Выбор расстояния от ОПН до защищаемого оборудования

Ограничители перенапряжений, внедряемые в последние годы в энергосистемы и сети промышленных предприятий, для защиты изоляции линий, электрооборудования подстанций и станций, устанавливаются:

- для замены вентильных разрядников, проработавших в сетях более 20-25 лет и исчерпавших ресурс по пропускной способности, а также значительно ухудшавших защитные характеристики;

- для установки на вновь строящихся объектах, например, подстанциях.

В первом случае показатели защиты от перенапряжений при тех же расстояниях от защитных аппаратов до защищаемой изоляции по крайней мере будут не хуже, чем они обеспечивались при установке вентильных разрядников*). Эти расстояния оговорены ПУЭ [10] (таблицы 2.8-2.10). При установке ОПН взамен разрядников II-IV группы, например, серии РВМ, РВО, РВП и РВС, показатель надежности грозозащиты улучшается от 2 до 11 раз.

Известно, что величина импульсных перенапряжений на защищаемой изоляции зависит от ряда факторов: характеристик защитного аппарата, расстояния между защищаемой изоляцией и защитным аппаратом, крутизны набегающей волны, входной емкости электрооборудования, типа распредустройства (тупиковая, проходная или многофидерная) и др. Задача координации вольтсекундной характеристики изоляции и вольтамперной характеристики защитного аппарата практически сводится к выбору интервала между остающимся напряжением аппарата Uост и допустимым напряжением на изоляции Uдоп.

В существующих в настоящее время схемах грозозащиты подстанций приняты меры для ограничения крутизны набегающих волн и удаление разрядников от защищаемого оборудования не превышает 150-200 м, а амплитуда перенапряжений, вызванных приходом грозовых волн по линиям, не превышает 1,3 Uост. Поэтому в схемах грозозащиты подстанций стремятся, чтобы между остающемся напряжением Uост и допустимым напряжением Uдоп на оборудовании выдерживалось соотношение 1,3 Uост < Uдоп.

При установке ОПН на вновь строящихся подстанциях, схемы грозозащиты которых могут отличаться от традиционных (типовых), выбор расстояний от ОПН до защищаемой изоляционной конструкции должен выполняться с помощью компьютерных расчетов, либо на анализаторах грозозащиты подстанций.

В [11] предлагается следующая формула для определения расстояния от ОПН до защищаемого оборудования (при замене вентильных разрядников на ограничители перенапряжений)

LОПН = LРВ (Uисп - UОПН) / (Uисп - UРВ),

где Uисп – испытательное напряжение защищаемого оборудования при полном грозовом импульсе, кВ;

UОПН - остающееся напряжение на ОПН при разрядном токе 10 (5) кА, кВ;

UРВ – остающееся напряжение на вентильном разряднике при разрядном токе 10 (5) кА, кВ;

LОПН - расстояние от защищаемого оборудования до ОПН, м;

LРВ - расстояние от защищаемого оборудования до вентильного разрядника, нормируемое ПУЭ,

3.2.Организация защиты изоляции электрооборудования и линий

3.2.Организация защиты изоляции электрооборудования и линий.

Как вытекает из информации, приведенной в главах 1-3, ограничители перенапряжений, благодаря их большей пропускной способности, позволяют осуществлять защиту не только от грозовых, но и от внутренних перенапряжений. Особенно это важно для тех видов электрооборудования, характеристики изоляции которых не координированы (согласованы) с защитными характеристиками вентильных разрядников. К таким видам оборудования относятся генератороры, синхронные компенсаторы, высоковольтные электродвигатели, батареи конденсаторов.

Рассмотрим вопросы организации защиты от перенапряжений ряда элементов сетей 6-35 кВ.

3.2.1. Защита генераторов

В настоящее время имеется тенденция роста единичной мощности генераторов. Это обуславливает более жесткие требования к их надежности и, соответственно, к обеспечению глубокого ограничения уровня воздействующих на них перенапряжений.

