Дуговые перенапряжения Рассмотрим сеть с изолированной нейтралью (рис. 1.19). В таких сетях наблюдаются многократные зажигания и погасания дуги. Это приводит к большой кратности перенапряжений на здоровых фазах. Эти перенапряжения называются дуговыми, они определяют уровень изоляции электрооборудования. Рис. 1.19. Исследуемая схема Условия восстановления электрической прочности, погасания и зажигания оказывают большое влияние на возможные кратности перенапряжений. Существует три гипотезы поведения дуги и разные расчетные кратности перенапряжений. 1. Гипотеза Петерса и Слепяна хорошо описывает свободно горящие дуги на открытом воздухе, например, возникающие при перекрытии гирлянды. Электрическая прочность изоляции после погасания дуги восстанавливается сравнительно медленно. Дуга пытается гаснуть при переходе через нуль тока промышленной частоты, когда высокочастотные составляющие существенно затухнут (рис. 1.20 а). Рис. 1.20. Погасание дуги по гипотезам Петерса и Слепяна (а) и Петерсена(б) 2. Если дуга горит под маслом или в узкой щели (например, в трещине кабельной муфты), то электрическая прочность изоляции восстанавливается весьма быстро, и дуга гаснет по гипотезе Петерсена при переходе через нуль полного тока с учетом высокочастотной составляющей (рис. 1.20б). 3. Сравнительно часто имеет место промежуточное положение, когда, по гипотезе Белякова, дуга пытается погаснуть при каждом переходе через нуль полного тока с учетом высокочастотных колебаний. Однако пока восстанавливающееся напряжение превышает электрическую прочность изоляции, проходят «клевки» повторных зажиганий до тех пор, пока не станет меньше и дуга погаснет. В учебнике Д.В. Разевига [12] приведены расчетные кратности перенапряжений по различным гипотезам в зависимости от параметров сети с учетом затухания (рис. 1.21). Наибольшие перенапряжения возникают по гипотезе Петерсона. Рис. 1.21. Расчетные кратности перенапряжений по различным гипотезам в зависимости от параметров сети: 1 − по гипотезе Петерсена; 2 − по гипотезе Белякова; 3 − по гипотезе Петерса и Слепяна В учебнике М.В. Костенко [5] приведены расчетные кратности перенапряжений для одинаковых параметров сети: − по гипотезе Петерса и Слепяна Kmax − по гипотезе Белякова Kmax ; ; − по гипотезе Петерсена Kmax . По данным опыта эксплуатации, эти перенапряжения в большинстве случаев лежат в пределах Kmax=2−3, но в отдельных случаях при горении дуги в стесненных условиях могут достигатьKmax= 3,5−4. Они возникают многократно и охватывают всю сеть, поэтому дуговые перенапряжения в сетях 6−35 кВ определяют уровень коммутациионных перенапряжений и минимальный уровень изоляции в эксплуатации. Защитное действие дугогасящей катушки Если на напряжение 6−35 кВ расчетный ток превышает определенную величину, то в нейтраль ставят дугогасящие катушки (рис. 1.22). Если реактор выбрать из условия ω∙L= 1/(3 ω∙Cф), то суммарный ток замыкания очень мал (он равен относительно небольшой активной составляющей) и дуга гаснет почти в 100 % случаев. Рис. 1.22. Схема подключения реактора нейтраль трансформатора Их защитное действие проявляется в трех направлениях: 1. Снижается ток замыкания и увеличивается вероятность его погасания . Полная компенсация целесообразна, если несимметрия емкостей по фазам СФ(рис. 1.19) не превышает 0,75 % [1]. При большей асимметрии предпочтительна некоторая (до 5−10 %) перекомпенсация. Иначе это приведет к недопустимому смещению нейтрали Uн >0,01Uф, а на одной из фаз напряжение достигнет Uс 1,15Uф, это может привести к перекрытию увлажненной и загрязненной изоляции (например, при восходе солнца). В сетях 6−10 кВ допускается расстройка не более 5 % (ток замыкания не более 5 А), а в сетях 35кВ − до 10 % (ток замыкания не более 15 А). 2. Уменьшается скорость восстановления напряжения на аварийной фазе после погасания дуги, что затрудняет ее повторное зажигание. Без реактора на поврежденной фазе после погасания дуги будет 2-кратное перенапряжение, а при наличии реактора после погасания дуги напряжение на нейтрали Uнпродолжает уменьшаться в колебательном режиме, а напряжение на поврежденной фазе Uа нарастает медленно. 