Выбор устройств для ограничения коммутационных перенапряжений в сетях промышленного электроснабжения 6-10 кВ

I

УДК 621.311

ВЫБОР УСТРОЙСТВ для ограничения КОММУТАЦИОННЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В СЕТЯХ ПРОМЫШЛЕННОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 6-10 кВ

И. А. ХАТАНОВА, Д.В БАКРИН

Выполнен расчет коммутационных перенапряжений и рассмотрен выбор устройств их ограничения в сетях промышленного электроснабжения 6-10 кВ.

В настоящее время в сетях промышленного электроснабжения среднего напряжения происходит замена устаревших коммутационных аппаратов на аппараты нового поколения с высокой токоограничивающей способностью. Коммутационные аппараты с большой скоростью ограничения тока имеют существенный недостаток: высокий уровень коммутационных перенапряжений. Указанные перенапряжения возникают в цепях, коммутируемых выключателями любых типов (маломасляными, воздушными, вакуумными), но особенно опасны с расширением области применения аппаратов с интенсивным дугогашением, например таких, как вакуумные выключатели. Создаваемое ими перенапряжение негативно влияет на изоляцию электрооборудования, особенно на изношенную. При ее повреждениях возможен выход из строя электроустановок и длительный простой технологического оборудования, что приводит к существенному экономическому ущербу, который несут предприятия и системы электроснабжения.

Анализ литературы показал, что ввиду актуальности и практической значимости данной темы появилось много публикаций в этой области исследований [1,2,3,4]. Тем не менее, инженерной методики анализа перенапряжения и выбора устройств ограничения перенапряжений (ОПН), пригодной для практического использования на предприятиях и в промышленных электрических сетях, нами не выявлено.

Поэтому целю настоящей работы является проведение анализа возможных перенапряжений и разработка методики выбора аппарата ОПН и обоснованная установка аппарата ограничения. Разработанная нами методика представлена в виде пошагового алгоритма на рис 1.

Для выбора устройств ОПН в соответствии с представленным алгоритмом необходимо знать напряжение сети и схему того участка, который будет обследован на установку ОПН. На схеме должны быть указаны все элементы сети (коммутационные аппараты, кабели, шины, трансформаторы, двигатели ), их тип и марки. Необходимо узнать или рассчитать наибольшее напряжение системы.

© И.А Хатанова, Д.В. Бакрин

Проблемы энергетики, 2003, № 3-4

Рис.1. Последовательность выбора устройств ОПН

Дальнейший путь работы с алгоритмом определяется основным видом перенапряжения в исследуемой системе электроснабжения или электрической сети. Наиболее опасная и распространенная авария в электрических сетях происходит из-за влияния грозовых перенапряжений. Поэтому если они случаются, то нужно идти соответственно по грозовым условиям выбора и только после этого проверить по условию коммутационных перенапряжений. Но зачастую в сетях промышленных предприятиях 6-10 кВ, а точнее цеховых подстанций и распределительных пунктов, кабельные линии расположены в помещениях, защищенных от прямых попаданий молнии. В таких случаях и при условии установки коммутационного аппарата с высокой токоограничивающей способностью основным видом перенапряжения может являться коммутационный. Таким образом, наша задача - определить, на сколько опасен этот вид перенапряжения.

Возможны и другие причины возникновения внутренних перенапряжений (ВП). В общем случае только ВП, возникающие при коротком замыкании (КЗ) на

землю и при отключении нагрузки, представляют интерес. Определённые конфигурации сетей, однако, могут давать резонансные перенапряжения. Также они могут возникнуть во время неодновременного срабатывания полюсов выключателя. Резонансных перенапряжений следует избегать путём соответствующего проектирования системы (особенно для обычных систем переменного тока передачи и распределения энергии) и они не должны быть основанием для особого внимания при выборе устройств ограничения. В некоторых случаях применяются меры по снижению тока КЗ на землю путём избирательного заземления нейтрали только нескольких трансформаторов, используя эффективно заземлённую систему. В таких случаях существует возможность, что некоторые части системы могут стать неэффективно заземлёнными в некоторые периоды времени, когда один или более трансформаторов отключены от сети. В таком случае КЗ на землю может привести к более высокому ВП и даже повреждению оборудования, если это не учитывалось при выборе ограничителя. Поскольку такие случаи редки, риск возможного повреждения ограничителя может быть оправдан, и нет смысла выбирать аппарат ограничения с более высокой стойкостью к ВП и, таким образом, с более высоким уровнем защиты. Если во время отключения нагрузки происходит КЗ на землю, ВП на здоровых фазах имеют тенденцию к дальнейшему росту по сравнению с тем, если бы эти события происходили не одновременно.

Чтобы провести расчет, необходимы данные об электрооборудовании. Для двигателя - это индуктивность и емкость. Для трансформатора - индуктивность; для кабеля: емкости прямой и обратной последовательности, для выключателя -скорость восстановления диэлектрической прочности между контактами выключателя.

Проведем оценку условий коммутации сети выключателем, используя ниже приведенные формулы определения частоты свободных колебаний и средней скорости восстановления напряжения [3]:

где Ьэ = 1,5/,о - эквивалентная индуктивность электрооборудования;

Сэ = Ско + Ск1 + Со - эквивалентная емкость; С^, Ск1- емкости питающего кабеля прямой и нулевой последовательности; Со - емкость

электрооборудования.

