автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Исследование режимов работы нелинейных ограничителей перенапряжений при дуговых замыканиях на землю в сетях с изолированной нейтралью

На правах рукописи УДК 621.311

ВЫЧЕГЖАНИН Андрей Владиславович

РГЦ од

1 7 ИП" 2000

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ НЕЛИНЕЙНЫХ ОГРАНИЧИТЕЛЕЙ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ДУГОВЫХ ЗАМЫКАНИЯХ НА ЗЕМЛЮ В СЕТЯХ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ

Специальность 05.14.02 - "Электрические станции (электрическая часть),

сети, электроэнергетические системы и управление ими"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2000

Работа выполнена на кафедре "Электроэнергетические системы" Вятского государственного технического университета.

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент Ю. Ф. Васюра

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Ф.Х. Хапипов,

кандидат технических наук, доцент А.И. Таджибаев.

Ведущая организация - ОАО "Кировэнерго" (г. Киров).

Защита состоится " " _2000 г. в часов

в ауд. J?■2S главного здания на заседании диссертационного совета К 063.38.24 Санкт-Петербургского государственного технического университета (195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29).

Отзывы на автореферат просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря совета.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке университета.

Автореферат разослан " " ду^оо/? £ 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета В.А. Масленников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из важнейших направлений развития электроэнергетики на современном этапе является решение задачи повышения надежности сетей с изолированной нейтралью, в том числе сетей собственных нужд (с.н.) электрических станций, поскольку от безотказной работы основного и вспомогательного технологического оборудования последних в большой степени зависит безаварийность и эксплуатационная гибкость работы систем в целом. Однако, как показывают исследования, повреждаемость высоковольтного оборудования, в том числе высоковольтных двигателей (ВД) в этих сетях, остается довольно высокой. При этом бблыную часть выходов из строя составляют повреждения, возникающие из-за электрических воздействий на изоляцию - до 95 %, в том числе и при перенапряжениях.

Одной из причин высокой повреждаемости ВД является отсутствие координации уровня изоляции последних с уровнем воздействующих на нее перенапряжений при отсутствии в этих сетях специальных защитных устройств, которые могли бы обеспечить такую координацию.

Одним из перспективных устройств, которые могут решить эту проблему, являются нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН) на базе нелинейных оксидно-цинковых варисторов, так как они не имеют искровых промежутков, что обуславливает их лучшие защитные характеристики по сравнению с вентильными разрядниками и позволяет достигнуть 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. 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 их характеристикам и снижает эффективность их применения. Тем не менее, как будет показано далее, при обоснованной полноте использования свойств оксидно-цинковых варисторов и учете особенностей работы сетей различного назначения разработка новых защитных аппаратов оказывается целесообразной и для сетей 6-35 кВ.

Актуальность темы исследований подтверждена материалами совещания "Эксплуатация, производство и перспективы развития защитных аппаратов 0,535 кВ", проходившего в октябре 1997 г. в Санкт-Петербурге по инициативе Департамента электрических сетей РАО "ЕЭС России", АООТ "НИИ Электрокерамика" и АООТ "Корниловский фарфоровый завод" при поддержке и содействии Петербургского энергетического института повышения квалификации Минтопэнерго, где обсуждались в том числе и вопросы, связанные с пробле-

мами защиты электродвигателей собственных нужд электростанций путем глубокого ограничения перенапряжений с использованием новых разработок в области ОПН 0,5-35 кВ. На необходимость дальнейшего проведения исследований в этом направлении указано также в перечне приоритетных работ по приказу № 288 от 31.12.98 РАО "ЕЭС России".

Цели работы.

1! Теоретическое и экспериментальное исследование режимов работы ОПН в

сетях с изолированной нейтралью при дуговых замыканиях на землю. 2. Статистический анализ потока перенапряжений, сопровождающих дуговые замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью, количества и амплитуд импульсов токов через варисторы ОПН, установленных в этих сетях, при каждом таком замыкании, а также энергии, выделяющейся в них в указанных режимах.

Для достижения поставленных целей в работе решены следующие задачи:

♦ сформулированы основные технические требования к устройствам, позволяющим осуществлять автоматическую регистрацию процессов, происходя. щих в реальных сетях;

♦ разработана и сконструирована специальная аппаратура, отвечающая сформулированным техническим требованиям;

♦ произведена оценка возможного влияния электромагнитных полей, существующих в местах установки приборов, на достоверность получаемой информации;

♦ произведено обследование некоторых из сетей 6 кВ с помощью разработанной аппаратуры;

♦ проведен выбор способа оценки величины энергии, рассеиваемой ОПН при ограничении им импульсов перенапряжений, и выполнена статистическая обработка полученных результатов.

Методы исследований. В работе использованы аналитические и численные методы исследования, которые выполнялись на проверенных многолетним опытом математических моделях для компьютерных программ "RVP" и "TRIADA", разработанных в Санкт-Петербургском государственном техническом университете. Теоретические результаты подтверждены экспериментами на специальных установках и в действующих сетях.

Научная новизна диссертационной работы. С помощью специально разработанной аппаратуры получена информация о реальных режимах работы ОПН при установке их в сетях с изолированной нейтралью, что позволяет уточнить требования к энергетическому ресурсу ОПН, предназначенных для защиты ВД от коммутационных перенапряжений.