3. Так как напряжение на нейтрали не остается постоянным и уменьшается, то значительно ниже перенапряжение на здоровых фазах. При хорошей настройке катушки Umax < 2 Uф. Если катушка настроена плохо Umax может достигать 3∙Uф (1 % случаев). Перенапряжения при коммутациях электродвигателей высоного напряжения Включение двигателя осложняется неодновременным замыканием полюсов выключателя, что приводит к повышению перенапряжений. Включение происходит несколькими стадиями, каждая из которых характеризуется своей частотой переходного процесса. При включении 1-й фазы начинается быстрое вырвнивание напряжения между ранее включенным кабеоем и коммутируемым. Этот процесс идет в виде затухающих ВЧ колебаний с чатотой 50 – 250 кГц. При этом перенапряжения на конце первой включившейся фазы кабеля (у двигателя) могут достигать двойной величины мгновенного значения напряжения на шинах. Напряжение на емкостях невключившихся фаз кабеля устанавливается через индуктивность двигателя Lд в процессе свободных колебаний системы “кабель-двигатель” с частотой равной , где Со и См – емкости коммутируемого кабеля на землю и между фазами. Включение второй и третьей фаз отличается от включения первой наличием напряжения на емкостях включаемых фаз. Включение этих фаз в момент максимума собственных колебаний системы “кабель-двигатель” приводит к наибольшим перенапряжениям на этих фазах. В случае включения 1-й и 2-й фаз выключателя вблизи максимума Uлин , так что 2-я фаза запаздывает относительбно 1-й на 0,5 периода частоты f, перенапряжения у двигателя на фазе, включившейся 2-й, могут достигать 3,3Uф. Если коммутация 2-й и 3-й фаз выключателя происходит после затухания свободных колебаний, то Uпер=(2,6 – 2,7)Uф. При включении очень мощных двигателей кратности ВЧ перенапряжений снижаются из-за снижения коэффициента отражения от обмотки. Включение двигателя в процессе АВР или АПВ при несинхронном остаточном напряжении двигателя существенно повышает возможные перенапряжения до (4 – 4,5)Uф. Перенапряжения на 2-й включаемой фазе имеют наибольшую величину, если фаза включается в момент максимума собственных колебаний при противоположных полярностях Uнач и напряжения питающих шин. При отключении вращающегося двигателя со срезом тока от сети магнитный поток, связывающий обмотки статора и ротора, в первый момент остается неизменным и затухает лишь постепенно, Поэтому, а также вследствие механической инерции ротора, некоторое время после отключенияот сети на зажимах двигателя поддерживается почти нормальное синусоидальное напряжение 50 Гц. В дальнейшем величина ичастота этого напряжения снижается по мере затухания потока в роторе и снижения его оборотов. Одновременно спадает энергия заключенная в полях рассеяния статора. Это происходит в форме ВЧ колебаний в цепи из емкости и индуктивности рассеяния обмотки статора. Наложение этих двух процессов дает результирующее напряжение на зажимах двигателя. Отключение вращающегося двигателя (на холостом ходу или с номинальной нагрузкой) дает обычно умеренные перенапряжения, т.к. магнитная энергия главного поля спадает не сразу, а постепенно расходуется на нагрев обмотки ротора. Перенапряжения возникают за счет относительно небольшой энергии полей рассеяния статора. При отключении нагруженного двигателя отключаемые токи выше и перенапряжения выше. Отключение вращающихся двигателей не дает перенапряжений выше 2Uлин. Чем меньше мощность двигателя, тем больше перенапряжения. В случае отключения практически неподвижного двигателя (неуспевшего развернуться при пуске, заторможенного после отключения к.з. в сети, заторможенного при перегрузке) магнитная энергия при срезе тока освобождается полностью, что приводит к значительным перенапряжениям. Уровень перенапряжений зависит от конструкции дугогасящих устройств выключателя, скольжения двигателя, его мощности, длины кабеля и др. Большую роль играет значение тока среза, связанное с конструкцией выключателя. Даже маломасляные выключатели ВМП-10 создают большие перенапряжения (до 5 Uф) при отключении заторможенных двигателей 6 кВ 250 кВт. Наибольшие перенапряжения возникают при отключении вакуумными и воздушными выключателями без шунтирующих сопротивлений. Баковые и маломасляные выключатели дают примерно одинаковые перенапряжения. Наличие шунтирующих сопротивлений 500 – 1000 Ом в выключателях