Защита электрических сетей промышленности и транспорта от перенапряжений

Page 1

Page 2

«КАБЕЛЬ-news», № 10, 2010

Çàùèòà ýëåêòðè÷åñêèõ
ñåòåé ïðîìûøëåííîñòè
è òðàíñïîðòà îò
ïåðåíàïðÿæåíèé

Ферудин ХАЛИЛОВ, д.т.н., профессор,

Наталия ШИЛИНА, с.н.с., Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

оказатели надежности элек-
трооборудования и линий
промышленных предприя-

тий и электротранспорта несколько
ниже, чем требуется эксплуатаци-
ей. Это связано с рядом причин,
основными из которых являются:
• собственные директивные до-

кументы упомянутых отраслей
несколько отличаются от таких
же документов для большой
энергетики [1, 2];

• значительная часть высоко-

вольтного электрооборудова-
ния исчерпала свой норматив-
ный ресурс и эксплуатируется
более 40—50 лет;

• в сетях предприятий до сих пор

в ряде случаев применяются
устаревшие защитные аппара-
ты.
Систему электроснабжения

промышленных предприятий и
электротранспорта условно мож-

Рис. 1. Упрощенная схема системы электроснабжения

предприятий

но подразделить на две части
(рис. 1): внешнюю, включающую
подстанции глубокого ввода
110—220 кВ, и внутреннюю, охва-
тывающую номинальные напря-
жения 10, 6 и 0,4 кВ.

Кроме того, она в ряде случа-

ев, например, на предприятиях
целлюлозно-бумажной промыш-
ленности имеет собственную
ТЭЦ, работающую на отходах и
ограниченную по мощности.

Подстанции глубокого ввода

(п/ст 1, п/ст 2, п/ст 3 и т.д.) по-
лучают питание по линиям ВЛ 1,
ВЛ 2, ВЛ 3 и т.д. при напряжении
110—220 кВ.

С помощью трансформаторов

этих подстанций напряжение
снижается до 6 или 10 кВ (сек-
ции 1 с и 2 с). Далее от секций
1 с и 2 с питаются электродви-
гатели переменного тока (ЭД1,
ЭД2, ЭД3, ЭД4 и т.д.), транс-
форматоры (Т1, Т2, Т3 и т.д.)
и выпрямительные установки
(В1, В2, В3 и т.д.). От послед-
них питаются электродвигате-
ли постоянного тока (ЭД5, ЭД6,
ЭД7 и т.д.), являющиеся основ-
ным электроприводом элек-
трифицированного транспорта,
например, бумагоделающих
машин.

Актуально

ÂÛÁÎÐ ÎÏÍ

Page 3

«КАБЕЛЬ-news», № 10, 2010

От трансформаторов Т1,

Т2, Т3 и т.д. питается нагрузка
(в основном электродвигатели)
0,22/0,38 кВ.

Сети промышленных пред-

приятий и электротранспорта, а
также сельского хозяйства в на-
стоящее время в основном защи-
щаются вентильными разрядни-
ками (более 50%).

Сегодня в Российской Федера-

ции, а также практически во всех
технически развитых зарубежных
странах прекращено производ-
ство вентильных разрядников,
являющихся до последнего вре-
мени основным средством защи-
ты от перенапряжений, так как
они обладают рядом недостатков,
основными из которых являются:
• высокое импульсное пробив-

ное напряжение U

пр

и высокое

остающееся напряжение при
токах 3, 5 и 10 кА, вследствие
чего уровень неограниченных
перенапряжений достаточно
высок. Например, для сетей
220 кВ U

пр

=(3—3,3) U

фн

для

различных групп разрядников
по данным ГОСТ 16357-83);

• ограниченная пропускная спо-

собность, что заставляет от-
строить эти защитные аппара-
ты от большинства внутренних
перенапряжений, обладающих
большой запасенной электро-
магнитной энергией;

• после 20—25 лет эксплуатации

разрядники несколько (на 20—
25%) повышают свои вольт-
амперные и вольтсекундные
характеристики, что в итоге
ухудшает защиту электрообо-
рудования от перенапряжений;

