Защита сетей 6-35 кВ от перенапряжений - Характеристики  сетей 6-35 кВ

Опасность тех или иных перенапряжений для изоляции определяется ее запасами электрической прочности. Рассмотрим эти вопросы.
В сетях средних классов напряжения изоляцию проверяют одноминутным испытательным напряжением 50 Гц и импульсными воздействиями, причем первые с некоторыми оговорками одновременно отражают характеристики изоляции при внутренних перенапряжениях с основными частотами ближе к 50 Гц, а вторые - при грозовых перенапряжениях и внутренних перенапряжениях с основными частотами в несколько десятков или сотен кГц. Ниже приводятся допустимые кратности атмосферных и внутренних перенапряжений на изоляции силовых трансформаторов 6-35 кВ, имеющих наиболее слабую изоляцию (кроме электрических машин). В таблице 1.2 приведена допустимая кратность атмосферных перенапряжений относительно наибольшего рабочего и номинального напряжений сети для трансформаторов с нормальной изоляцией. При этом допустимое импульсное напряжение на изоляции при грозовых перенапряжениях определено из соотношения

где С/пв - нормированное испытательное напряжение грозовых импульсов трансформаторов;
Uн - номинальное напряжение (класс напряжения) трансформаторов.
Трансформаторы с нормальной изоляцией предназначены для работы в сетях, подвергающихся воздействию атмосферных перенапряжений и расчетными для них являются атмосферные перенапряжения.
Учитывая значительную долю повреждений от внутренних перенапряжений, в таблице 1.3 приведены допустимые для нормальной изоляции сетей 6-35 кВ кратности внутренних перенапряжений. Аналогично последней построена таблица 1.4 для трансформаторов с облегченной изоляцией, предназначенных для работы в сетях, в которые исключена возможность проникновения атмосферных перенапряжений. По этой причине определяющими для них являются внутренние перенапряжения.
Допустимая величина этих перенапряжений определена по формуле  где δΒΗ= 1,3 - коэффициент импульса при внутренних перенапряжениях для класса напряжения 6-35 кВ;
КВН=0,9 - коэффициент кумулятивности;
UH - испытательное напряжение рабочей частоты.
Таблица 1.2
Кратности грозовых перенапряжений для внутренней изоляции трансформаторов 6-35 кВ с нормальной изоляцией

Таблица 1.3
Кратности внутренних перенапряжений для внутренней изоляции трансформаторов 6-35 кВ с нормальной изоляцией

Таблица 1.4
Кратности внутренних перенапряжений для внутренней изоляции трансформаторов 6-20 кВ с облегченной изоляцией

Как видно из таблиц 1.2-1.4 трансформаторы 6-35 кВ с нормальной изоляцией по внутренним и грозовым перенапряжениям имеют достаточно высокие запасы по допустимым воздействиям (более 5,0 по грозовым и 4,3 - по внутренним перенапряжениям). Что же касается трансформаторов с облегченной изоляцией, то для них запасы изоляции тоже достаточно высоки. Так, кратность допустимых внутренних перенапряжений на изоляции таких трансформаторов составляет 4,2-5,2 по отношению к наибольшему рабочему фазному напряжению и 4,5-5,4 по отношению к номинальному фазному напряжению.
Изоляционная система высоковольтной электрической машины является существенной ее частью как с точки зрения стоимости, так и в обеспечении длительности срока службы. Ни одна составная часть машины не определяет ее надежность и срок службы в большей степени, чем изоляция, которая наиболее уязвима, прежде всего, из-за влияния старения при нормальных условиях и действия различных факторов.
Основной причиной повреждения изоляции электродвигателей является совместное действие тепловых, механических и электрических воздействий, а также влияние окружающей среды (влажность, загрязненность, высокая температура и т. д.). Тепловое старение органических составляющих изоляции (смолы, бумага, ткани и т. д.) сильно снижает электрическую прочность машинной изоляции. Неорганические составляющие (слюда, стекло, асбест) не подвержены тепловому старению при обычных для электродвигателей рабочих температурах. Тепловое старение делает изоляцию уязвимой для механических воздействий. При работе машин их обмотки подвергаются воздействию электрических усилий от действия электромагнитных сил при нормальном и аварийном режимах работы, что приводит к их перемещению. Кроме того, обмотки подвержены действию сил, возникающих из-за неодинакового теплового расширения различных ее частей. Если для новой изоляции эти усилия не представляют большой опасности, то при потере механической прочности, в результате теплового старения, изоляция менее способна противостоять обычным условиям вибрации или ударов, разности тепловых расширений и сжатий меди, стали и изоляционных материалов. Отсюда следует, что важно не только получить электрическую прочность изоляции новой обмотки, еще важнее, чтобы изоляция сохранила свои электрические характеристики на относительно высоком уровне в течение всего расчетного срока службы, учитывая при этом перенапряжения, температуру, механические силы и др.
В силу указанных выше причин, в процессе эксплуатации прочность изоляции машины снижается (рис. 1.2). Как видно из рисунка, имеет место более интенсивное снижение электрической прочности изоляции в первые годы работы машины, а затем это снижение уменьшается. Через несколько лет после ввода машины в эксплуатацию ее электрическая прочность снижается примерно на 30-35 %.

Рис. 1.2. Зависимость электрической прочности (процент от прочности новой изоляции) при 50 Гц от числа часов работы в эксплуатации: 1 - для отечественных машин; 2 - по данным США

Уровень прочности изоляции электродвигателей при перенапряжениях характеризуется коэффициентом импульса Kи=Uимп/U, где Uимп - импульсное пробивное (выдерживаемое) напряжение, U- амплитудное значение переменного (выдерживаемого в течение одной минуты) напряжения.
Обычно, для новой изоляции среднее значение Kи=1,22-2,0. По данным СПбГТУ для состарившейся изоляции при наличие расслоения и других дефектов Ки снижается до 1,0. Вследствие случайности характеристик электрической прочности изоляции Ки в отдельных случаях падает даже до 0,5-0,8. Он также снижается вследствие кумулятивного эффекта, то есть накопления разрушений при многократных воздействиях импульсов напряжений. Такое же положение имеет место для витковой изоляции электродвигателей.
Предельные значения безопасных для изоляции перенапряжений обосновано могут быть выбраны только лишь на основании данных по прочности изоляции электродвигателей в эксплуатации.
По технико-экономическим соображениям схемы защиты электродвигателей от перенапряжений разрабатываются таким образом, что с определенной вероятностью допускаются электрические воздействия, превышающие принятый допустимый уровень.
В отличии от большинства высоковольтного оборудования, изоляция электрических машин, в том числе электродвигателей не испытывается повышенным импульсным напряжением. В связи с этим допустимые импульсные напряжения Uд, имитирующие воздействие грозовых и внутренних перенапряжений, выбираются на основании испытательных напряжений промышленной частоты и принимаются равными амплитуде последних, то естьИспытательные напряжения частоты Uисп, устанавливались исходя из практики эксплуатации. Выраженное в единицах действующего значения номинального напряжения UH сети, заводское испытательное напряжение корпусной изоляции полностью собранной машины, имея незначительное отклонение для машин различных классов напряжения, в среднем равно
Что же касается испытательного напряжения в эксплуатации, то ввиду снижения электрической прочности изоляции электродвигателей в эксплуатации, оно принято значительно ниже заводского испытательного напряжения. Так, первоначально Uисп было принято равным UH, позднее l,3UH, а в 1950 году - 1,5UH. Далее в некоторых энергосистемах Uисп повысили до 1,7 UH.
Как отмечалось, электрическая прочность изоляции электродвигателей в условиях эксплуатации существенно снижается, коэффициент импульса снижается до 1,0 и даже ниже. Поэтомуявляется допустимым для машин любой мощности.
Исследования показывают, что величина витковых перенапряжений в основном определяется крутизной волн перенапряжений на корпусной изоляции, скоростью распространения волны по обмотке, ее волновым сопротивлением, а также затуханием волны при движении ее по обмотке. Поэтому задача защиты от витковых перенапряжений заключается в том, чтобы при заданных волновых параметрах электродвигателя ограничить крутизну воздействующих на машину грозовых перенапряжений.
Перейдем к другим эксплуатационным характеристикам сетей 6-35 кВ. Годовое количество перенапряжений с кратностью равной или выше заданной определяется умножением вероятности  на годовое число коммутаций (ΝΓ).
Исходные данные ΝΓ для линий собраны в 6 энергосистемах России. Результаты анализа ΝΓ при оперативных и аварийных коммутациях, сведены в таблицу 1.5, причем число аварийных коммутаций приведены на 100 км линий.
В таблице 1.6 приведены статистические характеристики ΝΓдля трансформаторов 6-35 кВ, собранные в шести энергосистемах. При этом под термином коммутация понимается отключение или включение трансформатора. Как видно из таблицы 1.6, оперативные (плановые) коммутации трансформаторов с помощью рядом стоящих коммутационных аппаратов в год совершаются приблизительно 2 раза. Несколько больше годовое число коммутаций трансформаторов 6-35 кВ с силовым кабелем. Такая схема в настоящее время встречается наиболее часто, так как находят широкое применение комплектные распредустройства.