значительно снижают перенапряжения. При отключении двигателей малой мощности (до 400 кВт) наименьшие перенапряжения возникают при коммутациях электромагнитными выключателями. При отключнии неподвижного двигателя в особо неблагоприятных случаях возможны перенапряжения до 6Uф (100 – 175 кВт). В среднем ожидаемые перенапряжения при отключении двигателей составляют (2,4 – 2,6)Uф, в 5 % случаев возможны перенапряжения более (45)Uф. Для двигателей 6 и 10 кВ допустимые воздействия 2,62 и 2,52Uф при tф5 мкс. Основные средства защиты: ОПН и демпфирующие R – C цепочки, включаемые относительно земли на каждой фазе двигателя. При использовании R – C цепочки емкость С ограничивает ток в сопротивлении и рассеиваемую мощность при промышленной частоте. При ВЧ собственных колебаниях в цепи двигателя, возникающих при срезе тока, значительная часть напряжения ложится на сопротивление R, что приводит к рассеиванию в нем энергии и демпфированию переходного процесса перенапряжений. Положительные функции R – С цепочки: уменьшает амплитуду напряжений при срезе тока, т.к. увеличивает емкость отключаемой нагрузки; демпфирует ВЧ колебания при повторных зажиганиях дуги в выключателях и в меньшей степени колебания после среза тока, т.е. уменьшает частоту восстанавливающегося напряжения, чем снижает вероятность повторных зажиганий дуги между контактами выключателя; сдвигает нуль тока ВЧ колебаний относительно максимума напряжения, поэтому в момент гашения при нуле тока напряжение на емкости ниже максимального, что также снижает вероятность повторных зажиганий; снижает крутизну фронта перенапряжений при повторных зажиганиях вследствие снижения частоты колебаний, что облегчает воздействие на продольную изоляцию двигателей. Отрицательные функции R – С цепочки: емкость R – С цепочки увеличивает общий емкостный ток замыкания на землю; трудности в размещении R – С цепочки вблизи выводов двигателя. Демпфирующая R-C цепочка должна применяться для защиты наиболее ответственных электродвигателей, при этом установка этих цепочек на нескольких присоединениях не должна приводить к установке в сети дополнительных дугогасящих реакторов. Емкость защитной цепочки выбирается в 5 раз больше емкости отключаемого присоединения (емкость кабеля по прямой последовательности плюс емкость защищаемого объекта). Сопротивление определяется по формуле , Ом, где L=Lш+Lк; Lш – индуктивность ошиновки, при нимаемая равной 2510-6 Гн; Lк – индуктивность кабеля 6 кВ на высоких частотах в зависимости от сечения токоведущей жилы кабеля принимается равной 0,14 мГн/км для S=35 мм2 и 0,055 мГн/км для S=240 мм2. Эквивалентная емкость двигателя при отсутствии конкретных данных может быть определена по формуле , мкФ, где Рн – номинальная мощность двигателя. Для защиты двигателей применяются также ОПН кстанавливаемые вблизи коммутируемого двигателя между каждой фазой и землей. Наиболее подходящими являются ОПН с защитным уровнем при токе 150 А равным U=14 кВ=2,62Uф, разработанные для собственных нужд электрических станций. ОПН практически не влияет на крутизну перенапряжений, т.к. ограничивает только амплитуду напряжения относительно земли. ОПН прерывает многократные повторные зажигания. Защита с помощью ОПН менее эффективна, чем правильно подобранная R – C цепочка, но допустима. ОПН, установленные на шинах, не защищают присоединения от перенапряжений, вызванных вакуумными выключателями. ОПН и R – С цепочки следует устанавливать непосредственно у двигателей, но при длине кабеля менее 40-50 м можно устанавливать и на сборных шинах. Коммутационные перенапряжения. Перенапряжения при апв В процессе работы энергосистемы всегда возникает необходимость производить видоизменения схем (ремонты, включение и отключение отдельных линий). Каждое такое изменение сопровождается коммутацией, при которой неизбежно возникает переходный процесс, который может приводить к появлению перенапряжений. Перенапряжение – это всякое превышение мгновенным значением напряжения на изоляции амплитуды наибольшего рабочего напряжения : Коммутации автоматического повторного включения линии происходят реже, чем плановые включения, но могут сопровождаться более высокими перенапряжениями, т.