CC BY
206
Литература
1. Месяц Г. А. Импульсная энергетика и электроника. М.: Наука, 2004. 704 с.
2. Рюденберг Р. Переходные процессы в электроэнергетических системах. М.: Изд-во иностранной лит, 1955. 716 с.
Сведения об авторах Яковлев Валерий Иванович,
старший научный сотрудник, профессор кафедры ТВН, Электроизоляционная
и кабельная техника Санкт-Петербургского политехнического университета
Петра Великого (ФГАОУ ВО «СПбПУ), д. т. н.
Россия, 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29,
эл. почта: valeryak@mail.ru
Ярошевич Вера Васильевна,
научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН. Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А, эл. почта: yaroshevich_vera@mail.ru
УДК 621.315.17
Я. Э. Еремич, С. А. Пашичева, Ф. Х. Халилов, А. С. Карпов ЗАЩИТА НЕЙТРАЛИ ТРАНСФОРМАТОРОВ 6-35 кВ Аннотация
В сетях 6-35 кВ у ряда силовых трансформаторов нейтраль выводится из бака для подключения дугогасящих реакторов (ДГР) для компенсации емкостных токов однофазного замыкания на землю. Для защиты нейтрали и ДГР обычно применяются вентильные разрядники (РВ). Опыт эксплуатации показывает, что часто происходит разрушение этих РВ. Приводятся результаты исследования перенапряжений в нейтрали и характеристики защитных аппаратов для установки в нейтрали.
Ключевые слова:
силовой трансформатор, нейтраль, вентильный разрядник, нелинейный ограничитель перенапряжений.
Y. E. Eremich, S. A. Pashicheva, F. Kh. Khalilov, A. S. Karpov 6-35 KV TRANSFORMERS NEUTRAL PROTECTION
Abstract
A number of 6-35 kV transformers have directly available neutral for connection of arc suppression coils (ASC) and compensation of single-phase ground fault capacitive currents. Generally, valve arresters are used for neutral and ASC protection. According to operating experience, valve arresters break down often. The results of studies of overvoltages in the neutral and characteristics of its protective equipment are presented in the article.
Keywords:
рower transformer, neutral, valve arrester, metal oxide arrester.
Постановка проблемы. В симметричном режиме векторная сумма системы трехфазных переменных токов и напряжений фаз равна нулю. Однако в несимметричных режимах ток небаланса течет по земле, возвращается к источнику и в нейтрали возникают значительные импульсные и внутренние перенапряжения, опасные для изоляции [1]. Далее в статье приводятся результаты исследования электрических воздействий на изоляцию нейтрали, представлены характеристики защитных аппаратов для установки в нейтрали силовых трансформаторов 6-35 кВ.
У большинства трансформаторов 6-35 кВ нейтраль не выводится из бака, она работает в относительно облегченных условиях в масле. Однако у части силовых трансформаторов нейтраль специально выводится из бака для подключения дугогасящих реакторов (ДГР), необходимых для компенсации емкостных токов однофазного замыкания на землю [2-4]. Для защиты изоляции нейтрали и ДГР до последнего времени применяются вентильные разрядники.
Повреждения изоляции нейтрали силовых трансформаторов 6-35 кВ возникают чаще всего при разрушении защитных аппаратов, предназначенных для защиты нейтрали.
Разрушение разрядников в нейтрали силовых трансформаторов 6-35 кВ происходит в двух случаях:
- при длительном воздействии напряжения промышленной частоты, значение которого больше, чем напряжение гашения защитного аппарата - разрядника;
- вследствие нагрева шунтирующего сопротивления при воздействии на защитный аппарат - разрядник длительного напряжения промышленной частоты (больше допустимого).
Это подтверждается результатами изучения актов аварийности в энергосистемах. Можно сделать вывод о том, что в большинстве случаев вентильные разрядники выполняют свою основную функцию защитного аппарата, но при воздействии на них длительных перенапряжений они разрушаются.
На основании проведенного анализа можно констатировать, что в настоящее время по существу нет исчерпывающих теоретических и статистических данных о повреждениях изоляции нейтрали силовых трансформаторов и ДГР. Однако опрос энергосистем и изучение актов аварийности показывает, что эти случаи имели место в ряде энергосистем.
Причинами повреждения изоляции нейтрали силовых трансформаторов является отсутствие соответствующих защитных аппаратов, а также неправильная координация изоляции нейтрали и характеристик защитных аппаратов.
Испытательные напряжения изоляции силовых трансформаторов определяются ГОСТ 1516.3-96. Значения этих напряжений для трансформаторов и их нейтрали приведены в табл. 1.
