Автор: Лихачев Ф. А.
Источник: Он-лайн библиотека TWIRPX.COM.
Режим доступа: http://www.twirpx.com/file/175460/
Как следует из опыта эксплуатации, в сетях 6 кВ с.н. мощных энергоблоков (300 и 500 МВт) тепловых электростанций, работающих на пылевидном топливе, происходят довольно часто повреждения электродвигателей различных технологических механизмов.
Порядок эксплуатации каждого из них установлен инструкцией по эксплуатации технологического механизма. Длительные замыкания на землю в сети, как правило, не допускаются. Однако ежегодные повреждения электродвигателей только от электрических воздействий составляют в среднем 7,6% числа установленных. На некоторых ГРЭС и ТЭЦ удельная повреждаемость электродвигателей достигает 13%.
Основные виды электрических повреждений электродвигателей – повреждения изоляции обмоток статоров (около 70%) и перекрытия или пробои изоляции в коробках выводов (около 25%). Наиболее часто повреждаются электродвигатели шаровых мельниц, угледробилок, питательных электронасосов, дымососов, мельничных и дутьевых вентиляторов.
Повреждения электродвигателей при замыканиях на землю от безопасных перенапряжений составляют 84% числа поврежденных при электрических воздействиях, из них при отключениях двухфазных к. з. с землей 39%. На долю повреждений при отключениях разворачивающихся электродвигателей во время их пуска (при обрывах пусковых токов) приходится 16%, в том числе 2% на отключения заторможенных электродвигателей.
На ГРЭС и ТЭЦ были случаи одновременного выхода из строя нескольких электродвигателей и многоместных повреждений изоляции распределительных устройств.
Причинами повреждений электродвигателей и развития многоместных повреждений, как правило, считались перенапряжения, уровень которых значительно превышает диэлектрическую прочность изоляции.
Электродвигатели технологических механизмов подвергаются тепловым, механическим, электрическим воздействиям и особенно увлажнениям и загрязнениям, вследствие которых происходит снижение диэлектрических свойств их изоляции.
При пусках, особенно при включениях заторможенных мощных электродвигателей и при их отключениях, могут возникать большие пусковые токи и происходить их обрывы. Тогда обмотки статоров находятся под воздействием динамических ударов, срезов напряжений и перенапряжений. Перегрев обмоток от пусковых токов и их охлаждение приводят к перетиранию изоляции, ее деформации и образованию трещин. Может возникнуть также перегрев контактных соединений алюминиевых кабелей с медными наконечниками выводов. Нарушение контактных соединений с распылением расплавленного алюминия приводит к дуговому замыканию на землю в коробке выводов и к.з. на присоединении электродвигателя.
Далее приведены испытательные напряжения электродвигателей 6 кВ [1].
Примечание. Числитель – киловольты, знаменатель – кратность по отношению к наибольшему фазному рабочему напряжению
Испытательные напряжения для силовых трансформаторов приведены для сравнения. Они в 1,65 и 2,5 раза выше испытательных напряжений для электродвигателей соответственно по ГОСТ 183-74 и при капитальном ремонте.
Работающие с изолированной нейтралью сети с.н. энергоблоков содержат много (около 40) коротких кабелей, присоединенных через полусекции шин к рабочему или резервному трансформатору. Емкостные токи замыкания на землю в такой сети обычно не превышают 5 А. Для этих сетей характерны увеличенные по сравнению со средними значениями (5%) за счет загрязнений и увлажнений активные проводимости утечек изоляции.
К каждой полусекции шин подключено по два трансформатора напряжения контроля изоляции типа НТМИ-6 (ТНКИ).
Для определения наиболее эффективного средства повышения надежности с. н. электростанций Союзтехэнерго были проведены исследования форм и уровней перенапряжений, возникающих при наиболее вероятных в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов дуговых замыканиях на землю и при развитии этих замыканий в двухфазные к.з. Исследования были проведены на блоке 500 МВт Рефтинской ГРЭС и на блоке 300 МВт ТЭЦ-22 Мосэнерго по обычной методике Союзтехэнерго.
Присоединения распределительных устройств оборудованы электромагнитными выключателями ВЭМ-6-2000/40-125. Для компенсации емкостных токов к шинам 6 кВ полусекций блоков подключены дугогасящие трансформаторы ТАДТМ-25/6, изготовленные ПРП Свердловэнергоремонт [2].
Для записи напряжений пластины явления катодных осциллографов 6-ОЭМ-1,2 подключались коаксиальными кабелями к емкостным делителям напряжения. Для записи токов катушки электромагнитных отклонений подключались к трансформаторам тока.
Далее приведены токи и напряжения, полученные при металлических замыканиях на землю на Рефтинской ГРЭС и на ТЭЦ-22 Мосэнерго.
