Защита от перенапряжений сетей собственных нужд (с. н.) является важной и актуальной задачей, поскольку надежность работы с. н. определяет надежность электростанции в целом. Естественна наметившаяся в настоящее время тенденция, использовать для защиты сетей с. н. нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН), которые являются прогрессивными защитными аппаратами, обладающими лучшими защитными характеристиками, чем вентильные разрядники.

Новые электродвигатели обладают достаточно высоким уровнем изоляции [1 – 3]. Публикация МЭК 34 – 1 [1] нормирует одноминутное испытательное напряжение 50—60 Гц, равное 2U_Н + 1 кВ. Таким образом для двигателей с U_Н = 6 кВ одноминутное испытательное напряжение составляет 13 кВ. Зарубежные исследователи [2] оценивают коэффициент импульса для воздействий с длительностью фронта волны более 5 мкс величиной 1,25. Таким образом, уровень изоляции нового двигателя составляет кВ. Отечественный стандарт [3] нормирует одноминутное испытательное напряжение для электродвигателей мощностью более 1 МВт равное 2,5 U_Н . Коэффициент импульса принимается равным 1,0. Таким образом, выдерживаемый уровень изоляции составляет кВ. Следовательно, отечественный и зарубежный опыт оценивают приблизительно одинаково уровень изоляции нового двигателя.

Однако опыт эксплуатации показывает, что после некоторого срока наблюдается снижение прочности изоляции электродвигателей. Поэтому в СССР существует практика определения допустимой в эксплуатации амплитуды перенапряжений, исходя из коэффициента импульса, равного единице и одноминутного испытательного напряжения двигателя, составляющего кВ [4], которым испытывается двигатель после капитального ремонта. Из сказанного следует, что снижение прочности изоляции электродвигателей приводит к целесообразности ограничения перенапряжений в сети 6 кВ с. н. до возможно низшего уровня.

На современном этапе развития техники наиболее глубокое ограничение перенапряжений можно осуществить с помощью ОПН. Лучшие варисторы, используемые в настоящее время в нашей стране и за рубежом, обладают защитным отношением отношение остающегося напряжения при расчетном токе коммутационного импульса к длительно допустимому рабочему напряжению U_Н.раб не менее 1,7—1,75. Отсюда, если допустить неограниченную длительность линейного напряжения, появляющегося на здоровых фазах при замыкании на землю, расчетный уровень ограничения получается . В конкретной схеме реальный уровень ограничения может оказаться ниже, так как токи через ОПН могут быть меньше расчетного. Однако всегда можно найти параметры схемы, где уровень ограничения будет равен расчетному. Дальнейшее снижение уровня ограничения в настоящее время может быть достигнуто только установкой ОПН с более низким длительно допустимым напряжением, что влечет за собой необходимость ограничения длительности существования однофазного замыкания на землю.

Поскольку дуговые замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью, как правило, сопровождаются многократными значительными перенапряжениями, то этими воздействиями определяются требования ко всем основным параметрам ОПН (наибольшему длительно допустимому напряжению, уровню ограничения перенапряжений, пропускной способности). Величина перенапряжений при дуговых замыканиях имеет статистический характер и во многом определяется местом повреждения (кабель, обмотка электрической машины, изолятор). Авторами были проведены измерения перенапряжений при замыкании в воздухе, масле, в кабеле и пазу машины. Опыты с открытой электрической дугой проводились при зажигании ее на опорном изоляторе, на роговом разряднике и на стержневом промежутке с постоянным расстоянием между электродами.

Опыты с дугой замыкания на землю в пазу машины проводились на демонтированном компенсаторе 10МВА с вынутым ротором. Общая толщина изоляций фазы от стали составляла 3,5 мм. Для воспроизведения условий, близких в отношении вентиляции к имеющимся в работающих машинах, от специальной компрессорной установки к месту повреждения подавалась струя воздуха. Как показали опыты, дуга емкостного тока в пазу машины имеет перемежающий характер в течение 1—2 с. При наличии дутья дуга в течение всего времени испытаний носит перемежающий характер (до 60 с). Наибольшее перенапряжение при дуге в пазу машины не превышало 2,4 U_Ф , поскольку малы пробивные напряжения на больной фазе, а начальные условия на здоровой не приводят к большим перенапряжениям.

Наибольшие перенапряжения возникают при дуговом замыкании в кабеле и на изоляторе. Пробивное напряжение может составлять 1,8 – 2,2 U_Ф, а кратность перенапряжений 3,2 U_Ф.

