CC BY
258
ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ
УДК 621.31.015.038 А.В.Золотых, Ф.Х.Халилов
ВЫБОР ОГРАНИЧИТЕЛЕЙ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ ДЛЯ ЗАЩИТЫ НЕЙТРАЛИ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ 110-220 кВ
Аннотация
Выполнен анализ аварийности трансформаторов, связанных с нейтралью и дугогасящими реакторами. Показано, что причиной аварийности являются импульсные перенапряжения и неправильный выбор характеристик защитных аппаратов. Приведены результаты исследования перенапряжений. Даны технические требования к защитным аппаратам на 110, 150 и 220 кВ.
Ключевые слова:
нейтраль трансформаторов, перенапряжения, изоляция, координация изоляции, защитные аппараты, ограничители перенапряжений
A.G.Zolotykh, F.H.Halilov
SELECTION OF SURGE ARRESTERS FOR PROTECTION OF NEUTRAL OF 110-220 kV POWER TRANSFORMERS
Abstract
Analyzed faults of transformers, associated with neutral and ground-fault neutralizers. It is shown that the cause of the accident is a pulse overvoltage characteristics and the wrong choice of protective devices. The results of the surges exploration are given. The technical requirements for protective devices at 110, 150 and 220 kV are given.
Keywords:
neutral transformers, overvoltage, insulation, coordination of insulation, protective devices, surge arresters
Постоянный рост величины токов короткого замыкания приводит к увеличению динамических воздействий на обмотки трансформаторов, утяжелению работы коммутирующей аппаратуры, утяжелению работы коммутирующей аппаратуры, усилению влияний линий электропередачи на линии связи, ухудшению условий безопасной работы обслуживающего персонала, энергосистем и промышленных предприятий [1-3].
Искусственное ограничение токов короткого замыкания в сетях 110-220 кВ оказывается возможным с помощью: а) разделения сетей; б) разземления нейтрали части трансформаторов; в) заземления нейтрали через резистор или реактор; г) подключения токоограничивающих реакторов между системами шин крупных подстанций.
Способ по пункту «а» применяется сравнительно редко, поскольку при этом снижается надежность электроснабжения.
Способ по пункту «б» значительно снижает токи короткого замыкания и не дает возможности возникновения режима, когда ток однофазного к.з. может
оказаться больше тока трехфазного к.з. Поскольку более 75% к.з. в сетях 110220 кВ имеет однофазный характер [2, 3], этот способ обеспечивает искусственный рост сопротивления нулевой последовательности, но при этом в нейтрали могут возникать перенапряжения, опасные для изоляции разземленной нейтрали.
Способ по пункту «в» связан со сложными техническими проблемами и поэтому в России практически не применяется [4].
Способ по пункту «г» стали применять только в начале XXI века в электрических сетях мегаполисов, где токи короткого замыкания превосходят величину 65-70 кА.
Таким образом, в настоящее время в России наибольшее распространение получил метод частичного разземления нейтрали трансформаторов 110, 150 и 220 кВ. Однако при этом возникает проблема защиты изолированной нейтрали трансформаторов; по различным причинам (в основном из-за перегрева шунтирующих сопротивлений и негашения дуги сопровождающего тока) имели место разрушения вентильных разрядников (РВ) нейтрали (см., например, [1, 3, 5-7]).
Таким образом, проблема защиты изолированной нейтрали трансформаторов 110-220 кВ для своего решения требует дополнительной информации, в том числе из-за перехода от РВ к ограничителям перенапряжений.
Импульсные перенапряжения были исследованы с помощью анализатора переходных процессов в протяженных цепях на реальных трансформаторах [8] и ЭВМ [1], причем последние исследования фактически служили для контроля экспериментальных данных, полученных в полевых условиях.
Обмер трансформаторов был произведен на 14 трансформаторах 110 кВ, 2 трансформаторах 150 кВ и 3 трансформаторах 220 кВ. Эксперименты проводились на заводах по ремонту трансформаторов (в основном в Санкт-Петербурге) и в полевых условиях (в основном на Украине в «Донбассэнерго»). Паспортные данные исследованных трансформаторов 110 кВ приведены в табл. 1.
