Лекция 12. Подстанции 110-750 кВ

Защита оборудования от перенапряжений

Часто причиной выхода из строя подстанционного оборудования является наличие в сети импульсов перенапряжений, вызываемых различными источниками.

Основными аппаратами, защищающими от перенапряжений, долгие годы являлись вентильные разрядники. Но они морально и конструктивно устарели, и еще в конце прошлого века вышел Приказ РАО «ЕЭС России» № 120 от 01.07.98 «О мерах по повышению взрывопожаробезопасности энергетических объектов», которым предписывалось осуществить замену вентильных разрядников на ограничители перенапряжений. В силу многих причин он не был выполнен, и лишь в последние годы энергосистемы начали работу в этом направлении.

В процессе эксплуатации оборудование подстанций (ПС) подвергается воздействию рабочего напряжения, а также различных видов перенапряжений. В случае возможности превышения допустимой величины и длительности какого-либо из воздействий на оборудование необходимо принять меры по их ограничению. К таким мерам относятся:

• · установка на ПС специальных защитных аппаратов (ЗА) — вентильных разрядников (РВ) и нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН). Указанные аппараты предназначены для защиты оборудования ПС от грозовых и коммутационных перенапряжений, но не от квазистационарных (феррорезонансные перенапряжения, резонансное смещение нейтрали);
• · схемно-режимные мероприятия, направленные на снижение тех видов перенапряжений, для ограничения которых ОПН и РВ не предназначены и которые могут привести к повреждению оборудования ПС (в том числе и самих ЗА).

При построении (или модернизации уже существующих) схем защиты оборудования ПС от перенапряжений с помощью ОПН и РВ необходимо решать две основные, тесно связанные друг с другом задачи:

• · выбор количества, мест установки и характеристик ЗА, которые обеспечат надежную защиту основного оборудования ПС;
• · обеспечение надежной работы самих ЗА.

Необходимо иметь в виду, что вентильные разрядники уже сняты с производства, а использующиеся в большинстве случаев отслужили свой нормативный срок. Поэтому замена РВ возможна лишь на современные ОПН. И при модернизации существующих схем защиты необходимо решать дополнительную задачу по выбору характеристик ОПН, предназначенных для замены устаревших РВ.

О настройках защитных аппаратов и месте ИХ установки

Как мы уже сказали, защита высоковольтного оборудования ПС от грозовых и коммутационных перенапряжений осуществляется с помощью вентильных разрядников и ограничителей перенапряжений.

Для оборудования сетей номинальным напряжением 110−220 кВ наибольшую опасность представляют грозовые перенапряжения, для оборудования сетей 330−750 кВ — как грозовые, так и коммутационные. Поэтому в сетях 110−220 кВ вольт-секундные характеристики искровых промежутков РВ выбирались так, чтобы разрядники типа РВС, РВМ, РВМГ не срабатывали при воздействии коммутационных перенапряжений; разрядники для сетей 330−750 кВ (типа РВМК) настраивались на срабатывание при воздействии как грозовых, так и коммутационных перенапряжений.

Так как нелинейные элементы ОПН постоянно присоединены к сети, то при использовании ограничителей перенапряжений вместо разрядников защита изоляции электрооборудования, вне зависимости от номинального напряжения сети (110−750 кВ), будет производиться и от грозовых, и от коммутационных перенапряжений.

Защитные аппараты на ПС могут быть установлены:

• · в цепи трансформатора, автотрансформатора;
• · у шунтирующего реактора;
• · на шинах распределительного устройства ПС (например, у шинных измерительных трансформаторов напряжения);
• · на концах присоединенных к ПС линий.

При защите ПС от перенапряжений одной из требующих решения задач является обеспечение надежности самих защитных аппаратов, т. е. ОПН и РВ. Иными словами, характеристики установленных на подстанциях защитных аппаратов должны быть согласованы с эксплуатационными воздействиями на них. Основными характеристиками защитных РВ и ОПН являются [1]:

• · наибольшее рабочее напряжение аппарата;
• · амплитуда импульса тока пропускной способности или удельная энергоемкость аппарата;
• · характеристика «напряжение-время»;
• · номинальный разрядный ток грозового импульса;
• · ток взрывобезопасности.

Превышение значений какого-либо из этих воздействий может стать причиной повреждения аппарата. Даже в случае, если защитный аппарат и не выйдет из строя непосредственно после такого воздействия, его ресурс будет снижен относительно расчетного и соответственно срок службы сократится.

