CC BY
63
Шачнев Олег Ярославович, аспирант, sh. ol. ya@yandex. ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет
IMPROVING THE RELIABILITY OF POWER SUPPLY SYSTEMSSTEEL PRODUCTION THROUGH THE INTRODUCTION OF RESERVED ELEMENTS
V.I. Zatsepina, E.P. Zatsepin, O.Y. Shachnev
The article describes measures to increase the reliability of operation of the system STATCOM in case of emergency, network, or long lasting negative disturbances due to the influence of descopera-current loads on the supply system.
Key words: variable load, STATCOM, arc furnace, power quality, reactive power.
Zatsepina Violetta Iosifovna, doctor. of technical sciences, professor, vizats@,gmail. com, Russia, Lipetsk, Lipetsk state technical University,
Zatsepin Evgeny Petrovich, candidate of technical sciences, docent, ezats@,mail.ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk state technical University,
Shachnev Oleg Yaroslavovich, postgraduate, sh. ol.ya@yandex. ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk state technical University
УДК 621.3
ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ И ИХ КВАЛИФИКАЦИЯ
А.Н. Шпиганович, А. А. Шпиганович, Е.П. Зацепин, К. А. Пушница
Рассматриваются причины возникновения перенапряжений и их параметры, приведены основные средства защиты от перенапряжений. Даются рекомендации по проведению исследований перенапряжений на основе вероятностного подхода.
Ключевые слова: система, электрооборудование, перенапряжения, компенсация, обслуживание, емкостные токи, функционирование, промышленное предприятие.
На современном уровне развития общества происходит интенсивный процесс роста потребления электрической энергии. Она является основной энергией из применяющихся видов энергии. Особенностью является то, что нельзя создать запасов электроэнергии. Вся получаемая электроэнергия должна немедленно потребляться. В отдельных энергетических системах число аварий в течение года иногда достигает несколько десятков. Из-за аварий годовой недоотпуск электроэнергии может достигнуть нескольких миллионов киловатт. Для обеспечения подачи электроэнергии соответствующего качества и требуемого количества от энергосистем к промышленным приемникам служат системы электроснабжения предприятий. Электроприемники обладают своими специфическими особенностями. Для их обеспечения к электроснабжению предъявляются определенные требования: надежность питания, качество электроэнергии, резервирование, защита отдельных элементов системы и др. В Российской Федерации существует стандарт качества электроэнергии. Негативность определяется целым рядом факторов, к которым относятся: грозовые и коммутационные перенапряжения; провалы напряжения; резонансные явления тока и напряжения; гармонические составляющие тока и напряжения и т.д.
Анализ аварий и обобщение опыта эксплуатации распределительных сетей 6110 кВ позволили выявить путем использования экспериментальных данных на действующих сетях опасные феррорезонансные перенапряжения. Установлено, что ферро-резонансные перенапряжения являются причиной возникновения повреждений изоляции на землю, так же, как и дуговые замыкания на землю становятся причиной возникновения и развития феррорезонансных процессов. Статистические данные аварийных ситуаций в распределительных сетях 6...35 кВ свидетельствует, что переход замыканий в межфазные короткие замыкания от перенапряжений составляет до 65% в то время как от заземляющих дуг около 35%. Аналогичное соотношение причин междуфазных коротких замыканий такое же и для воздушных, а также кабельных сетей.
Технический прогресс в области мер защиты дает возможность создать комплекс мер ограничения и защиты от перенапряжений. Величина перенапряжений и соответствующие коэффициенты запаса электрической прочности изоляции определяются электрофизическими процессами запаздывания развития ее пробоя вследствие кратковременности перенапряжений [1]. Повышение рабочего напряжения электрических линий, а также тенденция снижения их габаритов делают актуальной задачу ограничения коммутационных перенапряжений. Тоже самое относится и к кабельным линиям различного конструктивного исполнения. В общем случае причины возникновения перенапряжений приведены на рис. 1., а характеризующие их параметры на рис. 2. Перенапряжения можно разделить на фазные, междуфазные, внутриобмоточные, межконтактные [2]. Наибольшую значимость представляют фазные перенапряжения, воздействующие на изоляцию токоведущих частей по отношению к земле. Практически всегда после коммутации в системе электроснабжения возникают коммутационные перенапряжения. Происходят они из-за изменения структуры и параметров системы в результате перезаряда емкостей в процессе перехода системы из одного состояния в другое.