Как видно, исходные данные для блока 500 МВт Рефтинской ГРЭС и блока 300 МВт ТЭЦ-22 Мосэнерго практически не различаются.
В сети с изолированной нейтралью в момент замыкания на землю, например фазы С, быстро затухают свободные составляющие напряжений UA,B и U0 емкостного тока IC.
При отключении замыкания на землю выключателем ВЭМ-6 происходит нелинейный разряд емкости сети через обмотки ВН НТМИ-6. В обмотках ВН ТНКИ длительно протекают опасные токи, характерные для устойчивых субгармонических нелинейных колебаний. На поврежденной фазе напряжение UC полностью восстанавливается в течение первого полупериода.
При подключенном к сети дугогасящем трансформаторе (ТАДТМ-25/6) предельное значение восстанавливающегося напряжения на поврежденной фазе после отключения металлического замыкания на землю соответствует выражению:
Предельные значения UCM возникают через время t = 0,02М, т. е. 0,1 и 0,075 с соответственно для сети с.н. Рефтинской ГРЭС и ТЭЦ-22 Мосэнерго.
После отключения замыкания на землю ток в нейтрали обмоток ВН ТНКИ отсутствует. Значения d, к, М приведены далее.
На рис.1 показаны выборочные промежутки времени из осциллограмм, характерных форм перенапряжений при длительном горении перемежающейся заземляющей дуги в сети 6 кВ с.н. с изолированной нейтралью блока 300 МВт ТЭЦ-22 Мосэнерго (в сети с.н., работающего блока 500 МВт Рефтинской ГРЭС процессы дуговых замыканий на землю подобны).
На осциллограммах: UA,B,C – напряжения фаз А, В, С относительно земли; [U0 – напряжение на нейтрали сети; Im0 – ток нейтрали обмоток ВН НТМИ-6 (в цепи обмоток 3U0 ТНКИ защитные резисторы не установлены); Ic – емкостный ток замыкания на землю.
Первое кратковременное (1 мс) зажигание заземляющей дуги в момент t1 привело к устойчивому феррорезонансному процессу, сочетание которого с повторными зажиганиями однообразно. Схема замещения нулевой последовательности показана на рис.2.
С момента погасания заземляющей дуги параллельный контур нулевой последовательности, состоящий из заряженных емкостей фаз ΣC и индуктивностей намагничивания двух НТМИ-6, переходит в их последовательное соединение. С момента времени начинается разряд емкостей ΣC на нелинейные индуктивности двух НТМИ-6.
При этом намагничивающие токи в обмотках ВН ТНКИ соответствуют форме и значениям тока разряда емкости сети, т. е.
Процесс образования сверхтоков в обмотках ВН трансформаторов напряжения, работающих по схемам контроля изоляции, характеризуется взаимосвязью U0, Ф и Iμ, показанной на рис.3 для одной фазы. Полупериод нелинейных свободных колебаний U0(t) можно представить в виде равнобокой трапеции с длительностями отрицательных и положительных горизонтальных участков, нисходящей и восходящей сторон 0,005 с, т.е.
Постоянным значениям U0(t) в промежутках времени t0 - t1 и t3 – t4 соответствует пилообразная форма потокосцепления:
где t – изменяется от 0 до T/4.
Изменению U0(t) в промежутках времени t1 – t2 – t3 cоответствует параболическая форма изменения потока
Вершина параболы находится на оси, проведенной через t2.
Форма и амплитуда тока iμ определяются потоком и кривой намагничивания iμ = f(Фt) (рис.3).
Ток iμ0 , на осциллограмме рис.1 характеризуется тремя максимумами, так как насыщение магнитопроводов фаз А, В, С НТМИ-6 наступает не одновременно.
Кратковременные (2–2,5 мс) повторные зажигания заземляющей дуги характеризуются колебаниями с частотой около 3000 Гц емкостного тока (с амплитудами около 17 А) и напряжений. Они возникают регулярно через время t ≈ 0,02 с при восстанавливающемся напряжении на фазе С 7,26 кВ = 1,53Uф (рис.1).
При этом также регулярно возникают перенапряжения на фазе В 13,66 кВ = 2,87Uф по измерениям на ТЭЦ-22 Мосэнерго и 2,63Uф на Рефтинской ГРЭС. Максимальные перенапряжения 2,9Uф с вероятностью 10% получены на ТЭЦ-22 Мосэнерго. Наибольшее значение униполярного тока в нейтралях обмоток ВН НТМИ-6 2,3 А, т. е. 0,77 А в обмотке каждой фазы.
