Наименование инновационного проекта

«Организация производства трехфазных резисторно-емкостных ограничи-телей (RC-ограничителей) для защиты электроустановок от перенапряжений»

Рекомендуемая область пременения

RC-ограничитель предназначен для защиты изоляции электрооборудова-ния 6-10кВ (линии, трансформаторы, электродвигатели) от коммутационных, ду-говых и грозовых перенапряжений в сетях трехфазного переменного тока часто-той 50Гц.
Наиболее актуальным является применение RC-ограничителей для защи-ты электроустановок с частыми коммутациями (электропечные трансформаторы, нефтебуровые установки, подъемные установки, экскаваторы и пр.) и электро-оборудования с низким уровнем электрической прочности изоляции (электродви-гатели, длительно находящиеся в эксплуатации, кабели с резиновой изоляцией, сухие трансформаторы, электрооборудование химического производства и др.).
Коммутационные перенапряжения возникают при работе любых типов выключателей, в цепь которых и устанавливаются RC-ограничители (масляных, электромагнитных, воздушных, вакуумных). Поэтому применение ограничителей перенапряжений целесообразно во всех случаях, особенно в цепях с вакуумными выключателями, создающими наиболее опасные для изоляции перенапряжения.

Назначение, цели и задачи проекта

Основной целью  проекта является доказательство перспективности внедрения нового вида продукта и экономической целесообразности вложения средств в создание производства RC-ограничителей и установки  этих устройств на промышленных предприятиях, угольных разрезах, в энергетических организациях.

Анализ аварийных отключений  электрических линий и электрооборудования напряжением 6-10 кВ на промышленных предприятиях угольной, металлургической и энергетической отраслей  показывает, что 72%отключений связано с однофазными замыканиями на землю (ОЗЗ), на двух- и трехфазные короткие замыкания (КЗ) приходится около 21% отключений, а 7% отключений произошло по не установленным причинам. 

Детальное изучение причин возникновения  двух и трехфазных КЗ показало,  что более 60% - происходит за счет несвоевременного обнаружения и отключения ОЗЗ. С учетом данного фактора доля ОЗЗ в аварийных отключеньях может возрасти до 84%, что заставляет серьезно задуматься  над причинами возникновения и способами борьбы с ОЗЗ.

Исследование факторов, влияющих на возникновение ОЗЗ, показало, что естественное  старение изоляции в сочетании с коммутационными перенапряжениями, уровень которых превышает номинальное напряжение сети более, чем в 2 раза, приводит к возникновению ОЗЗ в 68 случаях из 100. Внешние механические  воздействия на электрооборудование и электрические линии, а также вибрация  приводит к ОЗЗ в 18 случаях из 100. К внешним механическим воздействиям были отнесены следующие факторы: обрыв линий электропередач за счет климатических и технологических условий, падение горной породы на кабельные и воздушные линии, воздействие транспортных средств на линии электропередач и не качественное крепление электрооборудования.  Нарушение технологических норм прокладки воздушных и кабельных линий, разделки кабелей и подключения электрооборудования приводили к ОЗЗ в 10 случаях из 100. В 4 случаях из 100 ОЗЗ возникали из-за нарушения техники безопасности обслуживающим персоналом в электроустановках напряжением 6-10 кВ.

Из выше приведенного  видно, что  ОЗЗ являются основным аварийным фактором в распределительных сетях 6-10 кВ. Естественное старение изоляции в сочетании с коммутационными перенапряжениями являются основной причиной возникновения ОЗЗ, а кабельные  линии, электродвигатели и трансформаторы менее устойчивы к ОЗЗ, поэтому на данном  электрооборудовании в первую очередь необходимо предусматривать средства защиты от возникновения ОЗЗ.

Подход к борьбе с ОЗЗ должен предусматривать целый комплекс мер, которые позволили бы уменьшить  число ОЗЗ, а также своевременно  и селективно отключить  поврежденный участок распределительной сети.

Сократить число ОЗЗ на 60-65%  возможно при использовании ограничителей коммутационных напряжений. Наиболее  эффективным устройством ограничения  коммутационных перенапряжений является  трехфазный RC- ограничитель, т.к. при использовании RC- ограничителей  максимальный уровень коммутационных перенапряжений не превышает 1,5 н, что позволит свести к минимуму основной фактор  возникновения ОЗЗ.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

Снижение внеплановых простоев технологического оборудования  промпредприятий тесно связано с  надежностью и безаварийностью электрооборудования. Состояние изоляции электрооборудования, определяющее надежность работы и безопасность его обслуживания, во многом зависит от  воздействующих на нее перенапряжений. Наряду с атмосферными перенапряжениями и перенапряжениями, обусловленными однофазными замыканиями на  землю в сетях и изолированной нейтралью, существенное влияние  на изоляцию эл/оборудования  оказывают  коммутационные перенапряжения, особенно  в установках с частыми коммутациями, оборудованными  вакуумными выключателями. Эта проблема наиболее актуальна для промышленных предприятий с тяжелыми условиями эксплуатации электрооборудования. К таким предприятиям относятся горно-перерабатывающие  предприятия (разрезы, карьеры, горно-обогатительные  фабрики, глиноземные комбинаты), металлургические и химические предприятия и нефтеперерабатывающие заводы.

Исследования,  проведенные российскими и японскими специалистами на данных предприятиях показывают, что импульсная прочность изоляции электродвигателей и кабельных линий напряжением 6-10 кВ имеет сравнительно небольшое  значение и составляет 2, 4 Uн, а для печных трансформаторов данного класса напряжения этот показатель значительно выше  и составляет 6,5 Uн. Для двигателей, находящихся в эксплуатации более 6 лет,  а также  двигателей, вышедших из ремонта, этот показатель значительно ниже и составляет  (1, 8-2) Uн.

Экспериментальные исследования  коммутационных перенапряжений на таких предпрятиях как ОАО  «Разрез Березовский-1», ОАО «Разрез Бородинский», разрезы «Черемховский», «Азейский», принадлежащие  ОАО «Востсибуголь», а также ОАО ОАО «КраМЗ» показали, что  границы возможных кратностей коммутационных перенапряжений составляют для двигателей от 1,6 до 6, для печных трансформаторов от 1,6 до 7,2. Наибольшие  значения кратности коммутационных перенапряжений  были зафиксированы  при отключении вакуумным выключателем высоковольтного двигателя или печного трансформатора, находящегося  в режиме холостого хода.

Экспериментальные  исследования  показали, что реальные уровни  коммутационных перенапряжений могут превосходить импульсную прочность изоляции,  находящихся в эксплуатации электродвигателей  и кабельных линий в 2,5-3 раза, а печных трансформаторов в 1, 1-1,2 раза. Поэтому при внедрении вакуумных выключателей особое внимание следует уделить  защите эл/оборудования  от коммутационных перенапряжений, а минимальный  защитный уровень ограничителя можно принять равным 1, 7.

Наиболее приемлемым для защиты  от перенапряжений  высоковольтного  электрооборудования  являются два способа:

§                применение нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН)

§                 и трехфазных резистивно-емкостных ограничителей (RC-ограничители).

Важным преимуществом ОПН является компактность конструкции.

Вместе с тем выпускаемые в настоящее время оксидно-цинковые варисторы не решают до конца задачу глубокого ограничения  коммутационных перенапряжений.

Так, ограничители типа ОПНК-6, ОПНК-10 обеспечивают уровень ограничения коммутационных перенапряжений от 1,9 до 3 в зависимости от количества единичных варисторов в колонке.  Кроме того, если защита от однофазных замыканий на землю работает на сигнал иди  при  отказах в действии защиты от однофазных замыканий на землю,  работающей на отключение, возможно термическое разрушение  варисторов ОПНК вследствие  длительного воздействия повышенного напряжения. По этой причине  средний срок службы ОПНК-6, ОПНК-10 составляет на горно-перерабатывающих предприятиях 1, 2 года, на металлургических предприятиях 1,5 года.  Поэтому необходим дальнейший поиск и разработка новых материалов для ОПНК, обеспечивающих более эффективное ограничение  коммутационных перенапряжений и обладающих более высокой термической стойкостью.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

RC-ограничитель предназначен для эксплуатации в районах с умеренным и холодным климатом, в закрытых помещениях и на открытом воздухе, при температуре окружающей среды от –45 С до +55 С.

Среднегодовая относительная влажность воздуха должна составлять 80% при температуре +15 С.

Высота над уровнем моря – не более 1000 м.

Допустимые вибрации – ускорением до 5g в диапазоне частот 1-50Гц.

Группа условий эксплуатации – М2 по ГОСТ 17516-72.

Действие устройства основано на ограничении амплитуды перенапряжений за счет уменьшения волнового сопротивления защищаемого объекта с помощью емкости и устранения многократных повторных зажиганий дуги в выключателе при помощи активного сопротивления. Последовательное включение конденсатора и резистора и оптимальный подбор параметров указанных элементов позволяет эффективно сглаживать высокочастотные составляющие, возникающие в сетях 6-10кВ.

Состоит RC-ограничитель из 3-х одинаковых RC-цепочек, соединенных в звезду с заземленной нулевой точкой.

Конденсаторы ограничивают  амплитуду и уменьшают  крутизну фронта волны перенапряжения, а резисторы способствуют  затуханию высокочастотного тока, уменьшая вероятность повторных зажиганий дуги в выключателе.

Схема соединения RC- цепочек в ограничителе и схема его подключения к защищаемому объекту показаны на рисунке (на примере защиты электродвигателя).

Рис. Схема соединения  RC-цепочек в ограничителе и схема его подключения к защитному объекту

При коротком кабеле  (5-10м) между выключателем QF и защищаемым объектом М ограничитель перенапряжений устанавливается непосредственно в высоковольтной ячейке (если позволяют габариты) или около нее (сверху или сбоку) и подключаются высоковольтными проводами или отрезком кабеля к выводам выключателя. При длинном кабеле (десятки и сотни метров) ограничитель монтируется непосредственно у защищаемого электрооборудования и подключается к его выводам.

Однофазные RC-ограничители можно устанавливать непосредственно в ячейку вакуумного выключателя типа ВБЧС, ВВТЭ.

Технические параметры RC-ограничителей.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Маркетинговые исследования, проведенные специалистами предприятия при разработке RC-ограничителей, их производственных испытаниях, а также при переговорах с руководителями предприятий, энергетическими и инженерными службами заводов, разрезов электростанций показывают, что реальная потребность в RC-ограничителях гораздо больше чем представленная в расчетах.

Только одно производственное предприятие, как КРАМЗ, нуждается в нескольких сотнях RC-ограничителей. Если учесть, что таких предприятий в Красноярске более десятка, а также предприятия, находящиеся в других городах края (Норильск, Ачинск, Назарово, Шарыпово), то очевидно, что при правильно выбранной стратегии производство RC-ограничителей является выгодным как производителю, так и самим предприятиям, т.к. позволяет экономить значительные средства в связи с тем, что затраты на приобретение и установку RC-ограничителей несравненно ниже, чем расходы на ремонт, замену вышедших из строя крупных электрических машин и другого оборудования.

В ситуации, когда очевидна необходимость применения данных устройств, единственным сдерживающим фактором является недостаток оборотных средств и несовершенство расчетов с потребителями.

До недавнего времени схема взаимодействия с предприятиями выглядела следующим образом:

-  на первом этапе специалистами ООО «Рутас» совместно с энергетическими службами предприятия проводились исследования перенапряжений и определялась потребность в RC-ограничителях;

-  на втором этапе после заключения договора предприятием производились авнсовые

-  платежи в виде поставки собственной продукции по согласованным ценам;

-  на третьем этапе эта продукция продавалась сотрудниками ООО «Рутас»;

-  на четвертом этапе закупались комплектующие изделия и материалы;

-  на пятом этапе осуществлялось собственно производство RC-ограничителей (сборка,

-   настройка, испытания);

-  на шестом этапе – установка и монтаж изделий у заказчика.

Очевидно, что наиболее длительными, трудоемкими и рискованными, были этапы связанные с реализацией продукции заказчика, а не производство и монтаж самих RC-ограничителей.

ФАКТОРЫ БИЗНЕС - РИСКОВ

КОНКУРЕНЦИЯ

       Этот риск минимален из-за большой емкости рынка и отсутствия продукции, реально претендующей на то, чтобы занять эту нишу. Импортные устройства, аналогичные представленному в данном бизнес-проекте RC-ограничителю, значительно дороже и недоступны большему числу российских предприятий. Другие устройства, выполняющие подобные функции менее надежны и долговечны. Ранее были представлены данные о сроке службы ОПНК-10.

ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РИСК 

Надежность инвестиций в данный проект обеспечивается большим количеством потребителей RC-ограничителей. Это доказано маркетинговыми мероприятиями, проведенными специалистами ООО «Рутас». В настоящее время ООО «Рутас» уже имеет несколько контрактов на сумму в несколько миллионов рублей и дальнейшее расширение рынка сбыта ограничивается только недостатком оборотных средств для производства RC-ограничителей.

СОЦИАЛЬНО – ПОЛИТИЧЕСКИЙ РИСК

Этот риск отсутствует почти полностью. Реализация данного проекта позволяет организовать дополнительные рабочие места на территории Зыковского сельсовета, а также полностью укладывается в реализацию Программы по развитию малого предпринимательства, принятую Правительством РФ.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Результаты производственных испытаний показали, что RC-ограничители исключительно надежно снижают коммутационные перенапряжения до безопасной для изоляции электродвигателей величины (максимальные перенапряжения с подключенными ограничителями не превышали 1,5 Uном).

Результаты  сравнительных испытаний RC-ограничителей и ОПНК-6 , ОПНК-10 на объектах разрезов «Березовский-1» и «Бородинский» приведены соответственно в таблицах 1 и 2, где к_ср = U_ср /U_ф – средний коэффициент коммутационных перенапряжений, к_max = U_max /U_ф  - максимальный коэффициент коммутационных перенапряжений.

Таблица 1

Статистические параметры перенапряжений при коммутации

электродвигателй 6 кВ на разрезе ОАО «Бородинский»

Таблица 2

Статистические параметры перенапряжений при коммутации

асинхронных двигателей 10 кВт на разрезе ОАО «Березовский-1»

         Важными  преимуществами трехфазных резистивно-емкостных ограничителей перед ОПНК являются:

u     возможность обеспечения  с помощью RC-цепочек любого уровня защиты от коммутационных перенапряжений;

u     за счет последовтального соединения двух высоконадежных элементов (резистор, конденсатор) обеспечивается  высокая надежность и долговечность;

u     высокая термическая стойкость при однофазных замыканиях на землю в сетях с изолированной  нейтралью;

u     улучшение фазовой  характеристики  сети с изолированной  нейтралью приводит к повышению эффективности защит стабилизации емкостной  составляющей тока однофазного замыкания;

u     облегчает процесс отключения  коротких замыканий (КЗ)  за счет сглаживания  высоковольтных составляющих тока КЗ.

Анализ данных, приведенных в таблицах 1 и 2, показывает, что  при использовании RC-ограничителей максимальный уровень коммутационных перенапряжений не превышает 1,5 Uн, а при использовании ОПНК-6 и, ОПНК-10 максимальный уровень коммутационных перенапряжений достигает 3 Uн.

Следовательно, RC-ограничитель в два ряда эффективней ограничивает коммутационные перенапряжения, чем ОПНК-6 или ОПНК-10 и соответствует требованиям минимального защитного уровня для ограничителя, т.к. к_max =1,5 < 1,7.

Кроме экономической выгоды производства и установки RC-ограничителей, следует подчеркнуть социальную выгоду производства, которая заключается в создании новых рабочих мест в местности, где уровень безработицы достигает критической величины (в частности, с. Зыково, Красноярский край, основание – письмо  глава Зыковской администрации И. И. Анохина)

Новые потребительские свойства продукции

Основные преимущества RC-ограничителей перенапряжений перед дру-гими защитными устройствами (вентильными разрядниками и нелинейными ог-раничителями перенапряжений ОПНК):
- лучшие защитные свойства (более высокий уровень ограничения пере-напряжений и способность гасить повторные зажигания дуги в выключателе);
- высокая надежность и долговечность;
- высокая термическая стойкость при однофазных замыканиях на землю в сетях с изолированной нейтралью.
Дополнительный эффект от использования RC-ограничителей состоит в следующем:
- улучшение фазовой характеристики сети с изолированной нейтралью, что приводит к повышению эффективности защит от однофазных замыканий на землю;
- облегчается процесс отключения коротких замыканий за счет сглажива-ния высокочастотных составляющих.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Продукция соответствует государственным стандартам

Стадия и уровень разработки

В ООО «Рутас» налажен выпуск трехфазных резистивно-емкостных ограничите-лей перенапряжений, имеется полный комплект технической документации, разработан бизнес-план по расширению производства .
Опытно-промышленные партии RC-ограничителей внедрены в эксплуата-цию на разрезе «Березовский-1», «Бородинский», ОАО «Красноярскуголь», раз-рез «Черемховский», разрез «Азейский», ОАО «Востсибуголь» для защиты элек-тродвигателей 10кВ роторных комплексов и конвейерных линий, на ОАО «КА-МАЗ» для защиты печных трансформаторов.
На разрезе «Березовский-1» три RC-ограничителя эксплуатируются в течении 13 лет . За указанный срок ни один RC-ограничитель не вышел из строя, что подтверждает их высокую надежность и долговечность.
Применение ограничителей перенапряжений существенно повышает надеж-ность и безаварийность электрооборудования, снижает внеплановые простои технологи-ческого оборудования из-за отказов электроустановок в результате пробоев изоляции при воздействии коммутационных перенапряжений.
Дополнительным подтверждением научного и технического уровня пред-ставляемого продукта, высокой степени готовности проекта и уверенности в его успешной реализации, являются отзывы руководителей предприятий и организа-ций, где проходили производственные испытания RC-ограничители, заключен-ные договора на поставку и оснащение ими вышеуказанных предприятий, согла-шение о взаимодействии с Управлением «Красноярскэнергонадзор», а также за-ключение ОАО «СибцветметНИИпроект» о соответствии RC-ограничителей Правилам, принятым для электроустановок.
Производство RC-ограничителей защищено лицензией ГОСТЕХНАДЗОРА России.

Предлагаемые инвестиции

5 млн. руб.

Рынки сбыта

Горно-перерабатывающие предприятия (разрезы, карьеры, горно-обогатительные фабрики, глиноземные комбинаты), энергетической , металлургические и химические предприятия и нефтеперерабатывающие заводы.
В настоящее время ООО «Рутас» уже имеет несколько контрактов на сумму в несколько миллионов рублей.

Возможность и эффективность импортозамещения

Разработка не имеет аналогов на мировом рынке аналогичной продукции и услуг.

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

20

Дата поступления материала

19.09.2006