Высоковольтная электрическая сеть с электродвигателями

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано в сетях среднего напряжения 3-10 кВ с неэффективно заземленной нейтралью для снижения перенапряжений, возникающих при отключении электродвигательных присоединений вакуумными выключателями. Технический результат заключается в создании надежной системы защиты электродвигателя от перенапряжений, имеющей широкую область применения, малые габариты и вес. Для этого устройство состоит из источника трехфазного напряжения, вакуумного выключателя, питающего кабеля и системы защиты электродвигателя от перенапряжений, представляющей последовательные RC-цепочки, подключенные между фазами в начале питающего кабеля (образуя межфазный треугольник). 5 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к электроэнергетике, электротехнике и может быть использовано в сетях среднего напряжения 3-10 кВ с неэффективно заземленной нейтралью для снижения перенапряжений, возникающих при отключении электродвигательных присоединений вакуумными выключателями.

Известна высоковольтная электрическая сеть с электродвигателями, в которой защита электродвигателя от перенапряжений, возникающих при его отключении вакуумным выключателем, выполняется с помощью нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН), включаемых между фазными выводами электродвигателя и «землей» (Кузьмичева К.И., Подьячев В.Н., Шлейфман И.Л. Ограничение перенапряжений при отключении вакуумными выключателями пусковых токов электродвигателей с помощью ОПН. - Электрические станции, 1996, №4). Такая установка защитных аппаратов позволяет снизить перенапряжения, в основном на главной изоляции электродвигателя (фазной изоляции относительно земли) до уровня испытательных напряжений.

Однако такое включение ОПН неэффективно снижает при отключении электродвигателя количество повторных пробоев и перенапряжений с крутыми фронтами, которые воздействуют в большей мере на продольную (межвитковую) изоляцию и приводят к эскалации (постоянному нарастанию) перенапряжений до тех пор, пока они не превысят некоторый «порог срабатывания» ограничителя, определяемый значением остающегося напряжения на ограничителе (при токе, соответствующем уровню воздействующих коммутационных перенапряжений). Эффективная защита электродвигателя благодаря значительному снижению остающегося напряжения защитного аппарата не всегда допустима, поскольку при однофазных замыканиях на землю длительные перенапряжения на неповрежденных фазах термически нагружают защитный аппарат и могут привести к его разрушению. На практике установка ОПН на выводах электродвигателя в большинстве случаев недопустима по ряду причин: для этого требуется реконструкция электродвигательной коробки выводов, разработка специального крепления ограничителей перенапряжений, которые, находясь в процессе эксплуатации под действием механических нагрузок из-за вибрации электродвигателя, а также подвергаясь значительному загрязнению при работе электродвигателей на тепловых станциях в условиях повышенного содержания в воздухе пыли (в том числе угольной), снижают надежность работы всей электрической сети из-за собственной повышенной аварийности. Установка ограничителя перенапряжений на входе кабеля (за выключателем присоединения), питающего электродвигатель, малоэффективна (особенно при значительных длинах питающего кабеля): перенапряжения в начале кабеля меньше, поэтому ОПН снижает перенапряжения в конце кабеля (на электродвигателе) в меньшей степени.

Известна также высоковольтная электрическая сеть с электродвигателями, взятая в качестве прототипа, в которой защита от перенапряжений, возникающих при отключении электродвигателей вакуумными выключателями, выполняется защитными RC-цепочками (последовательно соединенными резисторами и конденсаторами), включаемыми между фазными выводами электродвигателя и землей. / Руководство по защите электрических сетей 6-1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений (РД 153-34.3-35.125-99). / Ред. И.И.Тиходеев, СПб., 1999/. Такая схема защиты позволяет более глубоко снижать перенапряжения при оптимальном выборе параметров элементов. / Беляков Н.Н. Защита от перенапряжений установок с вакуумными выключателями. - Электрические станции, 1994, №9/.