Практическая ценность. Результаты исследования величин энергии, рассеиваемой в варисторах ОПН, работающих в сетях 6 кВ с изолированной нейтралью с.н. электростанций, позволяют более объективно сформулировать технические требования к ОПН для этих сетей и подтверждают техническую целесообразность их применения для защиты ВД от перенапряжений.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на региональных конференциях "Наука-ПроТЭк", проходивших в 1998, 1999 и 2000 гг. в г. Кирове, а также на научно-технической конференции "Выпуск и применение средств защиты и повышения надежности электрооборудования в электроэнергетике", проводимой РАО "ЕЭС России" и ОАО "Кировэнерго" 19-21 января 1999 года в г. Кирове.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, которые приведены в списке публикаций.

Структура и объем диссертации. Диссертация включает введение, 4 главы, заключение, список литературы из 151 наименования и 3 приложения, в т.ч. акты внедрения. Основной материал изложен на 125 страницах машино-= писного текста, иллюстрируется б таблицами и 38 рисунками.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена актуальность темы и очерчен круг вопросов, которые исследуются в диссертации.

В первой главе формулируются основные задачи исследования и приводится краткий анализ условий работы ВД и их повреждаемости. Как показывает анализ литературных источников и результаты обследований некоторых электростанций, уровень повреждаемости ВД собственных нужд достигает 16 % от общего числа установленных, причем большая часть приходится на повреждения при электрических воздействиях, что свидетельствует об отсутствии правильной координации уровня их изоляции.

Обзор информации о возникающих в сетях с изолированной нейтралью перенапряжениях показал, что в указанных сетях могут возникать перенапряжения различного характера и кратности. Так на изоляцию ВД в процессе их эксплуатации могут воздействовать перенапряжения 4-5 (Уф т, что значительно выше

уровня изоляции (2,7-2,9 1)ф т), поддерживаемого профилактическими испытаниями.

Как известно, перенапряжения возникают по разным причинам и их параметры зависят от множества факторов. Так при коммутациях включения ВД могут возникать перенапряжения, превышающие величину L1ф т в 3-5 раз.

При этом импульсы перенапряжений можно охарактеризовать частотами 100250 кГц. При коммутациях отключения ВД в различных режимах перенапряжения могут достигать величины З-б 11ф т. Природа возникновения таких перенапряжений подробно описана в литературе и определяется наложением импульсов различной частоты друг на друга. Так для наиболее характерных случаев на импульсы с частотой 15 кГц накладываются высокочастотные импульсы перенапряжений (100-250 кГц).

Особое место при рассмотрении перенапряжений, возникающих в сетях с изолированной нейтралью, занимают вопросы, связанные с режимом дугового однофазного замыкания на землю. Как известно, указанный режим является

достаточно частым. При этом возникающие перенапряжения охватывают всю сеть, а сеть в этом режиме может работать длительное время. Кратности импульсов перенапряжений, воздействующих при этом на изоляцию ВД, оцениваются на уровне 3,2-3,5 1!фт, однако их опасность заключается в сравнительно большой длительности (1-10 кГц) и возможности многократных повторений в течение небольшого промежутка времени. Учитывая же, что переходный процесс охватывает всю сеть, вероятность приложения повышенного напряжения к элементу с ослабленной изоляцией сравнительно велика.

В связи с вышесказанным задача разработки новых и усовершенствования имеющихся средств защиты от перенапряжений для этих сетей весьма актуальна. Одним из перспективных направлений в этом смысле является применение ОПН. Однако их внедрение в указанных сетях затруднено в связи с отсутствием исчерпывающих данных о режимах их работы при дуговых замыканиях на землю, отсутствием единой методики подхода к выбору характеристик ОПН, обоснования оптимальных характеристик в зависимости от защищаемого объекта и места установки ОПН в сети.

Рядом исследований было доказано, что определяющим в выборе характеристик ОПН для указанных сетей является режим ограничения ими перенапряжений при дуговых замыканиях на землю. В связи с этим необходим статистический анализ частоты появления дуговых замыканий на землю, потока импульсов перенапряжений, сопровождающих эти замыкания, количества и амплитуд импульсов токов через ОПН при каждом замыкании, а также величин энергии, выделяющейся в варисторах ОПН в указанном режиме. Последний из перечисленных параметров является важным также с точки зрения определения срока службы ОПН, что в свою очередь является одним из показателей, характеризующих, с одной стороны, эффективность и, с другой стороны, надежность работы ограничителей.

Оценка величины энергии, выделяющейся в ОПН при дуговых замыканиях на землю, может быть осуществлена аналитически, численно и экспериментально. Первые два способа требуют наличия определенной статистической информации, которая в настоящее время практически отсутствует. Поэтому в представляемой работе принята экспериментальная методика. Она базируется на измерении параметров перенапряжений в сетях до установки ОПН и параметров токов через варисторы ОПН при их наличии. И в первом и во втором случаях экспериментальная регистрация предполагается в местах, непосредственно связанных с местом установки ОПН.

