Грозозащита вращающихся машин

Изоляция вращающихся машин обладает высокой электрической прочностью при выпуске с завода. Однако в процессе эксплуатации электрическая прочность падает. Представление о длительной электрической прочности может дать нормированное испытательное напряжение в эксплуатационных условиях 1,7 U_ном. Коэффициент импульса, начальное значение которого равно 1,3—1,6, снижается до 1,0, причем нижняя граница области разброса может проходить еще ниже. Таким образом, импульсная прочность главной изоляции вращающихся машин может быть оценена как 1,7√2U_ном. В табл. 8.2 для сравнения приведены допустимые импульсные напряжения на главной изоляции вращающихся машин и трансформаторов и остающиеся напряжения вентильных разрядников для классов напряжения 3,6 и 10 кВ (для электрических машин U_ном = 3,15; 6,3 и 10,5 кВ).

Таблица 8.2 – Сравнение импульсной прочности вращающихся машин и остающегося напряжения вентильных разрядников

Только у разрядников РВТ (I группа по ГОСТ 16357-70) остающееся напряжение при токе не более 3 кА ниже, чем допустимое импульсное напряжение на изоляции машин, но интервал между этими напряжениями получается очень малым. Ввиду трудности координации импульсной прочности изоляции вращающихся машин с характеристиками вентильных разрядников допускается непосредственное присоединение (без трансформаторов) к воздушным линиям генераторов мощностью не более 15 000 кВА и синхронных компенсаторов мощностью не более 20 000 квар.

Помимо ограничения напряжения на вводе машины, схема грозозащиты должна предусматривать ограничение напряжения на изолированной нейтрали и ограничение напряжения на продольной изоляции путем снижения крутизны падающей волны.

Грозозащита вращающихся машин, присоединенных к воздушным линиям через трансформаторы. Существует два способа передачи напряжения через обмотки трансформаторов, т.е емкостная и электромагнитная передача. При оценке напряжения, которое появляется на выводах присоединенной к трансформатору вращающейся машины, последняя может быть представлена своим волновым сопротивлением; такая схема замещения справедлива до момента прихода к началу обмотки импульса, отраженного от нейтрали генератора, но обычно за этот интервал времени импульс, попадающий на обмотку машины, спадает, т. е. дальнейший ход процесса может не учитываться. При учете вол­нового сопротивления z упрощенная формула для случая емкостной передачи, принимает следующий вид:

(10.59)

где — постоянная времени схемы.

В качестве расчетного напряжения U₁ следует взять остающееся напряжение на разряднике, защищающем обмотку высшего напряжения трансформатора; наложенными на остающееся напряжение колебаниями можно пренебречь, поскольку их период много меньше постоянной времени схемы; через обмотку они «не передаются».

Наличие на стороне низшего напряжения соединительных кабелей или закрытых шинопроводов, соединяющих трансформатор с генератором, обычно снижает напряжение u₂ до величины, безопасной для изоляции генераторов.

В случае присоединения генератора к трансформатору воздушной перемычкой, надежно защищенной от прямых ударов молнии, возникает опасность появления индуктированных перенапряжений. С целью их снижения параллельно генератору включается конденсатор емкостью 0,1—0,5 мкФ, который обеспечивает снижение напряжения, обусловленное емкостной передачей.

В качестве расчетного напряжения на обмотке трансформатора берется остающееся напряжение на разряднике. Волновое сопротивление z вносит большое затухание в колебательный процесс, возникающий в схеме; в большинстве случаев выполняется условие апериодичности . Поэтому остающееся напряжение разрядника стороны ВН передается на обмотку генератора в соответствии с коэффициентом трансформации. Если защита трансформатора выполняется разрядниками РВМ, то напряжение на изоляции генератора не превосходит допустимого.

Таким образом, генераторы, соединенные с воздушными линиями через трансформаторы, обычно не требуют никакой дополнительной защиты от грозовых перенапряжений, и на генераторном напряжении вентильные разрядники могут не устанавливаться. Однако возможны случаи (большая емкость на шинах, маломощные генераторы), при которых свободные колебания генераторной цепи окажутся недемпфированными, и напряжение на генераторе превысит допустимое. В этих случаях обмотки машин следует защищать разрядниками.

