"Новости Электротехники №5(41)" Применение ОПН в Сетях 110–220 кВ. Факторы риска

< Предыдущая ] [ Следующая >

Журнал №5(41) 2006

Применение ОПН в Сетях 110–220 кВ. Факторы риска – квазистационарные перенапряжения

Причиной выхода из строя подстанционного оборудования зачастую являются грозовые и коммутационные перенапряжения. Основными аппаратами для защиты изоляции в этом случае являются вентильные разрядники и нелинейные ограничители перенапряжений.
Отметим, что приказом РАО «ЕЭС России» № 120 от 01.07.1998 предписывалась замена вентильных разрядников на ОПН. В «Новостях ЭлектроТехники» (№ 6(30) 2004, www.news.elteh.ru) наши петербургские авторы рассказывали о проблемах, связанных с такой заменой. Сегодня Михаил Викторович Дмитриев останавливается на тех особенностях работы ограничителей перенапряжений, которые необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации электрических сетей.

Михаил Дмитриев, к.т.н., ЗАО «Завод энергозащитных устройств», г. Санкт-Петербург

Защитные свойства вентильных разрядников (РВ) и нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН) основаны на нелинейности вольтамперной характеристики их рабочих элементов, обеспечивающей заметное снижение сопротивления при повышенных напряжениях и возврат в исходное состояние после снижения напряжения до нормального рабочего. Низкая нелинейность вольтамперной характеристики рабочих элементов в разрядниках не позволяла обеспечить одновременно и достаточно глубокое ограничение перенапряжений, и малый ток проводимости при воздействии рабочего напряжения, от воздействия которого удалось отстроиться за счет введения последовательно с нелинейным элементом искровых промежутков.

Рис. 1. Фотография варистора, поврежденного вследствие прожога

Значительно большая нелинейность окисно-цинковых сопротивлений (варисторов) ОПН позволила отказаться от использования в их конструкции искровых промежутков, т.е. нелинейные элементы ОПН присоединены к сети в течение всего срока его службы. Это привело к тому, что современные ОПН, в отличие от разрядников, оказались весьма чувствительными к так называемым квазистационарным перенапряжениям, которые могут приводить к перегреву варисторов и их последующему прожогу (рис.1). Квазистационарные перенапряжения (от нескольких секунд до десятков минут) могут возникать из-за различных причин, которые рассмотрены далее, но, как правило, являются следствием изменения схемы сети (плановые и аварийные коммутации трансформаторов или воздушных линий).
В случае разгерметизации ОПН (проникновения влаги) характер повреждения варисторов несколько иной: происходит перекрытие столба варисторов по поверхности, как правило, под рабочим напряжением, т.е. без предшествующего изменения схемы и режима сети.
В настоящее время в России существует целый ряд фирм, производящих ОПН. Накопленный опыт и новейшие конструкторские решения позволили ведущим из них практически исключить брак при изготовлении ОПН, а также возможность разгерметизации ОПН в эксплуатации. Однако, несмотря на высокий уровень производства, опыт эксплуатации сетей 110–220 кВ свидетельствует о случающихся повреждениях ОПН. Учитывая это, важно обратить внимание проектных и эксплуатирующих организаций на то, что повреждения ОПН 110–220 кВ в большинстве случаев происходят не по вине производителя ОПН, а из-за имеющих место в сетях квазистационарных перенапряжений.

ВЫБОР НАИБОЛЬШЕГО РАБОЧЕГО НАПРЯЖЕНИЯ

Квазистационарные перенапряжения могут наблюдаться как на промышленной частоте, так и на высших и низших гармониках. Способность ОПН выдерживать повышенное напряжение промышленной частоты определяется его характеристикой «напряжение–время», пример которой приведен в табл.1.

