Особенности выбора наибольшего рабочего напряжения ограничителей перенапряжений для защиты изоляции электрооборудования в сетях 6-35 кВ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.316.933

Ю.Н. Шумилов

ОСОБЕННОСТИ ВЫБОРА НАИБОЛЬШЕГО РАБОЧЕГО НАПРЯЖЕНИЯ ОГРАНИЧИТЕЛЕЙ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ В СЕТЯХ 6 ... 35 КВ

У статті показано, що вибір нелінійного обмежувача перенапруг (ОПН) в мережах 6 ... 35 кВ з найбільшою тривало допустимою робочою напругою, яка на 10 % перевищує найбільшу робочу напругу мережі, забезпечить ОПН від перегріву і подальшого пробою при ненормованому часі існування однофазних дугових замикань.

В статье показано, что выбор нелинейного ограничителя перенапряжений (ОПН) в сетях 6 ... 35 кВ с наибольшим длительно допустимым рабочим напряжением, на 10 % превышающим наибольшее рабочее напряжение сети, обезопасит ОПН от перегрева и последующего пробоя при ненормируемом времени существования однофазных дуговых замыканий.

При выборе ограничителей перенапряжений (ОПН) необходимо решать следующие задачи:

1. ОПН должен ограничивать коммутационные и грозовые перенапряжения до значений, при которых будет обеспечена надежная работа защищаемого оборудования в течение всего срока службы ОПН.

2. ОПН должен надежно работать без разрушения и изменения параметров при непрерывном воздействии длительных рабочих и кратковременных повышений в рабочих режимах.

При выборе ОПН для защиты изоляции электрооборудования в сетях 6 ... 35 кВ необходимо учитывать возможность его повреждения при возникновении в сети длительного режима однофазного короткого замыкания (ОДЗ), вызывающего дуговые перенапряжения от переходных процессов при перемежающихся дуговых разрядах. Кратность таких перенапряжений может достигать (3 ... 3,2) • Щ max, где Щ max - наибольшее значение амплитуды фазного напряжения. В сетях с изолированной нейтралью режим ОДЗ может существовать от нескольких минут до 6 и более часов. Характер перенапряжений при ОДЗ подробно описан в [1]. При ОДЗ величина энергии, рассеиваемой варисторами в ОПН за один цикл "зажигания-гашения" дуги, составляет при неза-земленной нейтрали, по разным оценкам, от 0,05 кДж до 4 кДж.

Частота повторений циклов может превышать 50 Гц. Кроме этого, в переходном процессе после погасания дуги на составляющую напряжения 50 Гц накладывается высокочастотная составляющая (около 1200 Гц), практически затухающая к моменту последующего повторного зажигания дуги [2]. Под действием импульсных токов, протекающих через варисторы при ОДЗ, возможен перегрев и пробой ОПН, поэтому ОПН должен быть отстроен от опасных энергетических воздействий.

Амплитуда дуговых перенапряжений носит статистический характер, при этом доля перенапряжений с кратностью (2,5 ... 3,2) • Щ max составляет не более 10 % и частота их повторения невелика, следовательно, основную опасность, с точки зрения перегрева ОПН, составляют часто повторяющиеся импульсные перенапряжения кратностью менее 2,5. Таким образом, для потока мелких часто повторяю -

щихся импульсных дуговых перенапряжений Кп < 2,5 ОПН должен быть закрыт. Известно, что заметный рост тока через ОПН (открытие) происходит при достижении на его зажимах напряжения, равного классификационному - икл, т.е. напряжения, когда через ОПН начинает протекать ток от 1 мА до 3 мА (в зависимости от диаметра варисторов).

Из многочисленных данных, приводимых в каталогах на варисторы и ОПН, можно убедиться, что ме^ду классификационным напряжением и наибольшим рабочим напряжением сети ивро имеет место соотношение:

икл = (1,224 ... 1,37) • Ц», кВ. (1)

Если отсечку потока дуговых импульсов напряжения принять на уровне Кп = 2,5, то условие отстройки может быть определено из уравнения второго закона Кирхгофа:

42 ■ и н

(2)

U — к

дуг _ п

нрс

нро’

где Црс - наибольшее рабочее напряжение сети; 2 -волновое сопротивление подводящих проводов.

