Источник: http://conf.so-cdu.ru/rza/sbornik.pdf с.223
Тенденция на строительство энергоблоков повышенной единичной мощности (более 1100)МВт для АЭС, и более 800 МВт для ТЭС) отчетливо прослеживается во всей мировой энергетике, так как удельная стоимость их строительства на 20-30% ниже, чем блоков меньшей мощностью. Например, большинство энергоблоков, вводимых в Японии, имеет мощность 1000 МВт. Заметим, что даже для докритических начальных параметров пара строительство энергоблоков мощностью менее 600 МВт ведется в исключительных случаях, обусловленных специальными соображениями. На этом фоне энергоблоки России мощностью 150-300 МВт, на которых вырабатывается почти половина электро- энергии, выглядят архаичными.
Объективная необходимость повышения в общем балансе производства электроэнергии ее доли вырабатываемой на АЭС, закрепленная Федеральной целевой программой «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007-2010 годы и на перспективу до 2015 года», опыт ведущих зарубежных стран, конкуренция на рынке поставки услуг в области энергетики, возрастающие требования нормативных документов по безопасности АЭС ведут к необходимости разработки проектов энергоблоков атомных станций с реакторами нового поколения, обеспечивающими качественный шаг вперед в ожидаемом уровне их безопасности. Для удовлетворения требований потребителей в России и заказчиков в других странах, достижения необходимых экономических и технических характеристик, требуется иметь ряд проектов блоков АЭС мощностью 1500-1800 МВт. Такая же ситуация складывается и при строительстве энергоблоков для ТЭС.
Но, несмотря на понимание необходимости создания сверхмощных энергоблоков необходимо осознавать, что без решения существующих проблем эксплуатации электротехнического оборудования сверхмощных энергоблоков развитие электроэнергетики, к сожалению, может оказаться не столь значительным, как того требует энергетическая безопасность РФ. Одной из наиболее значащих и нерешенных проблем эксплуатации электротехнического оборудования на сверхмощных энергоблоках является защита сетей собственных нужд от наиболее часто встречающегося вида повреждений – однофазных замыканий на землю. Согласно статистике причины нарушений в работе сетей СН электростанций (СН) следующие: 19% – однофазные замыкания в сети СН электростанций, в том числе в обмотке статора электродвигателей; 36% – двойные и короткие замыкания в сети СН электростанций, в том числе развившиеся из ОЗЗ; 9% – ОЗЗ, отключаемые селективными защитами.
В технике релейной защиты успешно используются автоматические комплексы защит надежная работа которых зависит от многих факторов. При выборе алгоритмов функционирования релейной защиты и моделировании нормальных режимов и аварийных процессов необходимо учитывать все факторы, влияющие на правильную настройку и работу этих комплексов. Высокие требования к надежной и селективной работе релейной защиты обусловили разработку и выпуск специальной серии сейсмостойких реле. В настоящее время устройства релейной защиты всех элементов сетей собственных нужд на мощных электростанциях, в том числе атомных, выполняются только с использованием сейсмостойких реле.
До настоящего времени, несмотря на ряд исследований и технических решений, способствующих предотвращению опасных последствий от однофазных дуговых замыканий (ОДЗ) в сетях СН ТЭС и АЭС, вопросы защиты оборудования нельзя считать исчерпанными.
Единственный и достоверный путь анализа этих режимов – грамотное моделирование процессов однофазных дуговых замыканий, с учетом всех необходимых факторов.
При моделировании процессов однофазных дуговых замыканий и феррорезонансных явлений необходимо учитывать следующие важные моменты:
1. Сеть следует моделировать с питающими источниками (ряд авторов исследуют процессы изначально ошибочно, так как не учитывают питающие источники).
2. Следует учитывать наличие следующего электротехнического оборудования: кабели с бумажной изоляцией, кабели с пластмассовой изоляцией, кабели с резиновой изоляцией, электродвигатели с различными видами изоляций: от термопластической микалентной до термореактивной, шинопроводы с фарфоровой изоляцией, трансформаторы маслонаполненные, сухие и т. д. Во всех этих изоляционных средах дуга горит по-разному, характер процесса перемежающейся дуги непостоянен: разные его формы сменяют одна другую с различной случайной последовательностью – единая универсальная математическая модель горения дуги отсутствует.
3. Сеть следует моделировать с учетом всего широкого спектра нагрузок: асинхронная, выпрямительная, активная и др.
4. Обязателен учет трансформаторов напряжения, которые, как показали исследования, существенно влияют на процессы при ОДЗ. Первичные обмотки ТН в сетях собственных нужд энергоблоков включены по схеме «звездой с заземленной нейтралью». Это позволяет осуществлять контроль изоляции всех фаз сети относительно земли и достаточно оперативно определять фазу с ОЗЗ. Учет реальных нелинейных индуктивностей трансформаторов напряжения позволил в результате расчетов получить данные, которые достоверно совпали с осциллограммами процессов, полученных в конкретной сети, рис. 1 [1-3].
