Важнейшей задачей, которая возникает при работе с электрооборудованием и сетями, является задача обеспечения безопасной работы всей это системы без аварий и перебоев. Это следует отнести и к жилым домам и квартирам, и к объектам социального назначения, и к промышленным объектам. Везде требуется стабильная и безопасная поставка электроэнергии до конечного потребителя.
Опасность колебаний параметров электроэнергии осознавалась уже пионерами практического применения электричества. Поэтому защита электрооборудования присутствовала при вводе в эксплуатацию Томасом Эдисоном первой полноценной системы коммерческого электрического освещения и электроснабжения в Нью-Йорке 4 сентября 1882 года. Особую актуальность данный вопрос приобретает сегодня в связи с началом процесса широкого внедрения в распределительных сетях энергоэффективных трансформаторов. Ведь их стоимость превышает стоимость стандартных трансформаторов, применяющихся на текущий момент.
А поскольку распределительный трансформатор является основным элементом системы электроснабжения, то от его надежной работы зависит и надежность этой системы. В ПУЭ в соответствии с пунктом 3.2.51 для трансформаторов должны быть предусмотрены устройства релейной защиты от следующих видов повреждений и ненормальных режимов работы:
- многофазных замыканий в обмотках и на выводах;
- однофазных замыканий на землю в обмотке и на выводах, присоединенных к сети с глухозаземленной нейтралью;
- витковых замыканий в обмотках;
- токов в обмотках, обусловленных внешними КЗ;
- токов в обмотках, обусловленных перегрузкой;
- понижения уровня масла;
- однофазных замыканий на землю в сетях 3-10 кВ с изолированной нейтралью, если трансформатор питает сеть, в которой отключение однофазных замыканий на землю необходимо по требованиям безопасности.
Кроме того, трансформаторы должны быть защищены от грозовых (внешних) перенапряжений (п.п. 4.2.133 — 4.2.159 ПУЭ) — и от внутренних перенапряжений (п.п. 4.2.166 — 4.2.171 ПУЭ).
Мероприятия по защите трансформатора от резких повышений тока в обмотках и от понижения уровня масла (в масляных трансформаторах) в настоящей статье обсуждаться не будут. Защита от грозовых перенапряжений, ввиду однозначной их опасности, также не требует дискуссии. А вот необходимость установки оборудования, предотвращающего опасное воздействие внутренних перенапряжений на изоляцию трансформатора, не всегда однозначна и очевидна. И как показывает анализ многочисленных арбитражных споров между производителями распределительных трансформаторов и эксплуатантами, необходимо рассмотреть более подробно согласование параметров коммутационного оборудования и распределительных трансформаторов.
Сегодня нормативные документы, связанные с устройством электроустановок, содержат прямые указания на необходимость устройств защиты элементов сети электроснабжения (в частности см. п.п. 4.153, 4.168 ПУЭ), в том числе ограничителей перенапряжений (ОПН). И причина этому заключается в физических сущности процессов, происходящих в одном из видов оборудования, обязательно присутствующем в системе электроснабжения, а именно: в вакуумных выключателях.
Рассмотрим сначала общую картину возникновения перенапряжений и используемые расчетные схемы.
Максимально подробная классификация перенапряжений и модели их расчета подробно рассмотрены в предыдущей статье. В номинальных условиях работы распределительного трансформатора между компонентами активной части воздействуют синусоидальные напряжения частотой 50-60 Гц. Данные напряжения не являются опасными для электрической изоляции.
Внутренние перенапряжения формируются при отключении или включении трансформатора, или как следствие ситуаций, а именно: при коротком замыкании, при дуговых замыканиях на землю и др. Кратность перенапряжений в этих случаях может достигать 10-тикратных максимальных значений номинального напряжения.
Внешние (атмосферные) перенапряжения являются следствием прямого удара молнии в провода или опоры линий электропередач, либо грозовыми разрядами, которые индуктируют в проводах линии электромагнитные импульсы высокого напряжения. Значение перенапряжения в этом случае может достигать нескольких тысяч киловольт.
Процессы, которые происходят в распределительном трансформаторе от перенапряжений, определяются крутизной фронта импульса напряжения. Когда импульс напряжения подходит к трансформатору, напряжение между зажимом обмотки и землей резко нарастает. При этом скорость нарастания напряжения принципиально влияет на вид схемы замещения обмотки.
