Проектирование подстанции 110/6 кВ с решением задачи координации изоляции

Сведения о ячейках КЭ-10 двух вариантов исполнения на номинальные токи отключения 20 и 31,5 кА, с электродинамической стойкостью 52 и 81 кА соответственно. Ячейки КЭ-10 обладают наименьшей среди отечественных КРУ шириной (750 мм) и имеют твердое изоляционное покрытие всех токоведущих элементов высокого напряжения.

Все элементы ячейки размещены внутри металлического шкафа, состоящего из каркаса, выдвижного элемента и релейного шкафа. Каркас, представляющий собой покрытый металлическими листами сборный корпус, разделен стальными перегородками толщиной 2 мм на отсеки, в том числе отсек сборных шин, отсек выдвижного элемента, отсек отпаек сборных шин и отсек линейных шин. Это позволяет локализовать в пределах одного шкафа возможные повреждения при возникновении электрической дуги.

Сборные шины выполняются из алюминиевых и медных полос. а в тропическом исполнении - только из медных.

В отсеке линейных шин размещены линейные шины и отпайки. проходящие в отсек выключателя через проходные изоляционные втулки или через втулки трансформаторов тока. В зависимости от схемы главных цепей в линейном отсеке устанавливается до трех трансформаторов тока. Предусмотрена также установка заземляющего устройства, включение которого невозможно при замкнутом выключателе.

Отсек сборных шин закрыт сверху свободно открывающейся крышкой с жалюзи. Сборные шины устанавливаются в специальных пазах изоляционных опор.

Крепление отпаек в отсеке отпаек сборных шин выполнено поворотным, что дает возможность очищать нижнюю часть опоры от пыли.

При компоновке шкафов с кабельными вводами в средней; части шкафа организуется кабельный отсек. Конструкция KРУ позволяет подключать до четырех кабелей сечением 3X240 мм в шкафу с выключателем и до десяти аналогичных кабелей в шкафу кабельных сборок.

Отсек выдвижного элемента предназначен для размещения тележки с электромагнитным выключателем, штепсельным разъединителем, трансформатором напряжения или другим элементом.

В варианте исполнения ячейки на выдвижном элементе размещен электромагнитный выключатель типа ВЭ-10, подключаемый к схеме КРУ с помощью разъемных контактов. Изоляция разъемных контактов выполнена горшкового типа и обеспечивает разделение отсека кабельной сборки и отсека выключателя.

При одностороннем обслуживании (доступ к шкафу только с лицевой стороны) и двухрядном расположении ячеек достигнутая в конструкции малая глубина всей ячейки и выдвижного элемента позволяют обеспечить необходимую ширину прохода 1,8 м при общей ширине помещения РУ, равной 6 м, что меньше, чем для других типов отечественных КРУ.

Защитная и сигнализационная аппаратура ячейки расположена внутри релейного шкафа. В зависимости от числа элементов в схеме вспомогательных соединений релейные шкафы КРУ КЭ-10 выпускаются в двух типоисполнениях высотой 715 и 900 мм, причем в последнем случае общая высота ячейки увеличивается до 2585 мм.

Основными элементами релейного шкафа является сварной каркас с дверью и подвижная тележка с установленной на ней аппаратурой защиты и управления. Для удобства обслуживания каретка имеет возможность выдвигаться из шкафа и поворачиваться на 90°. Подсоединение релейного шкафа и тележки выполнено с помощью гибких проводов и разъемных контактов по 20 цепей в каждом. На двери релейного шкафа размещены счетчики электроэнергии, блоки указательных реле, а также другая аппаратура, в том числе устанавливаемая и по специальному требованию заказчика.

На базе ячеек типа КЭ-10 освоен выпуск шкафов КРУ типа КМ-10. Их отличие от базового варианта заключается в установке на выдвижном элементе маломасляных выключателей колонкового типа серии ВК-Ю, и технические данные практически совпадают с КРУ базового варианта.

