Міністерство освіти і науки України

Національний гірничий університет

СКОСИРєВ Віктор Георгійович

УДК 621.316.9:621.616.13

ПІДВИЩЕННЯ експлуатаційної НАДІЙНОСТІ

РОЗПОДІЛЬЧИХ МЕРЕЖ ПІДПРИЄМСТВ

ГІРНИЧО – ЗБАГАЧУВАЛЬНОГО КОМПЛЕКСУ

Спеціальність:

05.09.03 - "Електротехнічні комплекси та системи"

Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі електричних машин Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).

Науковий керівник:

- доктор технічних наук, професор Шкрабець Федір Павлович,

Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки

України (м. Дніпропетровськ), завідувач кафедри електричних машин.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук Разумний Юрій Тимофійович, Національний

гірничий університет Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропе-

тровськ), професор кафедри систем електропостачання;

- кандидат технічних наук, с.н.с. Лікаренко Анатолій Григорович,

Криворізький факультет Національної металургійної академії України

Міністерства освіти і науки України, доцент кафедри електромеханіч-

ного обладнання заводів.

Провідна установа:

- Донецький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра гірничої електротехніки і автоматики.

Захист відбудеться "_24_" _квітня_ 2003 р. о _14-00_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.07 по захисту дисертацій при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпропетровськ, 27, просп. К.Маркса, 19).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України за адресою: м. Дніпропетровськ, просп. К.Маркса, 19.

Автореферат розісланий "_20_" _березня_ 2003 р.

Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Д 08.080.07,
д-р техн. наук В.Т. Заїка

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Видобуток копалин і їх переробка – галузь гірничої справи, що досягла нині високого технологічного рівня і здійснює істотний вплив на розвиток важкої індустрії й економіки країни в цілому. В Україні видобуток руд чорних і кольорових металів здійснюється переважно відкритим способом.

Подальший розвиток відкритих гірничих робіт, а також комплексу збагачення руд, пов'язаний з ростом енергооснащеності праці, і, як наслідок, з розвитком і ускладненням систем електропостачання, зростанням робочих напруг. У свою чергу ріст робочих напруг і збільшення кількісних показників розподільних мереж і устаткування приводять до росту інтенсивності й імовірності ушкоджень, до погіршення умов електробезпечності. За даними статистичних досліджень, найбільш розповсюдженими в розподільних мережах напругою 6 – 35 кВ є однофазні замикання на землю (до 60-70 % від усіх видів ушкоджень). Зазначені ушкодження, відповідно до діючих "Правил безпеки", повинні відключатися відповідними пристроями захисту в системах з пересувними електроустановками (кар'єрні мережі), що приводить до значних простоїв добувного і транспортного устаткування. У системах електропостачання зі стаціонарними електроустановками, до яких відносяться і підприємства збагачувального комплексу, негайного відключення однофазного замикання на землю не потрібно, що з одного боку дозволяє визначений час зберігати в роботі технологічне устаткування, а з іншого – за певних умов сприяє розвитку аварії і, як наслідок, також приводить до простоїв, пошкодження устаткування і зниженню рівня електробезпечності.

Тому розвиток теорії та розробка принципів і технічних засобів оперативного і безперервного контролю параметрів ізоляції електричної мережі і селективного захисту від несиметричних ушкоджень, які спрямовані на підвищення ефективності систем електропостачання, є актуальна науково-прикладна задача.

Значний внесок у вирішення питань забезпечення надійності й електробезпечності систем електропостачання гірничих підприємств внесли вчені Бунько В.О., Волотковський С.А., Груба В.І., Гладилін Л.Б., Кириленко О.В., Ковальов П.Ф., Колосюк В.П., Меньшов Б.Г., Півняк Г.Г., Разумний Ю.Т., Самойлович І.С., Сирота І.М., Цапенко Є.Ф., Шидловський А.К., Щуцький В.І. та інші. Провідна роль у розробці і впровадженні методів і засобів підвищення надійності та електробезпечності систем електропостачання гірничих і гірничо-збагачувальних підприємств належить колективам науково-дослідних інститутів ІЕД НАН України, НДІАчермет, МакНДІ, СхідНДІ, ІГД ім. А.А.Скочинського, Київського національного технічного університету (КПІ), Дніпропетровського, Санкт-Петербургського, Єкатеринбургського, Московського гірничих вузів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконувалася відповідно з планами НДР НГУ (ГП-267 "Дослідження екстремальних характеристик перехідних процесів в електричних мережах напругою вище 1000 В при несиметричних ушкодженнях і розробка методів і способів їхнього обмеження для умов гірничо-збагачувальних комплексів", № держ. регіст. 0100U001802) і планів НДР Вільногірського ДГМК.

Мета і задачі досліджень.

Метою роботи є підвищення експлуатаційної надійності і поліпшення умов електробезпечності в системах електропостачання підприємств гірничо-збагачуваль-ного комплексу на основі створення методів і засобів контролю параметрів ізоляції і захисту електроустаткування та мереж, а також оптимізації режиму нейтралі.

Для досягнення мети поставлені і вирішені такі задачі:

1. Розробити методі і засоби контролю параметрів ізоляції розподільчих мереж напругою вище 1000 В.