Грозозащита вращающихся машин, присоединенных к воздушным линиям, может быть успешно осуществлена с помощью вентильных разрядников I группы типа РВТ при условии ограничения тока через разрядник (желательно до 1,5 кА); это необходимо для увеличения координационного интервала между остающимся напряжением разрядника и допустимым напряжением на главной изоляции машины. С этой целью применяются различные схемы защиты воздушных подходов и способы связи обмотки машины с воздушной линией (реактор, кабельная вставка).

Кроме того, для ограничения крутизны, обусловливающей напряжения на междувитковой изоляции, параллельно разряднику включается конденсатор емкостью 0,25—0,5 мкФ. Ограничение крутизны до 1—2 кВ/мкс обеспечивает также слабое развитие колебаний на изолированной нейтрали обмотки. Если нейтраль выведена, то она защищается вентильным разрядником, который шунтируется конденсатором емкостью 0,25—0,5 мкФ для ограничения крутизны среза. Для одновитковых машин с разрядником в нейтрали емкости на вводе машины не требуется.

Принципиальная схема защиты генератора, присоединенного непосредственно к воздушной линии, представлена на рис. 10.30, а. Так как линии 3—10 кВ имеют одностоечные опоры и подвеска тросов удорожает стоимость линии, то подход защищается отдельно стоящими стержневыми молниеотводами, что исключает также возможность обратного перекрытия. Если линия проходит по застроенной местности или рядом с другими линиями передачи, то установки молниеотводов не требуется, так как в этих случаях вероятность поражения линии мала. При длине подхода 500—600 м сопротивления заземления трубчатых разрядников должны быть порядка 5 Ом; если выполнить это требование невозможно, нужно установить еще один комплект трубчатых разрядников (на другой опоре). При меньших сопротивлениях заземления подход может быть короче.

Рис. 10.30 – Схемы защиты вращающихся машин, работающих на воз­душную сеть. а — схема защиты с воздушным подходом; б — схема с использованием защитных свойств кабельной вставки; в — схема с воздушным подходом и реактором.

Очень часто между линией и шинами генераторного напряжения имеется кабельная вставка длиной около 100 м, которая может быть использована для улучшения грозозащиты машин. Для этой цели используется схема на рис. 10.30, б. При срабатывании разрядника, установленного в месте перехода воздушной линии в кабель, жила кабеля соединяется с оболочкой и они приобретают одинаковое напряжение относительно земли. Вследствие поверхностного эффекта ток вытесняется с жилы на оболочку кабеля. Если кабель проложен непосредственно в земле, часть тока стекает с оболочки в землю на пути к станции, а остальная часть замыкается через заземляющий контур станции. Напряжение между жилой кабеля, присоединенной к обмотке машины, и оболочкой, присоединенной к заземляющему контуру станции и корпусу машины, равно паде­нию напряжения в активном сопротивлении оболочки кабеля, которое оказывается значительно ниже импульсной прочности машины. Схема с кабельной вставкой обладает большим уровнем грозоупорности при условии надежного срабатывания трубчатого разрядника РТ₂. Это условие не всегда выполняется, так как коэффициент преломления при переходе воздушной линии в кабель примерно равен 0,1. Поэтому пробой разрядника возможен при непосредственном поражении молнией или при набегании с линии волн с максимальными значениями 400—500 кВ. Для обеспечения пробоя трубчатого разрядника его целесообразно удалить от места перехода воздушной линии в кабель на один-два пролета (разрядник РТ₁ на рис. 8.30, б). Применение двух разрядников РТ₁ и РТ₂ повышает надежность схемы.

Улучшению грозозащиты способствует также реактор, включенный для ограничения токов к. з. (рис. 8.30, в). Индуктивность реактора снижает крутизну напряжения на обмотке машины и повышает напряжение со стороны линии, способствуя ускоренному срабатыванию разрядника РТ₂ или РВ₂ и ограничению максимального значения волны, приходящей с линии (РВ₂ устанавливается в тех случаях, когда нельзя подобрать трубчатый разрядник, способный отключать большие токи к. з. у шин станции).

При одновременном использовании кабельной вставки и реактора получаются наиболее надежные схемы грозозащиты.

Возможны и некоторые другие разновидности схем грозозащиты вращающихся машин с использованием принципов, заложенных в основные схемы.