Включение защитной RC-цепочки на зажимах электродвигателя относительно земли по вышеупомянутым причинам (так же как и ОПН) часто недопустимо; ее эффективность заметно падает при установке в начале питающего кабеля. Недостатком является также значительные массогабариты, что дополнительно затрудняет монтаж у выводов электродвигателя, кроме того, установка цепочки между фазой и землей увеличивает ток замыкания (I_з) на землю: емкость конденсатора цепочки С_д выбирают приблизительно в 5 раз большей. / Руководство по защите электрических сетей 6-1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений (РД 153-34.3-35.125-99). / Ред. Н.Н.Тиходеев, СПб. 1999/, чем сумма емкости электродвигателя (С_дв) и рабочей емкости (С_р) питающего кабеля (С_р=С_ф+3С_фф; С_ф, С_фф - фазная и межфазные емкости питающего кабеля). Ток замыкания на землю определяется по выражению I_з=3ωC_∑фU_ф, где C_∑ф, U_ф, ω - соответственно суммарная фазная емкость сети (всего оборудования относительно земли), напряжение, частота сетевого напряжения. Параметром, определяющим значение тока, выступает фазная емкость, увеличение которой при установке RC-цепочек составляет ΔС_ф=5(С_дв+С_ф+3С_фф)=5(1,825С_ф+С_дв)=9,125С_ф+5С_дв (для кабелей с бумажно-масляной изоляцией 6-10 кВ с секторными жилами межфазная емкость С_фф≅0.275С_ф / Справочник по электрическим установкам высокого напряжения. / Под. ред. И.А.Баумштейна, С.А.Бажанова, М.: Энергоатомиздат, 1989/, т.е. установка цепочки приводит к более чем десятикратному (с учетом собственной фазной емкости кабеля) увеличению тока замыкания на землю, обусловленного защищаемым электродвигательным присоединением.

Ухудшение условий самопогасания дуги при однофазных замыканиях на землю ограничивает область применения электродвигателей с такой системой защиты в электрических сетях, где токи замыкания значительны, поскольку их максимальные значения нормируются. / Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей РФ / Мин-во топлива и энергетики РФ, РАО «ЕЭС России»: РД 34.20.501-95. 15-е изд. - М.: СПО ОРГРЭС, 1996/. В силу значительной емкости конденсатора RC-цепочки защитное устройство имеет значительные габариты и вес. При установке защитной RC-цепочки на выводах электродвигателя снижается ее надежность из-за отрицательного влияния факторов внешнего воздействия: влаги, пыли, вибрации.

Анализ приведенного уровня техники свидетельствует о том, что задачей изобретения является создание надежной схемы защиты электродвигателя от перенапряжений, имеющей широкую область применения, малые габариты и вес.

Это достигается тем, что в известной сети защитная последовательная RC-цепочка подключена между фазами в начале питающего кабеля, образуя межфазный треугольник. Значения параметров элементов определяются по выражениям: емкость конденсатора С_д≅3(0,775С_ф+С_дв), где С_дв, С_ф - фазные емкости электродвигателя и питающего кабеля, сопротивление резистора где L=L_к+L_ш - сумма индуктивности кабеля L_к на высоких частотах и индуктивности ошиновки L_ш / Руководство по защите электрических сетей 6-1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений (РД 153-34.3-35.125-99). / Ред. Н.Н.Тиходеев, СПб. 1999/.

На фиг.1 приведена высоковольтная сеть, питающая электродвигатель с предлагаемой схемой защиты от перенапряжений, в которой к трехфазному источнику переменного напряжения (1) с изолированной или неэффективно заземленной нейтралью через вакуумный выключатель (2) и питающий кабель (3) подключен электродвигатель (4); защитные RC-цепочки (5) включены между фазами в начале питающего кабеля.

Изоляция элементов цепочки выбирается исходя из приложения перенапряжений, допустимых для сети заданного класса напряжения / Руководство по защите электрических сетей 6-1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений (РД 153-34.3-35.125-99). / Ред. Н.Н.Тиходеев, СПб. 1999/.

Устройство работает следующим образом. При отключении электродвигательного присоединения от источника (1) посредством вакуумного выключателя (2) происходит расхождение контактов выключателя (подвижный контакт отходит от неподвижного) и разновременное размыкание контактов выключателя. После отключения первым полюсом выключателя тока могут возникать повторные пробои в межконтактном промежутке дугогасительной камеры, создающие перенапряжения, опасные для изоляции электродвигателя (4).

Рассмотрим подробно процессы, возникающие при отключении электродвигателя вакуумным выключателем. При первом обрыве тока в момент, близкий к максимуму напряжения на одном из полюсов выключателя, отключившегося в первую очередь, восстанавливается напряжение на контактах выключателя и растет электрическая прочность изоляционного промежутка. При превышении восстанавливающимся напряжением электрической прочности возникает повторный пробой межконтактного промежутка. Пробой эквивалентен включению электродвигателя в упрощенной схеме фиг.2. Напряжение на отключенной фазе перед пробоем определяется суперпозицией вынужденной и свободной составляющей колебаний низкой частоты (f_НЧ=1-10 кГц). Низшая частота равна

где С_ф, С_фф, С_дв - фазные и межфазные емкости питающего кабеля и фазная емкость электродвигателя, - сверхпереходная индуктивность электродвигателя.