О вентильных разрядниках

Искровые промежутки вентильных разрядников отделяют нелинейные резисторы РВ от сети. При воздействии на вентильный разрядник перенапряжения, превышающего пробивное напряжение его искровых промежутков, происходит их пробой, и нелинейный резистор присоединяется к сети, обеспечивая снижение перенапряжения. После прохождения через разрядник импульсного тока, вызванного перенапряжением, через нелинейный резистор протекает так называемый «сопровождающий» ток, обусловленный воздействием на РВ рабочего напряжения сети. При переходе сопровождающего тока через ноль дуга в искровых промежутках гаснет и разрядник приходит в исходное состояние.

Значительно большая нелинейность окисно-цинковых сопротивлений (варисторов) ограничителей перенапряжений позволила отказаться от использования в их конструкции искровых промежутков.

Нелинейные элементы ограничителя перенапряжений присоединены к сети в течение всего срока его службы. При воздействии рабочего напряжения через ОПН протекает ток порядка нескольких миллиампер, который носит в основном емкостный характер. При перенапряжениях сопротивление ОПН существенно падает, что приводит к резкому увеличению активной составляющей тока через аппарат. В итоге в варисторах ОПН рассеивается избыточная энергия перенапряжений, возникающих в защищаемой сети.

В настоящее время большинство вентильных разрядников эксплуатируется за пределами нормативного срока службы, составляющего 20 лет. Вследствие естественного старения использованных в конструкции материалов, как показывают немногочисленные исследования, защитные характеристики РВ к концу нормативного срока службы заметно изменяются даже у тех разрядников, число срабатываний которых не превышает нормированное заводом-изготовителем. При этом в большинстве случаев пробивное напряжение искровых промежутков состаренных разрядников становится заметно ниже, а остающееся напряжение на нелинейном резисторе выше.

Так, исследования разрядников типа РВС и РВМГ 110−330 кВ, выполненные Кольским научным центром РАН, показали:

• · остающееся напряжение РВ по мере их старения возрастает, как правило, на 7−10%;
• · пробивное напряжение РВ снижается до величин, на 15−20% меньших нижней границы допустимых значений;
• · пониженное пробивное напряжение наблюдалось у 20% обследованных разрядников типа РВС и почти у 75% обследованных разрядников типа РВМГ.

Снижение пробивного напряжения искровых промежутков разрядников типа РВС и РВМГ может быть причиной их срабатываний от коммутационных перенапряжений, что приводит к последующему взрывному разрушению разрядников при прохождении сопровождающего тока. Таким образом, находящиеся в эксплуатации РВ зачастую не только не выполняют своих защитных функций, но и сами становятся потенциальными источниками возможных аварий.

В 90-е годы из-за высокой трудоемкости производства и настройки искровых промежутков для РВ отечественные предприятия полностью прекратили выпуск вентильных разрядников, но при этом существенно расширили номенклатуру выпускаемых ОПН.

О восстановленных РВ

Отсутствие новых разрядников, необходимых для замены вышедших из строя, привело к тому, что в ряде эксплуатирующих организаций для сборки пригодных для дальнейшей работы защитных аппаратов предпринимаются попытки отобрать из ранее забракованных при профилактических испытаниях РВ имеющиеся исправные элементы.

При производстве таких ремонтных работ следует иметь в виду, что для контроля вольт-секундных характеристик «восстановленных» разрядников необходим генератор линейно нарастающего импульсного напряжения, обеспечивающий в соответствии с требованиями ГОСТ 16 357 возможность контроля пробивных напряжений в широком диапазоне предразрядных времен.

Имеющийся в ОАО «НИИПТ» опыт испытаний РВ показывает, что контроль по одной-двум точкам недостаточен, так как встречаются РВ с провалами в вольт-секундной характеристике при различных предразрядных временах из нормированного в ГОСТ диапазона. Кроме того, испытания должны проводиться не на отдельных элементах, а на полностью собранном РВ. Поскольку удовлетворяющего перечисленным требованиям испытательного оборудования у эксплуатирующих организаций нет, то проконтролировать соответствие «отремонтированного» РВ нормативным требованиям не представляется возможным, а сам РВ по-прежнему остается возможной причиной аварии в сети.

Проведение полного цикла испытаний РВ возможно лишь в специализированных высоковольтных лабораториях, оснащенных необходимым высоковольтным оборудованием и измерительной аппаратурой. Среди немногих оставшихся в России организаций, обладающих необходимым для этого оборудованием, следует отметить ОАО «НИИПТ», на испытательных стендах которого были проведены государственные испытания головных образцов всех РВ, выпускавшихся заводом «Пролетарий».