CC BY
21
4. Д м и т р и е в Е. В., Г а ш и м о в А. М., А х м е д о в Х. М. Защита оборудования электрических подстанций от высокочастотных перенапряжений слабонелинейными резисторами // Энергетика... (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). - 1999. -№ 6. - С. 32-39.
5. Г а ш и м о в А. М., Д м и т р и е в Е. В., П и в ч и к И. Р. Численный анализ волновых процессов в электрических сетях. - Новосибирск: Наука, 2003. - 147 с.
6. На с е р М. Т а б а т а б а е и, А х м е д о в Х. М., Г а ш и м о в А. М. Расчетные формулы линии электропередачи с учетом комбинированной модели поверхностного эффекта при расчетах высокочастотных перенапряжений // First International Conference on Technical & Physical Problems in Power Engineering, Baku, 23-25 April 2002. - Р. 197-200.
7. А л е к с а н д р о в Г. Н. Коронный разряд на линиях электропередачи. - М.; Л.: Энергия, 1964.-С. 228.
8.Расчеты электромагнитных процессов при неполнофазном включении линии электропередачи 110 кВ с ненагруженными трансформаторами / Ч. М. Джуварлы, С. А. Рус-тамов, А. М. Гашимов и др. // Электричество. - 2004. - № 8. - С. 16-22.
9. Р а с ч е т н ы е формулы для уравнений линий электропередачи с учетом поверхностного эффекта и короны / Ч. М. Джуварлы, Е. В. Дмитриев, А. М. Гашимов, Б. М. Сады-хов // Техническая электродинамика. -1991. - № 1. - С. 85-92.
10. Д ь я к о н о в В. П. Справочник по алгоритмам и программам на языке бейсик для персональных ЭВМ. - М.: Наука, 1987. - 240 с.
11. А р т е м ь е в Д. Е., Т и х о д е е в Н. Н., Ш у р С. С. Статические основы выбора изоляции линии электропередачи высших классов напряжения. - М.: Энергия, 1965. - 215 с.
12. П р и м е н е н и е сплайн-интерполяции для моделирования вольт-амперной характеристики защитных аппаратов / Ч. М. Джуварлы, Е. В. Дмитриев, А. М. Гашимов и др. // ДАН-Баку: Элм, 1986. - Т. XLII. - № 5. - С. 24-27.
Поступила 30.05.2005
УДК 621.311.031
ПРИМЕНЕНИЕ ОПН ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ВНУТРЕННИХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В СЕТЯХ 6-10 кВ
Канд. техн. наук, доц. БОХАН А. Н., асп. КРОТЕНОК В. В.
Учреждение образования «Гомельский государственный технический университет
имени П. О. Сухого»
Величины перенапряжений в распределительных сетях 6-10 кВ зависят от многочисленных факторов: режима заземления нейтрали, эквивалентной емкости сети на землю, типа коммутационного аппарата, характера замыкания на землю и т. п. Повышение надежности распределительных сетей 6-10 кВ представляет собой комплексную задачу, решение которой зависит от состава и режимов работы энергоиспользующего оборудования, протяженности и состояния изоляции кабельных сетей, допустимых перерывов в электроснабжении и др. Решение позволяет оптимизировать выбор средств ограничения перенапряжений в сети и определить основные требования к устройствам релейной защиты и автоматики.
Разработана модель сети среднего напряжения для исследования внутренних перенапряжений при различных режимах заземления нейтрали [1].
Эквивалентная емкость сети на землю определяется исходя из эквивалентной длины кабелей Сз = С£КЛ; междуфазная емкость Сф = (0,2...0,3)Сз. Источник питания и заземляющий трансформатор представлены соответственно индуктивностью рассеяния Ьт, Ьтв и активными сопротивлениями Ят, Ятв.
Дуга моделируется ключом и последовательно включенным активным сопротивлением. Дуга горит, если в рассматриваемый момент времени выполняется одно из приведенных ниже условий:
и
, > и ■
Д| — ^ пр>
1д(пред) > *до'
Лд
ёг
преД
> /До
(1)
где ид - напряжение на дуговом промежутке; I
Д(пред)
'Од \
ёг I
/пред
ток дуги
и скорость его изменения в предыдущий момент времени.
В этот момент ключ К замкнут и ветвь замыкания включена в схему. Дуга не горит, если одновременно все условия (1) не выполняются.