В момент пробоя возникает высокочастотный колебательный процесс, в котором эквивалентная индуктивность электродвигателя практически не участвует, поскольку она не соизмерима с индуктивностью L=L_к+L_ш кабеля на высоких частотах (L_к) и ошиновки (L_ш). То же следует исходя из того, что волновое сопротивление кабеля на 1-2 порядка меньше волнового сопротивления двигателя. В связи с этим на данной стадии переходного процесса схему замещения можно представить как включение RLC-контура с начальным зарядом на конденсаторе. После включения и достижения максимума напряжения на зажимах электродвигателя (приблизительно половина периода высокочастотных колебаний) ток в выключателе проходит через ноль и при скорости тока, ограниченной значением около 100...350 А/мкс / Кузьмичева К.И., Подьячев В.П., Шлейфман И.Л. Ограничение перенапряжений при отключении вакуумными выключателями пусковых токов электродвигателей с помощью ОПН - Электрические станции, 1996, №4; Matsui Y., Yokoyama Т., Umeya E. Reignition current interruption characteristics of the vacuum interrupters // IEEE Trans. on Power Delivery, vol.3, №4, Oct, 1988/, происходит гашение дуги в вакуумной камере. Частота колебаний в схеме замещения (для высоких частот - фиг.2) приблизительно определяется как

Поскольку С_фф≅0,275 С_ф, то последнее выражение можно переписать следующим образом:

После первичного отключения с током среза i₀ и напряжением на отключаемой фазе, близким к фазному максимальному U_фм, начальная энергия (W₀) в системе электродвигатель-кабель, под действием которой возникают колебания напряжения низкой частоты (с учетом того, что фазные емкости С_ф+С_дв будут перезаряжены до значения напряжения не отключенных фаз - 0,5 U_фм), равна:

где С_∑=С_ф+С_дв+2С_фф.

После гашения дуги при повторном пробое через половину периода высокочастотных колебаний энергия в контуре увеличивается. Порцию энергии подпитки (W_П) от источника отключаемой фазы можно определить как

где u_иэ(t) - напряжение на эквивалентном источнике в момент коммутации, i_выкл(t) - ток в выключателе коммутируемой фазы. Полагая напряжение эквивалентного источника неизменным и равным 1,5 U_фм, что справедливо при значительном количестве кабельных присоединений на шинах источника питания, выражение для энергии подпитки будет:

После интегрирования имеем

где , β_ВЧ=2πf_вч, δ_вч - декремент затухания высокочастотных колебаний, - амплитуда высокочастотной компоненты тока в выключателе,

- характеристическое сопротивление контура, образованного внутренней эквивалентного индуктивностью источника и емкостно-индуктивными параметрами кабеля, U_к-напряжение на контактах выключателя в момент коммутации.

Из полной (суммарной) энергии после повторного пробоя (пренебрегая потерями при колебаниях на низкой частоте) можно выразить амплитуду свободной составляющей низкочастотного колебательного процесса. Она равна

Если восстанавливающееся напряжение на межконтактном промежутке выключателя (u_МП), равное

где - начальная фаза, зависящая от момента пробоя, будет мало по сравнению с его электрической прочностью, изменяющейся по линейному закону u_ЭП(t)=К(t+t₀) (К - скорость роста электрической прочности межконтактного промежутка, t₀ - временной интервал межу моментом начала движения подвижного контакта и моментом обрыва тока), то последующие повторные пробои не возникнут или на некотором этапе прекратятся, что прервет процесс эскалации (постоянного нарастания) перенапряжений.

Значение полной энергии искусственно изменяется путем подключения дополнительного конденсатора С_д между фазами. Полная энергия уменьшится, если в момент повторного пробоя не заряжать от источника дополнительный межфазный конденсатор С_д, который в предпробойный момент так же как и остальные емкостные элементы хранит заряд противоположного знака по отношению к заряду, приобретаемому фазной (С_ф+С_дв) и межфазной (С_фф) емкостями после пробоя. Для того чтобы конденсатор С_д перезарядился позже - после окончания высокочастотного процесса - и снизил тем самым заряд на емкостных элементах, полную энергию и амплитуду свободных колебаний U_НЧ на отключаемой фазе постоянная времени его заряда, задаваемая последовательным включением резистора R_д, принимается приблизительно равной 5 полупериодам высокочастотных колебаний.

