Кадомская К.П. Перенапряжения в электрических сетях различного назначения и защита от них

Подождите немного. Документ загружается.

Рис.6.80 Процесс при отключении ЭД, оснащенного RC-цепочкой,

при k=15 кВ/мс и t

=100 мкс

Если же скорость восстановления электрической прочности

межконтактного промежутка превышает величину порядка 40-60 кВ/мс, то

эффективность применения RС-цепочки достаточно очевидна. Это

обстоятельство проиллюстрировано в табл.6.21, в которой приведены

кратности перенапряжений в предположении отсутствия повторных

зажиганий межконтактного промежутка. Из таблицы видно, что при всех

параметрах присоединений с двигателями кратности перенапряжений при

установке RC-цепочки не превосходят опасных значений для изоляции

двигателя.

Таблица 6.21

Перенапряжения на двигателе при отсутствии повторных

зажиганий в камере выключателя и установке на

зажимах двигателя RC-цепочки

, м

дв

, кВт

40 250 500 800

250 3,8/2,1 2,5/1,4 2,3/1,3 2,1/1,2

750 2,6/1,4 2,2/1,2 2,0/1,1 1,9/1,1

4000 2,0/1,0 1,9/1,0 1,8/1,0 1,7/0,9

Таким образом, наиболее эффективным средством обеспечения

надежной эксплуатации изоляции двигателя при его отключении является

повышение скорости нарастания электрической прочности дугового

промежутка в начальные моменты времени (k>40 кВ/мс). ОПН или RC-

цепочки, установленные непосредственно у зажимов двигателя, позволят

избежать возможных опасных перенапряжений, возникающих как при

отключениях, так и включениях присоединений с двигателями.

Необходимо отметить, что режим заземления нейтрали ССН и сетей

специального назначения 6-10 кВ практически не сказывается на уровнях

высокочастотных коммутационных перенапряжений.

Система защиты сетей СН электрический станций, а также сетей

компрессорных и насосных станций напряжением 6-10 кВ.

Изложенное позволяет рекомендовать следующую систему защиты

электрических сетей 6-10 кВ, содержащих электрические двигатели:

•

оснащение нулевой точки сети высокоомным резистором для

исключения опасных перенапряжений при ОДЗ, охватывающих все

оборудование сетей,

• оснащение присоединений с двигателями защитными аппаратами- ОПН

или RC-цепочками, устанавливаемыми преимущественно

непосредственно у двигателей для обеспечения надежной эксплуатации

корпусной и витковой

изоляции статора двигателей при их

коммутациях.

6.5 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ 6

1. Классификация сетей средних классов напряжений с точки зрения

требуемого уровня ограничения перенапряжений. Приведите

допустимые кратности перенапряжений для основного

электрооборудования этих сетей.

Охарактеризуйте основные виды перенапряжений в сетях средних

классов напряжения (до 35 кВ включительно).

Опишите процессы, сопровождающие однофазные дуговые замыкания

на землю (ОДЗ),и поясните причину возможной эскалации

перенапряжений на «здоровых» фазах в этих процессах.

Поясните влияние способа заземления нейтрали сети на эскалацию

перенапряжений (изолированная нейтраль, нейтраль заземлена через

дугогасящий реактор (ДГР), нейтраль заземлена через резистор, в

нейтрали в параллель включены ДГР и резистор).

Охарактеризуйте условия возникновения и существования опасных

феррорезонансных процессов, обусловленных насыщением

магнитопроводов трансформаторов напряжения электромагнитного

типа (ЗНОМ, ЗНОЛ и ЗНОМ).

Как влияет насыщение магнитопровода ТН электромагнитного типа на

уровни перенапряжений, возникающих на «здоровых» фазах при ОДЗ?

Поясните причину возгорания ТН электромагнитного типа при

выполнении условий существования опасного феррорезонанса.

8. Поясните влияние резистора в обмотке ТН, соединенной в открытый

треугольник, и резистора в нейтрали сети на условия существования

опасных феррорезонансных явлений.

Опишите конструктивные особенности антирезонансных

трансформаторов напряжения электромагнитного типа (НАМИ) и

поясните причину нарушения условий существования

феррорезонансных явлений в сетях, оснащенных ТН этого типа.

10.

Сформулируйте требования к заземлению нейтрали генератора в блоках

электрических станций.

11.

Охарактеризуйте электрическую прочность основного

электрооборудования сети генераторного напряжения блока и выберите

допустимый уровень перенапряжений, определяемый наименьшей

электрической прочностью.

