Выбор ограничителей перенапряжений для защиты от коммутационных перенапряжений, возникающих при отключении индуктивных нагрузок Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Рис. 1. Распределение относительных скоростей на выходе из раздаточного коллектора с трубным пучком с (Н/Б=0,05) о, Д - экспериментальные точки г, кривые - расчет по зависимости (1)

Таким образом, приведённая в работе математическая модель позволяет рассчитать распределения относительных скоростей на выходе из цилиндрического раздаточного коллектора только по его геометрическим параметрам Н, Б и гидравлическому сопротивлению £ с точностью до 6 %.

Литература

1. Олейник В.Н. К вопросу о гидравлическом расчете осе-симметричного раздаточного коллектора // Теплоэнергетика. 1980. № 12. С. 30 - 32.

2. Решетов В.А., Смирнов В.П., Шкулева Т.А. Гидравлика кругового раздаточного коллектора // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Реакторостроение. 1976. Вып. 2 (13). С. 65 - 74.

3. Кузнецов М.М., Наседкин С.П., Демура В.Т. К вопросу о расчете кругового раздаточного коллектора // Теплообмен в энергооборудовании АЭС. Л., 1986. С. 137 - 143.

17 февраля 2004 г.

Кубанский государственный технологический университет

УДК 621.3.015

ВЫБОР ОГРАНИЧИТЕЛЕН ПЕРЕНАПРЯЖЕНИИ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ КОММУТАЦИОННЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИИ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ ОТКЛЮЧЕНИИ ИНДУКТИВНЫХ НАГРУЗОК

© 2004 г. А.Э. Каждан, А.И. Кривенко

В распределительных электрических сетях 6-10 кВ наибольшие коммутационные перенапряжения возникают из-за явления «среза» тока выключателем до перехода его через ноль при отключении электродвигателей и слабонагруженных (вплоть до холостого хода) трансформаторов, сопротивления которых в сети носят индуктивный характер. Отключаемый ток не может мгновенно изменяться, возникает скачок напряжения, определяемый падением напряжения на индуктивностях нагрузки и кабеля, вызванный переходом электромагнитной энергии, запасенной в указанных индуктивностях в эквивалентную емкость отключаемой цепи (емкость кабеля и внутренняя емкость нагрузки), которая обусловливается в значительной степени емкостью кабеля. Более подробно процесс возникновения и развития таких перенапряжений описан в [1].

Одним из основных средств защиты изоляции от перенапряжений являются ограничители перенапряжения с нелинейными резисторами (ОПН). Данная работа, выполненная под руководством докт. техн. наук проф. С.Л. Кужекова, посвящена решению зада-

чи выбора ОПН для защиты от коммутационных перенапряжений в сетях 6-10 кВ, возникающих при отключении электродвигателей и слабонагруженных трансформаторов.

Выбор ОПН для защиты от коммутационных перенапряжений можно разделить на три этапа.

1 этап. Выбор по параметрам, приведенным в каталожных данных предприятий-изготовителей ОПН, обеспечивающих требования защиты изоляции оборудования:

- длительно допустимое напряжение инд , кВ;

, кВ;

- остающееся напряжение иОСТ .

- удельная энергоемкость ^уд, кДж/кВ;

- длина пути утечки Н, см.

2 этап. Выбор места установки ОПН.

3 этап. Выбор по требованиям стойкости ОПН к временным повышениям напряжения.

Рассмотрим подробно каждый из этих этапов.

ивд, кВ

1 ЭТАП

Длительно допустимое рабочее напряжение

наибольшее действующее значение напряжения частоты 50 Гц, которое может быть приложено к выводам ограничителя неограниченно долго (при нормированных условиях эксплуатации).

При выборе по этому параметру должно выполняться неравенство:

иНД - UH.P :

(1)

где иН Р, кВ - наибольшее рабочее напряжение оборудования - наибольшее напряжение частоты 50 Гц, неограниченно длительное приложение которого к зажимам разных фаз (полюсов) электрооборудования допустимо для его изоляции.

