"Новости Электротехники": "Энергетика и Электротехника

< Предыдущая ] [ Следующая >

Журнал №5(17) 2002

Перенапряжения и электромагнитная совместимость оборудования электрических сетей 6-35 кВ

Борис Абрамович, д.т.н., профессор СПб государственного горного института
Сергей Кабанов, ген. директор «Завода энергозащитных устройств» (С.-Петербург)
Александр Сергеев, директор инжиниринговой компании «Оптима» (С.-Петербург)
Вадим Полищук,гл. инженер инжиниринговой компании «Оптима» (С.-Петербург)

В связи со старением действующего оборудования в сетях напряжением 6-35 кВ, внедрением вакуумной и элегазовой коммутационной аппаратуры, микропроцессорных устройств и возрастанием доли нелинейных потребителей электроэнергии возникает необходимость решения важной задачи: обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС) уровня изоляции, параметров энергозащитных устройств, устройств релейной защиты и автоматики в заданном объеме пространства, частотном и временном диапазоне.

Перенапряжения

Устройства электрических сетей или подвергаются воздействию, или сами генерируют различные виды перенапряжений. Величина выдерживаемых (Uвыд) коммутационных перенапряжений не должна превышать допустимых значений, связанных с уровнем испытательных напряжений:

где U_1мин – одноминутное испытательное напряжение, кВ;
к_и – коэффициент импульса, учитывающий упрочнение изоляции при более коротком импульсе по сравнению с испытательным;
к_к – коэффициент кумулятивности, учитывающий многократное воздействие перенапряжений и возможное старение изоляции.
Выдерживаемый электрооборудованием уровень грозовых перенапряжений:

U_выд.2= 1,1(U_иги – U_н),

где U_иги – испытательное напряжение полного грозового импульса, кВ;
U_н – номинальное напряжение.
Выдерживаемые внутренней изоляцией трансформаторов и аппаратов уровни грозовых и коммутационных перенапряжений приведены в таблице 1. В таблице 2 приведен уровень перенапряжений, выдерживаемый изоляцией электрических машин при выпуске с завода.

Таблица 1

Вид оборудования	Вид изоляции	Класс напряжения, кВ	U1мин,кВ	Uвыд1,кВ	Uиги,кВ	Uвыд2,кВ
Трансформаторы	Нормальная	6	25	42,7	60	59,4
		10	35	59,8	80	77,0
		35	85	145,5	200	181,5
	Облегченная	6	16	27,4	—	—
	Облегченная	0	24	41,0	—	—
Аппараты	Нормальная	6	32	49,6	57	56,1
		10	42	65,1	75	71,5
		35	75	116,2	185	165,0
	Облегченная	6	16	27,4	—	—
		6*	20*	34,2	40*	37,4
		10	24	41,0	—	—
		0*	28*	47,9	60*	55,0

* Значения по ГОСТ 1516.3-96 относятся к изоляции трансформаторов и аппаратов

Таблица 2

Мощность электрической машины, кВт	Номинальное напряжение, кВ	Испытательное напряжение, кВ	Допустимое напряжение, кВ
до 1000	6,0	13,0	18,4
	6,3	13,6	19,2
	10	21,0	29,7
	10,5	22,0	31,0
свыше 1000	6,0	15,0	21,2
	6,3	15,8	22,2
	10	23,0	32,5
	10,5	24,0	33,8

В процессе эксплуатации электрическая прочность изоляции снижается в соответствии с ее видом. В диапазоне длин фронтов от 5 до 0,2 мкс значение выдерживаемых перенапряжений снижается из-за неравномерного распределения напряжения вдоль обмотки.
Фактические перенапряжения на электрооборудовании сетей 6-35 кВ могут значительно превышать допустимые, если не предпринимать мер по их ограничению.
Рассмотрим причины возникновения и виды опасных перенапряжений в сетях 6-35 кВ.