• при срабатывании вблизи ин-

дуктивных элементов (силовых
трансформаторов, реакторов,
трансформаторов напряже-
ния) вызывают в их обмотках
градиентные (продольные)
перенапряжения, опасные для
изоляции;

• из-за наличия искровых про-

межутков и шунтирующих со-
противлений имеют большие

массогабаритные характери-
стики, что связано с серьез-
ными затратами при транспор-
тировке и монтаже, особенно
в слабоосвоенных северных
районах страны.
Поэтому приблизительно 30

лет назад в России началась ин-
тенсивная разработка новых ап-
паратов — нелинейных ограни-
чителей перенапряжений (ОПН)
на основе высоконелинейных
оксидно-цинковых варисторов. В
те годы аналогичные работы ве-
лись только в США и Японии.

В настоящее время в стране

осуществляется массовый пере-
ход от вентильных разрядников к
ограничителям перенапряжений.
Это продиктовано массовым ста-
рением вентильных разрядников,
которые эксплуатируются более
40—50 лет, и выходом в свет не-
которых директивных докумен-
тов.

Однако часто необоснованный

выбор характеристик ОПН, их не-
правильная эксплуатация могут
привести к повреждению самих за-
щитных аппаратов, вызвать серь-
езные аварии в энергосистемах и
электрических сетях промышлен-
ных предприятий.

Ограничитель перенапряже-

ний, являясь средством уменьше-
ния перенапряжений на изоляции
электрооборудования подстан-
ций, линий и электрических ма-
шин, повышения надежности ра-
боты защищаемого объекта, не
должен снижать надежности за
счет собственного повреждения.
Поэтому выбор этих защитных
аппаратов, как и выбор любого
электротехнического оборудова-
ния, должен быть тщательно взве-
шен и обоснован.

Главным обстоятельством,

определяющим безаварийную
работу ограничителей, является
длительное допустимое рабочее
напряжение на аппарате. В Рос-
сийской Федерации и большин-
стве стран СНГ оно оговорено
директивными документами в

рамках соответствующих правил
и требований (ПТЭ, ПУЭ, РУ). По
этим требованиям напряжение
на подстанциях в нормальном
режиме должно быть не более
чем 1,2U

ном

в сетях до 6—10 кВ,

1,15U

ном

— на подстанциях 35 кВ

ном

— в сетях 110—220 кВ.

Одним из основных параме-

тров, определяющих электриче-
ские характеристики нелинейных
ограничителей перенапряжений,
является величина импульсного
(разрядного) тока I

, допустимо-

го через варисторы упомянутых
защитных аппаратов. При значе-
ниях тока больше допустимого I

для выбранных варисторов может
произойти их перекрытие по боко-
вой поверхности.

Импульсные токи через ОПН

в промышленности сведены в
табл. 1.

Табл. 1. Амплитуда импульсных

токов через ОПН 6—220 кВ

ном

, кВ

, кА

получена

принята

4—5

110

5—6

220

7—8

Токи через ОПН при комму-

тационных перенапряжениях I

являются одними из основных
факторов, определяющих сече-
ние варисторов и ВАХ всего за-
щитного аппарата. Эти токи для
предприятий приведены в табл. 2.

Таблица 2. Характеристики I

для сетей 6—220 кВ

ном

кВ

, кА

получена

принята

150—500

500

200—500

500

350—600

600

110

350—500

500

220

400—600

600

Актуально

ÂÛÁÎÐ ÎÏÍ

Page 4

«КАБЕЛЬ-news», № 10, 2010

Актуально

ÂÛÁÎÐ ÎÏÍ

Окончательный выбор ОПН

производится с учетом требований
ПУЭ, ПТЭ, руководящих указаний
по защите от перенапряжений, а
также неэлектрических воздей-

ствий. К последним весьма услов-
но можно отнести: взрывобезопас-
ность, длину пути утечки внешней
изоляции ОПН, механические воз-
действия, климатическое испол-

нение и категорию размещения,
температуру окружающей среды,
высоту местности над уровнем
моря, а также вибрации и допусти-
мый уровень частичных разрядов.

