Защита сетей 6-35 кВ от перенапряжений - Аварийность в сетях 6-35 кВ

В сетях 6-35 кВ перенапряжения в ряде случаев являются причиной повреждения изоляции электрооборудования и линий.
Анализ опыта эксплуатации сетей 6-35 кВ показывает, что на подстанциях имеет место достаточно высокая аварийность в результате грозовых перенапряжений. Она главным образом приходится на долю силовых трансформаторов. Для анализа этой аварийности обобщен опыт эксплуатации большого числа распределительных сетей Российской Федерации. Наблюдениями были охвачены более 5000 подстанций 6 кВ, 3000 подстанций 10 кВ и 1800 подстанций 35 кВ. Приведенный к 50 грозовым часам объем информации составил 102700 лет - подстанций в сетях 6 кВ, 47000 лет - подстанций в сетях 10 кВ и 13522 лет - подстанций в сетях 35 кВ. За это время зарегистрировано 718, 270 и 23 случая повреждения силовых трансформаторов 6, 10 и 35 кВ соответственно. Большинство (до 85 %) грозовых повреждений трансформаторов имеет место на подстанциях с отступлениями от нормальных схем грозозащиты, рекомендуемых “Руководящими указаниями по защите от перенапряжений” и Правилами устройств электроустановок.
Другим примером анализа грозовой активности является информация, полученная по сетям Украины [4] (Винницкая, Днепропетровская, Киевская, Крымская, Львовская и Харьковская области). Грозовая деятельность на большей части территории характеризуется 60-70 часами в год. Обобщение статистических данных по грозовым повреждениям силовых трансформаторов распределительных сетей 6-20 кВ имевшим место за 5 лет, дали следующие результаты (таблица 1.1).
Таблица 1.1.

Таким образом, из 100 установленных в среднем около 10 трансформаторов 6-20 кВ повреждается из-за грозовых перенапряжений. Здесь же необходимо отметить, что повреждениям трансформаторов при грозе зачастую сопутствуют повреждения элементов оборудования подстанций: разрядников, предохранителей, проходных изоляторов КТП и прочих.
Опыт эксплуатации с достаточной убедительностью показывает, что грозовые перенапряжения остаются одной из основных причин аварий электрических машин. При этом с уменьшением номинального напряжения опасность аварий возрастает.
Повреждение изоляции и выход из строя электрической машины при отсутствии резерва влечет за собой значительный ущерб у потребителя в связи с нарушением технологического процесса и с ремонтом или полной заменой дорогостоящей и дефицитной изоляции.
Крупные электродвигатели в большинстве случаев питаются от сложных подстанций, от которых отходит большое число как кабельных, так и воздушных линий. Грозовые повреждения этих машин зачастую приводят к погашению всей подстанции, а следовательно, к значительному ущербу. К значительному ущербу приводят и аварии в результате грозовых повреждений изоляции электродвигателей, большинство которых подключено к промышленным установкам, связанным с распределительными подстанциями по воздушным линиям. Кроме того, с воздушными сетями оказываются иногда связанными и двигатели собственных нужд некоторых электростанций.
Приведем ниже некоторые данные по аварийности высоковольтных электрических машин. Материалы получены путем изучения актов аварийности и опроса отдельных энергосистем и потребителей. Наблюдение в системе электроснабжения одного из предприятий дали следующие результаты. В течение 920 двигателей-лет наблюдения на предприятии зарегистрировано 43 случая аварий двигателей в результате грозовых повреждений. По вине грозовых повреждений электрических машин было недоиспользовано 482000 кВт·ч электроэнергии, а стоимость ремонтно-восстановительных работ составила около 10 000 рублей (в ценах до 1 апреля 1991 года).
