенностей их основных составляющих - ЛЭП и ПС, а также особенностей физических явлений, связанных с возникновением и распространением в них волн перенапряжений.

Это позволяет обоснованно сформулировать критерии ЭМС - граничные условия в виде характеристик помеховосприимчивости. Их можно формально определить и классифицировать по естественным признакам как идеальные, которые существуют объективно и определяются внутренними свойствами и, что самое главное, текущим состоянием электрооборудования и приближенные, которые формируются субъективно с помощью стандартов, правил и других документов. Кроме того, обобщенным приближенным критериальным подходом к обеспечению ЭМС является известная оценка электромагнитной обстановки (ЭМО).

Аналогично для внутренних перенапряжений необходимо определять граничные условия ЭМС в виде вероятностных оценок на основе распределений кратностей перенапряжений для характерных видов коммутационных, феррорезонансных и других процессов в существующих и в проектируемых ВЭТК.

Для решения проблем повышения надежности ВЭТК при воздействиях перенапряжений в сетях 110  750 кВ необходимо разработать неформальное и формальное определение и решение задачи ЭМС, а также теоретические и практические критерии и их инженерные оценки. Эти положения являются научным обоснованием соответствующих мероприятий, средств и рекомендаций, которые формулируются в диссертации. Сказанное выше определяет актуальность работы.

По результатам анализа проблем обеспечения ЭМС и повышения надежности ВЭТК можно констатировать, что ряд теоретических и технических задач в этом направлении исчерпывающих решений не имеет. Это послужило основой для определения цели и задач диссертации.



Целью диссертации является разработка научно-обоснованных методов улучшения работоспособности и качества функционирования ВЭТК с учетом их ЭМС в режимах воздействия перенапряжений, а также разработка мероприятий для эффективной эксплуатации ВЭТК с помощью технических средств и аппаратов для защиты от перенапряжений.

Для достижения поставленной цели в работе формулируются и решаются следующие научно-технические задачи.



  • Определение критериальных оценок обеспечения ЭМС для реализации повышения надежности электрооборудования ВЭТК при внешних и внутренних перенапряжениях.

  • Научное обоснование глубокого принудительного ограничения внешних и внутренних перенапряжений на электрооборудовании ЛЭП и подстанций ВЭТК.

  • Разработка технических решений и мероприятий по реализации основных технических показателей ЭМС для оптимизации защиты ЛЭП и подстанций ВЭТК от внешних и внутренних перенапряжений различных уровней напряжения.

Основные положения, выносимые на защиту.

  • Математические модели и методы критериальных оценок обеспечения ЭМС электроустановок ВЭТК при внешних и внутренних перенапряжениях на основе анализа электромагнитных волновых процессов.

  • Научные принципы глубокого принудительного ограничения перенапряжений, мероприятия и результаты оптимизации защиты ЛЭП и подстанций ВЭТК от внешних и внутренних перенапряжений.

  • Научное обоснование решений, мероприятий и рекомендаций по улучшению эксплуатационных характеристик ВЭТК электрических сетей 110  750 кВ.

Объектом исследования являются электроустановки ВЭТК, работающие в разнообразных технологических, климатических и физических условиях (по концентрации, расположению, индивидуальным техническим особенностям и величинам нагрузок и генерации, интенсивности грозовой деятельности, гололеду, проводимости грунтов и др.), а также отдельные функционально связанные с ними устройства и электроустановки, заземляющие устройства, устройства защиты от перенапряжений и др.

Основные методы научных исследований. Для обеспечения ЭМС использованы теории физического и математического моделирования ЭМП в схемах ВЭТК сетей 110  750 кВ, волновых процессов, методы теории вероятностей и математической статистики, численные методы анализа квазистационарных и переходных процессов в электрических сетях, частотный метод анализа и определения ЭМВ и реакций на них, методы топологического анализа и др.

Научную новизну определяют следующие результаты работы.

  • Разработка критериальных оценок обеспечения ЭМС при внешних и внутренних перенапряжениях на основе моделей процессов возникновения, распространения и воздействий всех видов перенапряжений и работы защитных средств.

  • Обоснование методов и средств глубокого принудительного ограничения перенапряжений ВЭТК, основанных на оптимизации и мероприятиях по защите ЛЭП и подстанций от грозовых и внутренних перенапряжений.

  • Научное обоснование решений, мероприятий и рекомендаций по повышению надежности электроустановок сетей 110  750 кВ как результат сравнительного анализа традиционных, заложенных в ПУЭ и Руководящих Указаниях, и нетрадиционных схем, способов и устройств грозозащиты.

Практическая ценность работы.

  • На основе анализа обеспечения ЭМС электрооборудования и электроустановок сетей показано, что надежность их защиты от внешних и внутренних ЭМВ не в полной мере отвечает требованиям эксплуатации.

  • Предложены рекомендации, защитные средства и технические мероприятия, обеспечивающие повышение надежности эксплуатации электрооборудования при интенсивных атмосферных и коммутационных перенапряжениях в сетях 110  750 кВ.

  • Для улучшения обеспечения ЭМС рекомендованы к широкому внедрению в ВЭТК каскадные схемы грозозащиты, замена устаревших ЗА на современные и, прежде всего, РВ на ОПН, что одновременно ограничивает и грозовые и внутренние ЭМВ, возникающие в оперативных и аварийных режимах.

Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на Всероссийской научн.-техн. конф. ТГУ (Тольятти, 2004 г.), на X и XI-ой Международной научн.-техн. конф. «Радиотехника, электротехника и энергетика» МЭИ(ТУ), (Москва, 2004, 2005 г.г.), на V-ой Международной научн.-техн. конф. «Эффективность и качество электроснабжения промышленных предприятий» (Мариуполь, 2005 г.), на XXVII сессии Всерос. научн. семинара АН РФ. «Кибернетика электрических систем» (Новочеркасск, 2005 г.), на IX-ой Росс. научн.-техн. конф. по электромагнитной совместимости технических средств и электромагнитной безопасности ЭМС-2006 (Санкт-Петербург, 2006 г.), на VI-ой Международной конф. «Современные средства защиты электрических сетей предприятий нефти и газа от перенапряжений» (Самара, 2007 г.).

Реализация результатов работы предложены и используются в ФСК РАО ЕЭС России, ОАО «Волжская МРК», «Энергосетьпроект», ЗАО «Проект-электро» (г. Самара), ЗАО «Самарский Электропроект» (г. Самара), а также в учебном процессе в Самарском государственном техническом университете, Петербургском энергетическом институте повышения квалификации, Самарской академии путей сообщения, Оренбургском университете.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 10 печатных работах, опубликованных автором лично и в соавторстве, в том числе в 2 монографиях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и 2 приложений, содержит 181 стр. основного текста, списка использованной литературы из 125 наименований.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель работы и основные задачи исследований. Показаны научная новизна и практическая значимость работы, приводятся основные положения, выносимые на защиту, сведения об апробации и внедрении результатов работы.

В первой главе констатируется, что обеспечение ЭМС является важнейшим условием надежной работы электрооборудования ВЭТК. Поэтому совершенно очевидной является необходимость разработки общих подходов, принципов, методов анализа и математического моделирования процессов, определения критериев и показателей обеспечения ЭМС.

На основе принципов, предложенных в работах И.В. Жежеленко, В.П. Степанова и Е.А. Кроткова, в работе проведена иерархически-структурная классификация (ИСК) энергетических составляющих электромагнитных процессов, приводящих к перенапряжениям на электроустановках ВЭТК. В этой ИСК констатируются иерархические определения энергии электромагнитного явления (ЭМЯ), охватывающего все возможные проявления глобального физического процесса, тем или иным образом связанного с ВЭТК. В составе энергии ЭМЯ выделяются составляющие электромагнитного воздействия (ЭМВ), направленного к конкретному объекту, например, по ЛЭП к подстанции, и, наконец, электромагнитной помехи (ЭМП), как части ЭМВ, непосредственно воздействующей на некоторую электроустановку, в том числе и на ЗА.

Обеспечение ЭМС электрооборудования ВЭТК сетей 110  750 кВ и защиты от ЭМП – это внутреннее свойство сохранять в допустимых пределах величины ЭМП, возникающих на электрооборудовании подстанций при приходе волн атмосферных и других видов перенапряжений по ЛЭП. Кроме того, это же относится и к ЭМВ (ЭМП), возбуждаемым за счет энергии, накопленной внутри сети в трансформаторах, вращающихся электрических машинах, емкостях ЛЭП, компенсирующих устройств и др.

Поэтому, задачу определения количественных характеристик ЭМС для электрооборудования ВЭТК при внешних и внутренних ЭМВ целесообразно рассматривать как исследование вероятностных свойств системы, работающей в реальных условиях состояний электрической стойкости изоляционных конструкций электроустановок при воздействии на них случайных возмущений внешнего и внутреннего происхождения.

Аналогичным образом, с учетом современного состояния и технических особенностей ВЭТК сетей 110  750 кВ проведена ИСК их основных электроустановок и объектов, а также рассматриваются принципы, положения и специфика построения их защиты от перенапряжений.

Исходным моментом анализа ЭМС является характеристика и классификация ЭМЯ, которые определяются грозовой деятельностью и внутренними переходными процессами, вызываемыми работой коммутационных аппаратов (в аварийных и нормальны режимах), феррорезонансными, дуговыми и другими процессами. Среди последних для электроустановок ВЭТК наибольшее значение имеют коммутационные перенапряжения.

С учетом большого числа названных ЭМП в течение грозового сезона можно говорить об электромагнитной эмиссии атмосферных и внутренних перенапряжений, которые характеризуются с помощью статистических распределений случайных значений амплитуды, крутизны и длины.

Это требует разработки системы критериев ЭМС - граничных условий в виде характеристик помеховосприимчивости, которые характеризуют способность электроустановок ВЭТК противостоять названной помехоэмиссии перенапряжений. Их условно можно разделить на:

- дискретные – допустимые, нормированные кратковременные напряжения 50 Гц, а также испытательные уровни перенапряжений и др., которые, в основном, устанавливаются директивно по нормам ГОСТ 1516.3-96 или по паспортным данным заводов изготовителей электрооборудования;

- функциональные расчетные, получившие, например, при анализе защиты подстанций от грозовых перенапряжений названия в плоскостном варианте – «кривая опасных волн» (КОВ), а в трехмерном варианте – «объем опасных волн» (ООВ). В последнем случае к плоскостным параметрическим координатам КОВ (амплитуда – крутизна фронта волны перенапряжения) добавляется пространственная координата – удаленность точки удара молнии в ЛЭП от подстанции;

- интегральные в виде показателя надежности защиты от перенапряжений, как вероятности нарушения ЭМС по названным причинам, например, на годовом интервале времени, а также в виде обратной величины – числа лет, в течение которых возможно одно названное нарушение.