Для исследования возможных воздействий на ограничители перенапряжений при замыканиях на землю в сети с изолированной нейтралью с. н. электростанций были проведены обширные сетевые испытания. Измерения проводились на нескольких электростанциях как на шинах с. н. блоков, так и на шинах общестанционных нужд. Измерялись перенапряжения при дуговых замыканиях на землю при наличии ограничителей перенапряжений и без них. Во время испытаний регистрировались напряжения на трех фазах (с помощью емкостно-омических делителей напряжения), токи в ОПН (с помощью безындукционных омических шунтов), ток замыкания на землю (с помощью трансформатора тока). Для регистрации использовался магнитограф типа МТ 0529 Шлюмбергер, явления к которому подавались коаксиальными кабелями с двойным экраном. Измерительный тракт позволял регистрировать процессы с частотой до 400 кГц, что проверялось измерением отклика схемы на прямоугольный импульс.

Основные результаты измерений приведены в табл. 1, а на рис. 1 даны характерные осциллограммы перенапряжений и токов через ОПН. Ограничение перенапряжений в опытах осуществлялось тремя типами ограничителей перенапряжений: MWF - 6; MWF - 7 фирмы ВВС и GX - 1 производства ПНР. Основные параметры ограничителей приведены в табл. 2.

Параметры	MWF – 6	MWF – 7	GX – 1
Наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение, кВ	6	7	7.2
Остающееся напряжение на волне 30/60 мкс, кВ, при токе: 100 А 250 А	13.6 14.3	15.8 16.7	- -
Остающееся напряжение на импульсе 8/20 мкс, кВ, при токе: 1 кА 2 кА	15.6 17.4	18.2 20.3	- 21
Пропускная способность: амплитуда прямоугольного импульса длительностью 2000мкс, А	400	400	100

Ограничитель MWF - 6 пропускает 17 импульсов токов с амплитудами 10—40 А и интервалами между ними 20—40 мс. В опыте дуга погасла через 0,56 с. Однако были случаи, когда дуга сама не гасла, а отключалась выключателем через 1,5—2,0 с. Несомненно, что такие многократные воздействия приводят к нагреву ограничителя, поскольку им поглощается достаточно большая энергия.

Длительное, в течение десятков секунд, существование замыкания на землю увеличивает диаметр повреждения в кабеле и возникает обугливание стенок отверстия, что приводит к достаточно стабильному горению дуги с малыми напряжениями зажигания и к перенапряжениям. Напряжение на здоровых фазах практически не превышает линейного. Это третий период.

Энергетические и токовые воздействия на ограничитель можно с достаточной для практики точностью оценить исходя из известной однофазной схемы замещения, получение которой показано на рис. 2. Однофазная схема рис. 2, б обычно используется для определения перенапряжений, возникающих при зажигании дуги на максимуме напряжения поврежденной фазы. При этом начальное напряжение U₀ на емкости должно быть выбрано в зависимости от напряжения смещения и отношения C_M / C₀ [5]. Сравнение путем расчетов на ЭВМ, рассматриваемой однофазной схемы с трехфазной дает, как и следовало ожидать, полное совпадение токов и энергии в ОПН.

С помощью схемы рис. 2, б определялись токи через ОПН и энергия единичного импульса перенапряжений при защите сети собственных нужд ограничителями MWF - 7. При этом начальные условия в расчетной схеме (фаза включения ЭДС и напряжение на емкости) принимались такими, чтобы неограниченные перенапряжения были максимальными (3,2 U_Ф).

В расчетах варьировались мощность источника и емкостной ток замыкания на землю. В табл. 3 приведены результаты расчетов токов и напряжений на. ОПН и энергии единичного импульса, поглощаемой им. Из табл. 3 следует, что требуемый уровень ограничения перенапряжений 14,1 кВ обеспечивается ограничителем MWF - 6. Ограничитель MWF - 7 обеспечивает уровень ограничения 15,5 – 15,7 кВ. Параметры схемы сети (предвключенный реактанс и величина емкостного тока на землю) заметно влияет на токовые и энергетические воздействия на ОПН. С ростом емкостного тока сети и мощности трехфазного КЗ на шинах (уменьшение предвключенного реактанса) увеличиваются амплитуды импульсов тока через ОПН. Энергия единичного импульса тока зависит от амплитуды и длительности тока. Последняя зависит от частоты собственных колебаний. Увеличение емкостного тока и предвключенного реактанса уменьшает частоту собственных колебаний схемы и приводит к росту энергии единичного импульса. Сопоставление опытных и расчетных данных показывает, что в опытах амплитуды токов через ОПН были ниже расчетных, что объясняется отсутствием в опытах наиболее неблагоприятных условий зажиганий дуги.