Рисунок 1 – Осциллограмма дугового замыкания на землю фазы С, сочетающегося с феррорезонансным процессом, в сети 6 кВ с изолированной нейтралью секции с. н. блока 300 МВт ТЭЦ-22 Мосэнерго
В соответствии со схемой нулевой последовательности рис.2 при каждом кратковременном (2–2,5 мс) повторном зажигании заземляющей дуги контур ΣC - Lμ превращается в контур с параллельным соединением этих элементов. Перезаряд емкостей ΣC приводит к резкому изменению знака напряжения на нейтрали U0 и к перенапряжениям. Во время горения заземляющей дуги токи в обмотках ВН ТНКИ близки к безопасным номинальным значениям iμн. После очередного погасания дуги, например в момент t2 (на рис.1), начинается свободный разряд емкостей ΣC через обмотки ВН ТНКИ, при котором U0(t) снижается до нуля.
Нулевому значению U0 в момент t3 соответствуют максимальные значения потока ФM0 в НТМИ-6 и токов iμ0 в нейтралях обмоток ВН НТМИ-6. С момента t3 снижение потокосцепления в НТМИ-6 приводит к перезаряду емкостей сети 6 кВ ΣC в положительном направлении и восстановлению за счет U0 напряжения на фазе С (U'C = UC + U0) возникновения на ней нового пробоя при U'C = 7,26 кВ. Срез напряжения U'C изменяет фазу U0 на обратную и приводит к новым перенапряжениям 2,87Uф на фазе В (рис. 1).
Рисунок 2 – Схема замещения нулевой последовательности при кратковременных замыканиях на землю
Сочетания регулярных повторных зажиганий заземляющей дуги с нелинейным процессом в контуре ΣC – Lμ может продолжаться до полного теплового разрушения обмоток ВН ТНКИ. Для такого сочетания характерно то, что через каждый 0,02 с форма и уровни напряжений U0, U'C и iμ0 повторяются в последовательности (см. осциллограмму рис.1): гашение заземляющей дуги – нелинейное снижение до нуля напряжения на нейтрали сети U0(t) и нарастание тока iμ0 до наибольшего значения – повышение напряжения U0(t) и на поврежденной фазе U'C, снижение тока iμ0 до номинального значения – повторное зажигание дуги при напряжении U'C, равном электрической прочности места повреждения, резкое изменение фазы U0(t) на обратную, кратковременное (2–2,5 мс) горение заземляющей дуги и новое повторение процесса.
Рисунок 3 – Процесс образования сверхтоков в обмотках ВН НТМИ-6, работающих по схеме контроля изоляции
На рис.4 по осциллограммам рис.1 построено распределение вероятностей перенапряжений, превышающих кратности Uпер/Uф, указанных на оси ординат при горении заземляющей дуги, с 24 повторными зажиганиями в сети 6 кВ с.н. блока 300 МВт (через 0,5 с присоединение с дуговым замыканием на землю было отключено выключателем ВЭМ-6).
Рисунок 4 – Распределение вероятностей перенапряжений
Вероятность перенапряжений 2,87Uф (на уровне испытательного напряжения изоляции электродвигателей при капитальном ремонте) составляет 10%. Исследования в сетях 6 кВ с.н. мощных энергоблоков показали, что при длительном горении заземляющей дуги опасные сочетания повторных зажиганий с феррорезонансными процессами могут возникать не сразу в зависимости от соотношения диэлектрической прочности места повреждения и восстанавливающегося напряжения на поврежденной фазе.
При подключенных дугогасящих трансформаторах типа ТАДТМ-25/6 в тех же сетях было сделано по шесть опытов дуговых замыканий на землю. Опыты были проведены при тех же условиях, что и при изолированной нейтрали, т.е. при емкостных токах замыкания на землю 5,95 и 3,81 А и при двух НТМИ-6 в каждой сети. Сети работали соответственно при недокомпенсации на 19% (к = 0,81) и с перекомпенсацией на 31% (к = 1,31). Коэффициенты успокоения 13,5 и 13,3% (γ = 0,51).
Предотвращение возникновения свободного нелинейного разряда и заряда емкостей сети в контуре ΣC – Lμ, за время бестоковых пауз достигается компенсацией емкостных проводимостей линейной индуктивной проводимостью (L0, в схеме рис.2).
При этом частота свободных колебаний в бестоковую паузу f0 = f√K [1] близка к рабочей частоте сети, а токи в обмотках ВН ТНКИ имеют чисто синусоидальную форму. Их величина лишь незначительно отличается от номинального значения. При компенсации емкостных токов дугогасящим трансформатором ТАДТМ-25/6 в схеме замещения рис.2 индуктивность
где L2 – индуктивность реактора, Гн; K0 – коэффициент трансформации по 3U0.
