На правах рукописи

ШИРКОВЕЦ Андрей Игоревич

ИССЛЕДОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ

ПРОЦЕССОВ ПРИ ЗАМЫКАНИЯХ НА ЗЕМЛЮ В КАБЕЛЬНЫХ СЕТЯХ

С НЕЭФФЕКТИВНЫМ ЗАЗЕМЛЕНИЕМ НЕЙТРАЛИ

Специальность: 05.14.12 – Техника высоких напряжений

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск – 2013

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новосибирский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Кадомская Кира Пантелеймоновна

Официальные оппоненты: Халилов Фирудин Халилович доктор технических наук, профессор, Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, профессор кафедры электротехники, техники высоких напряжений Арбузов Роман Сергеевич кандидат технических наук, директор филиала ОАО «Электросетьсервис ЕНЭС» Новосибирская СПБ

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», г. Томск

Защита диссертации состоится « 19 » декабря 2013 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.173.01 при Новосибирском государственном техническом университете по адресу: 630073, г. Новосибирск, проспект Карла Маркса 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного технического университета.

Автореферат разослан «» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент Тимофеев Иван Петрович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Электромагнитные процессы, сопровождающие возникновение и развитие однофазных замыканий на землю (ОЗЗ) в электрических сетях, характеризуются сочетанием переходных и установившихся режимов горения заземляющей дуги. Параметры таких режимов во многом определяются конструкцией сети и способом заземления нейтрали. Для кабельных сетей класса 35 кВ и ниже используется так называемое неэффективное заземление нейтрали, когда напряжения на неповрежденных фазах при ОЗЗ превышают 1,4 (определяемый в ПУЭ коэффициент замыкания на землю) от фазного напряжения сети в нормальном режиме. В эту область включены и широко применяемые с начала 2000-х гг. режимы с активным и активно-индуктивным, или комбинированным, заземлением нейтрали (КЗН).

Однофазные пробои изоляции силовых кабелей на землю в значительной мере определяют показатели надежности всей электрически связанной сети, поскольку в 70 – 90% случаев неотключенные ОЗЗ служат причиной междуфазных повреждений изоляции и аварийных отключений. Поэтому актуальной задачей является анализ технологических нарушений режимов эксплуатации кабельных линий (КЛ), длительно эксплуатируемых в схемах электроснабжения промышленных предприятий и объектов городской инфраструктуры.

Исследование замыканий на землю в кабельных сетях сопряжено с отсутствием полноценных алгоритмов и моделей их развития, а также ограниченностью количественной оценки параметров ОЗЗ. В. Петерсеном (1916 г.) и Петерсом и Слепяном (1923 г.) были разработаны гипотезы (теории), объясняющие физический механизм возникновения дуговых перенапряжений при ОЗЗ и отличающиеся гипотезами гашения заземляющей дуги. Экспериментальное исследование и совершенствование способов оценки перенапряжений при дуговых ОЗЗ позволило Ч.М. Джуварлы и Н.Н. Белякову (1957 г.) существенно развить эти теории. Однако последние справедливы для случаев горения заземляющей дуги преимущественно в воздушных сетях 6-10 кВ с изолированной нейтралью. Поэтому их использование при расчетах электромагнитных процессов ОЗЗ в изоляции кабельных линий (КЛ) предполагает введение ряда относительно грубых допущений, которые могут привести к ошибкам в определении энергоемкости и термической стойкости оборудования при выборе устройств защиты от дуговых перенапряжений. Задача осложняется тем, что характер и результат горения однофазной дуги в силовом кабеле существенно зависит также от вида и состояния поврежденного диэлектрика: бумажно-масляной пропитанной изоляции (БМПИ) или изоляции из сшитого полиэтилена (СПЭ).

Исследованию переходных процессов при замыканиях на землю и их последствий в электрических сетях различного назначения, а также разработке релейных защит от ОЗЗ посвящены работы Р.А. Вайнштейна, Ф.Х. Халилова, К.П. Кадомской, В.Г. Гольдштейна, В.А. Шуина, В.К. Обабкова, Л.И. Сарина, В.В. Кискачи, А.И. Шалина, Ю.В. Целебровского, С.Л. Кужекова, В.Ф. Сивокобыленко, Г.А. Евдокунина и других ученых.

В настоящее время в электрических сетях наблюдается тенденция к повсеместному внедрению силовых кабелей с изоляцией из СПЭ. Процесс развития пробоя в полимерах является достаточно сложным и тесно связан со снижением электрической прочности (ЭП) изоляции под воздействием электрических и водных триингов. Исследованию этих вопросов посвящены работы М.Ю. Шувалова, В.Н. Овсиенко, Ю.В. Образцова (ВНИИКП), С.М. Лебедева и В.Я.

Ушакова, В.А. Канискина и А.И. Таджибаева, Ю.Н. Вершинина, а также зарубежных исследователей L. Dissado, G. Bahder, G. Montanari, B. Bernstein и др.

Триинги в СПЭ-изоляции, независимо от их структуры и физической природы, представляют серьезную опасность для кабеля, поскольку участвуют в формировании канала пробоя диэлектрика при ОЗЗ.

Подробного анализа развития повреждения в разных видах изоляции силового кабеля при его однофазном пробое на землю до настоящего времени не проводилось. Условия дугового пробоя в БМПИ кабеля, проанализированные H. Ohnishi, H. Uraho, S. Hasergana, дополняют результаты, полученные Ф.А.

Лихачевым и Л.Е. Дударевым, но не содержат энергетических характеристик заземляющей дуги и оценки ее динамического сопротивления. Результаты исследований процесса горения дуги, стабилизированной испаряющимся материалом стенок дугового канала в полимере, проведенные L. Nimeyer и C. Ruchti (1978), содержат количественные модели на основе уравнений баланса массы, момента и энергии, однако они справедливы для высокоамперных дуг при горении в узких каналах твердых материалов.