Анализ результатов, позволяет заключить, что учет всех проводимостей сети на землю, в том числе и нелинейных индуктивных, обязателен. Полученные результаты при этом реально приближенны к натурным испытаниям и режимам. В существующих сетях СН уровни перенапряжений при ОДЗ не превосходят уровней испытательных напряжений для электродвигателей, однако вероятность развития различных феррорезонансных явлений в таких сетях выше по сравнению с сетями, в которых установлено меньшее количество комплектов трансформаторов напряжения.
Поэтому учет реальных нелинейных индуктивностей трансформаторов напряжения при моделировании процессов однофазного замыкания на землю – обязателен.
Из осциллограммы следует, что работа анализируемого комплекса абсолютно не соответствует режиму, который возник в реальной эксплуатации. Последовательность его действий не улучшает ситуацию, а как раз, наоборот, усугубляет ее, увеличивая кратности перенапряжений на неповрежденных фазах и вероятности перехода ОЗЗ в междуфазное короткое замыкание с протеканием недопустимых для выключателей токов и возгорания кабелей в сети энергоснабжения ответственных технологических потребителей.
При однофазном замыкании в точке К1 сработают измерительные органы токовой защиты линии питания рабочего ввода ТСН и дистанционной защиты питающего ввода. При срабатывании измерительных органов линии питания рабочего ввода ТСН они без выдержки времени будут блокировать формирование отключающего импульса питающего ввода от дистанционной защиты, предотвращая тем самым излишние отключения секций, на которых нет повреждений. По истечении выдержки времени токовой защиты сформируется импульс на отключение секционных выключателей, после отключения которых ликвидируется замыкание, и все измерительные органы релейных защит приходят в состояние «до срабатывания».
После отключения ОЗЗ, переход измерительных органов релейной защиты, выполненных с использованием сейсмостойких реле, в положение предшествующее срабатыванию осуществляется, к сожалению, не одновременно и поэтому в таких случаях могут формироваться неселективные отключающие импульсы, усугубляющие аварийную ситуацию и усложняющие переходный процесс в технологической схеме энергоблока.
При устранении короткого замыкания в точке К1 (рис. 3) токовой защитой линии питания рабочего ввода ТСН измерительный орган токовой защиты возвращается в положение «до срабатывания» значительно раньше измерительного органа дистанционной защиты, что служит основой для формирования отключающего импульса на отключение рабочего ввода с запретом АВР (табл. 2) уже после ликвидации аварийного режима. Что только усугубило сложившуюся ситуацию, увеличив кратности перенапряжений в неповрежденных фазах и вероятность перехода ОЗЗ в двойное и междуфазное короткое замыкание с протеканием недопустимых для выключателей токов и возгорания кабелей в сети энергоснабжения ответственных технологических потребителей электростанции.
После отключения ТВН защиты от однофазных замыканий на землю становятся вообще нечувствительными к чисто емкостному току замыкания. ОЗЗ в данном случае будет существовать долго, вплоть до того момента, пока не перейдет в двойное или междуфазное короткое замыкание.
Еще 1986 году «Атомтеплоэлектропроект» выпустил директивное указание об эксплуатации всех блочных ТЭС, ТЭЦ и АЭС с частично заземленной через низкоомные резисторы нейтралью (величина резистора предусматривается равной 100 Ом, защита от ОЗЗ базируется на токовых реле типа РТЗ–51 и действует на отключение поврежденного присоединения).
Однако вплоть до настоящего времени, большинство этих сетей по-прежнему эксплуатируются в режиме изолированной нейтрали.
Основная причина заключается в том, что заземление нейтрали через резистор величиной сопротивления 100 Ом снижает уровень безопасности сети. Его применение на сверхмощных энергоблоках нецелесообразно и даже опасно. Как показал опыт эксплуатации в сетях с нейтралью, заземленной через такой резистор, достаточно часты случаи отключения присоединений защитой от ОЗЗ с последующим неопределяемым местом замыкания. Более того, при таких величинах сопротивления резистора присоединение необходимо отключать за минимально возможное время, дабы обеспечить термическую стойкость установленного электрооборудования. В этой связи хотелось бы подчеркнуть, что этим самым ликвидированы все основные преимущества сетей, эксплуатируемых с изолированной нейтралью.Для повышения уровня надежности и электробезопасности сети СН необходимо применять так называемое «высокоомное» заземление нейтрали.
Так как трансформаторы СН содержат две расщепленные обмотки низшего напряжения, соединенные в треугольник, т. е. не имеют выделенной нулевой точки на стороне секций СН. Следовательно, для оснащения нейтрали сети СН резисторами необходимо какое-то дополнительное устройство, создающее нейтральную точку. Этим устройством может быть специальный трансформатор или какой-либо фильтр, конструкция которого должна обеспечивать относительно малую величину индуктивности нулевой последовательности (L0 ? 2.5 Гн). Также для создания нейтральной точки может применяться заземляющий трансформатор.