Грозовые перенапряжения

Опасные грозовые воздействия на воздушных (ВЛ) и кабельных (КЛ) линиях, подстанционном и двигательном оборудовании возникают при ударах молнии непосредственно в провода и опоры линий, подстанции, распределительные устройства (РУ), а также при приходе по линиям электропередачи (ЛЭП) грозовых волн. Для РУ 6-35 кВ опасны перенапряжения, индуктированные на токоведущих частях при ударах молнии в землю или другие объекты вблизи ЛЭП и подстанций.
При ударе молнии в опору ВЛ без троса импульсное напряжение на изоляции состоит из суммы составляющих:

U_имп(t) = U_r(t) + U_ин.м(t) + U_ин.э(t),

где U_r(t) — составляющая, вызванная потерей напряжения на сопротивлении заземления опоры;
U_ин.м(t) — магнитная составляющая индуктированного напряжения, возникающая при протекании тока по опоре и каналу молнии; U_ин.э(t) — электрическая составляющая напряжения.
Импульсное напряжение при ударе молнии в опору определяется параметрами молнии, геометрическими параметрами опоры и величиной сопротивления заземления. Параметры импульса тока при грозовом разряде являются случайной величиной и зависят от скорости главного разряда и эквивалентного сопротивления канала молнии.
Грозовые импульсные напряжения в электрических сетях потребителя могут превышать указанные в таблице 3 значения за счет грозовых поражений самой сети, а также за счет отражения и преломления в ней грозовых импульсов.
В сетях 6-35 кВ в среднем за год возникает около 30 временных перенапряжений с параметрами, указанными в таблице 4.

Таблица 3

Тип оборудования	Точки на рис. 1	Номинальное напряжение сети, кВ
Тип оборудования	Точки на рис. 1	6	10	35
ВЛ	а, в	100	125	325
ВЛ	б	160/2000	190/2000	575/2000
КЛ	г	100	125	325
	е	34	48	140
	д, ж	—	—	—
Трансформатор	з, з',u	60	80	200

В числителе указано импульсное напряжение для ВЛ на металлических и железобетонных опорах, в знаменателе — на деревянных опорах.

Таблица 4

Длительность временного перенапряжения, с	до 1	до 20	до 60
Коэффициент временного перенапряжения,К_перU, о.е.	1,47	1,31	1,15

Режим нейтрали

Сети 6-35 кВ традиционно работают с изолированной нейтралью либо с компенсацией емкостного тока замыкания на землю. Дугогасящие аппараты для компенсации емкостного тока замыкания на землю устанавливаются, если его величина превышает определенные нормированные значения: 30 А для сети 6 кВ, 20 А для сети 10 кВ и 10 А для сети 35 кВ.
Сети с изолированной или компенсированной нейтралью могут длительно работать с однофазным замыканием на землю (ОЗЗ). Из-за старения оборудования существенно снижается уровень изоляции. Тогда наличие ОЗЗ в сети увеличивает риск многофазных повреждений.
Как показывают статистические исследования ВНИИЭ в сети 6(10) кВ «Московской кабельной сети», значительная часть ОЗЗ примерно через 1 секунду самоликвидируется или в течение первой минуты переходит в междуфазные или двойные замыкания на землю.
В сетях с малыми токами замыкания на землю (до 5 А) все чаще применяют заземление нейтрали через высокоомный резистор, сопротивление которого имеет величину порядка емкостного сопротивления сети. Резервирование питания потребителей, внедрение устройств автоматики, совершенствование технологических процессов потребителей снизили острую необходимость длительного сохранения в работе сети при наличии «земли». В связи с этим существенно расширяется область применения в сетях 6-35 кВ защиты от однофазных замыканий с действием на отключение и, кроме того, использование резистивного заземления нейтрали. В сетях с изолированной или компенсированной нейтралью возможны перенапряжения как тех же видов, что и в сетях с эффективно заземленной нейтралью (при включениях, при отключении емкостных токов, при отключении малых индуктивных токов и т.п.), так и специфических видов (при дуговых замыканиях на землю, при возникновении ряда резонансных и феррорезонансных схем и др.) [1].

Виды и максимальные значения внутренних перенапряжений в сетях 6-35 кВ
В сетях 6-35 кВ внутренние перенапряжения возникают при:

включении и отключении воздушных и кабельных линий;
отключении ненагруженных трансформаторов;
отключении двойного КЗ на землю;
отключении двухфазных КЗ;
неодновременном включении фаз при пуске электродвигателей;
включении электродвигателей при автоматическом вводе резерва (АВР)
или автоматическом повторном включении (АПВ);
отключении электродвигателей;
коммутации нагрузки вакуумными выключателями;
дуговых замыканиях на землю;
резонансных повышениях напряжения.