Следует отметить, что экспериментальная регистрация как импульсов перенапряжений, так и импульсов токов в высоковольтных сетях, сопряжена с большими проблемами электромагнитной совместимости регистрирующей аппаратуры с мощными помехами, источниками которых являются основное и вспомогательное оборудование электроустановок, излучающее высокочастотные и низкочастотные поля разной интенсивности. Кроме того, источниками помех могут являться и процессы в цепях питания, особенно, когда последние

так или иначе связаны с объектом измерения. Поэтому при разработке регистрирующей аппаратуры особое внимание было уделено вопросам ее помехозащищенности.

Во второй главе проведен анализ условий работы ОПН в сетях с изолированной нейтралью, оценены уровни токов ограничения с учетом параметров сети и мест установки ОПН, определены технические требования к регистрирующей аппаратуре.

Важнейшей задачей обоснования условий применения ОПН в сетях с.н. электростанций является выбор их оптимальной характеристики. Исходя из условий координации изоляции ВД, как наиболее слабого звена из всего перечня применяемого в этих сетях электрооборудования, уровень ограничения коммутационных перенапряжений всех видов, обеспечиваемый ОПН, не должен превышать 2,7-2,9 Цф т. Однако, учитывая возможность повышения напряжения

на фазах в этих сетях до линейного, а также возможность возникновения повышений напряжения при феррорезонансных явлениях, сбросах нагрузки генераторов и т.п., применение ОПН с указанными характеристиками для защиты ВД в сетях с.н. требует более детальной проработки.

Особенностью ОПН является то, что в результате отсутствия у них искровых промежутков, через их варисторы в нормальном режиме и в условиях различного рода повышений напряжения протекают токи проводимости, которые в зависимости от их величины могут способствовать ускоренному старению материала и, в конце концов, их разрушению. Поэтому при обосновании характеристик ОПН для сетей с изолированной нейтралью важное место занимает не только анализ расхода их ресурса в зависимости от воздействия на варисторы коммутационных импульсов токов ограничения, но и определение их надежности работы по совокупности воздействия всех факторов, в том числе и повышений уровней напряжений.

Таким образом, можно сформулировать три основных условия, которые определяют работу ОПН в сетях с изолированной нейтралью. ОПН должны без разрушения выдерживать воздействие на них импульсов токов при ограничении коммутационных перенапряжений с кратностью до 3-6 Уф т - ОПН должны без разрушения выдерживать воздействия на них за короткий промежуток времени большого количества импульсов токов ограничения коммутационных перенапряжений с кратностью до 3-3,5 вызванных циклами зажигания-

гашения дуги при замыканиях на зем_лю одной из фаз. Характеристика ОПН не должна изменяться в значительной мере при воздействии на них повышенных напряжений различного характера, имеющих место в рассматриваемых сетях, в течение гарантированного срока службы.

Основное внимание уделено экспериментальным измерениям в реальных сетях, так как статистические характеристики процессов горения перемежающихся дуг в точках замыкания на землю практически отсутствуют, что препятствует созданию достоверных моделей для аналитического и численного изу-

чения количественных характеристик энергетической насыщенности воздействий на ОПН в процессе каждого из замыканий на землю.

Для определения параметров и настроек регистрирующей аппаратуры в работе проанализированы формы и амплитуды импульсов токов через ОПН при ограничении ими различных видов перенапряжений в случае установки их в разных точках сети (на зажимах ВД, на сборных шинах, в нескольких точках). Выявлено, что наибольшего воздействия на ОПН можно ожидать в случае установки последних на сборных шинах при ограничении перенапряжений в результате перемежающихся дуговых замыканиях на землю. В этом случае амплитуда тока зависит от входных эквивалентных параметров сети по отношению к ОПН, тогда как в других случаях фактором, ограничивающим токи, выступает последовательно включенное волновое сопротивление кабелей присоединений.

При установке ОПН в сетях с емкостным током замыкания на землю до 30 А амплитуды токов, полученные аналитически и численно для условий ограничения перенапряжений при дуговых замыканиях на землю достигали 500 А. При ограничении перенапряжений в случае коммутаций ВД амплитуды токов могут достигать 1000 А. Однако такие импульсы имеют малые длительности (тц = 4 мкс), а их воздействия носят единичный характер. Поэтому они не могут в значительной мере влиять на расход ресурса ограничителей.

В третьей главе сформулированы основные технические требования, предъявляемые к аппаратуре для регистрации параметров переходных режимов дуговых замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью, приведены блок-схемы разработанной аппаратуры с описанием работы приборов, даны технические характеристики регистраторов. Большое внимание уделено вопросам помехозащищенности приборов, работающих в автоматическом режиме.

В соответствии с результатами исследований, полученными в первых двух главах, сформулированы следующие технические требования к регистрирующей аппаратуре. Регистрирующие приборы, называемые в дальнейшем регистратором перенапряжений и' регистратором импульсов токов, должны допускать фиксацию импульсов частотой до 250 кГц (ти= 4 мкс) с амплитудой перенапряжений до 4,5-5 Уфп,, а токов до 300 А. Кроме того, учитывая существующее мнение о возможности при дуговых замыканиях на землю ежеполу-периодной повторяемости перенапряжений, такие регистраторы должны иметь частоту срабатывания не ниже 100 Гц.

