Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям

На правах рукописи

ДРОНОВ Андрей Петрович

РАЗРАБОТКА МЕРОПРИЯТИЙ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ НЕФТЯНОЙ ОТРАСЛИ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИЯХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара - 2012

Работа выполнена на кафедре Автоматизированные электроэнергетические системы федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет.

Научный консультант: - ГОЛЬДШТЕЙН Валерий Геннадьевич доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: - ЕФИМОВ Борис Васильевич доктор технических наук, профессор, Центр физико-технических проблем энергетики Севера Учреждения Российской академии наук Кольского научного центра РАН (г.Апатиты), директор - ВЕДЕРНИКОВ Александр Сергеевич кандидат технических наук, доцент, Самарский государственный технический университет (г.Самара), заведующий кафедрой Электрические станции

Ведущая организация: - Национальный исследовательский университет Московский Энергетический Институт (г.Москва)

Защита состоится 25 декабря 2012 г. в 10 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.217.04 при Самарском государственном техническом университете по адресу: г. Самара, ул. Первомайская, д.18, корпус №1, аудитория №4 (учебный центр СамГТУ-Электрощит).

Отзывы по данной работе в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 443100, г. Самара, Молодогвардейская ул. 244, Главный корпус, Самарский государственный технический университет, Ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.04; тел.: (846) 242-36-90, факс (846) 278-44-00; e-mail: aleksbazarov@yandex.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО СамГТУ (443100, г.Самара, ул.Первомайская, д.18, корпус №1)

Автореферат разослан 23 ноября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.217.04, доктор технических наук, доцент А.А. Базаров I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ 1.1.

Актуальность темы. Работа технологического оборудования нефтяной отрасли в целом, его безаварийность и эксплуатационная гибкость полностью зависит от надежности и качества электроснабжения. Задачи развития электросетевого комплекса на современном этапе имеют наивысшие приоритетные оценки, как в отрасли, так и в целом в электроэнергетике. Они в значительной мере связаны с повышением его энергоэффективности, энергосбережения, модернизации оборудования и его эксплуатации в технологических процессах бурения, добычи, транспорта и переработки энергоносителей.

Все это объединяет общее научно-техническое направление - создание отраслевых интеллектуальных (лумных) электрических сетей и систем электроснабжения (ЭССЭ), как активно-адаптивных электротехнических комплексов (ААЭТК). Ряд федеральных и отраслевых форумов и совещаний констатировал необходимость кардинального улучшения в ААЭТК обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) линий электропередачи и подстанций (ЛЭП и ПС) при разнообразных эксплуатационных физических воздействиях (ЭФВ).

Для этого, в частности, необходимы исследования в области изучения перенапряжений для разработки мероприятий и средств защиты электрооборудования ЭССЭ предприятий нефтяной отрасли, связанные с разработкой новых методов исследования и их многочисленными применениями.

Среди научно-технических задач этой проблемы значительное место занимает научное обоснование и практическая реализация интеллектуального нового подхода к управлению параметрами перенапряжений, то есть их гарантированному ограничению до величин, допустимых для электроустановок 6 35 кВ ЭССЭ нефтяной отрасли.

Это особенно необходимо в связи с общим старением действующего электрооборудования, которое должно надежно работать вместе с современными электроустановками. Кроме того, актуальны модернизация и усовершенствование средств и мероприятий по защите от внешних грозовых и внутренних перенапряжений.

Это, в частности, - проблемы, связанные с широким внедрением и распространением таких новых устройств, мероприятий и аппаратов как: вакуумной и элегазовой коммутационной аппаратуры; реклоузеров; нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН), изолированных (защищенных) проводов; длинноискровых и мультикамерных разрядников и др. Сказанное выше определяет актуальность проблем и темы настоящей диссертационной работы.

Цель работы разработка и внедрение в электроснабжении нефтяной отрасли новейших технологий, мероприятий и средств для целенаправленного ограничения параметров ЭФВ в виде перенапряжений для улучшения обеспечения ЭМС, которое непосредственным образом работает на повышение энергоэффективности и надежности ЭССЭ нефтяной отрасли. Для реализации этой цели проведены аналитические, компьютерные и экспериментальные исследования процессов возникновения и развития перенапряжений и их эффективного ограничения.

Задачи работы, сформулированные в соответствие с ее целью.

1. Уточненный анализ аварийности электрооборудования вследствие внешних и внутренних перенапряжений, необходимый для построения моделей и проведения исследования переходных процессов, возникающих при электромагнитных возмущениях в сетях 6 35 кВ нефтяной отрасли для глубокого ограничения уровней внешних и внутренних перенапряжений до величин, безопасных даже для изношенного электрооборудования.

2. Разработка и усовершенствование средств и методов защиты подстанций от прямых ударов молнии и глубокого ограничения волн перенапряжений, набегающих с ЛЭП.

3. Разработка методов системного комплексного применения модернизированных методов и средств защиты от перенапряжений ЛЭП 6 35 кВ таких, как нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН), длинноискровые и мультикамерные разрядники и др.

Научная новизна работы заключаются в следующем.

1. Системный комплексный подход к глубокому ограничению перенапряжений в ЭССЭ нефтяной отрасли, как целевому управлению их параметрами с помощью совместного применения новых и существующих средств, мероприятий и защитной аппаратуры.

2. Научное обоснование предельных кратностей перенапряжений как граничных условий (критериев) ЭМС при названных электромагнитных переходных процессах, в котором ключевым звеном являются новые представления о средствах, мероприятиях и защитной аппаратуре.

3. Предложены принципы и пути реализации применения в системах защиты от перенапряжений таких элементов, как новые типы вакуумной и элегазовой коммутационной аппаратуры, реклоузеры, ОПН, изолированные (защищенные) провода, длинноискровые и мультикамерные разрядники и др.

Практическая ценность работы определяется тем, что на основе полного и систематического исследования перенапряжений в сетях отрасли разработаны практические рекомендации по обеспечению надежной работы электротехнических комплексов (ЭТК), составленных из нового и изношенного оборудования. Анализ полученных теоретических результатов может быть использован для повышения надежности оборудования нефтяной отрасли, так как позволяет на уровне модернизации и создания новых ЭТК оценить и выбрать целесообразные варианты защиты от возникающих перенапряжений.

