 |
ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ В СЕТЯХ
СРЕДНЕГО И ВЫСОКОГО
НАПРЯЖЕНИЯ
Проблемы внедрения
нового силового оборудования
Анализ технологических нарушений в электрических сетях среднего и высокого напряжения различного исполнения и назначения, происходящих
в последнее время, показывает, что зачастую они, как ни парадоксально,
связаны с использованием нового силового электрооборудования.
Кира Пантелеймоновна Кадомская пытается разобраться в сложившейся
ситуации.
Кира Кадомская,
д.т.н. профессор, ГОУ ВПО
«Новосибирский государственный
технический университет»
В настоящее время в электрических сетях широко внедряются кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ-
изоляцией), вакуумные (ВВ) и элегазовые выключатели (ЭГВ).
Иными словами, изоляционную среду в виде масла и бумаги в
кабелях среднего (СН) и высокого напряжения (ВН) заменяет
полиэтилен, а масло и воздух (изоляционные и дугогасящие
среды) в выключателях СН заменяют вакуум и элегаз (SF6),
в выключателях ВН – элегаз.
Новое электрооборудование имеет целый ряд преимуществ
перед оборудованием, долгое время находившимся в эксплуатации (маслонаполненные кабели и кабели с бумажно-масляной
изоляцией, баковые масляные, маломасляные и воздушные
выключатели). К таким преимуществам, например, относятся
пожаробезопасность и удобство прокладки кабелей со СПЭ-
изоляцией, их большая пропускная способность, высокая коммутационная способность ВВ и ЭГВ. Однако в электрических
сетях, в которых это новое электрооборудование используется
совместно с традиционным оборудованием, может возрасти
интенсивность технологических нарушений.
Отключение трансформаторов собственных нужд от шин
РУ СН вакуумным выключателем
Процессы при отключении нагруженного трансформатора ВВ близки к процессам при отключении заторможенных
электродвигателей, которые достаточно хорошо изучены.
В [1] приведены опытные осциллограммы процессов, возникающих при отключении ВВ заторможенного двигателя (рис. 1).
На рис. 2 приведены компьютерные осциллограммы процессов, возникающих при отключении нагруженного трансформатора собственных нужд (ТСН) от шин 10 кВ ГЭС.
Из рис. 2 видно, что отключение ТСН ВВ сопровождается
несколькими повторными зажиганиями дуги в вакуумной дугогасительной камере (ВДК), что приводит к высоким градиентным перенапряжениям на обмотке ВН отключаемого ТСН. Для
обеспечения надежной эксплуатации ТСН при коммутациях
необходимо, чтобы начальная скорость восстановления электрической прочности между контактами в ВДК обеспечивала
отсутствие повторных зажиганий дуги. В рассматриваемом
случае эта скорость должна быть не менее 100 кВ/мс (рис. 3).
Снижение требуемой начальной скорости при отключении
ВВ может быть достигнуто (в случае необходимости и при относительно коротком кабеле) путем оснащения присоединения
к ТСН RC-цепочками.
Отключение с помощью ВВ коротких замыканий в сетях
генераторного напряжения блочных электростанций
На рис. 4 приведена схема укрупненного блока ГЭС (мощности генераторов – 18,5 МВт). Наиболее неблагоприятные условия
возникают при отключении первого полюса ВВ при трехфазном
КЗ в точке к3. Это связано с тем, что отключаемый ток при этом
определяется в том числе током, подтекающим от системы, примыкающей к РУ 110 кВ. Наибольшая частота собственных колебаний на контактах ВВ наблюдается при отключенном втором
генераторе блока, так как эта частота определяется в основном
входной емкостью трансформатора со стороны обмотки НН и
его индуктивностью рассеивания.
На рис. 5 приведены компьютерные осциллограммы процесса (переходного восстанавливающегося напряжения – ПВН)
на контактах первого полюса ВВ при отключении трехфазного
КЗ в точке к3. На рис. 5б приведена начальная стадия процесса
и показана требуемая характеристика восстановления электрической прочности между контактами выключателя, при
которой не будет повторных зажиганий дуги в ВДК – 0,5 кВ/мкс.
Следует отметить, что приведенные осциллограммы отвечают
случаю установки RC-цепочки (С = 1 мкФ, R = 40 Ом) на шинах 10,5 кВ. При отсутствии RC-цепочки требуемая скорость
восстановления электрической прочности межконтактного
промежутка в ВДК на начальной стадии процесса составляет
0,8 кВ/мкс. Если будут наблюдаться повторные зажигания
дуги в ВДК, то опасные градиентные перенапряжения могут
вызвать технологические нарушения в обмотке НН силового
трансформатора и в обмотках ТСН, а также трансформатора
напряжения (ТН) в сети генераторного напряжения блока.