В уравнении (2) можно сделать подстановку Цро = икл, поскольку ОПН открывается при иопн = икл. Учитывая, что Ъ « 400 Ом и приняв /кл = 103 А, получим, что /кл • Ъ «0,4 В. Следовательно, этим падением напряжения можно пренебречь. Тогда получаем условие отстройки:

2,5 • • л/2 < (1,224 ... 1,37)- инро -42. (3)

После простых действий получим:

(4)

т.е. для обеспечения отстройки наибольшее рабочее напряжение ограничителя должно быть примерно на 10 % больше наибольшего рабочего напряжения сети.

Эффект повышения надежности ОПН в случае £4ро > Цнрс виден из графика, приведенного для двух ОПН напряжением 10 кВ (рис. 1).

Из рис. 1 видно, что повышение Пнро (поднятие вольт-амперной характеристики) в пределах 10% приводит к снижению более чем на 3 порядка (с 17,8 А до 6,3 кА) амплитуды импульсных токов, протекающих через ОПН при Кп < 2,5, и следовательно,

© Ю.Н. Шумилов

к уменьшению опасного энергетического воздействия на варисторы. Таким образом, в сетях 6 ... 35 кВ с ненормируемым временем существования ОДЗ увеличение Цро ДО 1,1 • /нрс обезопасит ОПН от перегрева и пробоя.

Нужно отметить, что если в сети длительность существования ОДЗ регламентирована на уровне 2-6 час., и этот регламент реально выполняется, то может быть выбран ОПН с /нро, равным наибольшему рабочему напряжению сети.

В табл. 1, 2 приведены рекомендуемые значения /нро ограничителей перенапряжений для сетей с не-нормируемой и ограниченной до 2-6 часов длительностью существования ОДЗ. В табл. 1 и 2 первое число -/нро ОПН для сетей с ограниченным временем существования ОДЗ, второе число - Цро ОПН в сетях с ненормируемым временем существования ОДЗ.

Остается выяснить, не приведет ли выбор ограничителей перенапряжений с /нро ~ 1,1 • /нрс к опасному повышению остающихся напряжений на ОПН,

что снизит защиту изоляции до недопустимого уровня. Приведем расчет остающихся напряжений для

ОПН с ииро = /нрс.

2

^ «41 13,2 кВ . 1

■5 12 PS

і >,J мА 17.8 А

Жг 10~2 10'' 1 W 100 1000 WOOD I. А

-1-2-1 О і 2 J 4 10

Рис. 1. Вольт-амперные характеристики ОПН с UBpo = 12 кВ, номинальным разрядным током /н = 5 кА, током пропускной способности 500 А (кривая 1) и ОПН с Цро = 13,2 кВ, номинальным разрядным током /н = 5 кА, током пропускной способности 500 А (кривая 2)

Таблица 1

Рекомендуемые значения Пвро для защиты силовых трансформаторов и реакторов (для уровня изоляции "а" и облегченной

изоляции согласно ГОСТ 1516.3)

Нейтраль Рекомендуемые значения /нро, кВ, для нормальной изоляции с уровнем изоляции "а"

б кВ 10 кВ 15 кВ 20 кВ 35 кВ

Изолированная или заземленная через ДГР б 9 8, 0 ,0 3, ,5 17,5 ... 20,0 23,0 ... 2б,5 40,5 . 43,0

Заземленная через высокоомный резистор (частично заземленная нейтраль)* ,3 7, ,3 ЧО ,8 ,5 0, ,2 8, ,9 5, 20,9 ... 24,1 38,0 ... 40,5

Рекомендуемые значения /щ,0, кВ, для облегченной изоляции

Изолированная или заземленная через ДГР ,8 7, ,9 ЧО ,0 3, ,5 ,8 8, ,5 7, 23,0 ... 2б,0 -

Заземленная через высокоомный резистор (частично заземленная нейтраль) 7, ,3 4JD ,8 ,5 0, 7, ,9 5, 20,9 ... 23,б -

*для сетей с нейтралью, заземленной через высокоомный резистор, /нро снижено на 10 %.