Генераторы мощностью менее 50 МВт в ряде случаев работают непосредственно на воздушные сети, а генераторы мощностью свыше 50 МВт - только по блочной схеме, когда между ними и воздушной сетью имеется только магнитная (трансформаторная) связь. Однако, в любом случае вентильные разрядники, традиционно устанавливаемые в сетях генераторов, не могут удовлетворять требованиям такого ограничения. Так, например, разрядники типа РВМ-20 (II группа по ГОСТ 16537-83) имеют амплитуду импульсного пробивного напряжения, равную 57 кВ, пробивные напряжение при частоте 50 Гц от 35 до 45 кВ и остающееся напряжение при токе 3 кА- 47 кВ. Этим пробивным напряжениям соответствуют кратности грозовых перенапряжений более 4,6 и внутренних перенапряжений более 4,0 (без учета коэффициента импульса). Названные кратности значительно превосходят кратности испытательных напряжений генераторов (1,5 Uном), то есть К=2,6.

Учитывая сказанное, можно отметить, что используемые в настоящее время в сетях генераторного напряжения вентильные разрядники не ограничивают перенапряжения, в то же время в процессе эксплуатации изоляция генераторов подвергается грозовым и внутренним перенапряжениям, амплитуда которых значительно превышает величину испытательного напряжения. По этой причине возникает необходимость неотложного внедрения новейших защитных аппаратов- нелинейных ограничителей перенапряжений для защиты изоляции гидро- и турбогенераторов. Эти защитные аппараты должны быть рассчитаны на наибольшее рабочее напряжение генераторных сетей с учетом времени воздействия такого напряжения на них за время срабатывания релейной защиты и системной автоматики (~ 0,5 -1 с). При этом для защиты генераторов, работающих по блочной схеме, аппараты должны быть установлены вблизи зажимов машин, в их нейтрали, а также вблизи блочных трансформаторов (трансформаторов собственных нужд), генераторов, работающих на общие шины (секции), - на секциях и вблизи машин.

3.2.2. Защита электродвигателей и синхронных компенсаторов.

Эксплуатация электростанций и распределительных сетей показывает, что имеет место значительная аварийность, связанная с электродвигателями 6 кВ сетей собственных нужд и синхронными компенсаторами 6 и 10 кВ. Эти машины в эксплуатации испытываются напряжением 1,7 Uном =3,0 Uф, в то же время на их изоляцию воздействуют перенапряжения с кратностью К >3,0 в среднем 1 раз в год. Кроме того, названные электрические машины не имеют активных коммутационных защитных аппаратов в их присоединениях.

Защитные аппараты должны быть установлены вблизи электродвигателей сетей собственных нужд и синхронных компенсаторов. Расчетными режимами для выбора ОПН этих машин являются напряжение Uнр =1,2Uном и tр =20 мин для первых и tр = 8 ч - для вторых.

3.2.3. Защита кабелей.

Анализ показывает, что зачастую при дуговых замыканиях на землю, коммутациях кабелей, а также ударах молний на воздушные линии и приходе на кабели грозовых импульсов повреждаются концевые и соединительные муфты. Поэтому в их начале и конце должны быть установлены ОПН, для которых Uнр =

= (1,15-1,2) Uном.

По тепловым причинам оболочка однотипных кабелей в основном заземляется с одной стороны. В режиме работы кабеля на свободном (незаземленном) конце оболочка может испытать до 50% от амплитуды перенапряжений на жиле. Поэтому здесь между жилой и оболочкой должен быть установлен ОПН, для которого Uр = 0,24×Iк.з, Uмр = 0,24 Iкз Lк, где Iкз - ток в кА, Lк - длина кабеля в км, а Uрмр - рассчитывается исходя из времени к.з., например, 0,12 = 0,15 с, на Iи =10 кА и Iк» 500 А.

3.2.4. Защита фазокомпенсирующих устройств (ФКУ).

Защита ФКУ выполняется с помощью ОПН, установленного за выключателем в сторону ФКУ. Если в сети нет защиты от замыкания на землю Uрнр = Uнр =

(1,15¸1,2) Uн. Ограничители должны быть установлены на токи Iи = 5 ¸10 кА, Iк = 500¸600 А.

3.2.5. Защита батарей конденсаторов (БК)

При коммутациях батарей конденсаторов, а также при дуговых замыканиях на землю в сети с БК на конденсаторы батареи могут воздействовать перенапряжения с максимальной кратностью свыше 3,5. В то же время конденсаторы не имеют большого запаса изоляции по сравнению с их номинальным напряжением. По этой причине БК должны быть защищены главным образом от внутренних перенапряжений. При этом при выборе ОПН необходимо учитывать:

- наличие или отсутствие защиты от замыкания на землю;

- схему соединения батареи;

- место установки ОПН.