Коммутации в электрических сетях СН,
оснащенных ВВ и кабелями со СПЭ-изоляцией
Повышение интенсивности повреждений в сетях, оснащенных ВВ и кабелями со СПЭ-изоляцией, в основном связано с
описанными выше свойствами горения дуги в ВДК и со свойствами СПЭ-изоляции, характеризующейся отсутствием «самозалечивания» и недостаточной электрической прочностью при
высокочастотных воздействиях [2]. Последнее обстоятельство
связано с тем, что при быстром вводе энергии в диэлектрик
разрываются связи на молекулярном уровне между молекулами водорода и углерода в местах повышенной напряженности
электрического поля (например, на кончике триинга). Это обстоятельство приводит к образованию новых микрополостей
в диэлектрике и его быстрому выходу из строя.
Вместе с тем вакуум как дугогасящая среда позволяет отключать токи замыкания на землю, характеризующиеся высокой
частотой. Если коммутационная способность выключателей
(скорость восстановления электрической прочности между контактами в ВДК при отключении ВВ) оказывается недостаточной,
то происходит повторный пробой в ВДК, приводящий к весьма
высокочастотным перенапряжениям в коммутируемой сети.
Следовательно, при коммутации кабелей со СПЭ-изоляцией
с помощью ВВ велика вероятность нарушения электрической
прочности изоляции кабелей. Опасные высокочастотные процессы в кабелях могут также возникнуть при коммутациях ВВ
трансформаторов в распределительной сети, питающихся от РУ
СН с помощью кабелей. Поэтому коммутация ВВ кабелей со СПЭ-
изоляцией надежна лишь в случае, если в ВДК при отключении
ВВ не будет повторных зажиганий дуги. Требуемая скорость восстановления электрической прочности между контактами в ВДК
при отключении кабельных присоединений зависит от частоты
возникающих при этом процессов, определяемых в основном
протяженностью коммутируемого кабеля со СПЭ-изоляцией.
Однофазное дуговое замыкание (ОДЗ)
в распределительных сетях на основе кабелей
со СПЭ-изоляцией
Компьютерная осциллограмма при ОДЗ в одной из достаточно разветвленных кабельных сетей 6 кВ приведена на рис. 6
(в расчетах учитывался ТН на шинах 6 кВ). Расчеты производились при горении дуги согласно гипотезе Петерсена (дуга
гаснет в момент прохождения высокочастотного тока через
нулевое значение). Из рис. 6 видно, что изоляция кабельной
сети, эксплуатируемой с изолированной нейтралью, подвергается воздействию примерно трехкратных перенапряжений.
Наибольшие кратности перенапряжений на изоляции кабелей
возникают при повторных зажиганиях дуги из-за эскалации
перенапряжений, обусловленной «смещением» нейтрали при
каждом очередном повторном зажигании дуги.
Высокочастотные составляющие в данном процессе определяются схемой сети. Высокие кратности перенапряжений, содержащих высшие гармонические, могут ускорить деградацию
СПЭ-изоляции. Поэтому в таких сетях прежде всего следует
предусмотреть меры, снижающие уровни перенапряжений
относительно земли. Надо предотвратить хотя бы эскалацию
перенапряжений. К таким мерам прежде всего можно отнести изменение режима заземления нейтрали сети: через высокоомный
резистор или комбинированное заземление в виде параллельного
соединения дугогасящего реактора (ДГР) и резистора.
Комбинированное заземление нейтрали целесообразно применять в разветвленных кабельных сетях с большими токами
замыкания на землю, превосходящими допустимые значения
по тепловой стойкости электрооборудования. На рис. 7 приведены осциллограммы процессов при ОДЗ при заземлении
нейтрали сети 6 кВ через резистор RN = 1/3wCф (рис. 7а) и при
помощи параллельного соединения резистора той же величины
и ДГР, индуктивное сопротивление которого на промышленной
частоте равно емкостному сопротивлению кабельной сети
(рис. 7б). При параллельном соединении в нейтрали сети ДГР и
резистора процессы после погасания дуги при ОДЗ в основном
определяются резистором. Оснащение нейтрали сети, помимо
резистора, еще и ДГР позволяет почти в два раза уменьшить
ток замыкания на землю, что существенно именно в кабельной
сети, характеризуемой большой емкостью на землю.
Таким образом, параллельное соединение в нейтрали сети ДГР
и резистора при правильном выборе их номиналов позволяет:
- ограничить перенапряжения на электрооборудовании и токи в обмотках ВН ТН до допустимого уровня;
- обеспечить тепловую стойкость электрооборудования;
- обеспечить чувствительную и селективную идентификацию поврежденного фидера или присоединения с двигателем или распределительным трансформатором.
