Кадомская К.П. Перенапряжения в электрических сетях различного назначения и защита от них
Подождите немного. Документ загружается.
Рис.6.51 Напряжение относительно земли на генераторе (а)
и на силовом трансформаторе (б)
Из приведенных результатов видно, что повторные зажигания дуги не
приводят к опасным перенапряжениям ни для статорной изоляции
генератора, ни для обмотки низшего напряжения силового
трансформатора. Из рис.6.51,б, однако, видно, что напряжение на изоляции
обмотки трансформатора из-за повторных зажиганий дуги в ВДК имеет
достаточно существенную высокочастотную составляющую. Это
обстоятельство может при неблагоприятных условиях привести к
нарушению электрической прочности продольной витковой изоляции.
Поэтому предпочтительнее было бы использование таких ВДК на
генераторном напряжении, в которых гашение дуги не сопровождалось бы
её повторными зажиганиями, т.е. камер при высокой скорости
восстановления электрической прочности в начале процесса расхождения
контактов. На рис. 6.52 приведена область параметров восстановления
электрической прочности межконтактного промежутка (после погасания
дуги промышленной частоты) k и t
0
, при которых не будет наблюдаться
повторных зажиганий дуги в ВДК.
350
400
450
500
550
600
650
700
750
40 50 60 70 80
k, кВ/мс
t
0
, мкс
А
В
А - область, в которой возможны повторные зажигания дуги при отключении токов к.з.
В - область, в которой отсутствуют повторные зажигания дуги при отключении токов к.з.
Рис.6.52 Область параметров восстановления электрической прочности
в ВДК после погасания дуги промышленной частоты, отвечающая
отсутствию повторных зажиганий дуги в ВДК
Наиболее целесообразно использование вакуумных генераторных
выключателей на пиковых и полупиковых станциях (ГЭС и ГАЭС),
эксплуатация которых сопровождается частыми коммутациями блоков.
Высокие ресурсные свойства вакуумных выключателей, простота их
эксплуатации, отсутствие дополнительного элемента в виде шунтирующих
сопротивлений, необходимых для надежного функционирования
выключателей с воздушным дугогашением - все эти факторы позволяют
наряду с ростом отключающей способности ВДК считать этот тип
выключателей весьма перспективным.
6.5 ЗАЩИТА ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ СЕТЕЙ СОБСТВЕННЫХ
НУЖД ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ И СЕТЕЙ
СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ, СОДЕРЖАЩИХ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДВИГАТЕЛИ
6.5.1 ХАРАКТЕРИСТИКИ СЕТЕЙ, СОДЕРЖАЩИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
ДВИГАТЕЛИ, И ПАРАМЕТРЫ ОСНОВНОГО
ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ
Характерной особенностью сетей, содержащих электрические
двигатели, является необходимость достаточно глубокого ограничения
перенапряжений из-за относительно низкой электрической прочности
статорной изоляции двигателей (корпусной и витковой).
К таким сетям, прежде всего следует отнести сети собственных нужд
электрических станций (ССН) (рис.6.53 и 6.54) и сети специального
назначения, например, сети компрессорных (рис.6.55) и насосных станций
(КС и НС) магистральных газо и нефтепроводов.
T
6 кВ
6 кВ
Д
в
и
г
а
т
е
л
и
Рис.6.53 Принципиальная схема сети собственных нужд ТЭЦ
Следует отметить, что на АЭС и крупных тепловых станциях (ТЭС)
применяется двойное резервирование питания ССН: от сети ВН с
помощью РТСН, и от автономных дизель-генераторных станций (рис.6.54).
На рис.6.54 включенное положение выключателей отвечает основному
питанию сети СН от сети генераторного напряжения блока. При питании
сети СН от сети ВН эти выключатели отключаются, а включаются
выключатели, показанные на рис.6.54 в отключенном состоянии.
Вопросы выбора режима заземления нейтрали и системы защиты от
перенапряжений таких объектов зависят от совокупности их схемных
решений и особенностей эксплуатации. Существенное влияние на решение
поставленной задачи имеют:
• характеристики релейной защиты и автоматики: необходимость
действия релейной защиты на сигнал или на отключение фидера с
замыканием на землю, зависящую от требуемой степени надежности
питания тех или иных технологических устройств;
• характеристики выключателей, используемых в СГН, ССН
электрических станций и на КС и НС.
Рис.6.54 Схема питания ССН блока АЭС; ТСН и РТСН – трансформатор
собственных нужд и резервный ТСН; МРП – магистраль резервного
питания; ОБС- общеблочная секция; СНП – секция надежного
питания; Г- генератор блока; Д- электрический двигатель,
ДГС – дизель-генераторная станция
Рис.6.55 Принципиальная схема компрессорной станции
Как правило, секции ССН электрических станций, КС и НС питаются
от силового трансформатора, обмотки низшего напряжения которого
соединены в треугольник (рис.6.53-6.55). Поэтому для организации
нулевой точки в таких сетях требуется применение специальных
устройств. К этим устройствам для повышения их эффективности
предъявляется требование относительно малой величины сопротивления
нулевой последовательности, что обеспечивается специальной
конструкцией магнитопровода. Такому требованию, в частности,
удовлетворяет устройство ФМЗО (фильтр масляный заземляющий
однофазный).