Рассмотрим варианты исполнения ячеек с выключателем КРУ классов напряжения 7,2-24 кВ фирмы ВВС (Швейцария) типов ВВ и ВА. Они могут отличаться один от другого не только схемами главных цепей, но и наличием или отсутствием металлической перегородки между отсеком сборных шин и отсеком выключателя, возможностью использования в РУ с одинарной или двойной системой сборных шин и т. д.

Основным вариантом является тип ВВ1. Его важнейшие особенности: использование в качестве сборных шин одинаковых труб для всех классов напряжения; доступ к кабельному вводу с передней стороны ячейки, что позволяет устанавливать ее у стены здания (возможность одностороннего обслуживания), идентичность разъемов подключения выключателя к сборным шинам или к кабельному вводу, что дает возможность при необходимости менять их местами.

Ячейка типа ВА1 отличается от ВВ1 наличием металлических перегородок, образующих отсеки сборных шин, выключателя и кабельного ввода. Она снабжена подвижными металлическими заслонками, прикрывающими отверстия высоковольтных вводов. При необходимости компоновки схемы РУ с двойной системой сборных шин требования максимальной надежности и безопасности привели к созданию варианта типа ВА2. Устройство состоит из двух шкафов типа ВА1, установленных задними стенками вплотную один к другому. Единственным отличием является высоковольтный проходной изолятор, установленный в задней стенке.

Ограничения, накладываемые строительными условиями по вводу кабеля в ячейку или сверху, обусловили создание КРУ других вариантов, которые нуждаются в обслуживании и со стороны задней стенки шкафа и могут быть использованы при кабельной подводке с обеих сторон. Стремление к унификации изделий и увеличению серийности при изготовлении КРУ Приводит к постоянному уменьшению числа вариантов исполнения, например, в КРУ GA-24 их три-четыре.

Элементы ячеек КРУ размещаются, как правило, внутри прочного" металлического заземленного шкафа. Принятая международная классификация защитных оболочек фиксирует как возможность проникновения через отверстия в оболочке тел определенного размера, так и степень защищенности оборудования от попадания воды. Шкафы современных КРУ выполняются с уровнем защищенности не ниже IP30, что соответствует максимальному диаметру отверстий в оболочке не более 2,5 мм и отсутствию защиты от воздействия воды как в виде дождя, так и в виде отдельных капель. Выбор уровня защищенности оболочки обусловливается работой КРУ в закрытом помещении или под открытым небом, а также наличием в окружающей среде влаги, песка, пыли или мелких насекомых.

При размещении ячейки КРУ внутри шкафа важной особенностью конструкции является либо возможность одностороннего обслуживания, либо необходимость обслуживания с двух сторон. В первом случае ячейки могут быть установлены в два ряда вплотную к стене помещения РУ с проходом для контроля и обслуживания шириной 1800-2200 мм. При этом достигается компактное размещение большого числа ячеек. При двухстороннем "обслуживании вдоль стены должен быть оставлен коридор шириной не менее 1 м, и общая занимаемая площадь возрастает.

В зависимости от наличия или отсутствия внутренних перегородок в соответствии с рекомендацией МЭК КРУ делятся на три типа: с металлическими перегородками между отсеками шкафа; с перегородками из диэлектрического материала; без перегородок.

При этом ячейки второго типа обладают тем преимуществом, что при коротком замыкании внутри ячейки электрическая дуга не фиксируется на диэлектрических перегородках.

Наиболее ответственным элементом схем КРУ являются высоковольтные выключатели (ВВ), выполняющие основные функции по перераспределению потоков энергии. Они определяют такие наиболее существенные для потребителя параметры КРУ, как номинальный рабочий ток, номинальный ток короткого замыкания и др. Конструкция ВВ, используемая в нем среда дугогашения являются важными характеристиками КРУ. Первоначально в качестве среды дугогашения использовались воздух и минеральное масло, в настоящее время - вакуум и элегаз. По оценкам специалистов КРУ среднего и высокого напряжения на 40-60 % должны оснащаться вакуумными выключателями. Некоторые фирмы развитых стран (например, японская «Мейденша») полностью перешли на выпуск КРУ с вакуумными выключателями, а фирма ВВС (ФРГ) разработала взаимозаменяемые выключатели с элегазовым или вакуумным принципом гашения дуги, позволяющие по требованию заказчика использовать ту или иную среду дугогашения в любой схеме КРУ.