Основные положения, выдвигаемые на защиту.

1. Построение моделей для проведения исследования переходных процессов, возникающих при электромагнитных возмущениях в ЭССЭ 6 35 кВ нефтяной отрасли на основе уточненного анализа аварийности электрооборудования вследствие внешних и внутренних перенапряжений.

2. Усовершенствованные математические модели защиты линий электропередачи, подстанций средних классов напряжения и высоковольтных электрических машин от грозовых перенапряжений.

3. Научное обоснование подходов к грозозащите собственно ВЛ 6 35 кВ и грозозащите их ослабленных мест, например, пересечений ВЛ (воздушных линий) между собой, пересечений ВЛ с реками, железной дорогой и др.

4. Разработка математических моделей и характеристик перенапряжений, возникающих на изоляции электроустановок и связанных с работой коммутационных аппаратов.

Объектом исследования являются электроустановки нефтяной промышленности, современные коммутационные и защитные аппараты (ЗА), в частности, ОПН, длинноискровые и мультикамерные разрядники и др., как наиболее эффективные устройства защиты от перенапряжений в электрических сетях.

Основные методы научных исследований. При проведении работы использованы методы математического анализа, математического моделирования, теории вероятностей и статистической обработки информации. Теоретические исследования сопровождались разработкой математических моделей и методик. Экспериментальные и статистические исследования проводились и опираются на реальные условия и данные эксплуатации.

Достоверность полученных результатов исследований определяется корректным использованием соответствующего математического аппарата, сертифицированных вычислительных программных комплексов, обоснованностью принятых допущений и подтверждается удовлетворительным совпадением результатов расчетов и экспериментальных данных.

Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на международных и российских научно-технических конференциях и семинарах: Радиотехника, электротехника и энергетика МЭИ (ТУ), (Москва, 2009Ц2011г.г.); Будущее современной энергетики (Нижний Новгород, 2009г.); Проблемы повышения энергоэффективности и надежности электрических сетей и систем электроснабжения предприятий нефти и газа (Самара, 2010г.); Электроэнергетика глазами молодежи, (Екатеринбург, 2010г.); Кибернетика электрических систем, (Новочеркасск, 2009Ц2010г.г.); Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах, (Пенза, 2011г.).

Реализация результатов работы. Результаты диссертации в виде рекомендаций по применению новых средств защиты от перенапряжений, мероприятий, математического и программного обеспечения переданы в подразделения ОАО Роснефть, в частности, ОАО Самаранефтегаз, Нижневартовскнефтегаз, и др., а также для использования при проектировании систем электроснабжения ОАО Проект-электро (г. Самара) и ОАО Самарский Электропроект (г. Самара). Разработанные методы моделирования и расчета волновых переходных процессов в схемах подстанций и систем электроснабжения используются в учебном процессе Самарского государственного технического университета, Петербургского энергетического института повышения квалификации, Оренбургского государственного университета и др.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 11 печатных работах, опубликованных автором лично и в соавторстве.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 105 наименований, содержит 266 стр. основного текста.

II. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении даны определения актуальности и цели настоящей работы.

На этой основе сформулированы задачи исследования и даны сведения о ее научной новизне и практической значимости. Кроме того, приводятся аргументы, подтверждающие достоверность результатов выполненных исследований, краткая информация об объектах исследования, использованных для этого методах и организациях, в которых происходило внедрение результатов исследований. Также приведены сведения об апробации работы на международных и всероссийских конференциях и семинарах, публикациях, в которых освещено содержание работы по существу и структуре диссертации.

В первой главе Характеристики сетей 6 35 кВ и перенапряжений в них приведена структура электроснабжения нефтедобычи и анализ эксплуатационных характеристик ЭССЭ 6 35 кВ такие, как удельная аварийность ВЛ (откл. в год/100 км) распределительных сетей на территории СНГ и в других странах для различных номинальных напряжений, видов электроустановок (трансформаторы, ЛЭП, электродвигатели и др.), причин нарушений и т.д. Констатируется очень высокий уровень аварийности электрооборудования вследствие эксплуатационных физических воздействий (ЭФВ) в виде внешних и внутренних перенапряжений.

Научным обоснованием анализа аварийности и выработки мероприятий по повышению надежности и снижению рисков отказов являются положения теории ЭМС. С позиций ЭМС опасность перенапряжений для изоляции определяется запасами ее электрической прочности, а возможные последствия ЭФВ - их энергетической насыщенностью и техническим состоянием электроустановки, среди которых до 70% устарели морально и физически.

На этой основе дается развернутое обоснование проблем и направлений исследований, настоящей работы.

Анализ опыта эксплуатации показывает, что количество коммутаций в значительной степени зависит от назначения технологического агрегата, приводом которого служит электродвигатель. По этой причине оно изменяется в широких пределах: от нескольких коммутаций до сотен и тысяч в год.

Одной из причин возникновения перенапряжений в сетях 6 35 кВ являются замыкания на землю, причины которых часто не зависят от протяженности сети. В кабельных сетях они связаны с повреждениями концевых и соединительных муфт, линейных выключателей и разъединителей, в воздушных сетях - повреждениями коммутационной аппаратуры и ударами молнии.

В работе рассмотрена классификация перенапряжений, позволяющая создать экономически целесообразную защиту от них для ЭТК нефтяной отрасли.

Эта защита повышает надежность и снижает риски отказов ЭССЭ. В работе обоснованы современные системные, оптимизационные, превентивные мероприятия, средства и рекомендации, основанные на конструктивных, методических и других решениях, современных аппаратах и установках. С этой целью предлагаются схемы замещения и расчетные процедуры для анализа процессов возникновения, распространения и ЭФВ в виде перенапряжений и их ограничения с помощью предлагаемых мероприятий, устройств, схем и ЗА (защитных аппаратов).

