В

В.Ф. СИВОКОБЫЛЕНКО, д-р техн. наук, М.П. ДЕРГИЛЕВ, канд. техн. наук,

С.А. ИВАНОВ, В.М. БАЛАШОВ, инженеры

"Электротехника",1998г., №5

Донецкий государственный техн. ун-т — Кураховская ГРЭС

ОГРАНИЧЕНИЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В СИСТЕМЕ СОБСТВЕННЫХ НУЖД ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

Один из существенных резервов повышения надежности и экономичности энергоблоков электростанций — снижение повреждаемости электрооборудования собственных нужд (СН) из-за перенапряжений. Собранный и проанализированный авторами более чем за двадцатилетний период, начиная с 1974 г., статистический материал по нарушениям нормальной работы и повреждаемости электрооборудования сетей СН ряда электростанций ПЭО “Донбассэнерго” показывает, что ежегодная аварийность, связанная с перенапряжениями, составляет 3,9 — 5,4%. Тяжести последствий и количество выведенного из строя оборудования составляет в среднем 14,7%. Наиболее опасны ситуации во время однофазных замыканий на землю в сети 6 кВ, так как происходит групповой выход из строя электрооборудования. По данным авторов они составляют примерно 86% от общего числа случаев нарушения нормальной работы сети СН из-за перенапряжений. Повреждаются в основном электродвигатели, работающие в наиболее тяжелых условиях загрязнения и увлажнения и имеющие меньшие конструктивные запасы электрической прочности. Релейная защита, предусмотренная в сетях современных энергоблоков, в большинстве случаев, как правило, не чувствительна к однофазным замыканиям на землю из-за малой величины тока замыкания на секции, которая, в зависимости от числа подключенных к ней присоединений нагрузки для блоков 200—300 МВт, составляет 1,9—3,7А.

Предусмотренные в сетях СН средства защиты от перенапряжений недостаточно надежны. И это несмотря на то, что на некоторых электростанциях установлены нелинейные оксидно-цинковые ограничители перенапряжений серии ОПН. Они сами зачастую при эксплуатации являются объектами повышенной опасности. Нередки случаи перехода однофазных замыканий в двухфазные, двойные и тройные короткие замыкания на землю.

С помощью известных способов повышения надежности работы сетей с изолированной нейтралью [1] (заземление нейтрали сети через нерегулируемую или регулируемую индуктивность, через активное сопротивление, установки разрядников и др.) невозможно решить эту проблему из-за отсутствия серийно выпускаемой аппаратуры, недостаточной изученности процессов, отсутствия обоснованных методик и рекомендаций по применению решений.

Данная работа посвящена расчетно-экспериментальным исследованиям проблемы и результатам внедрения разработанных рекомендаций. Математическое моделирование указанных режимов работы всей сети СН производилось путем представления отдельных ее элементов (трансформаторов, двигателей, кабельных линий и т.д.) схемами замещения в виде совокупности К, Ь, С звеньев с учетом распределенности параметров. Для сокращения затрат машинного времени и повышения численной устойчивости дифференциальные уравнения решались неявными методами.

Эксперименты по изучению процессов при устойчивых и перемежающихся замыканиях фазы на землю проводились в реальных сетях СН 6 кВ блоков 200 и 300 МВт. Для этого на остановленном блоке на секции СН включали выключатели всех отходящих от нее присоединений. Опыты проводились на пониженном напряжении (175 В), для чего трехфазное напряжение подавалось от рабочего трансформатора СН, обмотка высокого напряжения которого была подключена к постороннему источнику питания.

Процесс дугового замыкания воспроизводился специально разработанным устройством с тиристорным коммутатором и времязадающей схемой управления.

Применение данной методики позволило представить быстропротекающие процессы в виде стоящих изображений на световом осциллографе и провести большой объем исследований по изучению процессов при различной удаленности замыканий на землю, различных параметрах сети, разных способах ограничения перенапряжений и способах заземления нейтрали. Хорошая сходимость результатов расчетов на модели с экспериментом позволила применить эту методику для анализа режимов и параметров оборудования.