4. Координация изоляции и защита от перенапряжений

4.1 Координация изоляции

Защита оборудования подстанций от набегающих волн и координация изоляции на подстанциях базируется в настоящее время на использовании разрядников типов РВП, РВС и ОПН нынешнего поколения по ГОСТ 16357-70. Трансформаторы и автотрансформаторы 150 и 220 кВ имеют два уровня изоляции:

Основной, скоординированный с разрядниками РВП и РВМГ;

Повышенный, скоординированный с разрядниками РВС и ОПН.

Изоляция аппаратов и измерительных трансформаторов имеет один повышенный уровень.

На подстанциях до 110 кВ включительно, где установлены трансформаторы с повышенным уровнем изоляции, место установки вентильных разрядников и ограничителей перенапряжений выбирается таким образом, чтобы обеспечить защиту всего оборудования минимальным числом защитных аппаратов(например, по одному комплекту на каждую систему шин). При этом допускается наличие коммутационных аппаратов между РВ (ОПН) и трансформаторами, поскольку уровень изоляции трансформаторов выше возможной кратности большинства коммутационных перенапряжений, т.е. перенапряжений при включении и отключении.

Для оценки надежности защиты подстанционного оборудования от набегающих волн необходимо сопоставить напряжения на изоляции с её электрической прочностью. При этом следует учитывать, что формы волн напряжения на изоляции являются нестандартными.

Перекрытие изоляции на подстанции в большинстве случаев означает дуговое к.з. в непосредственной близости от сборных шин, которое может привести к системным авариям.

В результате перекрытия внешней изоляции возникает так называемый срез, т.е. практически мгновенный спад напряжения до нуля, являющийся причиной больших градиентных перенапряжений в обмотках трансформаторов, вызывающих в неблагоприятных случаях повреждение продольной изоляции. Пробой внутренней изоляции в отличии от перекрытия внешней – это в большинстве случаев необратимый процесс, приводящий к выходу из строя аппарата в целом.

Подстанции защищаются как от прямых ударов молний, так и от волн напряжения, набегающих с линии.

Повреждения или перекрытия изоляции на подстанции принципиально могут быть обусловлены тремя причинами:

Прорывом молнии мимо молниеотводов;

Возникновением высокого потенциала на заземлении пораженного молниеотвода, приводящего к обратному перекрытию с заземлителя на токоведуще части установки;

Возникновением высоких потенциалов под влиянием волн, приходящих с линии.

Если обозначить число опасных случаев в год, обусловленных перечисленными выше причинами, соответственно О1,О2 и О3, то расчетное число лет безаварийной работы подстанции

М=1/(О1+О2+О3)

М – показатель грозоупорности подстанции.

Для того чтобы обеспечить как можно меньшую вероятность повреждения изоляции подстанции, число М должно более чем на порядок превосходить нормальный срок службы оборудования, т.е. должно измеряться сотнями лет.

Координация характеристик изоляции аппаратов и РВ (ОПН) должна проводиться для всех возможных схем работы подстанции (разное число присоединений к шинам линий, связанная или раздельная работа секций и систем шин, выводов в ремонт секций с присоединенными РВ или ОПН и т.д.). Наивыгоднейшая схема защиты может быть спроектирована только при учете всех индивидуальных особенностей данной подстанции и при реальной оценке возможных и наиболее вероятных волн перенапряжений, приходящих с линий. Наиболее целесообразно расположение РВ и ОПН на подстанциях с более или менее сложной схемой можно определить лишь экспериментально, на анализаторах молниезащиты.

При разработке системы защиты подстанций от волн перенапряжений в первом приближении можно воспользоваться рекомендациями ПУЭ и НТП.

4.2 Защита электрооборудования от импульсов грозовых перенапряжений, набегающих с ВЛ

На ОРУ-110 кВ от волн перенапряжений приходящих с линий осуществляется вентильными разрядниками типа РВС-110 кВ.

В настоящее время в электрических системах для защиты электрооборудования от перенапряжений всеобщее распространение получили ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН).

Хотя в этих целях по-прежнему используются и вентильные разрядники, однако, в новых проектных разработках применяются только ОПН, а при реконструкции действующих электроустановках РВ заменяют на ОПН.

Вентильные разрядники комплектуются нелинейными резисторами (варисторами) на основе карбида кремния (SiC) и искровыми промежутками, которые подключают нелинейный резистор между фазным проводом и землей только на короткое время для ограничения грозовых, а в установках сверхвысокого напряжения и коммутационных перенапряжений. Вследствие относительно невысокой нелинейности их варисторов РВ не позволяют обеспечить достаточное ограничение перенапряжений. Более глубокое их снижение требует уменьшение сопротивления нелинейного резистора, что приводит в вентильных разрядниках к существенному увеличению сопровождающих токов. Искровые промежутки даже достаточно сложной конструкции не в состоянии погасить большие сопровождающие токи. Включение варистора под рабочее напряжение без искровых промежутков оказывается невозможным, вследствие, сравнительно большого тока протекающего по варистору постоянно, а также из-за низкой термической устойчивости. На замену РВ пришли ОПН – защитные аппараты без искровых промежутков с высоконелинейными варисторами из металлооксидной керамики, постоянно подключенными между фазным проводом и землей. В отличие от РВ ОПН могут ограничивать и грозовые и коммутационные перенапряжения в электроустановках любых классов напряжений. Отметим также, что на воздушных линиях электропередачи (ВЛ) происходит замена РВ на ОПН. ОПН устанавливается вместо РВ на опорах ВЛ в местах с ослабленной изоляцией, в начале и конце защищенного подхода перед подстанцией на опорах вокруг пересечений ВЛ, на длинных переходах ВЛ и т.д. На первый взгляд применение ОПН представляется простым и эффективным решением задачи по ограничению перенапряжений. Исключение из ограничителя коммутирующих искровых промежутков повышает надежность этого защитного аппарата. Ограничение коммутационных перенапряжений в ЭУ U = 220 кВ и ниже позволяют существенно облегчить изоляцию либо повысить надежность изоляций таких ЭУ, которая в обычном исполнении рассчитана на воздействие коммутационных перенапряжений, не ограниченных защитными промежутками.

Однако, постоянное нахождение варистора ОПН под напряжением ставит проблему обеспечения тепловой устойчивости ОПН и при длительных рабочих напряжениях, а при ограниченных по времени повышениях напряжения в рабочих режимах электроустановки, и при установившихся (квазистационарных) перенапряжениях. При нарушениях тепловой устойчивости варистора возможны, и как показывает аварийная статистика, происходят взрывы и разрушения.

Отсюда возникает комплексная задача, как выбрать ОПН, чтобы он имел достаточную энергоемкость и надежно работал при длительных напряжениях и при временных повышениях, а также обеспечивал требуемое ограничение грозовых и коммутационных перенапряжений.

4.3 Сравнение РВ и ОПН

Принцип действия и основные характеристики Ограничителей Перенапряжений. В середине 70-х годов в СССР и Японии были созданы опытные образцы защитных аппаратов на основе варисторов из оксидно-цинковой керамики. Коэффициент нелинейности ВАХ для таких варисторов составляет α≈0,02 для широкой области изменения тока, что на порядок меньше а для варисторов из карбида кремния.

Использование оксидно-цинковых варисторов позволило разработать защитные аппараты без искровых промежутков: при рабочем напряжении токи через варисторы измеряются миллиамперами, а при перенапряжениях достигают сотен и тысяч ампер. Такие аппараты в СССР получили название «нелинейных ограничителей перенапряжений» - ОПН, за рубежом их называют «металлооксидными ограничителями», присваивая им различные фирменные названия и обозначения.

Высокая нелинейность ВАХ и большая удельная энергоемкость оксидно-цинковых варисторов позволяют существенно улучшить как защитные, так и массогабаритные характеристики ОПН по сравнению с разрядниками. Кроме того, использование ограничителей позволяет устранить существенные недостатки, свойственные разрядникам:

нестабильность защитных характеристик, обусловленную разбросом напряжения срабатывания искровых промежутков и его снижением после многократных воздействий импульсов тока;

снижение пробивного напряжения разрядников при увлажнении загрязненной поверхности покрышки, определяющего возможность выхода аппарата из строя в нормальном эксплуатационном режиме;

сложность профилактики (контроля пробивного напряжения);

нестабильность защитных характеристик вследствие существенного влияния температуры на ВАХ карбидокремниевых резисторов и ее деградация от воздействия импульсов тока при ограничении перенапряжений;

поглощение из сети избыточной энергии при протекании сопровождающего тока;

сложность конструкции, подбора параметров элементов и настройки пробивного напряжения искровых промежутков.

После подтверждения эксплуатационной надежности ограничителей ведущие фирмы - производители защитной аппаратуры приступили к свертыванию производства разрядников и их замене ограничителями. Так, в 1983 г. в Японии было полностью прекращено производстве; разрядников, как и в Швеции, Швейцарии, США.

Простота конструкции, компактность, способность работать в различных средах, возможность регулирования характеристик оксидно-цинковых варисторов обеспечили ограничителям широкое использование в современных аппаратах, в том числе в элегазовых распредустройствах. При создании разъединителей ограничители могут использоваться как опорные изоляционные конструкции. В трансформаторах ограничители могут размещаться внутри бака, - что позволяет выравнивать распределение напряжения по витковой изоляции. Малая масса ограничителей при использовании полимерных корпусов позволяет использовать их в виде подвесных и оттягивающих изоляторов.

Ограничитель присоединен к сети в течение всего срока службы, поэтому через его варисторы непрерывно протекает ток. Допустимая плотность активного тока составляет несколько микроампер на 1 см2, при этом плотность емкостного тока составляет 10-20 мкА/см2. Ограничитель сохраняет работоспособность до тех пор, пока воздействием рабочего напряжения и импульсов перенапряжений активная составляющая тока не превысит критического значения, при котором нарушается тепловое равновесие аппарата.

Рис. 4.3.1 - Конструкция нелинейного ограничителя перенапряжений наружного исполнения в фарфоровом (а) и полимерном (б) корпусах

Поглощение ограничителем энергии из сети препятствует повышению перенапряжения, что обеспечивает защиту изоляции высоковольтного оборудования РУ. Основными конструктивными элементами ограничителя наружного исполнения наряду с одним или несколькими столбами варисторов (рис. 4.3.1) являются: колонки варисторов 7; изолирующий корпус 2 с ребрами, обеспечивающий необходимую электрическую прочность конструкции; фланцы 4 корпуса со смонтированными на них узлами герметичности и взрывобезопасности 3 и наружный тороидальный экран 6 с экранодержателями 5, обеспечивающий выравнивание распределения напряжения по варисторам, ограничение стримерной короны и необходимую электрическую прочность воздушной изоляции. При использовании фарфоровой покрышки в аппарате предусматривается сквозная полость 1, обеспечивающая передачу избыточного давления внутри корпуса при аварийном дуговом перекрытии на клапаны взрывобезопасности и предохраняющая аппарат от взрывного разрушения. В полости корпуса размещены также элементы крепления варисторов и теплопроводящая прослойка 8, передающая избыток теплоты от варисторов на корпус.

В последнее время для изготовления корпусов ограничителей стали использоваться полимерные материалы, например стеклопластик,- для цилиндров 9 с силиконовыми ребристыми покрытиями 10. Использование полимерных корпусов позволяет существенно снизить массу аппаратов, упростить решение вопросов, связанных со взрывобезопасностью, теплоотводом и надежностью работы ограничителей в условиях сильно загрязненной окружающей среды.

В табл. 4.3.1 приведены основные защитные и конструктивные характеристики ОПН, выпускаемых в СССР.

Таблица 4.3.1

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8