2. Оцінити вплив заземлення нейтралі на параметри аварійного режиму та експлуатаційні показники розподільчих мереж.

3. Розробити рекомендації з вибору оптимального, за умовами експлуатаційної надійності та електробезпечності, режиму нейтрали розподільчих мереж.

4. Розробити принцип та пристрій спрямованого захисту (сигналізації) від замикань на землю в розподільчих мережах з будь-яким режимом нейтралі.

Об'єкт досліджень – вплив параметрів ізоляції і режиму роботи нейтралі на експлуатаційну надійність і електробезпечність систем електропостачання підприємств гірничо-збагачувального комплексу.

Предмет досліджень – процеси в електричних системах напругою 6 – 35 кВ при несиметричних ушкодженнях і різних видах заземлення нейтралі.

Ідея роботи полягає у використанні характеру протікання перехідних і сталих процесів і законів зміни аварійних і оперативних струмів при замиканнях на землю в електричних мережах з різними режимами нейтралі для розробки рекомендацій з режимів роботи нейтралі та обґрунтування методів виконання і реалізації засобів контролю ізоляції і захисту мереж від несиметричних ушкоджень.

Методи досліджень. При виконанні роботи використані теоретичні й експериментальні методи, зокрема, теорії ймовірності та аналітичні методи досліджень для оцінки надійності елементів і електробезпечності систем електропостачання; математичне моделювання на основі формалізації процесів і побудови часткових математичних моделей для дослідження характеристик аварійних струмів та параметрів нульової послідовності; загальну теорію електричних ланцюгів для оцінки аварійних процесів, а також натурні експерименти з метою практичної перевірки результатів теоретичних досліджень і прийнятих технічних рішень.

Основні наукові положення та результати, їх новизна:

Наукові положення:

1. Значення повної, ємнісної та активної провідності ізоляції мережі відносно землі пов'язані однозначними залежностями зі значеннями підключення до однієї з фаз додаткової активної провідності, напруги зсуву нейтралі і напругами фази до і після підключення додаткової провідності, що дозволяє, на відміну від існуючих методів, визначати параметри ізоляції мережі без відключення робочої напруги.

2. При рівних значеннях напруг джерел значення оперативних струмів різних частот, що накладаються на мережу, практично рівні між собою при металевих і близьких до них замиканнях і відрізняються один від одного в пропорції практично рівної кратності оперативних частот при відсутності ушкодження в мережі, що може використовуватися як нова відмітна ознака для нового способу спрямованого захисту від усіх видів замикань на землю і придатного для мереж з будь-яким режимом нейтралі.

Наукові результати:

1. Заземлення нейтралі трифазної електричної мережі через індуктивність чи резистор приведе до істотних, і в умовах експлуатації практично не прогнозованих, змін значень і фазових характеристик аварійних струмів і параметрів нульової послідовності, що виключає можливість використання їх для виявлення і локалізації ушкоджень.

2. Створений інженерний метод визначення повної, ємнісної та активної провідностей ізоляції відносно землі всієї мережі без відключення робочої напруги, заснований на вимірі напруги зсуву нейтралі і фазної напруги до і після підключення до однієї з фаз додаткової активної провідності.

3. Виконана оцінка впливу режиму заземлення нейтралі розподільної мережі на експлуатаційну надійність систем електропостачання, на умови електробезпечності в сталому і перехідному режимах замикання фази на землю, на працездатність відомих засобів захисту від замикань на землю.

4. Запропонований комбінований режим заземлення нейтралі для розподільчих мереж напругою 6 – 35 кВ зі струмом однофазного замикання на землю більш 10 –15 А, який сполучає експлуатаційні переваги компенсованих мереж при резонансному настроюванні реактора і мереж з резистором у нейтралі.

5. Теоретично обґрунтований і розроблений метод і пристрій безупинного контролю і виміру активного опору ізоляції і ємності відносно землі всієї мережі й окремих приєднань без зняття робочої напруги, заснований на використанні бі-частотних оперативних синусоїдальних сигналів.

6. Розроблений принцип дії і пристрій селективного захисту від несиметричних ушкоджень у розподільчих мережах, які засновані на використанні накладених на мережу бі-частотних оперативних синусоїдальних сигналів, які забезпечують виконання функціональних характеристик незалежно від режиму заземлення нейтралі.

Практичне значення отриманих результатів полягає у створенні засобів захисту і контролю ізоляції розподільчих мереж; в оцінці впливу заземлення нейтралі на експлуатаційну надійність, електробезпечність систем електропостачання і на працездатність існуючих засобів захисту розподільчих мереж від замикань на землю; у створенні інженерної методики оцінки параметрів ізоляції фаз мережі щодо землі під робочою напругою; у розробці рекомендацій з поліпшення працездатності штатних засобів захисту від замикань на землю.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується: відповідністю прийнятих при розробці математичних моделей припущень мети і задача досліджень; обґрунтованістю вихідних посилок, що випливають з фундаментальних законів природних наук і основ теорії електричних ланцюгів; задовільним збігом якісних характеристик результатів теоретичних досліджень з результатами експериментів у реальних мережах і на фізичній моделі.

Реалізація роботи. Наукові положення, висновки і рекомендації використані:

- ЗАТ "НДІАчермет" – результати теоретичних досліджень і функціональна схема при розробці проектно-конструкторської документації на пристрій захисту від несиметричних ушкоджень для кар'єрних розподільчих мереж напругою 6 кВ;

- ЗАТ "НДІАчермет" – принцип дії і функціональна схема при розробці системи беззупинного виміру параметрів ізоляції без зняття робочої напруги для кар'єрних розподільчих мереж напругою 6 кВ;

- енергослужбою Вільногірського ДГМКа – рекомендації з оптимізації і вибору режиму роботи нейтралі розподільчих мереж напругою вище 1000 В та метод непрямого визначення складових провідностей ізоляції мереж.

Особистий внесок автора полягає у теоретичному обґрунтуванні методів непрямого виміру провідності і безупинного контролю складових опору ізоляції щодо землі всієї мережі й окремих приєднань, в обґрунтуванні рекомендацій з режиму нейтралі і засобів захисту. У роботах написаних у співавторстві, особистий внесок полягає в наступному: [1,5] – здійснений аналіз умов експлуатації та оцінка причин та наслідків ушкоджень розподільчих мереж; [3,4,11] – ідея методів контролю складових провідностей ізоляції щодо землі розподільчих мереж напругою 6 – 35 кВ без зняття робочої напруги; [9] – обґрунтування необхідності й умов використання; [10] – встановлена нова відмітна ознака для способу спрямованого захисту.

Апробація результатів дисертації. Основні матеріали і результати, отримані в дисертаційній роботі, доповідалися й одержали схвалення на 36 міжнародній університетській конференції Power 36th’ Power Engineering Conference, UPEC 2001, University of Wales Swansea; на міжнародній науково-технічній конференції “Тиждень гірника” у Московському державному гірничому університеті, (м. Москва, Росія, 2002 р.); на науково-технічній конференції з автоматизації виробничих процесів (м. Дніпропетровськ, НГА України, 2001р.); на секції Вченої Ради ЗАТ "НДІАчермет" (м.Дніпропетровськ, 2001р.); на науковому семінарі кафедри електричних машин Національного гірничого університету (м. Дніпропетровськ, 2002 р.).

Публікації. Результати досліджень опубліковані в одинадцятьох наукових пра-цях, у тому числі 1 монографія, 10 статей у фахових виданнях (з них 4 – самостійно).

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку літературних джерел із 95 найменувань (9 сторінок), трьох додатків (7 сторінок). Загальний обсяг дисертації – 163 сторінки, 27 рисунків, 7 таблиць.

Зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність досліджень і сформульовані наукова задача, мета і задачі досліджень, наукові положення, що виносяться на захист, показані наукова новизна і практичне значення отриманих результатів та їх апробація.

У першому розділі розглянуті особливості експлуатації електричних розподільчих мереж на гірничо-збагачувальних комплексах, вплив режиму нейтралі на надійність і електробезпечність систем електропостачання. Показано, що у вирішенні проблеми підвищення якісних експлуатаційних показників існуючих систем електропостачання важливе місце належить методам та засобам, які забезпечують зниження пошкоджуваності елементів систем електропостачання, а також оснащенню цих систем засобами випереджаючого пошуку місць з ослабленою ізоляцією та своєчасна локалізація ушкоджених ланок.

На основі огляду літературних джерел і виконаних статистичних досліджень на Вільногірському ДГМКу приведені результати аналізу пошкоджуваності кар'єрних електричних мереж та їх елементів і показано, що відчутні результати в підвищенні надійності систем електропостачання можуть бути досягнуті в наступних основних напрямках:

- своєчасний профілактичний контроль ізоляції електричної мережі;

- оптимізація режиму роботи нейтралі електричних мереж;

- забезпечення працездатності існуючих і створення більш досконалих засобів захисту.

Виконаний аналіз і наведені вище висновки дозволили виявити сутність наукової задачі, визначити мету і конкретні задачі досліджень.

У другому розділі вирішується перша задача досліджень, що стосується розробки методів і засобів визначення значень параметрів ізоляції.

Визначення рівня повної провідності ізоляції і її складових (активної і ємнісної) у трифазній електричній мережі з ізольованою нейтраллю напругою вище 1000 В пропонується здійснювати способом, що заснований на штучному одержанні величини напруги нульової послідовності шляхом включення додаткової активної провідності в одну з фаз електричної мережі.

Склавши систему рівнянь для режиму підключення до однієї з фаз додаткової, заздалегідь відомої провідності, з використанням значень фазних напруг до і після підключення, і вирішивши їх відносно провідностей, одержимо вирази:

- для активних провідностей ізоляції всієї електрично зв'язаної мережі та однієї фази відносно землі:

; (1)

- для ємнісних провідностей ізоляції всієї електрично зв'язаної мережі та однієї фази відносно землі:

; . (2)

За геометричною сукупністю активної і ємнісної провідностей визначаємо повну провідність ізоляції фаз електричної мережі відносно землі:

(3)

Безупинний і автоматичний контроль значень складових ізоляції електричної мережі (активного і ємнісного опорів ізоляції фаз мережі відносно землі, індуктивності пристрою, що компенсує) дозволить прогнозувати появу небезпечних станів системи і, при наявній технічній можливості, вводити випереджальні керуючі команди, що дозволяють мінімізувати можливий збиток.