Достоверность модели подтверждается соответствием результатов полученных исследований на модели, реализованной с помощью программного комплекса МаАаЬ 6, с известными экспериментальными исследованиями и моделированием сети с резистивно-заземленной нейтралью [2]. Расчетные кратности перенапряжений при дуговых замыканиях на землю и сопротивлении резистора в нейтрали 700 Ом составили 2,4 Сф, а при 2600 Ом- 2,53С/ф.
Для оценки влияния ОПН на снижение перенапряжений при дуговых замыканиях на землю выполнено экспериментальное исследование вольт-амперной характеристики, в том числе и при воздействии напряжения повышенной частоты. Как известно, частота свободной составляющей переходного процесса на неповрежденных фазах для исследуемых распределительных сетей обычно находится в диапазоне 2,3...5,4 кГц. Сравнительный анализ экспериментальных исследований сетей 6-10 кВ с ОПН и результатов вычислительного эксперимента на математических моделях [2, 3] показывает, что величины перенапряжений при исследовании на математических моделях значительно ниже, чем при экспериментальных. Это не всегда объясняется отличием условий натурного и вычислительного экспериментов. Можно предположить, что разработка достоверной динамической модели ОПН позволит с более высокой точностью исследовать перенапряжения в распределительных сетях на математических моделях. С этой целью выполнены экспериментальные исследования характеристик ОПН при значениях подводимого напряжения, превышающих уровень ограничения, который определяется статической характеристикой. Функциональная схема испытательной установки приведена на рис. 1.
ТИ1
Рис. 1. Функциональная схема установки для высокочастотных испытаний ОПН: 1-инвертор; 2-полосовой фильтр; ТШ, ТИ2 - трансформаторы напряжения НОМ-6; 3 - регистратор
В установке использованы резисторы: Ш - 34,2 Ом; Я2 - 51 МОм; Я3 -6,8 кОм. При испытании варисторов 0,4 и 3,3 кВ в установке применялись трансформаторы напряжения (ТШ, ТИ2) НОМ-6.
Выполнено исследование металлооксидных варисторов на основе 2пО напряжением 0,4; 3,3; 8 кВ на частотах 50 Гц, а также 2,3 и 3,8 кГц. Отношение напряжения ограничения при токе 1 мА (50 Гц) к амплитуде номинального напряжения в исследуемых образцах находилось в пределах Кз & 1,33... 1,36. Защитное действие ОПН при коммутационном импульсе оценивается отношением остающегося напряжения при коммутационном импульсе иоки к номинальному действующему напряжению ОПН ин.0пн. В исследованных образцах варисторов указанное соотношение составило 1,85... 1,9. Осциллограммы напряжений и токов на варисторе 0,4 кВ приведены на рис. 2. Аналогичные результаты получены и для других варисто-ров. Подробнее исследованы варисторы 0,4 кВ, так как при этом создание высоких кратностей перенапряжений в комбинированных режимах не вызывало технических сложностей.
Несмотря на то, что амплитуда приложенного напряжения высокой частоты (3,8 кГц) превышает уровень ограничения по статической характеристике более чем в семь раз, ток через варистор определяется в основном емкостной составляющей проводимости. Уступ на осциллограмме напряжения после прохождения максимума объясняется инерционностью перехода варистора в проводящее состояние. В течение каждого полупериода некоторый интервал времени ¿ог мгновенное значение напряжения превышает уровень ограничения ОПН, определяемый статической характеристикой. Расчетную длительность можно рассчитать по выражению
2 и
tог = — агееоэ .,ог . (2)
® итах
При амплитуде входного напряжения 6 кВ (/ = 3,8 кГц) и иог = 760 В расчетное значение = 120 мкс. Фактически, как видно из осциллограммы, ограничение напряжения на ОПН до уровней, соответствующих статической характеристике, наблюдается на небольшом интервале времени ^ф = 40.50 мкс.
ш»
О 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014 0,016 0,018 /, с
Рис. 2. Осциллограммы напряжения и тока ОПН-0,4 кВ: а - частотой 50 Гц; б - 3,8 кГц
На рис. 3 представлены осциллограммы тока и напряжения на 01Ш-0,4 к В при наложении сетевого напряжения частотой 50 Гц и напряжения высокой частоты. При этом амплитуда сетевого напряжения превышает уровень ограничения ОПН (760 В).
