Коммутационные перенапряжения в распределительных сетях 6 кв шахт и рудников и способ их эффективного ограничения
На правах рукописи
Майнагашев Роман Александрович КОММУТАЦИОННЫЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ 6 КВ ШАХТ И РУДНИКОВ И СПОСОБ ИХ ЭФФЕКТИВНОГО ОГРАНИЧЕНИЯ Специальность 05.14.02 – Электрические станции и электроэнергетические системы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Красноярск 2011
Работа выполнена в ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», г.Красноярск
Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Кузьмин Сергей Васильевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Цугленок Галина Ивановна кандидат технических наук Скакунов Дмитрий Александрович
Ведущая организация: ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет (СибГИУ)», г.Новокузнецк
Защита диссертации состоится «26» октября 2011г. в 16 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.099.07 при ФГАОУ ВПО «Сибирский феде ральный университет» по адресу г. Красноярск, ул. Ленина, 70, ауд. А 204.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского федераль ного университета по адресу: г. Красноярск, пр. Свободный, 79/10.
Автореферат разослан «26» сентября 2011г.
Ученый секретарь диссертационного совета ДМ 212.099.07 Т.М. Чупак
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. На современном этапе развития систем электро снабжения (СЭС) 6 кВ шахт и рудников широкое использование вакуумных коммутационных аппаратов, интенсивное старение изоляции кабельных линий, трансформаторов и электродвигателей и низкая эффективность защит от ком мутационных перенапряжений (КП) привело к тому, что аварийность распреде лительных сетей за последние пять лет возросла в 1,6 раза.
Опыт эксплуатации электрооборудования в сетях 6 кВ шахт и рудников показал, что основной объем аварийных отключений связан с пробоями изоля ции из-за воздействия КП и обрывом одной из фаз сети. Статистика показывает, что более 50% однофазных замыканий на землю в системах электроснабжения 6 кВ горных предприятий возникает по причине КП.
Проблема защиты изоляции высоковольтного электрооборудования от КП приобрела наибольшую актуальность после широкого внедрения вакуум ных коммутационных аппаратов. Данная проблема наиболее характерна для ча сто коммутируемых электроприемников с пониженным уровнем прочности изоляции, к которым относятся электродвигатели и трансформаторы, эксплуа тируемые в шахтах и рудниках.
Вопросам исследования КП в системах электроснабжения 6 – 10 кВ гор ных предприятий посвящены работы следующих ученых: Щуцкого В.И., Гон чарова А.Ф., Эпштейна И.Я., Разгильдеева Г.И., Мнухина А.Г., Каганова З.Г. и других.
В период с 1975г. по 2003г. интенсивно разрабатывались средства ограни чения КП, такие как ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН), RC ограничители и RC-гасители. Разработка средств защиты от КП позволила в не которой степени снять остроту проблемы КП в сетях 6 кВ шахт и рудников, так как снизилось число пробоев изоляции кабельных линий и электродвигателей, однако интенсивность пробоев изоляции обмоток трансформаторов остается весьма высокой.
Это, в первую очередь, связано с отсутствием эффективных средств огра ничения перенапряжений, возникающих при коммутации сухих силовых трансформаторов и методов оценки КП в сетях 6 кВ шахт и рудников.
Решение указанных задач является актуальным, так как позволит спро гнозировать величину КП в распределительных сетях 6 кВ шахт и рудников и обоснованно подойти к выбору средств защиты от КП электродвигателей и трансформаторов, что положительно отразится на надежности СЭС технологи ческих комплексов.
Целью работы является повышение надежности систем электроснабже ния 6 кВ шахт и рудников на основе разработки эффективных способов и средств защиты силовых сухих трансформаторов от КП.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие за дачи:
1. Проанализировать современные исследования КП в СЭС 6 - 10 кВ промышленных предприятий, а также методы их оценки и прогнозирования.
2. Выполнить экспериментальные исследования перенапряжений, возни кающих при коммутации электродвигателей и трансформаторов в сетях 6 кВ шахт и рудников, с последующей статистической обработкой данных для выяв ления основных факторов, определяющих величину и характер КП.
3. С помощью экспериментальных исследований и компьютерного моде лирования оценить кратность перенапряжений при коммутации трансформато ров в неполнофазном режиме, установить влияние угла коммутации на величи ну КП и определить взаимосвязь между кратностями КП, возникающих в об мотках высокого и низкого напряжений трансформатора, при его отключении от сети.
4. Обосновать метод оценки и прогнозирования КП в сетях 6 кВ приме нительно к условиям шахт и рудников.
5. Разработать эффективный способ и устройство защиты трансформато ров от КП, основанный на компенсации реактивной мощности.
Объект исследования: высоковольтные системы «выключатель – ка бельная линия – электроприемник», эксплуатируемые в распределительных се тях 6 кВ шахт и рудников.
