ИССЛЕДОВАНИЕ АВАРИЙНОСТИ В СЕТЯХ 6–10 кВ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Андрей Кудрявцев,
служба сервисного обслуживания, Концерн «Высоковольтный союз»

Технический аудит проводит «Высоковольтный союз»

Концерн «Высоковольтный союз» не ограничивает сферу деятельности разработкой и производством электротехнического оборудования классов 6–220 кВ – комплектных трансформаторных подстанций, комплектных распределительных устройств, вакуумных выключателей и систем РЗА.

Специалисты концерна оказывают дополнительные услуги, выполняя экспертизу причин аварий и неисправностей в сетях 6(10) кВ, работы по повышению надежности сетей 0,4 и 6(10) кВ, обследование и анализ фактического состояния электрооборудования и подстанционных металлоконструкций.

Сотрудники сервисного подразделения концерна «Высоковольтный союз» совместно со специалистами компаний «Экспертный центр технологических решений» (г. Екатеринбург) и «Рутас» (г. Красноярск) изучили проблемы аварийности в системах электроснабжения 6–10 кВ горно-металлургических предприятий (ГМП).
Работа была выполнена на базе угольных разрезов и алюминиевых заводов Красноярского и Пермского краев, Иркутской и Кемеровской областей и охватила данные за 2002–2008 гг. Именно в этот период многие предприятия отрасли провели модернизацию систем электроснабжения 6–10 кВ, которая ознаменовалась в первую очередь массовой заменой масляных выключателей на вакуумные. В итоге затраты на обслуживание парка коммутационной техники снизились, но количество аварий в этих сетях выросло по сравнению с 2000 г. в 2,5 раза – на угольных разрезах и в 1,5 раза – на металлургических заводах.
Перед исследователями были поставлены две основные задачи: определить основные причины повышения аварийности и выявить наиболее часто повреждаемые элементы систем электроснабжения и технологического оборудования.

ОЗЗ – ГЛАВНАЯ ПРИЧИНА АВАРИЙ

Анализ причин аварийных отключений в сетях 6–10 кВ угольных разрезов показал, что соотношение между короткими замыканиями (КЗ), однофазными замыканиями на землю (ОЗЗ) и обрывом фаз – 17, 66 и 14% соответственно. Для распределительных сетей 6–10 кВ металлургических заводов соотношение между теми же аварийными ситуациями – 13, 80 и 4% (в 3% случаев тип аварии установить не удалось). Следовательно, основными видами аварий в сетях 6–10 кВ для горно-металлургических предприятий являются О33.

Для угольных разрезов распределение О33 имеет резко выраженный сезонный характер. Наибольшее число О33 приходится на май и сентябрь. Это связано с тем, что на угольных разрезах кабельные линии находятся на поверхности земли. В осенний и весенний периоды дневная температура положительная, влага заполняет микротрещины изоляции кабельных линий и электрооборудования. Ночью температура опускается, как правило, ниже нуля, влага в микротрещинах превращается в лед, и микротрещины расширяются. С повышением дневной температуры в микротрещинах снова образуется влага и т.д. Трещины постепенно увеличиваются, диэлектрическая прочность изоляции уменьшается и незначительные термические перегрузки, коммутационные или грозовые перенапряжения могут привести к электрическому пробою изоляции, то есть к О33.
В летний период количество О33 уменьшается, так как прекращаются резкие колебания температуры в течение суток.
Становится теплее, кабель подсыхает, диэлектрическая прочность его изоляции повышается, а число О33 уменьшается. В зимний период за счет низкой температуры окружающей среды изоляция кабельных линий имеет наибольшую диэлектрическую прочность, что способствует снижению числа ОЗЗ.
На Ачинском глиноземном комбинате и на металлургических заводах график распределения О33 в течение года носит плавный характер с небольшим повышением числа ОЗЗ в мае–июне и сентябре–октябре. Это связано с тем, что на этих предприятиях большая часть кабельных линий уложена в специальные кабельные каналы или в траншеи. Поэтому в осенний и весенний периоды воздействие резких перепадов температуры в течение суток на изоляцию кабельных линий сведено к минимуму.
Данные о причинах ОЗЗ (см. табл.) показывают, что широкое внедрение вакуумных выключателей привело к росту ОЗЗ, возникающих в результате коммутационных перенапряжений. Число аварийных отключений, связанных с коммутационными перенапряжениями (КП), возросло в 3,8 раза. Увеличение числа ОЗЗ из-за КП вызвало рост повторных пробоев изоляции за счет перенапряжений в режиме ОЗЗ в 1,3 раза.
В то же время замена высоковольтных кабелей, исчерпавших свой ресурс, на современные кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена позволила снизить в 1,7 раза число ОЗЗ, причиной которых было естественное старение изоляции.
Электрический пробой изоляции высоковольтных электродвигателей после внедрения вакуумных выключателей на угольных разрезах, Ачинском глиноземном комбинате и металлургических заводах происходит чаще в 6,5; 3,4 и 3 раза соответственно. Трансформаторы более устойчивы к КП, поэтому у них электрический пробой изоляции происходит гораздо реже, чем у двигателей. Однако число трансформаторов, вышедших из строя из-за пробоя изоляции, за период после 2002 г. по сравнению с периодом до 2002 г. на указанных предприятиях выросло соответственно в 1,7; 2,1 и 1,4 раза соответственно.
Кроме того, внедрение вакуумных выключателей привело к увеличению числа электрических пробоев изоляции такого оборудования, как разделки кабелей и кабельные муфты, в среднем в 3,6 раза.
Таким образом, на современном этапе модернизации и развития систем электроснабжения 6–10 кВ ГМП основной причиной ОЗЗ являются КП, а наиболее повреждаемыми элементами – высоковольтные электродвигатели и разделки высоковольтных кабелей.