Во второй главе Грозозащита подстанций и электрических машин констатируется, что директивные документы, определяющие комплекс мероприятий и средств защиты от перенапряжений подстанций средних классов напряжения и высоковольтных электроустановок в современных условиях не в полной мере удовлетворяют требованиям эксплуатации. Это требует, с одной стороны, уточнения и усовершенствования методов анализа процессов, связанных с перенапряжениями и их математических описаний, а, с другой стороны, разработки и широкого внедрения новых подходов и оборудования, отвечающих высоким современным требованиям.

В частности, в директивных документах по защите от ударов молнии в территорию подстанции речь в основном идет о весьма редких случаях их прорыва через защиту. Однако весьма часты попадания молнии в молниеотводы, установленные на трансформаторных или шинных порталах, отдельно стоящие, а также тросовые молниеотводы, выполняемые в виде воздушных перемычек между отдельными частями подстанции. При этом возникают: перекрытия по воздуху между молниеотводом и проводами или оборудованием;

обратные перекрытия гирлянды с портала на провод; пробои в земле между индивидуальным заземлением отдельно стоящего молниеотвода и другими подземными устройствами - кабелями, трубопроводами и т.п. В этих случаях высокое импульсное напряжение через рабочее заземление подстанции с заземляющего устройства и другими способами попадает на корпус трансформатора и повреждает изоляцию его обмотки низкого напряжения.

Общепринятые требования к защите от таких повреждений по достаточно малому импульсному сопротивлению заземления молниеотводов и высокой импульсной прочности гирлянд изоляторов и воздушных промежутков в ряде случаев оказываются недостаточными и требуют дополнительных защитных средств, мероприятий и рекомендаций. В значительной мере это необходимо для изношенного оборудования. В частности, целесообразно:

Ц удалить молниеотвод от защищаемых объектов на безопасное расстояние;

Ц исключить обратные перекрытия с бака трансформатора на обмотки;

Ц использовать отдельное заземление в другой точке, чтобы не допустить подъема импульсного потенциала бака трансформатора при протекании тока молнии по его заземлителю;

Ц установить ЗА между выводами обмотки НН и корпусом трансформатора;

Ц обеспечить достаточное удаление заземляющих проводников электрооборудования от заземления и токоотводящего спуска молниеотвода.

Особое значение эти рекомендации приобретают для подстанций, размещенных в условиях высоких удельных сопротивлений грунта, где используются различные специальные способы построения заземлителей.

Также в работе предложены данные, методы и рекомендации, которые по результатам опыта эксплуатации: уточняют определение границ зоны защиты отдельно стоящих, группы и тросовых молниеотводов, снижают опасность возникновения высокого потенциала на них и обратных перекрытий на токоведущие элементы подстанции при различных удельных сопротивлениях грунта.

Кроме того, предложена уточненная оценка ожидаемых среднегодовых чисел прямых ударов молнии в оборудование подстанции, а также обратных перекрытий, возникающих при этом аварий, амплитуды импульса напряжения, расстояния между защищаемым оборудованием и молниеотводом по воздуху и др.

Это позволяет в10 и более раз уменьшить годовое число аварий вследствие обратных перекрытий при ударах молнии в подстанции.

Для защиты подстанций от приходящих по линиям волн грозовых перенапряжений на основе проведенных в работе исследований и опыта эксплуатации можно рекомендовать следующие мероприятия: защищенный тросом подход ВЛ п ; корректное обеспечение интервала координации изоляции Uк; выбор числа и места установки ЗА (ОПН или РВ (вентильных разрядников)). Отметим, что именно ЗА являются основным средством защиты подстанции от набегающих волн. Они устанавливаются непосредственно перед силовыми трансформаторами, на сборных шинах, выносятся на ВЛ по каскадной схеме, а также и в подвесном исполнении на опорах. Можно констатировать, что подвесные ОПН, размещенные на всех фазах ВЛ (особенно двухцепных) или только на верхних, на всех опорах или только анкерных, обеспечивают эффективное снижение уровней перенапряжений вплоть до величин, полностью безопасных с точки зрения ЭМС.

Наибольшую опасность представляет пробой изоляции трансформатора при большой амплитуде перенапряжения, при большой крутизне фронта импульса перенапряжения, а также при его срезе за счет импульсного перекрытия вблизи трансформатора. Особенностью перенапряжений на подстанции является их существенная зависимость от крутизны фронта и существенно меньшая - от амплитуды, набегающей волны. Она влияет лишь на величину остающегося напряжения на ЗА, которое незначительно растет на пологих участках вольтамперных характеристик ОПН и РВ.

В работе для оценки грозозащиты подстанции используется кривая опасных волн (КОВ), показывающая, при каких сочетаниях амплитуды и длительности фронта набегающая волна окажется в состоянии вызвать повреждения на электрооборудовании подстанции.

Математическая модель грозозащиты ВЛ формируется в обобщенном виде, как S( ) n N (U, ) U среднегодовое число опасных волн по: Nпр = Nпр/кр, числу прорывов молнии на участке , КОВ, р (Uв, ф) - плотности совместного распределения амплитуды и длительности фронта волны в точке ее возникновения (по законам распределения амплитуды и крутизны токов молнии), Sk - область интегрирования, расположенная выше КОВ.

Определенные особенности имеет грозозащита подстанций с кабелями 6 кВ (в отдельных случаях - 35 кВ) без ЭМ, часто применяемых в ЭССЭ отрасли.

Ввод напряжения на эти подстанции обычно осуществляется с помощью кабельных вставок, поскольку большое число воздушных линий 6 10 кВ к подстанции подвести весьма сложно (рис. 1).

Для грозозащиты переключательного пункта (в сетях 6 10 кВ) на всех питающих линиях также размещают ЗА. Например, если питание осуществляется по линии 1 (рис. 2), а линии 2 и 3 тупиковые, то ЗА устанавливают на линии 1 вблизи переключательного пункта.

В большинстве случаев вместо РВ желательно устанавливать ОПН.

Иногда защита подходов линий к подстанции оказывается нецелесообразной или неэффективной.

В этих случаях используют упрощенные схемы грозозащиты подстанций, в которых отсутствие Рис. 1. Схема грозозащиты подстанции 6 20 кВ. защищенных подходов линии частично компенсируется установкой дополнительных ЗА, вынесенных на линию.