Это позволило получить обобщенные зависимости величины грозовых перенапряжений от амплитуды и формы приходящей грозовой волны.
Ниже подробно излагаются результаты исследований перенапряжений, главным образом для трансформаторов 110 кВ, и дается информация для трансформаторов всех классов напряжения от 110 до 220 кВ.
В первом этапе исследований были получены следующие результаты.
1. Форма и характер перенапряжений в нейтрали при приходе апериодической волны на линейные вводы трансформатора не зависят от класса напряжения трансформатора.
2. Форма волны грозовых перенапряжений в нейтрали представляет собой апериодическую волну с наложенными на нее затухающими периодическими колебаниями.
3. Величина периода Т основной частоты собственных колебаний обмоток 110 кВ находится в пределах Т=80^130 мкс (для трансформаторов 150 кВ Т = 70^ 120 мкс, 220 кВ - Т = 80^130 мкс).
Характеристики исследованных трансформаторов 110 кВ
№ пп Тип трансформатора Напряжение обмоток, кВ Заводской номер Период собственных колебаний напряжения в нейтрали (по экспериментальным данным), мкс
ВН СН НН
1 ТДТН 63000/110 110 35 6 100374 87.5
2 ТДТ 15000/110 110 - 6 3966 96.3
3 ТДН 16000/110 110 - 10 2814 130
4 0 0/ 0 6 0 4 110 - 6 914592 79
5 ТДТГ 15000/110 110 35 6 637028 105
6 ТДТГ 15000/110 110 35 6 637035 100
7 ТДТГ 15000/110 110 35 6 1598 100
8 ТМТН 63000/110 110 35 6 13253 90
9 ТДТН 31500/110 110 35 6 2345 96
10 ТДНН 80000/110 110 35 6 11645 86
11 ТМТН 10000/110 110 35 6 12325 105
12 ТДТГ 25000/110 110 10 6 112188 110
13 ТДТГ 15000/110 110 35 6 737028 125
14 ТРДН 25000/110 110 10 6 8866 117
4. Коэффициент затухания колебаний (отношение амплитуды второго и первого абсолютного максимумов) напряжения в нейтрали для всех трансформаторов находится в пределах х = 0.3^0.5.
После срабатывания подстанционных разрядников волна, приходящая на силовой трансформатор, представляет собой апериодический импульс с наложенной затухающей колебательной составляющей.
При воздействии на линейные вводы такой волны форма волны перенапряжений в нейтрали не изменяется, т.е. имеет ту же форму, что и при приходе апериодической волны. Таким образом, высокочастотная составляющая волн на линейных вводах трансформатора в его нейтраль не переходит. Поэтому в дальнейшем исследования проводились только при апериодических волнах.
Исследование влияния величины фронта апериодической волны на величину перенапряжений в нейтрали проводилось для всех 14 трансформаторов. Для этого при практически постоянной длине волны (время полуспада напряжения) на трансформатор подавались волны с изменяющейся длиной фронта при амплитуде на линейных вводах и0.
При изменении длины фронта волны от 0.1 до 7 мкс изменение амплитуды перенапряжений в нейтрали ин для всех исследованных трансформаторов составило не более 4%. Это объясняется тем, что основная энергия волны определяется не ее длиной фронта, а величиной длины волны. Пример результатов экспериментов по определению зависимости ин/ио = =Дтф) приведен на рис. 1.
ин/и0
1,2
to
А
3
2 —
1
0 2 ; і і 5 Хф, МКС
Рис.1. Зависимость UH/U0 = f(T для нейтрали силового трансформатора 110 кВ № 3: 1, 2, 3 - волна на трансформатор падает по одной, двум и трем фазам (тв = 35 мкс)
Для всех остальных типов трансформаторов получены аналогичные зависимости, которые позволяют сделать следующие выводы.
1. С увеличением длины волны т в на линейных вводах трансформатора увеличивается амплитуда перенапряжений в нейтрали.
2. Величина перенапряжений в нейтрали прямо пропорциональна числу фаз, по которым одновременно приходит волна на линейные вводы трансформатора.