В номинальном режиме (при воздействии напряжения частотой 50 — 60 Гц) схема замещения представляется рядом последовательно соединенные индуктивных и активных сопротивлений элементов обмотки (рис. 1, а).
При подходе к трансформатору фронта волны импульса напряжения периодического вида, сгенерированной коммутацией, скорость повышения напряжения значительно возрастает, и на процессы, которые происходят в трансформаторе, начинают оказывать влияние емкостные связи между частями обмотки и между обмоткой и заземленным магнитопроводом (рис. 1, б).
Наконец, при атмосферных перенапряжениях, когда к трансформатору устремляется апериодический импульс с крутым передним фронтом (рис. 2), при котором напряжение между вводом трансформатора и землей достигает наибольшего значения за одну-две микросекунды, индуктивные сопротивления в схеме замещения становятся настолько большими, что их влиянием можно пренебречь и считать схему замещения обмотки состоящей только из поперечных емкостей между элементом обмотки и магнитопроводом (землей) Сq и продольных емкостей между смежными элементами обмотки Cd (рис. 1, в).
Теперь рассмотрим подробно основной источник внутренних перенапряжений — вакуумный выключатель (ВВ) и оценим возможности предотвращения опасного воздействия происходящих при коммутации процессов на обмотки трансформатора.
Как было определено выше при рассмотрении схем замещения, в данном случае осуществляется коммутация индуктивно-емкостных элементов (трансформаторов). И генерация перенапряжения при этом связана со срезом отключаемых токов и повторными зажиганиями дуги при расхождении контактов. Из-за повышенных перенапряжений отключение малого индуктивного тока (в частности, отключение трансформатора в режиме холостого хода) является наиболее опасной коммутацией, связанной с вакуумными выключателями. Дуга в вакуумных выключателях поддерживается не за счёт ионизированных газов дугогасящей среды как в выключателях других типов, а только за счёт ионизированных паров металлов с испаряющихся контактов, следствием чего является неустойчивость дуги малого тока и повышенная способность резко обрывать ток до его естественного перехода через нулевое значение. Индуктивность нагрузки и напряжение источника питания практически не влияют на значение тока среза. Большую роль играет материал контактов и конструкция выключателя.
Таким образом, основными причинами, которые приводят к перенапряжениям, в случае вакуумного выключателя, являются:
- срез тока до его нулевого значения и освобождение энергии, запасённой в индуктивных элементах схемы;
- недостаточная диэлектрическая прочность межконтактного промежутка в начальный интервал времени после прерывания тока дуги, который не может выдержать переходного восстанавливающегося напряжения, а это приводит к повторным зажиганиям и гашениям дуги;
- виртуальный срез тока, доходящий до сотен ампер, в соседних фазах, вызванный повторными зажиганиями дуги в первой отключаемой фазе.
Как известно, физическая суть перенапряжений сводится к переходу энергии, запасённой в индуктивности, в энергию, связанную с напряжением на ёмкости отключаемой части сети. При отключении ненагруженных трансформаторов при малых ёмкостях кабелей малой длины или шин, перенапряжения при срезах могут быть значительны. Значительно более тяжелые воздействия на изоляцию, чем срезы тока, могут вызвать многократные повторные зажигания дуги в выключателе. Образование многократных повторных зажиганий начинается с единичного повторного зажигания. Ток в выключателе может переходить через нулевое значение. После чего происходит восстановление напряжения и повторный пробой. В процессе отключения в условиях многократных повторных зажиганий межконтактная прочность выключателя возрастает. Одновременно растут напряжения повторных зажиганий, амплитуда токов высокочастотных колебаний, и как следствие — перенапряжения на отключаемой индуктивности. Многократные повторные зажигания создают серию импульсов перенапряжений с крутыми фронтами на выводах нагрузки, которые воздействуют на межвитковую изоляцию трансформаторов. Перенапряжения при срезах тока имеют более пологий фронт и воздействуют на главную изоляцию.
Таким образом, высокое быстродействие и очень быстрое восстановление последуговой прочности при отключении тока индуктивной нагрузки (резкий обрыв тока) приводит к появлению существенного недостатка вакуумных выключателей — генерирование повышенного уровня перенапряжений опасного для изоляции коммутируемого оборудования, кратность которого может составлять до 8-9 значений максимального фазового напряжения. Поэтому при наличии вакуумных выключателей необходимы мероприятия по защите коммутируемого оборудования и, в частности, распределительных трансформаторов.