На рис.5 показаны характерные осциллограммы напряжений и токов при подключенном к сети блока дугогасящем трансформаторе ТАДТМ-25/6, полученные на Рефтинской ГРЭС. Результаты измерений на ТЭЦ-22 Мосэнерго подобны.
Обозначения на осциллограммах те же, что и на рис.1, IK1 и IK2 ток в нейтрали обмоток ВН ТАДТМ-25/6 (ток компенсации) и ток реактора в цепи обмоток НН.
Первое зажигание заземляющей дуги произошло в момент t1 (рис.5) при UC, близком к амплитудному значению. Токи IK1 и IK2 синусоидальны. Горение дуги продолжалось 0,6 мс.
При опыте, осциллограмма которого показана на рис.5, произошло наибольшее число повторных зажиганий (пять). После каждого погасания заземляющей дуги бестоковые паузы увеличиваются до наибольшей t = TM = 0,02•5 ≈ 0,1 с. В момент времени t5 при наибольшем напряжении U'C = 7,26 кВ = 1.14Uф на фазе В возникли наибольшие перенапряжения
Общее время горения перемежающейся дуги около 0,16 с. Пять кратковременных зажиганий и гашений (1 мс) не сопровождались перенапряжениями, феррорезонанс полностью отсутствовал. Токи в нейтралях обмоток ВН НТМИ-6 равны нулю.
Таким образом, в сетях 6 кВ с.н. мощных энергоблоков, работающих с изолированной нейтралью, процессы возникновения нелинейных феррорезонансных колебаний и сочетания их с повторными зажиганиями заземляющих дуг полностью подобны таким же сочетаниям в распределительных сетях сельскохозяйственного назначения [2], поэтому и повышение надежности в этих сетях достигается в одинаковой мере компенсацией емкостных токов замыкания на землю дугогасящими трансформаторами типа ТАДТМ, эффективность которых выявляется простым сопоставлением осциллограмм рис.1 и 5 (см. таблицу).
В сети, работающей без ТАДТМ-25/6 (с изолированной нейтралью), изоляция электродвигателей, уровень которой оценивается по испытательному напряжению при капитальных ремонтах 10/√2 = 13,1 кВ, не имеет запасов по отношению к перенапряжениям, возникающим при дуговых замыканиях на землю. В сети с ТАДТМ-25/6 эти запасы составляют от 28,2 до 10%. Они могут обеспечить значительное повышение надёжности электродвигателей.
Рисунок 5 – Осциллограмма дугового замыкания на землю фазы С в сети 6 кВ секции с.н. с ТАДТМ-25/6 блока 500 МВт Рефтинской ГРЭС
Изменения в сетях 6 кВ с.н. работающих энергоблоков подтвердили свойства компенсации ёмкостных токов, заключающиеся:
Однако не следует полагать, что при наличии компенсации в сетях 6 кВ с.н. энергоблоков, как и любых распределительных сетях, требования к эксплуатации изоляции могут быть понижены. Следует учитывать , что при загрязнении и увлажнении электрооборудование (особенно электродвигатели) теряет изоляционные (координационные) запасы, достигнутые компенсацией. Это оборудование повреждается от перенапряжений, ниже испытательных напряжений.
Своевременным устранением устранением загрязнений и увлажнений необходимо поддерживать состояние изоляции электродвигателей по крайней мере на уровне испытательного напряжения при капитальном ремонте, т.е. 10 кВ ( 2,9Uф).
Не допускается нарушения требований технологических инструкций в отношении пусков и остановок технологических механизмов. Например, не допускается включать соответствующие электродвигатели, если:
1. При работе сетей 6 кВ с.н. энергоблоков с изолированной нейтралью перенапряжения, возникающие при дуговых замыканиях на землю, не превышают 2,9Uф. Вероятность возникновения этих перенапряжений не более 10%.
При работе сетей с.н. с компенсацией емкостных токов (с дугогасящим трансформатором ТАДТМ-25/6) перенапряжения при дуговых замыканиях на землю не более 2,4Uф, т.е. безопасны, поэтому для предотвращения развитии замыканий на землю в к.з. к секциям (полусекциям) шин 6 кВ с.н. энергоблоков рекомендуется подключить дугогасящие трансформаторы типа ТАДТМ-25/6.
2. Необходимо своевременно устранять загрязнения, увлажнения, плохие контактные соединения в коробках выводов электродвигателей, устранять вибрации, разрушающие изоляцию, и ненадежные паянные соединения, а также не допускать нарушений требований технологических инструкций в отношении пусков и остановок технологических механизмов.
1. Лихачев Ф. А. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов. М.: Энергия, 1971.
2. Лихачев Ф. А. Повышение надежности распределительных сетей 6-10 кВ. – Электрические станции, 1981, № 11.