Исследование режимов работы нелинейных ограничителей перенапряжений при дуговых замыканиях на землю в сетях с изолированной нейтралью

Одним из важнейших направлений развития энергетики на современном этапе является задача повышения надежности сетей с изолированной нейтралью, в том числе сетей собственных нужд электрических станций, поскольку от безотказной работы основного и вспомогательного технологического оборудования последних в большой степени зависит безаварийность и эксплуатационная гибкость работы всей электроэнергетической системы. Однако, как показывают исследования, повреждаемость высоковольтного оборудования, в том числе высоковольтных электродвигателей при отсутствии в таких сетях специальных защитных устройств, остается довольно высокой [2, 4, 5−8, 9, 10 и др.]. При этом большую часть выходов из строя составляют повреждения из-за электрических воздействий на изоляцию — до 95%, в том числе и при перенапряжениях. На долю же выходов из строя двигателей, обусловленных механическими повреждениями и упущениями в эксплуатации, приходится от 2 до 4% общего числа повреждений.

Одной из причин высокой повреждаемости высоковольтных двигателей (ВД) является отсутствие правильной координации изоляции последних. Под этим понимается установление и поддержание в процессе эксплуатации необходимого соответствия между электрической прочностью изоляции и воздействующими на нее перенапряжениями с учетом характеристик защитных устройств [3].

Сети 6−35 кВ практически не защищаются от внутренних перенапряжений с помощью защитных аппаратов [151]. Устанавливаемые в этих сетях вентильные разрядники специально отстраиваются от внутренних перенапряжений из-за ограниченной пропускной способности рабочих сопротивлений аппаратов.

Наиболее перспективными устройствами, способными решать данную задачу, являются нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН) на базе нелинейных оксидно-цинковых варисторов [24, 35, 36, 42, 51, 65, 74 и др.]. Такие устройства не имеют искровых промежутков, что обуславливает лучшие защитные характеристики ОПН по сравнению с вентильными разрядниками и позволяет достигать более глубокого ограничения перенапряжений.

Для сетей с заземленной нейтралью (110 кВ и выше) отечественной промышленностью ОПН выпускаются серийно, причем имеется уже достаточно большой положительный опыт их эксплуатации [35, 74, 75, 80, 81, 150]. Значительно сложнее обстоит дело с разработкой таких защитных аппаратов для сетей с изолированной нейтралью или заземленной через дугогасящий реактор. В этих сетях в случае замыкания на землю одной из фаз напряжения на фазной изоляции электрооборудования могут повышаться до наибольшего линейного значения. В некоторых случаях в этих сетях возможны повышения напряжений, связанные с резонансными и феррорезонансными явлениями. Это существенно затрудняет разработку защитных аппаратов, повышает требования к характеристикам и снижает эффективность применения. Тем не менее, как будет показано далее, при обоснованной полноте использования свойств оксидноцинковых варисторов и учете особенностей работы сетей различного назначения разработка новых защитных аппаратов оказывается целесообразной и для сетей 6−35 кВ. Это подтверждается тем, что ряд зарубежных фирм уже выпускают разрядники без искровых промежутков для распределительных сетей [9]. Начат выпуск ОПН 6−35 кВ и отечественными производителями, хотя методика их применения до конца не отработана.

Исследованию режимов работы ОПН в сетях с изолированной нейтралью посвящен ряд работ [35, 36, 65, 77, 79, 92 и др.], в которых рассматриваются возможности создания ОПН на базе варисторов отечественного производства различных модификаций, а также возможности применения ОПН зарубежных фирм. Авторы ставят вопросы обоснования необходимой пропускной способности варисторов по току, определения рассеиваемой в них энергии, обосновывают длительно допустимые уровни напряжения в сетях собственных нужд электрических станций и ряд других вопросов. В некоторых работах авторами затрагиваются проблемы выбора характеристик ОПН для сетей с изолированной нейтралью, делаются попытки анализа условий работы ОПН в таких сетях при возникновении в них замыканий на землю, рассматриваются вопросы, связанные с возможностью группового применения ОПН [4, 66]. Однако, в этих работах не дается полного анализа происходящих процессов с точки зрения расходования энергетического ресурса ОПН, отсутствуют материалы опытно-экспериментальных исследований энергии, рассеиваемой ОПН в режиме замыкания одной из фаз сети на землю.

В последнее время широко внедряются вакуумные выключатели. Особенно там, где требуется частая коммутация электрооборудования 6−35 кВ. Это обусловлено их преимуществами перед другими типами выключателейбольшим механическим ресурсом, простотой эксплуатации, экологической безопасностью, малыми массой и габаритами, пожаробезопасностью. Однако вакуумные выключатели 6−35 кВ обладают и существенным недостатком. Они способны инициировать повышенные перенапряжения при коммутациях индуктивных элементов (трансформаторов, электродвигателей) [20, 21, 24]. Это связано со срезом отключаемого ими тока и повторными зажиганиями дуги при расхождении контактов. В связи с этим актуальным становится вопрос о возможности использования ОПН для защиты оборудования от указанных воздействий.

Актуальность исследований режимов работы ОПН подтверждается и отсутствием достоверной исчерпывающей информации об эффективности работы последних в реальных сетях, об уровнях токов через них в различных режимах работы, об интенсивности расхода их энергетического ресурса и т. д. Все это в целом мешает широкому внедрению указанных аппаратов в сетях с изолированной нейтралью [139, 151].

4.5. Выводы.

1. ОПН-6 на базе варисторов диаметром 28 мм способны рассеивать в течение короткого промежутка времени энергию 12 кДж без значительных изменений характеристики.

2. Время восстановления характеристики ОПН-6 на базе варисторов диаметром 28 мм после воздействия на них комплекса негативных факторов и рассеивания энергии 12 кДж не превышает двух часов.

3. Энергетическая стойкость ОПН-6 на базе варисторов диаметром 45 мм значительно превосходит аналогичную величину для ОПН-6 на базе варисторов диаметром 28 мм.

4. Энергию единичного импульса ограничения с точностью до 20% можно определить с помощью приближенных формул, приведенных в данной главе. Ее точность зависит от наличия тех или иных параметров режима работы ОПН.

5. Результаты статистической обработки данных, полученных с помощью регистраторов, установленных в различных сетях, дают право предполагать, что при доверительной вероятности 0,95 величина энергии, выделившаяся на варисторах ОПН с С1р = 2,7511 ф т за время существования одного замыкания на землю не превысит значения 8 кДж, что является безопасной величиной.