В нашей стране сети 6-10 кВ выполняются преимущественно с изолированной нейтралью и с режимом заземления нейтрали через дугогасящий реактор для компенсации емкостных токов замыкания на землю. При включении ОПН между фазой и землей за иНР принимается наибольшее линейное напряжение

и Л МАХ, кВ. Это связано с тем, что в таких сетях при замыкании одной из фаз напряжения на неповрежденных фазах могут достичь значения наибольшего линейного напряжения. Согласно [2] наибольшее рабочее напряжение оборудования в сети с номинальным напряжением 6 кВ должно быть не более 7,2 кВ, а в сети 10 кВ - не более 12 кВ, т.е. при первом приближении за инд можно принять эти значения. Однако

чем выше у ОПН значение параметра иНд, тем выше

значение остающегося напряжения иОсТ и ниже защитный уровень ОПН.

Остающееся напряжение иОСТ, кВ - максимальное значение напряжения на выводах ограничителя перенапряжения при протекании через него импульса тока заданной формы. В каталожных данных ОПН по иОСТ нормируются импульсы тока 8/20 мкс и 30/60 мкс (длительность переднего фронта импульса / длительность полуспада импульса). Защитному уровню ОПН при коммутационных перенапряжениях (КП) соответствует импульс тока с формой 30/60 мкс, который вызывает иОСТ типичное для ОПН при КП с крутым фронтом. Амплитудное значение этого импульса тока берётся по расчету переходного процесса для рассматриваемой коммутации, но считается, что этот ток не будет превышать 500 А [3], поэтому при отсутствии расчетов принимаем импульсный ток 500 А, для которого остаточное напряжение обозначается - иОСТ.500. При этом должно соблюдаться условие:

UОСТ.500 - КДОП

V2U

НД!

(2)

где КдОП - допустимая кратность внутренних перенапряжений для электрооборудования (табл. 1).

Таблица 1

Допустимые кратности перенапряжения ЛДОП для электрооборудования 6-10 кВ [2]

Вид оборудования Класс напряжения

6 кВ 10 кВ

Электрооборудование с нормальной изоляцией 7,0 5,9

Электрооборудование с облегченной изоляцией 4,5 4,1

Электродвигатели 2,62 2,52

Удельная энергоемкость WУд (кДж/кВ) - это отношение выделившейся в ОПН энергии при подаче нормируемого импульса тока коммутационного перенапряжения к иНд, кВ. Поглощаемая ОПН при ограничении напряжения энергия ^ПОГ, кДж, не должна превышать энергоемкость ОПН:

Wvn - ^ПОГ

УД

U-

(3)

НД

Оценку предельного значения поглощаемой электромагнитной энергии нагрузки дает выражение

Г 12

НГ СЗ т т-1

ПоГ = 2 , где - индуктивность нагрузки, Гн;

1СЗ - ток среза, А.

Индуктивность двигателя в номинальном режиме:

L - Xl

LHr -

ю

где

X - U X д - s

2

Н , Ом - индуктивное сопротивление

Нд

двигателя; иН,

кВ; SH

_?Нд , кВА - номинальные напряжение и мощность двигателя; ю = 314 рад/с - угловая частота при промышленной частоте 50 Гц.

Для трансформатора ЬНГ можно оценить как индуктивность намагничивания:

u И

^ИГ

.* о

ИТ

где /ж - ток холостого хода в долях от номинального; 5"НТ, кВА - номинальная мощность трансформатора.

Величина 1СЗ зависит от конструкции выключателя (его типа, скорости размыкания контактов, интенсивности ионизации дугового промежутка), формы кривой и максимального значения отключаемого тока. Любой выключатель имеет свой максимум зависимости тока «среза» от коммутируемого тока. По данным, взятым из [4], составлена табл. 2, в которой приведены максимальные значения 1СЗ выключателей с различными дугогасящими средами.

Таблица 2

Максимальные значения токов среза IСЗ МАХ для различных типов выключателей

Типы выключателей

icp, а

m

5-10

s m ^ я

m

27

л

m

5

м

12

22

о

m

36

Длина пути утечки Н, см - это наименьшее расстояние по поверхности изолирующей детали между металлическими частями (арматурой) разного потенциала без учета участков, проходящих вдоль слоев цемента или других аналогичных материалов. За длину пути утечки составной изолирующей конструкции или изолятора принимается сумма путей утечки последовательно-соединяемых элементов.