Рисунок 1 – Осциллограммы напряжений и токов через ограничители МWF - 6 (а, в) и GX - 1 (б) при однофазных дуговых замыканиях на землю в сети 6 кВ собственных нужд электростанций

Практический интерес представляет суммарная энергия, поглощаемая ОПН за одно дуговое замыкание. Точное ее определение весьма затруднено, поскольку процессы гашения и зажигания тока дуги замыкания на землю случайны, а, следовательно, случайны воздействия на ОПН. Сетевые испытания показывают, что в процессе дугового замыкания в течение 0,6 – 0,9 с (замыкание отключалось выключателем) были зарегистрированы 18 - 36 импульсов токов через ограничитель МWF - 6 с амплитудами 10 – 80 А (табл. 1 схема 10). Средняя амплитуда импульса тока через ограничитель составляла 30—35 А, что соответствовало расчетной энергии единичного импульса порядка 30 Дж. В этом случае суммарная энергия, поглощенная ограничителем за время дугового замыкания, составляла 1 кДж.

В опытах дуга замыкания на землю отключалась в течение 1,0—1,5 с. В эксплуатации длительность замыкания может составлять десятки минут. Однако время, в течение которого наблюдаются максимальные перенапряжения и токи через ОПН, существенно ниже. В опытах после 4—6 замыканий длительностью 1,0 с отверстие в кабеле заметно увеличивалось, уменьшались напряжения пробоя на больной фазе и перенапряжения и токи через ОПН на здоровой, наступал режим, близкий к металлическому замыканию. Поэтому можно принять, что длительность второго типа воздействия на ОПН, о котором говорилось ранее, составляет 5 с. Тогда суммарная энергия, поглощенная ограничителем за этот период, доставит 5,0 кДж. Однако в опытах были случаи, когда импульсы тока практически с максимальной амплитудой повторялись с частотой 1 раз в период промышленной частоты. Естественно, что при таких воздействиях поглощаемая ограничителем энергия была больше.

Из сказанного следует, что модель энергетических воздействий на ОПН с длительно допустимым рабочим напряжением U_Н.раб ниже линейного напряжения сети, возможного в эксплуатации, должна учитывать:

поглощение ОПН энергии при ограничении им перенапряжений однофазного дугового замыкания;

а — трехфазная: б — однофазная, L_ф, r_Ф – фазные параметры источника питания; С₀ , С_М – емкости фаза – земля и фаза – фаза

Примечание. Числитель U₁₀₀ = 13 к В; знаменатель - U₁₀₀ = 14 ,кВ.

Рекомендации [6] предусматривают возможный уровень напряжения на шинах с. н. электростанций 6,6 кВ в течение 2 ч. Следует учитывать, что предварительно поглощенная ограничителем энергия снижает длительность выдерживаемого им повышения напряжения. Так, по данным каталога фирмы ВВС (СН-А 149540 Д) на ограничители МWF повышение напряжения на 1,1 по отношению к U_Н.раб без предварительно поглощенной энергии составляет 30 000 с, а с предварительно поглощенной энергией, равной 3,5 кДж на 1 кВ длительно допустимого напряжения, это время сокращается до 7000 с, т. е. в 4 раза. Очевидно, что для отечественных ограничителей аналогичные характеристики также должны нормироваться.

В ряде публикаций [6—8] имеются сведения об изготовлении и установке в эксплуатацию нелинейных ограничителей, базирующихся на одноколонковой конструкции из варисторов диаметром 28—30 мм. Как правило, для этих аппаратов изготовители нормируют остающееся напряжение при токе 100 А (U₁₀₀), равное 13—14 кВ. Поскольку пропускная способность варисторов 28 мм невелика, то вызывает сомнения возможность выдерживать ими воздействия при замыканиях на землю через перемежающуюся дугу. Поэтому для этих ограничителей, исходя из расчетной схемы замещения рис. 2, были определены максимальные токовые и энергетические воздействия, приведенные в табл. 4 (уровень неограниченных перенапряжений 3.0U_Ф).

Мощность трехфазного КЗ на шинах собственных нужд электростанций обычно находится в диапазоне 100 - 400 МВА, что соответствует реактансу источника 0,3 - 0,15 Ом. Емкостный ток замыкания на землю секции шин собственных нужд составляет обычно 3 - 5 А. Исходя из начальных данных, наибольшая расчетная энергия единичного импульса тока через ОПН составляет 120 и 103 Дж соответственно для аппаратов с U₁₀₀, равным 13 и 14 кВ.