Чаще всего очень приближенно критерии ЭМС для изоляции электрооборудования электрических сетей определяют с помощью обобщенной оценки ЭМО, которая производится на основе обследования условий, в которых работают отдельные электроустановки и ВЭТК в целом.

Приближенные критерии ЭМС - допустимые кратности перенапряжений на изоляции электрооборудования 110  750 кВ находятся в пределах 2,1  3,3 по испытательным напряжениям промышленной частоты, 2,4  3,2 – по испытательным напряжениям при коммутационных импульсах (для сетей 330  750 кВ) и 2,75  4,1 по испытательным напряжениям при полных грозовых импульсах.

Импульсная электрическая прочность изоляции линий характеризуется граничной кривой ЭМС – их вольт-секундной характеристикой (ВСХ), которая, как и КОВ, представляет собой функциональный расчетный критерий ЭМС. Констатируется также необходимость развития методов, средств и схем защиты от перенапряжений, поскольку в условиях ВЭТК их общепринятые аналоги, известные по руководящим документам не в полной мере обеспечивают требованиям технологической эффективности и, кроме того, требуют неоправданных с технико-экономической точки зрения затрат.

Также рассматриваются вопросы защиты от ЭМВ в виде перенапряжений электрооборудования ВЭТК сетей 110  750 кВ с целью обеспечения ЭМС как комплекса средств и мероприятий, позволяющих ограничить перенапряжения в пределах внутренней электрической стойкости электроустановок. Это относится и к внешним ЭМВ, и к возбуждаемым за счет энергии, накопленной внутри сети в трансформаторах, вращающихся электрических машинах, емкостях ЛЭП, компенсирующих устройств и др.

С учетом того, что параметры ЭМВ в виде перенапряжений в значительной мере зависят от параметров ЛЭП и подстанций, видов их исполнения и схем, рабочих напряжений, типов и мощностей силовых трансформаторов, автотрансформаторов, шунтирующих реакторов (ТР, АТР и ШР) и др., дается краткая характеристика области применения, схем и электрооборудования ВЭТК.



Во второй главе с целью определения критериальных оценок обеспечения ЭМС производится анализ и рассматриваются квазистационарные и переходные процессы для оценки эмиссии ЭМП на изоляции подстанций и линий ВЭТК.

ЭМП приходят на подстанции в виде волн импульсных перенапряжений грозового происхождения. Они возникают при ударах молнии на линии (в фазные провода, опоры, грозозащитные тросы) и являются результатами прямых или обратных перекрытий линейной изоляции. Ударами в наземные объекты вблизи линий, а, следовательно, индуктированными на фазных проводах перенапряжениями можно пренебречь, так как амплитуда последних значительно меньше уровня линейной и подстанционной изоляции при импульсах.

ЭМП в виде внутренних перенапряжений можно условно подразделить на две основные группы:

- квазистационарные перенапряжения, которые возникают при неблагоприятных сочетаниях реактивных элементов сети и ЭДС источников питания и существуют до тех пор, пока названные сочетания существуют;

- коммутационные перенапряжения, которые возникают при различных коммутациях электрической цепи; при этом термином “коммутация” определяются любые отключения или включения коммутационного аппарата или любое изменение параметров (R, L или С) эквивалентного колебательного контура с потерями.

ЭМП в виде квазистационарных перенапряжений возникают при рабочей частоте 50 Гц, когда, например, длинная линия питается от источника ограниченной мощности, при самовозбуждении генераторов, на высших четных гармониках (в основном на второй гармонике), на нечетных гармониках (в основном на третьей гармонике), на субгармониках, когда происходит деление основной частоты 50 Гц.

ЭМП в виде коммутационных перенапряжений по своему физическому происхождению сопровождают переходные процессы практически при всех коммутациях в электропередачах 110  750 кВ. Длительность их воздействия определяется временем затухания свободных колебаний в контуре с неизменными параметрами. Практически это время составляет 0,12  0,15 с, а время воздействия максимальных перенапряжений, возникающих в начале переходного процесса, еще меньше – примерно (1/2  2/3)·Т, где Т = 0,02 с – период рабочего напряжения.

Коммутационные перенапряжения возникают в следующих случаях: при включении ЛЭП 110  750 кВ толчком, когда имеет место пробой межконтактного промежутка выключателей до естественного металлического замыкания контактов, а также естественный разброс в действии разных полюсов выключателей, они могут в отдельных случаях достигать Кmax=2,5  2,8·Uф, где Uф – номинальное фазное напряжение; при сбросе нагрузки (Кmax = 1,8·Uф); при отключении несимметричных коротких замыканий на неповрежденных фазах (Кmax=2,8  3,5·Uф); при отключениях симметричных коротких замыканий (Кmax=2,5  2,7·Uф); при отключениях линии в режиме асинхронного хода (Кmax=3,0  3,5·Uф); при автоматическом повторном включении (Кmax=3,0  3,6·Uф); при отключениях ненагруженных линий с повторными зажиганиями дуги характерными для масляных выключателей (Кmax=2,8  3,0·Uф); при возникновении коротких замыканий, связанных с перекрытиями линейной изоляции (Кmax=2,0  3,0·Uф); при отключении индуктивных токов ненагруженных трансформаторов и шунтирующих реакторов (Кmax=3,0  4,0·Uф).

Интегральным критерием обеспечения ЭМС при грозовых ЭМП на линиях электропередачи в эксплуатации и проектировании электрических сетей является значение показателя надежности грозозащиты линий (или обратной величины n – среднего числа грозовых отключений в год), которое может также служить технико-экономической оценкой грозозащиты линий.

Рис. 1. Принципиальная расчетная схема грозозащиты системы ВЛ – подстанция


Оценка n рассматривается в работе на основе схемы замещения для линии, состоящей из пораженного провода и троса, а для подстанции – однофазной схемы замещения (рис. 1).

Считается, что в последнем узле трос заземлен, а пораженный провод подключен к схеме замещения подстанции.

Волновые процессы, происходящие как в линии, так и на подстанции, необходимо анализировать в неразрывной связи друг с другом. С этой целью в работе используется комплекс программ, моделирующий процесс в схемах замещения молнии, подхода линии и подстанции.

Интегральным критерием обеспечения ЭМС при грозовых ЭМП на подстанциях в эксплуатации и проектировании электрических сетей является значение показателя надежности грозозащиты подстанций (или обратной величины nпст – среднего числа грозовых отключений в год), которое может также служить технико-экономической оценкой грозозащиты подстанции. Их известные способы определения основаны на интегрировании в областях опасных параметров, определяемых кривыми и объемами опасных волн.

Рассматривая различные случаи поражения линии от прямых ударов молнии в непосредственной близости от подстанции, затем на небольшом расстоянии от подстанции и далее на больших расстояниях, можно несколько раз определить области опасных волн. По мере удаления точки удара молнии, площади областей опасных волн будут уменьшаться до тех пор, пока за пределами опасной зоны не станут нулевыми.

Это приводит к трехмерному объему опасных волн. Вводя плотности вероятностей амплитуд и крутизн токов молнии и вероятное число поражений участков линий на единицу длины, можно определить надежность грозозащиты подстанции путем интегрирования по трем параметрам.

Определение помехоэмиссии ЭМП в виде квазистационарных перенапряжений на промышленной частоте линии длиной до 250 – 300 км производится с помощью модели в виде единственного LC – звена. Для коммутационных перенапряжений, имеющих частоту приблизительно на порядок выше промышленной частоты, пропорционально сокращается и длина отрезка линии, моделируемого одним звеном. Модель линии приобретает при этом вид цепной схемы из последовательно соединенных LC – звеньев, каждая из которых замещает несколько десятков километров линии.

При решении этих задач в настоящее время можно констатировать отсутствие должной альтернативы методам непосредственных измерений коммутационных перенапряжений в действующих сетях и их сопоставления с опытом эксплуатации энергосистем страны, результаты которого неоднократно использованы в настоящей работе.

На основе проведенных измерений в сетях 110  750 кВ для генеральной совокупности годового количества Nкг перенапряжений с кратностью, равной или больше заданной, методом наименьших квадратов выбирается эмпирическая зависимость Nкг, наилучшим образом аппроксимирующая опытные данные. В частности, если эта зависимость имеет вид Nкг = а·exp [-A·], (1)

то для экстраполяции результатов в область больших кратностей перенапряжений K можно использовать зависимость: K =. (2)

Параметры А, а и = сonst определяют погрешность в оценке величины К :

= , (3)

где cov (A, а) – коэффициент ковариации параметров А и а.

Как показали специальные исследования, для всех видов перенапряжений в сетях 110  750 кВ корреляционная связь между параметрами а и А практически отсутствует, поэтому коэффициент ковариации можно принять равным нулю. С учетом этого обстоятельства величина стандарта отклонения в оценке K равна σ = (4)

Далее при выбранной надежности определяется граница доверительного интервала для оценки K .



В третьей главе рассматриваются вопросы, связанные с нарушениями ЭМС вследствие возникновения ЭМП в виде перенапряжений при использовании метода разземления нейтрали части силовых трансформаторов 110  220 кВ, либо заземления их через реактор или резистор для ограничения токов КЗ.

Проведенный анализ позволяет сделать следующие выводы: перенапряжения в нейтрали силового трансформатора зависят от числа отходящих линий и приблизительно в 1,5 ÷ 2,0 раза больше, чем на сборных шинах; при приходе грозовых волн с линии на многофидерную подстанцию, например, с пятью отходящими линиями, имеется существенная вероятность повреждения изоляции нейтрали трансформатора не только с ослабленной изоляцией, но и с полной изоляцией нейтрали; число грозовых перенапряжений, опасных для нейтрали силовых трансформаторов с заниженной изоляцией, может доходить до нескольких десятков в год.

По результатам регистрации перенапряжений в нейтрали трансформатора 110 кВ наибольшая зарегистрированная амплитуда перенапряжения имела величину не более 75 кВ. Разрядное напряжение РВ в нейтрали на промышленной частоте равнялось 58 кВдейств., а при импульсах – 105 кВ. Поэтому за время регистрации срабатывания разрядника не зафиксированы.

В работе приведена цепочечная схема замещения, с помощью которой приближенно при несимметричных воздействиях на обмотку трехфазного трансформатора переходные процессы во всех трех фазах можно рассматривать как симметричные, заменяя трехфазный трансформатор однофазным.

