Внутренние перенапряжения и защита от них

14. Внутренние перенапряжения и защита от них

 

14.1. Классификация внутренних перенапряжений

 

Внутренние перенапряжения вызваны  переходными электромагнитными  процессами в электрических системах. Эти процессы связаны с коммутацией  при нормальном и аварийном режимах: включение и отключение ненагруженных линий, отключение ненагруженных трансформаторов и реакторов, отключение конденсаторных батарей, отключение линий при к.з., работа АПВ и резкие изменения нагрузки.

Перенапряжения в электрических  системах связаны с резонансными явлениями из-за периодических изменений параметров цепи (например, индуктивности, емкости). Резонансные перенапряжения имеют большую длительность и являются опасными для изоляции электроустановок.

В сетях с изолированной  нейтралью при однофазных дуговых замыканиях на землю появляются перенапряжения, опасные для изоляции всей сети.

Внутренние перенапряжения имеют колебательный характер.

Все элементы электрической  системы можно разбить на три  группы:

1. Источники ЭДС- генераторы, синхронные компенсаторы.
2. Элементы, способные накапливать энергию (L, C).
3. Элементы, способные потреблять энергию (активные нагрузки, сосредоточенные и распределенные сопротивления).

Колебательные свойства электрических систем, вызывающие перенапряжения, проявляются при нарушении энергетического баланса между генерируемой и потребляемой энергией. Причиной нарушения баланса может быть отключение элементов, способных поглощать энергию.

На рис. 1 приведены упрощенная однофазная схема электропередачи, показывающая один из случаев возникновения перенапряжений (а) и ее схема замещения (б).

Рис. 1. Однофазная схема электрической сети (а) и схема ее замещения (б)  
при перенапряжениях:

L_и – индуктивность источника; L_c – индуктивность приемной системы;  
L_л и С_л –индуктивность и емкость линий;  
Z_н = R_н+ j wL_н  – комплексное сопротивление нагрузки

 

При замкнутом выключателе В₂ емкостное сопротивление линии зашунтировано сопротивлением нагрузки Z_н, при разомкнутом выключателе В₂ (режим одностороннего питания) схема замещения превращается в колебательный контур с элементами L–C. Такой режим может осуществиться при включении ненагруженной линии выключателем В₁ (пуск передачи). При аварийных и послеаварийных коммутациях режим одностороннего питания возникает при неодновременном срабатывании выключателей на разных концах линии.

Процесс коммутации в электрической  системе (включение разомкнутой  линии толчком) можно разбить на несколько этапов (рис. 2).

Рис. 2. Стадии коммутационного процесса при включении линии толчком:

I – переходный процесс; II – установившийся режим до начала работы  
регулятора возбуждения генератора (вынужденная составляющая переходного процесса); III – работа регулятора возбуждения;1V-новый установившийся режим.  

В области I и II ЭДС не изменяется в силу инерционности работы регуляторов возбуждения генератора. Область I характеризуется переходным процессом (длительность t = 1…2 полупериода промышленной частоты). После затухания свободных колебаний наступает II стадия (область II), которая называется установившимся режимом. Этот режим определяется параметрами схемы и неизменной ЭДС источника. Напряжение установившегося режима в конце линии определяется:

 ,                                                         (1)

где  L = L_и+L_л/2 – индуктивность элементов схемы;

       С_л – емкость линии;

        E – ЭДС источника.

Если U_у выше длительно допустимого напряжения системы, то благодаря действию регуляторов U_у постепенно уменьшается (область III), пока не установится новый стационарный режим (область 1V).

Для надежной работы электропередачи  необходимо, чтобы перенапряжения первых двух стадий не превысили электрической прочности изоляции.

Будем различать перенапряжения переходного режима (коммутации) и перенапряжения установившегося режима (длительные).