Перенапряжения, возникающие на изоляции ЭД в процессе их
эксплуатации, можно классифицировать следующим образом:
• перенапряжения, зона действия которых охватывает все
электрооборудование, примыкающее к секции шин – перенапряжения,
сопровождающие однофазное замыкание на землю (ОДЗ) с учетом
возможных феррорезонансных явлений, обусловленных насыщением
магнитопроводов трансформаторов напряжения,
• перенапряжения, возникающие на присоединениях с двигателями
при их коммутациях.
Одной из основных характеристик сети при исследовании
перенапряжений в сетях с изолированной нейтралью являются токи
однофазных замыканий на землю (ОЗЗ), которые определяются, в
основном, емкостями присоединений, т.е в рассматриваемых схемах
емкостями кабелей и входными емкостями ЭД. Длины кабелей
присоединений с двигателями лежат примерно в диапазоне от 20 до 750 м.
Характеристики маслонаполненных кабелей 6 кВ с секторными жилами
приведены в табл. 6.9.
Таблица 6.9
Характеристики маслонаполненных кабелей 6 кВ
с секторными жилами
S, мм
2
70 95 120 150 185 240
r
ж
, мм 4.72 5.50 6.18 6.91 7.67 8.74
D
нар
, мм 36.1 39.9 43.5 47 50.1
,
об
Δ
мм
1.55 1.70 1.80 1.90 2.0 2.0
С
ф
, кФ/км 0.214 0.247 0.278 0.311 0.343 0.383
С
фф
, мкФ/км 0.059 0.068 0.076 0.085 0.094 0.105
С
р
, мкФ/км 0.39 0.45 0.507 0.567 0.626 0.698
С
фф
/С
ф
0.274
R , Ом/км 0.429 0.316 0.250 0.202 0.165 0.129
x , Ом/км 0.008 0.078 0.076 0.074 0.073 0.071
Примечание: активное сопротивление приведено при частоте 50 Гц
и при температуре 25
0
С.
При высоких частотах (несколько килогерц и выше) погонное
активное сопротивление кабеля может быть рассчитано по выражению:
πωπ=ω 100/)100()( RR
.
В [56] входная емкость двигателей определяется по выражению:
С
фдв
=0,4
дв
Р , где Р
дв
- в кВт, С
фдв
– в нФ. (6.28)
Результаты экспериментального определения емкостей двигателей
достаточно хорошо совпали с результатами, полученными по выражению
(6.28). В [56] указано также, что при отсутствии экспериментальных
данных междуфазную емкость двигателя можно принимать равной
С
ффдв
=0,1С
фдв.
В табл.6.10 приведены параметры двигателей в достаточно
широком диапазоне изменения их мощностей.
Таблица 6.10
Входные емкости двигателей
Р,
кВт
200 250 315 500 630 660 800 1250 1600 4000
С, нФ 5.7 6.3 7.1 8.94 10 10.3 11.3 14.1 16 25.3
Входная емкость силовых трансформаторов, эксплуатируемых на
напряжениях 6 и 10 кВ, может быть определена по выражению:
С
вх
=С
1
+С
2
С
12
/(С
2
+С
12
), (6.29)
где
С
1
, С
2
и С
12
– емкости обмоток ВН и НН относительно бака (или
магнитопровода) и емкость между обмотками трансформатора.
При отсутствии результатов непосредственного измерения эти
емкости могут быть определены по следующим эмпирическим формулам:
• емкость обмотки высшего напряжения
С
ВН
=0.07
175.0
ВН
35.0
U
S
нФ,
• емкость обмотки низшего напряжения
С
НН
=1.3
SU 2.013
S
НН
++
нФ,
•
емкость между обмотками
С
12
=
ВН
U
S
нФ.
В приведенных выражениях мощность трансформатора S
подставляется в кВА, а номинальные напряжения обмоток – в кВ.
Индуктивности двигателей могут быть наиболее достоверно оценены
по их частотным характеристикам. Результаты анализа частотных
характеристик двигателей, изложенные, в частности, в [56], позволяют
определить индуктивность двигателя при его моделировании в виде
Г-образной схемы замещения, как
L
ф дв
=L
''
/1.4, (6.30)
где L
''
- сверхпереходная индуктивность, определяемая как
ном
номном
P
сosU
I
I
L
ω
ϕ
=
2
пуск
''
. (6.31)
Полагая ,9.0cos,5.5/
номпуск
=
ϕ
=II U
ном
=6.3 кВ получим:
L
''
= 21/P
ном
и L
фдв
=15/Р
ном.
(6.32)
В выражениях (6.32) Р
ном
в кВт, а L – в Гн.