Такая защита используется, в частности, в тупиковых схемах подстанций 35 кВ на отпайках от линий электропередачи и во временных схемах.

Рис. 2. Схема грозозащиты переключатель- В типовых схемах грозозащиты ного пункта 6 10 кВ.

ток через ЗА редко превышает ток координации, в сетях 6 35 кВ равен 5 кА. В упрощенных схемах ток через ЗА может достигать существенно больших значений.

При столь высоких токах остающееся напряжение ЗА оказывается выше допустимого предела, и изоляция подстанции может быть повреждена. Кроме того, такие токи могут повредить и сам ЗА. Все это говорит о необходимости ограничить в схемах без защищенного подхода ток в подстанционном ЗА. Это достигается подключением к сети дополнительных ЗА, отводящих часть тока волны в землю мимо подстанционного ЗА.

Рис. 3. Неравномерное распределение тока в Рис. 4. Упрощенная схема грозозащиты параллельно включенных ЗА. подстанции.

Подключение дополнительных ЗА на подстанции, рядом с основным, было бы малоэффективным, поскольку даже небольших различие в вольтамперных характеристиках, как показано на рис. 3, приводит к резко неравномерному распределению токов между ЗА и снижению напряжения, затрудняющим срабатывание второго ЗА.

Чтобы дополнительные ЗА работали эффективно, их подключают обычно за одинЦдва пролета до подстанции. Индуктивность этого участка линии создает подъем напряжения на первом по ходу волны ЗА, что повышает надежность его срабатывания. Пример расположения ЗА (ОПН) в упрощенном варианте грозозащиты подстанции приведен на рис. 4.

Грозозащита ЭМ (генераторов, синхронных компенсаторов и высоковольтных электродвигателей) имеет свои особенности. Изоляция ЭМ имеет высокую начальную электрическую прочность, превышающую в 8 10 раз максимальное допустимое рабочее напряжение, причем коэффициент импульса для нее составляет Ки= 1,3 1,6. В процессе эксплуатации электрическая прочность изоляции сильно снижается по различным причинам: вибрация; корона; электродинамические усилия, при КЗ; испарения летучих веществ и пересыхание; растрескивания и т.д. При этом Ки падает до 0,7 1,0 и ниже. Изоляция не реже одного раза в одинЦдва года должна испытываться переменным выражением (1,5 1,7)Uн или постоянным напряжением (2,5 3,0)Uн, где Uн - номинальное напряжение ЭМ. В связи с этим принято, что для главной изоляции ЭМ допустимая величина грозовых перенапряжений Uдоп = (1,5 1,7) 2 Uн = (2,2 2,4)Uн.

Сравнение данных по Uдоп с основными характеристиками лучших в настоящее время ЗА для защиты ЭМ показывает, что остающееся напряжение Uост даже при токе 3 кА больше амплитуды допустимых грозовых перенапряжений Uдоп на 20 30 %. Это позволяет сделать выводы о том, что для обеспечения условия UостUдоп ток через ЗА должен быть еще меньше. Кроме того, при этом не обеспечивается условие UпрUдоп.

При отсутствии дополнительных мер защиты токи в ЗА могут превышать допустимые значения, поэтому для надежной защиты ЭМ, прежде всего, необходимо уменьшить Uпр и не допустить возникновения колебательной составляющей напряжения на их зажимах. Кроме того, требуется ограничить токи через ЗА, установленный возле ЭМ, до значений, не превышающих величин, указанных в его паспорте. Первая задача решается путем установки ЗА непосредственно на зажимах ЭМ, а также присоединения к ним емкости порядка 0,5 мкФ на фазу. Вторая задача решается путем подключения ЭМ к воздушной сети через трансформатор.

Однако в ряде случаев это не выгодно и приходится ее подключить к сети непосредствена) но, при этом требуется установка дополнительных ЗА на подходе и использование по ходу волны кабельных б) вставок и токоограничивающих реакторов.

Схемы грозозащиты ЭМ, непосредственно связанных с воздушной сетью, обычно в) содержат комплекс следующих защитных средств: ЗА и конденсатор на шинах, защищенный подход г) воздушной линии п, ЗА на подходе линии, токоограничивающий реактор и кабельную вставку (рис. 5). ЗА1 и д) вентильный разрядник ЗА2, установленные по ходу движения волн Рис. 5. Схемы грозозащиты ЭМ, подключенных к грозовых перенапря воздушной сети.

жений, предназначены для отвода части тока волны в землю и ограничения тока в ЗА вблизи ЭМ. Их эффективность зависит от величины сопротивления заземления, надежная работы схемы обеспечивается при Rз 10 Ом. Оптимальная длина защищенного подхода 100 150 м. Для защиты подхода от прямых ударов молнии используются грозозащитные тросы. Реактор L в схеме рис. 5а сглаживает фронт импульса перенапряжений на шинах, а также облегчает условия срабатывания ЗА.

Емкость С0 на шинах предназначена для ликвидации колебательной составляющей напряжения на зажимах ЭМ. Обычно длительность фронта импульса ф грозовых перенапряжений на зажимах ЭМ за счет емкости увеличивается до 20 50 мкс.

По результатам исследований, проведенных в СПбГПУ и СамГТУ, установлено, что показатель надежности схемы грозозащиты ЭМ по рис. 5а составляет ~ 35 лет без учета работы ЗА на противоположном конце линии небольшой длины (1 1 2 км), что значительно улучшает показатель надежности: в этом случае он составляет ~ 70 лет.

В схеме рис. 5б новым элементом является кабельная вставка, отделяющая воздушную линию от шин с ЭМ. Ее защитная роль не ограничивается добавлением дополнительной емкости, сглаживающей волну. Кабельная вставка служит для отвода значительной доли тока волны помимо шинного ЗА.

В главе третьей Грозозащита ВЛ 6 35 кВ приведены основные положения решения проблем грозозащиты ВЛ 6 35 кВ. Это связано с усовершенствованием известных и реализацией новых подходов к грозозащите собственно ВЛ 6 35 кВ и грозозащите их ослабленных мест, например, пересечений ВЛ между собой, пересечений ВЛ с реками, железной дорогой и др.