12.

Охарактеризуйте систему защиты блока от внутренних и грозовых

перенапряжений. В каких схемах блока требуется защита от грозовых

перенапряжений?

13.

Почему воздействие срезанных грозовых волн особенно опасно для

изоляции оборудования сети генераторного напряжения блока?

14.

Чем Вы объясняете то обстоятельство, что переход грозовых волн через

емкостные связи между обмотками силового трансформатора блока

приводит к более высокому уровню перенапряжений на стороне

низшего напряжения блока по сравнению с уровнем перенапряжений,

обусловленных переходом волн через электромагнитные связи между

обмотками?

15.

Чем отличается динамическая ВАХ ОПН от статической ВАХ

(поясните физику этого различия)?

16.

Охарактеризуйте влияние динамических свойств ВАХ ОПН на уровни

грозовых перенапряжений в сети генераторного напряжения блока.

17.

Поясните влияние дополнительной емкости, устанавливаемой в сети

генераторного напряжения со стороны обмотки низшего напряжения

трансформатора блока, на уровни грозовых перенапряжений.

18.

Опишите систему защиты изоляции электрооборудования блоков

электрических станций от перенапряжений при воздушной и кабельной

перемычках, связывающих трансформатор блока с открытым

распределительным устройством высокого напряжения (ОРУ ВН).

19.

Охарактеризуйте перенапряжения в сетях собственных нужд

электрических станций (а также в электрических сетях компрессорных

и насосных станций на магистральных газо и нефтепроводах),

охватывающие все оборудование ССН. Какие меры ограничения

перенапряжений этого вида с Вашей точки зрения наиболее

предпочтительны?.

20.

Какие расчетные коммутации, связанные с включением двигателей,

необходимо рассмотреть при разработке мер защиты от

перенапряжений, возникающих при включении двигателей? Какие из

этих коммутаций приводят к наибольшим перенапряжениям?

21.

Поясните причину возникновения перенапряжений, возникающих при

отключении двигателей. Какие расчетные коммутации отключения

двигателей обычно принимаются во внимание?

22.

Как связаны характеристики дугогашения в выключателях,

осуществляющих отключение двигателей, с характером процесса,

сопровождающего отключение?

23.

Охарактеризуйте достоинства(и недостатки) применения в ССН

вакуумных выключателей. Какие характеристики вакуумной

дугогасительной камеры (ВДК), в основном, влияют на процесс,

сопровождающийся неоднократными повторными пробоями между

контактами в ВДК?

24.

Какие требования к характеристикам дугогашения в ВДК Вы бы

выдвинули, чтобы избежать повторных зажиганий дуги, а,

следовательно, и эскалации перенапряжений на двигателе?

25.

Какими аппаратами должны быть оснащены кабельные присоединения

с двигателями, чтобы избежать опасных перенапряжений на двигателе

при осуществлении коммутаций включения и отключения двигателей?

26.

Охарактеризуйте систему защиты от перенапряжений в ССН

электростанций, а также в электрических сетях компрессорных и

насосных станций, обеспечивающую надежную эксплуатацию изоляции

электрооборудования во всех возможных эксплуатационных ситуациях

7. ЗАКРЫТЫЕ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ (ЗЭП) ВЫСОКОГО

НАПРЯЖЕНИЯ (ВН) И ИХ ГРОЗОУПОРНОСТЬ

В ТИПОВЫХ СХЕМАХ ПРИМЕНЕНИЯ

7.1 ПОСТАНОВКА ВОПРОСА

Постоянный рост цен на земельные площади в крупных городах, а

также аспекты технического и социального (экологического и

эстетического) характера стимулируют расширение как в мировой, так и в

отечественной практике новых ниш использования закрытых

электропередач (ЗЭП) высокого напряжения (ВН). При этом решение задач

надежного электроснабжения городов с большой концентрацией мощных

потребителей и крупных промышленных центров, а также вывод

мощности с крупных электростанций связано с дальнейшим

совершенствованием ЗЭП, направленным на улучшение их технико-

экономических показателей. В настоящее время на смену традиционным

маслонаполненным кабелям (МНК) среднего давления приходят

кабельные линии (КЛ) нового поколения, использующие в качестве

основной изоляции более прогрессивные диэлектрические материалы. На

современном этапе и в ближайшей перспективе к таким КЛ ВН можно

отнести кабели с пластмассовой изоляцией (КПИ) и газоизолированные

линии (ГИЛ), в которых используются в качестве изоляции сшитый

полиэтилен (СПЭ) и элегаз (SF

). Применение в кабельной технике

изоляционных материалов с улучшенными диэлектрическими и

тепловыми характеристиками позволяет существенно повысить

пропускную способность ЗЭП нового поколения. Например, по сравнению

с МНК предел передаваемой мощности по КПИ 110…220 кВ

увеличивается на 15-20% при одновременном снижении стоимости КПИ

на 20…30%, а пропускная способность ГИЛ 220…500 кВ становится

соизмеримой и даже превышает предел передаваемой мощности по ВЛ.

