Текст книги "История электротехники"

Автор книги: авторов Коллектив

сообщить о нарушении

Текущая страница: 23 (всего у книги 78 страниц) [доступный отрывок для чтения: 28 страниц]

5.4.4. ИСТОЧНИКИ НАПРЯЖЕНИЙ И ТОКОВ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ

Изоляция электрооборудования при эксплуатации подвергается воздействиям не только рабочего напряжения, но и перенапряжений промышленной частоты, а также импульсных перенапряжений, возникающих при ударах молнии в линии электропередачи или вблизи них, при плановых или аварийных коммутациях в системе. Для испытаний изоляции на стойкость к воздействиям перенапряжений, а также для определения характеристик изоляции, таких как ее фактическая прочность, диэлектрические показатели, уровень частичных разрядов и др., применяются специальные испытательные установки высокого напряжения. Это прежде всего установки переменного напряжения промышленной частоты и генераторы импульсных напряжений, имитирующие тот или иной вид перенапряжений. Аналогичные установки используются и для других целей, например, для исследований электрического разряда, в электрофизической аппаратуре, при имитации ударов молнии и т.д. Рассмотрим типичные испытательные установки.

Испытательные установки переменного напряжений промышленной частоты. В зависимости от класса напряжения и характеристик испытуемого объекта для получения испытательных напряжений используются отдельные трансформаторы, каскадные устройства на базе трансформаторов или резонансные схемы.

В отличие от силовых испытательные трансформаторы выполняются однофазными и работают в кратковременном режиме. Поэтому они не имеют развитой системы охлаждения. Их номинальное напряжение в зависимости от назначения обычно лежит в пределах от нескольких десятков до сотен киловольт. Рядом зарубежных фирм изготовлены уникальные трансформаторы напряжением 750–1200 кВ. Номинальные токи испытательных трансформаторов обычно составляют 0,1–10 А. Важной особенностью выполнения испытательных трансформаторов является стремление предельно снизить уровень собственных частичных разрядов и индуктивность рассеяния. Первое позволяет более точно измерять частичные разряды в испытуемом объекте, второе – соединять трансформаторы в каскадные схемы.

Из экономических соображений для получения предельно высоких испытательных напряжений целесообразно использовать каскадное последовательное включение испытательных трансформаторов, имеющих на стороне высокого напряжения специальную обмотку для питания следующей ступени. Обычно каскадные схемы состоят из четырех трансформаторов, причем первая ступень состоит из двух параллельно включенных трансформаторов. Трехступенчатыми каскадами напряжением 2250 кВ и мощностью 5 MB∙А оснащены крупнейшие исследовательские лаборатории России (НИИПТ, СПГТУ, СибНИИЭ и др.), производства фирмы TuR (г. Дрезден, Германия). Уникальный трехступенчатый каскад напряжением 3 MB производства этой же фирмы установлен на открытой площадке ВЭИ (г. Истра).

При испытаниях объектов с большой емкостью, таких как кабели, шинопроводы, элегазовые устройства, используются резонансные схемы. В них испытуемый объект соединяется последовательно с катушкой индуктивности. Питание осуществляется от трансформатора номинальным напряжением порядка 10 кВ. За счет резонанса напряжений на объекте создается испытательное напряжение, во много раз превышающее напряжение питающего трансформатора. Использование резонансных схем позволяет существенно снизить стоимость испытательной установки.

Испытательные установки постоянного высокого напряжения. Изоляция электрооборудования электропередач постоянного тока, а также некоторого оборудования промышленной частоты, например кабелей городских сетей, испытывается постоянным напряжением. Для получения постоянного напряжения до 100 кВ используются испытательные или иные маломощные трансформаторы в комбинации с выпрямительным элементом. При более высоких напряжениях применяют каскадные выпрямители, состоящие из источника переменного высокого напряжения и ступеней умножения напряжения, содержащих конденсаторы и выпрямители. С помощью каскадных выпрямителей получают испытательные постоянные напряжения до 2 MB при токах до 1 А. Еще большие постоянные напряжения дают каскадные выпрямители, предназначенные для питания ускорителей элементарных частиц.

Другой вид источников постоянных высоких напряжений – электростатические генераторы, принцип действия которых основан на механическом переносе заряда с помощью движущейся ленты или вращающихся диска либо барабана, для испытания изоляции используется чрезвычайно редко. Однако в технике высоких напряжений электростатические генераторы находят применение в качестве эталонов высокого напряжения, отличающихся высокой стабильностью и отсутствием пульсаций.