Таблица 1. Характеристика «напряжение–время» ОПН для сетей 110 и 220 кВ

В относительных единицах U_НРО характеристики «напряжение–время» ОПН у различных фирм близки друг другу, как и вольтамперные характеристики. Поэтому параметром, определяющим многие свойства ОПН, является его наибольшее рабочее напряжение U_НРО. При выборе ОПН значение U_НРО снизу ограничено требованиями надежной работы ОПН при воздействии на него рабочего напряжения и квазистационарных перенапряжений, а сверху – требованиями защиты оборудования от грозовых и коммутационных перенапряжений.
Наибольшее рабочее напряжение ОПН, обеспечивающее его безаварийную работу при воздействии рабочего напряжения, необходимо выбирать из условия:

U_НРО U_НР, (1)

где U_НР – наибольшее рабочее напряжение сети (фазное значение).
Пусть в сети в течение времени T существуют квазистационарные перенапряжения кратности КП, т.е. на установленные в сети ОПН воздействует напряжение К_П·U_НР. Тогда наибольшее рабочее напряжение ОПН, обеспечивающее его безаварийную работу при квазистационарных перенапряжениях, необходимо выбирать из условия:

. (2)

Как видно, для верного выбора U_НРО, по крайней мере, необходимо знать возможные кратности квазистационарных перенапряжений К_П в месте предполагаемой установки ОПН в сети и длительность их существования Т.
Согласно [1] сети 110–220 кВ должны выполняться с эффективно заземленной нейтралью. В таких сетях К_П

1,4. Время существования перенапряжений считается равным времени действия основной (или резервной) релейной защиты и принимается не более нескольких секунд. Тогда на основе данных табл.1 с использованием (2) и с учетом прочих факторов (поправка на неравномерность распределения напряжения вдоль ОПН, учет возможности существования в сетевом напряжении высших гармоник), как правило, принимают:

U_НРО = (1,0 ÷ 1,05)U_НР. (3)

Условие выбора ОПН (3) принято типовым в проектных организациях и используется без тщательного анализа конкретной схемно-режимной ситуации, в которую попадает ОПН. Вместе с тем специфика электрических сетей стран бывшего СССР такова, что:

эксплуатируется большое число двухтрансформаторых подстанций; нейтраль одного из трансформаторов, как правило, разземлена; выключатели на стороне 110–220 кВ трансформаторов в большинстве случаев отсутствуют;
такие подстанции (тупиковые, отпаечные, транзитные) в ряде случаев питаются по длинным ВЛ 110–220 кВ, т.е. электрически удалены от центров питания, напряжение на шинах которых «неизменно».

Учитывая это, а также опыт эксплуатации ОПН и результаты расчетов перенапряжений, можно утверждать, что выполнение условия (3) не гарантирует надежную работу ОПН 110–220 кВ в случае возникновения в сети квазистационарных перенапряжений, так как:

при аварийных отключениях ВЛ или силовых трансформаторов (отключение трансформатора с заземленной нейтралью) в сетях 110–220 кВ могут выделяться участки сети с изолированной нейтралью, что является нарушением требований ПУЭ; время существования таких режимов определяется тем, как быстро обслуживающий персонал заземлит нейтраль трансформатора, т.е. может составлять десятки минут;
в ряде случаев в сетях 110–220 кВ производятся коммутации ВЛ 110–220 кВ в блоке с силовыми трансформаторами 110–220 кВ, не имеющими выключателей на стороне высшего напряжения; это может вызывать так называемый переходный феррорезонанс, сопровождаемый квазистационарными перенапряжениями значительной кратности и длительности существования.

Для обеспечения надежной работы ОПН 110–220 кВ рекомендуется принятие мер по снижению квазистационарных перенапряжений.

КОРОТКИЕ ЗАМЫКАНИЯ В СЕТИ

По известным для данной точки сети величинам токов однофазного и трехфазного КЗ можно определить число, которое существенно при пренебрежении емкостными проводимостями и активными сопротивлениями сети:

(4)

Для случая однофазного КЗ, составляющего основную долю в общем числе КЗ, кратность напряжения на неповрежденной фазе согласно [2] будет:

(5)

Как правило, токи однофазных и трехфазных КЗ в сетях 110–220 кВ отличаются друг от друга несущественно. Из (4) m 1, что по (5) обеспечивает КП 1,0, т.е. заметных повышений напряжения при однофазных КЗ не бывает (также и при других видах КЗ). Однако после отключения поврежденного элемента может временно выделяться участок сети с изолированной нейтралью, что при неблагоприятных стечениях обстоятельств вызовет опасные квазистационарные перенапряжения, например, в схемах электроснабжения железных дорог [3].

