"Новости Электротехники №5(23)" Защита трансформаторов напряжения в сетях 3-35 кВ

< Предыдущая ] [ Следующая >

Журнал №5(23) 2003

Защита трансформаторов напряжения в сетях 3-35 кВ. Необходимо изменить режим заземления нейтрали

В электрических сетях 3-35 кВ с изолированной нейтралью или нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор, постоянно происходят процессы, которые отрицательно отражаются на работе заземляемых электромагнитных трансформаторов напряжения (ТН) вне зависимости от вида их изоляции.
По этой причине по данным [1] средний срок службы ТН типов НТМИ-6, НТМИ-10, ЗНОМ-20, ЗНОМ-35 часто не превышает 3-5 лет. Не лучше обстоят дела и с ТН с литой изоляцией. Особенно высокая повреждаемость ТН фиксируется в сетях 35 кВ [2].
К процессам, отрицательно влияющим на работу электрооборудования, относятся:

феррорезонансные перенапряжения;
коммутационные перенапряжения;
переходные процессы;
смещения нейтрали;
наличие постоянной составляющей магнитного потока в ТН при автоколебательных процессах в сети.

Причинами, вызывающими эти процессы, являются:

неблагоприятное сочетание ёмкости электрической сети по отношению к земле и нелинейной индуктивности ТН;
короткие замыкания;
дуговые замыкания на землю;
неполнофазная коммутация;
коммутация ненагруженных трансформаторов;
обрывы проводов.

Два примера повреждения ТН
Останавливаться на физической сущности перечисленных выше процессов не следует, поскольку они подробно описаны во многих публикациях. Целесообразно привести два наиболее характерных примера повреждения ТН с литой изоляцией производства ОАО «Свердловский завод трансформаторов тока» (ОАО «СЗТТ»).
1984 год. Завод промышленных тракторов, г. Чебоксары. На предприятии две подстанции 10 кВ, питающие литейное производство. На обеих подстанциях применены заземляемые ТН производства ОАО «СЗТТ». На одной подстанции применена электромашинная компенсация реактивной мощности, а на другой – ёмкостная. На первой подстанции трансформаторы напряжения эксплуатировались благополучно в течение длительного периода, на второй – вышли из строя при пуске подстанции в эксплуатацию. В порядке эксперимента службой главного энергетика завода с первой подстанции были сняты ТН и установлены на второй вместо поврежденных. Сразу после включения они стали перегреваться. Этот пример свидетельствует о необходимости применения специальных мер по рассогласованию параметров сети и ТН при емкостной компенсации реактивной мощности.
Другой пример. 2001 год. ОАО «Уралмашзавод», г. Екатеринбург, Свердловская ТЭЦ, подстанция «Литейная» – ЗРУ-35 кВ и литейный цех – РУ-35 кВ. Зафиксированы массовые выходы из строя заземляемых электромагнитных ТН 35 кВ практически сразу после первых включений ненагруженного силового трансформатора ЭТЦН-32000/35 вакуумными выключателями.
Однолинейная принципиальная электрическая схема питания трансформатора ЭТЦН-32000/35 приведена на рис. 1. На рис. 2 приведена принципиальная электрическая схема RC-цепочки, примененной в схеме для защиты силового трансформатора ЭТЦН-32000/35, питающего литейную установку «печь-ковш». Проведенное сравнение параметров сети и заземляемых ТН ЗНОЛЭ-35 и ЗНОЛ-35, оценка режимов работы сети, после которых ТН выходили из строя, свидетельствуют о наличии значительных перенапряжений, поскольку:

индуктивное сопротивление насыщения ТН и емкостное сопротивление сети относительно земли одного порядка – ХLms 13000 Ом; Xс 9000 Ом (при расчетах не учитывались параметры остального электрооборудования), что является предпосылкой феррорезонансных перенапряжений;
включение и отключение трансформатора ЭТЦН-32000/35 производилось на холостом ходу вакуумными выключателями, что вызывает значительные коммутационные перенапряжения [3, 4].