Верхний предел величины сопротивления резистора в нейтрали зависит от протяженности кабельной сети и выбирается, исходя из требования практического исключения повторных зажиганий дуги при ОДЗ. Нижний предел величины сопротивления резистора необходимо выбирать таким образом, чтобы при ОЗЗ не было отключений с неопределенным местом ОЗЗ, и чтобы обеспечивалась термическая стойкость электрооборудования.
Следовательно, величину сопротивления резистора следует выбирать в диапазоне:
Мощность и энергия, поглощаемые резистором в процессе ОЗЗ при изменении эквивалентной емкости сети в диапазоне 0.1…30 мкФ, составляют: на напряжении 6 кВ – 0.35-110 кВт и 1.1-325 кДж; на напряжении 10 кВ – 1-300 кВт и 3-900 кДж [4, 5].
Отметим, что сети СН, по возможности, должны быть локальными. Увеличение трансформаторной мощности в сетях СН – мероприятие по увеличению надежности энергоснабжения СН и уровня безопасной эксплуатации.
1. Процессы, происходящие в сети СН при однофазных замыканиях на землю (дуговые перенапряжения, феррорезонансные явления), необходимо рассматривать в единой математической модели, а задачу защиты сетей СН от их последствий необходимо решать комплексно с учетом, по возможности, всех многочисленных эксплуатационных факторов и режимов.
2. Надежная и безаварийная эксплуатация сетей СН ТЭС и АЭС может быть достигнута с помощью изменения режима эксплуатации нейтрали, в сочетании с соответствующим комплексом релейной защиты от ОЗЗ.
3. Наиболее радикальной мерой, препятствующей возникновению опасных дуговых перенапряжений и феррорезонансных процессов, является оснащение нейтрали сети резистором. Оснащение нейтрали сети высокоомными, не отключаемыми резисторами сопротивлением ? (500–700) Ом, позволяет исключить эскалацию опасных перенапряжений при ОДЗ и, соответственно, практически исключить вероятность многоместных замыканий, приводящих к коротким замыканиям в сети СН, а также опасных феррорезонансных явлений.
4. Разработанный комплексный подход к решению поставленной задачи, включающий в себя методологию выбора режима заземления нейтрали, обоснование мест включения трансформаторов для выделения нейтрали, а также организацию релейной защиты, позволяет решить основную задачу – обеспечение надежной эксплуатации основных механизмов собственных нужд сверхмощных энергоблоков электрических станций.
1. Виштибеев А.В., Гаврилко А.И. Однофазные замыкания на землю в сетях собственных нужд сверхмощных энергоблоков атомных электрических станций: проблемы и решения // Перенапряжения и надежность эксплуатации электрооборудования. Труды 4-й Международной научно-технической конференции, 14-18 ноября 2005 года. Будапешт, Венгрия: Изд-во Будапештского университета технологии и экономики, 2005. С. 191-202.
2. Г аврилко А.И. Проблемы эксплуатации электротехнического оборудования сверхмощных энергоблоков // Электро: Электротехника. Электроэнергетика. Электротехническая промышленность. 2006. № 2. С. 25-28.
3. Виштибеев А.В., Гаврилко А.И. Особенности феррорезонансных явлений в электрических сетях // Научно-технический журнал Национальной Академии Наук Азербайджана «Проблемы энергетики». № 1-2. 2006. Баку: Изд-во «Элм». С. 32-36.
4. Виштибеев А.В. Эффективность резистивного заземления нейтрали в кабельных электрических сетях 6-10 кВ. Ограничение перенапряжений и режимы заземления нейтрали сетей 6-35 кВ. Труды Второй Всероссийской научно-технической конференции «Ограничение перенапряжений и режимы заземления нейтрали сетей 6-35 кВ». Новосибирск: Изд-во ГЦРО, 2002. С. 84-94.
5. Alexey V. Wishtibeev. Calculation strategy of operate settings protection against ground fault – International Conference Proceedings 2005 IEEE St.Petersburg Power Tech. Poster Session II «Power system protection, Power system dynamic, stability and control». Paper index 295. June 27-30, 2005. ISBN 5-93208-034-0.
Алексей Владимирович Виштибеев — кандидат технических наук, доцент, начальник отдела развития электрических сетей Сибирского института проектирования энергетических систем ОАО «Сибирский ЭНТЦ». С 2005 г. – член Консультативного и Научного комитета WSEAS, с 2009 г. – член Научного комитета Международной конференции «Технические и физические проблемы в электроэнергетике TPE». axxxe@mail.ru; vishtibeev@ortek.energosib.ru; +7-913-921-0830