Рис. 2. Схема двухпутного участка железной дороги однофазного тока промышленной частоты при его двухстороннем питании (не показаны линии электропередачи, питающие тяговые подстанции, а также некоторые элементы ТПС и тяговой сети)

ТЯГОВЫЕ ПОДСТАНЦИИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 27,5 КВ

Электрифицированные железные дороги (ЭЖД) являются одним из крупнейших потребителей электроэнергии и заслуживают соответствующего внимания. Электроснабжение электрифицированных железных дорог осуществляется через тяговые подстанции (ТПС). Состав и устройство ТПС зависят от системы (по роду тока и напряжения) электрической тяги, применяемой на железной дороге. К настоящему времени наибольшее распространение получила система однофазного тока промышленной частоты 50 Гц [4]. От ТПС (рис. 2) через тяговую сеть, включающую в себя контактную сеть (КС), рельсовый путь (РП), питающие и отсасывающие линии (фидеры) и ряд других устройств и линий, запитывается электроподвижной состав (ЭПС).
ЭЖД согласно [4] относятся к электроприемникам первой категории по надежности электроснабжения в соответствии с классификацией ПУЭ. Поэтому для них предусмотрено питание от двух независимых взаиморезервирующих источников электроэнергии, которыми могут являться две различные подстанции высоковольтных электрических сетей. Питание обычно осуществляется от сетей классов напряжения 110–220 кВ по одноцепным ВЛ, которые заводятся непосредственно на ТПС.
Нагрузка ТПС является двухфазной (рис. 2): один фазный вывод трансформатора на стороне 27,5 кВ (здесь – фаза с) присоединяется к рельсовому пути (по сути, заземляется), другие две фазы (a и b) через выключатели присоединяются к контактным проводам. Таким образом, ЭПС запитывается снимаемыми с трансформатора линейными напряжениями U_ac и U_bc.
Достаточно часто на стороне 110–220 кВ силовых трансформаторов ТПС отсутствуют выключатели, вместо которых установлены комплекты «короткозамыкатель–отделитель», а нейтрали трансформаторов ТПС разземлены. В случае возникновения КЗ на питающей ВЛ 110–220 кВ эта ВЛ отключается от сети 110–220 кВ выключателем головной ПС, но остается присоединенной к силовому трансформатору ТПС. Тогда напряжение из контактной сети, питаемой по условиям обеспечения надежного электроснабжения ЭПС от второй тяговой подстанции, за счет так называемой «обратной трансформации» может передаваться на отключенную ВЛ 110–220 кВ и вызывать квазистационарные перенапряжения на изоляции присоединенного к ней оборудования с кратностью вплоть до КП = 3,5, т.е., в частности, приводить к повреждению ОПН, установленных у обмоток 110–220 кВ силового трансформатора ТПС.
Для исключения повреждений ОПН 110–220 кВ в схемах питания ТПС 27,5 кВ согласно [3] рекомендуется:

по возможности заземлять нейтрали силовых трансформаторов;
устанавливать на ТПС ОПН с повышенным наибольшим рабочим напряжением и удельной поглощаемой энергией (w_УД 6 кДж/кВ);
при КЗ на питающей ВЛ 110–220 кВ отключать рабочий трансформатор ТПС от тяговой сети 27,5 кВ (например, выключателем на стороне 27,5 кВ) до выделения изолированного участка питающей сети, состоящего из ВЛ 110–220 кВ и трансформатора ТПС.