Табл. 3. Технические требования к ОПН-0,22 и ОПН-0,38

Наименование

ОПН-0,22

ОПН-0,38

Номинальное напряжение защитного аппарата, В

220

380

Наибольшее рабочее напряжение, длительно допустимое
на аппарате, В

260

460

Расчетный ток коммутационных перенапряжений при волне 1,2/2,5 мс,
выдерживаемый не менее 20 раз, А

100—200

Остающееся напряжение при расчетном токе коммутационных перена-
пряжений, не более, В

750—780

1300—1350

Расчетный ток грозовых перенапряжений при волне 8/20 мкс, выдер-
живаемый не менее 20 раз, кА

1,5

Остающееся напряжение при расчетном токе грозовых перенапряже-
ний, не более, В

850

1500

Внешняя изоляция должна соответствовать требованиям ГОСТ для
аппаратов класса напряжения, кВ

0,22

0,38

Климатическое исполнение

У или УХЛ

У или ХЛ

Категория размещения по ГОСТ 15160-697

Табл. 4. Технические требования к ОПН 6—35 кВ

6 кВ

10 кВ

35 кВ

Наименование

ОПН

ОПНН

ОПН

ОПНН

ОПН

ОПНН

Номинальное напряжение защитного
аппарата, В

3,45

5,8

20,2

Наибольшее рабочее напряжение,
длительно допустимое на аппарате, В

7,2

4,15

6,95

40,5

Расчетный ток коммутационных пе-
ренапряжений при волне 1,2/2,5 мс,
выдерживаемый не менее 20 раз, А

200—500

200

200—500

200

200—500

300

Остающееся напряжение при расчетном
токе коммутационных перенапряжений,
не более, В

15—15,6

9,0

25,5—26

15,3

86—87

50,5

Расчетный ток грозовых перенапряже-
ний при волне 8/20 мкс, выдержива-
емый не менее 20 раз, кА

0,6

0,7

0,9

Остающееся напряжение при расчет-
ном токе грозовых перенапряжений,
не более, В

11,7

19,0

115

66,5

Внешняя изоляция должна соответствовать
требованиям ГОСТ для аппаратов класса
напряжения, кВ

10/

35/

Климатическое исполнение

У или

УХЛ

У или

УХЛ

У или

УХЛ

У или

УХЛ

У или

УХЛ

У или

УХЛ

Категория размещения по ГОСТ 15160-697

1,3

Примечание. ОПН — для установки на шинах или зажимах электрооборудования, ОПНН — для установки
в нейтрали.

Page 5

«КАБЕЛЬ-news», № 10, 2010

Актуально

ÂÛÁÎÐ ÎÏÍ

Любой ОПН, выбранный в со-

ответствии с требованиями элек-
трических воздействий на него,
не обеспечит надежную и устой-
чивую работу аппарата, если не
учтены неэлектрические воздей-
ствия.

Технические характеристики

ОПН-0,22 и ОПН-0,38 приведены
в табл. 3, 6—35 кВ — в табл. 4,
110 и 220 кВ — в табл. 5.

Таким образом, широкое вне-

дрение ОПН в электрических
сетях промышленности и элек-
тротранспорта в значительной
степени снизит аварийность и
улучшит технико-экономические
показатели отрасли.

Литература

1. Правила устройства электро-

установок. 7-е издание. Санкт-
Петербург. Изд. «ДЕАН», 2003 г.

2. Руководство по защите элек-

трических сетей 6—1150 кВ от
грозовых и внутренних перена-
пряжений/ Под научной редак-
цией Н.Н. Тиходеева, 2-е из-
дание, Санкт-Петербург. Изд.
ПЭИПК Минтопэнерго РФ,
1999 г.

Табл. 5. Технические требования к ОПН 110—220 кВ

110 кВ

220 кВ

Наименование

ОПН

ОПНН

ОПН

ОПНН

Номинальное напряжение защитного аппарата, В

110

220

Наибольшее рабочее напряжение, длительно допустимое
на аппарате, В