Предмет исследования: закономерности протекания коммутационных процессов, возникающих в системе напряжением 6 кВ «выключатель – кабель ная линия - электроприемник».
Методы исследования. В работе использованы методы теории электри ческих цепей и электрических измерений, теории СЭС промышленных пред приятий, теории электрических машин, методы компьютерного моделирования переходных процессов в электрических схемах с помощью программного обес печения MatLab и MultiSim, методы математической статистики.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Получены зависимости максимальных кратностей коммутационных перенапряжений от типа и мощности трансформаторов, коммутируемых ваку умными выключателями, показывающие, что перенапряжения при коммутации трансформаторов в распределительных сетях шахт и рудников на 25 - 30 % выше по сравнению с распределительными сетями общепромышленного назна чения.
2. Установлена закономерность увеличения кратности перенапряжений до 18% при коммутации силовых трансформаторов в неполнофазном режиме по отношению к нормальному режиму работы сети 6 кВ шахт и рудников.
3. Обоснован способ ликвидации условий возникновения перенапряже ний при коммутации силовых трансформаторов основанный на принципе ком пенсации реактивной мощности со стороны обмотки низкого напряжения.
Практическая значимость:
1. Обоснованы методы прогнозирования КП в сетях 6 кВ, а в перспективе и в сетях 10 кВ, применительно к условиям шахт и рудников, позволяющие оценить величину коммутационных перенапряжений в любой точке высоко вольтной системы «вакуумный выключатель – кабельная линия - электропри емник» и целенаправленно выбрать необходимые средства защиты от перена пряжений.
2. Усовершенствованы и внедрены низковольтные автоматически регули руемые конденсаторные установки с постоянно включенной первой ступенью, емкость которой выбирается из условия глубокой компенсации тока холостого хода трансформатора, позволяющие не только компенсировать реактивную мощность, но и ликвидировать условия возникновения перенапряжений при коммутации трансформаторов.
Реализация полученных результатов. Обоснованные методы прогнози рования КП использовались в расчетах перенапряжений при коммутации элек тродвигателей и трансформаторов в системах электроснабжения 6 кВ калийных рудников ОАО «Уралкалий» и горно-обогатительного комбината «Нюрбин ский» АО «АЛРОСА». Усовершенствованные конденсаторные установки успешно эксплуатируются на Нюрбинском ГОКе АО «АЛРОСА». За период работы с 2009г. по 2011г. не было зафиксировано ни одного случая выхода из строя трансформаторов 6/0,69 кВ мощностью 630 кВА по причине воздействия КП.
Результаты работы используются в учебном процессе при подготовке ин женеров по электротехническим специальностям в Сибирском федеральном университете (СФУ) и приняты к внедрению на ОАО «СКЗ КВАР», которое яв ляется одним из ведущих предприятий России по выпуску автоматически регу лируемых конденсаторных установок.
Обоснованность и достоверность научных положений подтверждается удовлетворительным совпадением теоретических и экспериментальных резуль татов исследований, положительным опытом эксплуатации усовершенствован ных устройств на Нюрбинском ГОКе АО «АЛРОСА».
На защиту выносятся:
1. Полученные зависимости максимальных кратностей КП от типа и мощности электродвигателей и трансформаторов, коммутируемых вакуумными выключателями, позволяющие повысить достоверность прогнозирования КП в сетях 6 кВ шахт и рудников и обосновать средства защиты от перенапряжений.
2. Зависимость соотношений между кратностями КП, возникающими в обмотках высокого (ВН) и низкого (НН) напряжений от коэффициента транс формации и мощности силовых трансформаторов, подтверждающая гипотезу о том, что переход волны КП из обмотки ВН в обмотку НН не зависит от коэф фициента трансформации и осуществляется за счет емкостных связей между данными обмотками.
3. Установленная закономерность увеличения кратности перенапряжений до 18% при коммутации трансформаторов в случае обрыва одной из фаз сети кВ по отношению к нормальному режиму эксплуатации.
4. Полученная зависимость кратности перенапряжений при коммутации силовых трансформаторов вакуумным выключателем от коэффициента мощ ности, позволяющую использовать принцип компенсации реактивной мощно сти, как способ, ликвидирующий условия возникновения КП в системе «ваку умный выключатель – кабельная линия - трансформатор» Апробация работы. Основные положения диссертационной работы до кладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференци ях: Международная научно-практическая конференция «Стратегические прио ритеты и инновации в производстве цветных металлов и золота» (г.Красноярск, 2006 г.);
I Международная научно-практическая конференция «ИНТЕХМЕТ 2008» (г.Санкт-Петербург, 2008 г.);
IX Всероссийская научно-практическая конференция «Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города» (г.Красноярск, 2008 г.);
Х Всероссийская научно-практическая конференция «Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города» (г.Красноярск, 2009г.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 11 печатных работ, из которых 3 статьи в периодическом издании по списку ВАК;
8 работ в трудах международных и всероссийских конференций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введе ния, пяти глав, заключения, двух приложений, библиографического списка из 123 наименований. Основной текст диссертационной работы изложен на страницах, проиллюстрирован 58 рисунками и 24 таблицами.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, дается общая характеристи ка работы, её научная новизна и практическая значимость, сформулированы цели и задачи исследований, отражены вопросы реализации и апробации науч ных результатов, сформулированы основные положения, выносимые на защи ту.