Суть запропонованого автором методу безупинного й оперативного контролю параметрів ізоляції щодо землі електричної мережі і її елементів полягає в тому, що на електричну мережу відносно землі накладаються два оперативних сигнали, частоти яких не рівні між собою і відрізняються від промислової (бі-частотні сигнали). На контрольованих ділянках (лінії чи приєднанні), а також у місці підключення оперативного джерела встановлюються пристрої, призначенням яких є зняття й обробка відповідних сигналів (Рис.1). Після виконання обчислень заздалегідь заданій програмі, видаються сигнали, що відповідають значенням параметрів ізоляції в контрольованих ділянках системи електропостачання.

Значення активного опору ізоляції R і ємності C щодо землі контрольованої ділянки, виражені через вимірювані параметри накладених на мережу оперативних сигналів, визначаються за формулами:

, , (4)

де U, I, – значення напруги, струму і частоти відповідно першого і другого оперативних джерел.

Рис.1. Схема, що пояснює метод безупинного контролю параметрів ізоляції розподільної мережі.

1 – генератор синусоїдальних сигналів непромислової частоти (джерело оперативного струму);

2 – пристрій виділення оперативних сигналів заданих частот;

3 – трансформатор струму нульової послідовності; 4 – силовий трансформатор.

Мікропроцесорна система, що реалізує метод безупинного контролю під робочою напругою значень складових ізоляції в розподільчих мережах напругою 6 – 35 кВ, складається з функціональних блоків:

- блок накладення на мережу оперативних струмів непромислової частоти;

- блок зняття і перетворення оперативних сигналів;

-

- мікро ЕОМ;

- блок керування і сигналізації.

Розроблена автором функціональна схема пристрою безупинного виміру параметрів ізоляції щодо землі елементів розподільної мережі без зняття робочої напруги приведена на рис. 2. До пристрою подаються два сигнали:

– токовий, від трансформатора (фільтра) струму нульової послідовності;

– напруги, від фільтра напруги нульової послідовності (додаткової обмотки НТМІ), підключеного до шин розподільної підстанції.

Схема пристрою містить два практично однакових канали, в яких послідовно виконуються наступні операції: вхідні аналогові сигнали перетворюються в цифрові; відповідними блоками цифрових фільтрів виділяються складові сигналів оперативних частот; сигнали вимірюються і їх значення вводяться в обчислювальний блок. Названі канали відрізняються вхідними блоками (погоджувальними пристроями), що забезпечують сполучення аналого-цифрових перетворювачів і відповідних вимірювальних трансформаторів.

Для оперативних сигналів, що накладаються на мережу, прийняті частоти 100 і 200 Гц. Цей вибір обумовлений практично повною відсутністю в мережі парних гармонік, що різко знижує похибку виміру від впливу перешкод, і відносно малим впливом ємності приєднань і мережі в цілому на завантаження оперативного джерела. В залежності від місця включення вимірювального трансформатора струму пристрій забезпечує вимір параметрів ізоляції відповідного приєднання чи всієї мережі.

Рис.2. Функціональна схема пристрою безупинного виміру

параметрів ізоляції щодо землі.

Метод, з використанням мікро-ЕОМ, може бути використаний:

– для оперативної оцінки рівня активного опору ізоляції як усієї мережі в цілому, так і кожного з приєднань розподільчої мережі;

– для оперативної оцінки рівня ємнісного опору ізоляції як усієї мережі в цілому, так і кожного з приєднань розподільчої мережі;

– для оперативного виміру значення індуктивності дугогасного реактора (компенсуючого пристрою);

– для виконання виборчої сигналізації чи захисту від замикань на землю в системах електропостачання незалежно від конфігурації і режиму роботи нейтралі мережі;

– для автоматичного настроювання пристрою, що компенсує, у резонанс із ємністю розподільчої мережі.

У третьому розділі вирішується друга задача досліджень, пов'язана з вивченням впливу заземлення нейтралі на параметри аварійного режиму і експлуатаційні показники електричних мереж. При її вирішенні використані методи математичного моделювання, засновані на формалізації процесів, які досліджуються, і побудові часткових математичних моделей. При обґрунтуванні і побудові приватних схем заміщення розподільчих мереж були прийняті викладені в дисертації припущення.

Загальний вираз для струму однофазного замикання на землю електричної мережі з неізольованою нейтраллю можна записати у вигляді:

. (5)

де y – провідність перехідного опору в точці замикання.

З цієї формули видно, що струм однофазного замикання на землю (а в загальному випадку і струми нульової послідовності) у мережах з неізольованою нейтраллю складається з двох складових: 1) – струм, обумовлений провідністю ізоляції (Y) щодо землі всієї електрично зв'язаної мережі; 2) – струм, обумовлений провідністю нейтралі (YН) відносно землі (компенсуючого пристрою чи резистора).

