Защита электрических сетей промышленности и транспорта от перенапряжений

Показатели надежности электрооборудования и линий промышленных предприятий и электротранспорта несколько ниже, чем требуется эксплуатацией. Это связано с рядом причин, основными из которых являются:
• собственные директивные документы упомянутых отраслей несколько отличаются от таких же документов для большой энергетики [1, 2];
• значительная часть высоковольтного электрооборудования исчерпала свой нормативный ресурс и эксплуатируется более 40—50 лет;
• в сетях предприятий до сих пор в ряде случаев применяются устаревшие защитные аппараты.

Систему электроснабжения промышленных предприятий и электротранспорта условно можно подразделить на две части (рис. 1): внешнюю, включающую подстанции глубокого ввода 110—220 кВ, и внутреннюю, охватывающую номинальные напряжения 10, 6 и 0,4 кВ.

Кроме того, она в ряде случаев, например, на предприятиях целлюлозно-бумажной промышленности 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.) получают 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 (секции 1 с и 2 с). Далее от секций 1 с и 2 с питаются электродвигатели переменного тока (ЭД1, ЭД2, ЭД3, ЭД4 и т.д.), трансформаторы (Т1, Т2, Т3 и т.д.) и выпрямительные установки (В1, В2, В3 и т.д.). От последних питаются электродвигатели постоянного тока (ЭД5, ЭД6, ЭД7 и т.д.), являющиеся основным электроприводом электрифицированного транспорта, например, бумагоделающих машин.
От трансформаторов Т1, Т2, Т3 и т.д. питается нагрузка (в основном электродвигатели) 0,22/0,38 кВ.
Сети промышленных предприятий и электротранспорта, а также сельского хозяйства в настоящее время в основном защищаются вентильными разрядниками (более 50%).
Сегодня в Российской Федерации, а также практически во всех технически развитых зарубежных странах прекращено производство вентильных разрядников, являющихся до последнего времени основным средством защиты от перенапряжений, так как они обладают рядом недостатков, основными из которых являются:
• высокое импульсное пробивное 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 способность, что заставляет отстроить эти защитные аппараты от большинства внутренних перенапряжений, обладающих большой запасенной электромагнитной энергией;
• после 20—25 лет эксплуатации разрядники несколько (на 20— 25%) повышают свои вольтамперные и вольтсекундные характеристики, что в итоге ухудшает защиту электрооборудования от перенапряжений;
• при срабатывании вблизи индуктивных элементов (силовых трансформаторов, реакторов, трансформаторов напряжения) вызывают в их обмотках градиентные (продольные) перенапряжения, опасные для изоляции;
• из-за наличия искровых промежутков и шунтирующих сопротивлений имеют большие массогабаритные характеристики, что связано с серьезными затратами при транспортировке и монтаже, особенно в слабоосвоенных северных районах страны.

Поэтому приблизительно 30 лет назад в России началась интенсивная разработка новых аппаратов — нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН) на основе высоконелинейных оксидно-цинковых варисторов. В те годы аналогичные работы велись только в США и Японии.
В настоящее время в стране осуществляется массовый переход от вентильных разрядников к ограничителям перенапряжений. Это продиктовано массовым старением вентильных разрядников, которые эксплуатируются более 40—50 лет, и выходом в свет некоторых директивных документов.
Однако часто необоснованный выбор характеристик ОПН, их неправильная эксплуатация могут привести к повреждению самих защитных аппаратов, вызвать серьезные аварии в энергосистемах и электрических сетях промышленных предприятий.
Ограничитель перенапряжений, являясь средством уменьшения перенапряжений на изоляции электрооборудования подстанций, линий и электрических машин, повышения надежности работы защищаемого объекта, не должен снижать надежности за счет собственного повреждения. Поэтому выбор этих защитных аппаратов, как и выбор любого электротехнического оборудования, должен быть тщательно взвешен и обоснован.
Главным обстоятельством, определяющим безаварийную работу ограничителей, является длительное допустимое рабочее напряжение на аппарате. В Российской Федерации и большинстве 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

Одним из основных параметров, определяющих электрические характеристики нелинейных ограничителей перенапряжений, является величина импульсного (разрядного) тока I_и, допустимого через варисторы упомянутых защитных аппаратов. При значениях тока больше допустимого I_и для выбранных варисторов может произойти их перекрытие по боковой поверхности.
Импульсные токи через ОПН в промышленности сведены в табл. 1.

Токи через ОПН при коммутационных перенапряжениях I_к являются одними из основных факторов, определяющих сечение варисторов и ВАХ всего защитного аппарата. Эти токи для предприятий приведены в табл. 2.

Окончательный выбор ОПН производится с учетом требований ПУЭ, ПТЭ, руководящих указаний по защите от перенапряжений, а также неэлектрических воздействий. К последним весьма условно можно отнести: взрывобезопасность, длину пути утечки внешней изоляции ОПН, механические воздействия, климатическое исполнение и категорию размещения, температуру окружающей среды, высоту местности над уровнем моря, а также вибрации и допустимый уровень частичных разрядов.
Любой ОПН, выбранный в соответствии с требованиями электрических воздействий на него, не обеспечит надежную и устойчивую работу аппарата, если не учтены неэлектрические воздействия.
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 внедрение ОПН в электрических сетях промышленности и электротранспорта в значительной степени снизит аварийность и улучшит технико-экономические показатели отрасли.

Литература
1. Правила устройства электроустановок. 7-е издание. Санкт-Петербург. Изд. «ДЕАН», 2003 г.
2. Руководство по защите электрических сетей 6—1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений / Под научной редакцией Н.Н. Тиходеева, 2-е издание, Санкт-Петербург. Изд. ПЭИПК Минтопэнерго РФ, 1999 г.