На практике основным средством ограничения коммутационных перенапряжений служит уменьшение вынужденной составляющей перенапряжений. Она определяется условиями передачи энергии в системах электроснабжения. Коммутационные перенапряжения могут возникнуть в любой части системы электроснабжения. Часто встречается, что присоединенная емкость меньше емкости отключаемой линии в 2,0-3,5 раза. В этом случае для сети с изолированной нейтралью, в результате отключения не-нагруженной кабельной линии, возможно появление коммутационных перенапряжений со стороны шин с кратностью 2,3-3,5. Если длина кабельной линии не более 300 м, то перенапряжения могут вызвать пробой изоляции, например, двигателей. Перенапряжения вызывают не только аварийные и плановые отключения линий, но и трансформаторов и других элементов системы, а также короткие замыкания между фазами и на землю [3].
В переходном процессе, вследствие наложения колебательной составляющей на установившуюся составляющую, коммутационные перенапряжения могу в 2 раза превышать номинальное напряжение. Наличие емкостного эффекта в симметричных линейных схемах даже в установившемся режиме приводит к повышению напряжения. Неустойчивый характер горения дуги в выключателе при отключении малых индуктивных токов вызывает переход электромагнитной энергии в электростатическую энергию. Это приводит к перенапряжениям на отключаемой индуктивности [4, 5].
Для малых индуктивных токов степень ионизации дуги выключателей незначительна. Еще до того, когда ток проходит через нулевое значение сопротивление дуги резко возрастает, а ее ток падает до нуля. Наблюдается «срез» тока. Выделяется значительная энергия, запасенная в индуктивностях системы. Это приводит к значительным перенапряжениям [6]. Кроме значений индуктивных токов величина «среза» тока определяется конструкцией выключателя, типом дугогасящей среды, емкости, отключаемой цепи и материала контактов [7]. Если восстанавливающееся напряжение между контактами выше чем прочность межконтактного промежутка, то произойдет пробой проме-
жутка. Осуществится повторное включение цепи. Чередующиеся отключения будут происходить до тех пор, пока при расхождении контактов выключателя дуга окончательно не оборвется [8-11]. В случае отключения тока в одной фазе возможно в двух других фазах прохождение высокочастотной составляющей через ноль. Наличие вакуумного выключателя может вызвать обрыв этих токов. Происходит внутренний «срез» тока, который может сопровождаться большими перенапряжениями. При таких коммутациях кратности перенапряжений могут достигать 6-8 кратных значений. Большинство замыканий на землю сопровождается возникновением дуги, что приводит к перенапряжениям на аварийной и «здоровых» фазах. Обычно такие перенапряжения превышают фазные напряжения в 2-3 раза, а в отдельных случаях могут достигать 3,5-4 раза.
Причины возникновения перенапряжении
_±_
Атмосферные перенапряжения
Неполнофазные режимы питания
Короткие замыкания
Повреждение изоляции относительно земли
Срез «фаз»
Феррорезонансные явления
Отключение емкостных
Несимметрия коротких замыканий
Отключение индуктивных токов холостого хода
Рис. 1. Причины возникновения перенапряжений
Феррорезонансные перенапряжения обусловлены высшими гармониками. Основную опасность в данном случае представляют резонансные явления. Резонанс тока повышает интенсивность старения изоляции, а напряжения - ее пробой. Высокий уровень высших гармонических составляющих оказывает негативное влияние на все элементы систем электроснабжения. Они могут вызвать не только перенапряжения, но и его провалы.
Наличие мощной нелинейной нагрузки - источника несинусоидальных искажений - резонанс может произойти на одной из высших гармоник. Произойдет резкий скачек тока или напряжения, что может вызвать выход из строя электрооборудования. Оригинальные подходы к определению возможности возникновения резонансных явлений при наличии в системах электроснабжения источников высших гармоник рассмотрены в работе Бош В.И. [12]. Построение моделей, отображающих функционирование отдельных групп электрооборудования, возможно в каждом конкретном случае только на основании статистических данных.
Основными элементами, негативно оказывающими воздействие на показатели качества электроэнергии, служат преобразователи. Их особенностью является импульсный характер процессов преобразования энергии. Наличие преобразователей в систе-
ме вызывает искажение формы кривой тока сети. В результате осуществляется передача мощности на высших гармониках [13]. Все это оказывает неблагоприятное воздействие на функционирование системы электроснабжения, вызывая отказы ее элементов. Высшие гармоники обуславливают феррорезонансные явления, которые приводят к длительным повышениям напряжениям. Такие напряжения могут возникнуть в установках любых номинальных напряжений, особенно при неполнофазных режимах. Этим режимам характерны так же повышения напряжения вследствие емкостного эффекта и несимметрии короткого замыкания на землю [2].