В [5] нормируются допустимые удельные длины путей утечки в зависимости от степени загрязнения. По условиям работы изоляции устанавливаются 4 степени загрязнения: I - легкая; II - средняя; III -сильная; IV - очень сильная.

Таблица 3

Удельные длины путей утечки в зависимости от степени загрязнения изоляции электрооборудования [5]

Степень загрязнения Удельная длина пути утечки, см/кВ НУд, не менее

I 1,6

II 2,0

III 2,5

IV 3,1

В районах с незначительным загрязнением в зависимости от эксплуатационных условий можно использовать НУд менее 1,6 см/кВ, но не менее 1,2 см/кВ. Для длины пути утечки ОПН должно выполняться:

Н > Нуд инд , (4)

где Н - длина пути утечки ОПН.

В табл. 4 приведена сводка условий выбора ОПН для защиты от коммутационных перенапряжений двигателей и ненагруженных трансформаторов напряжением 6-10 кВ при их отключении по основным параметрам, приведенным в каталожных данных ОПН.

Таблица 4

Условия выбора ОПН по каталожным параметрам для защиты от коммутационных перенапряжений

Параметр ОПН Условие выбора

Длительнодопустимое напряжение, кВ инд > ин.р

Остающееся напряжение, кВ иост.500 - Кдопл/2инд

Удельная энергоемкость ОПН, кДж/кВ ^уд > wп0г/инд

Длина пути утечки, см Н = ндоп

2 ЭТАП

При защите электродвигателей возможны три места установки ОПН: за выключателем в начале кабеля в ячейке КРУ по схеме фаза - земля (рис. 1а); непосредственно около двигателя по схеме фаза-земля (рис. 16); параллельно контактам выключателя непосредственно в ячейке выключателя (рис. 1е).

2

»-«-(Й)

ОПН

а)

ф-ф-КЙ

ОПН

*-«-(Й)

Рис. 1. Места установки ОПН

Если сравнивать установку ОПН за выключателем (рис. 1а) с установкой ОПН около двигателя (рис. 16), то для защиты двигателя предпочтительней второй вариант. Это связано с тем, что при установке ОПН за выключателем напряжение на двигателе будет больше, чем остающееся напряжение на ОПН из-за разделяющего их кабеля. При малой длине кабеля от выключателя до электродвигателя (до 50 м) оба варианта установки ОПН равнозначны, так как значение напряжения на двигателе и остающегося напряжения ОПН при его установке у выключателя отличаются незначительно.

В последнее время предлагается вариант установки ОПН параллельно контактам выключателя непосредственно в ячейке (рис. 1е). ОПН при этом будет реагировать не на амплитуду волны напряжения, идущей со стороны двигателя, как в первых двух вариантах, а на разность напряжений между источником и двигателем. С точки зрения защиты изоляции это самый лучший вариант, особенно в случаях с повторными зажиганиями дуги в межконтактном промежутке при отключении индуктивной нагрузки, так как при этом защищается не только поперечная изоляция двигателя, но и продольная [6]. Однако этот вариант требует конструктивной проработки предприятий-изготовителей выключателей и ОПН.

B

B

B

При защите трансформаторов от коммутационных перенапряжений установка ОПН необходима при длине кабеля до 300 м, так как при большей длине кратность перенапряжений не превысит допустимого для изоляции значения. ОПН устанавливается в начале кабельной линии в ячейке КРУ или у защищаемого объекта, аналогично, изображенным на рис. 1а,б.

3 ЭТАП

Временные повышения напряжения (кратковременные перенапряжения) и ВР ПЕР, кВ - перенапряжения промышленной частоты ограниченной продолжительности, воздействующие на ОПН. К ним относят дуговые и феррорезонансные перенапряжения. Опасность таких перенапряжений состоит не столько в их величине, сколько в длительности. Стойкость ОПН к кратковременным перенапряжениям характеризуется зависимостью М(1), которую приводят предприятия-изготовители в технических характеристиках ОПН.

