Методы информационно-математического описания систем электроснабжения с коммутационными перенапряжениями

The article presents analysis of failure-free operation of the industrial power supply system, which allows to determine the frequency of servicing the equipment of industrial enterprises. A qualitative graph of the dependence of the probability of failure-free operation from the time between failures is given, which clearly shows how you can find the required frequency of maintenance for a given build-up to failure.

Key words: system, electrical equipment, levels, probability, operating timefor failure, reliability, maintenance, operation, industrial enterprise.

Zatsepin Evgeniy Petrovich, candidate of technical science, docent, kaf-eo@,stu. lipetsk. ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University

УДК 621.3.06

МЕТОДЫ ИНФОРМАЦИОННО-МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОПИСАНИЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С КОММУТАЦИОННЫМИ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯМИ

А.Н. Шпиганович, К. А. Пушница

Дается определение описания (математической модели) систем электроснабжения. Приводятся факторы, которые нужно учитывать при выборе изоляции. Рассмотрен механизм появления коммутационных перенапряжений. Проведена классификация наиболее значимых для практики коммутационных перенапряжений, которая представлена в виде блок-схемы. Выделены самые опасные из них и описан процесс их возникновения.

Ключевые слова: коммутационные перенапряжения, классификация, описание, системы электроснабжения, изоляция, вакуумный выключатель

Описание (математическая модель) электрической части отрасли, предприятия, производства, цеха, отделения, участка, отдельной единицы оборудования как объекта проектирования можно реализовать через систему показателей (образов - графических, цифровых, таблично-текстовых) с соблюдением иерархии систем и выдержкой принципов целостности, автономности, дополнительности (сложная система во взаимодействии со средой представляет различные свойства в различных ситуациях), действия, начинающегося с порогового значения, неопределенности, выбора, структурированности (устойчивости структуры любого ценоза) и устойчивости развития [1].

Изоляция систем электроснабжения промышленных предприятий должна длительно выдерживать приложенное к ней рабочее напряжение с учетом различных негативных факторов (загрязнение, увлажнение, старение вследствие частичных разрядов, электродинамические усилия, коррозия и т.д.). Она должна выдерживать многократные коммутационные перенапряжения и обеспечивать быструю и легкую ликвидацию последствий в случае ее перекрытия. При этом необходимо учитывать действие защитных средств и аппаратов (нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН), разрядники, релейная защита, автоматическое повторное включение (АПВ) и другие) [2-5].

Появление коммутационных перенапряжений связано c тем, что в предшествующем режиме в реактивных элементах (емкостях и индуктивностях) существовал определённый запас электрической и магнитной энергий. При изменении конфигурации сети (коммутации) запас энергии не может мгновенно измениться в соответствии с новой схемой. Это приводит к появлению переходного процесса, который сопровождается обменом и перераспределением энергии между электрическим и магнитным полями, причём наиболее интенсивно протекает обмен между реактивными сопротивлениями элементов сети, находящимися в непосредственной близости от места возмущения. Как правило, процесс имеет колебательный характер с частотой, превышающей промышленную, и может сопровождаться повышениями напряжения, опасными для изоляции оборудования [6].

В зависимости от места приложения можно выделить фазные, междуфазные, внутрифазные и перенапряжения между контактами коммутационных аппаратов. Фазные перенапряжения воздействуют на изоляцию электрооборудования относительно земли или заземленных конструкций. В сетях с изолированной нейтралью в процессе поиска места замыкания на землю к фазной изоляции может быть приложено линейное напряжение. Междуфазные перенапряжения учитываются при выборе линейной изоляции (расстояния между проводами фаз на линиях, обмотками фаз трансформаторов, электродвигателей, реакторов). Внутрифазные перенапряжения образуются между то-копроводящимиэлементами одной и той же фазы (межу соседними витками или катушками обмоток электромашин, между нейтралью и землей). Перенапряжения между контактами коммутационных аппаратов возникают при их отключении или при несинхронной работе двух участков сети [7].

По возможности прогноза коммутационные перенапряжения можно условно разделить на плановые и аварийные. Плановые перенапряжения возникают при оперативных включениях и отключениях, когда время коммутации известно заранее и можно принять меры, позволяющие минимизировать их негативное действие. Примером перенапряжений, возникающих при плановых коммутациях, могут являться включения и отключения ненагруженных линий, отключение ненагруженных трансформаторов, конденсаторных батарей и реакторов поперечной компенсации. В качестве способов ограничения подобных перенапряжений выделяют аппаратные меры (ОПН, резисторы в выключателях, шунтирующие реакторы) и меры, связанные с управлением коммутациями (управляемое включение и отключение, программированные коммутации) [8]. Также при плановой коммутации оперативный персонал имеет возможность подготовить схему, а именно: снизить возбуждение генераторов, уменьшить коэффициент трансформации трансформаторов, подключить отключенные шунтирующие реакторы [9]. При аварийной коммутации момент включения или отключения аппарата неизвестен, поэтому нет возможности использовать меры, применяемые для плановой коммутации, и как следствие кратности перенапряжений при таких коммутациях будут выше. Примером таких коммутаций может служить отключение выключателем короткого замыкания, АПВ линии, внезапный сброс нагрузки и др.

