Присоединение мощных электрических машин к трансформатору обычно осуществляется токопроводами, имеющими экран, и поэтому для них не представляет опасности индуктированные перенапряжения. Машины мощностью порядка десятков мегаватт соединяются с трансформатором открытым шинным мостом или воздушной гибкой связью, поскольку использование большого числа параллельных кабелей или экранированного токопровода оказывается экономически нецелесообразным. В таких ситуациях требуется защита машин от индуктированных перенапряжений, возникающих при ударах молнии вблизи шинного моста. Достаточно эффективным средством снижения этих перенапряжений является установка на зажимах машины конденсаторов емкостью 0,1-0,5 мкФ на фазу.
Кроме индуктированных перенапряжений, электрическая машина может подвергаться воздействию импульсов грозовых перенапряжений, переходящих в обмотку НН трансформатора от обмотки ВН. Несмотря на то, что высоковольтные обмотки трансформатора имеют защиту от перенапряжений, вызванных набегающими по линиям волнам, возникающий на них импульс после перехода на обмотку может быть опасным для электрической машины. Вследствие большой скорости изменение напряжения импульса, его амплитуда при переходе из одной обмотки в другую уменьшается непропорционально коэффициенту трансформации трансформатора, а форма существенно изменяется. Для приближенной оценки перенапряжений на машине возникающий на первичной обмотке импульс представляют в виде суммы гармоник с различными частотами и рассматривают по отдельности переход на вторичную обмотку высокочастотных, среднечастотных и низкочастотных компонент исходного импульса.
Для высоких частот, соответствующих в основном фронту импульса, индуктивные сопротивления обмоток весьма велики, и в схеме замещения достаточно учесть лишь емкости. Величина напряжения на изоляции электрической машины UBM связана с амплитудой напряжения на первичной обмотке UBO соотношением
где Свн-нн - емкость между обмотками ВН и НН; Снн - суммарная емкость относительно земли электрооборудования, подключенного к обмотке НН трансформатора, в том числе токопровода.
Для низких частот расчет перехода на низковольтную обмотку можно вести по обычной схеме замещения трансформатора, учитывающей лишь индуктивности и электромагнитную связь между обмотками. Амплитуда напряжения UBM в этом случае связана с амплитудой воздействующего импульса соотношением:
где Κт - номинальный коэффициент трансформации силового трансформатора; Куд - ударный коэффициент контура трансформатор - электрическая машина, значение которого зависит от параметров этого контура.
Обычно волновое сопротивление обмотки машины Ζг оказывается меньше величины
что обусловливает апериодический характер переходного процесса в контуре, при этом Куд≈1.
Кроме высокочастотных и низкочастотных составляющих, волна напряжения на вводах ВН трансформатора содержит составляющие средних частот, для которых в расчетах невозможно пренебрегать ни емкостными, ни индуктивными связями. Эти составляющие возбуждают колебания в L-C контурах первичной обмотки трансформатора, которые затем передаются во вторичную обмотку и также вызывают в ней колебания. Расчет передачи этих составляющих требует рассмотрения переходного процесса в полной схеме трансформатора с учетом его частотной характеристики.
Исследования, проведенные в СПбГТУ, показывают, что соединение обмоток трансформаторов 110...750/6...24 кВ и трансформаторов 35/6...24 кВ существенно снижает вероятность появления на машине грозовых перенапряжений с амплитудой, опасной для ее изоляции. Так, например, при установке на стороне ВН трансформаторов 110...750 кВ разрядников с магнитным гашением дуги сопровождающего тока или ОПН показатель надежности грозозащиты машин, работающих по блочной схеме, составляет примерно 500 лет.
При малой мощности генераторов, а также синхронных компенсаторов и высоковольтных электродвигателей использование промежуточного трансформатора между машиной и воздушной сетью нецелесообразно по технико-экономическим причинам. В этом случае, как было отмечено, необходимо использовать защитные свойства аппаратуры присоединения для повышения надежности схем грозозащиты электрических машин при минимальных дополнительных капитальных вложениях.
Схемы грозозащиты электрических машин, непосредственно связанных с воздушной сетью, обычно содержат комплекс следующих защитных средств: вентильный разрядник (ОПН) и конденсатор на шинах, защищенный подход воздушной линии, трубчатые и вентильные разрядники на подходе линии, токоограничивающий реактор и кабельную вставку (рис. 2.20).
Рис. 2.20. Схемы грозозащиты электрических машин, подключенных к воздушной сети
Трубчатый разрядник РТ1 и вентильный разрядник РВ1, установленные по ходу движения волн грозовых перенапряжений, предназначены для отвода части тока волны в землю и ограничения тока в вентильном разряднике, установленном на электрической машине. Их эффективность зависит от величины сопротивления заземления, достаточная для практики надежность работы схемы обеспечивается при Rз<10 Ом. Оптимальная длина защищенного подхода составляет 100-150 м. Для защиты подхода от прямых ударов молнии используются грозозащитные тросы. Реактор L в схеме рис. 2.20,α сглаживает фронт импульса перенапряжений на шинах, а также облегчает условия срабатывания разрядника РВ1.
Емкость С0 на шинах предназначена для ликвидации колебательной составляющей напряжения на зажимах машины. Обычно длительность фронта импульса τф грозовых перенапряжений на зажимах машины за счет емкости увеличивается до 20-50 мкс.
Исследования, проведенные в СПбГТУ, установили, что показатель надежности схемы грозозащиты машин по рис. 2.20,а составляет ~35 лет без учета срабатывания разрядников на противоположном конце линии небольшой длины (<1...2 км). Срабатывание разрядников, установленных на противоположном конце линии, значительно улучшает показатель надежности: в этом случае он составляет ~70 лет.
В схеме рис. 2.20,б новым элементом является кабельная вставка, отделяющая воздушную линию от шин с электрической машиной. Ее защитная роль не ограничивается добавлением дополнительной емкости, сглаживающей волну. Кабельная вставка служит для отвода значительной доли тока волны в землю помимо шинного разрядника. Это достигается следующим образом. При срабатывании разрядника на входе кабельной вставки РВ1 жила кабеля оказывается соединенной параллельно с его оболочкой (через динамическое сопротивление РВ1). Вследствие большой скорости изменения напряжения волны ее движение по кабелю сопровождается проявлением поверхностного эффекта. Ток волны вытесняется из жилы на оболочку кабеля, имеющую контакт с землей, и уходит в землю, минуя шины на подстанции.
Однако низкое волновое сопротивление кабеля может привести к ухудшению работы вентильного разрядника РВ1. Это объясняется следующими причинами. В месте поражения молнией ВЛ 6-10 кВ вследствие слабой изоляции происходит перекрытие между всеми проводами и землей. При этом на РВ1 падает волна по всем трем фазам. При срабатывании одной из фаз РВ1, например фазы А, напряжение на оставшихся фазах В и С снижается за счет взаимной связи между фазами. Кроме того, ток через РВ1 фазы А вызывает падение напряжения на его сопротивлении заземления Rз3. Это приводит к снижению напряжения, приложенного к РВ1 фаз В и С, что может затруднить срабатывание этих разрядников. Отраженная от кабеля и разрядника РВ2 машины волна обратного знака снижает напряжение на РВ1 и еще более ухудшает условия его срабатывания. Достаточная для практики надежность требует, чтобы длина кабельной вставки составляла не менее 300 м, а защищенного воздушного подхода не менее 100 м. При этом сопротивление заземления Rз1, Rз2 и Rз3 не должны превышать 5-10 Ом. Согласно исследованиям, проведенным СПбГТУ, показатель надежности грозозащиты по схеме рис. 2.20,б составляет не менее 20 лет.
На практике зачастую применяется схема рис. 2.20,в, содержащая одновременно токоограничивающий реактор и кабельную вставку. При этом обеспечивается наивысшая надежность грозозащиты электрических машин, гальванически связанных с воздушной сетью (порядка 100 лет), если длина кабеля lк не менее 50 м, а сопротивление заземления трубчатого разрядника РТ1 - не более 5 Ом.
Из всех схем грозозащиты электрических машин наименьшей надежностью обладают схемы рис. 2.20,г,д, когда машина непосредственно подключена к воздушной сети. Они содержат несколько комплектов трубчатых разрядников, установленных на подходе длиной lп=300...600 м.
В эксплуатации имеют место случаи, когда электрическая машина на воздушную сеть работает по временной схеме, а подход выполнен в габаритах линий более высоких классов напряжения, чем номинальное напряжение машины. В этом случае на подходе устанавливают грозозащитные тросы с минимальными углами защиты (α<20°) и сопротивлением заземления опор (Rp<10 Ом).
В схеме непосредственной связи машины с воздушной сетью длина защищенного подхода lп должна быть выбрана исходя из условия ограничения амплитуды тока IРВтах<Iк, где Iк - ток координации; IРВmax - максимально допустимый ток через вентильный разрядник, установленный на зажимах машины.
Расчеты показывают, что, согласно схеме рис. 2.20,г, оптимальная длина lп=300 м, а по схеме 2.20,д 100...150 м.
По данным исследований СПбГТУ, показатель надежности схемы грозозащиты машин при непосредственной связи с воздушной сетью составляет примерно 10-15 лет. Эта надежность представляется недостаточной для крупных машин. Поэтому Правила устройства электроустановок допускают непосредственное соединение с воздушной линией лишь машин мощностью не более нескольких мегаватт.
Надежность грозозащиты электрических машин может быть повышена путем установки на зажимах или на стороне высокого напряжения трансформаторов нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН) на базе окиси цинка.