3.2.6. Защита токоограничивающих реакторов и линейных ВЧ заградителей.

Токоограничивающие реакторы и линейные ВЧ - заградители по сути являются дросселями с ”бетонным ”и “воздушными” сердечниками соответственно. Приход на них волны тока вызовут в обмотке напряжение, определяемое крутизной тока молнии и индуктивностью дросселя. Нетрудно доказать, что при больших крутизнах тока молнии на обмотку может воздействовать напряжение, исчисляемое сотнями киловольт. По этой причине токоограничивающие реакторы и линейные ВЧ заградители должны быть защищены от грозовых перенапряжений. С этой целью ОПН должны быть установлены параллельно к дросселю, и иметь характеристики Iи = 5 кА, расчетное значение Uрнр = wL Iкз/Кв, где w - угловая частота, L - индуктивность защищаемого объекта, Iкз - ток короткого замыкания, Кв - коэффициент, определяемый в зависимости от времени короткого замыкания.

4. Примеры выбора ограничителей перенапряжений 0,5¸35 кВ.

4.1. Выбор ОПН на 2,5 кВ ЗАО «Полимер – Аппарат» для защиты от перенапряжений погружного электродвигателя и его присоединения для добычи нефти.

Время отключения ОДЗ ~1 с., ток короткого замыкания 4 кА. Рабочее напряжение погружных электродвигателей, выполняемых в виде труб длиной около 6 м, определяется глубиной скважины. Они питаются с помощью специальных погружных кабелей, а в качестве коммутационного аппарата используется вакуумный коммутатор [6,12]. Кроме того, между присоединением 2,5 кВ и питающей воздушной сетью 6 кВ устанавливается один (однотрансформаторная схема) или два последовательных трансформаторов (двухтрансформаторная схема).

При таких схемах импульсный ток через ОПН, устанавливаемый в начале питающего кабеля (сразу после вакуумного контактора) – составляет не более 1 кА (благодаря трансформаторам связи), ток коммутационных перенапряжений не более 200 А, расчетная величина максимального длительного рабочего напряжения с учетом вольтвременной характеристики варисторов ЗАО «Полимер – Аппарат» при времени замыкания на землю tз=1с не более 1,8 кВ. У такого аппарата Uост при грозовых перенапряжениях не более 6,1 кВ, при коммутационных перенапряжениях – 5,6 кВ. Поскольку испытательное напряжение названных электродвигателей при импульсах равно Uост = 6,8 кВ, обеспечивается координация изоляции. Аппарат должен быть изготовлен на ток короткого замыкания 5 кА.

4.2. Выбор ограничителя перенапряжений для защиты электродвигателя 6 кВ ЗАО «Полимер – Аппарат».

Время отключения ОДЗ ~ 20 мин. Ток в точке установки аппарата 8 кА.

Как отмечалось в предыдущих главах технической записки, в сетях собственных нужд 6 кВ Uнр = 7,2 кВ. Из вольтвременной зависимости ЗАО «Полимер – Аппарат» (рис.2.1) для времени t = 20 мин. = 1200 с определяем коэффициент Кв = 1,26 и поэтому расчетная величина максимального длительно допустимого напряжения Uрнр = 7,2/1,26 = 5,8 кВ. У этого защитного аппарата с большим запасом амплитуда прямоугольного импульса тока длительностью 2000 мкс равна 500 А, Uост при коммутационном токе равно 14,2 кВ, при грозовом импульсе тока 5 кА равно 18,5 кВ. В то же время при мощности машин 6 кВ до 1000 кВт допустимое напряжение находится около 19 кВ, при мощности свыше 1000 кВт – около 21 кВ. Таким образом, обеспечивается координация изоляции (тем более в сетях собственных нужд разрядный ток будет значительно меньше 5 кА).

Кроме того, ток срабатывания взрывопредохранительного устройства Iкз ОПН = 10 кА, что больше тока трехфазного короткого замыкания = 8 кА в месте установки выбранного ограничителя перенапряжений.

4.3. Выбор ограничителя ОПН-10 ЗАО «Полимер – Аппарат» для установки в кабельной сети.

Время ликвидации ОДЗ равно 2 часам. Ток замыкания на землю 300 А при коэффициенте недокомпенсации d = 10%. Ток короткого замыкания в месте установки ОПН =7 кА.

Для сети 10 кВ Uнр = 12 кВ. По вольтвременной характеристике аппаратов ЗАО «Полимер – Аппарат» по рис. 2.1 для ОПН-10 при t = 2 ч. = 2×60×60 = 7200 с коэффициент Кв равен Кв = 1,18. Поэтому расчетная величина максимального длительно допустимого напряжения равна Uрнр = 12/1,18 = 10,2 кВ. Таким аппаратом является ОПН-10 выпускаемой фирмой. У этого аппарата Iр = 10 кА, амплитуда прямоугольного импульса тока длительностью 2000 мкс равна 420 А, Uост при коммутационных и грозовых импульсах соответственно равно токе 24,8 и 35,2 кВ.

Для кабельных сетей грозовые перенапряжения не играют существенной роли, поэтому за основу принимаем Uост = U420 = 24,8 кВ.

Определим энергию, поглощаемую выбранным ОПН-10 в процессе дуговых замыканий на землю одной из фаз. По данным [13] для тока однофазного замыкания на землю, равном 300 А и U450 = 24,8 кВ рассеиваемая ограничителем энергия за один цикл ²гашение - зажигание² Э1 @ 0,13 кДж.

Расчетное число повторных зажиганий определяем по формуле

n = 30 - d × Ic = 30 - 0,1 ×30 = 27,

где Ic – ток недокомпенсации, то есть Ic = d × Iз. Полная энергия Эå = Э1× n = 0,13×27 = = 3,5 кДж, то есть выполняется условие ЭОПН >> Эå, что обеспечит стабильность работы ОПН.

Сравнение Uост ВП = 24,8 кВ выбранного ограничителя с испытательными напряжениями соединительных и концевых муфт силовых кабелей с пропитанной бумажной изоляцией и кабелей с бумажной изоляцией (таблицы 2.6 и 2.7) показывает, что выбранный ограничитель обеспечивает достаточно большую надежность защиты (достаточно большой интервал координации).

Ток срабатывания взрывопредохранительного устройства выбранного аппарата равен 20 кА, что значительно больше тока трехфазного короткого замыкания в месте установки ОПН (7 кА).

4.4. Выбор ограничителя ЗАО «Полимер – Аппарат» для защиты подстанций 35 кВ.

Время замыкания на землю в сети 2 часа. Ток трехфазного к.з. в месте установки ОПН-9 кА. За основу примем ОПН-35, выпускаемые ЗАО «Полимер – Аппарат». Для рассматриваемой сети Uнр = 40,5 кВ. Из вольтвременной зависимости для аппаратов ЗАО «Полимер – Аппарат» (рис.2.1) при времени t = 2×60×60 = 7200 с принимаем Кв = 1,18, поэтому расчетное значение длительно допустимого на ОПН рабочего напряжения Uрнр = 40,5 /1,18 = 34,3 кВ.

Для выбранного аппарата:

- Uнр = 37 кВ;

- номинальный разрядный ток – 10 кА;

- амплитуда прямоугольного импульса тока длительностью 2000 мкс – 550 А;

- Uост при номинальном разрядном токе составляет 117 кВ;

- Uост при коммутационном токе 550 А 85 кВ

Как видно из сопоставления этих характеристик и данных таблиц 2.1¸2.4, выбранный аппарат вполне отвечает требованиям по координации изоляции электрооборудования 35 кВ.

И, наконец, ток срабатывания взрывопредохранительного устройства выбранного ограничителя равен 10 кА, что значительно больше тока трехфазного короткого замыкания в месте установки ограничителя перенапряжений.

Заключение

1. Нашей промышленностью и практически всеми зарубежными странами прекращено производство вентильных разрядников. В стране осуществляется массовый переход к новейшим защитным аппаратам - ограничителям перенапряжений. Это узаконено рядом директивных документов, например [14].

2. Нелинейные ограничители перенапряжений имеют ряд преимуществ по сравнению с вентильными разрядниками: обладают лучшими электрическими и массогабаритными характеристиками; с их внедрением во всех сетях, в том числе в сетях средних классов напряжения, впервые появляются активные аппаратные средства защиты от внутренних перенапряжений.