В первой главе выполнен анализ аварийности распределительных сетей 6 кВ шахт и рудников, обобщены результаты исследований КП в распредели тельных сетях 6 – 10 кВ промышленных предприятий.
Показано, что на современном этапе развития СЭС шахт и рудников ос новная причина, влияющая на аварийность распределительных сетей и элек трооборудования - это сочетание КП, естественного старения изоляции кабель ных линий, электродвигателей и трансформаторов и обрывы отдельных фаз се ти.
Широкое использование вакуумных выключателей, современная компо новка передвижных трансформаторных подстанций (ПТП), у которых вакуум ные выключатели подключаются непосредственно к вводам обмотки ВН трансформатора (подстанции типа КТСВП) и низкая эффективность средств защиты от КП, привели к тому, что аварийность СЭС шахт и рудников за по следние 5 лет возрасла в 1,6 раза.
Наиболее повреждаемыми элементами СЭС являются кабельные линии (КЛ) и трансформаторы. На их долю приходится около 75% аварийных ситуаций, а доля высоковольтных электродвигателей и ячеек составляет не более 22%.
Основными причинами аварийности КЛ являются пробои изоляции раз делок кабеля, которые связаны с вводом электроприемника и обрывы отдель ных жил кабеля. По данным причинам происходит соответственно 45% и 32% повреждений КЛ. Основными причинами аварийности трансформаторов явля ются пробои изоляции и перекрытия вводов обмоток высокого и низкого напряжений. По данным причинам происходит около 60% выходов из строя трансформаторов. При этом пробои изоляции и перекрытия вводов обмотки НН происходят в два раза чаще в сравнении с обмоткой ВН.
Кроме этого анализ аварийности трансформаторов показывает, что при обрыве одной из фаз питающей сети, (неполнофазный режим), пробои изоля ции обмоток трансформатора или разделки кабеля связанные с вводами транс форматора превышают аналогичные пробои изоляции при симметричном ре жиме питания трансформатора практически в 2 – 2,5 раза. Можно предполо жить, что кратность перенапряжений при коммутации в неполнофазном режиме выше, чем при симметричном режиме сети.
Следовательно, разработка эффективных способов и средств защиты трансформаторов от КП позволит повысить надежность СЭС 6 кВ шахт и руд ников, так как сократит количество пробоев изоляции обмоток трансформато ров и разделок кабелей, связанных с вводами трансформаторов.
Во второй главе обоснованы методика и приборная база для измерения перенапряжений при коммутации электродвигателей и трансформаторов.
Приведены результаты измерений, проведенных на предприятиях ОАО «Уралкалий», АО «Алроса» Нюрбенский ГОК и статистической обработки дан ных КП в сетях 6 кВ шахт и рудников. Для фиксации и осциллографирования КП использовался компенсационный RC- делитель типа ДНЕК-10 и четырехка нальный цифровой осциллограф Tektronix TDS2024B. КП фиксировались как на вводах электроприемника, так и на зажимах выключателя. Это позволило оценить влияние параметров электроприемника, кабельной линии на величину и кратность КП в разных точках системы «выключатель – кабельная линия электроприемник».
На основе статистической обработки экспериментальных данных получе ны зависимости максимальных кратностей КП от типа и мощности электродви гателей и трансформаторов для вакуумных выключателей, данные зависимости представлены на рисунках 1 и 2.
На рисунках 1 и 2 приведены зависимости Кmax = f(Рдв) и КmaxВН = f(Sтр) не только для сетей 6 кВ шахт и рудников, но и для общепромышленных сетей.
Сопоставив результаты измерений КП на зажимах асинхронных электро двигателей, эксплуатируемых в сети 6 кВ шахт и рудников с аналогичными из мерениями КП для общепромышленный сетей, можно видеть, что данные прак тически совпадают. Это указывает на то, что параметры асинхронных электро двигателей напряжением 6 кВ, эксплуатируемых в шахтах и рудниках, в режи ме коммутации, близки к параметрам асинхронных электродвигателей, которые используются в общепромышленных сетях 6кВ.
К max сети 6 кВ шахт и рудников общепромышленные сети 6 кВ P дв, кВт 0 250 315 400 500 630 800 Рисунок 1 - Зависимость Кmax от мощности асинхронных электродвигателей К maxВН 8 сети 6 кВ шахт и рудников общепромышленные сети 6 кВ S тр, кВ·А 0 100 250 400 630 Рисунок 2 - Зависимость КmaxВН от мощности сухих трансформаторов В то же время кратность перенапряжений, возникающих при коммутации сухих трансформаторов в шахтах и рудниках, в среднем на 25 – 30% выше кратности КП аналогичных трансформаторов общепромышленного назначения.
Выявленные закономерности необходимо учитывать при выборе метода оценки и прогнозирования КП в сетях 6 кВ шахт и рудников.
Установлено, что неполнофазном режиме сети кратность перенапряже ний при коммутации трансформаторов возрастает на 15 – 18%.
Экспериментальные исследования показали, что кратность КП в обмотке НН (KmaxНН) по сравнению с кратностью КП в обмотке ВН (KmaxВН) гораздо вы ше. Зависимость КmaxНН = f(Sтр) приведена на рисунке 3, а на рисунке 4 показа но изменение отношения = KmaxНН/ KmaxВН в зависимости от коэффициента трансформации и мощности трансформатора.
К maxНН 0 100 250 400 630 S тр,кВ·А Рисунок 3 - Зависимость КmaxНН возникающих в обмотках низкого напряжения от мощности сухих трансформаторов шахт и рудников 2 отключение 250 кВ·А 400 кВ·А 630 кВ·А Кт 0 5,3 9,1 15, Рисунок 4 - Зависимость отношения кратности КП, возникающий в обмотке низкого и высо кого напряжения от коэффициента трансформации трансформаторов 6/0,4;
6/0,69 и 6/1, Анализ зависимостей, представленных на рисунках 3 и 4, показывает, что значение коэффициента находится в диапазоне 9,8 – 10,2 и не зависит от мощности трансформатора и коэффициента трансформации. Это указывает на то, что большая часть энергии волны КП, возникающей в обмотке ВН, переда ётся в обмотку НН трансформатора при его отключении от сети и вызывает вы сокие перенапряжения на зажимах обмотки НН трансформатора. Передача энергии волны КП осуществляется за счет емкостных связей между обмотками, а не за счет коэффициента трансформации. Данное обстоятельство необходимо учитывать, как при моделировании перенапряжений, возникающих при отклю чении силовых трансформаторов, так и при выборе способов и средств защиты от КП и мест их установки.
В третьей главе разработана и идентифицирована компьютерная модель системы «источник питания – выключатель – кабельная линия трансформатор».
Установлены основные зависимости кратности перенапряжений в симметрич ном и неполнофазном режиме работы сети от мощности силовых трансформа торов и угла коммутации.
Апробация существующих схем моделирования трансформаторов, пред ставленных в программах MatLab и MultiSim, показала, что она не отражают переходные процессы, возникающие в обмотках трансформатора при его ком мутации, так как не учитывают емкостные связи между обмотками ВН и НН.
С учетом результатов экспериментальных исследований была разработа на схема моделирования трансформатора в режиме коммутации, учитывающая емкостные связи между обмотками трансформатора.
В качестве примера на рисунке 5, при помощи программы MultiSim, при ведена схема моделирования для трансформатора 6/0,4 кВ с литой изоляцией и мощностью 250 кВ·А, где L1, L5, L9 и R1, R5, R9 – индуктивности и активные со противления обмоток ВН трансформатора;
L4, L8, L12 и R1, R5, R9 - индуктивно сти и активные сопротивления обмоток НН трансформатора;
L10, L11, L2, L3, L6, L7 и R10, R11, R2, R3, R6, R7 – индуктивности и активные сопротивления цепей намагничивания трансформатора;
C1, C4, C7 – емкости между обмотками ВН и НН;
C2, C5, C8 – емкости обмоток ВН по отношению к земле;
C3, C6, C9 - емко сти обмоток НН по отношению к земле;
R14, R15, R16 – сопротивления изоляции обмоток НН по отношению к земле;
R15, R16 – шунты.
Рисунок 5 - Схема моделирования трансформатора 6/0,4 мощностью 250 кВА в ре жиме коммутации Параметры обмоток и цепей намагничивания трансформатора определе ны по известным методикам, изложенным в курсе «Электрические машины», а емкости обмоток по отношению к земле и между обмотками ВН и НН опреде лялись экспериментальным путем. Результаты измерений представлены в таб лице 1.
Таблица 1 - Емкостные связи трансформаторов Емкость фазной обмотки Емкость фазной обмотки Емкость между обмот Sт, ВН по отношению к зем- НН по отношению к земле, кВ·А ками ВН и НН, нФ ле, нФ нФ 250 7,877 58,0 42, 400 10,979 95,2 67, 630 15,6 67,0 48, 1000 40,1 115,6 80, Моделирование коммутационных режимов проводилось для трансформа торов мощностью 250, 400, 630, 1000 кВА, как для наиболее часто используе мых в шахтах и рудниках.
Моделирование показало, что в нормальном режиме эксплуатации сети максимальные кратности перенапряжений возникают при углах коммутации 27°, 36°, 81° и 90° и не зависят от коэффициента трансформации и мощности трансформатора.
В случае обрыва одной из фаз сети кратность КП возрастает с увеличени ем угла коммутации. Данная зависимость имеет практически линейный харак тер, при этом кратность перенапряжений в неполнофазном режиме превышает кратность перенапряжений в нормальном режиме эксплуатации трансформато ра не более чем на 18%.
Обобщенные результаты моделирования представлены на рисунке 6.
К maxВН обрыв фазы (данные моделирования) 10 симметричный режим (экспериментальные данные) 8 симметричный режим (данные моделирования) 0 250 400 630 S тр, кВ·А Рисунок 6 - Зависимости КmaxВН от мощности трансформаторов, полученные на основе моде лирования и экспериментальных данных Анализ данных зависимостей показывает, что в симметричном режиме эксплуатации сети перенапряжения, возникающие при отключении силовых трансформаторов, в реальных условиях эксплуатации практически совпадают с результатами моделирования, относительная погрешность не превышает 10%.
Следовательно, зависимости максимальных кратностей перенапряжений от мощности силовых трансформаторов в неполнофазном режиме работы сети, полученные на основе моделирования, можно считать близкими к реальным значениям и использовать их для прогнозирования КП в сетях 6 кВ шахт и руд ников.
В четвертой главе выполнен анализ существующих методов оценки и прогнозирования КП в сетях 6 – 10 кВ промышленных предприятий. Обоснова ны и предложены методы оценки КП в сетях 6 кВ шахт и рудников.
На основе анализа существующих методов оценки КП, к которым отно сятся экспериментальный метод, методы математического и физического моде лирования, метод на основе регрессионных уравнений, экспресс-метод и ком плексный метод прогнозирования перенапряжений и с учетом показателей ка чества электрической энергии были обоснованы методы оценки и прогнозиро вания КП применительно к условиям шахт и рудников.
Для систем электроснабжения 6 кВ шахт и рудников наиболее приемле мым является экспресс-метод оценки КП, разработанный научными сотрудни ками ООО «Рутас» совместно с представителями кафедры электрификации горно-металлургического производства СФУ. Это связано с тем, что в распре делительных сетях 6 кВ шахт и рудников не используются кабели из сшитого полиэтилена и практически отсутствуют высшие гармоники тока и напряжения, так как коэффициенты искажения несинусоидальности кривой тока и напряже ния соответственно не превышают 2% и 5%. Это связано с тем, что в системах электроснабжения 6 кВ шахт и рудников наиболее часто используются транс форматоры мощностью 1000 кВА и менее, которые характеризуются высокой степенью подавления высших гармоник.
В то же время значительная протяженность подземных выработок и ис пользование современного мощного технологического оборудования (проход ческие и добычные комплексы, конвейерные линии и т.д.) приводит к тому, что отклонения напряжения в удаленных точках системы электроснабжения 6 кВ могут достигать предельно-допустимых значений, а в определенных случаях превышать их. Это обстоятельство заставляет рассматривать вопрос, связанный с использованием распределительных сетей напряжением 10 кВ. Перспектив ное использование сетей 10 кВ в шахтах и рудниках позволит не только решить проблему с отклонением напряжения, но и поставить задачу, связанную с по давлением высших гармоник в сетях 10 кВ, так как распределительные сети кВ делают экономически обоснованным увеличение мощности технологиче ского оборудования, в котором широко используются частотно-регулируемые приводы и тиристорные преобразователи. Это в свою очередь приведет к мас совому использованию трансформаторов 1600 кВА и более, что снизит эффект подавления высших гармоник силовыми трансформаторами.
В этом случае для оценки КП в сетях 10 кВ шахт и рудников более раци ональным является комплексный метод прогнозирования КП, который учиты вает класс напряжения сети и наличие высших гармоник.
Результаты исследования, представленные во второй главе, показывают, что изменение кратности КП в зависимости от мощности электродвигателей, которые используются в общепромышленных сетях и сетях шахт и рудников, практически совпадают (рисунок 1) и не превышают 3,5 %. В то же время из менение кратности перенапряжений в зависимости от мощности сухих транс форматоров, эксплуатируемых в общепромышленных сетях 6 кВ и сетях 6 кВ шахт и рудников, не совпадают (рисунок 2). Кратность перенапряжений при коммутации трансформаторов в подземных условиях вакуумными выключате лями выше в среднем на 28,5%. Следовательно, для оценки и прогнозирования КП в сетях 6 - 10 кВ шахт и рудников при использовании экспресс – метода и комплексного метода, коэффициент максимальной кратности (Kmax) для элек тродвигателей остается неизменным, а для трансформаторов должен быть выше в 1,285 раза.
В этом случае, как показывает практика, отличие расчетных значений КП в сетях 6 кВ шахт и рудников от измеренных КП не превышает 9,5%.