Рис. 1

Принципиальная схема и характеристики элементов схемы электроснабжения установки «печь-ковш»

Рис. 2

Принципиальная электрическая схема RC-цепочки трансформатора ЭТцН-32000/35

Бороться необходимо с причиной
Существуют различные схемные решения по подавлению отрицательных процессов в электрических сетях 3-35 кВ. Например:

заземление нейтрали обмоток высокого напряжения ТН через резисторы различных значений сопротивлений – от низкоомных до высокоомных;
включение резисторов в разомкнутый треугольник обмоток ТН, предназначенных для контроля изоляции сети;
включение высокоомных резисторов между питающей сетью и обмотками высокого напряжения ТН;
применение антирезонансных ТН типа НАМИ;
другие технические решения, например, замена в НАМИ заземляемой электромагнитной фазы емкостным делителем;
применение электромагнитных ТН с ненасыщаемой магнитной системой;
заземление нейтрали заземляемых ТН через первичную обмотку незаземляемого ТН;
заземление нейтрали ТН через первичную обмотку трансформаторов тока (ТТ) с подключенным ко вторичной обмотке ТТ низкоомным резистором.

Специалистами также предлагается отказ от применения электромагнитных ТН и использование других принципов контроля несимметрии сети [5]. Нетрадиционный принцип контроля несимметрии приведен в [1], но с применением электромагнитных ТН без обмоток контроля несимметрии. При этом контроль осуществляется с помощью трехфазного резисторного делителя напряжения, подключенного к выводам первичных обмоток ТН. Однако перечисленные выше меры не дают должного эффекта, поскольку являются борьбой со следствием, а не с причиной. При применении этих решений, как правило, ухудшаются метрологические характеристики ТН. Согласно [6] применение ТН типа НАМИ полностью не решает проблему, поскольку:

переходные процессы в сети с изолированной нейтралью, содержащей трансформаторы НАМИ-10, могут приводить к глубокому насыщению сердечника фазного ТН;
наиболее тяжелым режимом для НАМИ при дуговых замыканиях является режим однополярной дуги, когда зажигание дуги происходит один раз в период промышленной частоты;
причинами повреждения трансформаторов НАМИ-10 при длительных дуговых замыканиях в сети с изолированной нейтралью из-за нагрева первичной обмотки фазного трансформатора могут быть:
- разные напряжения зажигания дуги в положительную и отрицательную полуволну приложенного напряжения,
- возникновение режима горения дуги с гашением ее на втором периоде вынужденной составляющей тока замыкания на землю в сети с токами замыкания 5 А и более.

Метрология и ТН
Наиболее характерным примером ухудшения метрологических характеристик ТН является включение высокоомных резисторов между питающей сетью и первичными обмотками ТН. При ознакомлении с информацией, касающейся феррорезонансных перенапряжений, на сайте «Конкурса русских инноваций» была обнаружена схема защиты заземляемых ТН на 35 кВ от феррорезонансных перенапряжений, применяемая в сетях 35 кВ СЭС АО «Колэнерго». В этой схеме для подавления феррорезонанса применяются высокоомные резисторы (15-45 кОм), включаемые между фазой сети и высоковольтным выводом ТН. Такие схемы по полученной информации на подстанциях АО «Колэнерго» применяются с мая 1996 г.
Предлагаемая схема приемлема с точки зрения защиты ТН от феррорезонанса, но совершенно неприемлема с точки зрения обеспечения требуемых от ТН метрологических характеристик для целей измерения и учета. Погрешности трансформаторов напряжения при такой схеме резко возрастают и трансформатор из класса точности 0,5 при номинальной мощности, соответствующей этому классу точности, переходит в класс точности 1 при сопротивлении резистора 15 кОм и в класс точности 3 при сопротивлении резистора 45 кОм, что недопустимо. Это подтверждено экспериментальными исследованиями, проведенными в ОАО «СЗТТ» и ХК «Московский электрозавод».
При указанной схеме включения ТН и резисторов погрешности ТН становятся более отрицательными, что приводит к значительному (до 1,5%) искажению показаний измерительных приборов, в т.ч. к недоучету электрической энергии. Каков недоучет электрической энергии в АО «Кол-энерго» за период с мая 1996 года по настоящее время, можно только предполагать. На рис. 3 приведена схема защиты ТН 35 кВ, применяемая в АО «Колэнерго», а в таблице 1 – результаты исследований ТН 35 кВ, включенных по такой схеме.Приведенные результаты свидетельствуют о недопустимости с точки зрения метрологии такой защиты ТН.