М = СВРПЕР /ивд

ОПН -У

——...... --:

"... Яяйй^, Sagw.,

ОПН -КР ■"«■а»

ОПН -КС, )ПН -Т

о,1 1,о ю юо юоо юооо г, С

Рис. 2. Допустимая длительность временных повышений напряжения

На рис. 2 показаны характеристики для ОПН, изготовленных ТОО «Таврида-Электрик», которые позволяют судить об их стойкости к дуговым и ферроре-зонансным перенапряжениям. По этой характеристике определяются уровни и длительности кратковременных перенапряжений. В качестве примера в табл. 5 приведены характеристики для ОПН-У, полученные из рис. 1.

Таблица 5

Допустимые кратности временных перенапряжений

Длительность временного пе-ренапря-жения, с до 0,1 до 1 до 10 до 100 до 1000 до 10000

Допустимая кратность временного перенапряжения 1,50 1,44 1,38 1,32 1,26 1,20

Для надежной работы ОПН должно выполняться условие:

М иНД - иВР.ПЕР. (5)

Для соблюдения этого условия должны быть предприняты меры по снижению кратности и длительности кратковременных перенапряжений, иначе резко снизится срок службы ОПН за счет его выгорания при воздействии длительных временных перенапряжений.

В системе с изолированной нейтралью наиболее опасны дуговые перенапряжения. Наибольшие зафиксированные кратности дуговых перенапряжений составляют 3-3,5 от наибольшего рабочего напряжения сети. Вероятность появления дуговых перенапряжений с кратностью 3-3,5 не превышает 0,05, но такие перенапряжения длительностью 2-3 секунды опасны для ОПН. ОПН не предназначены для защиты от дуговых перенапряжений и должны быть стойки к ним Для полного обеспечения надежной работы ОПН в сети с изолированной нейтралью необходимо проведение мероприятий по снижению дуговых перенапряжений. Наиболее известным средством снижения дуговых перенапряжений является увеличение присоединенной емкости на зажимах электродвигателей и трансформаторов. Именно с этим обстоятельством связано появление резистивно-емкостных ограничителей перенапряжения. Продолжительность дуговых перенапряжений зависит от времени срабатывания релейной защиты (защита от повышения напряжений, защита от замыканий на землю).

В сетях с заземлением через дугогасящий реактор уровень перенапряжений меньше и зависит от степени расстройки дугогасящего реактора. При значительной расстройке эти сети не имеют преимуществ по сравнению с сетями с изолированной нейтралью. При настройке ДГР важно точно определить значения компенсируемых емкостных токов. В [7] приведены методы расчета емкостных токов для кабельных сетей, в которых учитываются марки кабелей, междуфазные и фазные емкости, зависящие от сечения кабелей. Расчетные емкостные токи в нормальных рабочих режимах и при однофазном коротком замыкании отличаются. Поэтому необходима такая их компенсация, при которой соотношение емкостных компенсируемых и индуктивных компенсирующих токов сохраняется неизменным как в нормальном режиме, так и при замыкании на землю. В [8] приведены варианты установки ДГР, при которых это условие соблюдается.

Феррорезонансные перенапряжения могут иметь большую амплитуду, чем дуговые перенапряжения, однако возникают гораздо реже при неполнофазных режимах трансформаторов с изолированной нейтралью. Их длительность зависит от времени срабатывания релейной защиты. В качестве мер защиты от фер-рорезонансных перенапряжений рекомендуются симметричные коммутации всех фаз трансформатора, более низкие номинальные токи плавких вставок предохранителей трансформаторов по сравнению с плавкими вставками предохранителей питающих кабелей, обеспечивающие селективность.

Выгорание ОПН от дуговых перенапряжений полностью исключается при высокоомном резистив-

ном заземлении неитрали, поэтому этот режим нейтрали находит все большее применение в нашей стране. Следует отметить, что феррорезонансные перенапряжения не возникают, если нейтраль трансформатора также заземлить через резистор.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод: для обеспечения надежной работы ОПН с точки зрения стойкости к временным повышениям напряжения необходимо согласование работы релейной защиты с условием (5).