В пятой главе выполнен анализ эффективности существующих способов и устройств защиты от коммутационных перенапряжений. Предложен способ ограничения КП на основе компенсации реактивной мощности. Выполнено мо делирование предложенного способа ограничения КП применительно к сило вым трансформаторам 6 кВ. Произведены экспериментальные исследования в данном направлении на действующих трансформаторных подстанциях шахт и рудников.
Показано, что наличие «зоны замирания» в работе ОПН и низкая терми ческая устойчивость в режиме однофазных замыканий на землю (ОЗЗ) снижает эффективность защиты от КП трансформаторов и электродвигателей, эксплуа тируемых в шахтах и рудниках.
RC-ограничители снижают кратность КП до уровня (1,51,7)Uн, что обес печивает надежную защиту электродвигателей и трансформаторов от КП. Од нако в режиме ОЗЗ один RC-ограничитель увеличивает емкостной ток ОЗЗ от 0,33А до 0,82А в зависимости от параметров RC-цепей, которые являются базо выми элементами RC-ограничителя. Это обстоятельство накладывает ограни чения на количество данных устройств, подключенных к узлу электрической нагрузки, что может оставить часть электроприемников без защиты от КП.
Кроме этого, RC-ограничители могут подвергаться термическому разрушению от токов высших гармоник, если коэффициент искажения синусоидальности кривой тока более 10%.
RC-гасители более устойчивы к воздействию токов высших гармоник и не влияют на величину и характер тока ОЗЗ. Однако имеют большие габариты и вес, что затрудняет их использование в шахтах и рудниках. Наиболее рацио нально их использовать для защиты высоковольтных электродвигателей от КП.
Работа данных устройств основана на способах, связанных с изменением электрических параметров защищаемых объектов. ОПН снижают активное со противление по отношению к земле, а RC-ограничители и RC-гасители увели чивают емкость обмоток электродвигателей и трансформаторов соответственно по отношению к земле и между собой.
Другим направлением в ограничении КП являются способы, снижающие величину среза тока.
В настоящее время это достигается за счет специальных сплавов при из готовлении контактов вакуумных выключателей.
В диссертации предложен способ защиты трансформаторов, основанный на снижении величины среза тока за счет компенсации индуктивной составля ющей. Это связано с тем, что максимальные кратности КП наблюдаются при отключении трансформаторов в режиме холостого хода или близком к нему. В этом случае ток, протекающий по обмотке ВН, будет иметь в основном индук тивный характер. Наложения на ток холостого хода трансформатора емкостной составляющей приведет к снижению величины тока в обмотке ВН и, как след ствие, к снижению среза тока в случае отключения трансформатора от сети.
Практическая реализация данного способа ограничения КП была осу ществлена на базе автоматически регулируемых конденсаторных установок (КУ), предназначенных для компенсации реактивной мощности и подключен ных к обмотке НН трансформатора. При этом датчик регулирования коэффи циента мощности (cos) подключен к обмотке ВН через измерительные транс форматоры тока и напряжения.
На рисунке 7 приведена электрическая схема модернизированной КУ, предназначенная для компенсации реактивной мощности и защиты трансфор матора от КП.
6 кВ QF КТСВП QF ТТ ТН Т cos 0,4 (0,69;
1,14) кВ УКРМ Ср С Ср нагрузка нагрузка С С Ср Рисунок 7 – Схема модернизированной автоматически регулируемой конденсаторной установки, предназначенной для компенсации реактивной мощности и защиты трансформа тора от КП, где Ср – регулируемая емкость, С0 – постоянная емкость Отличие модернизированной КУ от типовой состоит в наличии постоян но включенной первой ступени, емкость которой (С0) выбирается из условия максимальной компенсации индуктивной составляющей тока холостого хода трансформатора.
В результате компьютерного моделирования и экспериментальных ис следований получены зависимости максимальных кратностей КП от коэффици ента мощности трансформатора.
Усредненная зависимость КmaxВН=f(cos), представлена на рисунке 8.
КmaxВН 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 cos Рисунок 8 – Зависимость K max ВН f cos Из данной зависимости видно, что при cos 0,75 кратность КП не пре вышает 1, т.е. перенапряжения при коммутации трансформаторов не возника ют.
Однако с позиции увеличения пропускной способности КЛ и трансфор маторов cos должен быть не менее 0,92. В этом случае наблюдается полное подавление КП при отключении трансформаторов.
В качестве примера на рисунках 9 и 10 показаны осциллограммы КП, возникающие при отключении трансформатора мощностью 250 кВА, если cos соответственно равен 0,3 и 0,92.
В первом случае (cos = 0,3) кратность КП в обмотках ВН и НН соответ ственно составили 4,6 и 34,7, что может привести к пробоям изоляции обмоток трансформатора. Во втором случае (cos = 0,92) КП не возникают, что под тверждает высокую эффективность разработанного способа ограничения КП.