Таблица 1.5

Таблица 1.6
Характеристики годового числа коммутаций трансформаторов 6-35 кВ

Число аварийных коммутаций трансформаторов, возникающих при коротких замыканиях в цепи нагрузки или при повреждениях в цепи выключатель-трансформатор, приблизительно в 3-4 раза меньше. В ряде случаев с целью поиска и ликвидации причин замыкания на землю трансформаторы отключаются при наличии замыкания одной из фаз на землю. Такая коммутация в среднем в году выполняется 1 раз и имеет важное значение для прогнозирования вероятности возбуждения феррорезонансных перенапряжений. Для этой же цели обобщены статистические характеристики годового числа коммутаций при неполнофазных режимах. Они, как правило, возникают при обрывах проводов, в частности при отказе одной или двух фаз выключателей. Упомянутая коммутация силовых трансформаторов 6-35 кВ выполняется 1 раз в 3-4 года.
Анализ опыта эксплуатации высоковольтных асинхронных и синхронных электродвигателей показывает, что величина ΝΓ в значительной степени зависит от назначения технологического агрегата, приводом которого служит электродвигатель. По этой причине ΝΓ изменяется в широких пределах: от нескольких коммутаций в год до нескольких сот или тысяч в сутки.
Замыкания на землю являются одним из основных причин возникновения существенных перенапряжений в сетях 6-35 кВ. Анализ опыта эксплуатации этих сетей показывает, что годовое число замыканий пз на землю от протяженности линий сети зависит сложным образом. Так, в одной из сетей 6 кВ с кабельными линиями общей протяженности 11 км пз=5,3, а в аналогичной сети с протяженностью 32 км пз=10,1. В одной из воздушных сетей 10 кВ с общей протяженностью линий 10,8 км из было равно 4,3 , в то же время как в аналогичной сети с протяженностью 35 км пз=7,8.
Оказалось, что большое количество замыканий на землю возникают по причинам, не зависящим от протяженности сети. В кабельных сетях они связаны с повреждениями в основном концевых и в меньшей степени соединительных муфт, линейных выключателей и разъединителей, в воздушных сетях - повреждениями коммутационной аппаратуры и ударами молнии. По этой причине годовое число замыканий на землю определялось по формуле:
где I - общая протяженность линий, км;
пл - число линий сети;
п1* - удельное годовое число замыкания на землю на 100 км длины линии;
п2** - то же на одну линию, связанное с повреждениями концевых устройств.

Результаты обработки статистических характеристик п1 и п2 сведены в таблицу 1.7.
Таблица 1.7
Удельное годовое число замыканий на землю в сетях 6-35 кВ