Виконані дослідження аварійних струмів при несиметричних ушкодженнях у сталих і перехідних режимах, що супроводжують замикання на землю (до замикання і після відключення ушкодження), дозволили констатувати, що: –

виникнення, частота і вид несиметричних аварійних режимів у значній мірі залежать від режиму заземлення нейтралі;–

параметри і характер перехідних процесів, що супроводжують появу і ліквідацію несиметричних аварійних режимів, також у значній мірі визначаються режимом заземлення нейтралі; –

режим заземлення нейтралі прямим чи побічним способом впливає на експлуатаційну надійність і електробезпечність систем електропостачання.

Особливо важливим, з погляду оцінки працездатності відомих і створення нових способів захисту від замикань на землю, є дослідження впливу режиму заземлення нейтралі мережі на фазові характеристики параметрів нульової послідовності. У табл.1 представлені вирази для оцінки взаємного положення векторів напруги і струмів нульової послідовності в розподільних мережах з неізольованою нейтраллю в залежності від параметрів ізоляції розподільної мережі і нейтралі (ступеня розлагодження дугогасного реактора від резонансного режиму - ).

Таблиця 1

Фазові характеристики параметрів нульової послідовності |

Мережа з компенсованою

нейтраллю | Мережа з резистором

у нейтралі

1.

2.

3.

4. |

1 – залежність фази вектора струму нульової послідовності стосовно вектора напруги нульової послідовності;

2 – залежність фази вектора струму нульової послідовності стосовно вектора напруги нульової послідовності, у випадку, якщо зневажити параметрами контрольованого приєднання (R1; C1 =0) і активним опором дугогасного реактора (RК=);

3 – залежність фази вектора власного струму контрольованої лінії (струму нульової послідовності в контрольованій лінії при зовнішньому замиканні однієї фази на землю) стосовно вектора напруги нульової послідовності;

4 – залежність фази вектора струму в нейтралі мережі стосовно вектора напруги нульової послідовності

Аналіз наведених у табл. 1 формул показує, що з урахуванням реальних значень параметрів ізоляції щодо землі всієї мережі й окремого приєднання, а також беручи до уваги реальне взаємне співвідношення ємнісного й активного опорів ізоляції, і з огляду на реальні значення параметрів дугогасного реактора, можна зробити наступні висновки:

1.а – у мережі з компенсованою нейтраллю кут між вектором струму нульової послідовності і вектором напруги нульової послідовності не залежить від повноти замикання (перехідного опору в точці замикання) і визначається в значній мірі значенням розлагодження компенсуючого пристрою від резонансного режиму; для резонансного настроювання цей кут складає практично ел. градусів; при розлагодженні компенсуючого пристрою від резонансного режиму, як убік перекомпенсації, так і убік недокомпенсації, вектор струму відхиляється на кут відповідно до плюс 90 і мінус 90 ел. градусів;

1.б – у мережі з резистором у нейтралі кут між тими ж векторами також не залежить від повноти замикання і, на відміну від мереж з цілком ізольованою нейтраллю, для реальних параметрів ізоляції мережі відносно землі та значення RН(12)XС що рекомендується, цей кут складає приблизно 225240 ел. градусів;

2 – фаза власного струму контрольованого приєднання не залежить від режиму роботи нейтралі, визначається тільки параметрами безпосередньо контрольованого приєднання (для реальних параметрів ізоляції мережі складає практично 90 ел. градусів) і практично жорстко прив'язана до напруги нульової послідовності;

3.а – кут між векторами струму в дугогасному реакторі і напруги нульової послідовності визначається тільки параметрами безпосередньо дугогасного реактора і для реальних їх значень складає практично мінус 90 ел. градусів;

3.б – кут між векторами струму в резисторі, включеному в нейтралі мережі і напруги нульової послідовності не залежить від параметрів ізоляції мережі, резистора і режиму замикання і збігається за напрямком з вектором напруги нульової послідовності (кут дорівнює 0 ел. градусів).

4. Заземлення нейтралі трифазної електричної мережі через індуктивність чи резистор приводить, в залежності від співвідношення провідностей відносно землі всієї мережі і нейтралі, до істотних, та в умовах експлуатації практично не прогнозованим, змінам значень і фазових характеристик аварійних струмів і параметрів нульової послідовності, що виключає можливість використання їх для засобів захисту (сигналізації) з метою виявлення і локалізації ушкоджень.

Результати досліджень процесів, що супроводжують однофазні замикання на землю, а також фазові характеристики параметрів нульової послідовності в розподільчих мережах, що працюють з нейтраллю заземленої через індуктивність (компенсована нейтраль) і активний опір, а також виконані на їх основі дослідження працездатності найбільш розповсюджених принципів і пристроїв захисту від таких ушкоджень показали, що пристрої захисту, що застосовуються в названих мережах, не відповідають вимогам, які висуваються до такого роду захисних пристроїв (особливо в мережах з компенсованою нейтраллю), володіють рядом недоліків і впливають негативно на надійність електропостачання та умови електробезпечності.

У четвертому розділі подані результати розробки методів і технічних засобів підвищення ефективності експлуатації розподільних мереж.

Аналіз виконаних і викладених у попередньому розділі результатів досліджень впливу заземлення нейтралі електричних мереж на надійність і умови електробезпечності систем електропостачання в цілому, на пошкоджуваність розподільчих мереж і електроустаткування, а також на функціональні характеристики релейного захисту зокрема, дозволяє дати оцінку кожному конкретному режиму роботи нейтралі і розробити рекомендації, спрямовані на посилення позитивних показників відповідних режимів.