Рисунок 9 - Осциллограммы КП, возникающие при отключении силового трансформатора мощностью 250кВ·А. cos=0,3;
КmaxВН=4,6;
КmaxНН=34, Рисунок 10 - Осциллограммы КП, возникающие при отключении силового трансформатора мощностью 250кВ·А. cos=0,92;
КmaxВН=0,7;
КmaxНН=0,75.
С 2009г. три модернизированных КУ (рисунок 7) эксплуатируются сов местно с трансформаторами 6/0,69 кВ мощностью 630 кВА в рудничных сетях Нюрбинского ГОКа. Опыт эксплуатации показал, что аварийных ситуаций, свя занных с пробоями изоляции обмоток трансформаторов и разделок кабелей, подключенных к вводам трансформаторов, не наблюдалось. В то же время из пяти трансформаторных подстанций, в которых для защиты от КП использова лись ОПН, на трех трансформаторах наблюдались пробои изоляции разделки кабеля на вводе обмотки ВН. Пробой изоляции в среднем происходил один раз в 3,5 месяца, а на одном трансформаторе в 2010г. произошел пробой изоляции обмотки НН и только один трансформатор из пяти эксплуатируется без аварий.
Это доказывает высокую эффективность модернизированных КУ, пред назначенных не только для компенсации реактивной мощности, но и для защи ты трансформаторов от КП.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Анализ аварийности систем электроснабжения 6 кВ шахт и рудников в период с 2006г. по 2010г. показал, что широкое использование вакуумных вы ключателей, современная компоновка передвижных трансформаторных под станций и низкая эффективность средств защиты от КП привели к росту ава рийности силовых трансформаторов в 1,2 – 1,9 раза в зависимости от мощности трансформатора, поэтому разработка эффективных средств защиты от КП си ловых трансформаторов позволит повысить надежность систем электроснабже ния шахт и рудников.
2. Результаты статистической обработки экспериментальных данных по казали, что с увеличением мощности силовых трансформаторов и электродви гателей кратность КП снижается. Кратность КП в обмотке НН трансформатора существенно превышает кратность перенапряжений в обмотке ВН и не зависит от коэффициента трансформации, а в неполнофазном режиме работы сети от ключение силовых трансформаторов сопровождается перенапряжениями, вели чина которых по сравнению с нормальным режимом сети в среднем выше на – 18%, что позволило обоснованно подойти к выбору схемы моделирования трансформатора в режиме коммутации и метода оценки КП в сети 6 кВ шахт и рудников.
3. Моделирование сухих трансформаторов мощностью 250, 400, 630 и 1000 кВА позволило установить изменение кратности КП от угла коммутации в зависимости от режима сети. Показано, что в нормальном режиме работы сети максимальные кратности перенапряжений возникают при следующих углах коммутации 27°, 36°, 81° и 90°, а при обрыве одной из фаз сети с увеличением угла коммутации кратность КП возрастает, что в перспективе позволяет разра ботать средства ограничения КП основанные на контроле угла коммутации.
4. Установлено, что характер изменения отношений максимальных крат ностей КП, возникающих в обмотках НН и ВН трансформатора, полученных на основе моделирования и экспериментальным путем практически совпадают (погрешность не превышает 10%), не зависит от мощности трансформатора и находится в диапазоне 10 10,6. Это указывает на то, что основная часть энер гии, возникающая в трансформаторе после его отключения, передается из об мотки ВН в обмотку НН за счет емкостных связей, поэтому наиболее рацио нальной точкой подключения средств защиты от КП является ввод обмотки НН.
5. Анализ существующих методов оценки и прогнозирования КП в си стемах электроснабжения 6 – 10 кВ промышленных предприятий и выполнен ные исследования показывают, что для оценки КП в современных систем элек троснабжения шахт и рудников наиболее приемлемым являются экспресс – ме тод оценки и прогнозирования КП, основанный на обработке и систематизации статистических данных полученных при коммутации электродвигателей и трансформаторов в сетях 6-10 кВ промышленных предприятий, а в случае ис пользования в шахтах и рудниках распределительных сетей напряжением 10 кВ для оценки КП необходимо применять комплексный метод. Использование указанных методов в распределительных сетях 6 - 10 кВ шахт и рудников воз можно с учетом того, что кратность перенапряжений при коммутации сухих трансформаторов выше в 1,285 раза по отношению к аналогичным трансформа торам, которые эксплуатируются в общепромышленных сетях.
6. Эффективную защиту от КП сухих трансформаторов в сети 6 кВ шахт и рудников можно реализовать на базе автоматически регулируемых устройств компенсации реактивной мощности, подключенных к обмотке НН с постоян ной включенной первой ступенью, емкость которой выбирается из условия по давления КП, основанного на снижении величины тока холостого хода транс форматора за счет компенсации индуктивной составляющей. При этом с пози ции увеличения пропускной способности системы электроснабжения 6 кВ шахт и рудников и подавления КП при коммутации трансформаторов коэффициент мощности в любом режиме работы трансформатора должен находиться в диа пазоне 0,92 – 0,96.
7. На основе анализа существующих средств защиты электродвигателей от КП показано, что наиболее эффективным устройством защиты от КП высо ковольтных электродвигателей шахт и рудников является RC-гаситель, так как он не влияет на величину тока ОЗЗ, устойчив к воздействию высших гармоник и обеспечивает уровень ограничения не более 1,7·Uн., что ниже допустимого значения.
ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Майнагашев, Р.А. Анализ аварийности в системе электроснабжения 6 10 кВ горно-металлургических предприятий Сибири [Текст] / Р.А. Майнагашев, С.В. Кузьмин, И.С. Зыков, К.П. Ящук // Горное оборудование и электромехани ка. – 2009. - №3. – С. 23 – 25.
2. Майнагашев, Р.А. Влияние коммутационных перенапряжений на надежность систем электроснабжения 6 кВ шахт и рудников [Текст] / Р.А.
Майнагашев, Р.С. Кузьмин, В.В. Павлов, И.С. Зыков, В.В. Дементьев // Горное оборудование и электромеханика. – 2011. - №2. – С. 31 – 33.
3. Майнагашев, Р.А. Опыт эксплуатации средств защиты от коммутаци онных перенапряжений в системах электроснабжения 6 кВ горных предприятий [Текст] / Р.А. Майнагашев, Е.В. Гаврилова, С.В. Кузьмин, С.В. Немков // Гор ное оборудование и электромеханика. – 2011. - №4. – С.53 - 54.
В других изданиях и материалах научно-технических конференций:
1. Майнагашев, Р.А. Проблемы перенапряжений при использовании ва куумных коммутационных аппаратов [Текст] / Р.А. Майнагашев, С.В. Кузьмин, Р.С. Кузьмин, Б.С. Заварыкин, И.В. Краснова // Сборник материалов междуна родной научно-практической конференции: "Стратегические приоритеты и ин новации в производстве цветных металлов и золота". ГОУ ВПО "ГУЦМиЗ". – Красноярск. – 2006. – С.283 – 287.
2. Майнагашев, Р.А. Исследование коммутационных перенапряжений в системах электроснабжения 6-10 кВ горно-металлургических предприятий в режиме однофазного замыкания на землю [Текст] / Р.А. Майнагашев, Е.В. Гав рилова, Р.С. Кузьмин, В.А. Меньшиков, // Сборник материалов I международ ной научно-практической конференции «Интехмет-2008» // Санкт-Петербург. – 2008. – С. 66 – 67.
3. Майнагашев, Р.А. Коммутационные перенапряжения в узлах элек трических нагрузок напряжением 6 – 35 кВ металлургических предприятий и способы их эффективного ограничения [Текст] / Р.А. Майнагашев, В.А. Мень шиков, В.В. Дементьев, Д.В. Барышников // Сборник материалов I Междуна родной научно-практической конференции «Интехмет-2008» // Санкт Петербург. – 2008. – С. 74 – 75.
4. Майнагашев, Р.А. Основные направления по снижению аварийности в системах электроснабжения 6-10 кВ промышленных предприятий [Текст] / Р.А.
Майнагашев, Е.В. Гаврилова, И.С. Зыков, В.В. Дементьев // Энергоэффектив ность систем жизнеобеспечения города: Материалы IX Всероссийской научно практической конференции // Красноярск. – 2008. – С.142 – 146.
5. Майнагашев, Р.А. Режим однофазного замыкания на землю и комму тационного перенапряжения в сетях 6 – 10 кВ промышленных предприятий [Текст]/ Р.А. Майнагашев, Е.В. Гаврилова // Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города: Материалы IX Всероссийской научно-практической конференции // Красноярск. – 2008. – С.146 – 149.
6. Майнагашев, Р.А. Компенсация реактивной мощности за счет ис пользования естественных средств [Текст] / Р.А. Майнагашев, Е.В. Гаврилова, И.С. Зыков, В.В. Дементьев // Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города: Материалы IX Всероссийской научно-практической конференции // Красноярск. – 2008. – С.106 – 110.
7. Майнагашев, Р.А. Устойчивость силовых трансформаторов 6 - 35 кВ к коммутационным перенапряжениям [Текст] / Р.А. Майнагашев, Е.В. Гаврило ва, В.В. Павлов, И.С. Кузьмин // Энергоэффективность систем жизнеобеспече ния города: Материалы Х Всероссийской научно-практической конференции // Красноярск. – 2009. – С. 270 – 272.
8. Майнагашев, Р.А. Влияние высших гармоник на величину тока одно фазного замыкания на землю в системах электроснабжения 6 -10 кВ [Текст] / Р.А. Майнагашев, Р.С. Кузьмин, В.А. Меньшиков, И.С. Зыков // Энергоэффек тивность систем жизнеобеспечения города: Материалы Х Всероссийской науч но-практической конференции // Красноярск. – 2009. – С. 272 – 276.