Генераторы импульсных напряжений и токов. Импульсные воздействия на изоляцию подразделяются на грозовые и коммутационные. Грозовые перенапряжения проявляются в виде импульсов, поступающих по линиям. В формировании импульсов принимают участие как амплитуда и крутизна тока главного разряда молнии, так и перекрытия изоляции на линии, корона на линии. В результате статистического обобщения данных о грозовых импульсах, приходящих на подстанции, импульс грозовых перенапряжений нормирован. Считается, что длительность фронта составляет 1,2 мкс, а длительность самого импульса (до половины амплитудного значения) равна 50 мкс. При перекрытиях изоляции или срабатывании защитных устройств вблизи рассматриваемого объекта возникает так называемый срезанный импульс, имеющий такой же фронт, как и полный, однако гораздо меньшую длительность (2–5 мкс). Для получения испытательных грозовых импульсов используются специальные генераторы, принцип действия которых основан на умножении напряжения при переключении заряженных конденсаторов с параллельного соединения на последовательное. Впервые этот принцип умножения напряжения описан в 1914 г. В.К. Аркадьевым и Н.Н. Баклиным, а в 1923 г. на аналогичную схему получил патент Э. Маркс (Германия).

Генераторы импульсных напряжений, используемые для исследований электрического разряда, для испытаний макетов и готовой изоляции, созданные в разных странах и в разное время, различаются по параметрам и конструкции. Существуют различные варианты генераторов как для внутренней, так и для наружной установки. Генераторы для наружной установки выполняются в виде изоляционных башен, лестничных конструкций, подвесных устройств и т.п. Еще более разнообразны разновидности генераторов для внутренней установки: этажерочные, колонковые, многомаршевые лестничные, подвесные, башенные, передвигаемые по рельсам или на воздушной подушке, выполненные в изоляционном баке, с заполнением элегазом и т.п.

Уникальные генераторы были созданы в нашей стране. Так, на открытой площадке Харьковского электротехнического института в 30-е годы был сооружен генератор суммарным зарядным напряжением 8,3 MB и накапливаемой энергией 500 МДж, разрушенный во время Великой Отечественной войны. В ВЭИ (г. Истра) на открытой площадке установлен генератор в виде изоляционной башни напряжением 9 MB и энергией 1,35 МДж, на котором возможно испытание изоляции классов напряжения до 2 MB.

Разнообразными генераторами внутренней установки фирмы TuR напряжением до 7,2 MB и энергией до 1 МДж оснащены практически все российские организации, занимающиеся разработками и испытаниями изоляционных конструкций высокого напряжения.

Генераторы импульсных напряжений снабжаются вспомогательными устройствами, являющимися составной частью разрядного контура, формирующего требуемый импульс: измерительным шаровым разрядником, устройством среза напряжения, делителем высокого напряжения, нагрузочным конденсатором, набором сменных резисторов и т.д. Установкой резисторов с разными сопротивлениями достигается изменение формы выходного импульса генератора.

Коммутационные импульсы перенапряжений имеют иную природу, чем грозовые, и соответственно иные параметры.

Формирование коммутационных импульсов происходит в результате переходных процессов в цепях, образованных емкостями, индуктивностями, сопротивлениями объекта и соседнего оборудования, участками линий электропередачи между местом коммутации и рассматриваемым объектом. Так как схема передачи и параметры ее элементов могут быть самыми разнообразными, то и параметры коммутационных импульсов могут сильно отличаться. Причем отличие может состоять не только в амплитуде, но и в форме импульса и его временных параметрах. Основным стандартизированным коммутационным импульсом является апериодический с временем нарастания 250 мкс и длительностью 2500 мкс. Кроме того, установлены и иные временные параметры и формы коммутационных импульсов: колебательные с переходом и без перехода через нуль. Соответственно различаются и устройства для получения испытательных коммутационных импульсов.

Апериодические коммутационные импульсы получают, как правило, от генераторов импульсных напряжений, предназначенных для формирования грозовых импульсов, путем замены резисторов, входящих в схему генераторов. Колебательные импульсы требуют включения в разрядную цепь генератора дополнительных катушек индуктивности. При этом катушки могут быть включены как в ступенях генератора, так и на его выходе. Один из способов получения коммутационных импульсов, разработанным в ЛПИ, заключается в разделении генератора импульсных напряжений на две части, одна из которых имеет фронтовые резисторы, а вторая – катушки индуктивности.

