Эдуард Осипов, инженер, Михаил Дергилев, доцент, Владимир Обабков, Донецкий национальный технический университет
Опыт эксплуатации распределительных сетей 6…10 кВ шахт и карьеров свидетельствует о большой повреждаемости электрооборудования. Особенно это касается электродвигателей, имеющих, как известно, меньшие конструктивные запасы электрической прочности. Одной из главных причин отказов электрооборудования является повреждение изоляции из-за высокочастотных перенапряжений. Причем наибольшую опасность при эксплуатации рассматриваемых сетей представляют дуговые (перемежающиеся) однофазные замыкания на землю (ОЗНЗ). Появление их, как правило, связано с высокой вероятностью возникновения многоместных пробоев изоляции, сопровождающихся групповым отключением технологического оборудования.
В связи со сложностью системного анализа резонансных перенапряжений аналитическими средствами в данной работе использован экспериментальный метод исследования на низковольтной стендовой установке, моделирующей волновые процессы в сети с двигательной нагрузкой.
Вопросам изучения перенапряжений в сетях 3…35 кВ традиционно уделяется большое внимание. В частности, накоплен большой теоретический и экспериментальный материал по перенапряжениям при дуговых ОЗНЗ. Общим для этих исследований является определение максимальных перенапряжений на неповрежденных фазах, а также на поврежденной фазе при восстановлении рабочего напряжения в моменты подзаряда распределенной емкости. Однако в режиме ОЗНЗ подзаряд емкости сети чередуется, как известно, с процессами разряда емкости поврежденной фазы через место пробоя изоляции, что при исследованиях не принималось во внимание. Неучет нагрузки при оценке перенапряжений в сети также приводит к бесконтрольным режимам, опасным для изоляции высоковольтных электродвигателей.
Объектом исследования является система кабель - электродвигатель, в которой возникает петля, образованная поврежденной фазой питающего кабеля и обмоткой электродвигателя. Число таких петель в сети соответствует числу присоединений. Каждая петля в момент разряда элементов поврежденной фазы представляет колебательный контур, в котором при определенном соотношении параметров может наступить высокочастотный резонанс с большой кратностью перенапряжений. Многочисленные измерения, выполненные в электрических сетях, показывают, что характер переходных процессов и величина перенапряжений определяются параметрами петли и суммарной емкостью сети по отношению к земле и не зависят от числа присоединений. Это позволило при выборе схемы физического моделирования сети ограничиться минимальным числом присоединений, позволяющим получить достоверные данные о влиянии параметров присоединения на характер переходных процессов в разрядных контурах. Принципиальная электрическая схема такой модели состоит из трех присоединений, два из которых выполнены по радиальной схеме питания потребителей и одно – по магистральной, характерной для распределительных сетей карьеров. Каждое присоединение моделирует кабельную линию длиной 1000 м и подключенный к ней электродвигатель. Модель кабеля состоит из системы П-образных RLC-цепочек, индуктивности которых выполнены в виде катушек, намотанных на ферромагнитные кольца с большой магнитной проницаемостью. Емкости линии имитируются конденсаторами, а активные сопротивления – омическим сопротивлением самих катушек и последовательно включенных с ними резисторов. Цепочка линии воспроизводит 100 м кабеля с сечением жил от 70 до 240 мм2. В качестве нагрузки использованы различные асинхронные электродвигатели мощностью от 3 до 4,7 кВт.
Для исследования переходных процессов внутри самой машины статорные обмотки снабжены отпайками на расстоянии 7, 16, 25, 50, 75, 87 и 100 % от начала у одного из электродвигателей и 4, 15, 25, 50, 75 и 100 % у другого. Питание модели осуществляется от трансформатора 0,4/0,4 кВ, мощностью 15 кВ·А со схемой соединения обмоток Y/Y/Δ, что позволяет воспроизводить условия работы реальной сети с изолированной нейтралью и осуществлять длительный режим ОЗНЗ при проведении исследований. Кроме того, модель снабжена обобщенной нагрузкой, позволяющей смоделировать электрическую сеть с током замыкания от 3 до 30 А.
Процесс дугового ОЗНЗ имитируется с помощью схемы (рис. 1), выполненной на базе управляемого тиристора Т9-200, включенного в диагональ выпрямительного моста из вентилей ВК-200. Управление тиристором осуществляется специальным формированием импульсов (ФИ), позволяющим в широком диапазоне регулировать угол зажигания и длительность ОЗНЗ. Применение такого устройства дает возможность при минимальной затрате времени в достаточном объеме воспроизводить быстропротекающие непериодические процессы, наблюдаемые в сетях с изолированной нейтралью при перемежающихся ОЗНЗ и получать их на экране осциллографа С1-54 в виде стоячих изображений. Наиболее типичные случаи влияния различных факторов на характер переходных процессов и величину перенапряжений, наблюдаемых при проведении опытов, фотографировались с экрана осциллографа.
Адекватность процессов в модели и реальной сети обеспечивается теорией подобия и моделирования электроэнергетических систем. Главное внимание при этом уделялось совпадению частотных параметров и постоянных затуханий в реальных и моделируемых элементах сети. Параметры переходных процессов, как для отдельных элементов сети, так и для всей системы в целом определялись экспериментальным путем.
Исследования показывают, что величина перенапряжений на неповрежденных фазах не зависит от места ОЗНЗ, а при прочих равных условиях определяется величиной, наложенной высокочастотной составляющей на установившееся напряжение неповрежденной фазы относительно земли. Частота этих колебаний зависит от параметров сети и для моделируемых сетей составляет от сотен герц до нескольких килогерц. Максимальная кратность перенапряжений составила 3,2 Uф, при этом на второй неповрежденной фазе она равнялась 2,4 Uф.
Напряжение между нулевой точкой и землей имеет также вид высокочастотных колебаний, наложенных на напряжение смещения нейтрали, но, в отличие от напряжения на неповрежденных фазах, оно здесь заметно выше. Поэтому при традиционно используемых шлейфовых осциллографах с механической разверткой эти колебания практически не фиксируются, в то время как вызываемые ими перенапряжения достигают двух и более кратных величин.
При экспериментах устройство воспроизведения дугового ОЗНЗ подключалось к разным точкам сети, а осциллографирование процессов проводилось на элементах сети вдоль повредившейся фазы, в том числе и на отпайках статорных обмоток электродвигателей. При этом моделировались сети, эквивалентные электрическим сетям шахт и карьеров, с токами ОЗНЗ 4,7; 16 и 24 А. Все опыты в предположении, что ОЗНЗ происходит при максимуме напряжения поврежденной фазы.
Результаты показывают, что разряд емкости элементов поврежденной фазы в подавляющем большинстве случаев происходит в форме высокочастотных колебаний с различными частотами и амплитудами на каждом присоединении. При некотором соотношении параметров петли (образованной замкнувшейся на землю фазой питающего кабеля и подключенной к ней обмоткой электродвигателя) возникают перенапряжения в местах подключения больших индуктивных сопротивлений, и, в частности на зажимах электродвигателей. Анализ осциллограмм, полученных на зажимах электродвигателей мощностью 4,7 кВт, показывает, что перенапряжения носят характер быстрозатухающих колебаний, максимальная амплитуда и частота которых зависит от расстояния между точкой ОЗНЗ и электродвигателем. Так, в диапазоне исследуемого перемещения точки ОЗНЗ по длине кабеля частота колебаний на зажимах электродвигателя изменялась в пределах 18…80 кГц, а максимум перенапряжений, равный 4,6 Uф, наступил при 22 кГц. Зависимость кратности перенапряжений от частоты свидетельствует о резонансном характере этого явления.
Характер колебаний в системе кабель – электродвигатель существенно отличается от колебаний отдельно взятых кабеля и электродвигателя. Измерения, выполненные на различных по мощности, номинальному напряжению и конструктивному исполнению электродвигателя и разных по сечению (модельных и реальных) кабелях напряжением 6…10 кВ, показывают, что длительность колебательного процесса в системе кабель – электродвигатель резко возрастает при заметно меньшем его затухании. Например, при резонансной длине кабеля, питающего электродвигатель, снижение максимальной амплитуды колебаний в два раза происходит за пять периодов, в то время как при разряде одиночного кабеля такое же по величине снижение происходит всего лишь за один период колебаний, а для электродвигателя за еще более короткое время.
По мере перемещения точки измерения перенапряжений от зажимов электродвигателя кратность их снижается. Причем при перемещении в сторону питающего кабеля характер переходных процессов сохраняется неизменным, однако величина перенапряжений резко падает. При смещении измеряемой точки в глубь обмотки электродвигателя кратность перенапряжений несколько уменьшается и существенно изменяется характер переходного процесса. Характерным здесь является наличие двух высокочастотных составляющих колебаний. Одна составляющая определяется процессом разряда емкости поврежденной фазы и имеет более высокую частоту (назовем ее высокочастотной составляющей разряда). Вторая составляющая имеет частоту на один-два порядка ниже первой (назовем ее низкочастотной составляющей заряда). Именно на этой частоте происходит обмен энергией, запасенной в индуктивностях обмоток электродвигателя и емкостях неповрежденных фаз питающей сети. Для рассматриваемых сетей она составляет от нескольких сотен герц до 2…3 кГц.
В разных точках обмоток электродвигателя влияние каждой из указанных составляющих на величину перенапряжений различно. В начале обмотки влияние низкочастотной составляющей заряда незначительно и кратность перенапряжений определяется в основном наложенной на нее высокочастотной составляющей разряда. На второй половине обмотки все более преобладающей (в смысле перенапряжений) становится менее низкочастотная составляющая заряда. На величину перенапряжений большое влияние оказывают также параметры питающей сети. Если в сети с током ОЗНЗ 4 А максимальная величина перенапряжений незначительно превышала рабочее напряжение сети и находилась в безопасных пределах, то при моделировании сетей с токами ОЗНЗ 7 А, 16 А и 24 А получены перенапряжения с кратностью 4,6 Uф, 5,1 Uф и 6,2 Uф, соответственно. С увеличением емкости питающей сети в кривой напряжений появляется второй резонансный пик с меньшей величиной перенапряжений, возникающий на более высоких частотах. Так, если при моделировании сетей с токами замыкания 4 и 7 А для исследуемой удаленности точки ОЗНЗ от зажимов электродвигателя этого явления не обнаружено, то с током ОЗНЗ 16 А перенапряжения во второй резонансной точке составили 3,9 Uф, а для сети с током замыкания 24 А они достигли пятикратной величины. С увеличением кратности перенапряжений по мере роста параметров сети повышается и время их воздействия на изоляцию. Этот факт хорошо прослеживается при сопоставлении осциллограмм перенапряжений, полученных на зажимах электродвигателя 4,7 кВ при моделировании сетей с токами ОЗНЗ 7 и 24 А, соответственно. Возрастание длительности воздействия перенапряжений на изоляцию объясняется тем, что с увеличением емкости питающей сети снижается резонансная частота разряда поврежденной фазы, которая ведет к уменьшению активных потерь из-за поверхностного эффекта, обусловленного зависимостью активного сопротивления от частоты.
Характер распределения напряжений вдоль обмотки электродвигателя в переходном режиме получается крайне неравномерным, особенно это относится ко второй резонансной точке. Большая часть воздействующего напряжения приходится на первые витки обмотки, что даже при меньшей кратности перенапряжений, воздействующих на главную изоляцию, может привести к большим градиентным потенциалам и явиться причиной пробоя межвитковой изоляции. Параметры питающей сети оказывают большое влияние также и на условия возникновения резонансных явлений в системах электроснабжения шахт (карьеров). Например, если при исследовании переходных процессов в сети с током ОЗНЗ 4 А резонанс на зажимах электродвигателя имел место при длине кабеля (повредившейся фазы от зажимов до места замыкания) в пределах 2600 м, а в сети с током замыкания 7 А при длине 1700 м, то при моделировании сети с током замыкания 24 А абсолютный резонанс наступил при 600 м, а второй – при 200 м, т.е. при длинах, реально имеющих место в системах электроснабжения шахт и карьеров. Следовательно, вероятность возникновения резонансных явлений с кратностью перенапряжений, опасной для изоляции электрооборудования, возрастает с увеличением разветвленности сети и мощности электроприемников. При проведении исследований в реальных сетях также получено хорошее совпадение характера и частотных параметров переходных процессов при сходных с моделью условиях проведения опытов.
Результаты исследований показывают, что возникающие при разряде перенапряжения определяются параметрами сети и местом ОЗНЗ. При некотором сочетании параметров сети относительно точки ОЗНЗ перенапряжения большой кратности могут возникнуть на одном присоединении либо одновременно на нескольких, но чаще всего в местах сосредоточения больших индуктивных сопротивлений: зажимы двигателей, трансформаторов и т.д. В связи с изложенным применяемые в настоящее время способы ограничения перенапряжений, как и средства их регистрации (устанавливаемые, как правило, на шинах распределительных подстанций) оказываются неэффективными.
Успешное решение задачи по ограничению перенапряжений может быть найдено из физических представлений о характере переходного процесса при разряде емкостей поврежденной фазы и источника энергии, подпитывающих этот разряд. Так, разделение контуров, участвующих в процессе разряда и подзаряда, и минимизация энергии подпитки переходного процесса со стороны неповрежденных фаз могут быть средствами эффективного снижения опасных перенапряжений.
Разделение контуров может осуществляться включением в нейтраль сети или электродвигателя резистора, или частотнозависимых, реактивных элементов. Если ограничивать перенапряжения до величины, не превышающей линейное напряжение, при помощи резистора, то его сопротивление должно находиться в пределах 5…6 Ом. Подобная мера едва ли приемлема из-за трудностей изготовления термически стойких резисторов и, кроме того, противоречит ПУЭ. Приемлемым средством является включение в нейтраль сети низкоомных частотно-зависимых устройств.
Применение чисто емкостных элементов ограничивается предельным значением тока ОЗНЗ и в этой связи более подходит для маломощных слаборазвитых сетей. Включение высокоомных резисторов порядка 3 кОм, рекомендуемых в, практически не оказывает влияния на кратность перенапряжений на зажимах электродвигателей. Следовательно, минимизация энергии высокочастотных перезарядов емкостных элементов системы кабель – электродвигатель является наиболее эффективным мероприятием по ограничению перенапряжений. Действительно, установка в сеть управляемых дугогасящих аппаратов снижает частоту следования дуговых пробоев и в этой связи существенно минимизирует длительность воздействия на изоляцию электродвигателей опасных перенапряжений. В сетях с минимизацией и емкостных, и активных составляющих на дуговом промежутке происходит полное подавление дуговых процессов и вследствие этого прекращается поступление высокочастотной энергии в резонансные контуры сети электроснабжения. С учетом этого и рекомендации в сетях, имеющих ток замыкания 5 А, также целесообразно использовать автоматически управляемые дугогасящие реакторы. Применение же двухканальных всережимных автокомпенсаторов представляется наиболее перспективным и эффективным защитным мероприятием не только в шахтных, но и в карьерных сетях 6…10 кВ.
Таким образом, экспериментальные исследования, выполненные на физической модели применительно к сетям угольных шахт и карьеров, показывают, что при дуговых ОЗНЗ, даже в течение времени срабатывания защитной аппаратуры, возможны резонансные перенапряжения с кратностью, значительно превышающей нормы испытательных напряжений электродвигателей (1,5…1,7) Uном. При совпадении неблагоприятных факторов такие перенапряжения могут возникать одновременно на нескольких присоединениях, чем объясняются неоднократно наблюдаемые в эксплуатации случаи многоместных пробоев изоляции с групповым выходом электрооборудования из строя. Поскольку перенапряжения носят локальный характер, концентрируясь в основном в местах подключения больших индуктивных сопротивлений, а место их возникновения определяется параметрами сети и местом замыкания фазы на землю, то распространенные в настоящее время способы ограничения перенапряжений, как и средства их регистрации, оказываются неэффективными.
Оптимальным методом борьбы с высокочастотными перенапряжениями является полное подавление дуговых ОЗНЗ на основе автокомпенсации емкостных составляющих при помощи управляемых дугогасящих реакторов в сочетании с автокомпенсацией активных составляющих напряжения поврежденной фазы.
Предлагаемый способ позволяет получить информативный признак – бросок тока, в фазе с ЗНЗ одной из линий, за счет искусственного «облегченного» ДЗНЗ. В отличие от традиционных способов он не использует свойства тока нулевой последовательности и особенности гармонического состава тока ЗНЗ, поэтому характеризуется более высокой достоверностью и надежностью. Своевременное определение линии с ЗНЗ, позволяет осуществить ее резервирование и последующее отключение и позволяет предотвратить тем самым появление «аварийной режима» ДЗНЗ.
