Диапазоны изменения амплитуд токов через ОПН в сетях СН

ДИАПАЗОНЫ ИЗМЕНЕНИЯ АМПЛИТУД ТОКОВ ЧЕРЕЗ ОГРАНИЧИТЕЛИ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ В СЕТЯХ СОБСТВЕННЫХ НУЖД ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

Ю. Ф. ВАСЮРА, канд. техн. наук, А. В. ВИЛЬНЕР, инж.
Кировский политехнический институт

Анализ причин аварий электрооборудования сетей собственных нужд (СН) электростанций, например, двигателей, показал, что во многих случаях они вызваны коммутационными перенапряжениями. Поэтому разработка эффективных средств их ограничения в этих сетях является актуальной.
Одним из устройств, позволяющих снизить коммутационные перенапряжения, является нелинейный ограничитель перенапряжений (ОПН) без последовательных искровых промежутков на основе высоконелинейных керамических оксидно-цинковых резисторов. Для выбора параметров ОПН для сетей СН и оценки срока службы важно знать характеристики воздействующих на него импульсов токов и их потоков. В статье определяются диапазоны изменения амплитуд импульсов этих токов при различных условиях установки ОПН.
Коммутационные перенапряжения, возникающие в сетях СН при включениях и отключениях двигателей, при АПВ и АВР воздействуют только на часть электрооборудования, а перенапряжения при перемежающихся замыканиях на землю — на электрооборудование всей сети СН. Поэтому система защиты двигателей будет зависеть от места установки ОПН в схеме. Вследствие этого в дальнейшем характеристики ОПН рассматриваются прежде всего из условия установки их на клеммах двигателя. Другие условия оговариваются специально.
По характеру протекания электромагнитных переходных процессов перенапряжения можно разделить на две группы: высокочастотные, с длительностями фронтов до нескольких микросекунд, и перенапряжения на промышленной и средних частотах. Возникновение первых возможно, например, при включениях, переключениях, АПВ и АВР, а также при отключениях двигателей. Вторые могут быть следствием коммутаций при АПВ и АВР и отключениях двигателей, а также следствием перемежающихся замыканий на землю. В соответствии с этим согласно [6] уровень коммутационных воздействий на изоляцию двигателей не должен превышать 90 % амплитуды испытательного напряжения промышленной частоты, которое для двигателей 6 кВ равно 10 кВ (2,9 Uфт, где Uфт — амплитуда номинального фазного напряжения сети) [7]. Однако в эксплуатации при включении двигателей в нормальном режиме, в циклах АПВ и АВР, а также в сети, допускающей замыкание фазы на землю, их изоляция может подвергаться воздействию перенапряжений с кратностью до (3,0—4,6) Uφ m [2, 3]. Отключения двигателей в различных режимах могут вызвать перенапряжения с кратностью до (3,5—5,0 Uфт. При перемежающихся замыканиях на землю на них могут воздействовать перенапряжения до (3,0—3,5) Uфт. Таким образом, для того, чтобы скоординировать испытательные напряжения изоляции двигателей и воздействующие на них перенапряжения, необходимо ограничить эти перенапряжения до уровня 2,6 Uфт, который в дальнейшем и принят в качестве расчетного для ОПН.

Расчеты перенапряжений при коммутациях включения двигателей в различных режимах показывают [2, 3], что высокочастотные импульсы перенапряжений могут накладываться как на напряжение промышленной частоты и колебания средней частоты с амплитудой, меньшей защитного уровня ОПН, так и на напряжение промышленной частоты и колебания средней частоты с амплитудой, большей защитного уровня ОПН.

Рис. 1. Зависимость амплитуд высокочастотных импульсов токов через резисторы ОПН от сечения кабелей при питании от одного кабеля (I), двух (2), трех (3), четырех (4): ---------------------------- ДЛЯ Um = 3,3 Uфт;      Для Um = 4,6 U фт

Во втором случае, несмотря на имеющуюся возможность большей амплитуды результирующих перенапряжений,
импульсы высокочастотного тока через резисторы ОПН, ограничивающего их, оказываются значительно ниже, чем в первом. Это является следствием того, что ОПН без искровых промежутков работает во всем диапазоне частот фактически непрерывно. Поэтому в процессе ограничения он может значительно искажать параметры импульса перенапряжения, изменяя тем самым начальные условия высокочастотных колебаний. С учетом этого примем для анализа возможного диапазона импульсных воздействий на ОПН те коммутации, при которых могут быть получены максимальные значения этих импульсов. Такими коммутациями являются включение двигателя в нормальном режиме и в режиме замыкания фазы на землю. Максимальные значения перенапряжений в этих случаях могут достигать (3,3—4,6).
Для приближенной оценки максимального значения импульса тока через ОПН при ограничении перенапряжений на высокой частоте можно использовать упрощенное выражение [8]
(I)
где Um— амплитуда воздействующего перенапряжения; Uр — уровень ограничения; Z1, Z0 — волновые сопротивления кабеля, питающего электродвигатель по прямой и нулевой последовательностям.
На рис. 1 приведены зависимости амплитуд токов через ОПН от сечений кабеля, питающего электродвигатель, при U =2,6Uфm и кратностях воздействующих перенапряжений 3,3 Uфт и 4,6 Uфт.
Обследование сети СН одной из ТЭЦ показало, что реально для питания одного электродвигателя используются либо кабели сечением до 3Х 185 мм2, либо их группы, состоящие из двух кабелей. На основании этого на рис. 1 выделена область возможных максимальных значений высокочастотных импульсов тока через ОПН для такой ТЭЦ. Как видно из рис. 1, предельные амплитуды импульсов в этом случае не будут превышать 650 А при ограничении перенапряжений до 4,6 Uфт. Анализ зависимостей, приведенных на рис. 1, показывает также, что даже при выборе в качестве расчетной теоретически предельно возможной кратности высокочастотных перенапряжений 4,6 Uфт и при наименьшем эквивалентном волновом сопротивлении группы питающих кабелей, соответствующем четырем параллельным кабелям 3X185 мм2, при коммутации включения электродвигателя на резисторы ОПН не будут воздействовать высокочастотные импульсы токов с амплитудой выше 1200 А.
Ограничение перенапряжений, связанных с собственными колебаниями системы «кабель — двигатель» (на средних частотах), может происходить в случае АПВ или АВР, при коммутациях включения двигателя в несимметричных режимах, при отключениях его, в том числе и при "срезах" тока в выключателе. Кратности перенапряжений, которые при этом определяют импульс тока через ОПН, достигают (3,5—5,0) Uфт. При заданных суммарной емкости системы «кабель — двигатель» и индуктивности двигателя зависимость амплитуды импульса тока от этих параметров может быть аппроксимирована приближенным выражением [8]
(2)
где L — индуктивность фазы коммутируемого электродвигателя; С0, С12 — удельные частичные емкости фазы кабеля на оболочку и между фазами; I — длина кабеля.
Учитывая, что L=х/ω0; С0=0,55 ср и C12=0,15 Ср, где ω0 — синхронная частота; х — сопротивление двигателя на промышленной частоте; ср — удельная рабочая емкость кабеля, из (2) получаем:
(3)
На рис. 2 с помощью выражения (3) в осях х и срl построены зависимости амплитуд импульсов токов через ОПН при ограничении перенапряжений кратностью 3,5 и 5,0 Uфт до уровня 2,6 Uфт. Там же выделен диапазон возможных амплитуд токов для рассмотренной ТЭЦ, на которой наибольшее применяемое сечение кабелей равно ЗХ 185 мм2, а их длины не превышают 1 км. Мощности двигателей, используемых на этой ТЭЦ, изменяются от 240 до 4000 кВт. Как видно из рис. 2, в данном конкретном случае даже при ограничении перенапряжений до 5,0 Uфт импульсы токов, воздействующие на резисторы ОПН, не превышают 100 А.
Если предположить, что предельные зарегистрированные при отключениях двигателей кратности перенапряжений, равные (7—8) Uфт [4], возникающие в результате «срезов» тока в выключателях, есть также следствие колебаний в системе «кабель — двигатель», то и в этом случае при их ограничении амплитуды воздействующих на резисторы ОПН импульсов токов не смогут превысить указанных границ. Действительно, предельные кратности перенапряжений могут возникнуть лишь при коммутации двигателей малой мощности (до 200—400 кВт), индуктивности которых сравнительно велики.

Рис. 2. Амплитуды импульсов токов через ОПН на средних частотах:
------------ для Uт= 3.5 Uфт ;--------------------- для Uт= 5,0 Uфт

Поэтому, приняв в качестве расчетного, например, индуктивное сопротивление 7,85 Ом (двигатель 800 кВт) и кратность перенапряжения 8 Uфт, согласно (3) получим, что импульс тока через ОПН с амплитудой до 100 А возможен лишь при наличии рабочей емкости присоединения срl, равной 0,95 мкФ, что, в частности, не характерно для сетей СН электростанций.
Вторым видом перенапряжений на средних частотах, которые могут вызвать большие импульсные токи через ОПН, являются перенапряжения при перемежающихся замыканиях на землю. Как известно, [5 и др.], эти перенапряжения могут достигать кратности 3,2 Uф т, где Uфт — амплитуда фазного напряжения в сети в момент возникновения замыкания. Специальными исследованиями установлено, что в сетях СН напряжение может изменяться от 0,9 до 1,1 Uном. Поэтому максимальное значение перенапряжений при замыканиях на землю должно быть принято равным 3,5 Uфт.
В режиме ограничения перенапряжений при замыканиях на землю амплитуды импульсов токов через резисторы ОПН определяются индуктивностью источника (трансформатора, реактора) и эквивалентной емкостью сети. Кроме того, при установке ОПН непосредственно на клеммах двигателя за длинным кабелем амплитуды импульсов могут быть ограничены волновым сопротивлением кабеля [9]. Следовательно, для получения максимальных амплитуд токов через ОПН необходимо принять его установку либо на клеммах двигателя за коротким кабелем, либо на сборных шинах СН. В этом случае приближенную оценку амплитуд импульсов можно провести по выражению [9]
(4)
где LT — индуктивность фазы источника; С0, С12 — эквивалентные емкости сети нулевой последовательности и межфазная.
Учитывая, что для сети СН практически С0=0,55 ср, 02=0,15 ср и LT=xt/ω0, получаем:
(5)
где ср — эквивалентная рабочая емкость сети.
На рис. 3 показаны зависимости амплитуд импульсов токов через ОПН в координатах хТ, ср, I3 (I3 — ток замыкания на землю в рассматриваемой сети), рассчитанные по выражению (5) для случая Uт= 3,5 Uфт и Uр=2,6 Uфт. Там же выделены возможные диапазоны токов через ОПН для случая их работы в сети СН одной из ТЭЦ. При построении этих диапазонов было принято, что емкостный ток на землю для одной секции сборных шин СН не превышает 4 А, для двух объединенных секций — 7 А, для четырех объединенных секций — 14 А. Индуктивные сопротивления источника питания были приняты равными 0,184 Ом — для реактора и 0,236 Ом — для пускорезервного трансформатора.
Как видно из рис. 3, при индивидуальной работе секций СН импульсы токов через ОПН, установленный в этой сети, не могут превысить 180 А. При работе двух параллельных секций амплитуды токов могут достигать 240 А, при работе четырех секций — 320 А. Таким образом, импульсы токов через ОПН в режиме ограничения перенапряжений при перемежающихся замыканиях на землю могут оказаться значительно больше рассмотренных ранее для случая ограничения перенапряжений на средних частотах. Поэтому, очевидно, они должны быть определяющими при обосновании характеристик и конструктивных особенностей ОПН, предназначенных для защиты высоковольтных двигателей.
Выполнение требований по индивидуальной защите двигателей предусматривает возможность работы в сети СН одновременно группы ОПН. В этом случае необходимо учитывать, что перенапряжения при перемежающихся замыканиях на землю охватывают всю сеть, и поэтому ОПН с одинаковыми Up, установленные на нескольких присоединениях и на сборных шинах, будут работать параллельно.

Рис. 3. Диапазоны изменения амплитуд импульсов токов через ОПН при замыканиях на землю

Рис. 4. Амплитуды импульсов токов через ОПН при воздействии напряжения промышленной частоты:
1— при остаточном напряжении 1,05 Uном; 2 — при остаточном напряжении 0,8 Uном; 3 — при остаточном напряжении 1,05 Uном

Различие токов в них будет определяться перераспределением нагрузки в соответствии с соотношением числа параллельных ветвей в нелинейных элементах ОПН с поправкой на различие уровней перенапряжений в различных точках сети и ограничивающее действие на ток в ОПН присоединений волновых сопротивлений кабелей. При этом согласно расчетам [9] основная нагрузка будет прикладываться к ОПН, установленному непосредственно на сборных шинах.
При таких условиях может быть создана комплексная система защиты сети СН, снижающая общую материалоемкость применяемых ограничителей. Для этого непосредственно на сборных шинах СН необходимо установить «мощный» ОПН, который при совместной работе с другими ОПН этой же сети обеспечил бы при перемежающихся замыканиях на землю заданный уровень ограничения перенапряжений 2,6 Uфm и токи в ОПН присоединений, не превышающие значений, нормируемых для наиболее легкого их исполнения. В соответствии с этим индивидуальную защиту двигателей можно было бы выполнить на базе ОПН более легкого исполнения, чем в соответствии с данными, полученными по рис. 3.
Воздействию импульсов токов, соответствующих повышениям напряжения на промышленной частоте, ОПН могут подвергаться при коммутациях включения двигателей в циклах АПВ или АВР, когда остаточная э. д. с. двигателя при самозапуске оказывается равной (0,7— 1,05) Uном. В этом случае максимальные значения вынужденных составляющих напряжения в контурах невключенных фаз системы «кабель — двигатель» после включения первой фазы выключателя могут достигать (2,3—2,8)  Uфт [3]. Если при этом уровень ограничения ОПН выбран ниже указанных пределов, то на резисторы ограничителя воздействует ток промышленной частоты. Длительность его будет определяться соотношением вынужденной составляющей напряжения и уровнем ограничения ОПН, а также временем запаздывания включения второй фазы выключателя. Амплитуда будет зависеть от эквивалентной проводимости нулевой последовательности сети и индуктивности двигателя. На рис. 4 кривые 1 и 2 представляют изменения амплитуд таких импульсов в зависимости от емкости сети при установке
ОПН на клеммах двигателя 1600 кВт, а кривая 3 — в зависимости от сопротивления двигателя при фиксированной емкости сети, равной 7 мкФ.
Для сетей СН в момент самозапуска остаточное напряжение на двигателях не превышает (0,55—0,8) Uном [ 10], а эквивалентная емкость сети 10 мкФ. Поэтому согласно рис. 4 в этом режиме токи через ОПН не будут превышать 40—60 А.
На основании рассмотренных условий разработаны опытные образцы ограничителей ОПНС-6 (12 трехфазных комплектов) с условным защитным уровнем 13 кВ, которые установлены в сети СН одной из ТЭЦ. Отдельные из них эксплуатируются около двух лет. Наличие ограничителей в сети успешно предотвращает многоместные повреждения двигателей, снизив при этом их относительную повреждаемость при замыканиях на землю примерно вдвое.

ВЫВОДЫ

1. На резисторы ОПН, предназначенных для защиты высоковольтных двигателей, в режиме ограничения высокочастотных перенапряжений должно быть допустимо воздействие импульсов токов с амплитудой до 1000— 1200 А.
2. Допустимые воздействия на ОПН при ограничении ими перенапряжений на средних частотах должны определяться исходя из конкретных параметров (тока замыкания на землю) сети СН. При этом при комплексном подходе к защите индивидуальная защита двигателей может быть осуществлена ОПН, допускающими токовые воздействия на средних частотах амплитудой до 100 А.

Список литературы

1. Васюра Ю. Ф. Ограничители коммутационных перенапряжений для защиты высоковольтных электродвигателей // Электротехника. 1986. № 3. С. 35—38.
2. Васюра Ю. Ф., Гавриков В. И., Евдокунин Г. А. Коммутационные перенапряжения на высоковольтных двигателях собственных нужд электростанций // Электротехника. 1984. № 12. С. 4—7.
3. Васюра Ю. Ф., Евдокунин Г. А. Коммутационные перенапряжения при самозапуске высоковольтных двигателей // Электротехника. 1985. № 9. С. 13—16.
4. Fourmarier Р. М. Essais relatifs aux surtension de declenchement das moteurs a haute tension // Bull SFE. 1957. N 75. S. 184—195.
5. Лихачев Ф. А. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и компенсацией емкостных токов. М.: Энергия, 1971.
6. Техника высоких напряжений / Под ред. М. В. Костенко. М.: Высшая школа, 1973.
7. Нормы испытаний электрооборудования. Москва: Атомиздат, 1978.
8. Васюра Ю. Ф., Евдокунин Г. А. Режимы работы нелинейных ограничителей перенапряжений в кабельных сетях собственных нужд электростанций // Тр. ЛПИ. 1981. № 380. С. 44—49.
9. Васюра Ю. Ф., Вильнер А. В., Пушков А. П. Ограничение перенапряжений при замыканиях на землю в сетях собственных нужд электростанций // Тр. ЛПИ. 1986. № 421. С. 91—99.
10. Сивкобыленко В. Ф., Костенко В. И. Влияние режима пуска и несинхронных повторных включений на срок службы изоляции // Электрические станции. 1975, № 7. С. 67—71.