При зарядке частей генератора напряжениями разных полярностей можно на выходе генератора получить напряжение, равное сумме апериодического и колебательного затухающего импульсов, сформированных разными частями генератора.

Другой возможностью получения коммутационных импульсов колебательной формы является импульсное питание испытательного трансформатора или каскада трансформаторов. Для этого разработаны конденсаторные приставки к испытательным трансформаторам, состоящие из двух групп конденсаторов и коммутатора. При разряде этих групп конденсаторов, присоединенных к первичной обмотке трансформатора и заряженных напряжениями разных полярностей (одной через резистор, а второй через катушку индуктивности), на первичной обмотке трансформатора формируется импульс напряжения, содержащий апериодическую и колебательную составляющие.

Преимущество использования каскадной схемы испытательных трансформаторов заключается в том, что возможно реализовать наложение в нужный момент коммутационного импульса на синусоидальное напряжение промышленной частоты, включив конденсаторную приставку в последнюю ступень каскада.

Испытания изоляции напряжением промышленной частоты, грозовыми и коммутационными импульсами являются лишь частью испытаний электрооборудования. Так, некоторые виды оборудования требуют испытаний импульсными токами. Коммутационная аппаратура подлежит испытаниям на отключающую способность, электродинамическую устойчивость. Защитная аппаратура (разрядники, ограничители перенапряжений) должна испытываться на устойчивость при прохождении через нее импульсов тока, обусловленного грозовыми или коммутационными перенапряжениями. Техника получения испытательных токов базируется на использовании либо ударных генераторов, либо емкостных накопителей энергии. Так, для имитации токов коротких замыканий при испытании электрооборудования в 1924 г. на заводе «Электросила» был изготовлен первый машинный генератор импульсных токов. В 1937 г. А.А. Горев впервые предложил использовать колебательный контур для получения сильных токов промышленной частоты – «контур Горева». За разработку метода и создание установки проф. А.А. Горев и его сотрудники были удостоены в 1948 г. Государственной премии СССР.

Следует отметить еще одну проблему, связанную с испытаниями разнообразных объектов, в том числе и электрооборудования, на устойчивость при прямых ударах молнии. Для имитации удара молнии в объект на кафедре техники и электрофизики высоких напряжений МЭИ созданы уникальные установки, способные в реальных масштабах амплитуд и времени воспроизводить сложные по форме импульсы тока, включая многокомпонентные токи молнии.

5.5. ТЕХНИКА РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ И АВТОМАТИКИ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ

5.5.1. РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА

Электроэнергетические системы (ЭЭС), их объединения и Единая энергосистема страны постоянно подвержены случайным возмущающим воздействиям, поэтому без автоматического управления их функционирование практически невозможно. Скачкообразно и случайно изменяющаяся электрическая нагрузка в условиях необходимого свойственного производству электроэнергии равенства в каждый момент времени генерируемой и потребляемой мощностей (их баланса) при отсутствии непрерывно действующего автоматического управления непременно вызовет недопустимые отклонения показателей качества электроэнергии, прежде всего амплитуды напряжения и частоты промышленного тока.

Неизбежные в силу физической природы электричества короткие замыкания, возникающие то в одном, то в другом месте рассредоточенной по всей территории страны ЕЭС и столь же неизбежные ввиду сложности электрической схемы ЕЭС случайные отключения синхронных генераторов и магистральных линий электропередачи, дискретно нарушающие баланс генерируемой и потребляемой мощностей, без экстренного и интенсивного воздействия автоматики могут вызвать нарушение синхронной работы генераторов электрических станций и, как следствие, полное прекращение процесса производства и передачи электроэнергии, т.е. общесистемную аварию с ее катастрофическими последствиями.

Эти специфические особенности электроэнергетики обусловили развитие технических средств автоматического управления еще в начальный период ее становления.

Прежде всего возникла и непрерывно совершенствовалась техника автоматического обнаружения коротких замыканий (КЗ) и быстродействующего отключения поврежденных электроэнергетических объектов – техника релейной защиты как абсолютно необходимая разновидность противоаварийной автоматики, без которой невозможна работа даже простейшей электроэнергетической установки.