Согласно аварийной статистике 13 энергосистем Российской Федерации было зарегистрировано 290 грозовых повреждений высоковольтных электродвигателей. При этом указанные повреждения имели место в случае нормальных схем грозозащиты, отвечающих требованиям ПУЭ. В результате этих аварий в энергосистемах за указанный период было недоиспользовано около 2 млн. киловатт-часов электроэнергии, и понесены значительные затраты на ремонт поврежденных машин.
Аварийность другого оборудования вследствие грозовых перенапряжений приблизительно втрое меньше, чем аварийность силовых трансформаторов и двигателей.
Достаточно высока и аварийность по причине воздействия на изоляцию внутренних перенапряжений. Анализ показывает, что аварийность силовых трансформаторов 6-35 кВ при внутренних перенапряжениях значительно ниже таковой при грозовых воздействиях. Вместе с тем выходы из строя силовых трансформаторов по причине внутренних перенапряжений часты и связаны с значительными ущербами.
Опыт эксплуатации указывает на наибольшее количество повреждений силовых трансформаторов при дуговых замыканиях на землю. Поскольку дуговые перенапряжения, возникающие при замыканиях на землю, охватывают практически всю сеть и имеют достаточно большую длительность, выход из строя трансформаторов с ослабленной изоляцией (увлажнение и загрязнение масла, старение твердой изоляции, деформация обмотки при коротких замыканиях) имеет достаточно высокую вероятность. Так, по данным авторов, в одной из энергосистем РФ при дуговых замыканиях на землю в сети 6 кВ, длившихся более двух часов, одновременно повредилась изоляция двух трансформаторов, находящихся на одной подстанции. В другом случае в сети 35 кВ при дуговых замыканиях на землю переходный процесс длился более трех часов, в течение которого вышли из строя два трансформатора.
В ряде случаев повреждение изоляции силовых трансформаторов происходит при коммутационных перенапряжениях. Наибольшие перенапряжения возникают при отключении трансформаторов рядом стоящими выключателями. Аналогичная ситуация возникает при срабатывании предохранителей. Анализ показывает, что опасные для изоляции перенапряжения возникают при отключениях маломощных трансформаторов. В одном из актов анализа аварийности описывается случай, когда после оперативного отключения трансформатора 6 кВ, 180 кВА его неоднократные включения оказались безуспешными. Вскрытие показало, что изоляция трансформатора пробита перенапряжениями при его отключении. Это позволяет сделать вывод о том, что кратность перенапряжений при упомянутой коммутации К >7:8.
И, наконец, в эксплуатации имели место случаи повреждения изоляции силовых трансформаторов 6-35 кВ от феррорезонансных перенапряжений. Эти перенапряжения имели кратность К>5 и возникали при неполнофазных режимах трансформаторов с кабелем длиной 15-20 м. Неполнофазные режимы создавались при отказах фаз выключателя или перегораниях плавких вставок предохранителей. Имели место также случаи повреждения трансформаторов при неполнофазных режимах и при наличии замыкания на землю со стороны питающей подстанции.
Таким образом, краткий обзор аварийности силовых трансформаторов 6-35 кВ по причине воздействия на них внутренних перенапряжений показывает, что защита от последних несовершенна и поэтому целесообразна разработка и внедрение более современных мер защиты изоляции силового оборудования от коммутационных, дуговых и феррорезонансных перенапряжений. Одновременно необходимо совершенствование профилактических испытаний изоляции высоковольтного оборудования, так как существующие методы испытаний не выявляют старение изоляции.