ПРИМЕР ВЫБОРА ОПН

В качестве примера выберем ОПН для защиты асинхронного электродвигателя А313-59-4У3 имеющего следующие параметры: Рнд = 1000 кВт; UН = 6 кВ; cos ф =0,9, подключенного кабелем длиной 40 метров к вакуумному выключателю ВБЭ-10 -20/1600 УХЛ2.

1 ЭТАП

Наибольшее рабочее напряжение у данного электродвигателя иНР =7,2 кВ, соответственно условию (1) длительно-допустимое напряжение у ОПН должно быть Uнд > 7,2 кВ. Предварительно выбираем ОПН-

T/TEL 6/7,6 УХЛ1 изготовленного ООО РК «Таврида Электрик», который имеет следующие каталожные параметры: иНд =7,6 кВ; иОСТ500 =23,6 кВ; Wyд =

=4 кДж/кВ; Н=12 см.

Остающееся напряжение по условию (2) должно быть не более

UОСТ.500 = 23,6 кВ ^ КДОП^НД =

= 2,62л/27,6 = 28,07 кВ .

Определим индуктивность намагничивания трансформатора:

L = Xg = (6000)2 /(1000 -103 /0,9) = 0 Гн

НГ -- 314 , Н'

ю

Удельная энергоемкость ОПН по условию (3) должна быть

I 12

= 4 кДж > Wпoг/инд = ^пог = Н^)' ^Д = 0 1 ю2

= (^-2-) / 7,6 = 0,66 кДж/кВ.

ОПН отвечает условию энергоемкости.

Район эксплуатации трансформатора относится к району со слабым загрязнением, поэтому длина пути утечки данного ОПН по условию (4) должна быть не менее:

Н = 12 см > НУД иНД = 1,2 • 7,2 = 8,64 см

2 ЭТАП

Так как длина кабеля, 40 метров ОПН-Т/ТЕЬ 10/11,5 УХЛ1 устанавливается в начале кабеля в ячейке КРУ или у защищаемого объекта, как будет удобно в конкретных условиях эксплуатации.

3 ЭТАП

На рис. 2 для данного ОПН приведена кривая М(1), на основе которой составляется табл. 6, определяющая значения величин и длительностей перенапряжений, при которых будет соблюдаться условие (5) для выбираемого ОПН.

Таблица 6

Допустимые кратности временных перенапряжений для ОПН-Т

Длительность временного пе-ренапря-жения, с до 0,1 до 1 до 10 до 100 до 1000 до 10000

Допустимая кратность временного перенапряжения 1,52 1,45 1,38 1,30 1,23 1,15

Литература

1. Кривенко А.И. Методика расчета коммутационных перенапряжений при отключении индуктивных нагрузок вакуумными выключателями // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2003. № 4. С. 35-38.

2. ГОСТ 1516.3 Электрооборудование переменного тока на напряжение от 3 до 500 кВ. Требования к электрической прочности изоляции.

3. Лысков Ю.И., Антонова О.Ю., Демина А.В. и др. Методические указания по применению ограничителей в сетях 6-35 кВ. М., 2001.

4. Евдокунин Г.А., Титенков С.С. Перенапряжения в сетях

6(10) кВ создаются при коммутации как вакуумными, так и элегазовыми выключателями // Новости электротехники 2002. № 5(17) С. 27-29.

5. ГОСТ 9920-89 Электроустановки переменного тока на напряжение от 3 до 750 кВ. Длина пути утечки внешней изоляции.

6. Аношин О.А. К вопросу коммутаций индуктивных нагру-

зок вакуумными выключателями // Промышленная энергетика. 2002. № 7.

7. Каждан А.Э., Гороховский В.И. Расчет таблиц уставок токов дугогасящих реакторов для оперативной настройки компенсирующих устройств // Промышленная энергетика, 1988. № 2. С. 38-41.

8. Гороховский В.И., Каждан Э.М., Харитонов В.П. О компенсации емкостных токов в кабельных сетях 6-10 кВ, подключенных к автономному источнику питания ограниченной мощности // Промышленная энергетика. 1986. № 3. С. 20-22.

Южно-Российский государственный технический университет (НПИ)

12 мая 2004 г