Пропускная способность варисторов диаметром 28 мм нормируется 20 импульсами 1,2/2,5 мс с амплитудой 70 А. Энергию этого импульса приближенно, можно оценить как 70ּ13ּ10³ּ3.7ּ10^-3 кДж. Как уже говорилось ранее, энергия, поглощенная ограничителем МWF - 6 с U₁₀₀ = 13,6 кВ за 1 с дугового замыкания составляла во время опытов в сети 1 кДж. Испытания, проведенные авторами в действующих сетях, показали, что при токах I_C ≈ 5А длительность дугового замыкания превышает 5 - 6 с. Отсюда следует, что за это время ограничитель поглотит энергию, превосходящую энергию нормированного импульса пропускной способности не менее чем в 2 раза. А после этих воздействий ограничитель должен еще выдерживать линейное напряжение в течение времени ликвидации повреждения. Если учесть, что число замыканий на секции собственных нужд составляет 3 - 5 в год, и что срок службы аппарата должен составлять 20—25 лет, становится очевидным, что пропускная способность варисторов 28 мм недостаточна.

Согласно табл. 4 токи через ОПН с остающимся напряжением U₁₀₀ = 14 кВ достигают 140 - 190 А. По данным [8] токи через ОПН в сети собственных нужд также составляют 180 - 320 А в зависимости от емкостного тока замыкания на землю. При таких токах остающееся напряжение будет выше 14 кВ, и ОПН с варисторами диаметром 28 мм не будет защищать электродвигатели. Снижение U₁₀₀ привело бы, помимо возрастания токов в ОПН, к снижению длительно допустимого напряжения на ОПН, которое и так ниже линейного напряжения 6 кВ.

Длительно допустимое наибольшее рабочее напряжение ограничителей на базе одной колонки из варисторов диаметром 28 мм ниже рабочего линейного напряжения сети 6 кВ. Известно, что между U₁₀₀ (защитный уровень ОПН при токе 100 А) и длительно допустимым рабочим напряжением U_Н.раб существует жесткая связь. В лучших зарубежных образцах и в создаваемом в настоящее время втором поколении отечественных аппаратов отношение равно 1,75. 0-сюда следует, что для ограничителей с U₁₀₀ =14 кВ длительно допустимое напряжение будет не более кВ (действующее значение).

Для ограничителя с U₁₀₀ =13 кВ получается U_Н U_Н.раб =5,25 кВ, т. е. эти ограничители не могут длительно держать даже номинальное линейное напряжение 6 кВ.

Согласно правилам технической эксплуатации [7] напряжение на двигателе не должно превышать 1.1U_Н=6,6кВ. Появление такого напряжения в сети собственных нужд по данным [6] наиболее вероятно. Следовательно, для ограничителей перенапряжений с U₁₀₀ =14 кВ повышение напряжения по отношению к длительно допустимому составит 6,6/5,7 = 1,16, а для ОПН с U₁₀₀ = 13 кВ соответственно 6,6/5,25 = 1,26. Для советских ограничителей 110—750 кВ такое повышение напряжения нормируется в течение 20 мин без предварительного поглощения энергии. Если учесть, что при дуговом замыкании на землю ограничитель поглощает энергию, то это время для рассматриваемых ограничителей будет ниже. Поскольку отечественные данные по зависимости допустимого времени воздействия повышенного напряжения при предварительно поглощенной энергии отсутствуют, то воспользуемся данными для ограничителя МWF фирмы ВВС. Повышение напряжения в 1,15 и 1,2 раза по отношению к наибольшему рабочему напряжению с предварительно поглощенной энергией, равной приблизительно энергии импульса пропускной способности, допустимо соответственно 2000 и 500 с. Ограничитель МWF имеет пропускную способность 400 А на прямоугольной волне 2000 мкс, т. е. существенно большую, чем варисторы 28 - 30 мм.

Поэтому для одноколонкового ОПН с резисторами диаметром 28 - 30 мм допустимая длительность повышений напряжений с учетом предварительно поглощенной энергии будет только меньше указанных величин 2000 с и 500 с.

По данным энергосистемам [6] длительность ликвидации замыкания на землю может составлять 1800 - 3600 с, т. е. превышает полученные величины.

Таким образом, расчеты, испытания и сопоставление с зарубежными аппаратами показывают, что создание надежного ограничителя перенапряжений для сети 6 кВ собственных нужд электростанций с изолированной нейтралью на базе одноколонковой конструкции из варисторов 28 мм невозможно по следующим соображениям.