О 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014 0,016 0,018 0,02
.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02
Рис. 3. Осциллограммы тока и напряжения при наложении напряжений частотой 50 гЦ и 2,4 кГц: а - ток варистора; б - напряжение
Вольт-амперная характеристика ОПН-0,4 кВ приведена на рис. 4а. По результатам экспериментальных исследований определены параметры схемы замещения ОПН (рис. 46).
При моделировании ОПН представляется /¿("-звеном и параллельно включенным нелинейным резистором. Модель нелинейного резистора 1101Ш задана выражением
( и Т
" . (3)
7 =
где / и и - мгновенные значения тока и напряжения; II,, - пороговое значение напряжения; /0 - величина тока устройства при значении напряжения, равном пороговому; а - показатель степени, определяющий нелинейность вольт-амперной характеристики резистора).
: 11 т и, в ас
-э. -г / Л 1 -Г --Л' ) .ии 4 с 3. А
1111
У
Рис. 4. а - вольт-амперная характеристика 0ПН-0,4 кВ при частоте 50 Гц; б - электрическая схема замещения модели ОПН
Параметры гопн и Сопн находятся по результатам экспериментальных исследований ОПН на частоте 50 Гц (/1) и частоте, находящейся в ожидаемом диапазоне свободной составляющей переходного процесса, /вч. При этом измерения выполняются при уровнях напряжения, не превышающих уровень ограничения ОПН по статической характеристике:
С =
опн
/вч Л
Г опн
п -
1
{2/е )2
(4)
где /1, /ч - соответственно частота основной и высокой гармоник; Z1, Zвч -полные сопротивления ОПН для основной и высокой частот.
В динамической модели ОПН для исследования процессов при замыканиях на землю вводилось инерционное звено первого порядка. Передаточная функция инерционного звена имеет вид
Н (*) =
У (*)
х (*)
= е
(5)
где * - оператор Лапласа; т - постоянная времени.
Структурная схема 8шш1шк'-модели ОПН приведена на рис. 5.
г с
Рис. 5. 1 - вход моделируемого устройства; 2 - инерционное звено первого порядка 140 мкс; 3 - блок статической вольт-амперной характеристики варистора; 4 - блок расчета текущего значения температуры; 5 - блок температурной коррекции вольт-амперной характеристики варистора; 6 - блок имитации разрушения варистора; 7 - выход моделируемого устройства
б
а
Модель позволяет также исследовать процесс нагрева ОПН при искаженной форме подводимого напряжения с учетом изменения температурных свойств материала варистора вплоть до температуры разрушения.
В процессе исследования ОПН-0,4 и ОПН-3,3 кВ получены удовлетворительные условия моделирования при значениях т примерно 120... ...160 мкс. На рис. 6 приведены результаты моделирования ОПН-0,4 кВ при наложении сетевого напряжения частотой 50 Гц и высокой частоты 2,4 кГц для условий, аналогичных выполненным экспериментальным исследованиям (рис. 3). Значение постоянной времени определяется технологией изготовления и практически не зависит от номинального напряжения и энергоемкости варистора.
и, в
-!-1-1-1-1-
3000 -
0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014 0,016 0,018 <, с 0,02
Рис. 6. Расчетные значения напряжения и тока модели варистора при наложении напряжений частотой 50 Гц и 2,4 кГц
Выполнено моделирование переходных процессов при замыканиях на землю в сети собственных нужд энергоблока 200 МВт для следующих параметров схемы: эквивалентная емкость сети с. н. (6 кВ) на землю Сз = = 0,42 мФ, питающий трансформатор ТРДН-32000 кВ • А. На рис. 7а приведены расчетные осциллограммы переходного процесса для сети с изолированной нейтралью при загорании дуги в максимум сетевого напряжения и погасании дуги в момент первого перехода высокочастотной составляющей тока через нуль.
Выполнено исследование влияния ОПН, установленного в нейтрали вспомогательного трансформатора, на снижение перенапряжений. Установка ОПН в нейтрали определяется следующими положительными предпосылками: варистор выбирается по фазному напряжению сети; в нормальном режиме напряжение на ОПН отсутствует; при замыканиях на землю он вступает в работу при замыкании любой из фаз; ток ограничивается
не только сопротивлением заземления, но активным и индуктивным сопротивлениями вспомогательного трансформатора.
ь . 1 ¡И"-' 'и,-
1 1 -
1
J_I_
--Г ;_I _I.
—!..
№
"У ■
¿М I
) ¡: а ш
):; ■ > у..