При разработке регистраторов должны быть учтены и другие условия. Регистраторы с устройствами, посредством которых они подключаются к сети, не должны влиять на характер процессов в сети, подключающие устройства не должны искажать поступающих на регистраторы сигналов, должны сохранять без искажения имеющуюся информацию при потере питания.

Важным с точки зрения получения достоверной информации требованием к регистраторам является требование к их помехозащищенности, т.е. устойчивости устройств к воздействию внешних и внутренних помех, возникающих в процессе их эксплуатации. Особую остроту проблема приобретает в закры-

тых помещениях электрических станций ввиду близкого размещения мощного электротехнического оборудования и электронной аппаратуры.

Электромагнитная обстановка в рассматриваемой области пространства может быть определена как совокупность электромагнитных полей этой области, влияющих на качество функционирования электронной аппаратуры. Вблизи мощного электротехнического оборудования напряженность поля низкой частоты может достигать величины 3000-6000 А/м. Кроме магнитных полей частотой 50 Гц в основных технологических помещениях электрических станций могут присутствовать магнитные поля других частот, создаваемые вторичными источниками магнитного поля. Таковыми могут являться тиристорные преобразовательные установки с соединительными кабелями, силовые кабели осветительной сети и т.д.

При типовом расположении оборудования напряженность поля в местах установки контрольно-измерительной аппаратуры достигает величины 3001000 А/м в нормальном режиме работы основного технологического оборудования. При возникновении аварийной ситуации, например, при коротком замыкании, ток в элементах схемы возрастает в 4-6 раз, соответственно возрастает и напряженность поля. Учитывая тот факт, что компоновка многих электрических станций сходна, а' также то, что на станциях используется однотипное оборудование, можно сделать вывод о величине и частотном диапазоне мощных электромагнитных полей, существующих на любой станции. При этом электромагнитную обстановку в местах предполагаемой установки регистрирующей аппаратуры необходимо охарактеризовать как предполагаемую неблагоприятную.

При конструировании аппаратуры для осуществления автоматической регистрации процессов, происходящих в сетях собственных нужд электрических станций в режиме дуговых замыканий на землю одной из фаз, учитывались все перечисленные выше факторы. Однако, необходимо указать и на дополнительные источники мешающих воздействий, характерных для такого рода регистраторов. Наличие таких дополнительных источников обусловлено рядом условий, в которых работает аппаратура:

• обеспечение необходимой чувствительности по входу измеряемого и регистрируемого сигнала;

• частотный диапазон измеряемых величин достаточно широк, что приводит к определенным трудностям при разделении полезного сигнала и помехи, существующей в данной области пространства.

• режим работы регистраторов - ждущий, а т.к. последние находятся в работе длительный промежуток времени, то вероятность воздействия различного рода помех на такие аппараты чрезвычайно высока.

• регистрирующая аппаратура получает питание из сети 0,4 кВ собственных нужд станции, которая, в свою очередь, имеет трансформаторную связь с исследуемой сетью. От этой же сети получают питание потребители собственных нужд электростанции, которые можно рассматривать как источники различного рода помех.

• по технологическим соображениям регистраторы необходимо устанавливать в непосредственной близости от дополнительных источников электромагнитных помех, к которым в конечном итоге необходимо отнести и такие элементы, как ОПН. Ограничитель перенапряжения можно рассматривать как аппарат, через который при. определенных условиях проходит импульс тока с большой амплитудой, поэтому о нем необходимо говорить как об источнике импульсной электромагнитной помехи.

• корпуса всех элементов, входящих в состав регистратора с точки зрения электробезопасности должны быть заземлены, т.е. электрически соединены с элементами, которые можно рассматривать в качестве вторичных источников электромагнитных помех.

Необходимо также учитывать и мешающее влияние высокочастотных полей, образующихся вблизи стенок шкафов, т.к. одним из предполагаемых мест установки приборов может быть верхняя крышка ячеек КРУ, электрически соединенная со шкафами тиристорных преобразователей. В случае же расположения шинного короба в верхней части помещения распределительного устройства собственных нужд регистратор оказывается в непосредственной близости от корпуса шинного короба.

С учетом предполагаемых способов подключения регистратора перенапряжений к исследуемой сети его входное сопротивление должно быть не менее 200 кОм. Принцип действия автоматического регистратора сводится к квантованию импульсов перенапряжений по уровню, селекции уровня по наибольшему значению и фиксации полученной информации при помощи счетчика. Дня счета импульсов использован магнитоэлектрический счетчик типа СИШ-100, применение которого предопределено его способностью сохранять информацию при исчезновении напряжения питания.

Регистратор перенапряжений подключается к токоведущей шине 6-10 кВ через входное устройство, в качестве которого может быть использован, например, емкостный делитель напряжения 1. Верхнее плечо делителя 1 с учетом частот регистрируемых величин должно составлять 500 пФ. Выпрямительный мост 2 является согласующим устройством. К его выходу подключены параллельно соединенные входы компараторов напряжения 3. Их вторые входы подключены к опорному напряжению ивп через последовательно соединенные переменные резисторы. Такое соединение обеспечивает плавное изменение уровня срабатывания каждого из компараторов напряжения при гарантированной очередности их срабатывания от низшего уровня к высшему. Выходы компараторов напряжения присое-