3. Величина перенапряжений в нейтрали силового трансформатора зависит от периода Т основной частоты собственных колебаний обмоток
Рис.2. Зависимость ин/и0 = /(т) для силового трансформатора 110 кВ № 6: 1, 2, 3 - волна приходит по одной, двум и трем фазам
Анализируя вид кривых ин/и0=Дтв) для всех исследованных трансформаторов, можно заметить, что они однотипны, а также то, что отношение ин/и0 является функцией двух величин тв и Т. Если названные кривые представить в виде функций отношения тв/Т, то можно констатировать их практически полное совпадение. Это позволяет сформулировать обобщенный результат в виде единой зависимости от названного выше относительного аргумента ин/и0 =Дхв/Т), которая представлена на рис.3.
и„/и0
2,0
1,5
1,0
0,5
/
0,25 0,5 0,75 1,0 1,25 1,5 1,75 2,0
т„/Т
Рис.3. Обобщенная кривая ин/и0 =/(тв/Т) для трансформаторов 110+220 кВ
Обобщая все вышесказанное, можно привести формулу для определения максимальных значений перенапряжений в нейтрали силовых трансформаторов классов 110+220 кВ.
имакс=«/3-ио:Ятв/7), (1)
где п - число фаз, по которым одновременно приходит волна; и0 - амплитуда волны перенапряжений на линейных вводах трансформатора.
Эта формула является основным результатом исследования грозовых перенапряжений в разземленных нейтралях силовых трансформаторов 110+220 кВ в первом этапе исследований.
На втором этапе экспериментов исследовалось влияние РВ, установленного на подстанции, на величину напряжения в нейтрали трансформатора.
Первоначально проводились исследования влияния срабатывания разрядника РВС-110, установленного на шинах подстанции, на величину перенапряжений в нейтрали трансформатора. Изучение проводилось при длине апериодической волны т в = 290 мкс, то есть при тв > Т.
Результаты исследования показывают (рис.4), что до момента срабатывания подстанционного РВ амплитуда напряжения на нейтрали трансформатора пропорциональна амплитуде приходящей грозовой волны и определяется зависимостью (1). При этом перенапряжения могут превышать
допустимый уровень для облегченной изоляции нейтрали трансформатора при приходе волны по двум и трем фазам. При приходе волны по трем фазам перенапряжения превышают допустимый уровень даже для нейтрали с полной
изоляцией.
Рис.4. Перенапряжения в нейтрали трансформатора при приходе грозовых волн по линии. Подстанционный разрядник типа РВС-110: 1, 2, 3 - волна падает по одной, двум и трем фазам, £ - расстояние от места установки разрядника до трансформатора
Срабатывание подстанционного РВ резко снижает амплитуду напряжения в нейтрали трансформатора и при увеличении амплитуды приходящей волны зависит от ВАХ подстанционного разрядника. Последний снижает амплитуду перенапряжений в нейтрали трансформатора до безопасных величин при приходе грозовой волны по одной фазе, но она остается опасной для облегченной изоляции нейтрали при приходе грозовой волны по двум и трем фазам.
Для полной изоляции остается опасным приход волны только по трем фазам, причем образуются две зоны опасных амплитуд грозовой волны: до момента срабатывания подстанционного разрядника и при формировании на нелинейном сопротивлении подстанционного РВ волны с амплитудой, достаточной для того, чтобы амплитуда перенапряжения в нейтрали превысила идоп.
На рис.4 также показано, что величина напряжения в нейтрали не зависит от места установки подстанционного разрядника. Это еще раз подтверждает вывод о том, что амплитуда напряжения в нейтрали трансформатора зависит только от амплитуды апериодической составляющей волны на входе трансформатора.
На рис.5 приведены результаты экспериментального исследования влияния числа отходящих линий от шин подстанции на величину напряжений в нейтрали трансформатора при приходе грозовой волны по трем фазам.
С увеличением числа линий, отходящих от шин подстанций, увеличивается и амплитуда опасных грозовых волн. Это объясняется их существенным шунтирующим действием, что приводит к уменьшению амплитуды грозовой волны на входе подстанции с увеличением числа отходящих линий.