Повторяемость перенапряжений
Форма кривой перенапряжений
Широта охвата сети
Рис. 2. Параметры перенапряжений: tк05, tн05 - моменты времени, соответствующие пересечению кривой импульса
напряжения горизонтальной линией, проведенной на половине амплитуды импульса, в микросекундах, миллисекундах; 1 и 1 - момент времени
' 7 Г 7 к.пер н.пер Г
превышения действующим значениям напряжения уровня, равного 1,1ином, и момент времени спада напряжения до уровня 1,1ином ; иатах - максимальное
из измеренных амплитудных значений напряжения; ином - номинальное
напряжение
Основными аппаратами защиты от перенапряжений служат ограничители напряжения и вентильные разрядники. Также дополнительно применяются шунтирующие реакторы, средства управления коммутациями и дополнительные (предвключае-мые) резисторы в выключателях, RC-цепочки, а также система релейной защиты и автоматики от повышений напряжения [14]. Ограничители перенапряжений, вентильные разрядники, реакторы с искровыми присоединением, защитные искровые промежутки, различные управляемые схемы вступают в действие, тогда когда напряжение в точке их установки превышает заданную величину [15,16]. Используются также устройства осуществляющие ограничения напряжений не только на момент начала коммутации, но и в течение всего периода действия опасных перенапряжений. К ним относятся: шун-
78
тирующие сопротивления в выключателях, быстродействующие выключатели без повторных зажиганий дуги с управлением моментами коммутаций, устройства для разряда распределительных линий во время бестоковой паузы, дугогасящие катушки, ЯС-цепочки [15]. В настоящее время высоковольтные выключатели выполняются многоразовыми. Их конструкции состоят из последовательного соединения однотипных элементов обычно, рассчитанных на напряжение 50 кВ. Эти элементы шунтируются активными сопротивлениями, что позволяет снизить, возникающие перенапряжения. На рис. 3 приведены основные средства защиты от перенапряжений.
В системах с изолированной нейтралью, чтобы осуществить защиту от однофазных замыканий на землю, вызванных перенапряжениями, применяются дугогасящие реакторы, включаемые в нейтраль через трансформаторы. От общего числа повреждений 90% в таких сетях составляют повреждения от однофазных замыканий. Величина тока замыкания на землю зависит от точности настройки реактора на режим компенсации. Настройка может быть ступенчатая, плавная и системой управления. При ступенчатом регулировании реакторы оснащаются отпайками. Отпайки переключаются достаточно редко только согласно расчетным или измеренным значениям ожидаемого тока замыкания. Плунжерные реакторы, осуществляющие плавную настройку, обычно настраиваются по максимуму напряжения смещения нейтрали. Реакторы с автоматической настройкой компенсации обеспечивают измерение емкостного тока в номинальном режиме работы сети и в момент возникновения замыкания на землю. Микроконтроллер осуществляет запуск и управление путем задания синусоидального тока в форме ШИМ-сигнала. Моменты перехода генерируемого тока через «0» задаются отдельным сигналом. Управляются частота и амплитуда выходного сигнала. Величина выходного сигнала определяется амплитудой помех. Использование автоматического масштабирования упрощает процедуру настройки [16].
Рис. 3. Основные средства защиты от перенапряжений
79
Петерсен, основоположник резонансного заземления, считал, что расстройки компенсации емкостных токов в сети в 20% являются небольшими (наилучшими). По-видимому, до сих пор в распределительных сетях 6...35 кВ в эксплуатации находится большое количество статических дугогасящих реакторов типов ЗРОМ, РЗДСОМ, изменение параметров которых на новое значение тока компенсации осуществляется в ручную [16]. Как средство защиты сетей от неполнофазных режимов служат рекомендации о расстройках в сторону перекомпенсации. Связано это с недооценкой резонансного заземления нейтрали, при котором собственная частота контура нулевой последовательности должна быть равной промышленной частоте. Правильно организованное резонансное заземление нейтрали в распределительных сетях служит высокоэффективным средством борьбы с перенапряжениями. Плунжерные реакторы являются более предпочтительными. Возможны различные варианты использования таких дугогася-щих реакторов с сохранением параметров тиристорного ключа, рассчитанного на включение в сети 6.10 кВ. В том случае, когда напряжение сети выше 10 КВ, то регулирование производится с использованием однофазного трансформатора [17, 18].