Оценка перенапряжений, возникающих в нейтрали, показывает, что наиболее опасные внутренние перенапряжения возникают при отключении ненагруженных трансформаторов и линий. В этом случае разрядники могут сработать, но не подвергаются опасности разрушения.

Можно констатировать, что амплитуда импульсных грозовых перенапряжений в разземленной нейтрали силового трансформатора зависит от длины волны в на линейных вводах, периода Т основной частоты собственных колебаний обмотки и числа фаз, по которым одновременно приходит волна на линейные вводы.


Рис. 2. Обобщенная кривая Uн /U0 = f (в /Т) для трансформаторов 110220 кВ


Результатом исследования грозовых перенапряжений является формула для определения максимальных значений перенапряжений в нейтрали силовых трансформаторов классов 110  220 кВ: , где U0 – амплитуда волны на линейных вводах, n – число фаз, по которым одновременно приходит волна (рис. 2).

Результаты исследования влияния на величину перенапряжений в нейтрали: а) места установки подстанционного разрядника; амплитуды апериодической составляющей волны на входе трансформатора; количества отходящих линий и фаз, по которым приходит волна перенапряжения показывают, что амплитуда напряжения на изолированной нейтрали силового трансформатора в первую очередь определяется амплитудой приходящей грозовой волны и ВАХ разрядника, установленного на подстанции. Кроме того, она подчиняется той же функциональной зависимости от длины волны, что и до момента срабатывания РВ.

Появление на подстанции волн с опасными для изоляции параметрами возможно в следующих трех случаях: на трех фазах при индуктированных перенапряжениях; при перекрытиях двух фаз линии при ударе молнии в вершину опоры или в провод; то же при перекрытии трёх фаз линии.

Индуктированные перенапряжения. При ударе молнии вблизи линии, по ней в обе стороны распространяется волна перенапряжения, мгновенные значения которой могут быть определены по формуле, предложенной Ф.Х. Халиловым, и зависят от величины тока молнии, средней высоты подвеса фазного провода, расстояния от линии до точки удара, – скорости обратного разряда молнии, отнесенной к скорости света и времени.

По результатам расчетов волн индуктированных перенапряжений на проводах линий, можно построить зависимость длины волны на проводе (в) от расстояния до места удара (b) при = 0,05 ÷ 0,4 (рис. 3). Далее использована усредненная кривая при = 0,2. Полученная кривая позволяет перейти от длины волны опасных напряжений к расстоянию до места удара. Используя формулу для определения амплитуды индуктированных перенапряжений Uи = 30·Iм hпр / b, можно определить минимальную величину опасного тока.


Рис. 3. Зависимость длины волны индуктированных перенапряжений от места удара молнии


Кривые опасных параметров, полученные из кривых опасных амплитуд напряжения, приведены на рис. 4.

Рис. 4. Кривая опасных параметров для индуктированных перенапряжений при установке на п/ст комплекта РВС-110. 1, 2, 3 – одна, две и три отходящих ВЛ


Все возможные сочетания амплитуд токов молнии и расстояния b до места удара разделяются на две зоны: “опасную”, лежащую правее и выше кривых, и «безопасную» – левее и ниже кривых. В опасной области любой удар молнии с током, большим критического, и на расстоянии в зоне bминbмакс приведет к возникновению на линии волны с опасной для изоляции нейтрали силового трансформатора амплитудой и длительностью.

Вероятность попадания параметров молнии и места удара молнии в опасную область определяется как двойной интеграл.

Интегрирование выполняется приближенно по участкам. Разбиваем всю область «опасных» параметров на прямоугольные элементы, тогда


, где m – число элементов, на которые разбита область,

(5)

Расчет вероятности попадания параметров молнии и места удара молнии в «опасную» зону таким способом не представляет большой трудности, особенно с использованием современных персональных вычислительных машин. Зная вероятность Ри, можно определить число ударов молнии на 100 грозовых часов и 100 км линии для 0,08 ударов на 1 км2 земной поверхности за один грозовой час n* = 0,08∙100∙100∙bмакс∙2∙Ри = 1,6∙bмаксРи∙103. Результаты расчета сведены в табл. 1.

Таблица 1

Удельное число опасных перенапряжений для изоляции нейтрали

при приходе на подстанцию волн индуктированных перенапряжений


Uн,

кВ


Материал

опор


Тип защитного аппарата

РВС

РВМГ

ОПН

количество

отходящих линий



количество

отходящих линий



количество

отходящих линий



1

2

3

1

2

3

1

2

3

110

металл

26

3,4

0,45

9,26

1,08

0,01

1,5

0,01

0,01

ж/б

48

7,0

0,9

30,7

4,1

0,45

7

0,2

0,01

дерево

26

3,4

0,45

9,26

1,08

0,01

1,5

0,01

0,01

150

металл

19

2,4

0,3

6

0,9

0,01

1,2

0,01

0,01

ж/б

15

2,0

0,2

3,8

0,54

0,01

0,75

0,01

0,01

220

металл

13

1,8

0,22

5,4

0,4

0,01

1,0

0,01

0,01

ж/б

8

0,6

0,01

0,15

0,01

0,45

0,01

0,01

0,01

Для удара молнии в провод или вершину опоры с 2х и 3х фазным перекрытием удельное число двухфазных перекрытий на 100 грозовых часов и 100 км линии определяется как n* = (Shтр + hтр2 /30) ∙ Р2ф. Для линии 110 кВ на металлических опорах n* ≈ 4∙10-3. Следовательно, двухфазными и трехфазными перекрытиями можно пренебречь.