Достаточно высока аварийность высоковольтных электродвигателей по причине воздействия на их изоляцию внутренних перенапряжений, причем выход из строя этих электродвигателей приводит в ряде случаев к нарушению всего технологического процесса. Так, например, в сетях собственных нужд электростанций выход из строя некоторых электродвигателей приводит к частичному или полному сбросу нагрузки всего блока. Для того чтобы убедиться в этом, достаточно перечислить виды электродвигателей, питающихся от сети собственных нужд 6 кВ крупных генераторов. Так, например, от сети собственных нужд блока 300 МВт питаются электродвигатели циркуляционных насосов (два двигателя мощностью по 800 кВт), бустерных насосов (три двигателя по 500 кВт), питательных электронасосов (один двигатель мощностью 8000 кВт), насоса пускового эжектора (один двигатель мощностью 200 кВт), дренажных насосов (два двигателя по 250 кВт), конденсаторных насосов (три двигателя по 500 кВт), дымососов (два двигателя по 1700 кВт), дутьевых вентиляторов (два двигателя по 800 кВ), молотковых мельниц (восемь двигателей по 630 кВт), смывочного насоса (один двигатель мощностью 500 кВт), сетевых насосов (два двигателя мощностью 320 кВт), транспортеров (два двигателя) по 250 кВт) и бойлерных насосов (два двигателя по 630 кВт).
Анализ актов аварий с высоковольтными электродвигателями показывает, что повреждение их изоляции возникает в двух случаях: при замыканиях на землю в сети с последующим пробоем в обмотке и при замыкании на землю в обмотке с последующим пробоем в этой же обмотке. В сетях собственных нужд электростанций эти причины имеют приблизительно одинаковую вероятность, в промышленности и сельском хозяйстве соотношение упомянутых случаев составляет приблизительно 3:2.
По данным энергосистем наибольшая повреждаемость имеет место среди высоковольтных двигателей сетей собственных нужд электростанций. По данным авторов повреждаемость электродвигателей 6 кВ сетей собственных нужд энергоблоков 300-500 МВт составляет в среднем 7,6 % от числа установленных в год, а на отдельных энергоблоках достигает 13 %. Первопричиной 84 % этих повреждений являются однофазные замыкания на землю, перешедшие затем в двухфазные, двойные и тройные к. з. на землю. Это объясняется тем, что в этих сетях специальная защита от однофазных замыканий на землю, как правило, не предусматривается, а возникающие однофазные замыкания на землю отыскиваются и отключаются персоналом. Кроме того, это вызвано тем, что изоляция упомянутых электродвигателей работает в тяжелых условиях загрязненной и увлажненной среды, повышенной температуры. Она подвержена частым перегрузкам и электрическим воздействиям при пусках и при возникновении коротких замыканий, а в ряде случаев повышенным вибрациям и перегревам, вследствие чего быстро изнашивается и имеет значительно меньшие запасы электрической прочности. Ослабление изоляции вследствие указанных выше причин развивается столь быстро, что приводит к пробоям в период между очередными профилактическими испытаниями при рабочем напряжении или при перенапряжениях. По этим причинам общая повреждаемость электродвигателей составляет порядка 5,5 % от числа установленных, в том числе повреждения в работе 4 %, при испытаниях - 1,5 %. Число случаев пробоя изоляции электродвигателей в работе в 2,5 % раза превышает таковое при профилактике, эффективность которой не может быть повышена учащением испытаний или поднятием уровня испытательных напряжений, так как оба этих направления в сложившейся обстановке ведут не к повышению надежности, а к чрезвычайному увеличению работ по перемотке и восстановительному ремонту электродвигателей. Здесь же отметим, что приблизительно в 70 % случаев повреждения обычно вызываются пробоем витковой, междувитковой или междуфазовой изоляции обмоток статора. Остальные виды оборудования (коммутационные аппараты, трансформаторы тока, реакторы), кроме трансформаторов напряжения, имеют аварийность от внутренних перенапряжений несколько ниже, чем силовые трансформаторы и электрические машины.
Приведенный выше краткий обзор аварийности свидетельствует о достаточно высокой повреждаемости электрооборудования, поэтому вопросы исследования его защиты в настоящее время остаются весьма актуальными. Требуется разработка и внедрение более надежных и экономически целесообразных схем грозозащиты и защиты от внутренних перенапряжений электрооборудования. Одновременно необходима разработка новых методов профилактических испытаний и средств диагностики высоковольтной изоляции электродвигателей.