Рисунок 1 - Блок-схема автоматического регистратора перенапряжений

динены к установочным входам триггеров 4. Необходимость использования промежуточной памяти обусловлена тем, что длительность импульса перенапряжения может быть весьма малой - з пределах десятка микросекунд, длительность же импульса, необходимого для срабатывания счетчика СИШ-100 находится в пределах 5 мс. Таким образом триггер в данном устройстве используется для согласования времени срабатывания счетчика с длительностью импульса перенапряжения. Для возврата в исходное состояние триггеров служит ждущий мультивибратор 5. Ждущий мультивибратор запускается от компаратора напряжения низшего уровня и вырабатывает импульс длительностью, равной времени срабатывания счетчика. Выходы триггеров 4 подключены к шифратору приоритета - логическому устройству, пропускающему импульс на срабатывание счетчика, соответствующего высшему из сработавших уровню перенапряжения. Выходной импульс шифратора приоритета усиливается усилителем 7 и подсчитывается счетчиком 8.

Уровень регистрируемого перенапряжения определяется как кратность по отношению к действительному напряжению сети.

Созданный по описанной блок-схеме регистратор имеет следующие характеристики:

1) частота срабатывания устройства, Гц 100

2) диапазон частот единичного регистрируемого импульса, кГц 0,05+300

3) время задержки сигнала от входа до выхода на счетчик импульсов, мкс 0,25

4) число регистрируемых уровней 5

5) число фаз 3

6) кратность регистрируемых перенапряжений (1,0^-5,0)

7) длительность входного импульса, мкс 4

8) длительность паузы между выходными импульсами, мс 6

9) напряжение питания, В 220 ± 10 %

10) допустимая амплшуда входного сигнала амплитудного дискриминатора, В 330

11)допустимое напряжение на входе устройства в нормальном режиме (действующее значение), В

12) габариты устройства, мм

13)масса, кг Подключение регистратора к

сети 6-10 кВ может осуществляться с помощью делителя напряжения (рис. 2,а), либо трансформатора напряжения (рис. 2,6). При использовании трансформатора напряжения регистратор подключается к обмоткам низшего напряжения по схеме "звезда с заземленной нейтралью".

Принцип, положенный в основу работы регистратора перенапряжений, использован и для регистрации амплитуд токов, при этом им-

40

650x420x350 20

Ши

а

Регистратор перенапряжений

Регистратор перенапряжений

Рисунок 2 - Схема подключения регистратора перенапряжений к исследуемой сети: а) с делителем напряжения (схема для одной фазы, для других фаз - аналогично), б) с трансформатором напряжения

пульсы токов через ОПН преобразовываются в импульсы напряжений с сохра-

Рисунок 3 - Блок-схема регистратора амплитуд импульсов тока

нением формы импульсов. Устройство измеряет амплитуды токов, находящихся в диапазоне от 20 до 300 А с длительностью импульса от 5 мке до 10 мс. Вывод информации осуществляется в удобной для пользователя форме. Форма эксплуатации прибора - визуальный осмотр со снятием показаний, периодический контроль за работой в течение гарантированного срока.

На рисунке 3 показана блок-схема регистратора амплитуд импульсов токов. Регистратор содержит блок 1 преобразования тока в напряжение, подключенный к трансформатору тока (ТА), выполненному в виде тора, внутри которого пропущен проводник с током. ТА устанавливается последовательно с ограничителем перенапряжений со стороны земли. Блок 2 представляет собой компараторы, блок 3 -промежуточную память, в качестве которой используются триггеры, блок 4 - элементы синхронизации, блок 5 - шифратор приоритета, блок 6 - электронные счетчики. На рисунке также показано: 7 - блок формирования синхроимпульсов, 8 - блок задержки сигнала на сброс триггеров, 9 - система резервного питания.

В качестве преобразователя ток-напряжение в приборе использован преобразователь с операционным усилителем, искусственно создающий режим короткого замыкания во вторичной обмотке ТА. Такое входное устройство с операционными усилителями, обладающими высоким значением частоты единичного усиления, в совокупности с ТА, выполненным на маг-нитнодиэлектрическом сердечнике из альсифера марки ВЧ 22, обладает приемлемой амплитудно-частотной характеристикой.

В один комплект регистратора входят три автономных экранированных блока, три датчика тока, один сетевой фильтр. Схема подключения прибора показана, на рисунке 4. В случае необходимости предусмотрена возможность питания регистратора от аккумуляторной батареи.

бкВ'фЗЗвА'

ёа

б яВ 'фаза В'

Датчик фаза 'А'

6 кВ 'фаза С"

Датчик фаза "8"

^ | Регистратор ф. 7 ' ^Регистратор ф. I

^^Регистратор ф. С]

Датчик фаза "С"

220 В, 5О / V

Фильтр ' распределитель

т

Рисунок 4 - Схема подключения регистратора импульсов тока

Основные характеристики регистратора амплитуд импульсов токов:

1. Число фаз прибора 3

2. Напряжение питания, В 220 ± 10 %

3. Напряжение батареи аккумуляторов, В 9+12 (при необходимости)

4. Число регистрируемых уровней 5

5. Диапазон регистрируемых токов, А 20 + 300

6. Частота регистрируемых импульсов тока, кГц 0,05 + 100

Большое внимание при разработке регистрирующих приборов было уделено их помехозащищенности. Защита регистраторов от воздействия помех организована по ступенчатому принципу. Сначала обеспечивается грубая защита, снижающая уровень мешающих воздействий в цепях регистратора до приемлемых значений (экранирование и т.д.). Затем снижение уровня помех осуществляется с помощью схемотехнических решений (установка фильтров и т.д.).