Коммутации элегазовыми выключателями сетей генераторного напряжения мощных блочных электростанций
При проектировании сетей генераторного напряжения мощных блоков, оснащаемых элегазовыми генераторными комплексами (ЭГК), необходимо выдвигать для каждого проектируемого
или реконструируемого объекта требования к отключающей и
коммутационной способности ЭГВ с учетом емкостей, устанавливаемых по обеим сторонам выключателя – как со стороны
генератора, так и со стороны силового трансформатора. Так
же, как и при коммутации блоков ВВ, расчетным режимом при
анализе коммутационной способности выключателей является
отключение первого полюса при трехфазном КЗ между генератором и выключателем (точка к3 на рис. 4).
Анализ процессов в ДГК элегазового выключателя с учетом
процессов в дуге, произведенный при использовании теорий Касси и Майра, показал: можно исследовать процессы, моде-
лируя выключатель в виде идеального ключа, т.е. определяя
собственные переходные восстанавливающиеся напряжения
(СПВН) на контактах выключателя при его отключении [3].
Основное требование к коммутационной способности выклю-
чателей – отсутствие повторных зажиганий дуги при отключе-
нии. Очевидно, что процессы при отключении ЭГВ зависят от
величины емкостей конденсаторов, устанавливаемых в ЭГК.
При необходимости можно выдвинуть специальные требования
к величине емкости, включенной со стороны силового транс-
форматора блока, входящей в расчетную схему при КЗ в точке
к3. Очевидно, что расчеты коммутационной способности ЭГВ в
сетях генераторного напряжения блоков обязательно выполнять
для каждого проектируемого и реконструируемого объекта.
Отключение элегазовыми выключателями в цикле
АПВ ВЛ ВН, оснащенных шунтирующими реакторами
В последнее время наблюдаются технологические нарушения
ЭГВ 500 кВ при коммутациях в циклах АПВ ВЛ, оснащенных
шунтирующими реакторами (ШР). Эти нарушения связаны с
тем, что в отключаемом токе к моменту его отключения содержится значительная апериодическая составляющая. Подобные технологические нарушения произошли, в частности,
на электропередаче «Итат–Алтай», а также на ВЛ «КокчетавКустанай» (Казахстан), сооруженных в габаритах 1150 кВ, но
эксплуатируемых на напряжении 500 кВ [4]. На этих линиях
ранее эксплуатировались воздушные выключатели, которые в
последнее время были заменены на одноколонковые элегазовые.
На ВЛ «Итат–Алтай» эта замена произошла после разрушения
воздушного выключателя из-за резонансных перенапряжений, возникших на коммутируемой фазе в цикле ОАПВ, обусловленных отключением части реакторов на этой ВЛ [5].
Процессы, сопровождающие отключение ЭГВ ВЛ 500 кВ
«Итат–Алтай», зарегистрированы соответствующей аппаратурой. При КЗ на фазе В, ВЛ «ПС Алтай–ПС Итатская» отключилась от действия защит всеми тремя фазами с двух сторон.
На ПС Алтай после неуспешного ТАПВ ВЛ (КЗ на фазе В не
устранилось) и повторного отключения произошло взрывное
разрушение фазы А ЭГВ HPL-550B2 с повреждением соседнего
полюса и оборудования ОРУ, находящегося в радиусе 50 м от
места взрыва. Из зарегистрированных осциллограмм следует,
что ток в фазе А выключателя в момент повторного отключения
содержал достаточно большую апериодическую составляющую,
что и привело к серьезному технологическому нарушению.
Время затухания апериодической составляющей в отключаемом токе зависит от параметров ВЛ и от степени компенсации емкости ВЛ с помощью индуктивности ШР в момент АПВ.
Возникающие на ВЛ процессы при её повторном включении
поясняет простейшая схема (рис. 8).
Операторное изображение тока при включении выключателя в схеме рис. 8 записывается в виде:
Авторы [4], рассматривая аналогичные процессы на ВЛ
500 кВ «Кокчетав–Кустанай», отмечают, что затягивание времени отключения при неуспешном АПВ ВЛ, оснащенных шунтирующими реакторами, особенно необходимо при установке
на ВЛ ЭГВ с автокомпрессорной системой дугогашения.
ВЫВОДЫ
1. Внедрение нового прогрессивного силового электрооборудования требует тщательного анализа всех штатных и нештатных ситуаций и коммутаций в данной электрической сети.