Мероприятия для защиты обмоток от перенапряжений
Для защиты обмоток трансформаторов от перенапряжений применяются внешняя и внутренняя защита.
Первая группа мероприятий, внешняя защита — это применение заземленных тросов и ограничителей перенапряжений (ОПН). Эти меры позволяют ограничить амплитуду волн напряжения, подходящих к трансформатору. Хотя ПУЭ указывает также применение вентильных разрядников в качестве защитных мероприятий, но в настоящее время они все-таки повсеместно заменяются на ОПН из-за преимуществ последних.
Основная активная часть ОПН (рис. 3) состоит из набора варисторов, соединённых последовательно и составляющих так называемую «колонку». В зависимости от требуемых характеристик ОПН и его конструкции ограничитель может состоять из одной колонки или из ряда колонок, соединённых последовательно либо параллельно. Отличие материала варисторов ОПН от материала резисторов вентильных разрядников состоит в том, что у нелинейных резисторов ограничителей перенапряжения присутствует повышенная пропускная способность, а также высоко нелинейная вольт-амперная характеристика (ВАХ), благодаря которой возможно непрерывное и безопасное нахождение ОПН под напряжением, при котором обеспечивается высокий уровень защиты электрооборудования. Данные качества позволили исключить из конструкции ОПН искровые промежутки.
Материал нелинейных резисторов ОПН состоит в основном из оксида и оболочки в виде глифталевой эмали, повышающей пропускную способность варистора. В процессе изготовления оксид цинка смешивается с оксидами других металлов. Варисторы на основе оксида цинка являются системой, состоящей из последовательно и параллельно включённых p — n переходов. Именно эти p — n переходы определяют нелинейность ВАХ варистора.
ОПН конструктивно представляет собой колонку варисторов, заключённых в высокопрочный полимерный корпус из высокомолекулярного каучука (в случае полимерной изоляции прибора), либо колонку варисторов, прижатую к боковой поверхности стеклопластиковой трубы, расположенной внутри фарфора (в случае фарфоровой изоляции). В ОПН с полимерной изоляцией пространство между стеклопластиковой трубой и колонкой варисторов заполняется низкомолекулярным каучуком, а сама труба имеет расчётное количество отверстий для обеспечения взрывобезопасности конструкции при прохождении токов короткого замыкания. У ограничителей перенапряжений с фарфоровой изоляцией на торцевых сторонах покрышки располагают мембраны и герметизирующие резиновые уплотнительные кольца, а на фланцах устанавливают специальные крышки с выхлопными отверстиями. На крышке ограничителя перенапряжений имеется контактный болт для подключения к токоведущей шине. ОПН снабжён изолированной от земли плитой основания. Внутренняя стеклопластиковая труба, мембраны и крышки обеспечивают взрывобезопасность конструкции при прохождении токов короткого замыкания.
Характеристики различных модификаций ОПН приведены на рис.4.
Вольтамперная характеристика ОПН представлена на рис. 5.
Внешний вид ОПН различных конструкций приведен на рис. 6.
Принцип работы ограничителя перенапряжений
Защитное действие ограничителя перенапряжений обусловлено тем, что появление опасного для изоляции перенапряжения, вследствие высокой нелинейности резисторов через ограничитель перенапряжений протекает значительный импульсный ток, в результате чего величина перенапряжения снижается до уровня, безопасного для изоляции защищаемого оборудования.
В нормальном рабочем режиме ток через ограничитель имеет емкостный характер и составляет десятые доли миллиампера. Но при возникновении перенапряжений резисторы ОПН переходят в проводящее состояние и ограничивают дальнейшее нарастание перенапряжения до уровня, безопасного для изоляции защищаемой электроустановки. Когда перенапряжение снижается, ограничитель вновь возвращается в непроводящее состояние.
Вольтамперная характеристика ограничителя состоит из 3 участков (рис. 5):
- — область малых токов;
- — область средних токов;
- — область больших токов.
В первой области варисторы работают под рабочим напряжением, не превышающим наибольшее допустимое рабочее напряжение (сопротивление варисторов велико, через них протекает очень малый ток утечки). В режим средних токов варистор переходит при возникновении перенапряжения в сети. При этом на границе 1 и 2 областей происходит перегиб ВАХ, сопротивление варисторов существенно уменьшается и через них протекает кратковременный импульс тока. Варистор поглощает энергию импульса и рассеивает её в окружающее пространство в виде тепла. За счёт поглощения энергии импульс перенапряжения резко падает. Третья область для ограничителя является аварийной, сопротивление варисторов в ней вновь резко возрастает.
Осциллограммы перенапряжений, возникающих при коммутации ВВ без ОПН и с ОПН показаны на рис. 7 и рис. 8.
Вторая группа мероприятий — это усиление изоляции входных витков; установка емкостных колец и электростатических экранов (емкостная компенсация).
Емкостные кольца представляют собой разомкнутые шайбообразные экраны, изготовляемые из металлизированного электрокартона. Этими кольцами прикрывают начало и конец обмотки, тем самым поднимают кривую начального распределения напряжения, приближая ее к кривой конечного распределения.
Уменьшение неравномерности начального распределения напряжения и сближение его с конечным распределением достигаются применением в трансформаторах дополнительных электростатических экранов в виде разомкнутых металлических колец (витков), охватывающих начальную часть обмотки и соединенных с ее вводом. Такой экран создает дополнительные емкости, через которые заряжаются поперечные емкости в обход продольных емкостей.
В результате кривая начального распределения напряжения значительно спрямляется и становится почти такой же, как и кривая конечного распределения для обмоток с заземленной нейтралью. Трансформаторы с изолированной нейтралью также могут снабжаться электростатическими экранами, но в этом случае применяют специальные устройства импидоры, включаемые между нейтралью и землей. Это устройство содержит емкость, включенную параллельно разряднику и реактору, которая при волновых процессах заземляет нейтраль трансформатора, а при промышленной частоте имеет большое сопротивление и практически изолирует нейтраль.
Оценка необходимости установки ОПН
В современных трансформаторных подстанциях, как внутризаводских, так отдельно стоящих, напряжение от внешнего источника электроэнергии подается на трансформатор через распределительное устройство высокого напряжения (РУВН). Одним из компонентов РУВН является вакуумный выключатель (ВВ). При наличии ВВ, как было описано выше могут возникать перенапряжения, приводящие в повреждению обмоток.
Однако в последнее время ведущие производители электрооборудования, такие как Shneider Electric, Eaton, предлагает малогабаритные распределительные устройства (РУ), которые имеют в своем составе коммутационное оборудование, лишенное недостатков, свойственных подробно описанным выше вакуумным выключателям.
Гашение электрической дуги в РУ производства Shneider Electric, RM6-ячейке осуществляется на основе принципа автодутья в элегазе что практически исключает срез тока и, соответственно, не приводит к возникновению перенапряжений. Т.е. здесь вопрос решен с помощью использования элегаза.
Компания Eaton в своем инновационном оборудовании Xiria решила вопрос в производимых ей компактных РУ конструктивным совершенствованием вакуумного выключателя. Здесь исключение среза тока достигается за счет разделение дуги на множество низкоэнергетических разрядов.
Как утверждают оба производителя, кратность коммутационных перенапряжений не превышает 1,4. А это полностью безопасно для обмоток трансформатора.
Таким образом, можно констатировать, что при использовании малогабаритных распределительных устройств Shneider Electric, RM6 и в РУ компании Xiria установка ОПН для защиты обмоток от перенапряжений не требуется.
Выражаю искреннюю благодарность ведущим специалистам ООО «Трансформер» к.т.н. Печенкину В.И. и к.т.н. Стулову А.В. (г. Подольск), главному конструктору ООО «Трансформер» Трофимовичу И.А. , а также ведущему специалисту компании Eaton к.т.н. Москалеву М. за предоставленные материалы и за конструктивное обсуждение данной статьи.
Список литературы
- ПУЭ 7. Правила устройства электроустановок. Издание 7 [Электронный ресурс].
- Халилов Ф.Х. Классификация перенапряжений. Внутренние перенапряжения: Учебное пособие. — Санкт-Петербург: Издание НОУ «Центр подготовки кадров энергетики», 2012. — 80 с.
- Путова Т.Е., Малюшицкий П.Г., Вьюнов В.С. Особенности защиты оборудования коммутируемого вакуумными выключателями[Электронный ресурс].
- Беляков Н.Н. Защита от перенапряжений установок с вакуумными выключателями // Электрические станции, 1994. — № 9. — С. 65-71.
- Перенапряжения при коммутации вакуумными выключателями. Мнение мирового сообщества [Электронный ресурс].
- Назначение и принцип действия ОПН. [Электронный ресурс].
- Умное распределительное устройство. Shneider Electric [Электронный ресурс].
- Компактное распределительное устройство Xiria. [Электронный ресурс].