Результаты оценки максимальных уровней внутренних перенапряжений в сетях 6-35 кВ даны в таблице 5. Как следует из этой таблицы, максимальные уровни внутренних перенапряжений имеют место при коммутации нагрузки вакуумными выключателями (до 7,0 U_ф), а также при отключении электродвигателей и ненагруженных трансформаторов (до 6,0 U_ф).

Таблица 5

Режимы	Величина перенапряжения
1. Включение воздушных и кабельных линий	3,5 Uф
2. Отключение воздушных и кабельных линий	4,0-4,3 Uф
3. Отключение ненагруженных трансформаторов	5,0-6,0 Uф
4. Отключение двойного к.з. на землю	3,3 Uф
5. Отключение двухфазных к.з.	2,0-3,0 Uф
6. Неодновременное включение фаз при пуске электродвигателей	3,0-3,4 Uф
7. Включение электродвигателей при АВР или АПВ	4,2 Uф
8. Отключение электродвигателей	4,0-6,0 Uф
9. Коммутация нагрузки вакуумными выключателями	2,6-7,0 Uф
10. Дуговые замыкания на землю	2,3-3,20 Uф
11. Резонансные повышения напряжения	2,0 Uф

Усредненные значения коммутационных импульсных напряжений при их длительности 1000-5000 мкс приведены в табл. 6.

Таблица 6

Номинальное напряжение сети, кВ	6	10	35
Коммутационное импульсное напряжение, кВ	27	43	148

Сопоставление фактического и выдерживаемого уровней перенапряжений, воздействующих на изоляцию электрооборудования, позволяет говорить о необходимости ограничения величины грозовых и коммутационных перена-пряжений путем применения защитных аппаратов, устройств релейной защиты и сетевой автоматики.
Необходимого уровня ЭМС электрооборудования сетей 6-35 кВ можно достичь:

применением нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН), обеспечивающих защиту от грозовых и коммутационных перенапряжений;
увеличением электрической прочности изоляции воздушных линий путем замены неизолированных проводов на защищенные, применения полимерных изоляторов из кремнийорганической резины или увеличения числа изоляторов в гирлянде;
уменьшением сопротивления заземления;
повышением надежности и селективности действия защиты от ОЗЗ;
повышением кратности действия автоматического повторного включения (АПВ) на воздушных линиях.

Методы защиты от перенапряжений

ОПН целесообразно подключать на вводах, сборных шинах, отходящих присоединениях и непосредственно у электроприемников; схема соединения – «звезда» с выведенным на землю нулем. В случае если не ограничивается длительность ОЗЗ, для обеспечения термической стойкости ОПН наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение (U) следует принимать равным 7,2 кВ для класса U 6 кВ, 12 кВ для класса U 10 кВ и 40,5 кВ для класса U 35 кВ. Пропускная способность ОПН должна быть не менее 20 импульсов на волне 1,2/2,5 мс с амплитудой тока 300-500 А. Должна быть исключена возможность возникновения длительных резонансных и феррорезонансных перенапряжений в точке установки ОПН [2].
Для эффективной молниезащиты необходимо заземление с низким сопротивлением растеканию высокочастотного грозового импульса. В качестве таких устройств могут быть рекомендованы глубинные заземлители и заземлители типа Chemrod с короткими стержнями большого диаметра со специальным наполнителем.
Опыт эксплуатации ВЛ 6(10) кВ показал, что коэффициент успешности АПВ (К_у) в грозовой период составляет 30-40%. Низкое значение коэффициента К_у обусловлено малым временем бестоковой паузы (0,5-1,0 с). Поэтому с учетом времени деионизации пути междуфазного перекрытия целесообразно увеличить время бестоковой паузы до 5-7 с и увеличить кратность АПВ до 2 с паузой второго цикла 10-20 с, что легко реализуется при внедрении цифровых устройств защиты и сетевой автоматики.

1. Лысков Ю.Н., Демина О.Ю., Кузьмичева К.И. и др. Методические указания по применению ограничителей в электрических сетях 6-35 кВ. — М., 2001.
2. Евдокунин Г.А., Тилер Г. Современная вакуумная коммутационная техника для сетей среднего напряжения (технические преимущества и эксплуатационные характеристики). — СПб.: Изд. Сизова М.П., 2000.