Для линий 6 35 кВ суммарное число грозовых отключений в год равно:

n=nпум+nинд, где nпум= N [Рп3Рд+(Рп2ЦРп3) Рд] (1ЦРАПВ), и пум nинд=[Nинд3Рд+(Nинд2ЦNинд3) Рд] (1ЦРАПВ) - удельные (на 100 км и 100 грозовых часов) числа грозовых отключений ВЛ от прямых ударов молнии и вследствие индуктированных перенапряжений, соответственно, где U U ф50 фРn2 = ехр 0,04 z (1 k ) и Рn3 = ехр 0,04 z (1 k ) - вероятности э2 12 э3 123 двух и трехфазного перекрытий изоляции ВЛ, где: Zэ2 = Zм 0,5zпрRзи - эквивалентное сопротивление в точке удара при перекрытии одной фазы; Zэ3 = =ZмRзи[Zпр (1+k12) /4] - тоже при перекрытии двух фаз; Uф50 - импульсное 50%Цное разрядное напряжение фазной изоляции на опоре; К12 - коэффициент связи между пораженной фазой и наиболее удаленной от нее соседней фазой;

К12Ц3 - тоже двух ранее перекрытых фаз, соединенных параллельно, с третьей фазой. Удельные числа двух и трехфазных перекрытий можно определить в виде 936 hср 936hср Nинд2 ехр (-Uинд2/ 260 ) ; N ехр (-U / 260 ),где инд3 индUинд2 U инд1 kRзи zпр Rзи 0,5 zпр Uинд2 U50, ; Uинд3 U1 k(1 k12 ) 0,5 zпр (1 k12-3 ) zпр h hпр f - средняя высота подвеса верхнего провода, hпр - высота его р подвеса, f - стрела его провеса.

Одним из новых прогрессивных технических решений в области грозозащиты ЭССЭ является применение ВЛ с защищенными проводами (ВЛЗ), имеющих ощутимые эксплуатационно-технические преимущества перед традиционными ВЛ с неизолированными проводами по меньшей повреждаемости, надежности электроснабжения потребителей, безопасности, материалоемкости, габаритам.

Однако они требуют специального решения ряда вопросов.

В частности, при грозовом перекрытии изолятора линии, сопровождаемом пробоем твердой изоляции провода с большой вероятностью образуется дуга промышленной частоты. Образовавшаяся дуга не имеет возможности перемещаться по проводу и горит в месте пробоя изоляции до момента отключения линии, что с большой вероятностью может привести к обжигу изоляции и пережогу провода, а также к повреждению изолятора линии. Предотвращение пережога провода становится главным условием, определяющим необходимость обязательного применения тех или иных грозозащитных мер.

Наиболее прогрессивные решения в области грозозащиты ВЛ, известные в мировой практике, связаны с применением таких эффективных высоконелинейных ЗА, как ОПН. ОПН, рассчитанные на грозовой ток 2,5 кА и установленные параллельно каждому изолятору ВЛЗ с подключением к проводу через искровой промежуток, эффективно предотвращают дуговые замыкания, соответственно, сокращая не только пережоги проводов, но и отключения линии при индуктированных перенапряжениях. Следует отметить достаточно высокую стоимость сочетания ОПН с грозозащитным тросом, что существенно снижает экономическую приемлемость этого решения.

При использовании дугозащитных рогов (ДЗР), провода должны защищаться от пережога за счет обгорания рогов и за счет гарантированного гашения дуги при отключении линии из-за междуфазных коротких замыканий.

Эта система дугозащиты, условно называемая финской, имеет существенные недостатки.

Препятствуя перегоранию проводов, она не защищает изоляцию от перенапряжений и не предотвращает короткие замыкания и отключения линии вследствие грозовых воздействий. Более того, она рассчитана на то, чтобы за счет специального расположения ДЗР однофазные замыкания переводить в многофазные только для того, чтобы добиться отключения линии.

Такой принцип ее действия никак не согласуется с основной идеей функционирования электрических сетей с изолированной нейтралью, для которых однофазное замыкание не является аварийным режимом, требующим обязательного отключения. В данном случае, одна проблема, связанная с защитой от пережога проводов, решается за счет усугубления других проблем. Кроме того, возможность выхода дуги на ДЗР появляется лишь при токах, превосходящих 1 2 кА, то есть при КЗ не очень удаленных от питающей подстанции. При меньших токах, дуга не выходит на ДЗР и это влечет опасность пережога провода, а при индуктированных перенапряжениях возникновение КЗ вообще маловероятно.

В связи с этим в области грозозащиты распределительных ВЛ предлагается использование длинноискровых разрядников (РДИ) - новой отечественной разработки, выполненной под руководством проф. Г.В. Подпоркина. Принцип действия всех видов РДИ заключается в использовании большой длины скользящего разряда по поверхности РДИ, что по существу гасит силовую дугу тока промышленной частоты, снижает величину среднего градиента рабочего напряжения вдоль канала грозового перекрытия и ограничивает грозовые перенапряжения на ВЛ. Вследствие эффекта скользящего разряда вольтЦсекундная характеристика (ВСХ) разрядника расположена ниже, чем ВСХ изолятора, то есть при воздействии грозового перенапряжения разрядник перекрывается, а изолятор нет. После прохождения импульсного тока молнии разряд гаснет, не переходя в силовую дугу, что предотвращает возникновение КЗ, повреждение провода и отключение ВЛ.

РДИ неподвержен разрушениям и повреждениям грозовыми и дуговыми токами, поскольку они протекают вне аппаратов, по воздуху вдоль их поверхности. В эксплуатации в электрических сетях допущен ряд типов РДИ: петлевого, шлейфового, модульного и др. типов.

Установка РДИ позволяет исключить перекрытия изоляции на ВЛ и все негативные сопровождающие последствия при индуктированных грозовых перенапряжениях и при прямом ударе молнии. Это обеспечивает защиту подстанционного оборудования, повышение надежности электроснабжения и уменьшение эксплуатационных расходов за счет экономии ресурсов, снижения грозовых отключений ВЛ, разрушений изоляторов, пережога проводов.

Проведенные исследования показали, что РДИ можно эффективно использовать на ВЛ со всеми видами опор, изоляторов и проводов, как защищенных, так и неизолированных.