___ 1 1
- 1 \
-п^-Н'""1
■ н.,11 : 1 1 " Н \ | " > :■■■■-[ 1 ; 1 ... -н' - -----Г.— — - \ 1 =Ч| \
■ ! 1 ! 1 : __ ' "" "1 : -V 1 \ -1 : п' 1 ! 1 .- -' ' ^ Л ч . 1 1 чГ'Г
1 ф. ^ 1 ! & 1 1
■ ч : ' 54 1 1 1 1 г . 1 1 V 1 1
■
1.1 1 ' !.т 1 1 ' '.. ! Г : г... : ? : Г : 1 : 1 1 1..... 1 1 1 1 1 1
'¡«11 * !
1 Ll.lL \ ( и. \
! ! !■■.. !
г I I I г'-- I I I I
) у. и и т 3» я '.и £
Рис. 7. Расчетные осциллограмма: переходного процесса для перемежающейся дуги с интервалом 10 мс. В качестве базисного напряжения принята амплитуда фазного напряжения: а - изолированная нейтраль; б - в нейтрали установлен ОПН-3,3 кВ
б
а
В режиме установившегося замыкания на землю ток в ОПН отсутствует, и поэтому не происходит дополнительного увеличения тока в точке замыкания сети на землю. На рис. 7б приведены осциллограммы переходного процесса при установке в нейтраль ОПН-3,3 кВ. Уровни перенапряжений в указанных условиях не превышают 3,2Цф. Мощность вспомогательного трансформатора существенно не влияет на характер переходного процесса и перенапряжения. Установка ОПН в нейтрали может быть целесообразной в сетях со значительными токами замыкания на землю, когда применение резистивно-заземленной нейтрали затруднено большим тепловыделением в резисторе. В сети с компенсированной нейтралью подключение ОПН параллельно дугогасительному реактору может быть альтернативой применению высокоомного резистора [2], так как не вызывает дополнительного увеличения тока замыкания на землю в установившемся режиме. Применение ОПН с более низким уровнем ограничения позволяет достигнуть значительных снижений перенапряжения, но при этом длительность работы в таком режиме ограничивается допустимым тепловыделением. В результате по истечении установленного времени должно отключаться поврежденное присоединение или переводиться сеть в режим изолированной нейтрали.
ВЫВОДЫ
1. Экспериментальное исследование характеристик варисторов показывает, что моделирование переходных процессов в сети с изолированной нейтралью с ОПН при дуговых замыканиях на землю следует выполнять по динамической характеристике ОПН. Удовлетворительные результаты моделирования получены при введении звена запаздывания с постоянной времени 120.160 мкс.
2. В процессе оптимизации средств ограничения перенапряжений в распределительной сети целесообразно рассмотреть вариант установки ОПН в нейтраль вспомогательного трансформатора. Выполненное моделирование переходных процессов при замыканиях на землю показывает, что включение в нейтраль сети ОПН позволяет предотвратить эскалацию перенапряжения при дуговых замыканиях на землю. Уровни перенапряжений при этом несколько выше, чем при резистивном заземлении нейтрали, но при определенных условиях более существенным фактором может оказаться увеличение допустимой длительности режима замыкания на землю.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Б о х а н А. Н., К р о т е н о к В. В. Снижение перенапряжений при дуговых замыканиях на землю в сетях 6-10 кВ // Вестник ГГТУ им. П. О. Сухого. - 2004. - № 1.
2. Е в д о к у н и н Г. А., Т и л е р Г. Современная вакуумная коммутационная техника для сетей среднего напряжения: Технические преимущества и эксплуатационные характеристики. - СПб.: Изд-во М. П. Сизова, 2000. - 114 с.
3. http://www.uran.donetsk.ua/~masters/2001/eltf/sheverdin/ellib/index.htm. Беляков Н. Н., Кузьмичева К. И., Ивановски А. Ограничение перенапряжений при замыканиях на землю в сети 6 кВ собственных нужд с помощью ОПН.
4. http://www.uran.donetsk.ua/~masters/2001/eltf/sheverdin/ellib/index.htm. Ограничение перенапряжений в системе собственных нужд электростанций / В. Ф. Сивокобыленко, М. П. Дергилев, С. А. Иванов, В. М. Балашов.
5. О б а б к о в В. К. Сравнительный анализ и оптимизация режимов заземления нейтрали в сетях собственных нужд блочных электростанций // Электроэнергетика, электротехника, электротехническая промышленность. - 2001. - № 4.
Представлена кафедрой
электроснабжения Поступила 9.07.2004