Рис.5. Перенапряжения в нейтрали трансформатора при приходе волны по трем фазам линии для подстанций с разным числом отходящих линий. Подстанционный разрядник РВС-110:1, 2, 3 - одна, две, три отходящих ВЛ
Выше было отмечено, что величина напряжения в нейтрали трансформатора при приходе на подстанцию грозовой волны зависит от величины апериодической составляющей напряжения на вводах трансформатора. Для подтверждения этого положения на рис.6 приведены результаты исследования зависимостей амплитуды апериодической составляющей напряжения на вводах трансформатора (ит) от амплитуды приходящей грозовой волны (и0), полученные экспериментально на подстанциях при установке разрядников РВС-110 и различном числе линий, отходящих от их шин.
В дальнейших исследованиях изучалось влияние длины грозовой волны тв на величину напряжений в нейтрали трансформатора с учетом срабатывания подстанционного разрядника. По полученным результатам, представленным на рис.7, можно констатировать практическое совпадение экспериментальных и расчетных зависимостей.
Это позволяет сделать вывод о том, что амплитуда напряжения на изолированной нейтрали силового трансформатора в первую очередь определяется амплитудой приходящей грозовой волны и ВАХ разрядника, установленного на подстанции. Кроме того, она подчиняется той же функциональной зависимости от длины волны, что и до момента срабатывания РВ. Для дальнейшего анализа необходима оценка вероятности возникновения на подстанции волн с опасными для изоляции параметрами. Опасные волны перенапряжений на входе подстанции могут возникнуть в следующих трех случаях:
1) на трех фазах при индуктированных перенапряжениях;
2) при перекрытиях трех фаз линии при ударе молнии в вершину опоры или в провод;
3) то же при перекрытии двух фаз линии.
Рис. 6. Величина апериодической составляющей (Пт) на входе трансформатора в зависимости от амплитуды волны на входе подстанции (По) и числа линий, отходящих от шин подстанций. Подстанционный разрядник РВС-110.1, 2, 3 - одна, две, три отходящих линий
Рис. 7. Перенапряжения в нейтрали трансформатора в зависимости от числа фаз, длины и амплитуды волны при подстанционном разряднике РВС-110. 1, 2 - приход волны 420 и 200 кВ по трем фазам; 3, 4 - приход волны 420 и 200 кВ по одной фазе. Штриховые линии - соответствующие расчетные случаи, точки - данные экспериментов
Из этих трех расчетных случаев для подстанций с трансформаторами 110, 150 и 220 кВ наиболее реальным является случай по п.1. Результаты расчетов удельного числа опасных перенапряжений для изоляции нейтрали сведены в табл.2 [1].
Таблица 2
Удельное число опасных перенапряжений для изоляции нейтрали при приходе на подстанцию волн индуктированных перенапряжений
Тип защитного аппарата
ин, кВ Материал опор РВС РВМГ ОПН
количество отходящих линий количество отходящих линий количество отходящих линий
1 2 3 1 2 3 1 2 3
110 Металл 26 3.4 0.45 9.26 1.08 0.01 1.5 0.01 0.01
Железобетон 48 7.0 0.9 30.7 4.1 0.45 7 0.2 0.01
Дерево 26 3.4 0.45 9.26 1.08 0.01 1.5 0.01 0.01
150 Металл 19 2.4 0.3 6 0.9 0.01 1.2 0.01 0.01
Железобетон 15 2.0 0.2 3.8 0.54 0.01 0.75 0.01 0.01
220 Металл 13 1.8 0.22 5.4 0.4 0.01 1.0 0.01 0.01
Железобетон 8 0.6 0.01 0.15 0.01 0.45 0.01 0.01 0.01
Таким образом, молниевые перенапряжения представляют значительную опасность не только для неполной изоляции нейтрали, но и полной изоляции ее для трансформаторов 110, 150 и 220 кВ.
Для защиты нейтрали могут быть успешно применены нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН). Их технические характеристики приведены в табл.3 [9].
Таблица 3
Технические требования к ОПН 110-220 кВ.
Показатели 110 кВ 150 кВ 220 кВ
Номинальное напряжение защитного аппарата, кВ 110 150 220
Наибольшее рабочее напряжение, длительно 56 77 115
допустимое на аппарате, кВ
Расчетный ток коммутационных перенапряжений при 400 400 400
волне 1.2/2.5 мс, выдерживаемый не менее 20 раз, А
Остающееся напряжение при расчетном токе 144 189 288
коммутационных перенапряжений, не более, кВ
Расчетный ток грозовых перенапряжений при волне 8/20 5 5 5
мкс, выдерживаемый не менее 20 раз, кА
Остающееся напряжение при расчетном токе грозовых 174 240 3481
перенапряжений, не более, кВ
Внешняя изоляция должна соответствовать требованиям 110 150 220
ГОСТ для аппаратов класса напряжения, кВ л/3 л/3 л/3
Климатическое исполнение У или УХЛ У или УХЛ У или УХЛ
Категория размещения по ГОСТ 15150-69 1 1 1
Выводы
1. Разземление нейтрали части силовых трансформаторов 110-220 кВ является одним из основных способов искусственного ограничения токов короткого замыкания. Однако при этом в изолированной нейтрали могут иметь место перенапряжения, опасные для ее изоляции.
2. Величина импульсных перенапряжений в нейтрали в значительной степени зависит от длины апериодической составляющей волны перенапряжений и периода собственных колебаний переходного процесса, а также от числа фаз, по которым одновременно приходят молниевые волны.
3. В наиболее тяжелых условиях, когда волна на трансформатор падает по трем фазам и тв/Т > 1 перенапряжения на нейтрали на ~ 80% могут превосходить амплитуду исходной волны на вводах трансформатора.
4. Таким образом, требуется защита изоляции нейтрали от импульсных перенапряжений. С этой целью могут быть использованы ОПН.
Литература
1. Перенапряжения в нейтрали силовых трансформаторов 6-220 кВ и методы их ограничения / Ф.Г.Алиев и др. СПб., 2001.
2. Мероприятия по ограничению токов неполнофазных коротких замыканий на землю в сетях 110 и 220 кВ. / М.Н.Алиев, Ч.М.Джуварлы, Е.В.Дмитриев, Т.А.Нурмамедов // Режимы нейтрали в электрических системах. Киев: Наукова думка, 1974.
3. Перенапряжения и защита от них в электрических сетях 110+750 кВ /
В.П.Бобров, В.Г.Гольдштейн, Ф.Х.Халилов. М.: Энергоатомиздат, 2005.
4. Сравнительная эффективность заземления нейтрали трансформаторов через реактор или резистор / Г.А.Сливин, Т.Н.Гурьева // Режимы нейтрали в электрических системах. Киев: Наукова думка, 1974.
5. Методика выбора режима заземления нейтралей трансформаторов высоковольтных сетей энергосистем / Г.А.Айрапетян, М.А.Авакян. Электрические станции. 1974. № 4.
6. Выбор режима нейтрали трансформаторов в сетях 110 кВ и более высоких напряжений / Г.А.Айрапетян, М.А.Авакян // Режимы нейтрали в электрических системах. Киев: Наукова думка, 1974.
7. О защите трансформаторов 110 кВ, имеющих неполную изоляцию нейтрали // Хроника. Электрические станции. 1964. № 6.
8. Грозозащита электрических сетей в районах с высоким удельным сопротивлением грунта / М.В.Костенко, Ю.М.Невретдинов, Ф.Х.Халилов. Л.: Наука, 1984.
9. Ограничители перенапряжений для защиты изоляции электрооборудования и линий сетей среднего, высокого и сверхвысокого напряжения от грозовых и внутренних перенапряжений / В.Г.Гольдштейн и др. М.: Энергоатомиздат, 2010.
Сведения об авторах
Золотых Андрей Г еоргиевич
директор по развитию ОАО НПО «Стример»
Россия, 195220, Санкт-Петербург, ул. Гжатская 27, Тел. (812) 248-90-37 эл. почта: [email protected]
Халилов Фирудин Халилович
профессор, д.т.н., Политехнический университет, институт энергетики и транспортных
систем, электромеханическое отделение, кафедра ТВН и Э и КТ
Россия, 195220, Санкт-Петербург, ул. Политехническая 29
тел. (812) 555-45-85
эл. почта: [email protected]
