Эксплуатация разрядников и ограничителей перенапряжения - Защита оборудования 20-24кВ генераторных блоков с помощью ОПН

ЗАЩИТА ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ 20-24 кВ ГЕНЕРАТОРНЫХ БЛОКОВ С ПОМОЩЬЮ ОПН

С ростом мощностей генераторных блоков и их номинального напряжения снижаются уровень испытательных напряжении генератора и, следовательно, уровень выдерживаемых изоляцией генераторов перенапряжений, поэтому целесообразно ограничить перенапряжения, воздействующие на генератор, с помощью ОПН.
При выборе средств защиты от перенапряжений необходимо знать уровень выдерживаемых перенапряжений основного электрооборудования цепи генераторного напряжения, который определяется одноминутным испытательным напряжением частоты 50 Гц. Для электрооборудования 20-24 кВ (аппараты, трансформаторы) он составляет 7,0-5,0 Uф, где Uф = 1,1Uн* V2/V3 .
Выдерживаемый уровень перенапряжений генераторной изоляций является дискуссионным. В России для генераторов нормируется три уровня одноминутного испытательного напряжения. Первый - испытательное напряжение нового генератора на заводе. Для генераторов 20 кВ UИСП(2о) = 2Uн +3 =43 кВ, а для генератора 24 кВ UИСП (24)= 2Uн +1 = 49 кВ. Второй - это испытательное напряжение во время приемочных испытаний при вводе машины после монтажа, оно равно 0,8 Uисп. Третий - это испытательное напряжение в эксплуатации после капитального ремонта, составляющее 1,5-1,7 UH.
Коэффициент импульса, учитывающий упрочнение изоляции при более кратковременных воздействиях перенапряжений, чем испытательное, принимается зарубежными авторами равным 1,25. Однако отечественная практика исходила из того, что единственный критерий прочности изоляции вращающихся машин  это одноминутное испытательное напряжение во время эксплуатационных испытаний, равное 1,5-1,7 UH . При этом считается, что коэффициент импульса Кя = 1,0.
С учетом сказанного, выдерживаемый уровень перенапряжений изоляций генераторов 20-24 кВ при различных подходах к его оценкам находится в диапазоне 2,35-3,4 Uф, т.е. разброс в оценках выдерживаемых перенапряжений достаточно высок.
Анализ опыта эксплуатации не выделяет повреждения из-за недостаточности импульсной прочности турбогенераторов.
Отмечаются случаи повреждения из-за старения элементов генераторов, а том числе и изоляции. Такие повреждения не превышают 10-15 % общего числа повреждений.
Таким образом, старение изоляции необходимо учитывать, но оно,  судя по  опыту эксплуатации, не столь велико, чтобы ориентироваться на самый низкий выдерживаемый уровень перенапряжений. Поэтому в дальнейшем в качестве целесообразного уровня ограничения перенапряжений был принят уровень, соответствующий испытательному напряжению при вводе машины в эксплуатацию. Коэффициент импульса принимался равным 1,0. Тогда для генераторов 20 кВ выдерживаемый уровень перенапряжений составляет 2,7, а для генераторов 24 кВ ~ 2,6Uф. На изоляцию генератора могут воздействовать различные перенапряжения (при отключении двухфазных КЗ с землей, однофазных замыканиях на землю и др.). Далее приведены максимальные кратности перенапряжений при различных коммутациях и повреждениях в схеме блока генератор-трансформатор.

Максимальное значение, Длительность, доля Uф мс
Включение генератора 2,0 1-2
Однофазное дуговое замыкание на землю 3,5 1 (многократно
в течение I с)
Отключение двухфазного КЗ 3,3 1-2
Отключение нагруженных трансформаторов 5,7 1-2
Суммарные напряжения на генераторах 5.0

Сопоставление перенапряжений с уровнем выдерживаемых турбогенераторами перенапряжений показывает, что необходима защита генераторов от перенапряжений. Такую защиту можно осуществить с помощью нелинейных ограничителей перенапряжений.
Для того чтобы выбрать основные параметры ОПН (наибольшее рабочее напряжение, вольт-амперную характеристику и пропускную способность), были проанализированы основные параметры мощных генераторных блоков 300-1200 МВт и проведены расчеты на ЭВМ по определению токовых и энергетических воздействий на ОПН при различных коммутациях.
Типичная схема блока изображена на рис. 15.

Рис. 15. Принципиальная схема генераторного блока

Наиболее тяжелыми токовыми и энергетическими воздействиями, определяющими основные защитные характеристики ОПН, являются воздействия при однофазных дуговых замыканиях на землю. Эти воздействия могут приводить к перенапряжениям до 3,5 С/ф и многократно повторяются за период существования дугового замыкания.
Для оценки воздействий на ОПН дуговых замыканий рассчитывался один цикл гашения-зажигания дуги емкостного тока замыкания. При этом выбирались такие моменты гашения и возобновления дуги, которые приводят к максимальным перенапряжениям. Параметры схемы соответствовали диапазону параметров оборудования.