2. При реконструкции кабельных распределительных
сетей 6 (10) кВ, связанной с одновременной заменой кабелей
с бумажно-пропитанной изоляцией на кабели со СПЭ-изоляцией
и маломасляных (или воздушных) выключателей на вакуумные,
необходимо предотвратить повторные зажигания дуги в ВДК
при коммутациях, т.к. возникающие при этом высокочастотные
процессы с большой вероятностью могут привести к нарушению
электрической прочности СПЭ-изоляции кабелей или к её быстрой деградации. Сегодня ведутся работы как по увеличению
начальной скорости восстановления электрической прочности в
ВДК, так и по повышению стойкости кабелей со СПЭ-изоляцией к высокочастотным воздействиям. Однако до решения этих
физико-технологических задач основной мерой, позволяющей
решить вопросы надежной эксплуатации таких сетей, является
их оснащение RC-цепочками, устанавливаемыми либо у коммутируемого оборудования, либо на шинах РУ.
3. Российские изготовители ВВ должны включать в сертификаты на ВВ результаты их синтетических испытаний не только на отключающую, но и на коммутационную способность.
4. При разного рода штатных и нештатных неполнофазных
коммутациях ВЛ ВН, оснащенных шунтирующими реакторами
и элегазовыми выключателями, при разработке средств РЗА необходимо учитывать возможность возникновения резонансных
схем при определенном количестве ШР на ВЛ, а также избегать
их быстрых отключений после неуспешного включения из-за
относительно медленного затухания апериодической составляющей в отключаемом токе.
5. Проектирование каждого объекта, оснащаемого инновационным электрооборудованием, должно вестись индивидуально,
с применением системного подхода к исследованию электромагнитных переходных процессов, сопровождающих его эксплуатацию. Сегодня эта задача решается с помощью стандартных и
нестандартных пакетов программ (EMTP, MatLab и др.).
ЛИТЕРАТУРА
1. Дегтярёв И.Л. Теоретическое и экспериментальное исследование процессов, сопровождающих коммутации вакуумными
выключателями: дис. канд. техн. наук. Новосибирск: НГТУ, 2005.
217 с.
2. Кадомская К.П., Лавров Ю.А., Лаптев О.И. Электрооборудование
высокого напряжения нового поколения. Основные характеристики и электромагнитные процессы. Новосибирск: НГТУ, 2008.
343 с.
3. Иванов А.В. Исследование и разработка мер, повышающих
надежность эксплуатации изоляции электрооборудования
мощных тепловых и атомных станций: дис. канд. техн. наук.
Новосибирск: НГТУ, 2005. 210 с.
4. Евдокунин Г., Дмитриев М., Гольдштейн С., Иваницкий Ю. Высоковольтные ВЛ. Коммутации и воздействия на выключатели
// Новости ЭлектроТехники. 2008. № 3(51). С. 64–69.
5. Кадомская К.П. Высоковольтные ВЛ. Эффективность и управляемость шунтирующих реакторов // Новости ЭлектроТехники. 2008.
№ 3(51). С. 70–71.
КОММЕНТАРИЙ
Александр Полуэктов,
инжиниринговая компания Энергон
К.П. Кадомская в своей статье подняла ряд актуальных проблем
применения современного высоковольтного электротехнического
оборудования и предложила обоснованные способы их решения.
При этом мне как специалисту инжиниринговой компании хочется
обратить внимание на следующие моменты.
Способ борьбы с повторными зажиганиями путем применения RC-
цепочки эффективен при корректном выборе параметров цепочки. Кроме того, нужно помнить, что за счет ёмкости образуется дополнительный
колебательный контур, который также необходимо учитывать в расчетах.
На практике подбор нужной цепочки осложняется необходимостью
выбора элементов из ряда типовых исполнений.
Применение вакуумных выключателей для коммутации КЛ на базе
СПЭ-кабелей требует обязательного использования RC-цепочек из-за
отсутствия у СПЭ-кабелей способности самовосстанавливаться. Заземлять нейтраль рекомендуется через резистор, способный создать
ток, достаточный для быстрого срабатывания защиты от ОЗЗ*. Прибегая к комбинированному заземлению нейтрали, предложенному
К.П. Кадомской, следует помнить, что продолжение работы в режиме
ОЗЗ неблагоприятно для изоляции СПЭ-кабеля.
Для проектирования линий ВН крайне важно решить проблему
технологических нарушений в работе выключателей 500 кВ в цикле
АПВ при отключениях ВЛ, оснащенных шунтирующими реакторами.
При проектировании необходимо учитывать возможность появления
резонансных перенапряжений в различных режимах работы. Для
уменьшения вероятности неуспешных ОАПВ можно порекомендовать
дополнительно использовать устройства контроля погасания дуги и
обеспечения адаптивной паузы.
* Широковец А., Сарин Л., Ильиных М., Подъячев В., Шалин А. Резистивное заземление нейтрали в сетях 6–35 кВ со СПЭ-кабелями //
Новости ЭлектроТехники. 2008. № 2(50). С. 97–100.
| 
|