Замыкания на землю одной фазы в сетях с изолированной или резонансно-заземленной нейтралью не сопровождаются немедленными отключениями потребителей и составляют 80-90 % от общего числа симметричных и несимметричных коротких замыканий. При этом допускается длительная (до нескольких часов) работа этих сетей. Замыкания на землю могут быть условно подразделены на замыкания длительного характера и “мгновенные” замыкания, причем первые имеют длительность 3 мин и более. В исследованных сетях максимальное время замыканий длительного характера составило tз=7 ч 25 мин. “Мгновенные” замыкания на землю имеют длительность от нескольких периодов рабочей частоты до tз=3 мин. Среднее значение tз для “мгновенных” замыканий в сетях 6-35 кВ по данным наблюдений составило 18 с, среднеквадратичное отклонение σ=41 с, а для длительных замыканий на землю соответственно tз=42 мин, σ=53 мин.
В соответствие с ПУЭ электрические сети напряжением 6-35 кВ имеют изолированную или заземленную через дугогасящий реактор нейтрали. Применение дугогасящего реактора поставлено только в зависимости от величины ёмкостного тока замыкания на землю промышленной частоты. Принятые в отечественной практике состояния нейтрали сети (изолированная или заземлённая через дугогасящий реактор) преследует только одну цель - обеспечить такой уровень тока замыкания на землю, который давал бы возможность в течении длительного времени (от 2 до 6 часов) не отключать любой (один) элемент сети с однофазным повреждением. Однако такая идея повышения надёжности электроснабжения потребителей на практике часто оказывается только кажущейся. Во-первых - по причине чрезмерно больших допустимых токов при однофазных повреждениях (особенно в кабельных сетях), например, в России для сетей 6 кВ допустимым является ток до 30 А (для сравнения - в США - 3-7 А). При столь больших токах необходимого самогашения дуг часто не происходит, авария развивается и переходит к многофазному замыканию, которое ликвидируется релейной защитой. Таким образом, основное назначение сети с изолированной нейтралью - обеспечение длительной работы сети с однофазным повреждением не выполняется. Наоборот, повреждения оборудования, как правило, являются более существенными по сравнению с вариантом, например, автоматического отключения первого однофазного замыкания.
Реальная практика применения дугогасящих реакторов в сетях с большими токами замыкания на землю также часто далека от совершенства.  Недостаточная мощность дугогасящих реакторов, отсутствие автоматической настройки компенсации, значительные активная составляющая и высшие гармонические в токе замыкания приводят к тому, что остаточный ток оказывается большим, и его самогашение становится невозможным.
Имеется и вторая причина (кроме больших величин токов однофазных замыканий) высокой аварийности при эксплуатации сетей с изолированной нейтралью и нейтралью, заземлённой через дугогасящий реактор - это многообразие опасных внутренних перенапряжений в таких сетях. Наиболее опасными оказываются перенапряжения, создаваемые дуговыми замыканиями, и часто не вследствие их высоких кратностей (хотя и это возможно), но тем, что они многократно воздействуют на всю сеть (сразу на ряд ослабленных мест) и вызывают многоместные повреждения изоляции с последующим значительным эксплуатационным ущербом. Многократные пробои ослабленных мест изоляции при высоких кратностях перенапряжений вблизи высоковольтных электродвигателей создают крутые волны перенапряжений, приводящие к повреждению витковой изоляции электродвигателя.
Большой ущерб электроэнергетике наносят также резонансные перенапряжения, происходящие в сетях с дугогасящими реакторами традиционных конструкций, а также - многообразные феррорезонансные явления, приводящие как к повреждению изоляции трансформаторов вследствие перенапряжений, так и к термическому повреждению изоляции из-за сверхтоков, вызванных насыщением стали.
Наиболее радикальным средством снижения опасности рассмотренной группы перенапряжений является высокоомное резистивное заземление нейтрали в сетях с малыми токами замыкания на землю (например, до 3...7 А для сети 6 кВ), которое не ухудшает условия самогашения дуг, но во многом снижает проблему дуговых, резонансных и феррорезонансных перенапряжений.
В случае больших токов замыкания на землю следует переходить либо к более глубокому секционированию (для уменьшения ёмкостного тока замыкания на землю), либо к регулированию тока однофазного замыкания с помощью резистора в нейтрали с целью обеспечения быстрого и селективного автоматического отключения однофазных повреждений релейной защитой. Однако переход к системе с низкоомным заземлением нейтрали будет выгоден, если снижение затрат из-за отказа от секционирования не будет перекрыт увеличением затрат на обеспечение заданной надёжности электроснабжения потребителей. В определённых условиях (особенно в случаях мало меняющейся ёмкости сети; при отсутствии высших гармоник тока в месте повреждения и др.) возможно эффективное применение дугогасящих реакторов современных конструкций с автоматической компенсацией ёмкостного тока, также снабжённых шунтирующим высокоомным резистором.
Эффективные системы заземления нейтрали сети должны быть дополнены аппаратами ограничения коммутационных перенапряжений, имеющих, как правило, высокочастотный спектр, а потому мало зависящих от способа заземления нейтрали. Наиболее современным аппаратом для этих целей является нелинейный ограничитель перенапряжений (ОПН), который весьма эффективно подавляет перенапряжения при коммутациях.