3. Необоснованный выбор ОПН и ошибки при их размещении могут привести к повреждению самих защитных аппаратов, а также вызвать серьезные аварии (требующие значительные капитальные затраты на ремонтно- восстановительные работы и большие недоотпуски электроэнергии) в энергосистемах и электрических сетях промышленных предприятий.

4. Сделана попытка облегчить труд работников (покупателей) энергосистем и энергетиков промышленных предприятий, а также производителей названных защитных аппаратов в выборе ОПН, их размещении в сетях, а также эксплуатации.

6. Предлагаемая техническая записка не исчерпывает все вопросы, касающиеся ограничения перенапряжений с помощью ограничителей перенапряжений. В ней, например, не рассмотрены резонансные явления, режимы заземления нейтрали сетей и ряд других вопросов.

Список использованной литературы

1. Иманов Г.М., Розет В.Е., Халилов Ф.Х., Колычев А.В. Опыт эксплуатации аппаратов 110 кВ и выше, выпускаемых АООТ “Корниловский фарфоровый завод”. В кн. ”Эксплуатация, качество и надежность вентильных разрядников и серийно изготовляемых ОПН 110 кВ и выше”. Сборник материалов совещания, 25-27 марта 1997.Санкт-Петербург. Изд. ПЭИПК Минтопэнерго РФ, 1997.

2. Защита сетей 6-35 кВ от перенапряжений. Под редакцией профессора Халилова Ф.Х., профессора Евдокунина Г.А. и доцента Таджибаева А.И. Энергоатомиздат,Санкт-Петербургское отделение, 2002.

3. Алиев Ф.Г., Злобинский В.Я., Халилов Ф.Х. Проблемы защиты от перенапряжений в системах электроснабжения. Изд. “Терминал Плюс”, Екатеринбург, 2001 г

3. Евдокунин Г.А., Титенков С.С., Евдокунин А.Г. Системы заземления нейтралей сетей средних классов напряжения (6-10 кВ). В кн. ²Международная научно-техническая конференция ²Перенапряжения и надежность эксплуатации электрооборудования². Выпуск 3. Минск. 2004г, (5.04¸9.04.04). 5. Иманов Г.М., Халилов Ф.Х., Таджибаев А.И. Методика выбора нелинейных ограничителей, необходимых для защиты изоляции сетей низкого, среднего, высокого и сверхвысокого напряжения трехфазного переменного тока. Изд. ПЭИПК Минэнерго РФ, С.-Петербург, 2004 г.

6. Альбокринов В.С., Гольдштейн В.Г.,Халилов Ф.Х. Перенапряжения и защита от них в электроустановках нефтяной промышленности. Изд. Самарского университета, Самара, 1997.

6. Борисов В.Н.,Ковылов И.П., Пухальский А.А., Халилов Ф.Х., Шилина Н.А. Перенапряжения и системы защиты от них в электрических сетях предприятий нефти и газа. В кн. Международная научно-техническая конференция ²Перенапряжения и надежность эксплуатации электрооборудования². Выпуск 3. Минск. 2004.

8. Техника высоких напряжений. Под редакцией Г.С.Кучинского. Энергоатомиздат, ЛО, 2003.

9. Техника высоких напряжений. Под редакцией М.В.Костенко. Изд. 'Высшая школа', 1973 г.

10. Правила устройства электроустановок. Минэнерго СССР, 6-ое изд., перераб. и доп. М., Энергоатомиздат, 1985.

11. Методические указания по применению ограничителей в электрических сетях 110-750 кВ (проект). РАО “ЕЭС России”. Москва, Типография “С. Принт”, 2000.

12. Иманов Г.М., Пухальский А.А., Халилов Ф.Х., Таджибаев А.И. Защита электрических сетей предприятий нефти и газа от перенапряжений. Изд. ПЭИПК Минтопэнерго России, 1999.

13. Методические указания по применению ограничителей в электрических сетях 6-35 кВ (проект). РАО “ЕЭС России”., Москва, 2001 г.

14. Информационное письмо № 42-04-04/546 от 15.10.97. 'О применении ОПН 0,4¸750 кВ'. Главного управления государственного энергетического надзора ('Главэнергонадзор России')

Дата добавления: 2015-08-26