Ограничитель представлялся вольт-амперной характеристикой Uom = AI“. Параметр нелинейности а = 0,04 . Параметры А и Iк варьировались, что позволяло выбрать оптимальную вольт-амперную характеристику, обеспечивающую требуемый уровень ограничения перенапряжений.
Как показали расчеты, наибольшие токовые воздействия соответствуют наименьшему расчетному индуктивному сопротивлению сети и наибольшему емкостному току. Это определяет уровень ограничения перенапряжений, так как соответствует наибольшему напряжению на ОПН. Энергия единичного импульса увеличивается с ростом предвключенного индуктивного сопротивления и емкостного тока. Поэтому пропускную способность ОПН определяют схемы с наибольшим индуктивным сопротивлением сети.
Требуемый уровень ограничения перенапряжений на генераторе обеспечивают ограничители с параметрами: Um < 46 кВ, U500 < 47 кВ - для ограничителя 20 кВ; U300 < 53 кВ, U500 <55 кВ  -для ограничителя 24 кВ.
В нормальном режиме ОПН находится под фазным напряжением. Наибольшее фазное напряжение сети генераторного напряжения равно 12,7 и 15,3 соответственно для блоков 20 и 24 кЗ.
При однофазном замыкании на землю напряжение на здоровых фазах повышается до линейного. Однофазное замыкание в цепи генератора отключается релейной защитой с выдержкой времени не более 1,0 с. Причем за это время напряжение может возрасти на 10 % за счет форсировки возбуждения. Следовательно, ОПН должен выдержать в течение 1,0 с напряжение 1,21 UH, т.е. 24,2 и 29,0 кВ соответственно для ограничителей 20 и 24 кВ.
Для варисторов имеются зависимости допустимой длительности от повышения напряжения по отношению к Uфир. При длительности 1 с допустимо, с учетом предварительно поглощенной энергии, повышение напряжения до 1,35Uфир. Исходя из этого условия, учитывая возможный уровень напряжения на ОПН в режиме однофазного замыкания на землю, наибольшее фазное рабочее напряжение ограничителя должно быть не менее 1,21UH/1,35, т.е. 17,9 и 21,5 кВ соответственно для ОПН 20 и 24 кВ. Поэтому наибольшее рабочее напряжение ограничителя определяется условием его работы при однофазном замыкании.
Вольт-амперная характеристика ОПН обычно нормируется значением остающегося напряжения при расчетном коммутационном токе. Напряжение Uфир связано с для современных варисторов соотношением
Следовательно, напряжение на ограничителе при расчетном коммутационном токе не должно быть ниже 44,3 и 53 кВ соответственно для ограничителя 20 и 24 кВ.
Таким образом, вольт-амперная характеристика ОПН определяется двумя условиями:
повышением напряжения при однофазном замыкании на землю,
ограничением перенапряжений до требуемого уровня.
Учитывая оба условия, получают следующие границы волът- амперных характеристик ОПН:

Точное определение ресурса пропускной способности представляет сложную задачу, поскольку предполагает знание всех токовых и энергетических воздействий, вероятности их появления, числа замыканий на землю и т.д. Такие полные данные отсутствуют, поэтому пропускная способность оценивается приблизительно сопоставлением рассеиваемой ОПН энергии при однофазном замыкании на землю с энергией испытательного импульса.
Энергия, рассеиваемая ОПН за время дугового замыкания на землю, зависит от характера горения дуги. Учитывая ответственность защищаемого объекта, предъявляющего повышенные требования к надежности работы защитного аппарата, принимают, что зажигания дуги с максимальными перенапряжениями повторяются с частотой 1 раз в период промышленной частоты. Расчеты показывают, что максимальная энергия единичного импульса тока составляет 650, 970 Дж соответственно для ограничителя 20 и 24 кВ. В этом случае пропускная способность ограничителя на прямоугольном импульсе длительностью 2000 мкс должна быть 370-450 А,
В некоторых схемах требуется установка дополнительного ограничителя на трансформаторе, что связано с возможностью работы в течение 6 ч участка генераторного присоединения с однофазным замыканием после отключения генераторного выключателя. Этот ОПН должен защищать обмотку трансформатора и другое электрооборудование, уровень выдерживаемых перенапряжений которого выше, чем у генератора. Поэтому ограничитель, устанавливаемый у трансформатора, может иметь более высокую вольт-амперную характеристику и меньшую пропускную способность.
Наибольшее рабочее напряжение ограничителя, устанавливаемого у трансформатора, определяется нормальным рабочим режимом, когда к нему приложено фазное напряжение, и режимом однофазного замыкания на землю, когда напряжение повышается до линейного и не должно быть ниже 20 и 24 кВ соответственно для аппаратов 20 и 24 кВ.
Так как напряжение на ограничителе при расчетном коммутационном токето вольт-амперные характеристики ОПН должны определяться из соотношений:

Расчеты схемы с отключенным генераторным выключателем показывают, что амплитуда максимальных токовых воздействий для ограничителей с Uост =49-51 для 20 кВ и Uост =50 - 62 для 24 кВ не превышает 115 и 125 А соответственно, а уровень перенапряжений не превышает 2,7Uф. Энергия единичного импульса тока составляет 10-15 Дж.
Малый ток замыкания на землю в этой схеме приведет, вероятнее всего, к самопогасанию дуги емкостного тока. Возможны также многократные возобновления дуги. Учитывая отсутствие экспериментальных данных по горению емкостной дуги в этих схемах и этих номинальных напряжений, а также требования к повышенной надежности работы оборудования в этих схемах, видимо, не следует принимать пропускную способность этих ограничителей менее 250 А.
Основные параметры ограничителей для защиты схем генераторного напряжения 20-24 кВ приведены в табл. 1.
Таким образом, сопоставление выдерживаемого уровня перенапряжений с возможными перенапряжениями показывает, что целесообразно ограничить перенапряжение на генераторе до уровня 2,6 Uф. Требуемый уровень ограничения может обеспечить ОПН с параметрами по таблице. В некоторых схемах может потребоваться установка дополнительного ОПН у блочного трансформатора.
Таблица 1
Основные параметры ОПН генераторных блоков