Первыми и простейшими устройствами автоматического отключения электрооборудования при КЗ были легкоплавкие вставки (предохранители), расплавлявшиеся (перегоравшие) под воздействием токов КЗ, не менее чем на порядок превышавших рабочие. Они и до сих пор остаются техническим средством защиты (прежде всего от пожара) широко разветвленных промышленных и бытовых электрических сетей низкого (ниже 1000 В) напряжения. Их техническое исполнение и защитные свойства непрерывно совершенствовались, и теперь предохранители применяются в системах электроснабжения и при высоком (выше 1000 В) напряжении.

К техническим устройствам собственно релейной защиты относятся появившиеся в самом начале развития электроэнергетики электромагнитные расцепители механизмов отключения выключателей низкого и высокого напряжений, лавинообразно действующие на отключение выключателя при достижении током в защищаемой электрической цепи определенного фиксированного значения. Это максимальные первичные, а затем вторичные (включаемые в электрическую цепь через измерительные трансформаторы тока) реле тока. На их основе вплоть до последнего десятилетия выполнялись автоматические устройства максимальной токовой (МТЗ) и направленной защиты с использованием измерительного реле направления мощности.

На линиях электропередачи напряжением 110–330 кВ с глухо заземленной нейтралью широко применяется направленная токовая защита нулевой последовательности от однофазных и двухфазных КЗ на землю. Ее достоинство – независимость настройки и действия от рабочих режимов ЭЭС.

Аналогичным свойством обладает и появившаяся в начале 30-х годов первая отечественная дистанционная защита от междуфазных КЗ, которая вытеснила защиты иностранных фирм «Сименс» и «Вестингауз». По отношению напряжения и тока – сопротивлению она определяет расстояние до места КЗ. Направленная дистанционная защита с измерительными реле сопротивления стала наиболее распространенным устройством релейной защиты современных ОЭС и ЕЭС.

В развитии теории электромагнитных переходных процессов в ЭЭС, возникающих при КЗ, на основе которой функционирует релейная защита, важную роль сыграли труды российских ученых Н.Н. Щедрина, Н.Ф. Марголина, С.А. Ульянова, А.Б. Чернина [5.28; 5.29]. Первым обобщающим трудом отечественных авторов по теории и технике релейной защиты была книга В.И. Иванова «Реле и релейная защита», вышедшая в 1932 г.

Опыт проектирования и эксплуатации релейной защиты в военные годы был обобщен в выпущенной в 1945 г. книге М.Ф. Кострова, И.И. Соловьева и A.M. Федосеева «Основы техники релейной защиты». «Руководящие указания по релейной защите» вышли под руководством Л.Е. Соловьева тремя выпусками в 1933–1939 гг., а в последующем Руководящие указания по отдельным видам защит выходили в 1942–1975 гг. под руководством A.M. Федосеева.

Однако даже быстродействующие дистанционные защиты оказались недостаточно эффективными для сохранения при КЗ динамической устойчивости при параллельно работающих мощных электрических станциях, связанных длинными и сильно нагруженными линиями. Оснащенность линий высокочастотной связью, обеспечивающей обмен информацией между устройствами релейной защиты, установленными на противоположных концах, позволила создать сверхбыстродействующие высокочастотные защиты электропередач сверхвысокого напряжения 500–750 кВ. ВНИИЭ и институтом «Энергосетьпроект» были разработаны фильтровая направленная обратной последовательности (ФНЗОП) и дифференциально-фазная (ДФЗ) высокочастотные защиты таких линий электропередачи. Благодаря использованию фильтров симметричных составляющих, а именно обратной последовательности напряжений и токов, в первой из названных защит и комбинированных фильтров токов прямой, обратной и нулевой последовательностей во второй из них было достигнуто существенное повышение эффективности действия защит для сохранения динамической устойчивости электропередач при КЗ.

В процессе создания ФНЗОП и ДФЗ были радикально усовершенствованы электромеханические измерительные реле тока, напряжения, направления мощности, направленные реле сопротивления. Первые отечественные электромеханические измерительные реле выпускались Харьковским электромеханическим заводом. Во время Великой Отечественной войны он был эвакуирован в Чебоксары, где на его базе был создан Чебоксарский электроаппаратный завод (ЧЭАЗ), ставший основным релестроительным заводом страны.