Прогресс в развитии кабельной техники и основные тенденции

увеличения пропускной способности ЗЭП ВН приведены на рис.7.1.

Как видно из приведенных на этом рисунке блок-схем предел

передаваемой мощности может быть увеличен с помощью различных

средств: улучшения электрических и тепловых характеристик

изоляционного материала, максимально возможного увеличения сечения

токопроводящих жил (ТПЖ) и номинального напряжения, применения

искусственного или косвенного охлаждения, а также использование

эффекта сверхпроводимости [73-77].

Рассмотрим кратко какой же путь в настоящее время и в ближайшей

перспективе технически наиболее приемлем и экономически

целесообразен для выполнения задач глубоких вводов мощности в

городские и промышленные центры, а также для связи ВЛ с открытыми

распределительными устройствами (ОРУ) и с комплектными РУ с

элегазовой изоляцией (КРУЭ) напряжением 110-500 кВ.

Прогресс

кабельной

технологии

Комбинированная

изоляция

Полимерная

твердая изоляция

Газовая изоляция

(SF

+ N

)

Изменение

конструкции

Кабели с БПИ 6 - 10 - 35 кВ

МНК среднего давления 110 - 220 кВ

МВДТ 500 кВ

КПИ из СПЭ

10, 35, 110 и 220 кВ

ГИЛ 220-500 кВ

Криогенные КЛ (ККЛ)

Сверхпроводящие КЛ (СПКЛ)

а)

Повышение пропускной способности ЗЭП ВН

Повышение

напряжения

Увеличение токов

нагрузки

Увеличение

рабочих

температур

Снижение

потерь

в жиле

Уменьшение

диэлектри -

ческих

потерь

Снижение

потерь в

оболочке

Улучшение

тепловых

характеристик

изоляции

Уменьшение

теплового

сопротивл.

изоляции

Естествен.

и искуствен.

теплоотвод в

окруж. среду

ККЛ, СПКЛ ГИЛ КПИ МНК

б)

Рис.7.1 Развитие кабельной техники (а) и пути повышения пропускной

способности (б) закрытых электропередач высокого напряжения

Опыт эксплуатации МНК показал на незначительное повышение их

пропускной способности при максимально возможном увеличении

сечений ТПЖ и номинальных напряжений (не более 400…600 МВт, что

соизмеримо и не превышает мощность современного энергоблока). При

этом с ростом номинальных напряжений и токовых нагрузок утяжеляются

тепловые режимы эксплуатации МНК из-за увеличения толщины изоляции

и, как следствие, увеличения теплового сопротивления, диэлектрических и

активных потерь, потерь в металлических оболочках. Максимальная

температура на поверхности ТПЖ по условиям эксплуатации бумажно-

масляной изоляции не должна превышать 75

С, а на поверхности кабеля –

40…50

С во избежание чрезмерного высыхания почвы и резкого

увеличения ее теплового сопротивления. Например, пропускная

способность МНК 220 кВ не превосходит 200…300 МВА, при этом

улучшение теплового режима работы МНК за счет стабилизации

теплового сопротивления почвы, искусственного или косвенного

охлаждения реально повышает предел передаваемой мощности на

30…40%, что, очевидно, недостаточно для выполнения задачи глубокого

ввода мощности в крупные города и промышленные центры,

характеризующихся плотностями потребляемых мощностей около 10…15

МВт/км

. Наряду с отмеченным дальнейшему применению МНК среднего

давления в этих сферах использования в значительной степени

препятствуют также следующие факторы:

- сложность изготовления кабеля, его монтажа и значительные

эксплуатационные затраты, что определяет высокую стоимость кабеля,

которая во многом зависит от сложности его конструкции;

- высокие требования к квалификации эксплуатационного персонала;

- разгерметизация МНК при проведении монтажных и аварийно-

восстановительных работ приводит к значительным потерям масла и

может явиться причиной экологического загрязнения окружающей среды;

- значительные диэлектрические потери в изоляции МНК и низкая

пропускная способность из-за ограничений, накладываемых допустимым

температурным рабочим режимом;

- и наконец прогресс в совершенствовании конструкции МНК по

улучшению их технико-экономических показателей достиг своего предела.

После некоторого охлаждения в середине 80-х годов

эксплуатирующих организаций к КПИ в последнее время в отечественной

электроэнергетике возобновляется интерес и придается большое значение

промышленному освоению и внедрению в практику кабелей с изоляцией

из сшитого полиэтилена. Это обусловлено принципиальным

усовершенствованием конструкции кабелей и технологии их изготовления,

направленных на обеспечение требуемой эксплуатационной надежности

КПИ в различных режимах их эксплуатации. В частности, достигнут

определенный прогресс по повышению триингостойкости КПИ и

уменьшению влияния на длительную и импульсную электрическую

прочность КПИ таких факторов как термическое старение СПЭ-изоляции,

а также технологически обусловленных факторов – морфологии сшитого

полиэтилена, дефектов, различных включений и внутренних механических

напряжений. В ближайшем будущем отечественная кабельная

промышленность практически полностью перейдет на производство КПИ,

что обусловлено их существенным преимуществом по отношению к

традиционным МНК и кабелям с бумажной пропитанной изоляцией

(БПИ), в частности: повышенной пропускной способностью, сниженными

себестоимостью и монтажно-эксплуатационными затратами. Также

следует отметить, что если конструктивные параметры и технология

изготовления МНК и кабелей с БПИ достигли своего совершенства, то

кабели нового поколения с экструдированной изоляцией на основе

сшитого полиэтилена (XLPE) имеют хорошую перспективу для улучшения

их потребительских свойств.

В развитых странах КПИ практически вытеснили с кабельного рынка

кабели с бумажно-масляной изоляцией в сетях напряжением до 220 кВ, в

отечественной же электроэнергетике эта тенденция набирает силу.

Следует отметить, что ниша использования КПИ в настоящее время

ограничивается номинальным напряжением 220 кВ, поскольку

использование монолитного полимерного изоляционного материла из СПЭ

на более высокие номинальные напряжения вносит определенные

затруднения. В противоположность МНК, где локальные дефектные

пустоты в диэлектрике, не превышающие толщины бумаги, заполнены

изолирующим маслом, в СПЭ-изоляции на стадии изготовления возможно

возникновение воздушных микрополостей, внутренних механических

напряжений, попадание загрязняющих включений, что приводит к

снижению электрической прочности и сокращению срока службы КПИ.

Вместе с тем положительные тенденции по совершенствованию

технологии изготовления изоляционной системы КПИ позволяют

надеяться в обозримом будущем на их применение и на более высокие

номинальные напряжения.

КПИ для распределительных сетей средних классов напряжения 10-35

кВ и сетей номинальным напряжением 110-220 кВ являются относительно

новым (по крайне мере для отечественной электроэнергетики) видом

закрытых электропередач. В ближайшем времени основными нишами

применения КПИ 110-220 кВ в основном станут городские

распределительные сети в мегаполисах, а также использование КПИ в

схемах последовательного соединения ВЛ с ОРУ (или КРУЭ) вследствие

соизмеримости пропускной способности ВЛ и КПИ.

В начале 80-х годов в прогнозах на начало XXI века указывались

величины передаваемой мощности по ЗЭП ВН до 6…10 ГВт на одну цепь.

В последние годы оценки этих прогнозов пересматриваются и

высказываются предположения о том, что предельные значения

передаваемой мощности не будут превышать 2…3 ГВт на один канал

электропередачи, что обусловлено жесткими требованиями по

обеспечению необходимой надежности при транспорте больших

мощностей. Поскольку потребности в ЗЭП весьма большой пропускной

способности в обозримом будущем не возникнет, то в настоящее время

ведутся лишь теоретические и экспериментальные исследования по

разработке и созданию опытно-промышленных образцов криорезистивных

(гиперпроводящих) и сверхпроводящих кабельных линий.

В последние годы в зарубежной электроэнергетике большой интерес

проявляют к ЗЭП нового типа – газоизолированным линиям.