Таблица 2

Рекомендуемые значения инро для защиты изоляции аппаратов (для уровня изоляции "а" и облегченной изоляции по ГОСТ

1516.3)

Нейтраль Рекомендуемые значения UBB0, кВ

для нормальной изоляции с уровнем изоляции "а" и облегченной изоляции для нормальной изоляции с уровнем изоляции "а"

б кВ 10 кВ 15 кВ 20 кВ 35 кВ

Изолированная или заземленная через ДГР ,0 8, ,9 4JD ,0 3, ,5 ,0 9, ,5 7, 23,0 ... 25,2 40,5 ... 42,0

Заземленная через высокоомный резистор (частично заземленная нейтраль)* ,3 7, ,3 ,8 ,5 0, ,3 7, ,9 5, 20,9 ... 22,9 38,0 ... 40,5

*для сетей с нейтралью, заземленной через высокоомный резистор, /„ро снижено на 10 %.

Выбрав /иро из табл. 1, 2, можно найти расчетные остающиеся напряжения для коммутационных и грозовых перенапряжений /ост.к и /ост.г при нормируемых импульсных токах. Для грозовых перенапряжений нормируемым является номинальный разрядный ток /н = 5000 А с формой волны 8 / 20 мкс. При коммутационных перенапряжениях для ОПН 6 ... 35 кВ остающееся напряжение /ост.к принято определять при нормированном токе /Норм.к = 500 А с формой волны 30 / 60 мкс.

Расчетные значения остающихся перенапряжений на ОПН можно определять через коэффициенты "типовых кратностей" [3]. Коэффициенты типовых кратностей определяются отношением остающихся напряжений на ОПН к наибольшему длительно допустимому рабочему напряжению /нро (амплитудное значение):

у _ /ост.30/60

К30/60 - / ■> 15)

нро

^8/20 = Ц/^. (6)

нро

Коэффициенты типовых кратностей для ОПН и варисторов различных номиналов и различных производителей с некоторым приближением могут быть приняты равными:

К30/60 = 1,75 ; 8/20 = 2,1

Поэтому, расчетные значения остающихся перенапряжений на ОПН определим как:

иост.к /ост.30/60 V2 ' инро ' K30/60, (7)

/ост.г = /ост.8/20 = V2 ■ /нро ■ К8/20. (8)

В табл. 3 приведены расчетные значения ЦОС1К и ЦОС1Т ты изоляции от перенапряжений изащк, Uзящ т (знамена-

для ОПН с наибольшим рабочим напряжением тель) для силовых трансформаторов и реакторов.

Цро = 1,1 • Цврс (числитель) и нормируемые уровни защи-

Таблица 3

Расчетные значения иост к и иост г для силовых трансформаторов и реакторовс наименьшим уровнем изоляции

(для уровня изоляции "а")

Виды импульсных воздействий Расчетные значения остающихся напряжений ОПН и нормируемые уровни защиты изоляции от перенапряжений, KBmax

Наибольшее рабочее напряжение /-дяо кВ„ б 10 15 20 35

При воздействии грозового импульса, /н=5 кА, 8/20 мкс 23,7 27 38,б 45 59,4 б1 78,б 80 127,7 130

При воздействии коммутационного импульса, /новм.к=500 А, 30/60 мкс 19,7 31,2 32,1 43,7 49,5 59,3 б5,б 78,1 10б,4 125

Уровень защиты изоляции от коммутационных перенапряжений /защ.к определялся по известному выражению [1]:

/защ.к Кизноса Кимп. /исп.1 мин. л/2 ,

ГДе Кизноса= 0,85; Кимп. = 1,3; /исп.1 мин/ V2 — НО ГОСТ

1516.3.

Уровень защиты изоляции электрооборудования 6 ... 35 кВ от грозовых перенапряжений /защг координируется с остающимися напряжениями вентильных разрядников группы IV и группы III при токе координации 5 кА. По этой причине значения /защ.г, указанные в табл. 3, были приняты в соответствии с нормативными документами [4].

