Исследование влияния параметров элегазовых выключателей на величину коммутационных перенапряжений на основе анализа номинальных режимов преобразовательных трансформаторов

Цель – выявление характера и степени влияния рабочих токов элегазовых выключателей на величину перенапряжений при коммутации преобразовательных трансформаторов. Проведен анализ опыта эксплуатации электрооборудования, включая изучение проблем, связанных с естественным старением изоляции, перегрузками и воздействием коммутационных перенапряжений. В работе использованы методы диагностики состояния оборудования. Согласно статистическим данным, в настоящее время около 37% коротких замыканий между фазами и 42% однофазных замыканий на землю в электрических сетях промышленных предприятий происходят из-за коммутационных перенапряжений. Отмечено в ходе испытаний, что возникающие перенапряжения при коммутации элегазовыми выключателями преобразовательных трансформаторов, используемых на алюминиевых заводах, могут достигать трехкратных значений номинального напряжения сети, что представляет опасность для изоляции обмоток трансформатора, кабельной линии и самого выключателя. Установлено, что увеличение рабочих токов элегазового выключателя марки LF2 до 27,8% от номинального тока выключателя приводит к росту перенапряжений при коммутации преобразовательных трансформаторов. При дальнейшем увеличении рабочих токов элегазового выключателя более 27,8% от номинального тока выключателя наблюдается резкое снижение величины коммутационных перенапряжений. Таким образом, установлено влияние воздействия рабочих токов элегазовых выключателей на уровень перенапряжений при переключении преобразовательных трансформаторов, а также обнаружены основные причины этого явления, которые следует учитывать для повышения надежности электроснабжения преобразовательных трансформаторов и алюминиевого производства в целом. Подтверждена целесообразность применения активно-емкостных гасителей как наиболее эффективного средства для ограничения перенапряжений при переключении преобразовательных трансформаторов.

1. Бохмат И.С. Особенности энергопотребления предприятий алюминиевой промышленности // Алюминиевая промышленность и электроэнергетика: реальность и перспективы: материалы открытого семинара (г. Москва, 30 марта 2004 г.). М.: РАН Институт народнохозяйственного прогнозирования, 2004. С. 4–18.

2. Кугушева Н.Н., Семёнов А.С., Якушев И.А., Павлова С.Н. Технико-экономические особенности выбора частотно-регулируемых электроприводов для технологических установок алмазодобывающих предприятий // Инновации и инвестиции. 2021. № 1. С. 145–149. EDN: NBMMNS.

3. Брыкалов С.М., Балыбердин А.С., Трифонов В.Ю., Засухин Р.В. Ключевые направления повышения энергетической эффективности крупных промышленных предприятий // Энергобезопасность и энергосбережение. 2020. No 5. С. 10–18. https://doi.org/10.18635/2071-2219-2020-5-10-18. EDN: UYSLEK.

4. Семёнов А.С., Егоров А.Н., Харитонов Я.С., Бебихов Ю.В., Якушев И.А., Федоров А.В. Анализ работы систем частотно-регулируемого электропривода при влиянии высших гармоник // Электротехнические системы и комплексы: сб. науч. тр. Междунар. науч.-практ. конф. (г. Уфа, 22–25 октября 2019 г.). Уфа: Уфимский государственный авиационный технический университет, 2019. С. 178–184. EDN: CDLION.

5. Егоров А.Н., Семёнов А.С., Федоров О.В. Практический опыт применения преобразователей частоты Power Flex 7000 в горнодобывающей промышленности // Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева. 2017. № 4. С. 86–93. EDN: YMIGZU.

6. Клундук Г.А. Влияние преобразователя частоты на энергосбережение насосного агрегата и электромагнитная совместимость оборудования // Наука и образование: опыт, проблемы, перспективы развития: сб. науч. тр. Междунар. науч.-практ. конф. (г. Красноярск, 21–23 апреля 2020 г.). Красноярск: Красноярский государственный аграрный университет, 2020. С. 153–157. EDN: CQCWQD.

7. Бебихов Ю.В., Егоров А.Н., Матул Г.А., Семёнов А.С., Харитонов Я.С. Поиск путей повышения эффективности применения высоковольтного частотно-регулируемого электропривода в условиях горного производства // Естественные и технические науки. 2018. № 8. С. 228–234. EDN: XYUMDB.

8. Шевырёв Ю.В., Шевырева Н.Ю. Улучшение формы напряжения в системах электроснабжения предприятий минерально-сырьевого комплекса с активным выпрямителем // Горный журнал. 2019. № 1. С. 66–69. https://doi.org/10.17580/gzh.2019.01.14. EDN: VTVWHN.

9. Ashraf N., Abbas G., Abbassi R., Jerbi H. Power quality analysis of the output voltage of AC voltage and frequency controllers realized with various voltage control techniques // Applied Sciences (Switzerland). 2021. Vol. 11. Iss. 2. https://doi.org/10.3390/app11020538.

10. Dutta N., Kaliannan P., Subramaniam U. Experimental analysis of PQ parameter estimation of VFD drives // Materials Science and Engineering: IOP Conference Series. 2020. Vol. 937. Iss. 2. Р. 012042. https://doi.org/10.1088/1757-899X/937/1/012042.

11. Jyothi R., Sumitgupta, Rao K.U., Jayapal R. IoT application for real-time condition monitoring of voltage source inverter driven induction motor // Innovative Data Communication Technologies and Application. 2021. Vol. 59. P. 97–105. https://doi.org/10.1007/978-981-15-9651-3_8.

12. Скакунов Д.А. Влияние силовой электроники на качество электрической энергии и методы фильтрации высших гармоник // Всерос. науч.-техн. конф.: сб. науч. тр. (г. Новокузнецк, 18–20 мая 2004 г.). Новокузнецк: СибГИУ, 2004. С. 253–257.

13. Каганов В.И. Способ энергосбережения при производстве алюминия на основе импульсного метода электролиза // Энергосбережение и энергоэффективность. 2013. № 2. С. 20–24. EDN: QAOKGN.

14. Минцис М.Я., Поляков П.В., Сиразутдинов Г.А. Электрометаллургия алюминия: монография. Новосибирск: Наука, 2001. 368 с.

15. Воздвиженский В.А., Гончаров А.Ф., Козлов В.Б., Нагарёв С.В., Эпштейн И.Я. Вакуумные выключатели в схемах управления электродвигателями. М.: Энергоатомиздат, 1988. 200 с.

16. Гиндулин Ф.А., Гольдштейн В.Г., Дульзон А.А., Халилов Ф.Х. Перенапряжения в сетях 6-35 кВ. М.: Энергоатомиздат, 1989. 90 с.

17. Akagi H. Active Harmonic Filters // Proceedings of the IEEE. 2005. Vol. 93. Iss. 12. P. 2128–2141.

18. Кузьмин С.В. Использование силовых трансформаторов для локализации высших гармоник в системах электроснабжения 0,4–10 кВ // Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города: сб. науч. тр. Всерос. науч.-практ. конф. (г. Красноярск, 2009 г.). Красноярск, 2009. С. 268–270.

19. Кузьмин Р.С., Кузьмин И.С., Меньшиков В.А., Кузьмин С.В., Куликовский В.С. Метод оценки и прогнозирования перенапряжений при дуговых однофазных замыканиях на землю в сетях 6–10 кВ как средство повышения уровня электробезопасности на горных предприятиях // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2020. № 5. С. 116–132. https://doi.org/10.21440/0536-1028-2020-5-116-132. EDN: JCGATU.

20. Кузьмин С.В., Майнагашев Р.А., Гаврилова Е.В., Немков С.В. Опыт эксплуатации средств защиты от коммутационных перенапряжений в системах электроснабжения 6 кВ горных предприятий // Горное оборудование и электромеханика. 2011. № 4. С. 53–54. EDN: NRAJPZ.

21. Kuzmin S.V., Umetskaia E.V., Zavalov A.A. Influence of power quality on value of switching overvoltages in networks 6–10 kV // International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies. 2020. https://doi.org/10.1109/FarEastCon50210.2020.9271527.

22. Sowa P., Macha D. Electromagnetic switching transients in transmission line cooperating with the local subsystem // International Journal of GEOMATE. 2020. Vol. 19. Iss. 72. P. 180–189. https://doi.org/10.21660/2020.72.5781.

23. Guo Yaxun, Jiang Xiaofeng, Chen Yun, Zheng Ming, Liu Gang, Li Xiaohua, Tang Wenhu. Reignition overvoltages induced by vacuum circuit breakers and its suppression in offshore wind farms // International Journal of Electrical Power & Energy Systems. 2020. Vol. 122. Р. 106227. https://doi.org/10.1016/j.ijepes.2020.106227.

24. Fritz N., Engelmann G., De Doncker R.W. RC snubber design procedure for enhanced oscillation damping in wide-bandgap switching cells // 21st European Conference on Power Electronics and Applications. 2019. https://doi.org/10.23919/EPE.2019.8915541.

25. De Paula dos Santos D., Sartori C.A.F. Impact of mismatch cables impedances on active motor terminal overvoltage mitigation using parallel voltage source inverters // IEEE 3rd Global Electromagnetic Compatibility Conference. 2017. https://doi.org/10.1109/GEMCCON.2017.8400662.

26. Кузьмин С.В., Гаврилова Е.В., Барышников Д.В. Влияние процесса дугогашения в высоковольтных выключателях на величину коммутационных перенапряжений, возникающих в сетях 6–10 кВ горнодобывающих предприятий // Горное оборудование и электромеханика. 2009. № 2. С. 41–44. EDN: JWVZWF.

27. Месяц Г.А. Импульсная энергетика и электроника. М.: Наука, 2004. 704 с.

28. Тихонов К.В. Исследование коммутационных перенапряжений в электрических сетях до 1000 В // iPolytech Journal. 2023. Vol. 27. № 2. С. 370–379. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2023-2-370-379. EDN: LTHUGJ.