На основании выполненного анализа литературных источников следует проводить исследования по влиянию перенапряжений на эффективность функционирования систем электроснабжения, вызванных внешними и внутренними возмущающими факторами, с учетом того, что они носят случайный характер. Поэтому одним из этапов является исследование перенапряжений на основе вероятностных подходов.
Работа выполнена в рамках научного проекта № 17-48-480083 при финансовой поддержке РФФИ и администрации Липецкой области.
Список литературы
1. Ryan H.M. High voltage engineering and testing. London: The Institution of Electrical Engineers, 2001. 759 p.
2. Кадомская К.П., Лавров А.А., Рейхердт А.А. Перенапряжения в электрических сетях различного назначения и защиты от них. Новосибирск: НГТУ, 2004. 368 с.
3. Лобастов С.В. Исследование высокочастотных переходных процессов в кабельных сетях 6-35 кВ при дуговых замыканиях на землю // Электрик. 2009. №3. С. 1316.
4. Дурусалиев М.Д. Опыт эксплуатации шунтирующих реакторов 500 кВ в Кыргызкой Республике // Энергетик. 2009. №10. С. 18-20.
5. Зацепина В.И., Шилов И.Г., Мамонтов А.Н. Система динамического подавления амплитудно-фазных искажений напряжения // Вести вузов Черноземья, 2010. №1. С. 14-17.
6. Дегтярев И. Л. Результаты исследования перенапряжений, возникающих при коммутациях высоковольтных электродвигателей вакуумными выключателями // Энергетик. 2007. №8. С. 21-24.
7. Slade P.G. The vacuum interrupter: theory, design, and application. New York: CRC press Taylors Francis Group, 2008. 510 p.
8. Качесов В.Е. Аналитическая модель процесса эскалации перенапряжений при отключении заторможенных электродвигателей // Электричество, 2006. №8. С. 1022.
9. Качесов В. Е. Оценка вероятности возникновения эскалации перенапряжений при отключении заторможенных электродвигателей // Электричество, 2006. №4. С. 1322.
10. Качесов В.Е. Перенапряжения и их ограничения заторможенных электродвигателей вакуумными выключателями // Электричество, 2008. №3. С. 15-26.
11. Качесов В.Е. О расчете крутизны перенапряжений на обмотках электрических машин // Электричество, 2009. №11. С. 16 - 25.
12. Бош В.И. Повышение эффективности функционирования систем электроснабжения с резонансными явлениями гармонических составляющих в сталеплавильных и прокатных производствах: монография. Липецк: ЛГТУ, 2005. 156 с.
13. Шпиганович А.Н., Шпиганович А.А., Бош В.И. Случайные потоки в решении вероятностных задач. Липецк, 2003. 224 с.
14. Промышленные испытания рудничных нелинейных ограничителей перенапряжений ОПНР-6 / Мухин А.Г. [и др.] // Промышленная энергетика. 1987. №5. С. 1719.
15. Перенапряжения при коммутации вакуумными выключателями двигательной нагрузки / Борисов С. А. [и др.] // Электрические станции, 2006. №11. С. 51-59.
16. Гуров Н.П., Сажаев В.Г. Актуальность и внедрение автоматически управляемой компенсации емкостных токов в сетях 6 кВ металлургических предприятий // Промышленная энергетика, 2003. №7. С. 15-19.
17. Старкова Л.Е., Орлов В.В., Ананьев В.П. К вопросу о компенсации емкостных токов в протяженных заводских сетях с большим сроком эксплуатации // Третья межвузовская науч. техн. конференция. Вологда. ВоГТУ, 2002.
18. Фишман В.С. Универсальное решение по заземлению нейтрали пока не найдено // Новости электротехники: информационно справочное издание. [Электронный ресурс] URL: http://www.news.elteh.ru/arh/2003/24/08.php (дата обращения: 10.02.10).