Включение межфазного конденсатора дополнительно снижает скорость восстановления напряжения на межконтактном промежутке (в соответствии с (1) падает частота f_НЧ) и вероятность повторного пробоя. Значение дополнительной емкости принято С_д≅3(0,775С_ф+С_дв). Тогда значение R_д будет равно

Подставляя в последнее выражение С_д, имеем

Мощность резистора определяется исходя из длительного приложения к RC-цепочке наибольшего рабочего (линейного) напряжения:

где U_{наиб.раб.}, ω - наибольшее рабочее напряжение сети и его частота.

Если предположить, что отключение произошло с минимальным током среза i₀ в момент, близкий к положительному максимуму напряжения U_фм, то амплитуда низкочастотной свободной составляющей U_НЧ приближенно (без учета потерь) будет близка в соответствии с (3) и (7) к 1,5 U_фм (до повторного пробоя W_П=0). Тогда, соответственно, минимальное значение напряжения на электродвигателе после гашения дуги в межконтактном промежутке может достичь согласно упрощенной формуле оценки перенапряжений

(U_вын=-0,5 U_фм - вынужденная составляющая напряжения, U_своб=1,5 U_НЧ свободная составляющая) значения - 2 U_фм на отрицательном полупериоде колебаний напряжения свободной составляющей.

Рассмотрим первый повторный пробой. Предположим, что он происходит при начальном напряжении (U₀), равном отрицательному фазному максимальному значению (U₀=-U_фм). Амплитуда свободной составляющей после повторного пробоя запишется в соответствии с (6) как

При наличии межфазной RC-цепочки полный заряд в емкостных элементах схемы и энергия после повторного пробоя будут меньше, поскольку на дополнительном конденсаторе С_д к моменту пробоя напряжение и заряд q_д=(-U_фм+0,5U_фм)С_д=-0,5U_фмС_д имеют знак, обратный по отношению к заряду фазной и межфазной емкостей.

Энергия потерь W_д в резисторе эквивалентной цепочки (две параллельно включенных межфазных цепочки - фиг.3) рассеивается при перезаряде емкостных элементов сразу же после обрыва тока в межконтактном промежутке. Эту энергию можно определить как

Ток в резисторе цепочки при перезаряде емкостных элементов будет

Тогда энергия запишется как

где U_сф - напряжение на выводе двигателя после гашения дуги при повторном пробое, значение которого (без учета потерь при высокочастотных колебаниях), составляет согласно (9); U_Сф=U_фм+(U_фм-U₀)=3U_фм; U_Сд=-U_фм-(-0,5U_фм)=-0,5U_фм - напряжение на конденсаторе RC-цепочки;

После перезаряда емкостей и уменьшения полной энергии амплитуда низкочастотных колебаний определится как

где С_∑RC=С_∑+2С_д, W_0RC - начальная, полная энергия (3) с учетом подключенных межфазных конденсаторов.

Из (13) видно, что подключение цепочки снижает амплитуду свободных низкочастотных колебаний за счет существенного увеличения W_0RC (в пропорции , а также благодаря дополнительным потерям W_д, которые в зависимости от длины кабеля достигают соизмеримых с W_П значений.

Рассмотрим сравнительную эффективность прототипа - системы защиты RC-цепочками с такими же параметрами, но включенными между фазой и землей. В этом случае перезарядке подвергается лишь одна RC-цепочка (коммутируемой фазы). Энергия, рассеиваемая в резисторе цепочки при перезаряде емкостных элементов, будет

τ₂=C_Э2R_д, .

При том же напряжении повторного пробоя на электродвигателе U₀=-U_фм напряжение на конденсаторе RC-цепочки увеличивается до значения UC_д=-U_фм, что приводит к некоторому увеличению рассеиваемой энергии в резисторе цепочки. Однако увеличение незначительно за счет меньшей эквивалентной емкости: С_Э2<C_Э1. Начальная энергия W_0RC уменьшается из-за меньшего значения емкости С_∑RC=С_∑+С_д, что приводит к росту подкоренного выражения (13) и напряжения свободной частоты U_{НЧ1, RC}. В силу более высокой частоты собственных колебаний β_НЧ вероятность повторного пробоя при включении цепочки между фазой и землей также выше.

Оценим энергии и характеристики перенапряжений при первом повторном пробое для следующих параметров, характеризующих систему кабель-двигатель, и условий повторного пробоя: β_ВЧ=950000, δ_ВЧ=0, Zc=38 Ом, С_ф=14 нФ, С_дв=6 нФ, С_д=50 нФ, R_д=250 Ом, Расчетные параметры сведены в таблицу.