Значения индуктивностей двигателей различных мощностей
приведены в табл.6.11.
Таблица 6.11
Значения индуктивностей в Г-образных схемах замещения двигателей
Р
дв
,кВт 200 250 315 500 630 660 800 1250 1600
L
дв
, Гн 0.075 0.06 0.048 0.030 0.024 0.023 0.019 0.012 0.009
6.5.2 ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ, ЗОНА ДЕЙСТВИЯ КОТОРЫХ ОХВАТЫВАЕТ
ВСЕ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ СЕТЕЙ, СОДЕРЖАЩИХ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДВИГАТЕЛИ
Расчетная схема для исследования перенапряжений при ОДЗ
приведена на рис.6.56.
Эта схема с двухсторонним питанием, так же, как и схема сети
генераторного напряжения, но в отличие от последней в ней учитываются
междуфазные емкости, так как секторные жилы кабелей трехфазного
исполнения, используемых в настоящее время, не экранированы друг от
друга. Эти особенности рассматриваемой расчетной схемы не являются
принципиальными и при эксплуатации ССН с изолированной нейтралью
перенапряжения уже при втором зажигании дуги превосходят допустимое
напряжение для корпусной изоляции двигателей: их уровни достигают
значений порядка 3,3U
фm
. Ограничение перенапряжений при ОДЗ может
быть достигнуто двумя путями:
•
установкой ОПН на шинах секций;
•
оснащения нейтрали сети резистором.
e
1
(t)
L
1
R
ст1
R
N
U
N1
R
д
e
2
(t)
L
2
R
м2
U
N2
С
ф
С
фф
С
фф
u
a
(t)
u
b
(t)
u
c
(t)
Рис.6.56 Расчетная схема для исследования процессов,
сопровождающих ОДЗ
Ограничение перенапряжений с помощью ОПН. Ограничитель,
устанавливаемый на шинах, должен иметь более глубокое ограничение,
чем ОПН, устанавливаемые на присоединениях для ограничения
перенапряжений, возникающих при их отключении, т.е. когда
присоединение отключено от шин секции. Расчетная осциллограмма
процессов при оснащении секции шин ОПН приведена на рис.6.57.
Рис.6.57 ОДЗ при установке на шинах секции ОПН
Энергия, поглощаемая в варисторах ОПН при утяжеляющих
предположениях относительно количества повторных гашений и
зажиганий дуги, в рассмотренном случае составляет величину порядка 15
кДж, т.е. примерно 5,5 кДж/кВU
c
(U
c
– длительно допустимое напряжение
на аппарате). Такая удельная энергия вполне приемлема для современных
конструкций ОПН. Однако, установка ОПН на шинах требуется лишь при
изолированной нейтрали эксплуатации сети. При установке же на шинах
сети с изолированной нейтралью трансформаторов напряжения типов
ЗНОЛ или ЗНОМ, как было показано в 6.3, напряжения на фазах, как
правило, не превосходят опасных значений. Однако, при гашении дуги в
обмотках ВН ТН могут за счет феррорезонансных явлений возникнуть
сверхтоки, что приведет к нарушению её тепловой устойчивости.
Поскольку ОПН в области относительно невысоких напряжений
характеризуется весьма большим сопротивлением, то на условия
существования субгармонических, приводящих к сверхтокам в обмотке
ВН ТН этот аппарат не окажет определяющего влияния. Поэтому более
радикальной мерой ограничения перенапряжений при ОДЗ при
одновременном нарушении условий существования как субгармонических,
так и ультрагармонических при ОДЗ может служить заземление нейтрали
сети через высокоомный резистор. Примерная компьютерная
осциллограмма процесса ОДЗ в этом случае приведена на рис. 6.58. Из
рисунка видно, что эскалации перенапряжений на “здоровых” фазах не
наблюдается: уровни перенапряжений не зависят от номера повторного
зажигания и не превышают уровня порядка 2,3U
фm
. Выше уже
указывалось, что, как правило, для выделения нейтрали на шинах секций
необходимо устанавливать специальные трансформаторы или другие
устройства, которые должны обладать достаточно малой индуктивностью
нулевой последовательности, так как эта индуктивность входит в цепь
резистора, устанавливаемого в нейтрали сети.
Рис.6.58 Процессы при ОДЗ в ССН при установке
в нейтрали высокоомного резистора
Упрощенная схема для анализа процесса после погасания дуги при
учете индуктивности устройства присоединения резистора приведена на
рис.6.59.
L
0
/3
R
N
3С
ф
U
N
Рис.6.59 Упрощенная схема замещения
Напряжение на нейтрали после погасания дуги (напряжение на
емкости к моменту погасания дуги составляло u
C0
) может изменяться
либо в апериодическом, либо в колебательном процессах. Характер
процесса зависит от соотношения параметров резистора и сети:
если (
ZR
N
2≥
ф
0
3
3/
C
L
Z =
),
то процесс носит апериодический характер. При этом напряжение на
нейтрали меняется по закону: