CC BY
128
Энергобезопасность и охрана труда ^^ 5 =
ЭН.ЕРГОБЕЗОПАСНОСТЪНОХРАНАТРУДА
УДК 621.316.9
Ограничение перенапряжений в электрических сетях
■ V V
нефтяной и газовой промышленности
Ф. Х. Халилов,
доктор технических наук, действительный член АЭН, профессор
Санкт-Петербургского государственного политехнического университета
Ю. С. Попова,
магистр, специалист ОАО «Северо-западный энергетический инжиниринговый центр»
Воздействия грозовых и внутренних перенапряжений на изоляцию электрооборудования электрических сетей 0,22-220 кВ нефтяной и газовой промышленности приводят к выходу из строя электрооборудования, нарушению технологии и серьезному финансовому ущербу. Поэтому повышение надежности при эксплуатации электроустановок в данной отрасли до сих пор остается важнейшей задачей электроэнергетики. Авторами рассмотрены характеристики защитных аппаратов и показано, что наиболее эффективным средством защиты от перенапряжений является применение нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН).
Ключевые слова: перенапряжение, защитный аппарат, разрядник, ограничитель.
При эксплуатации электрических сетей низкого, среднего и высокого напряжения предприятий нефти и газа на изоляцию электрооборудования и линий (в том числе кабельных) воздействуют длительное рабочее напряжение, а также кратковременные грозовые и внутренние перенапряжения [1, 2].
Из внешних (грозовых) перенапряжений сетей низкого (до 0,5 кВ), среднего (1-35 кВ) и высокого (110-220 кВ) напряжения важное значение имеют не только прямые удары молнии, но и удары вблизи объектов и межоблачные удары. Из внутренних перенапряжений наибольшую опасность для изоляции представляют дуговые и коммутационные перенапряжения, возникающие при перекрытиях с токоведущих частей на землю, а также при коммутациях элементов подстанций, цепей сигнализации и блокировки.
Вследствие перечисленных выше перенапряжений изоляция повреждается сразу, либо стареет вследствие кумулятивного эффекта и раньше гарантированного срока выходит из строя.
Вместе с тем, не во всех узлах сложной системы электроснабжения предприятий нефти и газа предусмотрены системы защиты от внешних и внутренних перенапряжений.
Вообще, система защиты от перенапряжений всегда базируется на основном защитном аппарате. С первой половины ХХ века по настоящее время основной защитный аппарат претерпел качественные изменения [3, 4].
Простейшим защитным аппаратом, долгое время находившим широкое применение в высоковольтной технике в первой половине ХХ века, являлся искровой промежуток различной конструкции (ИП). Такие защитные аппараты, ограничивая не только грозовые, но и внутренние перенапряжения, обладают следующими недостатками:
- приводят к возникновению коротких замыканий вблизи подстанций, что вызывает значительные электродинамические усилия в обмотках электромагнитных аппаратов (например, трансформаторов) и между токоведущими частями шин, токопроводов и т.д.;
ЩШШ2М0
= 6
Энергобезопасность и энергосбережение
- резко срезают напряжение и возбуждают градиентные перенапряжения в обмотках трансформаторов, реакторов и электрических машин;
- не гасят дугу сопровождающего тока 50 Гц, что снижает надежность системы электроснабжения.
Некоторое улучшение характеристик ИП было достигнуто путем принудительного гашения дуги сопровождающего тока короткого замыкания. Для этого ИП помещают в трубку из газогенерирую-щего материала. Такой защитный аппарат называется трубчатым разрядником (РТ). Последний лишен одного из основных недостатков ИП: образования длительного КЗ, отключаемого сетевыми выключателями. Однако другие недостатки ИП имеются и у РТ. Эти недостатки, а также наличие зоны выхлопа, исключают возможность применения РТ в сетях в качестве основного защитного аппарата для защиты от перенапряжений. Наконец, РТ требуют серьезных эксплуатационных расходов, связанных с ежегодной проверкой диаметра трубки и покрытием аппарата лаком.
Следующим этапом развития защитных аппаратов стали вентильные разрядники. Они состоят из искровых промежутков и последовательных нелинейных сопротивлений, иногда называемых рабочими сопротивлениями. В большинстве вентильных разрядников параллельно искровым промежуткам присоединяются шунтирующие сопротивления Яш, а иногда шунтирующие емкости. Они дают возможность управлять распределением напряжения по большому числу последовательно соединенных искровых промежутков вентильных разрядников. Шунтирующие сопротивления служат для создания более равномерного распределения напряжения рабочей частоты и внутренних перенапряжений между искровыми промежутками. Шунтирующие емкости могут использоваться как для выравнивания напряжения, так и для принудительного создания более равномерного его распределения между искровыми промежутками при грозовых перенапряжениях, что позволяет снизить импульсное пробивное напряжение разрядников за счет каскадного пробоя искровых промежутков.
При воздействии на вентильный разрядник перенапряжения ипер, превышающего его пробивное напряжение и , происходит пробой искровых промежутков (ИП) и нелинейное последовательное сопротивление (НС) присоединяется к сети. После пробоя ИП действующее на изоляцию перенапряжение определяется в основном падением напряжения на НС (остающимся напряжением иост на разряднике) вследствие протекания через него импульсного тока, напряжение иост с некоторым запасом (~30%) должно быть меньше допустимого для защищаемой изоляции. Ток, протекающий через разрядник под действием напряжения промышленной частоты, называется сопровождающим током. Он ограничивается нелинейным последовательным сопротивлением разрядника, величина которого резко возрастает при снижении напряжения на разряднике. При переходе тока через нуль дуга в искровых промежутках гаснет и разрядник приходит в исходное состояние.
Таким образом, искровые промежутки вентильных разрядников при отсутствии перенапряжений отделяют нелинейные последовательные сопротивления от сети и подключают их в момент появления опасных для изоляции перенапряжений. Искровые промежутки, по возможности, должны иметь горизонтальную вольтсекундную характеристику, т.е. малое изменение пробивного напряжения ипр в широком диапазоне предразрядных времен - от микросекунд до миллисекунд - и малый разброс ипр. Кроме того, ипр не должно изменяться после многократного пропускания нормированных импульсных и сопровождающих токов, а также при колебаниях температуры и воздействии тряски, ударов и вибрации. Искровые промежутки должны гасить дугу сопровождающего тока, как правило, при первом переходе его через нуль.
Для выполнения этих требований в вентильных разрядниках применяют многократные искровые промежутки, т.е. соединяют последовательно большое число единичных промежутков с малым зазором. Это позволяет использовать свойства короткой дуги с характерным для нее катодным падением напряжения в каждом промежутке после гашения сопровождающего тока. В вентильных разрядниках при наибольшем допустимом напряжении промышленной частоты на единичный искровой промежуток приходится от 1,0 до 1,7 кВ (действующее значение).
Последовательное сопротивление вентильного разрядника должно обладать нелинейной вольтам-перной характеристикой и способностью многократно пропускать импульсные и сопровождающие токи. Оно ограничивает сопровождающий ток до величины, при которой искровые промежутки надежно гасят дугу. Поэтому при напряжении гашения величина НС должна быть возможно большой. С другой стороны, при протекании максимального импульсного тока необходимо иметь минимальное нелинейное сопротивление для того, чтобы остающееся на разряднике импульсное напряжение не превышало допустимого для изоляции.
Отсюда очевидно, что последовательное сопротивление не может быть линейным. Указанным условиям удовлетворяет нелинейное сопротивление. При производстве нелинейных сопротивлений используют твердые полупроводниковые материалы, проводимость которых практически мгновенно возрастает при увеличении приложенного напряжения. Нелинейные сопротивления изготавливались из электрического карбида кремния (карборунда) Б1С. Удельное сопротивление зерен карборунда составляет примерно 10-2 Ом-м.
Вольтамперная характеристика вентильных разрядников описывается уравнением [5, 6]
и=тс1а,
где с - постоянная для заданных резисторов;
т - число последовательно соединенных резисторов;
а - коэффициент нелинейности, равный для вилита 0,1...0,2, для тервита - 0,15...0,25.
Энергобезопасность и охрана труда ^^ 7 =
Линейный участок вольтамперной характеристики соответствует области сопровождающих токов и большинству токов коммутационных перенапряжений. Коэффициент для этого участка значительно выше: для вилита 0,28...0,3; для тервита - 0,35...0,38.
Пропускная способность нелинейного последовательного сопротивления зависит от величины и длительности тока, протекающего через разрядник. В грозовом режиме максимальное значение импульсного тока достигает единиц килоампер при малой длительности импульса (порядка десятков микросекунд). При внутренних перенапряжениях, наоборот, токи имеют порядок сотен ампер, а длительность -нескольких миллисекунд. Поэтому пропускную способность вентильных разрядников принято характеризовать максимальными значениями импульсов тока: апериодических 20/40 мкс и прямоугольных с длительностью 2 мс (или апериодических 3/8 мс). Каждое из этих воздействий они должны выдерживать не менее 19 раз.
Вилитовые резисторы, имеющие относительно низкую пропускную способность, в основном применялись в грозозащитных разрядниках. Тервит обладает значительно большей пропускной способностью. В связи с этим разрядники с тервитовыми резисторами могут использоваться для защиты как от грозовых, так и от коммутационных перенапряжений. Однако энергия, рассеиваемая нелинейным последовательным сопротивлением при коммутационном перенапряжении, значительно больше, чем при грозовом. Это требует применения нелинейных сопротивлений с повышенной пропускной способностью, имеющих ухудшенный (больший) коэффициент нелинейности а. Требование к дуго-гасящей способности искровых промежутков при коммутационных перенапряжениях оказывается также более жестким, поскольку наиболее опасные перенапряжения наблюдаются на разомкнутом конце линий, где вследствие емкостного эффекта возникает повышенное напряжение. Поэтому для надежного гашения дуги необходимо ограничивать ток через разрядник, т.е. использовать большое число резисторов.
Увеличение номинального напряжения электрических сетей и необходимость снижения уровня изоляции оборудования требуют глубокого ограничения перенапряжений. В то же время применяемые в настоящее время в эксплуатации вентильные разрядники с резисторами на основе карбида кремния вследствие недостаточной нелинейности материала не поз-
воляют обеспечить уровень перенапряжений ниже 2Цф. Более глубокое их снижение требует уменьшения нелинейного последовательного сопротивления, что приводит к существенному увеличения сопровождающих токов. Искровые промежутки не в состоянии погасить большие токи. Включение нелинейных сопротивлений под рабочее напряжение без искровых промежутков оказывается невозможно вследствие большого тока через нелинейное сопротивление при фазном направлении. Применение искровых промежутков вызывает дополнительные трудности, связанные с необходимостью уменьшения сопровождающего тока до величины, надежно отключаемой промежутками, а также получения пологой вольтсекундной характеристики разрядника.
Значительное улучшение защитных характеристик разрядников может быть достигнуто при отказе от использования искровых промежутков. Это оказывается возможным при переходе к резисторам с резко нелинейной характеристикой и достаточной пропускной способностью. Таким требованиям отвечают варисторы из полупроводникового материала на базе окиси цинка. Защитные аппараты, изготовленные из таких резисторов, носят название нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН) [6].
Коэффициент нелинейности а для варисторов приблизительно на порядок меньше, чем для резисторов (а«0,03-0,04). Это позволяет ОПН, собранным на базе варисторов, непосредственно подключить их под рабочее напряжение. При таком напряжении проводимость ничтожна мала, и ток через ОПН находится в пределах доли миллиампера. С появлением перенапряжений проводимость и ток через ОПН в течение 1-2 наносекунд увеличиваются на 5-6 порядков. Это позволяет успешно рассеивать избыточную энергию перенапряжений, после чего аппарат также быстро восстанавливает свое исходное положение.
На предприятиях нефти и газа электрооборудование в основном сосредоточено на головных подстанциях 110-220 кВ, в распределительных устройствах 6-35 кВ и в потребительских сетях насосных и компрессорных станций 6-10 кВ, 0,5-2,5 кВ электроцентробежных насосов, 0,4 кВ станков-качалок, а также 0,22 кВ и ниже цепей управления, сигнализации, блокировки.
Для защиты упомянутых выше объектов от грозовых и внутренних перенапряжений весьма успешно могут быть использованы ОПН 0,22-220 кВ. Их позитивное влияние на защиту демонстрируется в табл. 1.
Таблица 1
Относительное улучшение показателей надежности защиты при применении ОПН
Объект Номинальное напряжение, кВ Относительное улучшение показателя надежности грозозащиты Относительное улучшение показателя надежности защиты от внутренних перенапряжений
Подстанция 220 2,0-2,3 1,9-2,0
Подстанция 110 2,1-2,4 1,8-2,2
Подстанция 35 2,9-3,1 2,7-2,9
Подстанция 10 2,8-3,2 2,6-2,7
щшжмФ
= 8
Энергобезопасность и энергосбережение
Окончание табл. 1
Объект Номинальное напряжение, кВ Относительное улучшение показателя надежности грозозащиты Относительное улучшение показателя надежности защиты от внутренних перенапражений
Подстанция 6 2,8-3,2 2,6-2,7
Станки-качалки 6 (10) 2,8-3,2 2,6-2,7
0,4 8,5-11 7,0-8,0
Погружные электродвигатели 6 (10) 2,8-3,2 2,6-2,7
0,5-2,5 5-10 7,0-8,0
Насосные и компрессорные станции 6 (10) 2,8-3,2 2,6-2,7
Цепи управления, сигнализации и блокировки 0,22/0,4 8,5-11 7,0-8,0
Вывод
Повышение показателя грозозащиты и защиты от внутренних перенапряжений снижает аварийность, уменьшает затраты на ремонтно-восстанови-тельные работы при повреждениях электрооборудо-
вания и убытки от недоиспользования электроэнергии. Обе составляющие затрат по сути имеют непосредственное отношение не только к надежности, но и к энергосбережению в отрасли, а следовательно, к энергосбережению в целом.
Литература
1. Альбокринов В. С., Гольдштейн В. Г., Халилов Ф. Х. Перенапряжения и защита от них в электроустановках нефтяной промышленности. - Самара: Изд-во СамГТУ, 1997.
2. Иманов Г. М., Пухальский А. А., Халилов Ф. Х., Таджибаев А. И. Защита электрических сетей предприятий нефти и газа от перенапряжений. - СПб.: Изд-во Петербург. энергет. ин-та повышения квалификации Минтопэнерго России, 1999.
3. Защита сетей 6-35 кВ от перенапряжений / Под ред. Ф. Х. Халилова, Г. А. Евдокунина, А. И. Таджибаева. СПб.: Изд-во Петербург. энергет. ин-та повышения квалификации Минтопэнерго РФ, 1997.
4. Борисов В. Н., Халилов Ф. Х. Изоляция электрооборудования электрических станций и подстанций. -М.: Изд-во МЭИ, 1992.
5. Гиндулин Ф. Х., Гольдштейн В. Г., Дульзон А. А., Халилов Ф. Х. Перенапряжения в сетях 6-35 кВ. - М.: Энергоатомиздат, 1986.
6. Техника высоких напряжений / Под ред. Г. С. Кучинского. - СПб.: Энергоатомиздат, СПбО, 2003.
