СУДОСТРОЕНИЕ 3'2015
ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ АВАРИЙ В ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЭЭС НАПРЯЖЕНИЕМ 6 И 10 кВ ДЛЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ РОССИЙСКИХ СУДОВ И ДРУГИХ МОРСКИХ ОБЪЕКТОВ
М. П. Тихомиров, А. А. Неелов, С. С. Стародед, канд. техн. наук (ОАО «Новая ЭРА»), С. В. Ботов, канд. техн. наук, Д. В. Германенко (ООО «Димрус»), Г. Г. Басин
(ФГБОУ «НМСУ «Горный») УДК 629.5.03-8.017
В последние десятилетия в судостроении расширяется область применения электроэнергетических систем (ЭЭС) напряжением 6 и 10 кВ для передачи электрической мощности более 5 МВт на агрегат электропривода гребного винта и около 1—2 МВт на единицы технологического оборудования. Создание отечественного флота с высоковольтными системами напряжением 6 и 10 кВ, безусловно, должно быть обеспечено соответствующими средствами безопасной эксплуатации высоковольтных ЭЭС.
Эксплуатация ЭЭС морских объектов сопровождается непрерывными внешними механическими воздействиями — вибрацией корпуса и ударами волн, передающимися на оборудование; процессами коммутаций выключателей силовых цепей, пусками и изменениями режимов работы агрегатов, импульсным перенапряжениям в силовых цепях и локальным перегревом, что приводит к механическим и электрическим разрушениям слоев изоляции. Такие условия ускоряют старение изоляции в разных частях ЭЭС.
Важно отметить, что практически все аварии в электрической части агрегатов и кабелей начинаются с пробоя изоляции и переноса потенциала фазы на корпусную конструкцию судна. При этом на морском объекте контроль состояния изоляции высоковольтного оборудования не должен затруднять непрерывное выполнение агрегатами основных задач при постоянном воздействии на изоляцию переменного рабочего напряжения частотой 50 Гц.
Мониторинг состояния изоляции под рабочим напряжением. В силовой трехфазной высоковольтной ЭЭС переменного тока при рабочем напряжении 6 и 10 кВ между фазами и на корпус протекает ток, обусловленный несовершенством изоляции и ёмкостными характеристиками электрооборудования и кабелей (ток утечки, или ток нулевой последовательности от трех фаз, обозначаемый 3!о). В морском высоковольтном электрооборудовании в основном применяются разные виды термореактивной изо-
ляции и пропиточные электроизоляционные компаунды, а для морских кабелей — изоляция из этиленпропиленовой резины. С точки зрения рабочего состояния изоляция является твердой. В толще материала высоковольтной изоляции при рабочем напряжении, при его повышении от 3 кВ до максимального значения, под действием электрического поля возникают частичные разряды (ЧР), которые при определенных условиях могут начать разрушение изоляции изнутри. Импульсы ЧР сопровождаются радиочастотным излучением, которое можно измерить. Процессы старения изоляции и разрушения, произошедшие под действием механических факторов, при действующем рабочем напряжении тоже сопровождаются радиочастотным излучением, но с другими параметрами, отличающимися от ЧР внутри изоляции.
Интенсивность ЧР в твердой изоляции значительно изменяется под воздействием внутренних для изоляции общих и локальных факторов: напряженности электрического поля, температуры материала изоляции, насыщения материала изоляции водой, деполимеризации структуры материала изоляции.
Интенсивность похожих на ЧР радиочастотных импульсов в твердой изоляции зависит от воздействия факторов, разрушающих изоляцию и меняющих ее свойства: растрескивание под действием вибрации, механическое истирание и сколы, плесень на поверхностных слоях.
Особенно способствует разрушению изоляции проникновение воды между молекулами основного материала (образование водных дендритов и на их основе — электрических триингов, тоже дендритного вида). Один из механизмов втягивания молекул воды — локальные изменения температур при эксплуатации.
Таким образом, основным средством предупреждения пробоя и снижения вероятности отказов высоковольтного электрооборудования и кабелей при походе в море является контроль состояния изоляции по току утечки 3!о и ЧР. Целесообразность монито-
судостроение 3 2015 СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
ринга изоляции высоковольтной электроустановки без отключения рабочего напряжения уже давно ни у кого не вызывает сомнений и используется в мировой практике для генерирующих, сетевых и промышленных объектов энергосистем и электросетей напряжением 6 кВ и выше.