В работе рассматривается применение для защиты от перенапряжений принципиально нового аппарата - изолятора-разрядника с мультикамерной системой (МКР). Он создан на классы напряжения 1035 кВ под руководством проф. Г.В. Подпоркина и сочетает в себе свойства изолятора и разрядника одновременно. В МКР с увеличением класса напряжения увеличивается число изоляторов в гирлянде и, соответственно, увеличивается номинальное напряжение и дугогасящая способность гирлянды, состоящей из этих аппаратов.

Как показывает анализ грозозащиту ВЛ любого класса напряжения МКР обеспечит без применения грозозащитного троса. При этом снижается высота, масса и стоимость опор, а также стоимость всей ВЛ в целом и обеспечивается надежная грозозащита линий, т.е. резко сокращается число отключений линий, уменьшаются ущербы от недоотпуска электроэнергии и эксплуатационные издержки. Основным элементом МКР является мультикамерная система (МКС). Она состоит из большого числа электродов, вмонтированных в профиль из силиконовой резины, между которыми располагаются отверстия, образующие миниатюрные газоразрядные камеры.

Низкое разрядное напряжение МКР обеспечивается благодаря двум эффектам: скользящего разряда и каскадности срабатывания камер МКС. Предложенные мультикамерные системы, обеспечивают гашение тока импульса грозового перенапряжения без сопровождающего тока сети, что позволяет применять разрядники на их основе в сетях с большими токами короткого замыкания (порядка 30 кА).

При расчете ожидаемого годового числа грозовых отключений ВЛ 6 кВ необходимо учитывать наличие отдельных мест с ослабленной изоляцией, которые при отсутствии соответствующих дополнительных мер защиты могут привести к значительному увеличению ожидаемого годового числа грозовых отключений. Для защиты ослабленных мест на ВЛ 6 35 кВ наиболее целесообразна установка ОПН.

В главе четвертой Дуговые и коммутационные перенапряжения в сетях 6 35 кВ приводятся результаты разработки математических моделей и характеристики дуговых и коммутационных перенапряжений в сетях 6 35 кВ, работающих с изолированной или заземленной через ДГР нейтралью. Причиной внутренних перенапряжений могут быть однофазные замыкания на землю, сопровождающиеся неустойчивым горением дуги, возникающие на изоляции электроустановок, представленных эквивалентными схемами, состоящими из индуктивных и емкостных элементов. Для анализа процесса развития перенапряжений представим сеть совокупностью из трех фазных емкостей СФ на землю и трех междуфазовых емкостей Смф (рис. 6а).

Рис. 6. Исходная электрическая схема (а) для расчета дуговых перенапряжений и свернутая эквивалентная схема (б).

Питающую сеть (рис. 6б) заменим эквивалентным источником трехфазной эдс eaТ, eвТ, ecТ с фазными индуктивностями Lг и активными сопротивлениями Rг; трансформатор на приемном конце с присоединенной к нему нагрузкой - индуктивностями Lн и сопротивлениями Rн. Токи нагрузки, циркулирующие в контурах, образованных соседними фазами, не оказывают заметного влияния на рассматриваемые процессы, вызванные протеканием токов из фаз в землю.

Повторные зажигания дуги, обусловленные периодичностью приложенного к дуговому промежутку фазного напряжения, приводят к дополнительному росту перенапряжений по сравнению со случаем однократной дуги.

До возникновения замыкания в сети в силу симметрии фазных напряжений напряжение нейтрали U0 равно нулю. При горении дуги, когда поврежденная фаза А принимает практически нулевой потенциал, в соответствие с законом Кирхгофа имеем U0 уст = - еа. После гашения дуги величина U0 уст определяется суммарным зарядом на фазных емкостях, оставшимся в схеме от предшест q Cа Uаг Св Uвг Сс Uсг ф вующего режима U , 0 уст CCа Св Сс ф где - Uаг, Uвг и Uсг - мгновенные значения напряжений, зафиксированные в момент погасания дуги.

В соответствии с этим при зажигании и при гашении дуги происходит весьма быстрое, практически скачкообразное изменение установившегося значения напряжения в нейтрали U0 уст на величину U0 = U0 уст (t+0) - U0 уст (tЦ0),где tЦ момент зажигания или гашения дуги. Реальная картина горения заземляющих дуг намного сложнее и зависит от большого числа факторов, которые подробно обсуждаются в работе. Однако приведенный приближенный анализ дает более или менее правдивую картину явления, в целом не противоречащую большому объему накопленных экспериментальных данных, полученных в результате исследований (СПбГПУ и СамГТУ) дуговых перенапря- жений, возникающих в сетях 6 35 кВ в условиях эксплуатации.

Автоматическая регистрация проводилась на 18 подстанциях распределительных сетей 6 35 кВ, в том числе 11 подстанциях 6 кВ, четырех подстанциях 10 кВ и трех подстанциях 35 кВ.

Измерениями были охвачены сети, токи замыкания на землю, в которых находились в пределах 13 280 А. В ряде из них Рис. 7. Статистические характеристики были установлены ДГР. Объем информадуговых перенапряжений в распредеции в сетях 6, 10 и 35 кВ составлял соотлительных сетях: 1 - 6 кВ (без ДГР), ветственно 4598, 882 и 804 фазоосциллоЦ 10 кВ (с ДГР), 3 - 35 кВ, 4 - 6 кВ (с ДГР), 5 - 10 кВ (без ДГР).

грамм, а длительность регистрации 4538, 1555 и 1550 суток. Статистические характеристики кратностей измеренных перенапряжений приведены на рис. 7.

Можно констатировать, что наиболее эффективное средство снижения дуговых перенапряжений это - установка ОПН, которые обладают достаточно высокой пропускной способностью, в условиях, когда в сети используется быстродействующее селективного отключение.

В сетях же 6 35 кВ с изолированной или заземленной через ДГР нейтралью, где не предусмотрено отключение релейной защитой однофазных повреждений, выбор ОПН сводится в основном к обеспечению его работоспособности в течение гарантированного срока эксплуатации в условиях возможных длительных однофазных замыканий в сети (обычно в течение 2 6 часов).