Использование в качестве электрической изоляции элегаза, обладающего

хорошими электроизоляционными, дугогасительными, теплоотводящими

и физико-химическими свойствами, дает ГИЛ ряд преимуществ по

отношению к КЛ традиционного исполнения. В частности у ГИЛ в 3…5

раза выше пропускная способность, низкие активные и диэлектрические

потери, меньшие зарядная мощность и внутреннее тепловое

сопротивление. Современные конструкции ГИЛ трехфазного исполнения

номинальным напряжением 500 кВ могут передавать мощность 1…3 МВА,

что соизмеримо и превышает пропускную способность ВЛ 500 кВ, при

этом поперечные габариты экологически чистого канала передачи

электроэнергии уменьшаются в 80…100 раз.

Двадцатилетний зарубежный опыт эксплуатации первых опытно-

промышленных ГИЛ доказал их право на жизнь. В этой связи в

зарубежной электроэнергетике возобновляется, а в России начинают

проявлять, интерес к более широкому практическому внедрению ГИЛ. Это

обусловлено положительными тенденциями в развитии научно-

технического прогресса в области материаловедения и технологии

изготовления ГИЛ, направленных на усовершенствование изоляционной

системы ГИЛ, повышение их экономичности и эксплуатационной

надежности в различных режимах их эксплуатации. Например, достигнут

существенный прогресс по улучшению формы и материала

диэлектрической распорки-изолятора из эпоксидных композитов, который

позволяет практически избежать развития поверхностного разряда по

границе раздела сред элегаз-твердый диэлектрик. Это дает возможность

при использовании защитных аппаратов с глубоким ограничением

перенапряжений несколько уменьшить поперечные габариты ГИЛ и, как

следствие, снизить их стоимостные показатели, поскольку в настоящее

время себестоимость ГИЛ выше в 8…10 раз по отношению к ВЛ того же

класса напряжения [77].

Для зарубежной электроэнергетики ГИЛ 220-500 кВ являются

сравнительно новым видом ЗЭП, в отечественной же энергетике

практического применения ГИЛ пока не нашли из-за относительно

высокой себестоимости. Поэтому в России, где географическая и

экономическая ситуации несколько иные, применение достаточно дорогих

ГИЛ скорее всего будет носить индивидуальный характер, что потребует

тщательного технико-экономического обоснования и будет оправдано

лишь при невозможности использования ВЛ по техническим либо

экологическим соображениям, а также по соображениям энергетической

безопасности и при необходимости передачи мощности, в несколько раз

превышающей пропускную способность КЛ традиционного исполнения.

В настоящее время отечественная электроэнергетика вплотную

подошла к необходимости радикального технического перевооружения

парка высоковольтного электрооборудования и линий электропередачи.

Очевидно, что основные концепции технического перевооружения должны

базироваться не только на продлении срока службы физически и морально

устаревшего оборудования, но и его замене на более прогрессивное

оборудование, сочетающее в себе экономичность, необходимую

эксплуатационную надежность, экологическую безопасность,

компактность, повышенный ресурс эксплуатации и минимальное

обслуживание эксплуатационным персоналом.

Широкое внедрение в электроэнергетику ЗЭП нового поколения

может быть осуществлено при условии их технической и коммерческой

приемлемости, что обуславливает необходимость учета трех

взаимосвязанных и достаточно противоречивых факторов: пределом

передаваемой мощности, надежностью эксплуатации и стоимостью ЗЭП

(включающих себестоимость изделия и эксплуатационные издержки).

Среди многочисленных научно-технических проблем, которые

необходимо решить для обеспечения экономичности и необходимой

эксплуатационной надежности КПИ и ГИЛ, важное значение играет

технико-экономическая координация изоляции с воздействующими в

процессе эксплуатации грозовыми перенапряжениями и характеристиками

защитных аппаратов.

Применение современных защитных аппаратов - нелинейных

ограничителей перенапряжений (ОПН), позволяющих осуществлять

глубокое ограничение перенапряжений, а также положительные тенденции

по совершенствованию диэлектрических характеристик изоляции КПИ и

ГИЛ позволяют ставить на повестку вопрос о «приведении к норме

изоляции», т.е. выбору уровня изоляции, исходя из воздействия

наибольшего рабочего напряжения. Для уменьшения поперечных

габаритов КПИ и ГИЛ и, как следствие, снижения их стоимости,

необходимо корректно осуществить технико-экономическую координацию

изоляции, предусматривающую такие меры по ограничению грозовых

перенапряжений, при которых поперечные габариты ЗЭП, выбранные по

условию нормального режима эксплуатации, будут также обеспечивать

требуемую эксплуатационную надежность и при воздействии грозовых

перенапряжений.