Трансформатор тока, являющийся датчиком регистратора импульсов тока, помещен в специально разработанный экран, предотвращающий возможность наведения сигнала помех во вторичной обмотке ТА. Для устранения возможности проникновения помех по входу указанного регистратора провода, соединяющие трансформатор тока и регистратор, выполнены витой парой и помещены в двойной экран, имеющий независимые точки заземления.

Для подтверждения работоспособности регистраторов в лабораторных условиях проведена их комплексная проверка как по помехозащищенности, так и на качество функционирования в различных режимах. Проверка проводилась путем моделирования воздействующих факторов с помощью модели реальной системы и постановки экспериментов на этой модели. Критерием оценки являлся факт наличия или отсутствия сбоев в работе устройств.

Приборы прошли испытания на установках, создающих мощные магнитные поля и импульсные перенапряжения, в результате чего выявлена хорошая степень помехозащищенности регистраторов.

Была осуществлена регистрация перенапряжений в сетях с.н. ряда тепловых станций, таких как Троицкая ГРЭС, Кировская ТЭЦ-4, Сырдарьинская ГРЭС, а также в сетях 6 кВ подстанций "Восточная" и "Шевели" СЭС ОАО "Кировэнерго". Поскольку основное внимание было уделено регистрации перенапряжений при дуговых замыканиях на землю, подключение регистратора производилось через трансформатор напряжения. Уровни настройки прибора выбирались для каждого случая на основании предварительного анализа сети.

Зависимость плотности вероятности распределения перенапряжений по кратностям К, превышающим 2,2, полученные в результате статистической обработки результатов регистрации в течение двух лет и трех месяцев на Троицкой ГРЭС (емкостный ток 13,4 А), можно представить полиномом вида: <р(К) = 1,560509 • 10б + 1,075244 • Ю10 • К -5,31-Ю10 • К2 -

-5,743924-1012 -К3 + 0,3043483-К5 - 2,238145'Ю-2 -К6.

Аналогичные исследования, проведенные на Сырдарьинской ГРЭС (сеть с емкостным током 7,5 А), позволили получить зависимость, которая для кратностей перенапряжений, превышающих 1,93, можно описать полиномом:

<р(К) = 1,79098 • 106 + 5,117932-Ю10 •/С -1,844734 • 10й •К2 + '

+ 4,294898-1014 • К3 +7,538583-К5 -0,6278902-К6.

Регистратор уровней токов, протекающих через ОПН типа ОПН-1-6УЗ, имеющих уровень ограничения 11 р = 2,151!фт был установлен в сети собственных нужд Кировской ТЭЦ-4. Результаты регистрации можно представить в виде полинома:

.<?(/) = 4,0818 • 104 - 8,9864 • 10б • / + 6,9524 • 105 • /2 +

+ 5,5119-Ю6 -/3 +1,4794-Ю"12 -/5 -6,8316• Ю-14-Г6. Зависимость справедлива для амплитуд токов, превышающих величину 20 А для сети с емкостным током 2,2 А. Так как указанные ОПН были установлены на шинах собственных нужд, то можно предположить, что зарегистрированные импульсы токов были вызваны перенапряжениями, охватывающими всю сеть, в том числе при дуговых замыканиях на землю. За период наблюдений было зарегистрировано 13 случаев замыканий на землю одной фазы на присоединениях, имеющих электрическую связь с указанными шинами.

В результате статистической обработки данных, полученных в процессе автоматической регистрации токов через ОПН с ир = 2,1511 ф т, амплитуды

токов ограничения с доверительной вероятностью 0,95 не превышают значения 140 А, что хорошо согласуется с величинами токов ограничения, которые были получены для этой же сети в результате предварительно выполненных численных расчетов.

В четвертой главе рассмотрены методические вопросы определения величины энергии, выделяющейся в варисторах ОПН, приведены формулы для оценки величины энергии единичного импульса ограничения при дуговых замыканиях на землю, а также статистическая обработка результатов регистрации энергии импульсов при ограничении перенапряжений в сетях собственных нужд некоторых электростанций.

Техническими условиями на отечественные и зарубежные ОПН их гарантированный ресурс определяется количеством поглощенной энергии в наиболее неблагоприятной ситуации. Такой ситуацией считается длительная работа при наибольшем рабочем напряжении сети с последующей однократной коммутацией защищаемого элемента, сопровождающейся предельными допустимыми значениями коммутационного и установившегося перенапряжений при наибольшей допустимой температуре окружающей среды. Превышение величины любого из перечисленных факторов приводит к увеличению энергии, выделяющейся в варисторах ОПН, что в свою очередь приводит к сокращению его срока службы.

В общем случае энергия, рассеиваемая в ОПН при ограничении единичного импульса перенапряжения, может быть определена по выражению:

A=}u(t)■i(t)dt,

о

где и(1) - функция напряжения, воздействующего на ограничитель в режиме ограничения перенапряжения; ¡(¡) - функция импульса тока, протекающего через ОПН в указанном режиме; т - длительность протекания импульса тока через ограничитель.

Формы кривых напряжений и токов через ОПН при дуговых замыканиях на землю имеют характер сложных функций от времени. Поэтому для определения энергии введены упрощения: волны перенапряжения и импульса тока через ОПН носят синусоидальный характер; полная длительность волны разрядного тока через ОПН соответствует длительности приложения к ограничителю напряжения, превосходящего уставку ограничения.

Учитывая сказанное выше, энергия одного импульса тока может быть определена по формуле:

А = |((Ур +{ит1-ир) зт(а 2/)) • /т ■ аю(о 2* .

где Цр - уровень ограничения ОПН; Ст1 - амплитуда импульса напряжения, прикладываемого к ОПН в режиме ограничения перенапряжения; со2 - циклическая частота для периода, равного 2т0; т0 - длительность эквивалентной синусоиды импульса тока; Iт - амплитуда тока ограничения.

С учетом условия совпадения момента зажигания дуги замыкания на землю с прохождением напряжения на поврежденной фазе через максимум и совпадения максимумов свободных колебаний в неповрежденных фазах энергию единичного импульса можно определить по выражению:

Л = 4,283^С0(С0+Сп).(ит - ир)[0,5ит, + 0,137Ур), где С0 - емкость между жилами кабеля и его оболочкой, С12 - емкость между жилами фаз кабеля.

В случае кабельной сети, состоящей из кабелей, имеющих секторные жилы и поясную изоляцию, последнюю формулу можно преобразовать к виду:

/и 2,652-С^ -(Ур)(0,5(7т1 + 0,1371Ур), где Ср - рабочая емкость кабеля.

Определение величины остающегося напряжения ит: в ряде случаев затруднительно, т.к. либо необходимо производить соответствующие расчеты, либо снимать осциллограммы переходного процесса. В практических расчетах можно предположить (7т1 = ир и воспользоваться следующим выражением:

А = 1,688 Срир[ит - ирУ

Приведенные выше формулы справедливы для случаев, когда к ОПН прикладывается волна перенапряжения, имеющая амплитуду 1)т большую, чем напряжение ограничения С1р. В случае же, когда это не так, может быть использовано выражение:

Л , (2иф

.т т -2 иф

.т

" + 4

По результатам проведенных регистраций в сетях собственных нужд электростанций с использованием полученных выше выражений и учетом уровня ограничения (2,75 С1ф т), обеспечиваемого ОПН, проведена статистическая обработка величин энергии, рассеиваемой в них за одно замыкание на землю. Зависимости имеют характер, приведенный на рисунке 5. При этом предполагалось, что все зарегистрированные величины являются следствием перемежающихся дуговых замыканий на землю одной из фаз сети.

0.1 г 3 < 5 « 7 в 9 10 11

Рисунок 5 - Плотность вероятности распределения энергии, рассеиваемой в варисторах ОПН (по данным регистрации импульсов токов через ОПН в сети с.н. Кировской ТЭЦ-4, /3 = 2,2 А)

Результаты статистической обработки экспериментальных данных были сопоставлены с результатами испытаний ОПН на базе варисторов диаметром 28 мм и 45 мм. Сопоставление показало, что ограничители на базе варисторов диаметром 45 мм имеют значительно больший запас надежности в условиях ограничения ими перенапряжений при дуговых замыканиях на землю.

В Приложении приведены программы испытаний регистратора амплитуд импульсов тока через ОПН в высоковольтной установке и в установке, создающей магнитные поля, а также материалы о внедрении результатов работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные и практические результаты, полученные в работе, заключаются в следующем.

1. Проведен анализ возможных режимов работы ОПН при ограничении ими перенапряжений, возникающих в результате дуговых замыканий на землю. Определены диапазоны изменения значений амплитуд и длительностей токов ограничения, протекающих через варисторы ОПН в таких режимах.

2. Сформулированы технические требования к устройствам, предназначенным для регистрации перенапряжений и импульсов токов и необходимым для обоснования характеристик ОПН.

3. Проанализирована электромагнитная обстановка в местах предполагаемой установки регистраторов, обоснована необходимость осуществления специальных мероприятий по помехозащищенности.

4. Разработаны регистратор перенапряжений и регистратор амплитуд импульсов токов через ОПН.

5. Исследована работоспособность регистраторов в различных режимах с учетом требований по регистрации процессов при дуговых замыканиях на землю, в том числе их помехозащищенность.

6. Проведена автоматическая регистрация импульсов перенапряжений и импульсов токов ограничения через ОПН в сетях с.н. ряда электростанций и в сетях 6 кВ общего назначения.

7. Получены статистические характеристики распределения уровней перенапряжений, возникающих при замыканиях на землю в сетях с.н. электростанций, и импульсов токов через варисторы ОПН в случае их работы при замыканиях на землю.

8. Получены статистические характеристики плотности вероятности распределения энергии, выделяющейся в варисторах ОПН за одно замыкание на землю. Сравнение этих характеристик показало, что в сетях с меньшими емкостными токами на землю энергетические нагрузки на варисторы ОПН могут иметь большие значения.