Анализ результатов исследования показал, что в существующих сетях с изолированной нейтралью при дуговых замыканиях на землю величина напряжений на здоровых фазах при повторном зажигании дуги может достичь 3,5 U_n и более. Это вызвано тем, что при погасании дуги на емкостях здоровых фаз остается избыточный заряд, который определяет потенциал нейтрали по отношению к земле. Разряд емкостей через сопротивление изоляции длится несколько десятков периодов промышленной частоты. Поэтому при повторном зажигании дуги из-за смещения нейтрали уровень перенапряжений может существенно возрасти. Перенапряжения, измеренные в разных точках, отличаются друг от друга. Более высокие предельные кратности перенапряжений, составляющие 3,5—3,7 Ил,, зафиксированы на зажимах мощных электродвигателей. На шинах подстанций измеренная предельная кратность перенапряжений оказалась в пределах 3,1—3,2 U_n. Установлена тенденция понижения кратности перенапряжений с увеличением емкости исследуемой сети. Частота подзарядной составляющей переходного процесса на неповрежденных фазах при однофазном замыкании для исследуемых сетей составила 2,3—5,4 кГц, а разрядной на поврежденной фазе — 8—36 кГц.

В сетях с заземлением нейтрали через дугогасящую индуктивную катушку величина перенапряжений может быть ограничена до 2,4 U_n,. Однако этого можно достичь только в случае резонансной и близкой к ней (± 5%) настройки катушки. При расстройке катушки в пределах допуска (± 15—20%) уровень перенапряжений может превышать 3 U_ф, поскольку эффективность ограничения перенапряжений при этом существенно снижается. Если учесть, что параметры сетей СН даже в течение одних суток изменяются в широких пределах (особенно в настоящее время — в условиях дефицита нагрузки, когда энергоблоки ТЭС разгружаются, работают в режиме частых остановов и пусков с подключением источников резервного питания — параметры сети СН могут варьироваться в пределах до 50%), то предложенное Союзтехэнерго специально для сетей СН компенсирующее устройство типа ТАДТМ-25/6 [2] не может обеспечить необходимого ограничения перенапряжений и поэтому мало эффективно.

Результатами исследования установлено, что наиболее эффективное средство ограничения перенапряжений на здоровых фазах — заземление нейтральной точки сети через активный резистор. Эффективность его определяется, с одной стороны, созданием пути для быстрого стекания избыточного заряда с емкостей сети на землю после погасания дуги, а с другой — обеспечением совпадения по фазе тока замыкания с напряжением 3 U₀. Это предотвращает смещение нейтрали после погасания дуги и снижает вероятность ее повторного зажигания. Указанный эффект достигается только в том случае, если правильно выбраны место подключения и величина активного резистора. В противном случае подключение такого сопротивления может привести даже к отрицательному результату. Так, например, в [1] для снижения перенапряжений и обеспечения селективной работы релейной защиты при однофазных замыканиях на землю в СН активный резистор сопротивлением 134 Ом подключался в нейтраль специально установленного трансформатора типа ТСЗК 63/10 мощностью 63 кВА.

Проведенные авторами расчеты и эксперименты в сети СН Кураховской ГРЭС показали, что в момент погасания дуги при замыкании фазы на землю имеет место колебательный характер разряда емкостей здоровых фаз, что при повторном зажигании дуги может привести к более высокой кратности перенапряжений, чем при отсутствии резистора.

По результатам обобщения расчетно-экспериментальных исследований разработана методика выбора величины резистора и места его подключения с учетом конкретных параметров сети, снижающих кратность перенапряжений в пределах до 2,2 Н^ с обеспечением селективного действия устройств релейной защиты отходящих присоединений.

С использованием данной методики разработаны и внедрены устройства ограничения перенапряжений в системах СН 6 кВ Кураховской, Луганской ГРЭС и др., Внедрение этих устройств позволило уменьшить удельное число повреждений электрооборудования, продлить срок службы электродвигателей и кабелей. За время трехлетнего опыта эксплуатации имевшие место однофазные замыкания селективно отключались релейной защитой присоединений. Случаи перехода однофазных замыканий в двойные и междуфазные короткие замыкания не наблюдались.

Выводы

1. Заземление нейтрали сетей СН электростанций через небольшое активное сопротивление может быть эффективным средством ограничения перенапряжений в пределах до 2,2 Un и при этом обеспечит достаточную чувствительность по току для надежного срабатывания релейной защиты при однофазных замыканиях на землю в случае правильного выбора величины резистора и места его подключения в данной сети. В противном случае подключение такого резистора может дать противоположный результат. Авторами разработана методика решения указанной задачи с учетом конкретных параметров и возможностей сети СН блочных электростанций.

2. Накопленный опыт эксплуатации подтверждает правильность принятых решений, целесообразность их внедрения в сетях СН блочных электростанций.

Список литературы

1. Зильберман В.А., Эпштейн И.М. и др. Влияние способа заземления нейтрали сети собственных нужд блока 500 МВ-на перенапряжения и работу релейной защиты // Электричество. - 1987. — №12. — С.52—56.

2. Лихачев Ф.А. Перенапряжения в сетях собственных нужд // Электрические станции. — 1983. — №10. — С.37—41.