Рис. 3

Схема защиты ТН 35 кВ от феррорезонансных перенапряжений, применяемая в АО «Колэнерго»

НЕ ВСЕ ПРЕДОХРАНИТЕЛИ МОГУТ ЗАЩИТИТЬ ТН
Поскольку заземляемые электромагнитные ТН обладают достаточно высокой нелинейной индуктивностью (от нескольких единиц генри для ТН 6 и 10 кВ до нескольких десятков генри для ТН 35 кВ) [7], негативные процессы в электрических сетях в первую очередь отражаются на работе этих ТН. Одной из основных причин высокой повреждаемости ТН, если не самой главной причиной, является полное отсутствие защиты ТН на выводах первичных обмоток. Применяемые для целей защиты ТН предохранители типов ПКН 001 и ПКТ непригодны, поскольку токи срабатывания этих предохранителей значительно превышают предельно-допустимые длительные токи первичных обмоток ТН. Предохранители сгорают только после повреждения ТН [2], поскольку предельно-допустимые длительные токи ТН составляют десятки миллиампер, в то время как сверхтоки, протекающие по первичной обмотке ТН при перенапряжениях, создают плотности тока недопустимых значений – до нескольких десятков ампер на квадратный миллиметр. В таблице 2 приведены предельно-допустимые длительные токи в первичных обмотках ТН на 3-35 кВ. На рисунках 4 и 5 приведены для примера ампер-секундные характеристики предохранителей ПКН 001 на 10 и 35 кВ. Эти характеристики подтверждают недопустимость применения таких предохранителей для защиты ТН. Что же необходимо сделать для снижения до минимума повреждаемости ТН?

Таблица 1. Результаты метрологических исследований ТН 35 кВ с высокоомными резисторами, включенными между сетью и первичными обмотками ТН

Погрешность	Значение сопротивления резистора, включенного на высоковольтный вывод заземляемого ТН, кОм			Норма по ГОСТ 1983-2001
Погрешность	0	15	45	Норма по ГОСТ 1983-2001
напряжения, %	-0,283	-0,802	-1,78	± 0,5
угловая	+9,2'	+22'	+48'	± 20'

Таблица 2. Предельно-допустимые длительные токи ТН 3-35 кВ

Класс напряжения, кВ	Предельно-допустимый длительный ток в первичных обмотках ТН, А
3	0,144
6	0,115
10	0,109
35	0,049

Прежде всего создать высоковольтную защиту ТН с токами срабатывания не более 0,5-0,7 А и временем срабатывания не более 20-30 с. В ОАО «СЗТТ» освоено промышленное производство заземляемых электромагнитных ТН на 6 и 10 кВ (ЗНОЛП-6 и ЗНОЛП-10) со встроенным защитным предохранительным устройством.На рисунке 6 приведена ампер-секундная характеристика такого устройства. По существу, это устройство является высоковольтным минивыключателем.После срабатывания устройства требуется только его перезарядка с заменой плавкой вставки. Проведение других операций (чистка полости патрона и т.п.) не требуется.
В настоящее время в ОАО «СЗТТ» проводятся квалификационные испытания незаземляемых ТН на 6 и 10 кВ (НОЛП-6 и НОЛП-10) со встроенными защитными предохранительными устройствами.
Но эти защитные устройства предназначены для ТН внутренней установки. С созданием аналогичных устройств для наружной установки возможны затруднения, поскольку необходимо будет решать проблему исключения влияния увлажнения на работу этих устройств.