В связи с изложенным актуальность диссертационной работы определяют аналитические и экспериментальные исследования электромагнитных процессов ОЗЗ в кабельных сетях с неэффективным заземлением нейтрали, включающие анализ параметров переходных процессов и разработку алгоритмов развития дуговых ОЗЗ в силовых кабелях с различными типами изоляции.

Целью работы является натурное и компьютерное моделирование электромагнитных процессов при однофазном дуговом замыкании на землю в кабелях с БМПИ и СПЭ-изоляцией и разработка алгоритмов и гипотез его развития для совершенствования способов защиты силовых КЛ.

Для достижения поставленной цели в работе сформулированы следующие задачи:

выполнить аналитическое исследование параметров дуговых замыканий на землю при однофазных повреждениях изоляции силовых кабелей;

реализовать методический подход к комплексному статистическому анализу параметров осциллографированных напряжений и тока дугового замыкания на землю в БМПИ силового кабеля; проанализировать и статистически обработать результаты мониторинга перенапряжений;

разработать компьютерную модель электрической сети 10 кВ с КЛ большой протяженности; оценить изменение сопротивления в месте однофазного замыкания на основе измеренных токов высших гармоник в цепи замыкания;

разработать и экспериментально проверить алгоритмы (механизмы) развития дугового замыкания на землю в БМПИ и СПЭ-изоляции кабелей при учёте нелинейного сопротивления дугового канала;

предложить методические и практические мероприятия по повышению надежности эксплуатации КЛ с СПЭ-изоляцией.

Методы исследования. Для достижения поставленных задач были использованы методы компьютерного моделирования на основе теории электрических цепей и электромагнитных переходных процессов; метод натурного эксперимента с организацией искусственных ОЗЗ в эксплуатируемой кабельной сети; методы цифровой регистрации, обработки и гармонического анализа сигналов; методы теории вероятностей и математической статистики.

Научная новизна основных положений и результатов работы:

получены экспериментальные результаты, показывающие, что погасание однофазной дуги в изоляции кабеля происходит при первом или последующем переходах высокочастотного тока (ВЧ) дуги через нуль. При этом возникновение повторных пробоев определяется не только соревнованием скоростей восстанавливающейся электрической прочности (ВЭП) и переходного восстанавливающегося напряжения (ПВН), но и скоростью перехода ВЧ тока дуги через нуль.

реализован принцип комплексной статистической обработки и впервые получены статистические оценки и корреляционные связи скоростных, амплитудных и временных параметров перемежающегося дугового замыкания в бумажно-пропитанной изоляции силового кабеля;

выявлен эффект существенного снижения длительности горения однофазной дуги после первичного пробоя на землю фазы кабеля с БМПИ, наблюдаемый при условии введения определенной активной составляющей тока замыкания, синфазной с напряжением на дуговом промежутке. Это позволяет снизить количество аварийных отключений КЛ с ослабленной изоляцией за счет оптимизации режима заземления нейтрали;

впервые разработаны и экспериментально проверены алгоритмы (механизмы) развития однофазного дугового замыкания на землю в БМПИ и изоляции из СПЭ силовых кабелей, предложена графическая интерпретация алгоритмов на основе нелинейного сопротивления канала пробоя.

Личный вклад соискателя заключается в формулировке цели и задач работы; участии в организации и выполнении экспериментов в реальных кабельных сетях; сборе и обработке данных мониторинга перенапряжений; разработке алгоритмов обработки натурных осциллограмм; корректировке математических моделей; разработке и обосновании алгоритмов развития ОЗЗ в изоляции силовых КЛ; формировании технических требований и алгоритма работы ВЧ распределенной системы сбора данных.

Практическая значимость и реализация результатов работы:

предложенные алгоритмы и исследованные закономерности развития ОЗЗ в кабельных сетях реализованы в высокочастотной системе регистрации аварийных событий и переходных процессов СПЕКТР 1.01, разработанной ООО «Болид». Данные устройства установлены и эксплуатируются в кабельной сети 10 кВ филиала ОАО «МРСК Северо-Запада» «Архэнерго», г. Архангельск. Акт об использовании результатов включен в текст диссертационной работы в виде Приложения.

разработанные практические и методические мероприятия по повышению надежности эксплуатации силовых КЛ 6-35 кВ с СПЭ-изоляцией реализованы в форме разделов стандарта «Руководящие указания по выбору, сооружению и технологии эксплуатации кабельных линий напряжением 6 – 110 кВ на основе кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена», который введен в действие приказом генерального директора ОАО «Ленэнерго» в 2012 г. Заключение об использовании результатов также включено в текст диссертационной работы в виде Приложения.

Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечивается применением теории электромагнитных переходных процессов, теории высоковольтной изоляции, использованием апробированной измерительной аппаратуры и математического аппарата, качественным согласием результатов аналитических исследований и натурных экспериментов.

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Техника и электрофизика высоких напряжений» Новосибирского государственного технического университета, IV и V Всероссийских научнотехнических конференциях «Ограничение перенапряжений. Режимы заземления нейтрали. Электрооборудование сетей 6-35 кВ» (г. Новосибирск, 2006, 2008); Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы эксплуатации городских кабельных сетей и сетей промышленных предприятий» (г. Свалява, Украина, 2007); II Международной научнопрактической конференции «Кабельная техника современного уровня и изоляция» (г. Харьков, Украина, 2008); XIII Всероссийской научно-технической конференции Краснодарского краевого отделения РНТО энергетиков и электротехников «Пути повышения надежности, эффективности и безопасности энергетического производства» (с. Дивноморское, 2010); Всероссийской научно-практической конференции «Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем» – ЭНЕРГО- (г. Москва, 2010); Семинаре №24 «Электрификация и энергосбережение в горной промышленности» научного симпозиума «Неделя горняка-2011» (Москва, 2011); III Международной молодежной конференции инженеров-энергетиков IYCE 2011 (г. Лейрия, Португалия, 2011), Восьмой Международной конференции «Качество электроэнергии и надежность электроснабжения» PQ-2012 (г.