ЗАЩИТА ОТ КОММУТАЦИОННЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

Нелинейные ограничители перенапряжения (ОПН).
Данные устройства до 2003 г. широко использовались для ограничения КП. Анализ эффективности этой защиты показал, что средний срок эксплуатации ОПН на угольных разрезах составляет 2,5 месяца в летний и зимний периоды и 1,5 месяца в осенний и весенний. На металлургических заводах средний срок эксплуатации ОПН составляет 5,5 месяцев.
В основном ОПН выходят из строя из-за своей низкой термической устойчивости в режиме ОЗЗ. Установлено, что в момент дугового ОЗЗ в неповрежденных фазах сети кратность перенапряжений может колебаться от 2,6 до 3,6. Очевидно, когда перенапряжения на неповрежденных фазах превышают порог срабатывания ОПН, внутреннее сопротивление ОПН резко снижается, что приводит к возникновению кратковременного двухфазного КЗ на землю. Если защита от ОЗЗ не отключает поврежденную линию, то, как правило, наступает термическое разрушение ОПН. Визуально термическое разрушение ОПН не определяется, так как внешний вид и геометрические размеры устройства не изменяются. Следовательно, электроустановка потребителя остается без средств защиты от КП.
Для повышения работоспособности ОПН при ОЗЗ необходимо снизить перенапряжения в режиме дугового ОЗЗ. Наиболее эффективный способ для этого – заземление нейтрали сети через низкоомный резистор. Сопротивление резистора не должно превышать 600 Ом. В этом случае максимальная кратность перенапряжения в режиме дугового ОЗЗ будет не более 2,5, что позволит избежать двухфазных КЗ через ОПН.
Наложение добавочного активного тока величиной от 8 до 12 А на емкостный ток ОЗЗ позволяет обеспечить высокую селективность токовых защит от ОЗЗ, которые в настоящее время широко используются в системах электроснабжения ГМП. Например, в системах электроснабжения алюминиевых заводов токовая защита от ОЗЗ используется в 87 случаях из 100. Трехфазные RC-гасители. Анализ аварийности электродвигателей показал, что использование ОПН для защиты электродвигателей от КП не дает должного эффекта. Поэтому для защит электродвигателей от КП рекомендуется использовать трехфазные RC-гасители, основой которых являются RC-цепи, включенные по схеме «звезда с изолированной нейтральной точкой».
Опыт эксплуатации RC-гасителей в период 2002–2008 г. показал, что из 460 электродвигателей, которые эксплуатируются совместно с RC-гасителями, к настоящему времени вышли из строя 12 электродвигателей мощностью от 630 до 1250 кВт. Причем они вышли из строя из-за пробоя изоляции под рабочим напряжением, т.е. не вследствие КП, а из-за естественного старения изоляции, так как средний срок эксплуатации этих электродвигателей превышал 25 лет.
Таким образом, для эффективного снижения аварийности в сетях 6–10 кВ ГМП необходимо использовать совместно метод низкоомного заземления нейтрали сети и устройства, защищающие от КП, причем средства защиты от КП должны подключаться к зажимам электродвигателей или трансформаторов.
Для защиты электродвигателей от КП необходимо использовать RC-гасители. Комплексное использование RC-гасителей и низкоомного заземления нейтралей сетей 6–10 кВ на Ачинском глиноземном комбинате позволило за период с 2004 по 2007 г. снизить количество О33 в 3,5 раза, при этом выход из строя высоковольтных электродвигателей снизился в 5,5 раза.

ПРОВАЛЫ НАПРЯЖЕНИЯ

Необходимо отметить, что работоспособность основного оборудования зависит еще от одного фактора – от провалов напряжения, т.е. от кратковременных снижений уровня напряжения ниже критической отметки. Для горно-металлургических предприятий данная отметка составляет минус 12% от номинального значения. Такие снижения напряжения могут быть вызваны длинными кабельными линиями и запуском мощного основного оборудования, например электродвигателей высокой мощности и агрегатов печь-ковш.
Анализ показал, что на горно-металлургических предприятиях 82% времени простоя оборудования из-за провалов напряжения можно было не допустить, своевременно проведя простейшие мероприятия, такие как компенсация реактивной мощности и правильная организация электропитания силового оборудования. Так, на ОАО «Уралкалий» компенсация реактивной мощности позволила сэкономить достаточно крупные денежные средства благодаря снижению оплаты электроэнергии и уменьшению сечения используемых кабельных линий.

Проблемы аварийности, которые были выявлены в сетях горно-металлургических предприятий, характерны и для предприятий других отраслей промышленности, а также для электростанций и электрических сетей.
Исследования, проводимые специалистами «Высоковольтного союза», помогают предприятиямзаказчикам повысить надежность электросетей, решить насущные проблемы электроснабжения и снизить издержки производства.