Сравнивая расчетные значения /остж и /ост.г с нормируемыми уровнями защиты изоляции, можно убедиться, ЧТО повышение /нро ДО 1,1 • /нрс не приводит к нарушению принятого уровня координации как по коммутационным, так и по грозовым перенапряжениям.

Таким образом, при выборе ОПН для защиты электрооборудования от перенапряжений в сетях с изолированной нейтралью 6 ... 35 кВ и ненормируе-мым временем существования ОДЗ выбор ОПН с наибольшим длительно допустимым рабочим напряжением на 10 % выше наибольшего рабочего напряжения сети (/нр0 = 1,1 • /нрС) обезопасит ОПН от перегрева и последующего пробоя варисторов.

Вопросы выбора других параметров ОПН для сетей 6 ... 35 кВ подробно изложены в нормативном документе СОУ-НМЕВ 40.1-21677681-67:2012 [5].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ограничители перенапряжений в электроустановках 6750 кВ. Методическое и справочное пособие. Под ред. М.А. Арагова. — М.: "Знак", 2001. — 240 с.

2. Екимуков С.С., Кадомская К.П. Обеспечение надежности эксплуатации кабельных распределительных сетей 6-10 кВ, оснащенных современным электрооборудованием // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. Научный журнал. Специальный выпуск. №1. — С. 5-9.

3. Дмитриев М.В. Применение ОПН в электрических сетях б-750 кВ. - СПб.; "Нива", 2007.

4. ГКД 34.35.512-2002 Средства защиты от перенапряжений в электроустановках б-750 кВ. Инструкция по монтажу и эксплуатации. Отраслевой руководящий документ; ГРИФРЭ, Киев. - 2004.

5. СОУ-Н МЕВ 40.1-21б77б81-б7;2012 Обмежувачі перенапруг нелінійні напругою б-35 кВ. Настанова щодо вибору та застосування у розподільчих установках.

Bibliography (transliterated): 1. Ogranichiteli perenapryazhenij v 'elektroustanovkah б-750 kV. Metodicheskoe i spravochnoe posobie. Pod red. M.A. Aragova. - M.; "Znak", 2001. - 240 s. 2. Ekimukov S.S., Kadomskaya K.P. Obespechenie nadezhnosti ' ekspluatacii kabel'nyh raspredelitel'nyh setej б-10 kV, osnaschennyh sovremennym 'el-ektrooborudovaniem // Nauchnye problemy transporta Sibiri i Dal'nego Vostoka. Nauchnyj zhurnal. Special'nyj vypusk. №1. - S. 5-9. 3. Dmitriev M.V. Primenenie OPN v 'elektricheskih setyah б-750 kV. -SPb.; "Niva", 2007. 4. GKD 34.35.512-2002 Sredstva zaschity ot perenapryazhenij v 'elektroustanovkah б-750 kV. Instrukciya po monta-zhu i 'ekspluatacii. Otraslevoj rukovodyaschij dokument; GRIFR'E, Kiev. - 2004. 5. SOU-N MEV 40.1-21б77б81-б7;2012 Obmezhuvachi perenaprug nelinijni naprugoyu б-35 kV. Nastanova schodo viboru ta zastosuvannya u rozpodil'chih ustanovkah.

Поступила 01.04.2013

ШумиловЮ.Н., д.т.н., проф.,

Государственное предприятие "Научно-исследовательский институт высоких напряжений"

84100, Славянск, Донецкая обл.,

ул. Генерала Батюка, 22

тел. (0б2б) б50б53, факс (0б2б) б5-09-18

e-mail; [email protected]

Shumilov Yu. N.

Aspects of surge arresters’ maximum operating voltage choice for electrical equipment insulation protection in б ... 35 kV mains.

The paper shows that, in б ... 35 kV mains, application of a non-linear surge arrester (SA) with the maximum continuous admissible operating voltage which is 10% higher than the mains’ maximum operating voltage results in the SA protection from overheating and subsequent breakdown at nonnormable lifetime of single-phase arc faults.

Key words - non-linear surge arrester, insulation, arc fault.