При любой коммутации максимальные напряжения переходного  процесса представляются в следующем виде :

U_макс = к_уд×U_уст = к_уд×к_уст×U_ф = к_п×U_ф ,                            (2)

где к_уд – отношение максимального значения составляющей напряжения переходного процесса к вынужденной составляющей (ударный коэффициент);

      к_уст– отношение вынужденной составляющей к рабочему напряжению.

       к_п – кратность внутренних перенапряжений.

На величину к_уд оказывает влияние следующие факторы:

1) частоты и декременты затухания свободных колебаний, которые определяются параметрами схемы;

2) характеристики выключателей, которые осуществляют коммутации.

Допустимые кратности  внутренних перенапряжений по отношению  к U_{макс.раб}. не должны превышать определенных величин , приведенных в табл. 1.

 

Таблица 1 - Допустимые кратности коммутационных перенапряжений.

Параметры	Режимы нейтрали
	изолированные			заземленные
Uном,кв, кВ	3…10	15…20	35	110…220	330	500	750
Uмакс.раб./Uном	1,15	1,15	1,15	1,15	1,1	1,05	1,05
кп	4,5	4	3,5	3	2,7	2,5	2,1

 

Кратности коммутационных перенапряжений в установках до 220 кВ не превышает значений, приведенных в табл. 1. В установках 330 кВ выше возможны коммутационные перенапряжения 3U_ф. Для ограничения внутренних перенапряжений используются комбинированные разрядники типа РВМК и ограничители перенапряжения ОПН.

 

14.2. Перенапряжения при отключении ненагруженных линий

 

На рис. 3 представлена схема ненагруженной линии. Выключатель  В₃ отключает ненагруженную линию Л₁. В цепи протекает синусоидальный ток.

Рис. 3. Схема ненагруженной линии (а) и график переходного процесса при повторном зажигании дуги в выключателе (б)

При обрыве этого тока (при его прохождении через  нуль) напряжение на линии Л₁ имеет амплитудное значение U = U_y.max. После обрыва тока на линии сохраняется напряжение U₀ = U_y.max, создаваемое зарядом на емкостях линии. На контактах выключателя появляется напряжение U_в(t), вызванное разностью ЭДС источника e = E_maxcos(wt) и напряжение U_0, созданное зарядом на линии. U_в(t) = E_maxcos(wt) – U_0. Через полпериода промышленной частоты напряжение на контактах выключателя достигнет значения E_max + U₀.

Максимальное напряжение в переходном процессе зависит от повторного пробоя межконтактного промежутка выключателя. Возможность повторного пробоя определяется соотношением между кривыми возрастания электрической прочности промежутков выключателя (2) и восстанавливающегося напряжения (1) (рис. 4.). Если кривая восстанавливающегося напряжения (кривая 1) пересечет кривую роста электрической прочности промежутков выключателя U_пр(t) в точке В, то произойдет повторное зажигание дуги. Если же восстанавливающееся напряжение U_в(t) (кривая 2) растет медленно, то отключение ненагруженной линии произойдет без повторного пробоя.

Рис.4. Кривые восстанавливающейся  прочности (U_пр) (1)  
и напряжения на выключателе (U_в) (2)

 

Из опыта эксплуатации известно, что величина перенапряжения составляет 3U_ф. При снижении уровня изоляции до 2,5U_ф при отключении ненагруженной линии указанные перенапряжения становятся опасным для изоляции.

14.3. Перенапряжения при отключении ненагруженных трансформаторов

 

Для изучения перенапряжений при отключении ненагруженного трансформатора рассмотрим схему его замещения (рис. 5). На данной схеме L₁ и C₁ представляют собой индуктивность и емкость источника, L₂ – индуктивность отключаемого ненагруженного трансформатора, а C₂ – его входную емкость.

Рис. 5. Схема замещения трансформатора

 

При больших токах (например, при отключении короткого замыкания) окончательный разрыв всегда имеет  место в момент прохождения тока через нуль, причем снижение тока до нуля происходит плавно.