Из таблицы видно, что при одинаковых параметрах RC-цепочки эффективность ограничения перенапряжений, обусловленных колебаниями низкой частоты, определяющими возможность эскалации перенапряжений, выше при ее межфазном включении. За счет снижения частоты колебаний на 22% снижается также вероятность повторного пробоя.

На фиг.4 приведены расчетные кривые напряжения (u_дв - напряжение на электродвигателе, u_мп - напряжение на межконтактном промежутке, u_эп - напряжение электрической прочности межконтактного промежутка, возрастающее со скоростью К=20 кВ/мс), полученные путем математического моделирования с применением / Banzhaf W. Computer aided circuit analysis using SPICE. - Printice Hall, 1989/, при эскалации перенапряжений на электродвигателе с рабочим напряжением 6,3 кВ и мощностью 210 кВт, питаемого кабелем сечением 50 мм² длиной 100 м. В расчетах принято, что к источнику подключены аналогичные присоединения (типа кабель-электродвигатель), количество которых велико и, поэтому можно считать, что источник обладает бесконечной мощностью. Количество повторных пробоев составляет более 20, максимальные перенапряжения на электродвигателе приближаются к 30 кВ (˜5,8 U_фм), что значительно превышает эксплуатационное испытательное напряжение электродвигателя U_исп≅2,9 U_фм / Объем и нормы испытаний электрооборудования. / Под ред. Б.А.Алексеева, Ф.Л.Когана, Л.Г.Мамиконянца. - 6-е изд. - М.: Изд-во НЦ. ЭНАС, 2000 г./.

На фиг.5 представлены расчетные кривые при установке между всеми фазами за выключателем присоединения (в начале питающего кабеля) дополнительной RC-цепочки с параметрами R_д=250 Ом, С_д=50 нФ. Расчетная мощность резистора 3,2 Вт. При отключении электродвигательного присоединения с RC-цепочкой количество повторных пробоев сократилось до двух, а максимальные перенапряжения на электродвигателе не превысили 13 кВ (˜2,5 U_фм). Таким образом, включение RC-цепочки между фазами позволило существенно сократить количество повторных пробоев и значительно снизить максимальные перенапряжения на электродвигателе (в рассматриваемом примере до значения меньшего предельно допустимого). При большей скорости роста электрической прочности межконтактного промежутка (К=25 кВ/мс и более) повторные пробои на электродвигателе с кабельным подключением вообще не возникают при применении межфазной RC-цепочки с указанными выше параметрами.

Таким образом, установка межфазной RC-цепочки с предлагаемыми расчетными параметрами на входе питающего кабеля позволяет существенно снизить перенапряжения на электродвигателях при их отключении вакуумными выключателями, многократно сократить количество повторных пробоев или их полностью исключить. Благодаря межфазному включению RC-цепочки ток замыкания на землю не увеличивается, что позволяет применять устройство во всех сетях независимо от значения тока замыкания на землю, т.е. такая система защиты имеет широкую область применения. В силу меньшей емкости конденсатора устройство защиты имеет меньшие габариты и вес: приблизительно соотношение емкостей по отношению к устройству-прототипу составляет Благодаря установке защитных цепочек в распределительном устройстве обеспечивается их хорошая защищенность от внешних воздействий, и повышенная надежность работы.

Высоковольтная электрическая сеть с электродвигателями

Таблица.
Энергии и напряжения двигателей с различными системами защиты
Режим включения RC-цепочки	βНЧ, 1/с	С∑RC, нФ	W0RC, Дж	WП, Дж	Wд, Дж	UСф кВ	UНЧ1, RC кВ
Межфазное	8078	127,7	3,80	4,40	3,52	15,432	8,563
Относительно земли	10360	77,7	2,31	4,40	3,77	15,432	8,705

Высоковольтная электрическая сеть с электродвигателем, состоящая из источника трехфазного напряжения с изолированной или неэффективно заземленной нейтралью с подключенным через вакуумный выключатель и питающий кабель электродвигателем, и системы защиты электродвигателя от перенапряжений, представляющей последовательные RC-цепочки, отличающаяся тем, что защитные последовательные RC-цепочки подключены между фазами в начале питающего кабеля, образуя межфазный треугольник, конденсатор цепочки имеет емкость

C≅3(0,775 С_ф+С_дв),

где С_ф - фазная емкость питающего кабеля;

С_дв - фазная емкость электродвигателя,

сопротивление резистора цепочки равно

где L_к - индуктивность кабеля на высоких частотах;

L_ш - индуктивность ошиновки.