БЛОЧНЫЕ СХЕМЫ

Одной их схем, в которых возможно возникновение опасных для ОПН квазистационарных перенапряжений, является так называемая блочная (полублочная) схема [5]. На рис. 3 приведена схема блочной передачи 110 кВ, в которой ВЛ 110 кВ может коммутироваться в блоке с силовым трансформатором 110/10 кВ («звезда–треугольник–11») выключателями 110 кВ. Подобная схема достаточно распространена при питании тупиковых и отпаечных подстанций 110 (220) кВ.
В эксплуатации перед плановыми коммутациями блока ВЛ-Т рекомендуется предварительно заземлять нейтраль трансформатора, присоединенного к ВЛ. Однако большое число аварийных ситуаций возникает при коммутациях ВЛ 110 (220) кВ без соответствующей подготовки схемы, т.е. когда нейтраль трансформатора на момент коммутации оказывается разземленной.
Условимся питаемый со стороны 110 кВ блок ВЛ-Т, в котором трансформатор 110/10 кВ ненагружен, называть холостым. В случае неполнофазного включения блока ВЛ-Т на сеть 110 кВ упрощенная расчетная схема для определения напряжения на отключенных фазах приведена на рис. 4, а, б. Феррорезонансные перенапряжения в этих схемах возникают в том случае, когда под воздействием напряжения ЕЭКВ окажется цепочка, в которой последовательно соединены емкость и нелинейная индуктивность. Подобная цепочка образуется из СЭКВ и LM в схеме рис. 4, а, в которой высока вероятность возникновения опасных феррорезонансных перенапряжений на отключенных фазах. В схеме рис. 4, б параллельно емкости СЭКВ включена индуктивность LT, и их суммарное сопротивление носит индуктивный характер в широком диапазоне частот, что исключает в схеме рис.4,б феррорезонансные перенапряжения.
В подтверждение вероятности возникновения феррорезонансных перенапряжений на невключенных фазах блока ВЛ-Т (в случае, когда нейтраль силового трансформатора разземлена) на рис. 5, 6 приведены расчетные осциллограммы, полученные в полной трехфазной схеме для ВЛ 110 кВ длиной 30 км и мощности трансформатора 110/10 кВ, составляющей 40 МВА.
Проведенные исследования показывают, что при неполнофазных режимах питания блока ВЛ-Т с разземленной нейтралью опасные феррорезонансные перенапряжения на отключенных фазах могут возникать в широком диапазоне длин ВЛ и мощностей силовых трансформаторов. Однако на возможность возникновения феррорезонанса и кратности перенапряжений при нем существенное влияние оказывает нагрузка трансформатора: уже при активной нагрузке трансформатора, соответствующей 10% его номинальной мощности, феррорезонансные перенапряжения не возникают.
У силовых трансформаторов в блочной передаче ВЛ-Т установлены защитные аппараты (разрядники или ОПН), предназначенные для ограничения грозовых перенапряжений. После замены вентильных разрядников на ОПН феррорезонансные перенапряжения в случае их возникновения будут воздействовать на ОПН отключенных фаз. Расчеты процессов в случае ненагруженного трансформатора показывают, что, например, за 1 секунду неполнофазного режима, рассмотренного на рис. 5, в ОПН выделится энергия 400 кДж, а в условиях рис. 6 – 700 кДж, т.е. около 5,2 и 9,0 кДж/кВ соответственно (приведено к U_НРО = 77 кВ).

Выполненный анализ позволил сделать ряд обобщающих выводов:
1. В блочных передачах вида рис. 3 возможно возникновение опасных феррорезонансных перенапряжений при одновременном стечении следующих обстоятельств:

нейтраль трансформатора разземлена;
активная нагрузка трансформатора менее 10% его номинальной мощности;
имеет место неполнофазный режим включения блока.

2. В случае возникновения феррорезонансных перенапряжений существенным нагрузкам и риску повреждения подвергаются ОПН, установленные у трансформатора. Для снижения риска повреждения ОПН рекомендуется выбирать ОПН с повышенным рабочим напряжением и удельной энергоемкостью.
3. Для снижения вероятности возникновения феррорезонансных перенапряжений и снижения риска повреждения ОПН рекомендуется:

заземлять нейтраль трансформатора перед осуществлением плановых коммутаций по включению и отключению блока;
оснастить блочную передачу защитами от неполнофазных режимов.

4. Для исключения возможности возникновения феррорезонансных перенапряжений проектным организациям рекомендуется не применять блочные передачи вида рис. 3, а устанавливать выключатель на стороне ВН трансформатора, что соответствует мировой практике.