Таблица 1
Испытательные напряжения изоляции силовых трансформаторов 6-35 кВ и их нейтрали (ГОСТ 1516.3-96)
и, кВ Испытательное напряжение (одноминутное) изоляции, тгР! - действ. Выдерживаемое напряжение (при плавном подъеме) для внешней изоляции, тгР! - действ. Нормированное испытательное напряжение грозовых импульсов, кВ
трансформатора нейтрали трансформатора ввода нейтрали, испытываемого отдельно трансформатора нейт трансфо рали рматора трансформатора нейтрали трансформатора
в сухом состоянии под дождем в сухом состоянии под дождем
6 25 25 32 34 26 34 26 60 60
10 35 35 42 45 34 45 34 80 80
35 85 85 95 150 85 105 85 200 200
9 9
По данным [4, 5], допустимый для внутренней изоляции нейтрали силовых трансформаторов уровень коммутационных и квазистационарных перенапряжений можно оценить по формуле:
ивп = 5впКви^2и;тт, (1)
где 5вп - коэффициент импульса, значение которого можно принять равным 1.35; КВП - коэффициент, учитывающий снижение пробивного градиента масляных каналов в трансформаторе в условиях эксплуатации при многократном воздействии перенапряжений.
Допустимый уровень грозовых перенапряжений для внутренней изоляции нейтрали силовых трансформаторов принимается равным значениям, утвержденным руководящим документом управления трансформаторстроения и высоковольтного оборудования Госкомитета по электротехнике о допустимых униполярных волнах напряжения для силовых трансформаторов [5, 6].
Величины допустимых воздействий для внутренней изоляции нейтрали силовых трансформаторов, а также соответствующие кратности перенапряжений по отношению к номинальному фазному напряжению трансформатора (Квп = Цбп/ Цф max; Кга= Urn/ Ц, max) приведены в табл.2.
Таблица 2
Амплитуды и кратности допустимых для изоляции нейтрали напряжений
UH, кВ Цисп, кВ Цвп, кВ Квп Цгп, кВ Кгп
35 85 146 4.45 238 7.2
10 35 45 4.60 77 7.8
6 25 34 8.80 59 10.0
ПРИМЕЧАНИЕ. Изоляция нейтрали полная.
В эксплуатации на изоляцию нейтрали воздействуют небольшие длительные по величине напряжения небаланса иН = иА+ иВ+ иС , умеренные внутренние перенапряжения и достаточно интенсивные грозовые перенапряжения. Модуль ОН зависит от режима заземления сети и внутренней несимметрии:
- при замыканиях одной фазы на земле в сетях 6-35 кВ во многих случаях:
ия = Цмр/^,
где иМР - максимальное рабочее напряжение сети,
имРб=1.2 • £/ном = 1.6 • 6 = 7.2 кВ; имрю = 1.2 • ином = 1.6 • 10 = 12 кВ; имрзз = 1.2 • ином = 1.6 • 35 = 40.35 кВ;
- при неполнофазных (однофазных и двухфазных) режимах питания ненагруженных трансформаторов через ВЛ и кабельные линии могут иметь место феррорезонансные перенапряжения, опасные как для изоляции линейных вводов, так и для нейтрали.
Последние перенапряжения должны быть исключены при проектировании сетей тщательной настройкой выключателей и вводом релейной защиты от неполнофазных режимов или от повышения напряжения.
Импульсные перенапряжения в нейтрали исследовались согласно рис. 1 с помощью анализатора переходных процессов (АПП) Санкт-Петербургского политехнического университета.
Рис. 1. Схема импульсного обмера трансформатора при приходе волны по одной (а), двум (б) и трем (в) фазам
На одну, две и три фазы обмотки высокого напряжения (ВН) через сопротивление, равное волновому, подается апериодическая волна. Свободные фазы этой обмотки и вторичные обмотки трансформатора замыкаются на землю через волновые сопротивления, приведенные в табл.3.
Таблица 3
Волновые сопротивления линий
Количество фаз, по которым подается волна Волновое сопротивление по опытам, Ом Условное обозначение
Одна 480 ^ 35
Две 290 ^ 35
Три 200 ^ 35
Одна 500 ^ 10; ^ 6
Две 320 ^ 10; ^ 6
Три 240 ^ 10; ^ 6
При помощи осциллографа регистрируется напряжение на входе трансформатора (и0) и напряжение в нейтрали (ин).