Средства для контроля состояния изоляции под рабочим напряжением. Непрерывный контроль электрических параметров высоковольтных цепей ЭЭС осуществляется на главном распределительном устройстве (ГРУ) средствами релейной защиты и автоматики (РЗиА). Микропроцессорные устройства РЗиА обеспечивают электрическую защиту по отклонению от заданной уставки, в том числе по току утечки 3Ь: при превышении аварийной уставки по току утечки 3!о устройства РЗиА отключают силовой выключатель, т.е. выводят часть ЭЭС из эксплуатации. При стабильном состоянии изоляции в работающей части ЭЭС ток утечки 3!о практически не изменяется. Изменение структуры ЭЭС с подключением или отключе-
нием фидеров осуществляется по командам, проходящим через устройства РЗиА, где регистрируется и передается выключателям. При переключениях могут возникать коммутационные перенапряжения до трехкратного, снятие которых решается схемным способом — установкой ограничителей перенапряжения (ОПН) в ГРУ. Применение ОПН предотвращает пробой от повышенного напряжения за счет кратковременного пропускания тока, и при исправных ОПН импульсное увеличение тока утечки 3!о несущественно. Общее снижение полного сопротивления изоляции по фидеру или устойчивый пробой регистрируется устройствами РЗиА по превышению уставки тока утечки 3!о, измеренного с помощью измерительных трансформаторов, штатно установленных в ГРУ
На морском объекте превышение уставки по току утечки 3!о в сети напряжением 6 и 10 кВ указывает на начало аварийной ситуации. Контроль изоляции по току утечки 3!о может выполняться несколькими способами, но во всех способах по
уже состоявшемуся пробою. Кроме того, измерение тока утечки 3!о зависит от емкостного тока сети относительно корпуса и пускового тока индуктивности подключенного электрооборудования. Достаточно частые для судна переходные процессы при переключениях потребителей с заметной индуктивностью приводят к перекосу фазных токов и напряжений в течение десятка секунд до затухания переходного процесса в ЭЭС. Для исключения неоправданных отключений при временных перекосах фазных векторов токов и напряжений в РЗиА выполняются отстройки от срабатывания по аварийной уставке тока утечки 3!о, т. е. защита по току утечки 3!о за-грубляется или отключается в переходных режимах ЭЭС.
Метод контроля состояния высоковольтной изоляции по ЧР позволяет анализировать ситуацию при работе оборудования, т. е. при поданном рабочем напряжении, и наблюдать изменения во время процесса развития разрушающих явлений в изоляции. Собственно появле-
СУДОВЫЕ ЭНЕРГГШСШ УСТАНОВКИ судостроение 32015
ние радиочастотных импульсов ЧР определяется уровнем приложенного к твердой изоляции напряжения (при напряжении ниже 3 кВ в микровключениях не возникает микропробоев) и не зависит от оперативных изменений структуры ЭЭС.
ЧР возникают при поданном напряжении и могут регистрироваться по измеренным микроимпульсам в радиочастотном диапазоне. Множество импульсов ЧР сравнивается с фазными угловыми координатами синусоиды напряжений, что позволяет классифицировать группы импульсов по характеру причин их возникновения и по степени опасности для электрооборудования. Для измерения радиочастотных микроимпульсов требуются специализированные датчики, способ измерения и установки которых учитывают особенности возникновения и распространения радиочастотных сигналов в контролируемом элементе ЭЭС. Классификация и измерение амплитуды ЧР выполняется микропроцессорными устройствами, и в них же рассчитывается суммарная мощность классифицированных групп сигналов. Канал измерения, включающий в себя датчик, радиочастотный кабель и входной тракт устройства, работает как аппаратный фильтр, а программы классификации содержат программно реализованные настраиваемые фильтры сигналов ЧР для исключения сигналов радиочастотного шума.
При построении системы мониторинга и диагностики высоковольтной ЭЭС морских объектов входящие в нее высоковольтные элементы оборудования рассматриваются отдельно, и по каждому определяется степень опасности изменения контролируемого параметра. Это позволяет учесть конструктивные особенности каждого вида электрооборудования и его специфическое использование в высоковольтных токопроводящих цепях, характер изменения состояния изоляции. Для мониторинга состояния изоляции выделяют элементы генерирующего, распределительного и технологического электрооборудования, подвергающиеся при работе воздействию поля напряжением 6 и более кВ, частотой 50 Гц.
К таким элементам относятся: обмотки статоров высоковольтных генераторов; кабели генераторного фидера до ГРУ; шины ГРУ с выключателями, измерительными трансфор-
Таблица 1
Варианты исполнения датчиков для измерения ЧР
Тип и принцип действия датчика
Датчик емкостного типа (HF диапазона)
Датчик трансформаторного типа с током утечки на землю 500 или 1000 А (Ь^ диапазона)
Кольцевая антенна, встраиваемая в электрическую машину (UHF ди-
апазона)
Штыревая антенна, встраиваемая в электрическое оборудование, в том числе в электрическую машину (UHF диапазона)
Катушка Роговского (датчик универсального типа HF UHF диапазо-
Внешний вид датчика
Способ установки и рекомендации по подключению
Между токоведущей шиной и корпусом.
Подключение коаксиальным кабелем типа 58 с волновым сопротивлением 50 Ом
В цепи заземления экрана кабеля.
Подключение коаксиальным кабелем типа 58 с волновым сопротивлением 50 Ом
Под кожухом статора у лобовых частей ста-торной обмотки.
Подключение коаксиальным кабелем типа
213 с волновым сопротивлением 50 Ом
Под оболочкой или кожухом электрооборудования. Подключение коаксиальным кабелем типа 213 с волновым сопротивлением 50 Ом
Под оболочкой или кожухом электрооборудования. Подключение коаксиальным кабелем типа
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.