В зависимости от частоты воздействия выделяют низкочастотные и высокочастотные коммутационные перенапряжения. Конкретное разграничение по частотам в различных источниках может различаться. Так, например, в [10] приводится значение фронта высокочастотных импульсов от нескольких микросекунд до нескольких наносекунд, в [11] представлена граница от 5 нс до 500 мкс, в [12] дается диапазон 10-500 мкс, в [13] длительность высокочастотного переходного процесса оценивается в 10-20 мкс при частоте 50-1000 кГц, а в [14] приведен диапазон 100 кГц - 1 МГц при достижении первого максимума через 1-4 мкс. Высокочастотные перенапряжения возникают [12]:

- в начальные моменты коротких замыканий на шинах подстанций и при неудаленных коротких замыканиях на присоединениях;

- при работе короткозамыкателей;

- при электрических пробоях межконтактных промежутков высоковольтных выключателей;

- при срабатывании искровых промежутков;

- при коммутациях разъединителями холостых участков шин и маломощных электрических аппаратов: шин ячеек выключателей, обходных систем шин, ячеек с трансформаторами напряжения, разрядниками и т.д.

Основной особенностью высокочастотных перенапряжений является то, что разрядники, ОПН, искровые промежутки как средства защиты от подобных перенапряжений малоэффективны в связи с резким подъемом их вольт-секундных характеристик при предразряд-

ных временах менее 1 мкс [12]. При включениях и отключениях кратность перенапряжений может достигать 2,3-2,8 по отношению к амплитуде фазного максимального рабочего напряжения [11]. В качестве мер ограничения применяют встроенные в элегазовые разъединители предвключаемые резисторы, емкостные и электромагнитные трансформаторы напряжения, специальные емкости, высокочастотные заградители, дополнительный реактор, а также организационные мероприятия, приведенные в [11, 12, 13].

Перенапряжения при включении. Наиболее значимыми коммутациями при включении являются: дуговые замыкания, автоматическое повторное включение (АПВ), автоматическое включение резерва (АВР), включение заторможенного электродвигателя, включение на неустранённое металлическое короткое замыкание, включение разомкнутой линии [8, 11].

Перенапряжения при отключении. Наиболее существенными являются коммутации холостых участков шин, отключение линий в режиме асинхронного хода, отключение емкостей и ненагруженных линий, отключение малых индуктивных токов, отключение симметричных и несимметричных коротких замыканий [8, 9, 11]. Наиболее опасными среди них являются перенапряжения, возникающие при отключении малых индуктивных токов. При малых индуктивных токах степень ионизации дуги оказывается незначительной, вследствие чего может произойти очень быстрый распад дугового канала еще до того, как ток проходит через свое нормальное нулевое значение, сопротивление дуги скачкообразно возрастает, а ток в дуге резко падает до нуля - происходит «срез» тока. При этом выделяется большая энергия, запасенная в индуктивности схемы, что может привести к значительным перенапряжениям [15]. После обрыва тока в выключателе электрическая прочность межконтактного промежутка постепенно возрастает в связи с расхождением контактов. Если в процессе расхождения контактов окажется, что восстанавливающееся напряжение между контактами выше, чем прочность межконтактного промежутка, то возникнет пробой промежутка, т. е. повторное включение цепи. Следующий обрыв тока произойдет при переходе тока через нуль или при срезе тока в случае отключения малых токов. Таким образом, коммута ция отключения может представлять собой серию чередующихся отключений и включений, происходящих до тех пор, пока при полном расхождении контактов дуга окончательно не оборвется. Повторные пробои происходят каждый раз при увеличивающейся прочности межконтактного промежутка, что приводит к эскалации напряжения. Также при отключении тока в одной из фаз возможно прохождение высокочастотной составляющей тока двух других фаз через ноль, вакуумный выключатель при этом может обрывать эти токи. Данный процесс носит название виртуального среза тока и может сопровождаться большими перенапряжениями [15, 16]. Кратности перенапряжений при таких коммутациях могут достигать 6-8 кратных значений [17].

Классификация коммутационных перенапряжений

145

Проведенная классификация наиболее важных для практики видов коммутационных перенапряжений, представлена на рисунке.

Предложенная классификация коммутационных перенапряжений может быть полезна при проектировании систем электроснабжения и разработки средств защиты от подобного рода перенапряжений. Наиболее опасным видом перенапряжений являются перенапряжения, связанные с отключением малых индуктивных токов и механизмом гашения дуги вакуумным выключателем, что требует разработки специальных средств защиты.

Работа выполнена в рамках научного проекта № 17-48-480083 при финансовой поддержке РФФИ и администрации Липецкой области.

Список литературы

1. Кудрин Б.И. Электроснабжение промышленных предприятий: учебник для вузов. М.: Интермет Инжиниринг, 2005. 672 с.