На основании исследований и опыта эксплуатации, а также зарубежных публикаций можно считать, что при этом работоспособность ОПН одноколонковой конструкции с диаметром варисторов 45 60 мм будет обеспечена в сети с током замыкания 5 10 А при выполнении следующих рекомендаций.

1. Необходимо исключить возможность длительных резонансных и феррорезонансных перенапряжений в точке установки ОПН.

2. Наибольшее рабочее напряжение сети Uс (действующее значение линейного напряжения, которое длительно может быть приложено к фазам ОПН при однофазном замыкании на землю) должно быть не больше наибольшего рабочего напряжения ОПН (UОПН), то естьUсUОПН,где напряжение Uс в сетях 6, и 35 кВ, как правило, может превышать номинальное напряжение сетиUном (Uс = 1,05 1,2 Uном).

3. Пропускная способность ОПН по коммутационным перенапряжениям должна быть обеспечена при испытательных воздействиях не менее 20 импульсов тока на волне 1,2 / 2,5 мс с амплитудой 300 500 А и остающемся напряжении на ОПН Uост,которое составляет: Uост (2,7 3,0) Uф макс.

При установке ОПН в сетях с большим емкостным током число комплектов ОПН (которые могут быть установлены в разных точках сети) должно быть увеличено. В этом случае желательно, чтобы изготовитель учитывал необходимость параллельной работы комплектов ОПН при однофазных замыканиях.

Определить, достаточна ли известная от заводаЦизготовителя пропускная способность ОПН, полученная в результате специальных испытаний, для надежной работы ОПН в конкретной точке сети можно либо экспериментально, либо расчетным путем. Как уже указывалось, основным воздействием на варисторы ОПН (правильно выбранного на основании требований, изложенных выше в пунктах 1Ц3) являются импульсы токов, возникающих в режиме перемежающих дуг однофазных замыканий.

В работе рассмотрены также вопросы ограничения коммутационных перенапряжений сетях 6 35 кВ с помощью мероприятий, направленных на снижение вероятности возникновения таких аварийных ситуаций, как отключение заторможенных асинхронных двигателей, включениеЦвыключение трансформаторов, следующие непосредственно одно за другим, с присутствующей при этом несинхронностью срабатывания контактов выключателя.

Рассматривая особенности переходных процессов, связанных с вакуумными выключателями, можно также рекомендовать в качестве защитного средства включение ОПН. ОПН уменьшает число повторных зажиганий, ограничивая уровень перенапряжений относительно земли и полюсов выключателя.

Этим ограничивается и кратность высокочастотного импульса перенапряжений U, который прикладывается к продольной изоляции ЭМ.

Таким образом, с помощью ОПН установленного в ячейке выключателя (при соблюдении стандарта МЭК на гарантируемую импульсную прочность на волне 1,2 мкс на уровне 5,9 о.е., для новой изоляции ЭМ) то, например, для электродвигателя 630 кВт при любой длине кабеля она не будет превзойдена на очень высоком уровне надежности Р 0,994.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ По результатам диссертационной работы можно сделать следующие выводы.

1. В работе представлены результаты разработок по усовершенствованию, модернизации и уточнению с учетом современных условий решений известных задач защиты от внешних и внутренних перенапряжений, связанных с внедрением электросетевых комплексах нефтяной отрасли современных мероприятий, средств защиты от перенапряжений.

2. Выполнено усовершенствование методов защиты от прямых ударов молний в территории подстанций в части: учета различных вероятностей прорыва, в частности, Pпр = 0,005 и 0,05, что необходимо для оптимизации конструкций молниезащиты; уточнения определения границ зоны защиты отдельно стоящих, группы и тросовых молниеотводов; учета возможности прорыва молнии не в верхнюю часть молниеотвода, а сбоку; учета обратных перекрытий с ЗУ на ТЭП; снижения опасности возникновения высокого потенциала на токоведущих элементах подстанции (ТЭП) при различных удельных сопротивлениях грунта; оценки ожидаемых среднегодового числа ПУМ в оборудование подстанции, обратных перекрытий и возникающих при этом аварий с учетом амплитуды импульса напряжения, расстояния между защищаемым оборудованием и молниеотводом по воздуху и др.

3. Вопросы обеспечения ЭМС электроустановок электроснабжения нефтедобычи, транспорта и переработки нефти решены на основе концепции их глубокого ограничения с помощью разнообразных мероприятий и средств защиты от них, в частности, с помощью новых типов ОПН, РДИ, МКР и т.д.

4. Решены новые проблемы защиты от грозовых и внутренних перенапряжений в сетях с различными видами заземления нейтрали, в частности, при коммутациях емкостных и индуктивных элементов обычными и синхронными вакуумными выключателями и др.

5. Усовершенствованы методы защиты электрических машин, магнитно и гальванически связанных с электрическими сетями.

6. Заземление через дугогасящий реактор нейтрали в сетях 6 35 кВ в 2.раза снижает количество импульсных перекрытий изоляции. Гашению дуги однофазного замыкания на землю, междуфазных перекрытий или одновременных перекрытий с нескольких фаз на землю способствует высокая (до 0,7) вероятность погасания дуги из-за малой величины градиента рабочего напряжения вдоль пути перекрытия.

7. Результатами компьютерных исследований и данными эксплуатации для современных условий для линий 6 35 кВ на деревянных опорах (с учетом импульсной прочности дерева траверсы и стойки опоры) обосновано снижение в 1,5 1,8 раза вероятностей перекрытия и перехода импульсного перекрытия в дугу короткого замыкания. При этом обязательно шунтирование деревянных частей опор токоотводящими металлическими спусками как известного мероприятия предотвращения щепления деревянных траверс и стоек опор при прямых ударах молнии.

8. При использовании ОПН в качестве средства защиты от коммутационных перенапряжений (например, одноколонковой конструкции с диаметром варисторов 45 60 мм в сети с током замыкания 5 10 А) его работоспособность будет обеспечена: при отсутствии длительных резонансных и феррорезонансных перенапряжений в точке установки ОПН; при наибольшем рабочем напряжении сети, не превышающем наибольшее рабочее напряжение ОПН Uмрс Uмр ОПН; при пропускной способности ОПН по коммутационным перенапряжениям, обеспеченной при испытательных воздействиях не менее 20 импульсов тока на волне 1,2/2,мс с амплитудой 300 500 А и остающемся напряжении на ОПН Uост, которое составляет: Uост (2,7 3,0) Uф макс.