Рис. 3. Схема блочной передачи 110 кВ

Рис. 4. Эквивалентная схема для расчета напряжения на отключенных фазах

а) нейтраль силового трансформатора разземлена

б) нейтраль силового трансформатора заземлена

E_ЭКВ – эквивалентная эдс, обусловленная действием подключенных к сети 110 кВ фаз блока ВЛ-Т;
С_ЭКВ – эквивалентная емкость между отключенными и подключенными к сети 110 кВ фазами ВЛ;
L_T – эквивалентная индуктивность трансформатора, определяемая его индуктивностью рассеяния;
L_M – нелинейный шунт намагничивания, определяемый на основе нелинейных свойств стали трансформатора;
C₀ – собственная емкость фазы ВЛ 110 кВ.

Рис. 5. Напряжение фаз ВЛ 110 кВ при отключении холостого блока ВЛ-Т от сети 110 кВ в случае, когда фаза А не отключилась (нейтраль изолирована)

Рис. 6. Напряжение фаз ВЛ 110 кВ при включении холостого блока ВЛ-Т от сети 110 кВ в случае, когда включились только фазы В и С (нейтраль изолирована)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ряде случаев ОПН 110–220 кВ выходят из строя вследствие теплового пробоя, сопровождающегося прожогом варисторов, который возникает из-за нерасчетных квазистационарных перенапряжений, т.е. по независящим от производителя ОПН причинам. Учитывая это, проектным и эксплуатирующим организациям при замене вентильных разрядников на ОПН рекомендуется обращать внимание на возможность возникновения квазистационарных перенапряжений в местах установки ОПН и принимать следующие меры по их снижению:
Для вновь строящихся подстанций отказаться от применения блочных схем, т.е. схем без выключателей на стороне высшего напряжения трансформаторов 110–220 кВ.
На уже введенных в действие и эксплуатирующихся подстанциях заменить у трансформаторов 110–220 кВ комплекты «короткозамыкатель-отделитель» на выключатели.
По возможности (там, где это допустимо по условиям работы релейной защиты) заземлять нейтрали силовых трансформаторов 110–220 кВ.
В сетях, содержащих трансформаторы 110–220 кВ с разземленной нейтралью:

устанавливать ОПН 110–220 кВ, наибольшее рабочее напряжение которых, по крайней мере, на 10% выше, чем наибольшее рабочее напряжение сети;
обращать особое внимание на возможность выделения участка сети с изолированной нейтралью (особенно в схемах электроснабжения тяговых подстанций); для исключения возможности длительного существования в сети такого участка рекомендуется, в частности, вместо ручного заземления нейтрали персоналом обеспечить автоматическое заземление нейтрали выключателем или разъединителем с автоматическим приводом.

Вывести на щит оперативного пульта управления индикацию не только линейного напряжения сети (сборных шин, ВЛ), но и напряжения всех трех фаз относительно земли, так как в эксплуатации ОПН находится под воздействием фазного напряжения, которое с учетом возможной несимметрии сети (естественной или аварийной) не может быть определено через линейное напряжение.

ЛИТЕРАТУРА

1. Правила устройства электроустановок. – 7-е изд. – М., 2004.
2. Евдокунин Г.А. Электрические системы и сети. – СПб.: Издательство Сизова М.П., 2004.
3. Афанасьев А.И., Евдокунин Г.А., Дмитриев М.В. Обеспечение электромагнитной совместимости на тяговых подстанциях переменного тока // Сборник докладов научно-технической конференции «Электромагнитная совместимость, выбор, размещение и эксплуатация нелинейных ограничителей перенапряжений в электрических сетях 0,4–500 кВ ГЭС и ГАЭС», 19–23 июня 2006.
4. Справочник по электроснабжению железных дорог: В 2 т. / Ю.Н. Макас, В.М. Эрлих, П.М. Шилкин, Б.Е. Геронимус, И.Б. Мостинский и др.; Под ред. К.Г. Марквардта. – М.: Транспорт, 1980–1981.
5. РД 153-34.3-35.125-99. Руководство по защите электрических сетей 6–1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений / Под научной редакцией Н.Н. Тиходеева. – 2-е изд. – СПб: ПЭИПК Минтопэнерго РФ, 1999.