Рис. 4

Ампер-секундная характеристика предохранителя типа ПКН 001 на 10 кВ

Рис. 5

Ампер-секундная характеристика предохранителя типа ПКН 001 на 35 кВ

Рис. 6

Ампер-секундная характеристика встроенного защитного предохранительного устройства трансформаторов ЗНОЛП-6 и ЗНОЛП-10

Требуется резистивное заземление нейтрали!
Для исключения в электрических сетях 3-35 кВ негативных процессов должен быть пересмотрен подход к нейтрали этих сетей в части её заземления. В мировой практике широко применяется резистивное заземление нейтрали в сетях среднего напряжения, что повышает надежность работы электрических сетей, в том числе и заземляемых трансформаторов напряжения. Российские и украинские специалисты также приходят к выводу о необходимости резистивного заземления нейтрали [8], [9], [10] и [11]. Необходимо осуществить переход на резистивное заземление в сетях 3-35 кВ на практике, что позволит до минимума сократить повреждаемость ТН. Конечно, это потребует определенных материальных затрат, но, считаю, они окупятся за довольно небольшой срок.

Выводы
1. Электромагнитные ТН – наиболее высокоиндуктивные элементы в электрических сетях.
2. Негативные процессы, происходящие в электрических сетях, отрицательно отражаются на работе электромагнитных ТН в связи с их высокой индуктивностью.
3. Назначение ТН – метрологическое обеспечение электрических сетей, а не подавление негативных процессов в них.
4. Защита ТН в электрических сетях отсутствует. Предохранители типов ПКН 001 и ПКТ для защиты ТН непригодны.
5. Необходимо разработать и освоить производство высоковольтных защитных устройств для ТН с токами срабатывания не более 0,5-0,7 А и временем срабатывания не более 20-30 с.
6. С 1 января 2003 года введены в действие ПУЭ 7-го изд. [12], п.1.2.16 которых разрешает применение резистивного заземления нейтрали в электрических сетях 3-35 кВ. Необходимо осуществить резистивное заземление нейтрали в этих сетях на практике.

Список литературы
1. Нагорный П.Д., Назаров В.В. Измерительные трансформаторы напряжения и контроль изоляции в сетях 6-35 кВ // Промышленная энергетика. – 2002, № 3. – С. 22-23.
2. Шаргородский В.Л. Автоколебательный процесс – причина повреждения трансформаторов напряжения // Электрические станции. – 1963, № 5. – С. 59-64.
3. Александров Г.Н. Теория применения ОПН для ограничения перенапряжений // Новости электротехники. – 2001, № 6. – С. 14-15.
4. Абрамович Б., Кабанов С., Сергеев А., Полищук В. Перенапряжения и электромагнитная совместимость оборудования электрических сетей 6-35 кВ // Новости электротехники. – 2002, № 5. – С. 22-24.
5. Лисицын Н.В. Аварийные режимы в сетях с изолированной нейтралью и способ контроля изоляции // Электрические станции. – 1996, № 1. – С. 42-48.
6. Богдан А.В., Калмыков В.В., Сафарбаков А.А. Переходные процессы в электрической сети 10 кВ с трансформаторами НАМИ-10 // Электрические станции. – 1993, № 10. – С. 46-49.
7. Виштибеев А.В., Кадомская К.П., Хныков В.А. Повышение надежности электрических сетей установкой трансформаторов напряжения типа НАМИ. // Электрические станции. – 2002, № 3. – С. 47-51.
8. Назаров В.В. О режимах нейтрали в сетях 6-35 кВ // Промышленная энергетика. – 1993, № 6. – С. 33-36.
9. Евдокунин Г.А., Гудилин С.В., Корепанов А.А. Выбор способа заземления нейтрали в сетях 6-10 кВ // Электричество. – 1998, № 12. – С. 8-22.
10. Шабад М.А. Обзор режимов заземления нейтрали и защиты от замыканий на землю в сетях 6-35 кВ России // Энергетик. – 1999, № 3.
11. Стогний Б.С., Масляник В.В., Назаров В.В., Нагорный П.Д., Демченко Н.А., Жереб А.А. О необходимости изменений режимов нейтрали в сетях 3-35 кВ // Энергетика и электрификация. – 2001, № 4. – С. 27-29.
12. Правила устройства электроустановок. 7-е изд.