При малых  токах (например, при отключении ненагруженных  трансформаторов) степень ионизации дуги оказывается незначительной и под действием рабочего дутья выключателя может произойти очень быстрый распад дугового столба еще до того, как ток проходит через свое нулевое значение (в настоящее время существуют вакуумные, элегазовые выключатели, время отключения которых мало, для таких выключателей возможно отключение в любой точке синусоиды). При этом сопротивление дуги скачком возрастает, а ток в дуге резко снижается до нуля. Происходит так называемый «срез» тока. Мгновенное значение тока, которое может быть «срезано», зависит от степени ионизации дуги в этот момент времени и от дугогасящих способностей выключателя.

Допустим, что в схеме  на рис. 5 в момент времени t₀ произошел срез тока, мгновенное значение которого было I_срез (рис. 6). После обрыва тока магнитная энергия L₂I²_cрез/2 будет переходить в электрическую энергию конденсатора  
C₂ –> C₂U²_2max/2. Этому процессу соответствует уравнение:

                                          (3)

где I_cр – ток среза.

Из приведенного уравнения  определяется максимальное, или так называемое ожидаемое, значение перенапряжения:

,                                         (4)

где U₀ – напряжение на емкости C₂ в момент t₀ .

Рис.6. Временная диаграмма перенапряжений при отключении  
ненагруженного трансформатора

 

Расчеты показывают, что U_2max во много раз превышает номинальное напряжение трансформатора, так как L₂ – индуктивность холостого хода трансформатора исчисляется десятками генри, а ток среза может оказаться равным 10…20 А.

При возникающих перенапряжениях  прочность межконтактного промежутка оказывается недостаточной и происходит повторное зажигание дуги в выключателе. Сам выключатель выступает «ограничителем» перенапряжений. В результате нового среза тока может появиться следующий пик напряжений и процесс на осциллограмме выглядит в виде чередующихся срезов тока и последующих пробоев контактного промежутка.

Повторные зажигания  дуги в выключателе могут прекращаться довольно быстро, но могут продолжаться и несколько полупериодов. Длительность существования повторных зажиганий зависит от ожидаемого перенапряжения, интенсивности затухания собственных колебаний и скорости роста восстанавливающейся прочности выключателя.

Поскольку перенапряжения при отключении индуктивностей лишь в очень редких случаях достигают  предельных значений и имеют форму кратковременных импульсов, то установленные на присоединениях трансформаторов грозозащитные разрядники и ОПН легко справляются с их ограничением. Возможно существенное ограничение перенапряжений применением выключателей с шунтирующими сопротивлениями, через которые часть энергии, запасенной в индуктивности, возвращается в сеть. Эти сопротивления подобны тем, которые рекомендовались выше для ограничения перенапряжений ненагруженных линий, однако значения сопротивлений должны быть того же порядка, что и индуктивное сопротивление отключаемой цепи.

 

14.4. Перенапряжения при отключении конденсаторных батарей

 

В настоящее время  батареи конденсаторов широко применяются  в электрических системах.

При отключении конденсаторной батареи (рис. 7), так  же как и при отключении ненагруженной линии, емкостный ток обрывается в момент максимума напряжения на конденсаторе и напряжение между контактами выключателя изменяется в соответствии с кривой U₂ на рис. 3, б. Благодаря этому имеется вероятность повторного зажигания, которое сопровождается колебаниями с амплитудой 2U_ф. В процессе этих колебаний напряжение на батарее достигает 3U_ф.

Рис. 7. Упрощенная схема отключения батарей конденсаторов

 

Современные конденсаторные батареи комплектуются обычно последовательно-параллельным соединением отдельных секций, каждая из которых защищается предохранителем. Поэтому в батареях практически не бывает полных коротких замыканий, что позволяет применять выключатели облегченного типа с очень большой скоростью восстановления напряжения, исключающей возможность повторных зажиганий.