2. Степанчук К.Ф., Тиняков Н.А. Техника высоких напряжений: учеб.пособие для электроэнерг. специальностей втузов. 2-е изд., перераб. и доп. Минск: Высшая школа, 1982. 367 с.

3. Федоров О.В., Голубцов Н.В., Гребенюк И.И. Ресурсосбережение в энергетике: монография. М.: ИНФРА-М, 2011. 247 с.

4. Shpiganovich A.N., PushnitsaK.A. An imitation model of a power-supply system of oxygen-converter manufacturing to analyze switching overvoltage / Russian Electrical Engineering, 2016. № 6. Т. 87. P. 316-319.

5. Зацепина В.И., Зацепин Е.П. Статистический анализ искажений напряжения в системах передачи, распределения и потребления электрической энергии / Вести высших учебных заведений Черноземья, 2011. № 3. С. 24 - 28.

6. Зацепина В.И., Шилов И.Г., Мамонтов А.Н. Система динамического подавления амплитудно-фазных искажений напряжения // Вести вузов Черноземья, 2010. №1. С. 14-17.

7. Базуткин В.В., Ларионов В.П., Пинталь Ю.С. Техника высоких напряжений: Изоляция и перенапряжения в электрических системах: учебник для вузов / под.общ. ред. В.П. Ларионова. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1986. 464 с.

8. Кадомская К.П., Лавров Ю.А., Рейхердт А.А. Перенапряжения в электрических сетях различного назначения и защита от них: учебник. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. 368 с.

9. Дмоховская Л.Ф., Ларионов В.П., Пинталь Ю.С. Техника высоких напряжений: учебник для студентов электротехнических и электроэнергетических специальностей вузов / под.общ. ред. Д.В. Разевига. 2-еизд., перераб. идоп. М.: Энергия, 1976. 488 с.

10. Naidu M.S., Kamaiju V. High Voltage Engineering. 2-nd edition. New York: Tata Mc Graw-Hill Publishing Company Limited, 1996. 378 p.

11. Руководство по защите электрических сетей 6-1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений. 2-еизд.: РД 153-34.3-35.125-99: утв. РАО ЕЭС России 12.07.1999. СПб.: ПЭИПК Минтопэнерго РФ, 1999. 353 с.

12. Методические указания по ограничению высокочастотных коммутационных перенапряжений и защиты от них электротехнического оборудования в распределительных устройствах 110 кВ и выше / разработано АООТ "СибНИИЭ"; исполнители Б.И. Ковалев, В.С. Киндяков, А.В. Ковалева, В.М. Максимов: утв. департаментом электрических сетей РАО "ЕЭС России" 14.04.95: ввод. в действие с 01.07.98. М.: СПО ОРГРЭС, 1998. 26 с.

13. Высокочастотные коммутационные перенапряжения и защита от них оборудования подстанций высокого напряжения // Б. И. Ковалев [и др.] // Энергетик. 1995. №10. С. 12-13.

14. Виноградова А.Д., Зилес Л.Д., Рашкес В.С. Высокочастотные перенапряжения при коммутировании ошиновки подстанций СВН разъединителями // Электрические станции, 1993. №12. С. 42-48.

15. Евдокунин Г. А., Тилер Г. Современная вакуумная коммутационная техника для сетей среднего напряжения (технические преимущества и эксплуатационные характеристики). СПб.: Изд-во Сизова М.П., 2002. 148 с.

16. Качесов В.Е. Аналитическая модель процесса эскалации перенапряжений при отключении заторможенных электродвигателей // Электричество, 2006. №8. С.10-22.

17. Ильиных М.В., Сарин Л.И. Комплексный подход к выбору средств ограничения перенапряжений в сетях 6, 10 кВ крупных промышленных предприятий целлюлозно-бумажной и металлургической промышленности // Ограничение перенапряжений и режимы заземления нейтрали сетей 6-35 кВ: Труды Четвертой Всероссийской науч.-техн.конф. Новосибирск, 2006. С. 55 - 62.

Шпиганович Александр Николаевич, д-р техн. наук, профессор, 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

METHODS OF INFORMA TION AND MA THEMA TICAL DESCRIPTIONS OF POWER SUPPLY SYSTEMS WITH SWITCHING OVERVOLTAGES

A.N. Shpiganovich, K.A. Pushnitsa

This article provides definition descriptions (mathematical models) of power supply systems. The factors that need to be considered when choosing insulation are given.The mechanism of appearance of switching overvoltages is considered. The classification of the most significant for the practice of switching overvoltages is presented in the form of the block diagram. The most dangerous of them are identified and the process of their occurrence is described.

Key words: switching overvoltage, classification, description, power supply systems, insulation, vacuum circuit breaker

Shpiganovich Aleksandr Nikolaevich, doctor of technical science, professor, the head of chair, kaf-eo@stu. lipetsk. ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University,

Pushnitsa Konstantin Alexandrovich, candidate of technical science, docent, kaf-eo@stu. lipetsk. ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University