Первоначально изучалось влияние формы и амплитуды грозовой волны на величину перенапряжений в нейтрали силовых трансформаторов. Наиболее полно грозовые перенапряжения были исследованы для трансформаторов 6 и 10 кВ (например, в сети 10 кВ обмер был произведен на 24 трансформаторах). Это позволило получить обобщенные зависимости величины грозовых перенапряжений от амплитуды и формы приходящей грозовой волны. Анализ экспериментальных данных выявил следующие закономерности.
1. С увеличением длины волны тв 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 трансформатора.
Вид кривых ин/и0 = Дтв) для всех исследованных трансформаторов однотипен, следовательно, величина ин/и0 является функцией двух величин тв и Т. Графические и численные отображения функций ин/и0 = Дтв) для всех исследованных трансформаторов совпали и дали единую зависимость, представленную на рис.2.
11н/ио 2.01.5-
1.0-
0.5-
1
/ __ 1 —
/V
0.5
1.0
1.0
2.0
Тв/Т
Рис. 2. Обобщенная кривая ин/и0 = У(хв/Т) для трансформаторов 35 кВ (кривая 1)
и 6-10 кВ (кривая 2)
Обобщая все вышесказанное, можно привести формулу для определения максимальных значений перенапряжений в нейтрали силовых трансформаторов классов 6-35 кВ:
Цмакс = п/3 ■ и • ДТв/Т), (2)
где п - число фаз, по которым одновременно приходит волна; и0 - амплитуда волны перенапряжений на линейных вводах трансформатора; тв/Т - функция, график которой приведен на рис. 2.
Таким образом, сказанное выше позволяет сделать следующие выводы.
1. Грозовые перенапряжения представляют опасность для изоляции нейтрали силовых трансформаторов 6-35 кВ, и поэтому её необходимо защищать вентильными разрядниками или нелинейными ограничителями перенапряжений.
2. Защитные аппараты, установленные на подстанции, снижают величину напряжения в нейтрали, но она продолжает оставаться опасной для изоляции нейтрали при приходе волны по трем фазам.
3. Увеличение числа отходящих линий снижает величину напряжения в нейтрали, но при этом она продолжает оставаться опасной для изоляции нейтрали силовых трансформаторов.
4. Защитный аппарат, установленный в нейтрали трансформатора, обеспечивает надежную защиту изоляции нейтрали и работает в облегченных условиях, так как импульсное сопротивление обмоток трансформатора ограничивает ток через разрядник. Ток, протекающий через разрядник, даже при приходе грозовой волны по трем фазам не может превысить величины 0.6-0.9 кА для трансформаторов 6-35 кВ. Максимально возможный импульсный ток в нейтрали определяется как допустимое напряжение грозовой волны для фазных выводов, деленное на импульсное сопротивление обмотки трансформатора, например, он будет равен 0.9 кА для трансформаторов 35 кВ.
Анализ результатов натурных измерений и расчетов на ЭВМ позволяет утверждать, что при неполнофазных режимах работы линии с трансформатором, имеющим изолированную нейтраль, в сети возможно возникновение феррорезонансных перенапряжений на основной частоте с кратностями К < 1.75. Амплитуда этих перенапряжений зависит от отношения основных параметров - длины линии и тока холостого хода трансформатора (Шхх).
При этом также возможно возникновение смешанного резонанса, сложение резонанса по основной частоте с резонансом на частоте, равной 'Л кратности 3.5 в однофазном режиме и 2.6 в двухфазном режиме.
Необходимо иметь в виду, что, кроме феррорезонансного режима работы, система имеет еще одно устойчивое состояние, соответствующее нормальному режиму работы сети с кратностями перенапряжений в нейтрали трансформатора 0.5 и 0.4 для однофазного и двухфазного режима соответственно. Условием перехода от нормального режима к феррорезонансному является включение линии под напряжение с углом включения 0-10о.
Для изоляции нейтрали трансформатора опасна амплитуда феррорезонансных перенапряжений в однофазном режиме, а в двухфазном режиме эта опасность возникает в определенном диапазоне отношений ///**. Кроме того, амплитуды феррорезонансных перенапряжений и однофазного, и двухфазного режимов часто превышают длительно допустимые значения напряжения для вентильных разрядников, установленных в нейтрали.
Отметим также, что возникновение феррорезонансных режимов возможно 1 раз в 15 лет на линиях с воздушными выключателями с вероятностью 0.22, а на линиях с масляными выключателями - с вероятностью 0.33. Возможность возникновения феррорезонанса можно полностью исключить, если нагружать трансформатор активной нагрузкой ~ 15 % 5"ном.