На підставі результатів досліджень, а також з урахуванням того, що в електричних мережах напругою 6 – 35 кВ системи електропостачання більшості промислових підприємств при перевищенні струмів замикання на землю нормованих значень, встановлені дугогасні реактори, які не обладнані пристроями автоматичного настроювання індуктивності в резонанс із ємністю мережі, а також того, що найчастіше експлуатаційна динаміка зазначених мереж може перевищувати 20–ти відсоткову зміну параметрів ізоляції мереж щодо землі, нами пропонуються для зазначених мереж наступні рекомендації з оптимізації режиму заземлення нейтралі.

1. Якщо в мережах напругою 6 – 35 кВ значення ємнісного струму однофазного замикання на землю складає значення до 10 А і вони працюють з нейтраллю, повністю ізольованою від землі, пропонується режим роботи з резистором у нейтралі, тобто накладення в аварійному режимі на ємнісний струм замикання активної складової, значення якої вибирається з умови створення активної складової на рівні не менш половини ємнісної. Такий режим забезпечує заглушення перехідних процесів, поліпшення працездатності пристроїв захисту від замикань на землю, виключає ферорезонансні явища, чим і досягається підвищення рівня електробезпечності і надійності.

2. При ємнісному струмі однофазного замикання на землю більш 10 А пропонується використовувати комбінований режим роботи нейтралі. Суть комбінованого режиму заземлення нейтралі полягає в тому, що крім створення індуктивної складової струму однофазного замикання на землю, пропонується також одночасно накладати на струм замикання і активну складову. При цьому значення активної складової, що накладається на мережу, повинно бути на рівні 30 – 50 % від ємнісної складової, що забезпечує експлуатаційні показники адекватні мережам з резистором у нейтралі навіть при розлагодженнях дугогасного реактора до 50% .

Для створення спрямованого захисту від усіх видів несиметричних ушкоджень у мережах з будь-яким режимом нейтралі також пропонується використовувати бі-частотні синусоїдальні оперативні сигнали.

У загальному випадку при однофазному замиканні на землю в трифазній електричній мережі оперативний струм визначиться виразом:

, (6)

де - напруга оперативного джерела; оп – частота оперативного струму.

На рис. 3.а і 3.б представлені показові графіки зміни значень оперативного струму відповідно в залежності від значення перехідного опору в точці замикання (на рис.3.а струм представлений у відносних одиницях) і ємності мережі щодо землі (рис.3.б) для фіксованих значень частоти і внутрішнього опору джерела. Аналіз представлених на рисунках графіків дозволяє зробити наступні висновки:

а)

б)

Рис.3. Графіки зміни оперативних струмів різних частот у залежності від:

а) опору в точці замикання; б) ємності мережі відносно землі.

1. Значення синусоїдальних оперативних струмів, що накладаються на мережу, різних частот (при рівних значеннях напруг джерел) практично рівні між собою при металевих і близьких до них замиканнях.

2. При відсутності ушкодження в мережі значення синусоїдальних оперативних струмів визначаються значеннями параметрів ізоляції мережі щодо землі і частотою напруги оперативного джерела.

3. Синхронна оцінка значень синусоїдальних оперативних струмів різних частот може використовуватися як відмітна ознака для нового способу спрямованого захисту від усіх видів замикань на землю і придатного для мереж з будь-яким режимом нейтралі.

Суть пропонованого способу захисту заснована на тім, що на відміну від відомого способу, що використовує накладений оперативний струм непромислової частоти, пропонується використовувати "бі-частотный" оперативний струм, тобто, накладати на електричну мережу одночасно два оперативних струми різних частот і порівнювати між собою значення цих струмів, вимірюючи їх у заданих точках розподільчої мережі (наприклад, на початку ліній, що відходить від шин підстанції ). Зближення чи дорівнювання значень названих струмів свідчить про наявність замикання на землю в контрольованому приєднанні.

Функціональна схема виборчого захисту від замикань на землю для розподільних мереж з будь-яким режимом нейтралі представлена на рис. 4.

Рис. 4. Функціональна схема виборчого захисту від замикань на землю

З метою здешевлення реалізації комплексу захисту і підвищення його надійності, пропонується захист від замикань на землю для всієї підстанції реалізувати у вигляді загальної системи, виконаної на базі мікро-ЕОМ і об'єднуючого обробку сигналів від усіх ЛЕП і виконання усіх функцій (починаючи від цифрової фільтрації, виміру сигналу – блоки ВЕ і т.д.). При цьому індивідуальні елементи пристрою захисту від замикань на землю поєднують функції погоджуючого пристрою ПП та аналого-цифрового перетворювача АЦП і встановлюються у вічках відповідних приєднань (що захищаються).

За результатами досліджень параметрів нульової послідовності при замиканні на землю в розподільних мережах з різними режимами нейтралі сформульовані основні причини відмовлень і дана оцінка працездатності існуючих засобів захисту. Розроблені організаційно-технічні заходи і технічні рішення, що дозволяють підвищити функціональну надійність засобів, що знаходяться в експлуатації, захисту від замикань на землю в розподільчих мережах напругою 6 – 35 кВ підприємств гірничо-збагачувального комплексу.