9. На основе полученных результатов проведена оценка возможности использования ОПН с 11р = 2,1%1фт, изготовленных на базе варисторов диаметром 28 мм и 45 мм, для защиты ВД с.н. электростанций. Определено, что ОПН на базе варисторов диаметром 45 мм имеют достаточный ресурс для надежной эксплуатации в течение нормативного срока.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Васюра Ю.Ф., Вильнер A.B., Вычегжанин A.B. Внедрение нелинейных ограничителей перенапряжений для защиты высоковольтных двигателей // В сб. докладов н.-т.к. "Научно-технический потенциал вузов - народному хозяйству". - Киров, 1989. - С. 16.

2. Вычегжанин A.B., Васюра Ю.Ф., Вильнер A.B., Пушков А.П. Регистратор амплитуд импульсов токов // Киров, 1995.- 14 е.- Деп.в Информзнерго, № 3428-эн95. Библ.указ. ВИНИТИ Деп.науч.работы, 1995.-№ 2.- С. 54.

3. Вычегжанин A.B. Васюра Ю.Ф., Вильнер A.B., Пушков А.П. Регистратор перенапряжений // Киров, 1996.- 9 е.- Деп.в Информзнерго 23.05.96, № 1660-В96. Библ.указ. ВИНИТИ Деп.науч.работы, 1996.

4. Вычегжанин A.B. Васюра Ю.Ф., Вильнер A.B. Феррорезонанс в разветвленной сети 6 кВ // Сб.трудов ВятГТУ "Электротехника и энергетика". - Киров, 1997.-№2,- С. 165-168.

5. Вычегжанин A.B. Васюра Ю.Ф., Вильнер A.B. Оценка величины энергии, рассеиваемой в ОПН при замыканиях на землю // В сб. докладов н.-т.к. "Наука-ПРОТЭК-98". - Киров, 14-28 мая 1998,- С. 219-220.

6. Вычегжанин A.B., Голговских A.B., Петров Н.В. Установка для моделирования высокочастотных магнитных полей // В сборнике докладов н.-т.к. "Наука-ПРОТЭК-98". - Киров, 14-28 мая 1998.- С. 218-219.

7. Вычегжанин A.B., Васюра Ю.Ф., Вильнер A.B. Сравнительный анализ способов расчета энергии, рассеиваемой в нелинейном ограничителе перенапряжений // В сб. докладов н.-т.к. "Наука-ПроТЭк-99". - 15-29 апреля 1999 года. - С. 143-144.

8. Вычегжанин A.B. Результаты автоматической регистрации амплитуд импульсов токов через ОПН в сети с.н. Кировской ТЭЦ-4 // В сб. докладов н.-т.к. "Наука-ПроТЭк-2000", том 3. - 14-28 апреля 2000 года. - С. 34-36.

9. Вычегжанин A.B., Васюра Ю.Ф., Вильнер A.B. Оценка энергетической стойкости нелинейных ограничителей перенапряжений при их работе в сетях с изолированной нейтралью // В сб. докладов н.-т.к. "Наука-ПроТЭк-2000", том 3. -14-28 апреля 2000 года. - С. 38-40.

Введение.

1. Краткий обзор условий работы и причин выхода из строя высоковольтных двигателей в сетях собственных нужд электростанций. Оценка уровней перенапряжений и защита от них высоковольтных двигателей.

1.1. Повреждаемость высоковольтных двигателей.

1.2. Перенапряжения в сетях собственных нужд электростанций.

1.3. Способы защиты электротехнического оборудования от перенапряжений.

1.4. Выводы.

1.5. Задачи исследования.

2. Анализ условий работы ОПН в сетях с изолированной нейтралью.

2.1. Общие положения.

2.2. Моделирование переходных процессов при замыканиях на землю.

2.3. Анализ уровней токов ограничения с учетом параметров сети и мест установки ОПН.

2.4. Экспериментальные методы определения параметров режима работы ОПН.

2.5. Выводы.

3. Разработка регистрирующей аппаратуры для оценки режимов работы ОПН. Условия работы регистраторов.

3.1. Регистратор перенапряжений.

3.1.1. Технические требования.

3.1.2. Описание блок-схемы регистратора перенапряжений.

3.1.3. Описание работы устройства.

3.1.4. Основные характеристики регистратора перенапряжений.

3.2. Регистратор импульсов токов.

3.2.1. Технические требования.

3.2.2. Преобразователь ток-напряжение.

3.2.3. Технические характеристики регистратора амплитуд импульсов токов через ОПН.

3.3. Помехоустойчивость разработанной регистрирующей аппаратуры.

3.3.1. Электромагнитная обстановка мест предполагаемой установки регистрирующей аппаратуры.

3.3.2. Краткая характеристика источников помех на электрических станциях.

3.3.3. Характерные пути проникновения помех.

3.3.4. Особенности работы регистрирующей аппаратуры.

3.3.5. Мероприятия по повышению помехоустойчивости регистраторов.

3.3.6. Оценка достоверности получаемых результатов.

3.4. Результаты регистрации.

3.5. Выводы.

4. Энергия, рассеиваемая в ОПН.

4.1. Общие положения.

4.2. Энергия единичного импульса.

4.3. Экспериментальные исследования энергетической стойкости ОПН.

4.4. Статистическая обработка результатов расчета энергии по данным регистрации.

4.5. Выводы.

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 выключателей -большим 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.