В изолированной нейтрали силовых трансформаторов внутренние перенапряжения могут возникать в переходных и квазистационарных режимах. Опасные перенапряжения в ней вызываются квазистационарными режимами несимметричного характера.

Расчетная схема, представленная на рис. 5, где емкости С1 - C3 определяются фазными и междуфазными емкостями, индуктивность L учитывает линейное индуктивное сопротивление питающей системы и линии; R1 – сопротивление линии; сопротивление R2 – эквивалент активной нагрузки трансформатора.




Рис. 5. Расчетная схема неполнофазных режимов
Исходные уравнения:










(6)

Для реализации на ЭВМ система уравнений (6) преобразуется к виду:

; ; ;

;

(7)

где



Перенапряжения в изолированных нейтралях силовых трансформаторов изучались в трехфазных и неполнофазных включениях и отключениях линии с холостыми трансформаторами. Результаты расчетов позволяют констатировать, что на величину перенапряжений при феррорезонансе значительное влияние оказывает наличие активной нагрузки на трансформаторе.

Рассмотрены вопросы, связанные с определением с помощью автоматической регистрации помехоэмиссии ЭМП в виде перенапряжений на сборных шинах нетупиковых подстанций. В качестве специальных мер ограничения внутренних перенапряжений рекомендуется секционирование на участки длинных линий, установка шунтирующих реакторов на шинах подстанций, вынесение электромагнитных трансформаторов напряжения на линии для ускорения стекания остаточного заряда.

Анализ помехоэмиссии для тупиковых подстанции зависит режимов, определяющих характер и величину внутренних перенапряжений на их оборудовании. Наиболее благоприятным режимом является такой, когда принятая последовательность коммутаций отходящей линии исключает возможность попадания шинного оборудования на разомкнутый конец линии при плановых коммутациях и при большинстве аварийных коммутаций.

Для этого необходимо, чтобы включение линии под напряжение производилось с дальнего конца, а на тупиковой подстанции лишь осуществлялось ее замыкание на нагрузку. При отключении, наоборот, должен первым сработать линейный выключатель тупиковой подстанции.

Неблагоприятным режимом является работа тупиковой подстанции, когда обычно включение линии происходит с противоположного конца, но уже при замкнутом линейном выключателе на тупиковой подстанции, а замыкание цепи производится выключателем НН трансформатора. Отключение же производится в обратной последовательности. При этом шинное оборудование подвергается перенапряжениям разомкнутого конца линии, и статистические характеристики перенапряжений на нем не отличаются от характеристик перенапряжений на оборудовании линейных ячеек.

Можно констатировать отрицательные особенности полублочной схемы имеющие место обычно в упрощенных схемах (при отсутствии высоковольтного выключателя между линией и трансформатором), когда обычный порядок коммутаций предусматривает включение и отключение линии в блоке с трансформатором: возможность феррорезонансных перенапряжений при включении, а также резонансных повышений напряжения на не включенных полюсах при неодновременном замыкании контактов выключателя или при неполнофазных аварийных режимах.

Интенсивность потока ЭМП в виде внутренних перенапряжений на трансформаторах (автотрансформаторах) зависит от места их установки. Их можно разделить на три группы: трансформаторы, подключаемые к шинам нетупиковых подстанций; трансформаторы, установленные на тупиковых подстанциях; трансформаторы блочных, полублочных схем без выключателей между линией и трансформатором и схем с подключением аппарата в промежуточных точках линии.

С учетом демпфирующих факторов для трансформаторов 220 кВ и выше перенапряжения при включениях оказались больше, чем при отключениях. При включениях ненагруженных трансформаторов и автотрансформаторов 220 кВ и выше наибольшие перенапряжения возникали из-за наличия обмотки, включенной в треугольник.

Анализ перенапряжений при коммутациях шунтирующих реакторов показывает, что при отключении реакторов при условии их защиты соответствующими магнитно-вентильными разрядниками они не представляют опасности для изоляции аппаратов. Предложены также рекомендации по снижению перенапряжений при коммутациях отключения и включения силовых трансформаторов.

На основании изложенного выше в работе приводится комплекс мероприятий по ограничению внутренних перенапряжений на изоляции электрооборудования подстанций 110  750 кВ.



В главе пятой рассмотрены характеристики внутренних перенапряжений, возникающих на изоляции ЛЭП и электрооборудовании линейных ячеек 110  750 кВ (выключатели, разъединители, конденсаторы высокочастотной связи, электромагнитные и емкостные трансформаторы напряжения, а в некоторых случаях шунтирующие реакторы), на трансформаторах и автотрансформаторах в блочных и полублочных схемах, а также в схемах с глухим присоединением трансформаторов в промежуточных точках линии.

Кратности перенапряжений зависят от этапа коммутации, поскольку при отключении вначале отключается нагрузка, затем – ненагруженная линия от шин питающей подстанции. При включении вначале включается ненагруженная линия, а затем – нагрузка. Опасные перенапряжения на линиях возникают только при коммутациях ненагруженной линии: ее включении или отключении от напряжения.

При коммутациях ненагруженной линии выключателями без повторных пробоев наибольшие перенапряжения возникали при операции включения, а при отсутствии повторных пробоев (например, для выключателей МКП-500 с улучшенными характеристиками гашения дуги) максимальные перенапряжения могли возникать при операции отключения. Отметим, в частности, что выключатели типа ВВН производят отключение ненагруженных линий практически без повторных пробоев независимо от их схемы. Их вероятность снижает и наличие электромагнитных трансформаторов напряжения (например, типа НКФ-500), что особенно существенно влияет на перенапряжения при АПВ за счет стекания заряда за время бестоковой паузы. Повторных пробоев нет и при отключениях линий с шунтирующими реакторами, а также, если линия отключается вместе с силовым трансформатором (автотрансформатором) на конце или в промежуточной точке (даже для МКП-220, обычно дающих неоднократные повторные пробои).

В работе приводятся результаты исследований и анализа параметров помехоэмиссии – максимальных значений кратностей перенапряжений на линиях 110  750 кВ: при оперативных включениях – до Кmax = 2,4, при несимметричных коротких замыканиях, при успешных и неуспешных АПВ линий. В качестве причин коммутаций зафиксированы ситуации разрывов гирлянд изоляторов, а также повреждения при гололеде, пляске проводов и перекрытии с проводов на тросы.

Исследовано также влияние ЗА на коммутационные перенапряжения на линиях. Из сравнения характеристик вентильных разрядников и реально воздействующих на изоляцию перенапряжений видно, что пользы от их установки в сетях почти нет, так как эти защитные аппараты редко вступают в действие. Для успешной защиты изоляции электрооборудования и линий требуются ОПН с уровнем ограничения коммутационных перенапряжений (1,65  1,8)·Uф, грозовых перенапряжений (2,1  2,2)·Uф. Это позволит в значительной степени ограничить коммутационные перенапряжения и в несколько раз улучшить защиту электрооборудования.

В главе шестой приведены результаты анализа грозозащиты по удельному числу грозовых отключений на 100 км длины линии и на 100 грозовых часов ВЛ 110  750 кВ, что позволяет сделать следующие выводы:


  • доля отключений при прорывах молнии в фазные провода мимо грозозащитных тросов растет от 110 кВ к 750 кВ;

  • удары молнии в вершину опоры с дальнейшим обратным перекрытием от опоры на фазные провода, наоборот, для ВЛ 110  220 кВ имеют основное значение и по мере роста номинального напряжения линии доля грозовых отключений по этой причине существенно падает;

  • такая же тенденция имеет место при ударах молнии в середину пролёта грозозащитных тросов, но эта составляющая приблизительно в 2 – 3 раза меньше, чем составляющая от ударов в вершину опоры;

  • доля индуктированных перенапряжений в общем числе грозовых отключений имеет значение только для линий 110 кВ, но этой составляющей практически можно пренебречь для линий 220 кВ и выше.


ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основные практические и научные результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

1. Научно обоснована и предложена для ВЭТК система критериев ЭМС дискретных, обобщенных и интегральных как граничных условий в виде характеристик помеховосприимчивости. Они характеризуют способность электроустановок ВЭТК противостоять названной помехоэмиссии перенапряжений.

2. В ВЭТК имеют место нарушения нормальной работы изоляции линий и электрооборудования подстанций, вызванные грозовыми и внутренними перенапряжениями. Это объясняется несоблюдением электромагнитной совместимости в высоковольтной электроэнергетике между изоляцией, перенапряжениями и основными защитными аппаратами.

3. Грозозащита подстанций по типовым схемам с установкой разрядников  и  групп (серии РВМК) имеет низкую надежность, не отвечающую требованиям эксплуатации. С целью обеспечения координации изоляции и электромагнитной совместимости могут быть успешно применены эффективные защитные аппараты – ОПН. Однако необоснованный выбор и размещение этих защитных аппаратов в эксплуатации приводят к негативным последствиям.

4. Амплитуда напряжения на изолированной нейтрали силового трансформатора в первую очередь определяется амплитудой приходящей грозовой волны и ВАХ разрядника, установленного на подстанции. Кроме того, она подчиняется той же функциональной зависимости от длины волны, что и до момента срабатывания РВ.

5. Защитные аппараты, установленные на подстанции, и увеличение числа отходящих линий снижают величину напряжения в нейтрали, но она продолжает оставаться опасной для полной и облегченной изоляции нейтрали при приходе индуктированной волны по трем фазам и для полной и облегченной изоляции нейтрали при приходе волны после перекрытия по трем фазам и для облегченной изоляции при приходе волны по двум фазам.

6. При неполнофазных включениях тупиковых линий с холостыми трансформаторами, имеющими изолированную нейтраль, в сети возможно возникновение феррорезонанса между нелинейной индуктивностью трансформатора и емкостью на землю невключившихся фаз.

7. Феррорезонанс возникает при следующих условиях: все подключенные к линии трансформаторы должны иметь изолированную нейтраль и включение линии в неполнофазный режим должно происходить с углом включения в диапазоне 0  10 градусов (при двухфазном включении одна из фаз должна иметь такой угол включения).

8. Перенапряжения, возникающие в нейтрали трансформатора при феррорезонансе, опасны для облегченной изоляции нейтрали и приводят к выходу из строя РВ в нейтрали.

9. Включение активной нагрузки (от 5 до 15%) сначала снижает уровень феррорезонансных перенапряжений в нейтрали, в дальнейшем полностью исключает возникновение резонанса.

10. Исследованы внутренние перенапряжения на линиях, силовых трансформаторах, шунтирующих реакторах и шинах подстанций. Полученные зависимости - летней ожидаемой кратности показывают, что в ряде случаев изоляция электрооборудования подстанций и линий нуждается в принудительном ограничении таких перенапряжений.

11. С целью эффективного ограничения грозовых и внутренних перенапряжений, кроме системной автоматики целесообразно применять соответствующие нелинейные ограничители перенапряжений. Установка этих аппаратов на шинах подстанций, присоединениях силовых трансформаторов и шунтирующих реакторов значительно улучшает надежность защиты от перенапряжений.


Основное содержание работы отражено в следующих публикациях.

  • В изданиях по списку ВАК.

  1. Бобров В.П. Перенапряжения и защита от них в сетях 110 – 750 кВ [Текст]/ В.П. Бобров, В.Г. Гольдштейн, Ф.Х. Халилов// Энергоатомиздат. - Москва, 2005. - с 261.

  2. Бобров В.П. Принципы барьерного анализа электромагнитной совместимости [Текст]/ В.П. Бобров, В.Г. Гольдштейн, О.В. Соляков, А.К. Танаев// Изв. Вузов «Электромеханика» Матер. XXVII сессии Всерос. научн. семинара АН РФ «Кибернетика электрических систем» 26 – 29 сентября 2005.– ЮРГТУ (НПИ). - Новочеркасск, – № 3-4. 2006.- с.16-17.

  3. Бобров В.П. Современные проблемы грозозащиты электрических сетей 330-750 кВ [Текст]/ А.А. Альмендеев, В.П. Бобров// Вест. Самар. гос. тех. ун-та. – сер. техн. науки. – Вып. 37. - Самара, 2005. - с. 177-182.

  • В других изданиях.

  1. Бобров В.П. Перенапряжения и защита от них в электрических сетях 35 – 220 кВ [Текст]/ В.Г. Гольдштейн, Ф.Х. Халилов, В.П. Бобров // Самар. гос. техн. ун-т. – Самара, 2001. - с.259.

  2. Бобров В.П. Анализ электромагнитной совместимости электрооборудования на подстанциях 220 кВ при воздействиях грозовых перенапряжений [Текст]/ В.Г. Гольдштейн, В.П. Бобров, Е.В. Боброва// Проблемы электромагнитной совместимости и контроля качества электрической энергии: сб. науч. тр. Пензенский гос. ун-т. – Пенза, 2004. - с.42 - 48.

  3. Бобров В.П. Эффективные способы размещения аппаратов для обеспечения электромагнитной совместимости при воздействиях импульсных перенапряжений [Текст]/ В.П. Бобров, Е.В. Боброва, В.Г. Гольдштейн, А.Г. Калабин// Радиотехника, электротехника и энергетика: сб. тез. докл. X Международной науч.-тех. конф. – Т. 3. МЭИ(ТУ). – Москва, 2005. - с. 299 - 300.

  4. Бобров В.П. Практические результаты исследования электромагнитной совместимости электроустановок сетей высокого напряжения [Текст]/ В.П. Бобров, В.Г. Гольдштейн// Радиотехника, электротехника и энергетика: сб. тез. докл. X Международной науч.-тех. конф. – Т. 3. МЭИ(ТУ) – Москва, 2005. - с. 349 - 350.

  5. Бобров В.П. Проблемы электромагнитной совместимости действующих подстанций 35-110 кВ [Текст]/ В.П. Бобров, Е.В. Боброва, В.Г. Гольдштейн// Сб. науч. тр. Всероссийской науч.-тех. конф. – Ч. 1. ТГУ – Тольятти, 2004. - с. 123-127.

  6. Бобров В.П. Принципы анализа электромагнитной совместимости электрооборудования электрических сетей и систем электроснабжения [Текст]/ В.П. Бобров, В.Г. Гольдштейн, О.В. Соляков, А.К. Танаев// Энергетика, материальные и природные ресурсы: сб. матер. I-ой Международной науч.-практ. конф. – Пермь, 2005. - с. 29-33.

  7. Бобров В.П. Эксплуатационное обеспечение электромагнитной совместимости электрооборудования систем внешнего электроснабжения [Текст]/В.П. Бобров//Эффективность и качество электроснабжения промышленных предприятий: сб. тр. V-ой Mеждунар. науч.-тех. конф. – Мариуполь, 2005. - с.131-135.


Личный вклад автора. Все основные положения диссертации разработаны автором лично. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат разработка положений критериального анализа ЭМС и математических моделей помехоэмиссии перенапряжений на ЭУ 110  750 кВ [1, 2, 4, 5], статистическая обработка результатов измерений грозовых и коммутационных перенапряжений и построение их вероятностных распределений [3, 6, 8]; обобщение данных эксплуатации по аварийным ситуациям, вызванным нарушениями ЭМС в сетях 110  750 кВ, разработка рекомендаций по повышению надежности работы ВЭТК[7, 10].

Разрешено к печати диссертационным советом Д 212.217.04

Протокол № 05 от 17.04.2007. Заказ № 333. Формат 60х84 1/16. Бумага тип. №1.

Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз.

Самарский государственный технический университет. Типография СамГТУ.

443100, г. Самара, Молодогвардейская ул. 244, Главный корпус




с. 1

скачать файл