Актуальность работы. На современном этапе развития систем электроснабжения (СЭС) 6 кВ шахт и рудников широкое использование вакуумных выключателей, старение изоляции кабельных линий, трансформаторов и электродвигателей и недостаточная эффективность защит от коммутационных перенапряжений (КП) привели к тому, что аварийность распределитель ных сетей за последние пять лет возросла в 1,6 раза.
Опыт эксплуатации электрооборудования в сетях 6 кВ шахт и рудников показал, что основной объем аварийных отключений связан с пробоями изоляции из-за воздействия КП и обрывом одной из фаз сети. Статистика указывает на то, что более 50% однофазных замыканий на землю в системах электроснабжения 6 кВ горных предприятий возникает по причине КП.
Проблема защиты изоляции высоковольтного электрооборудования от КП приобрела наибольшую актуальность после широкого внедрения вакуумных выключателей. Данная проблема наиболее характерна для часто комму-¦ тируемых электроприемников с пониженным уровнем прочности изоляции, к которым относятся электродвигатели и трансформаторы, эксплуатируемые в шахтах и рудниках.
Вопросам исследования КП в системах электроснабжения 6 — 10 кВ горных предприятий посвящены работы следующих ученых: Щуцкого В. И., Гончарова А. Ф., Эпштейна И .Я., Разгильдеева Г. И., Мнухина А. Г., Каганова З. Г. и других.
В период с 1975 г. по 2003 г. интенсивно разрабатывались средства ограничения КП, такие как ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН), КС-ограничители и КС-гасители. Разработка средств защиты от КП позволила в некоторой степени снять остроту проблемы КП в сетях 6 кВ шахт и рудников, так как снизилось число пробоев изоляции кабельных линий и электродвигателей, однако интенсивность пробоев изоляции обмоток трансформаторов остается весьма высокой.
Это, в первую очередь, связано с отсутствием эффективных средств ограничения перенапряжений, возникающих при коммутации сухих силовых трансформаторов и методов оценки КП в сетях 6 кВ шахт и рудников.
Решение указанных задач является актуальным, так как позволит спрогнозировать величину КП в распределительных сетях 6 кВ шахт и рудников и обоснованно подойти к выбору средств защиты от КП электродвигателей и трансформаторов, что положительно отразится на надежности СЭС технологических комплексов.
Целью работы является повышение надежности систем электроснабжения 6 кВ шахт и рудников на основе разработки эффективных способов и средств защиты силовых сухих трансформаторов от КП.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Проанализировать современные исследования КП в СЭС 6 — 10 кВ промышленных предприятий, а также методы их оценки и прогнозирования.
2. Выполнить экспериментальные исследования перенапряжений, возникающих при коммутации электродвигателей и трансформаторов в сетях 6 кВ шахт и рудников, с последующей статистической обработкой данных для выявления основных факторов, определяющих величину и характер КП.
3. С помощью экспериментальных исследований и компьютерного моделирования оценить кратность перенапряжений при коммутации трансформаторов в неполнофазном режиме, установить влияние угла коммутации на величину КП и определить взаимосвязь между кратностями КП, возникающих в обмотках высокого и низкого напряжений трансформатора, при его отключении от сети.
4. Обосновать метод оценки и прогнозирования КП в сетях 6 кВ применительно к условиям шахт и рудников.
5. Разработать эффективный способ и устройство защиты трансформаторов от КП, основанный на компенсации реактивной мощности.
Объект исследования: высоковольтные системы «выключатель — кабельная линия — электроприемник», эксплуатируемые в распределительных сетях 6 кВ шахт и рудников.
Предмет исследования: закономерности протекания коммутационных процессов, возникающих в системе напряжением 6 кВ «выключатель — кабельная линия — электроприемник».
Методы исследования. В работе использованы методы теории электрических цепей и электрических измерений, теории СЭС промышленных предприятий, теории электрических машин, методы компьютерного моделирования переходных процессов в электрических схемах с помощью программного обеспечения МаЙьаЬ и МиШЗкп, методы математической статистики.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Получены зависимости максимальных кратностей коммутационных перенапряжений от типа и мощности трансформаторов, коммутируемых вакуумными выключателями, показывающие, что перенапряжения при коммутации трансформаторов в распределительных сетях шахт и рудников на 25 -30% выше по сравнению с распределительными сетями общепромышленного назначения.
2. Установлена закономерность увеличения кратности перенапряжений до 18% при коммутации силовых трансформаторов в неполнофазном режиме по отношению к нормальному режиму работы сети 6 кВ шахт и рудников.
3. Обоснован способ ликвидации условий возникновения перенапряжений при коммутации силовых трансформаторов, основанный на принципе компенсации реактивной мощности со стороны обмотки низкого напряжения.
Практическая значимость:
1. Обоснованы методы прогнозирования КП в сетях 6 кВ, а в перспективе и в сетях 10 кВ применительно к условиям шахт и рудников, позволяющие оценить величину коммутационных перенапряжений в любой точке высоковольтной системы «вакуумный выключатель — кабельная линия — электроприемник» и целенаправленно выбрать необходимые средства защиты от перенапряжений.
2. Усовершенствованы и внедрены низковольтные автоматически регулируемые конденсаторные установки с постоянно включенной первой ступенью, емкость которой выбирается из условия глубокой компенсации тока холостого хода трансформатора, позволяющие не только компенсировать реактивную мощность, но и ликвидировать условия возникновения перенапряжений при коммутации трансформаторов.
Реализация полученных результатов. Обоснованные методы прогнозирования КП использовались в расчетах перенапряжений при коммутации электродвигателей и трансформаторов в системах электроснабжения 6 кВ калийных рудников ОАО «Уралкалий» и горно-обогатительного комбината «Нюрбинский» АО «АЛРОСА». Усовершенствованные конденсаторные установки успешно эксплуатируются на Нюрбинском ГОКе АО «АЛРОСА». За период работы с 2009 г. по 2011 г. не было зафиксировано ни одного случая выхода из строя трансформаторов 6/0,69 кВ мощностью 630 кВА по причине воздействия КП.
Результаты работы используются в учебном процессе при подготовке инженеров по. электротехническим специальностям в ФГАОУ ВПО СФУ ИГДГиГ и приняты к внедрению на ОАО «СКЗ КВАР», которое являются одним из ведущих предприятий России по выпуску автоматически регулируемых конденсаторных установок.
Обоснованность и достоверность научных положений подтверждается удовлетворительным совпадением теоретических и экспериментальных результатов исследований, положительным опытом эксплуатации усовершенствованных устройств на Нюрбинском ГОКе АО «АЛРОСА».
На защиту выносятся:
1. Полученные зависимости максимальных кратностей КП от типа и мощности электродвигателей и трансформаторов, коммутируемых вакуумными выключателями, позволяющие повысить достоверность прогнозирования КП в сетях 6 кВ шахт и рудников и обосновать средства защиты от перенапряжений.
2. Зависимость соотношений между кратностями КП, возникающими в обмотках высокого (ВН) и низкого (НН) напряжений, от коэффициента трансформации и мощности силовых трансформаторов, подтверждающая гипотезу, что переход волны КП из обмотки ВН в обмотку НН не зависит от коэффициента трансформации и осуществляется за счет емкостных связей между данными обмотками.
3. Установленная закономерность увеличения кратности перенапряжений до 18% при коммутации трансформаторов в случае обрыва одной из фаз сети 6 кВ по отношению к нормальному режиму эксплуатации.
4. Полученная зависимость кратности перенапряжений при коммутации силовых трансформаторов вакуумным выключателем от коэффициента мощности позволяет использовать принцип компенсации реактивной мощности как способ, ликвидирующий условия возникновения КП в системе «вакуумный выключатель — кабельная линия — трансформатор».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях: Международная научно-практическая конференция «Стратегические приоритеты и инновации в производстве цветных металлов и золота» (г. Красноярск, 2006 г.) — I Международная научно-практическая конференция «ИНТЕХМЕТ-2008» (г.Санкт-Петербург, 2008 г.) — IX Всероссийская научно-практическая конференция «Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города» (г. Красноярск, 2008 г.) — X Всероссийская научно-практическая конференция «Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города» (г. Красноярск, 2009 г.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 11 печатных работ, из которых 3 статьи в периодическом издании по списку ВАК- 8 работ в трудах международных и всероссийских конференций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, двух приложений, библиографического списка из 123 наименований. Основной текст диссертационной работы изложен на 145 страницах, проиллюстрирован 58 рисунками и 24 таблицами.
ВЫВОДЫ:
На основе вышеизложенного материала можно сделать следующие основные выводы:
1. «Зона замирания» в работе ОПН и их низкая термическая устойчивость к режиму 033 снижает эффективность защиты от КП электродвигателей и трансформаторов, эксплуатируемых в сетях 6 кВ шахт и рудников.
2. Увеличение тока 033 за счет КС-ограничителей ограничивает количество их использования в сети 6 кВ шахт и. рудников по условиям электробезопасности. ,.
3. Наиболее эффективным устройством защиты от КП высоковольтных электродвигателей шахт и рудников является КС-гаситель, т.к. обеспечивает уровень ограничения не более 1,8-ин., что ниже допустимого значения, не влияет на величину тока 033 и устойчив к воздействию высших гармоник.
4. Эффективную защиту от КП сухих трансформаторов в сети 6 кВ шахт и рудников можно реализовать на базе автоматически регулируемых устройств компенсации реактивной мощности, подключенной к обмотке НН с постоянной включенной первой ступенью^ емкость которой выбирается из условия подавления КП.
5. С увеличением коэффициента мощности трансформатора кратность КП снижается. Перенапряжения при коммутации сухих трансформаторов в режиме холостого хода отсутствуют, если коэффициент мощности трансформатора в данном режиме будет не более 0,8.
6. Перекомпенсация тока холостого хода трансформатора приводит к появлению перенапряжений в обмотках ВН и НН.
7. С позиции увеличения пропускной способности системы электроснабжения 6 кВ шахт и рудников и подавления КП при коммутации трансформаторов коэффициент мощности в любом режиме работы трансформатора должен находиться в диапазоне 0,92 — 0,96.
8. Усовершенствованная конструкция существующих автоматически регулируемых устройств компенсации реактивной мощности должна содержать постоянно включенной первую ступень для подавления КП, величина которой выбирается в зависимости от напряжения, схемы обмотки НН и мощности трансформатора.