Чебоксарский завод освоил и выпустил новые полупроводниковые, а затем микросхемные измерительные реле для дистанционных и высокочастотных защит. На основе сочетания взаимодополняющих свойств ФНЗОП и ДФЗ разработана и выпускается самая совершенная и быстродействующая высокочастотная фильтровая направленная и дифференциально-фазная защита для современных и вновь сооружаемых линий электропередачи напряжением 750–1150 кВ. На таких электропередачах широко используется отключение только одной фазы, поврежденной при однофазном КЗ на землю. Эта защита – единственная быстродействующая и правильно функционирующая в неполнофазном режиме работы линий электропередач.

Основы новой отечественной техники релейной защиты составили фундаментальные труды Г.И. Атабекова, Л.Е. Соловьева, В.Л. Фабриканта, A.M. Федосеева. В ее разработке принимали активное участие научные сотрудники института «Энергосетьпроект» (В.М. Ермоленко, С.Я. Петров), ВНИИЭ (Е.Д. Сапир, Я.С. Гельфанд, А.И. Левиуш, П.К. Фейст) и ведущие специалисты эксплуатационных организаций (М.А. Беркович, Н.В. Чернобровое, М.Ф. Мельников).

Непростой проблемой оказалось и создание быстродействующих, безотказно и правильно работающих автоматических устройств релейной защиты синхронных генераторов и трансформаторов, а также шин электрических станций и подстанций.

Работы И. А. Сыромятникова по режимам работы синхронных генераторов и электродвигателей способствовали повышению надежности собственных нужд электростанций.

Первые электромеханические дифференциальные защиты часто излишне срабатывали на отключение, особенно трансформаторов, под воздействием бросков токов намагничивания в момент включения или скачкообразного восстановления (после отключения КЗ) напряжения на трансформаторе.

Радикальным техническим средством, обеспечившим приемлемые показатели дифференциальной защиты, оказались насыщающиеся вторичные измерительные трансформаторы тока, включаемые в дифференциальную цепь защиты (встроенные в измерительные реле тока). Внедрение их в эксплуатацию происходило под руководством И.И. Соловьева и М.И. Царева (ВНИИЭ).

Следующим этапом повышения чувствительности устройств продольной токовой дифференциальной защиты было внедрение специально разработанных (под руководством А.Д. Дроздова) дифференциальных измерительных реле тока с магнитным торможением, автоматически снижавшим чувствительность этих устройств при внешних (за пределами защищаемого электроэнергетического объекта) КЗ.

Продольная токовая дифференциальная защита с насыщающимися вторичными трансформаторами тока и магнитным торможением (типов ДЗ-11, ДЗ-13) широко применяется как основная быстродействующая и высокочувствительная защита синхронных генераторов и трансформаторов.

В последнее время ЧЭАЗ выпускает наиболее технически совершенную микросхемную дифференциальную защиту типов ДЗ-21, ДЗ-23, специально разработанную для трансформаторов. Современное техническое исполнение и новые принципы обеспечения недействия при бросках тока намагничивания и повышения чувствительности характеризуют ее высокое техническое совершенство. ЧЭАЗ выпускает также продольную токовую дифференциальную защиту шин электрических станций и подстанций, обладающую необходимой чувствительностью благодаря оригинальному способу ее автоматического загрубления (торможения) при внешних КЗ.

Отечественными научно-исследовательскими организациями были разработаны и другие оригинальные устройства релейной защиты синхронных генераторов и трансформаторов. К ним относятся токовая защита обратной последовательности от несимметричных КЗ и перегрузок синхронного генератора с зависимой от степени несимметричной перегрузки и согласованной с его нагревом и остыванием характеристикой выдержки времени, а также защита напряжения нулевой последовательности от замыканий на землю в обмотках статора синхронного генератора. Последняя состоит из двух устройств, совокупное действие которых обеспечивает защиту всей обмотки, что длительное время было проблемной задачей.

К автоматическим устройствам, специально созданным для обеспечения высокой эффективности релейной защиты, относится и устройство резервирования отказа выключателей (УРОВ), не отключившихся после воздействия на них релейной защиты. Оно обязательно для установки на синхронных генераторах, трансформаторах, шинах и линиях электропередачи.

В последнее время ведется интенсивная научно-исследовательская работа по созданию микропроцессорных многофункциональных автоматических устройств релейной защиты.