Тарту, Эстония, 2012), Международной конференции и выставке Energy Mongolia’2013 (г. Улан-Батор, Монголия, 2013), II Международной конференции «Электроэнергетическое оборудование – Коммутационные технологии» ICEPEST 2013 (г. Мацуэ, Япония, 2013).

Результаты работы использованы при выполнении НИР «Исследование и разработка мер ограничения внутренних перенапряжений в сетях 6-35 кВ ОАО «МРСК Волги», характеризующихся высокими уровнями емкостных токов и большими расстройками компенсации при замыканиях на землю», НИР «Комплексные исследования распределительной сети 10 кВ ПС-75 и ПС-155 филиала ОАО «Ленэнерго» – Пригородные электрические сети».

По теме диссертации в научно-технической литературе опубликованы работы, в том числе 5 научных статей в рецензируемых изданиях; 1 статья в материалах Совещания главных энергетиков ОАО «Газпром», 6 статей в материалах международных и всероссийских научно-технических конференций; статей в специализированных периодических изданиях. В автореферате приведен список из 15 наиболее значимых работ по теме диссертации.

Положения, выносимые на защиту:

погасание однофазной дуги в БМПИ кабеля происходит при переходе свободной составляющей тока замыкания через нулевое значение; амплитудные, скоростные и временные параметры перемежающегося дугового замыкания в изоляции имеют сложную корреляционную связь;

улучшить условия погасания однофазной дуги после первичного пробоя кабельной изоляции можно при дополнении тока замыкания активной составляющей, синфазной с напряжением на дуговом промежутке и не влияющей на электрический угол пробоя (момент зажигания дуги);

алгоритмы (механизмы) и графическая интерпретация развития однофазного дугового замыкания в БМПИ и СПЭ-изоляции силовых кабелей, отражающие снижение напряжения пробоя и сопротивления дугового канала; статистическая оценка энергетических характеристик заземляющей дуги и ее динамического сопротивления;

экспериментальная проверка разработанных алгоритмов и особенностей развития ОЗЗ в кабельных сетях, результаты внедрения распределенной высокочастотной системы сбора данных.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, трех приложений и списка использованных источников из 112 наименований. Работа изложена на 224 страницах основного текста и приложений на 31 странице, включает 69 рисунков и 37 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлена характеристика диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, изложены научная новизна и практическая значимость, обусловленные необходимостью исследования и моделирования замыканий на землю в кабельных сетях для выбора адекватных средств защиты от перенапряжений и повышения надежности эксплуатации.

Первый раздел посвящен задаче определения амплитудных, временных и частотных параметров замыканий на землю и диапазонов их изменения с учетом особенностей развития соответствующих переходных процессов в кабельных сетях.

Сложность разработки обоснованных алгоритмов развития дуговых замыканий в изоляции силовых кабелей связана с наличием широкого ряда влияющих факторов, таких как соотношение активной и реактивной составляющих тока замыкания на землю, сопротивление цепи замыкания, время горения дуги и длительность бестоковых пауз и т.д. Поэтому механизм возникновения максимальных перенапряжений в соответствии с существующими теориями не характеризует реальный электромагнитный процесс развития ОЗЗ в изоляции силового кабеля. Кроме амплитуды дуговых перенапряжений, следует анализировать частотные и временные параметры замыкания. Комплекс расчетов частот переходного процесса в контуре ОЗЗ в кабельной сети подтвердил необходимость формирования математической модели (рисунок 1, где LШ и LT – индуктивности ошиновки и питающего трансформатора, СФ и СФФ – фазная и междуфазная емкости сети), учитывающей протекание трех этапов процесса. Для первого этапа характерно наличие составляющих двух частот f1 и f2, которые определяются эквивалентной индуктивностью ошиновки, через которую происходит перезаряд емкостей, и активным сопротивлением дуги в диапазоне 10- – 103 Ом.

среднечастотные, обусловленные перезарядом ёмкостей через индуктивность исРисунок 1 – Эквивалентная схема для переходного процесса при дуговом ОЗЗ ный процесс, возникающий за счет изменения напряжения на нейтрали, определяется в том числе индуктивностью (мощностью ST) источника питания и для IC = 5 А его частота составляет f3 = 1,51 кГц для ST = 10 МВА, f3 = 4,47 кГц для ST = 80 МВА, для IC = 200 А f3 = 238 Гц для ST = 10 МВА, f3 = 706 Гц для ST = МВА. В сетях с трехжильными кабелями с БМПИ частоты f2 и f3 ниже на 11,3%, относительно соответствующих значений в сети с СПЭ-кабелями. Для правильной оценки амплитуды и частоты гармоник f1 и f2 и корректной оценки наибольших перенапряжений необходимо учитывать распределенность параметров ошиновки и подходящих к шинам рассматриваемой сети воздушных и кабельных линий, имея в виду, что вероятность возникновения уровней перенапряжений KU 2,80 не превышает 0,05. Анализ нескольких сот натурных осциллограмм позволил заключить, что погасание однофазной дуги происходит при переходах свободной составляющей тока дуги частотой примерно от 0,4 – 0,6 кГц до 4 – 6 кГц через нулевое значение.

Результаты регистрации и сопоставление их с расчетами показывают, что соотношение активного и емкостного токов замыкания на землю IR/IC 3,5 – 4,0 обеспечит устойчивое горение дуги при ОЗЗ в кабеле с БМПИ. Для кабеля с СПЭ-изоляцией в целях определения активного тока, гарантирующего перевод дуги в устойчивую фазу горения за tDUG = 0,1 – 0,5 с и селективное срабатывание простых токовых защит от ОЗЗ, используется выражение IR/IC = 2,5 – 4,0.

Исходя из практики выбора резисторов для заземления нейтрали эксплуатируемых и проектируемых кабельных сетей, можно констатировать, что этому условию в сетях среднего напряжения соответствуют номинальные сопротивления 10 – 200 Ом (время работы не менее 5 с) с активным током не более 400 – 600 А из условия термической стойкости оборудования.

При IR/IC < 0,6 влияние активного сопротивления в нейтрали на возможность самопогасания дуги оказалось малозаметным. Существенное снижение вероятности повторных пробоев за счет самопогасания дуги в кабеле с БМПИ наиболее вероятно при IR/IC = 0,6 – 1,2. Пропорционально значению активного сопротивления в нейтрали сети повышается эквивалентное сопротивление цепи замыкания, что приводит к затуханию переходного процесса при меньшем количестве переходов тока дуги через ноль. Расчеты также показали, что рост доли активного тока в 4 раза (от IR = IC до IR = 4IC) приводит к возрастанию степени демпфирования свободных колебаний на 23,5%, а по сравнению с изолированной нейтралью (IR/IC = 0) – на 34%. Влияние относительного активного тока IR/IC на частоту свободных колебаний f с ростом последней снижается: при f = кГц это влияние становится слабозаметным, а при f 5 кГц практически полностью нивелируется.

Исследование временных параметров дугового ОЗЗ в кабеле показало, что широкий диапазон значений времени горения дуги tDUG и длительности бестоковых пауз t хорошо отражает возможность существования различных режимов ее горения. Перемежающиеся дуги характеризуются значениями t = 10 – 40 мс, прерывистые – t = 160 – 200 мс и более. В реальных условиях эксплуатации кабельных сетей наблюдается большой разброс t, обусловленный случайностью момента пробоя. Длительность горения дуги tDUG в единичном пробое также можно рассматривать как характерный признак, отличающийся для перемежающихся/ прерывистых (tDUG = 1 – 10 мс) и устойчивых (tDUG > 20 мс) дуговых ОЗЗ.

Горение дуги в кабельной изоляции происходит в узком канале пробоя, который может расширяться за счет испарения материала стенок канала. Скорость поступления в столб дуги продуктов испарения повышается с ростом разрядного тока, достигая пика при tDUG >> 20 мс. Дуга в изоляции силового кабеля с БМПИ может гореть более 10 мин, характерными для режима устойчивого горения заземляющей дуги являются значения tDUG (1 – 2) c. В СПЭ-кабелях tDUG (1 – 2) мин (обычно до 30 с): по истечении этого времени дуга может прожечь внешнюю оболочку кабеля, повредив проложенные рядом фазы КЛ.

Во втором разделе представлены результаты комплексной статистической обработки и анализа результатов натурных испытаний, а также длительной регистрации (мониторинга) переходных и аварийных процессов в кабельных сетях среднего напряжения.

На основе натурных осциллограмм, полученных при использовании схемы измерений с искусственным повреждением изоляции силового кабеля (рисунок 2), был выполнен статистический анализ амплитудных, скоростных и временных параметров напряжений и тока дуги (tDUG; t; KU; скорости перехода тока через нуль diDUG/dt; скорости ПВН duВОССТ/dt; амплитуды напряжения на нейтрали uNMAX; напряжения повторного пробоя uПР) в режиме последовательных импульсных пробоев фазы на землю (перемежающаяся дуга) в силовом кабеле с БМПИ. Реализован принцип комплексной статистической обработки, включающий в данном случае проверку гипотез о виде закона распределения, проверку нормальности распределения по критерию Д’Агостино, проверку выборок случайных величин на наличие аномальных выбросов с использованием критериев Роснера и Смирнова-Граббса, определение статистических характеристик и доверительных диапазонов, проверку гипотезы о наличии парной корреляционной связи с вычислением коэффициентов линейной парной регрессии (критерий Фишера), а также гипотезы о наличии частных и множественных корреляций между параметрами дугового ОЗЗ в кабеле. В качестве испытываемых кабелей, в которых с помощью специального прокалывающего устройства и искрового промежутка инициировался дуговой пробой, применялись отрезки кабеля ААшВ-10 (3х70) длиной до 5 м со снятой внешней оболочкой.

Рисунок 2 – Схема организации эксперимента в кабельчем за 8 мс с отклонением ной сети 6 кВ с инициированием дугового замыкания в дуги через нуль перед погасанием составляет diDUG/dt = 240 – 800 А/мс и не зависит от времени горения дуги. Длительность бестоковых пауз подвержена большому разбросу: при M[t] = 73,2 мс [t] = 23,5 мс, что связано с нестабильностью скорости ВЭП. С учетом малых скоростей восстановления напряжения на поврежденной фазе duВОССТ/dt = 21 – 52 В/мс и наличия повторных пробоев при uПРMAX 0,85uФMAX (M[uПР] = 0,62uФMAX) предлагается на основании проведенных исследований при моделировании принимать скорость ВЭП на уровне 0,1 – 0,2 кВ/мс.

С уровнем значимости q = 0,05 была подтверждена стохастическая связь в парах «KU – uNMAX», «KU – uПР», «t – uПР», «duВОССТ/dt – uПР». Расчеты показали, что для этих пар случайных величин уверенность в значимости корреляции и коэффициентов линейной регрессии крайне высока: проверяемая гипотеза не отклоняется при доверительной вероятности pД = 0,99. Корреляция и уравнение линейной регрессии для выборок diDUG/dt – duВОССТ/dt становятся статистически значимы уже при q =0,053 (r = 0,2479 > rq=0,053 = 0,2469). Это свидетельствует в пользу наличия между ними корреляционной связи с незначительным снижением надежности решения с 0,950 до 0,947. Оценка значимости частной и множественной корреляций между наблюдаемыми случайными величинами показала, что для сочетаний СВ «KU – uNMAX – uПР» и «uПР – t – duВОССТ/dt» при q = 0,05 не отклоняется гипотеза о множественной корреляции, следовательно, каждый рассматриваемый параметр дугового замыкания стохастически жестко связан с парой других.

частных корреляций для выборок «uПР – t – duВОССТ/dt» также выявил статистически незначиuВОССТ* мую зависимость при фиксированРисунок 3 – Фрагмент натурной осциллограммы последовательных ном uПР. Это означает, что скорость ПВН не связана с длительностью бестоковых пауз без учета связи с напряжением пробоя. При этом подтверждена значимость частной корреляции между «uПР – t»

при фиксированной скорости duВОССТ/dt, что свидетельствует о большем влиянии на напряжение повторных пробоев длительности бестоковых пауз, чем скорости ПВН.

Выполненный на основе результатов мониторинга перенапряжений сравнительный анализ 239 осциллограмм переходных процессов при дуговых ОЗЗ в эксплуатируемой кабельной сети показал, что при наличии в нейтрали только ДГР примерно в 30% случаев имеют место многократные повторные пробои фазы на землю c частотой появления примерно в 5 – 10 раз выше, чем предполагается в теории при || 0,05. Низкие скорости ПВН, расчетные значения которых составляют 5,0 – 35 В/мс при расстройках компенсации || 0,05, не гарантируют снижения вероятности повторных пробоев, которые происходят в среднем на 20 – 30% чаще, чем в сети с КЗН.

Статистический анализ массива параметров электромагнитного процесса при ОЗЗ в кабельной сети 6 кВ позволил определить параметры нормальных законов распределения для уровня KU, электрического угла пробоя, времени tDUG. Была проведена оценка их статистических характеристик для сети с ДГР (индекс 1, 98 элементов в выборке) и КЗН (индекс 2, 141 элемент в выборке).

Было показано, что минимальный относительный разброс наблюдается в выборках СВ KU(1,2): для них коэффициент вариации [X]/М[X] < 0,1, а максимальный – в выборках tDUG(1,2) с коэффициентами вариации 0,375 и 0,518 соответственно. Это означает, что длительные режимы горения дуги не способствуют M[KU(1)]+3[KU(1)] = 2,55) 0,05; p(KU(2) > M[KU(2)]+3[KU(2)] = 2,53) 0,05. Последнее заключение подтверждается высокими значения разбросов времени горения дуги при пробоях при [KU(1,2)] >1) до u2 = (0,1 – 0,9)uФMAX.

RIZ RDUG

Рисунок 9– Качественный характер изменения параметров сети и режима нейтрасопротивления канала горения дуги и напряже- ли с вероятностью р = 0,70 – 0, ния пробоя для БМПИ силового кабеля в пропроисходит самопогасание дуги за цессе развития дугового ОЗЗ: 1 – процесс развисчет двух разновременных процестия неустранившегося дугового ОЗЗ, 2 – самовосстановление ЭП изоляции (единицы секунд) и возникновение ударных давлений в образовавшемся газовом «пузыре» (единицы миллисекунд) и кривая 1 переходит в кривую 2, напряжение пробоя восстанавливается до значений U1* = (2 – 4)UФ, а сопротивление R1* = 104 – 105 Ом. С вероятностью 1 – р 0,15 – 0,30 имеет место развитие процесса с изменение режима горения дуги. При этом начальный рост uПР связан с повышением газовыделения в канале пробоя (переход к кривой 2), а стабилизация и спад – с расширением этого канала вследствие разрушения изоляции и его науглероживанием (кривая 1 при t > t1).

В момент времени t2 (начало третьего этапа) происходит мощный импульсный пробой с последующим снижением напряжения uПР до значений U 0,1UФ, которое тем быстрее, чем больше количество повторных пробоев. Далее в течение долей секунд происходит развитие (расширение) канала горения и переход последовательных импульсных пробоев в режим непрерывного горения дуги, сопротивление дуги при этом достигает минимальных значений R3 = 10-1 – 10-5 Ом. Случайность моментов пробоя и различные сочетания параметров ОЗЗ могут приводить к исключению некоторых стадий развития ОЗЗ в кабельной изоляции.

Для кабельной СПЭ-изоляции пробой носит необратимый характер и восстановление ЭП до значений, обусловливающих длительное отсутствие повторных пробоев, теоретически невозможно. С учетом этого предложена гипотеза развития дугового ОЗЗ в СПЭ-изоляции, в которой выделены четыре этапа.

Первый этап пробоя представляет собой комбинацию предпробойных состояний и характеризуется последовательным объединением внутренних дефектов (побочных каналов электрических триингов) с повышением интенсивности ЧР в них. Второй этап связан с быстрой ионизацией газовой смеси в формирующемся канале пробоя, возможен механизм ударной ионизации электронами в зонах пониженной плотности полимера. На третьем этапе происходит объединение близлежащих побочных ветвей в направлении пробоя и наблюдается начало перехода СПЭ в область высокоэластичных состояний, задействуется механизм электромеханического пробоя за счет сжатия силами электростатического поля. Четвертый этап пробоя является завершающим. Он сопровождается искровым разрядом и, при условии достаточной ионизации канала, происходит зажигание столба заземляющей дуги, представляющей собой низкотемпературную плазму.

Характерные кривые изменения СПЭ-изоляции eПР и сопротивления изоляции RIZ (сплошные линии, оси ординат слева) представляют собой по- 10k, k казательные функции, асимптотически приближающие- Рисунок 10 – Качественный характер развития процессов пробоя ся к осям абсцисс и ординат (рисунок 10). Кривые изменения температуры (штрих-пунктирные линии, ось ординат справа) отражают близкую к экспоненциальной зависимость нагрева изоляции в процессе развития пробоя. На осях ординат приведены численные значения, соответствующие основным состояниям СПЭ-изоляции: новая неповрежденная изоляции кабеля: RIZ = 1012 – 1013 Ом, EПР50 Гц = 30 – 40 кВ/мм;

ослабленная изоляция кабеля, в которой идет интенсивное развитие предпробойных процессов: RIZ = 108 – 109 Ом, EПР50 Гц = 14 – 22 кВ/мм; пробитая изоляция кабеля, не способная к самовосстановлению ЭП: RIZ RDUG = 10k Ом (k – 1), EПР50 Гц = 0. В той же временной области приведены графики роста температуры изоляции TIZ до пробоя примерно при 340 – 480 0С с переходом к температуре дугового столба до TDUG 5000 К по его оси.

На основе экспериментальных исследований, результаты которых изложены в стандарте IEEE 400-2001, можно сопоставить приведенные кривые изменения RIZ, еПР и ТIZ (ТDUG) со скоростью VПР развития каналов пробоя СПЭизоляции. На рисунке 10 графики 1 и 1* качественно соответствуют VПР = 175 – 611 мм/ч при KU = 4UФ; 2 и 2* – VПР = 2,2 – 5,9 мм/ч при KU = 3UФ; 3 и 3* – VПР = 1,7 – 2,4 мм/ч при KU = 2UФ. При воздействии ВЧ перенапряжений уровнем ( – 4)UФ скорость развития канала пробоя будет увеличиваться, поэтому возможен переход «рабочей точки» по траектории A B C.

Характерные кривые характеристик однофазной дуги, в том числе ее динамического сопротивления RDUG(t) в режиме перемежающегося замыкания на землю в БМПИ кабеля (рисунки 2 – 3) приведены на рисунке 11.

Рисунок 11 – Характерные кривые изменения мгновенной мощности (а), сопротивления (б), тока дуги (в) и напряжения на однофазной дуге (г) в процессе ее перемежающегося горения в Наибольшие мгновенные значения RDUG(MAX) = 1,3·102 – 9,5·104 Ом динамического сопротивления дугового канала соответствуют моментам перехода через ноль ВЧ тока дуги, что подтверждает возможность ее гашения именно в эти моменты. Достигаемое к концу каждого полупериода ВЧ тока дуги значение RDUG 102 – 105 Ом может служить пограничным значением, характеризующим успешное/неуспешное погасание дуги при однофазном повреждении изоляции кабеля. В то же время моменты перехода через нуль напряжения соответствуют минимальным значениям RDUG(MIN) = 8·10-6 – 1,0·10-1 Ом динамического сопротивления дуги.

Параметры дуги можно оценить интегральными значениями, вводя понятия тепловых эквивалентов: пусть IDUG –значение тока дуги, непрерывное протекание которого по фиксированному сопротивлению дуги RDUG в течение времени tDUG вызовет выделение на ней энергии WDUG. Статистическая обработка позволила определить их характеристики для режима импульсных однофазных пробоев (рисунок 2). Проверка гипотез о виде законов распределения показала, что WDUG и IЭКВ распределены по нормальному (проверка по критерию Д’Агостино), а RDUG – по экспоненциальному (проверка по критерию Колмогорова – Смирнова) законам.

Наибольшей плотности распределения соответствуют средние значения RDUG = 0,3 – 4,5 Ом для дуги в БМПИ кабеля. Для рассматриваемого режима импульсных пробоев БМПИ кабеля констатируется, что с доверительной вероятностью 0,95 выделяемая энергия в пробое не превышает 325 Дж, тепловой эквивалент тока дуги – 184,1 А, сопротивление дуги – 9,7 Ом.

Оценка средней мощности дуги при рассматриваемом режиме импульсных пробоев показала, что 30 Дж/мс PDUG 70 Дж/мс, M[PDUG] = M[WDUG] / M[tDUG] = 36,6 Дж/мс. Для сравнения были получены параметры пробоя с длительным (tDUG = 54,2 мс) и по истечении 10 мс устойчивым горением заземляющей дуги в кабеле, наибольшие и наименьшие мгновенные значения динамического сопротивления дугового канала составили RDUG(MAX) = 2,8·105 Ом и RDUG(MIN) = 0,88 Ом соответственно. Тепловые эквиваленты сопротивления и тока дуги при заданных условиях оказались равны 60,9 Ом и 22,7 А соответственно, а средняя мощность PDUG = 31,4 [30; 70] Дж/мс. Это свидетельствует о возможности распространения полученных для режима импульсных пробоев значений энергии дуги на режим ее квазиустойчивого горения.

Значения WDUG, IDUG и RDUG для режима импульсных однофазных пробоев СПЭ-изоляции кабеля при tDUG 5 мс были рассчитаны по результатам трех последовательных опытов с несколькими повторными пробоями в каждом. Статистические характеристики получить не удалось вследствие малого объема выборок. Наибольшие и наименьшие мгновенные значения динамического сопротивления дугового канала в СПЭ-изоляции в моменты перехода через нуль ВЧ тока дуги (RDUG(MAX) = 1,3·102 – 3,6·104 Ом) и напряжения на дуге (RDUG(MIN) = 5,3·10-4 – 3,0·10-1 Ом) соответственно укладываются в более широкие диапазоны мгновенных значений сопротивления для режима импульсных пробоев БМПИ кабеля.

Энерговыделение в канале горения дуги в СПЭ оценено как 100 Дж/мс PDUG 260 Дж/мс, что в 3,3 – 3,7 раз выше, чем в БМПИ силового кабеля в режиме импульсных пробоев. Следовательно, скорость разрушения СПЭизоляции при дуговом ОЗЗ в кабеле выше, чем в БМПИ при прочих равных условиях. Это можно пояснить следующим образом. Кабели с изоляцией СПЭ с индексами нг, нг-LS (оболочка кабеля содержит антипирены) не поддерживают горение только в случае отсутствия тока подпитки дуги, в том числе тока ОЗЗ.

В силу своей химической природы СПЭ является легкогорючим материалом с относительно высокими значениями теплоты сгорания (48 МДж/кг, что примерно в 3 раза выше, чем у целлюлозы и до 20% выше, чем у кабельного масла), самовоспламенение которого происходит при воздействии температур более 340 0С. При этом время горения, соответствующее времени существования ОЗЗ, достигает единиц секунд и минут, вызывая расширение зоны повреждения КЛ. Поэтому ОЗЗ должно быть отключено с минимальной выдержкой времени.

перемежающегося дугового замыкания в БМПИ с самоустране- бои следуют с t = ствует условиям горения перемежающейся дуги. Сравнение демонстрирует хорошую сходимость результатов расчета и регистрации в амплитудной и частотной областях с погрешностью по заданному алгоритму не более 10%.

Рекомендуемые по результатам работы мероприятия по повышению надежности эксплуатации КЛ на основе кабелей с СПЭ-изоляцией включают:

внедрение норм и методов входного контроля кабелей, арматуры и материалов на эксплуатирующем предприятии; контроль качества монтажа и прокладки КЛ; применение щадящих методов испытаний повышенным напряжением СНЧ (приведены конкретные нормы для напряжения синусоидальной и косинуснопрямоугольной формы) и диагностирования. Предложенные критерии выявления предаварийного состояния СПЭ-изоляции кабелей основаны на анализе измеренных значений сопротивления изоляции и коэффициентов абсорбции, tg, кажущегося заряда и напряжения возникновения ЧР и ряда других диагностических параметров и отражены в разработанной нормативно-технической документации.

В качестве инструмента контроля параметров кабельной сети разработана и введена в эксплуатацию высокочастотная система сбора данных – регистратор СПЕКТР 1.01. Он позволяет осуществлять непрерывный контроль и регистрацию напряжений в переходных и аварийных режимах в частотном диапазоне от 25 Гц до 42,5 кГц по каждому каналу. Передача результатов измерений на удалённый ПК оператора происходит в режиме реального времени, что является серьезным преимуществом: просмотр и анализ осциллограмм событий возможен сразу после их завершения.

С момента включения систем СПЕКТР на двух распределительных городских ПС 110/10 кВ за год работы регистраторов в кабельной сети 10 кВ было зарегистрировано 140 событий (100%), в том числе:

102 случая дуговых ОЗЗ (72,9%), самоустранившихся либо выявленных и принудительно отключенных с предварительным переводом на резерв;

25 случаев перехода дуговых ОЗЗ в междуфазные КЗ (17,8%) с аварийным отключением присоединений;

13 случаев возникновения междуфазных КЗ без «земли»(9,3%).

Опыт эксплуатации показал, что применение таких ВЧ систем регистрации позволяет оперативно выявлять единичные пробои изоляции и предупреждать в среднем до 30% аварийных отключений КЛ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

На основании комплекса аналитических и экспериментальных исследований в диссертационной работе решена актуальная научно-техническая задача разработки алгоритмов (механизмов) развития замыканий на землю в кабельных сетях с неэффективно заземленной нейтралью и мер повышения эксплуатационной надежности силовых КЛ с разными типами изоляции.

По работе сформулированы следующие основные выводы:

1. Выполнено аналитическое исследование частотных, амплитудных и временных параметров электромагнитных процессов при ОЗЗ в кабельной изоляции. Показано, что, в отличие от классических представлений, заземляющая дуга в изоляции силового кабеля с БМПИ может существовать более 10 мин, характерными являются времена до 1 – 2 c. В кабелях с СПЭ-изоляцией длительность дугового ОЗЗ, как правило, не превышает 1 – 2 мин до аварийного отключения.

2. Впервые для режима перемежающегося дугового ОЗЗ в пропитанной изоляции кабеля получены статистические оценки продолжительности бестоковых пауз, скорости изменения ВЧ тока дуги перед ее гашением, скорости ПВН на поврежденной фазе и ряда других параметров. Подтверждена множественная и частная корреляция в сочетаниях «уровень перенапряжений – амплитуда напряжения на нейтрали – напряжение пробоя» и «напряжение пробоя – длительность бестоковых пауз – скорость ПВН».

3. Показано, что низкие скорости ПВН даже при расстройках компенсации ДГР в пределах 5% не обеспечивают ожидаемого снижения вероятности повторных пробоев при эксплуатации изношенной изоляции кабеля. Выявлено и теоретически обосновано снижение длительности горения дуги после первичного пробоя на землю в среднем в 2,6 раза в сети с КЗН относительно сети с ДГР. Этот эффект связан с облегчением условий гашения дуги в БМПИ за счет дополнительной активной составляющей тока ОЗЗ.

4. Подтверждено, что погасание заземляющей дуги в БМПИ кабеля происходит при первом или последующем переходах свободной составляющей тока заземляющей дуги частотой до 4 – 6 кГц через нулевое значение, а стабилизация напряжения повторных пробоев на уровне математического ожидания 0,6uФMAX и ниже ограничивает эскалацию перенапряжений при дуговых ОЗЗ.

5. Разработана математическая модель электрической сети с КЛ большой протяженности, позволяющая оценить распределение перенапряжений при дуговых ОЗЗ по длине линии. Показана необходимость учета зоны защитного действия резистора и возможности ее расширения за счет увеличения IR/IC до 1,2 – 1, 5 в разветвленных сетях. Предложена методика и выполнен уточненный расчет сопротивления в месте однофазного повреждения кабеля с учетом гармоник в цепи ОЗЗ, дающий корректировку в сторону увеличения сопротивления примерно в два раза.

6. Впервые разработаны и экспериментально проверены алгоритмы (механизмы) развития многостадийного процесса пробоя и зажигания однофазной заземляющей дуги в БМПИ и СПЭ-изоляции силовых кабелей. Полному пробою диэлектрика предшествует длительный процесс снижения ЭП изоляционного промежутка, сопровождающийся экспоненциальным уменьшением сопротивления изоляции на 2 – 4 порядка.

7. По результатам эксперимента статистически оценены тепловые эквиваленты тока, сопротивления и энергии заземляющей дуги. Показано, что значения динамического сопротивления дуги 102 – 105 Ом являются пограничными и характеризуют успешное/неуспешное погасание заземляющей дуги.

8. Установлено, что энерговыделение в канале горения дуги в режиме импульсных однофазных пробоев в СПЭ в среднем в 3,5 раза выше, чем в БМПИ, при одних и тех же параметрах сети. Это связано с теплофизическими характеристиками СПЭ-изоляции. Для минимизации области повреждения в СПЭ-кабелях следует реализовать заземление нейтрали сети через резистор сопротивлением в диапазоне 10 – 200 Ом и током до 400 – 600 А.

9. Предложены методические и практические мероприятия, направленные на повышение надежности эксплуатации силовых КЛ с СПЭ-изоляцией. Разработаны и введены в эксплуатацию в кабельной сет 10 кВ распределенные ВЧ системы сбора данных, предназначенные для контроля параметров сети с целью предупреждения аварийных отключений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ОТРАЖЕНО В ПУБЛИКАЦИЯХ:

Из перечня рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций:

1. Иванов, А. В. Исследования параметров тока однофазного замыкания на землю в сети 6 кВ Оренбургского ГПЗ / А. В. Иванов, Л. И. Сарин, А. И. Ширковец // Газовая промышленность. – 2008. – № 12 (625). – С.

2. Сарин, Л. И. Опыт применения резистивного заземления нейтрали в электрических сетях 6-35 кВ / Л. И. Сарин, А. И. Ширковец, М. В. Ильиных // Энергетик. – 2009. – №4. – С. 13–14.

3. Ильиных, М. В. Исследование процессов при металлических и дуговых ОЗЗ в условиях резистивно-заземленной и изолированной нейтрали в сети 6 кВ ПС «Карьерная-2» ОАО «Разрез Тугнуйский» / М. В. Ильиных, А. И. Ширковец, А. А. Кузьмин, И. Е. Волокитин // В сб. «Электрификация и энергоэффективность». Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня. – М. : Горная книга, 2011. – 4. Ширковец, А. И. Технология эксплуатации и критерии отбраковки кабелей среднего напряжения с изоляцией из сшитого полиэтилена / А. И.

Ширковец // Энергетик. – 2011. – № 10. – С. 32–36.

5. Ширковец, А. И. Математическая модель горения однофазной дуги в изоляции силовых кабелей с графической интерпретацией развития пробоя на основе нелинейного сопротивления дугового канала / А. И.

Ширковец, Д. Ф. Губаев // Известия вузов: Проблемы энергетики. – 2012. – № 9-10. – С.121–134.

Публикации в научно-технических журналах, трудах Всероссийских 6. Ширковец, А. И. Методические подходы к осциллографированию процессов при однофазных замыканиях на землю в электрических сетях 6-35 кВ / А. И. Ширковец, М. В. Ильиных // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. – 2008. – спец. вып. № 1. – С. 44–51.

7. Сарин, Л. И. Анализ результатов мониторинга процессов при однофазных замыканиях на землю в сети 6 кВ с дугогасящими реакторами и резисторами в нейтрали / Л. И. Сарин, М. В. Ильиных, А. И. Ширковец, Э. В. Буянов, В. Н. Шамко // Энергоэксперт. – 2008. – № 1. – С.56–64.

8. Ширковец, А. И. Резистивное заземление нейтрали в сетях 6-35 кВ с СПЭ-кабелями. Подходы к выбору резисторов и принципам построения защиты от ОЗЗ / А. И. Ширковец, Л. И. Сарин, М. В. Ильиных, В.

Н. Подъячев, А. И. Шалин // Новости Электротехники. – 2008. – № 9. Shirkovets, A. Experimental Investigations and Calculations in 6-35 kV Networks with Various Neutral Conditions = Экспериментальные и расчетные исследования в сетях 6-35 кВ с различными режимами заземления нейтрали / A. Shirkovets, A. Vasilyeva, A. Telegin // Electric Power Quality and Supply Reliability : Proceedings of PQ2010 7th International Conference, Kuressaare, Estonia, June 16-18, 2010. – Tallinn : Tallinn University of Technology, 2010. – P. 191–195.

10. Ширковец, А. И. Исследование параметров высших гармоник в токе замыкания на землю и оценка их влияния на гашение однофазной дуги / А. И. Ширковец // Релейная защита и автоматизация. – 2011. – № 4. – С.

11. Shirkovets, A. Transient Processes at Single Phase-to-Ground Faults in Combined Grounded Networks = Переходные процессы при однофазных замыканиях на землю в сетях с комбинированным заземлением нейтрали / A. Shirkovets, A. Vasilyeva, A. Telegin, L. Sarin // Electric Power Quality and Supply Reliability : Proceedings of PQ2012 8th International Conference, Tartu, Estonia, June 11-13, 2012. – Tallinn : Tallinn University of Technology, 2012. – Р. 215–221.

12. Shirkovets, A. Integral Arc Models at Single Phase-to-Ground Faults and Special Characteristics of Arcing in Power Cable Insulation = Интегральные модели дуги однофазного замыкания на землю и характерные особенности процесса ее горения в изоляции силовых кабелей / A. Shirkovets // Electric Power Quality and Supply Reliability : Proceedings of PQ2012 8th International Conference, Tartu, Estonia, June 11-13, 2012. – Tallinn : Tallinn University of Technology, 2012. – Р. 241–247.

13. Телегин, А. В. Проблематика замыканий на землю и режим заземления нейтрали в сетях среднего напряжения стран Европы и Америки / А. В.

Телегин, А. И. Ширковец // Релейная защита и автоматизация. – 2012. – 14. Ширковец, А. И. Характеристики перенапряжений и особенности горения дуги при замыканиях на землю в кабельных сетях с линиями большой протяженности / А. И. Ширковец // Релейная защита и автоматизация. – 2012. – № 3.– С. 40–48.

15. Ширковец, А. И. Классификация замыканий на землю и оценка устойчивости сети к феррорезонансу на основе результатов регистрации аварийных событий / А. И. Ширковец // Релейная защита и автоматизация.

Новосибирского государственного технического университета