В п'ятому розділі наведені результати досліджень працездатності розроблених методів і пристроїв контролю ізоляції та селективного захисту від несиметричних ушкоджень, а також рекомендацій з режиму нейтралі для розподільчих мереж напругою 6 – 35 кВ на фізичній моделі розподільчій мережі і дана технічна й економічна оцінка ефективності від їх впровадження.

В И С Н О В К И

У дисертаційній роботі вирішена науково-практична задача розвитку теорії та створення принципів і технічних засобів оперативного і безперервного контролю параметрів ізоляції електричної мережі і селективного захисту від несиметричних ушкоджень, що полягає у виявленні характеру залежностей бі-частотних оперативних сигналів від параметрів ізоляції розподільчих мереж; в обґрунтуванні непрямого метода визначення параметрів ізоляції мережі без відключення робочої напруги; в розкритті нових властивостей режиму нейтралі і дозволяє забезпечити підвищення рівня надійності й електробезпечності розподільчих мереж напругою 6 - 35 кВ підприємств гірничо-збагачувального комплексу.

Основні наукові результати, висновки і практичні рекомендації дисертаційної роботи полягають у наступному:

1. На основі статистичних досліджень і огляду літературних джерел встановлено, що найбільш розповсюдженими ушкодженнями в розподільчих мережах напругою 6 і 35 кВ системи електропостачання підприємств гірничо-збагачувального комплексу є однофазні замикання на землю, що в загальному випадку становлять небезпеку як для ізоляції електричних мереж і установок, так і для обслуговуючого персоналу.

2. Розроблені математичні моделі, що дозволяють оцінювати вплив заземлення нейтралі на складові аварійних струмів і параметри нульової послідовності при однофазних замиканнях на землю в розподільчих мережах напругою 6 – 35 кВ. Установлено, що заземлення нейтралі трифазної електричної мережі через індуктивність чи резистор приведе до істотних, і, в умовах експлуатації, практично не прогнозованим, змінам значень і особливо фазових характеристик аварійних струмів і параметрів нульової послідовності, що практично виключає можливість використовувати в таких мережах для виявлення і локалізації ушкоджень засобів захисту, що реагують на параметри сталого аварійного режиму.

3. Виконана оцінка впливу режиму заземлення нейтралі розподільчої мережі на експлуатаційну надійність систем електропостачання, на умови електробезпечності в сталому і перехідному режимах замикання фази на землю, на працездатність відомих засобів захисту від замикань на землю. Запропоновані обґрунтовані організаційні і технічні рекомендації, спрямовані на підвищення функціональної надійності існуючих засобів захисту від замикань на землю для розподільчих мереж з цілком ізольованою нейтраллю.

4. Визначення рівня повної ізоляції і її складових (активної і ємнісної провідностей ізоляції) у трифазній електричній мережі з ізольованою нейтраллю напругою вище 1000 В пропонується здійснювати способом непрямого виміру, заснованим на штучному одержанні напруги нульової послідовності шляхом включення додаткової активної провідності в одну з фаз електроустановки. Розроблений спосіб визначення провідності ізоляції мережі дозволяє визначити шукані значення провідностей з припустимою похибкою.

5. Теоретично обґрунтований і розроблений новий метод і пристрій безупинного контролю і виміру активного опору ізоляції і ємності відносно землі всієї мережі та окремих приєднань без зняття робочої напруги, заснований на використанні бі-частотних оперативних синусоїдальних сигналів.

Також на основі використання накладених на мережу бі-частотних оперативних сигналів розроблений новий принцип дії і пристрій спрямованого захисту від несиметричних ушкоджень у розподільчих мережах, що забезпечує виконання функціональних характеристик незалежно від режиму заземлення нейтралі.

6. Реалізація і впровадження розроблених методів і пристроїв контролю ізоляції і захисту для розподільчих мереж напругою 6 – 35 кВ дозволить підвищити умови електробезпечності і надійності систем електропостачання в цілому та за рахунок профілактичних, а також аварійних селективних відключень ушкоджених елементів мережі та одержати економічний ефект.

Основний зміст дисертації опубліковано в роботах:

1. Сокил А.М., Скосырев В.Г., Шкрабец Ф.П. Проблемы енергосбережения и надежности в технологиях добычи и переработки россыпей. – Днепропетровск: Полиграфист. 2000. –195 с.

2. Скосырев В.Г. Исследование токов и напряжения нулевой последовательности в компенсированных сетях. // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць/ Ін-т геотехнічної механіки НАН України, -Дн-ськ, 2001. –Вип.26. –С. 98-10.

3. Шкрабец Ф.П., Скосырев В.Г. Теоретическое обоснование способа определения параметров изоляции электрических сетей // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць/ Ін-т геотехнічної механіки НАН України, – Дн-ськ, 2000. – Вип. 22. – С. 13-18.

4. Шкрабец Ф.П., Скосырев В.Г. Контроль параметров изоляции электрических сетей напряжением 6 – 35 кВ. // Гірнича електромеханіка та автоматика: Наук. – техн. зб. – 2001. – Вип. 67. – С.23-28.