9. Применение РДИ для ВЛ 6 10 кВ является наиболее эффективной мерой для защиты от грозовых перенапряжений и от пережога проводов, как самого недопустимого из их последствий, что обеспечивается принципом действия, техническим исполнением, конструктивной простотой и неподверженностью повреждениям грозовыми и дуговыми токами.

10. Показано, что МКР обеспечивает надежную грозозащиту ВЛ любого класса напряжения без применения грозозащитного троса. При этом снижается высота, масса и стоимость опор, а также стоимость ВЛ в целом, а также резко сокращается число отключений линий, уменьшаются ущербы от недоотпуска электроэнергии и эксплуатационные издержки.

11. Результаты решения проблем организации защиты от грозовых и внутренних перенапряжений электрооборудования и линий систем электроснабжения и электрических сетей нефтяной промышленности внедрены и используются в предприятиях ОАО Роснефть, Самаранефтегаз и др., а также в учебном процессе в вузах.

Основное содержание работы

отражено в следующих публикациях.

В изданиях по списку ВАК:

1. Дронов А.П. Перенапряжения при коммутациях индуктивных элементов [Текст] / Дронов А.П., Засыпкин И.С., Косорлуков И.А. // Изв. Вузов. Электромеханика. - 2009. - Спец. выпуск. - С. 52-53.

2. Дронов А.П. Математическое моделирование передачи импульсных и квазистационарных напряжений через обмотки силовых трансформаторов [Текст] / Дронов А.П., Засыпкин И.С., Лысенкова И.С. // Изв. Вузов. Электромеханика. - 2009. - Спец. выпуск. - С. 67-69.

3. Дронов А.П. Моделирование программы работы нефтедобывающих предприятий с использованием Марковских случайных процессов [Текст] / Гольдштейн В.Г., Дронов А.П., Дадонов Д.Н. // Изв. Вузов. Электромеханика.

Ц 2011. - №3. - С. 102-105.

В других изданиях:

4. Дронов А.П. О феррорезонансных процессах в цепях с трансформаторами напряжения [Текст] / Степанов В.П., Дронов А.П., Засыпкин И.С. // Сб.

тез. докл. VIII Всерос. научн.-практ. конф. Будущее современной энергетики. - Н. Новгород: НГТУ, 2009. - С. 75-78.

5. Дронов А.П. Перенапряжения при коммутациях в сетях 635 кВ [Текст] / Гольдштейн В.Г., Дронов А.П., Засыпкин И.С., Инаходова Л.М. // Сб. тез.

докл. VIII Всерос. научн.-практ. конф. Будущее современной энергетики. - Н. Новгород: НГТУ, 2009. - С. 125-128.

6. Дронов А.П. Анализ повреждаемости систем электроснабжения 0,435 кВ [Текст] / Гольдштейн В.Г., Дронов А.П., Засыпкин И.С. // Электроэнергетика глазами молодежи: научн. тр. Всерос. науч.-техн. конф.: сбор. статей. В 2 т. - Екатеринбург: УРФУ, 2010 г. - Т. 2. - С. 166-169.

7. Дронов А.П. Анализ повреждаемости воздушных линий систем электроснабжения 6110 кВ[Текст] / Гольдштейн В.Г., Дронов А.П., Засыпкин И.С. // Электроэнергетика глазами молодежи: научн. тр. Всерос. науч.техн. конф.: сбор. статей. В 2 т. - Екатеринбург: УРФУ, 2010 г. - Т. 2. - С.

155-158.

8. Дронов А.П. Обеспечение электромагнитной совместимости электрических машин, гальванически связанных с воздушными сетями при грозовых воздействиях [Текст] / Степанов В.П., Гольдштейн В.Г., Дронов А.П., Засыпкин И.С., Фатеева К.С. // Сб. тез. докл. XVI-ой Междунар. науч.техн. конф. Радиотехника, электроника и энергетика - Москва: Издательский дом МЭИ, 2010. - Т.3 - С. 481-482.

9. Дронов А.П. О перенапряжениях при коммутациях электродвигателей нефтедобычи вакуумными выключателями [Текст] / Гольдштейн В.Г., Дронов А.П., Безменова Н.В., Фатеева К.С. // Сб. тез. докл. XVII-ой Междунар. Науч.-техн. конф. Радиотехника, электроника и энергетика - Москва: Издательский дом МЭИ, 2011. - Т.3 - С. 355-356.

10. Дронов А.П. О проблемах повышения надежности электрических сетей на основе обеспечения электромагнитной совместимости при перенапряжениях [Текст] / Дронов А.П. // Сб. статей II-ой Междунар. науч.-практ. конф.

Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах - Пенза: Пензенский госуниверситет, 2011. - С. 215.

11. Дронов А.П. Анализ процессов и рекомендации по улучшению защиты подстанций от прямых ударов молнии [Текст] / Дронов А.П. // Сб. статей II-ой Междунар. науч.-практ. конф. Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах - Пенза: Пензенский госуниверситет, 2011. - С. 216.

ичный вклад автора. Все основные положения диссертации разработаны автором лично. В работах [1, 3-6, 8-9] автору принадлежат статистическая обработка данных эксплуатации, расчетная часть и разработка математических моделей; в работах [10,11] - постановка задачи, обобщение данных эксплуатации и разработка комплекса мероприятий по повышению надежности работы ЭТК в нефтедобыче; в [7] - общая постановка научной задачи, путей и методов построения ее решений. Статьи [10, 11] написаны лично.

Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д212.217.ФГБОУ ВПО Самарский государственный технический университет (протокол № 25 от 13 ноября 2012 г.) Заказ № 920 Тираж 120 экз.

Отпечатано на ризографе.

ФГБОУВПО Самарский государственный технический университет Отдел типографии и оперативной печати 443100 г. Самара ул. Молодогвардейская, 2 Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям