Защита генераторных цепей мощных энергоблоков от перенапряжений

Кузьмичева К. И.

В настоящее время на ТЭС используются схемы генераторного напряжения как с выключателями, так и без них. Нейтраль генератора заземляется через обмотку ВН трансформатора напряжения (ТН). Таким образом, сеть генераторного напряжения работает с изолированной нейтралью. Генератор соединяется с блочным трансформатором токопроводом, имеющим малую емкость, поэтому емкостный ток замыкания на землю определяется в основном емкостью генератора и составляет 1,5-3,0 А.
При воздействии грозовых перенапряжений на стороне ВН блочного трансформатора возникают перенапряжения, переданные через электростатические (емкостные) и электромагнитные (индуктивные) связи между обмотками трансформатора. Электростатическая передача напряжения зависит от соотношения емкостей трансформатора между обмотками и на землю. Эти соотношения определяются конструкцией и коэффициентом трансформации трансформатора. В соответствии с ПУЭ [1] сеть генераторного напряжения мощных блоков
ТЭС защищается от грозовых перенапряжений вентильными разрядниками типа РВМ.
В настоящее время срок эксплуатации вентильных разрядников (РВ), как правило, превышает нормированный для них срок службы. Выпуск вентильных разрядников либо значительно сокращен, либо прекращен полностью. Поэтому вентильные разрядники заменяются нелинейными ограничителями перенапряжений (ОПН), которые имеют лучшие защитные характеристики и более технологичны в производстве.
ОПН может ограничивать все виды перенапряжений как грозовые, так и коммутационные, уровень ограничения которых определяется вольт-амперной характеристикой ОПН.

Хотя в нормальном режиме работы ограничитель находится под фазным напряжением сети и через него протекает ток порядка десятых долей миллиампера, однако в сетях, работающих с изолированной нейтралью и допускающих неограниченно длительное существование однофазного замыкания на землю (ОЗЗ), наибольшее рабочее напряжение ограничителя выбирается не менее наибольшего рабочего линейного напряжения сети. В сети генераторного напряжения при возникновении 033 релейная защита отключает генераторный выключатель с выдержкой времени не более 0,5 с. Часть сети с подключенным блочным трансформатором и трансформатором собственных нужд может находиться под линейным напряжением до 6 ч [2].
Если длительность однофазного замыкания на землю ограничивается, то наибольшее рабочее напряжение ОПН может быть выбрано ниже наибольшего рабочего напряжения сети. Однако при повышении напряжения в течение 6 ч наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение ОПН может быть снижено незначительно, не более чем на 5%. Учитывая это, наибольшее рабочее напряжение ОПН следует принять не менее наибольшего рабочего линейного напряжения сети генераторного напряжения.
Уровень ограничения перенапряжений и защитный уровень ОПН определяются уровнем перенапряжений, выдерживаемым изоляцией электрооборудования генераторной сети при грозовых и коммутационных перенапряжениях. Значение перенапряжений, выдерживаемых электрооборудованием при коммутационных и грозовых воздействиях, определяется уровнем испытательных напряжений, которые нормируются ГОСТ 1516.1 и 1516.3 [3,4]. Испытательные напряжения ГОСТ обеспечивают достаточно высокий выдерживаемый уровень для изоляции электрооборудования при коммутационных (4,5 Uф) и грозовых перенапряжениях (6,0 Uф) и превышают, как правило, уровень возможных коммутационных перенапряжений. Поэтому защита направлена на ограничение грозовых перенапряжений до требуемого уровня и в соответствии с ПУЭ у блочного трансформатора устанавливаются вентильные разрядники типа РВМ.
Вопрос об уровне перенапряжений, выдерживаемом электрическими машинами, является дискуссионным. В процессе изготовления и эксплуатации электрические машины подвергаются пооперационным испытаниям повышенным напряжением. При выпуске с завода изоляция генераторов 20 - 24 кВ испытывается одноминутным напряжением 50 Гц, равным 2UH + 3 кВ.
При вводе в эксплуатацию (приемосдаточные испытания) одноминутные испытательные напряжения 50 Гц электрических машин составляют 0,8 заводских испытательных напряжений.
В эксплуатации при профилактических испытаниях после капитального ремонта испытательные напряжения для генераторов равны

Существовало мнение, что при оценке выдерживаемого уровня как грозовых, так и коммутационных перенапряжений следует исходить из испытательных напряжений при эксплуатационных испытаниях после капитального ремонта и коэффициента импульса 1,0 [5]. Такой подход, весьма осторожный, не согласуется с определением выдерживаемого напряжения изоляцией всего остального оборудования и вряд ли может быть признан обоснованным. Во всяком случае, повреждения генераторов из-за перенапряжений практически отсутствуют.
За рубежом выполнен большой объем исследований импульсной прочности изоляции электрических машин.
Во-первых, принимается во внимание коэффициент импульса, равный 1,25, учитывающий упрочнение изоляции при кратковременных воздействиях [6]. Во-вторых, учитывается снижение изоляции электрических машин при воздействии перенапряжений в диапазоне длин фронтов от 0,2 до 5 мкс из-за неравномерного распределения напряжения вдоль обмотки [6].
Стандарт МЭК [7] предусматривает помимо одноминутных испытательных напряжений промышленной частоты импульсные испытания изоляции вращающихся машин. Нормированные выдерживаемые импульсы определяются формулой: Uимп = 4UH + 5,0 кВ и обеспечиваются испытаниями изоляции полным грозовым импульсом 1,2/50 мкс с указанной амплитудой. В настоящее время таким испытаниям подвергаются отечественные гидрогенераторы. Однако в отечественные нормативные документы импульсные испытания электрических машин не включены.
При определении напряжения, выдерживаемого изоляцией генератора при коммутационных и грозовых воздействиях, будем исходить с некоторым запасом из одноминутного испытательного напряжения при заводских испытаниях с коэффициентом импульса 1,0, поскольку в настоящее время единственным нормированным в России испытательным напряжением для генераторов является одноминутное испытательное напряжение. В этом случае уровень выдерживаемых изоляцией генераторов перенапряжений как коммутационных, так и грозовых составляет 3,4Uф.
Уровень коммутационных перенапряжений, возможных в сети генераторного напряжения, ниже уровня, выдерживаемого изоляцией как электрооборудования, так и генератора. Поэтому устанавливаемый в цепи генераторного напряжения вентильный разрядник обеспечивает защиту от грозовых перенапряжений, которые передаются со стороны обмотки ВН блочного трансформатора.
Установка ОПН в цепях генераторного напряжения ТЭС позволяет осуществить более глубокое ограничение перенапряжений по сравнению с использованием вентильных разрядников и ограничить, например, максимальные перенапряжения, возможные при дуговых замыканиях на землю.

Основные параметры ΟΠΗ для защиты сети генераторного напряжения блоков ТЭС

Ранее уже говорилось, что при воздействии грозовых перенапряжений на сторону ВН блочного трансформатора возникают перенапряжения, переданные через электростатические (емкостные) и электромагнитные (индуктивные) связи между обмотками трансформатора. Наибольшие значения и крутизна напряжения при грозовых воздействиях имеют место при электростатической передаче, поэтому защитный уровень ограничителя следует определять, исходя из нормируемого для ОПН импульса тока 4/10 мкс. Остающееся напряжение при этом импульсе тока несколько выше (приблизительно на 10%), чем принимаемое обычно для импульса тока 8/20 мкс, а следовательно, обеспечивается большая надежность защиты электрооборудования генераторного напряжения.
Ограничитель может устанавливаться в ответвлении токопровода, поэтому следует учитывать работу его при повышенной температуре (до 60°С). Следовательно, должна быть повышена энергоемкость ограничителя (не менее 3,5 кДж/кВ Uр), его пропускная способность (не менее 500 А) и номинальный разрядный ток (не менее 10 кА). Уровень токов двухфазного или трехфазного КЗ в сети генераторного напряжения может составлять более 100 кА. Поскольку к оборудованию генераторного напряжения предъявляются требования повышенной надежности, то при выборе ОПН необходимо ориентироваться на производителя, имеющего современную технологию изготовления и испытаний защитных аппаратов.
Основные параметры ОПН для защиты сети генераторного напряжения мощных блоков с напряжением 10,5 - 24 кВ приведены в таблице.
Колебания напряжения, вызванные грозовыми перенапряжениями, повышают напряжения на элементах сетей генераторного напряжения. При достаточно длинных токопроводах и высоком коэффициенте трансформации трансформатора зона защиты ограничителя, устанавливаемого около блочного трансформатора, не всегда достаточна для ограничения грозовых перенапряжений, передаваемых через емкостные связи со стороны обмотки ВН трансформатора, до требуемого уровня.
Поэтому для обеспечения дополнительной защиты от грозовых перенапряжений целесообразно установить конденсаторы, причем установка конденсаторов у блочного трансформатора позволяет не только снизить значение перенапряжений, но и ограничить скорость ПВН, что обеспечивает надежное гашение дуги в камере выключателя.
Конденсаторы емкостью 0,2 - 0,5 мкФ и ОПН с параметрами, близкими к представленным в таблице, широко применяются за рубежом, например, фирмой АВВ предлагается установка ОПН у блочного трансформатора и конденсаторов по обе стороны генераторного выключателя [8]. При установке ОПН и конденсаторов внутри экранированных токопроводов защитные аппараты подвергаются воздействию высокой температуры. Для исключения этих воздействий рекомендуется устанавливать ОПН вне токопровода, а подключение их к шинам осуществлять с помощью фарфоровых вводов.
Таким образом, технически осуществима надежная защита от перенапряжений в цепях генераторного напряжения с использованием конденсаторов и ОПН. Устанавливать конденсатор со стороны генератора для машины мощностью 300 МВт и более представляется нецелесообразным, так как собственная емкость генератора достаточна высока (около 0,25 мкФ). Поэтому для энергоблоков ТЭС с генераторами мощностью 300 МВт и выше в схемах с генераторными выключателями может быть рекомендована как наиболее эффективная схема защиты от перенапряжений схема с установкой ОПН и конденсаторов со стороны блочного трансформатора.

Список литературы

1. Правила устройств электроустановок. 6-е изд. М.: Энергоатомиздат, 1986.
2. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей. 15-е изд. М., 1997.
3. ГОСТ 1516.1. Электрооборудование переменного тока на напряжения от 3 до 500 кВ. Требования к электрической прочности изоляции.
4. ГОСТ 1516.3. Электрооборудование переменного тока на напряжения от 1 до 550 кВ. Требования к электрической прочности изоляции.
5. Куликовский Б. Б. Работа изоляции в генераторах. М.: Энергия, 1981.
6. Slamecka E. Interruption of Small incluctive currents. Charter 3. Part B. - Elektra, 1984, № 95.
7. Стандарт МЭК IEC 34-15. Импульсные выдерживаемые уровни вращающихся машин с шаблонными статорными обмотками, 1990.
8. Каталог фирмы АВВ High Technologies Ltd.