где ин - номинальное напряжение системы (кВ).

Если в результате расчета переходное восстанавливающееся напряжение иср.в растет быстрее, чем диэлектрическая прочность между контактами

выключателя и д , то возникает условие для многократных повторных зажиганий

дуги, что увеличивает опасность высоких амплитуд перенапряжения и утяжеляет процесс коммутации.

© Проблемы энергетики, 2003, № 3-4

/

1

иср в = 4/ 1,5 л/2 Ц= 10 6, В/мкс

Допустимая величина перенапряжения является статистической величиной, определяемой условиями эксплуатации и типом электрооборудования. Поэтому расчет ведется по статистическим зависимостям (статистические функции распределения максимальных перенапряжений) [2].

На основании данных зависимости распределения перенапряжений от мощности электродвигателя и длины кабеля необходимость защиты изоляции электродвигателя следует из факта достаточно высокой для данного оборудования среднего числа повреждений электродвигателя в год. Оценка среднего числа повреждений изоляции в год N может быть сделана по формуле

N = п • Р1 • Р2,

где п - среднее число отключений в год электродвигателя при пуске; Р1 -вероятность перенапряжений, превышающих, например, уровень ит испытательного напряжения обмотки; Р2— вероятность повреждения изоляции электродвигателя при напряжении, превышающем трехкратное.

Для трансформатора с позиции статистической оценки среднее число случаев превышения перенапряжением испытательного напряжения изоляции обмотки

N = п • р ,

где Р - вероятность превышения напряжением испытательного напряжения обмотки; п - среднее число отключений в год ненагруженного трансформатора с апериодической составляющей в магнитном потоке.

Таким образом, из вышеприведенных зависимостей следует вывод, что установка ограничителя перенапряжений потребуется, если число N достаточно велико для потребителя.

Оценим срок службы внутренней изоляции, для которой воздействие каждого импульса перенапряжений приводит к необратимым разрушениям, недостаточным для полного пробоя. При этом средний срок службы или ресурс изоляции при учете ее старения только от воздействия перенапряжения

тр = Я / ДЯ,

где Я - внутренний ресурс оборудования; ДЯ - расход доли ресурса.

При воздействии каждого импульса перенапряжения происходит частичное повреждение изоляции или расходуется доля ДЯ внутреннего ресурса Я .

Данный расчет представляет собой большие вычисления и должен проводиться с учетом типа изоляции оборудования. На стадии проектирования необходимо сравнить ресурс электрооборудования с облегченной и нормальной изоляцией и решить вопрос о возможной установке ОПН. В некоторых случаях это приводит к уменьшению эксплуатационной стоимости электрооборудования и кабеля.

Если же устанавливается только новый выключатель, то в таком случае рассчитываются случаи с установкой аппарата ограничения и без него. Результаты расчетов ресурса изоляции должны учитываться при определении

стоимости расходов на эксплуатацию и при определении среднегодовых расчетных затрат на этапе проектирования сетей и систем электроснабжения.

В результате расчета величины коммутационного перенапряжения выясняем целесообразность установки аппарата ограничения, то есть ограничителя перенапряжений или резистивно-емкостного ограничителя.

Проверка по условиям работы и эксплуатации аппарата ограничения необходима для того, чтобы окончательно определить тип ограничителя и его способность защиты оборудования и нормальной работы в различных режимах [5].

Сделаем некоторые выводы относительно вышесказанного. Приведенный расчет перенапряжения и выбора устройств их ограничения поможет, с достаточной долей уверенности, провести пошаговый анализ целесообразности установки ограничителя коммутацонных перенапряжений на предприятиях и в целом, уменьшить число возможных пробоев изоляции электрооборудования, тем самым, предотвратив аварии и последствия, вызванные коммутационными перенапряжениями; уменьшить стоимость эксплуатации электрооборудования; застраховаться от лишних затрат на мероприятия по ограничению перенапряжений.

Summary

The engineering technique of the analysis switching surge and choice of devices of restriction surge limiters, in networks of industrial electrosupply 6-10 Kv. is considered.

Литература

1. Александров Г.Н, Иванов В. Л. Изоляция электрических аппаратов высокого напряжения.-Л.: Энергоатомиздат, 1984.-208 с.: ил.

2. Гиндулин Ф.А. Перенапряжения в сетях 6-35кВ.- М.: Энергоатомиздат, 1989.190с.

3. Вакуумные коммутационные аппараты: Учебное пособие / Г.Н. Александров, В.В Борисов, Г.А Евдокунин и др.- Спб.: ПЭИпк, 1995.- 64 с.

4. Базуткин В.В., Евдокунин Г.А., Халилов Ф.Х. Ограничение — перенапряжений, возникающих при коммутациях индуктивных цепей вакуумными выключателями // Электричество. - 1994.- № 2.-С. 18-20.

5. Руководство по выбору высоковольтных ограничителей перенапряжений. Техническая информация. Публикация RUUTN/A - 21. Издание № 1, 1996.-24 с.