Как было отмечено выше, нейтраль трансформаторов 6-35 кВ нуждается в соответствующей защите от импульсных напряжений. Для ее обеспечения необходимо применить ОПН, которые одновременно демпфируют внутренние перенапряжения, возникающие в нейтрали.
В свою очередь, выбор характеристик ОПН для установки в нейтрали должен быть выполнен так, чтобы полностью исключалась возможность их разрушения при неполнофазных режимах и в схемах опасных с точки зрения феррорезонанса.
С учетом этого для защиты разземленной нейтрали силовых трансформаторов от грозовых и внутренних перенапряжений можно рекомендовать следующие схемные и аппаратные мероприятия:
- заземление нейтрали через резисторы, что связано с определенными техническими трудностями;
- разземление нейтралей трансформаторов подстанций, от которых отходит большое число воздушных линий и питается несколько силовых трансформаторов;
- внедрение релейной защиты от неполнофазных режимов силовых трансформаторов, нейтрали которых изолированы;
- внедрение системной автоматики на отключение трансформатора с изолированной нейтралью при повышениях напряжения;
- установка в разземленной нейтрали силовых трансформаторов нелинейных ограничителей перенапряжений.
Рассмотрим технические требования к ОПН 6-35 кВ для установки в нейтрали.
К электрическим воздействиям на ОПН для установки в нейтрали относятся: наибольшее рабочее напряжение (инр), наибольшее расчётное напряжение (Цнрн), разрядный ток (1р), ток коммутационных перенапряжений (1к), расчетный ток короткого замыкания, допустимая величина кажущегося заряда при частичных разрядах (ЧР).
ОПН, устанавливаемый в нейтрали, должен обеспечить защиту изоляции нейтрали от грозовых перенапряжений и выдержать без разрушения воздействия внутренних перенапряжений.
Приведенные исследования трехфазных и неполнофазных режимов работы сети показывают, что в нейтрали трансформаторов 6-35 кВ уровень квазистационарных перенапряжений не превышает значения Цф и может продолжаться от полпериода промышленной частоты до времени ликвидации неполнофазного режима.
Феррорезонансные перенапряжения, возникающие в сети, имеют кратность более Ц, и существуют до ликвидации этого режима. Так как вероятность феррорезонансных перенапряжений небольшая, на них не следует ориентироваться при выборе ОПН в нейтрали трансформатора.
В сетях 6-35 кВ нейтраль может длительно находиться под фазовым рабочим напряжением, т. е. имеются в виду возможные повышения в сети до инр= (1.15-1.2)-Ц,, с учетом 5%-го запаса.
Меры безопасности при монтаже и эксплуатации ОПН должны удовлетворять действующим правилам техники безопасности соответственно при электромонтажных и наладочных работах и эксплуатации электроустановок, а также требованиям ГОСТ 12.2.007.0-75 и ГОСТ 12.2.007.3-75.
В частности, к обслуживанию ОПН должен быть допущен персонал, изучивший соответствующую инструкцию и имеющий допуск к обслуживанию высоковольтных распределительных устройств.
При установке ОПН в зонах с повышенной сейсмической опасностью (выше 7 баллов по М8С-64) конструкция аппарата должна включать мероприятия по сейсмической устойчивости.
ОПН, работающие при условиях вибрации, должны выдерживать механические нагрузки вибрации по группе условий эксплуатации М1 по ГОСТ 17516 степень жесткости 1 ГОСТ 16962.
Ограничители с наибольшим длительно допустимым напряжением 3-42 кВ (ограничители средних классов напряжения) должны выдерживать механические нагрузки от вибрации по группе условий эксплуатации М6 ГОСТ 17516.
Приведенные выше исследования позволяют предъявить следующие требования к нелинейным ограничителям для установки в нейтрали силовых трансформаторов 6-35 кВ. ОПН-35 кВ
- номинальное напряжение аппарата - 35 кВ;
- наибольшее длительное напряжение, допустимое на аппарате, - 25 кВ;
- расчетный коммутационный ток через аппарат, имеющий параметры 1.2/2.5 мс, выдерживаемый не менее 20 раз, - 200 А;
- остающееся напряжение при расчетном токе волны 8/20 мкс - не более
60 кВ;
- внешняя изоляция ОПН должна соответствовать ГОСТ 1516.3-96 для аппаратов 35 кВ;
- климатическое исполнение - У или УХЛ, категория размещения - 1;
- сейсмоустойчивость - 7 баллов по MSC-64;
- виброустойчивость - М1 по ГОСТ 16962. ОПН-10 кВ
- номинальное напряжение аппарата - 10 кВ;
- наибольшее длительное напряжение, допустимое на аппарате, - 7.3 кВ;
- расчетный коммутационный ток через аппарат, имеющий параметры 1.2/2.5 мс, выдерживаемый не менее 20 раз, - 200 А;
- остающееся напряжение при расчетном токе волны 8/20 мкс - не более
17 кВ;
- внешняя изоляция ОПН должна соответствовать ГОСТ 1516.3-96 для аппаратов 10 кВ;
- климатическое исполнение - У или УХЛ, категория размещения - 1;
- сейсмоустойчивость - 7 баллов по MSC-64;
- виброустойчивость - М1 по ГОСТ 16962. ОПН-6 кВ
- номинальное напряжение аппарата - 6 кВ;
- наибольшее длительное напряжение, допустимое на аппарате, - 4.4 кВ;
- расчетный коммутационный ток через аппарат, имеющий параметры 1.2/2.5 мс, выдерживаемый не менее 20 раз, - 200 А;
- остающееся напряжение при расчетном токе волны 8/20 мкс - не более
7.6 кВ;
- внешняя изоляция ОПН должна соответствовать ГОСТ 1516.3-96 для аппаратов 10 кВ;
- климатическое исполнение - У или УХЛ, категория размещения - 1;
- сейсмоустойчивость - 7 баллов по MSC-64;
- виброустойчивость - М1 по ГОСТ 16962.
Выводы
1. Изоляция нейтрали 6-35 кВ и подключенного к ней электрооборудования, например ДГР, работает в более напряженных условиях, чем изоляция линейных выводов.
2. Молниевые перенапряжения в нейтрали 35 кВ при падении волн и0 по трем фазам приблизительно на 80 % больше, чем и0. В нейтрали трансформаторов 6-10 кВ такой рост составляет приблизительно 50 % по сравнению с и0.
3. В режимах, далеких от феррорезонансных, внутренние перенапряжения практически неопасны для изоляции электрооборудования нейтрали и для самой нейтрали.
4. Изучены электрические и неэлектрические воздействия на ОПН 6-35 кВ для установки в нейтрали, даны технические требования к этим защитным аппаратам.
Литература
1. Электромагнитная совместимость и разработка мероприятий по улучшению защиты от перенапряжений электрооборудования сетей 6-35 кВ / Ф. Х. Халилов, В. Г. Гольдштейн, Г. В. Подпоркин, В. П. Степанов. М.: Энергоатомиздат, 2009. 344 с.
2. Повышение надежности работы электрооборудования и линий 0.4-110 кВ нефтяной промышленности при воздействиях перенапряжений / Ф. Х. Халилов, В. Г. Гольдштейн, А. Н. Гордиенко, А. А. Пухальский. М.: Энергоатомиздат, 2006. 356 с.
3. Альбокринов В. С., Гольдштейн В. Г., Халилов Ф. Х. Перенапряжения и защита от них в электроустановках нефтяной промышленности. Самара: Изд. Самарского университета, 1997. 350 с.
4. Защита сетей 6-35 кВ от перенапряжений / под ред. проф. Ф. Х. Халилова, проф. Г. А. Евдокунина, доц. А. И. Таджибаева. СПб.: Энергоатомиздат, Санкт-Петербургское отделение, 2002. 259 с.
5. Техника высоких напряжений / под ред. Г. С. Кучинского. СПб.: Энергоатомиздат, Санкт-Петербургское отделение, 2003. 608 с.
6. Половой И. Ф., Михайлов Ю. А., Халилов Ф. Х. Внутренние перенапряжения на электрооборудовании высокого и сверхвысокого напряжения. Л.: Энергоатомиздат, ЛО, 1986. 152 с.
Сведения об авторах
Еремич Яна Эдуардовна,
аспирант кафедры «Техника высоких напряжений, изоляционная и кабельная техника» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого. Россия, 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29, эл. почта: yana.eremich@gmail.com
Пашичева Светлана Александровна,
аспирант кафедры «Техника высоких напряжений, изоляционная и кабельная техника» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого. Россия, 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29, эл. почта: pashicheva.sv@gmail.com
Халилов Фирудин Халилович,
профессор Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, заслуженный деятель науки и техники, действительный член Академии электротехнических наук, д. т. н.
Россия, 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29, тел.: (812)297-48-54, эл. почта: firudin-khalilov@yandex.ru
Карпов Алексей Сергеевич,
старший научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН. Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А, эл. почта: info@ien.kolasc.net.ru