5. Скосырев В.Г., Шкрабец Ф.П. Ненормальные и переходные режимы работы карьерных распределительных сетей. //Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць/ Ін-т геотехнічної механіки НАН України, – Дн-ськ, 1998. – Вип.6. – С. 35-40.

6. Скосырев В.Г. Анализ работоспособности существующих средств защиты карьерных сетей. // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць / Ін-т геотехнічної механіки НАН України, -Дн-ськ, 1999. –Вип.12. –С. 86-90.

7. Скосырев В.Г. Эксплуатационные режимы работы распределительных сетей открытых горных работ // Гірнича електромеханіка та автоматика: Наук. – техн. зб. – 2000. – Вип. 65. – С.7-12.

8. Скосырев В.Г. Защита электрооборудования и режимы работы фильтрокомпенсирующих устройств. // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць/ Ін-т геотехнічної механіки НАН України, -Дн-ськ, 1997. –Вип.2. –С. 127-130.

9. Шкрабец Ф.П., Баласмех Ф.К., Скосырев В.Г.. Комбинированный режим работы нейтрали распределительных сетей напряжением 6_кВ. // Гірнича електромеханіка та автоматика: Наук. – техн. зб. – 2000. – Вип. 65. – С.46-51.

10.Шкрабец Ф.П., Скосырев В.Г., Остапчук А.В. Новый принцип выполнения избирательной защиты от несимметричных повреждений в распределительных сетях 6 – 35 кВ // Гірнича електромеханіка та автоматика: Наук. – техн. зб. – 2002. – Вип. 68. – С.3-9.

11. Шкрабец Ф.П., Скосырев В.Г., Дворников А.А. Автоматический контроль параметров изоляции электрических сетей напряжением 6 – 35 кВ. // Сборник научных трудов НГА Украины №11, том 2. – Днепропетровск: РИК НГАУ, 2001. –С. 41-45.

Анотація

Скосирєв В.Г. Підвищення експлуатаційної надійності розподільчих мереж підприємств гірничо-збагачувального комплексу. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 – "Електротехнічні комплекси та системи". – Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2002.

Дисертація присвячена розробці принципів і технічних засобів підвищення рівня експлуатаційної надійності і поліпшенню умов електробезпеки в системах електропостачання підприємств гірничо-збагачувального комплексу.

Установлений вплив заземлення нейтралі на складові аварійних струмів і параметри нульової послідовності при однофазних замиканнях на землю; характер і ступінь впливу параметрів ізоляції мереж відносно землі і режиму однофазного замикання на землю на значення і взаємні фазові співвідношення параметрів нульової послідовності та аварійних струмів при різних режимах роботи нейтралі. Розроблений метод визначення провідностей ізоляції мережі відносно землі без відключення робочої напруги, заснований на підключенні до однієї з фаз додаткової активної провідності.

Теоретично обґрунтований і розроблений метод і пристрій безупинного контролю і виміру активного опору ізоляції і ємності відносно землі, заснований на накладенні на мережу бі-частотних оперативних сигналів, а також новий принцип дії і пристрій селективного захисту від несиметричних ушкоджень. Запропонований комбінований режим заземлення нейтралі для розподільчих мереж напругою 6 – 35 кВ, який об’єднує експлуатаційні достоїнства компенсованих мереж і мереж з резистором у нейтралі.

Ключові слова: розподільчи мережі, режим нейтралі, захист, контроль ізоляції, накладений оперативний струм.

Аннотация

Скосырев В.Г. Повышение эксплуатационной надежности распределительных сетей предприятий горно-обогатительного комплекса. – Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 – "Электротехнические комплексы и системы". – Национальный горный университет, Днепропетровск, 2002.

Диссертация посвящена разработке принципов и технических средств повышения уровня эксплуатационной надежности и улучшению условий электробезопасности в системах электроснабжения предприятий горно-обогатительного комплекса на основе оптимизации режима нейтрали, создания методов и средств контроля параметров изоляции и защиты электрооборудования и сетей.

Разработаны математические модели, позволяющие оценить влияние заземления нейтрали на составляющие аварийных токов и параметры нулевой последовательности при однофазных замыканиях на землю. Установлен характер и степень влияния параметров изоляции сетей относительно земли и режима однофазного замыкания на землю на значения и взаимные фазовые соотношения параметров нулевой последовательности и аварийных токов при различных режимах работы нейтрали.

Установлено, что значения полной, емкостной и активной проводимостей изоляции сети относительно земли связаны однозначными зависимостями со значениями подключаемой к одной из фаз дополнительной активной проводимости, напряжения смещения нейтрали и напряжениями фазы до и после подключения дополнительной проводимости. В результате разработан инженерный метод определения полной, емкостной и активной проводимостей изоляции сети относительно земли без отключения рабочего напряжения, основанный на измерении напряжения смещения нейтрали и фазного напряжения до и после подключения к одной из фаз дополнительной активной проводимости.

Теоретически обоснован и разработан метод и устройство непрерывного контроля и измерения активного сопротивления изоляции и емкости относительно земли распределительной сети напряжением 6-35 кВ под рабочим напряжением, основанный на наложении на электрическую сеть би-частотных оперативных синусоидальных сигналов и их синхронное измерение в заданных точках сети. Метод, за счет использования микро-ЭВМ, может быть использован:

-