Шпиганович Александр Николаевич, д-р техн. наук, профессор, kaf-eo@stu. lipetsk.ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет,
Шпиганович Алла Александровна, д-р техн. наук, профессор, kaf-eo@stu. lipetsk.ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет,
Зацепин Евгений Петрович, канд. техн. наук, доцент, kaf-eo@stu. lipetsk. ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет,
Пушница Константин Александрович, канд. техн. наук, доцент, kaf-eo@stu. lipetsk.ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет
OVERVOLTAGE OF ELECTRICAL SUPPLY SYSTEMS AND THEIR QUALIFICATIONS A.N. Shpiganovich, A.A. Shpiganovich, E.P. Zatsepin, K.A. Pushnitsa
In the article the reasons of occurrence of overvoltages and their parametres are considered, the basic means of protection against overvoltages are resulted. Recommendations are given on conducting overvoltage studies on the basis of the probabilistic approach.
Key words: system, electrical equipment, overvoltage, compensation, maintenance, capacitive currents, operation, industrial enterprise.
Shpiganovich Aleksandr Nikolaevich, doctor of technical science, professor, the head of chair, kaf-eo@stu. lipetsk. ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University,
Shpiganovich Alla Aleksandrovna, doctor of technical science, professor, kaf-eo@stu. lipetsk. ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University,
Zatsepin Evgeniy Petrovich, candidate of technical science, docent, kaf-eo@stu. lipetsk. ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University,
Pushnitsa Konstantin Alexandrovich, candidate of technical science, docent, kaf-eoastu. lipetsk. ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University
УДК 620.9
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТОРИЯ В КАЧЕСТВЕ АЛЬТЕРНАТИВНОГО И ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОГО ИСТОЧНИКА ЭНЕРГИИ
В.Ю. Карницкий, А. У. Ботирова
Рассмотрено новое техническое решение - переработка тория и преобразование его в качестве топлива для атомных электростанций, предназначенных для производства электрической энергии. Повышение энергоэффективности, снижение затрат на получение энергии, экономия природных ресурсов.
Ключевые слова: атомная энергетика, энергопотребление, уран, торий, источники энергии.
Сделанные ранее прогнозы о темпах роста энергопотребления и развития новых энерготехнологий не оправдались: уровень потребления растет намного быстрее, при этом новые источники энергии заработают в промышленном масштабе и по конкурентоспособным ценам не ранее 2030 года. В течение следующих 50 лет человечество будет потреблять энергии больше, чем было израсходовано за всю историю. В связи с этим все острее встает проблема нехватки ископаемых энергоресурсов.
Атомная энергетика - это отрасль энергетики, занимающаяся производством электрической и тепловой энергии путем преобразования ядерной энергии. Обычно для получения ядерной энергии используют цепную ядерную реакцию деления тяжелых ядер плутония-239 и урана-235на два осколка ядрапод действием нейтронов.Уран-238в природе составляет 99,3 % от общего количества урана (не имеет возможности к протеканию самоподдерживающейся цепной ядерной реакции)
Суждение о том, что на Земле очень скоро иссякнет запас урана, является ошибочным исходя из того, что на нашей планете урана больше, чем золота в целых 600 раз -и его должно хватить еще на 500 лет. Однако из-за строительствановых АЭС по всему миру, последствием которых станет использование урана-235 (является изотопом урана и в природе составляет 0,72% от общего количества добываемого урана-238), то эта цифра подвергается риску уменьшиться в несколько раз. Запасы урана кончаются и, кажется, что рентабельной альтернативы не предвидится.
Одним из способов устранения этой проблемы является использование тория в качествеисточника энергии. Торий может покончить с зависимостью от ископаемого топлива и возродить мировой энергетический потенциал в будущем, когда запасы урана будут исчерпаны. Многие ученые полагают, что этот металл является наилучшей альтернативой урану в производстве атомной энергии по причине того, что он является чистым экологически и часто встречается в земной коре по всему миру.
Природный торий (232Th) сам по себе непригоден для осуществления цепной ядерной реакции деления и поэтому служит в ториевом реакторе сырьевым материалом. Ториевыйреактор работает по принципу ядерноготопливного цикла, в котором делящимся веществом является искусственный изотоп урана(233Ц), образующийся в этом же реакторе из тория (232Th). Первоначально в ториевый реактор загружают 232Th (который делится при взаимодействии как с быстрыми, так и с медленными нейтронами). В результате захвата 232Th ядром нейтрона и после двух последовательных ß-распадов, превращается в ядро 233U, то есть получается ядерное топливо. Говоря иными словами - торий-232 захватывает нейтрон и превращается в торий-233, который распадается в протактиний-233 и затем в уран-233, который является ядерным топливом для атомных электростанций.