к. за время короткой бестоковой паузы остаточный заряд линии практически сохраняется. Средние значения коэффициентов перенапряжений при АПВ (автоматического повторного включения линии) не отличаются от случая плановых включений и при использовании воздушного выключателя не превосходят 1.8. В среднем при коммутации АПВ кратность перенапряжения выше, чем при плановых включениях, вследствие неопределенности остаточного заряда линии. Физически процессы аналогичны коммутациям при повторных зажиганиях дуги. Наиболее опасны случаи противоположных знаков остаточных знаков остаточного напряжения линии и напряжения источника питания. Приведённая внизу таблица статистически обработанных данных о перенапряжении при АПВ показывает, что при наблюдении в течение 20 лет, максимальные перенапряжения данного типа достигали кратности, превышающей 3. Повышенные кратности в случае масляных выключателей связаны, очевидно, с повторными зажиганиями дуги на стадии отключения АПВ. Наиболее опасны перенапряжения при АПВ на устойчивое короткое замыкание, кратность растёт вследствие роста амплитуды установившегося напряжения здоровых фаз вследствие несимметрии. Для борьбы с перенапряжениями данного вида применяют те же методы, что для перенапряжений при плановых коммутациях – обеспечение эффективного стекания заряда с линии, ограничение вынужденной составляющей, разрядники и ограничители перенапряжений. Системные мероприятия по ограничению перенапряжений при АПВ Подключение элементов стекания заряда Применение однофазного автоматического повторного включения (ОАПВ) вместо АПВ Трансформатор напряжения (ТН) в сетях 500 кВ полностью снимает проблему перенапряжений при АПВ, приравнивая их к плановым включениям. 14. Пример компьютерной симуляции Перенапряжения при АПВ. КЗ в середине 200 км линии электропередачи: Здесь приведена расчётная осциллограмма переходного процесса при АПВ линии длиной 200 км, полученной с помощью ПО Матлаб Симулинк. Моделировался случай короткого замыкания в середине линии x=100 км. Осциллограмма демонстрирует как наличие высокочастотной переходной составляющей, так и квазистационарного процесса на основной частоте. Полученная в данном примере кратность при вариации длительности бестоковой паузы в интервале 0.055–0.08 с, составила максимально 3. 43. Коммутационные перенапряжения. Перенапряжения при отключении короткого замыкания. В процессе работы энергосистемы всегда возникает необходимость производить видоизменения схем (ремонты, включение и отключение отдельных линий). Каждое такое изменение сопровождается коммутацией, при которой неизбежно возникает переходный процесс, который может приводить к появлению перенапряжений. Перенапряжение – это всякое превышение мгновенным значением напряжения на изоляции амплитуды наибольшего рабочего напряжения . Коммутационные перенапряжения на линиях могут возникать при отключении коротких замыканий и при разрыве электропередачи в случае потери синхронизма. Анализ этих процессов можно провести методом наложения, рассматривая напряжение на линии, как сумму стационарного режима короткого замыкания и переходного процесса включения в точке короткого замыкания эквивалентного генератора тока, направленного на встречу тока КЗ. В сетях 110 кВ (глухо заземлённая нейтраль) и выше наиболее опасен режим однофазного КЗ, когда разность между начальным и установившимся напряжением в данной точке линии максимальна. Приближенную оценку перенапряжений, возникающих при этом можно дать с помощью использованной ранее формулы. Оценим перенапряжения при предельном значении ударного коэффициента равном 2. Амплитуда установившегося напряжения на разомкнутом конце линии не превосходит 1.3 от номинального напряжения. Начальное напряжение в случае КЗ, очевидно равно нулю. Поэтому имеем предельную оценку кратности перенапряжения 2.6 Отключение короткого замыкания линии с устройством продольной компенсацией (УПК) Особым случаем является отключение короткого замыкания на линиях снабжённых батареями продольной компенсации, когда батарея конденсаторов включается, как показано на рисунке снизу. В этой схеме распределение амплитуд установившейся составляющей до и после отключения КЗ зависит от соотношения сопротивлений индуктивности линии и ёмкости компенсирующей батареи конденсаторов. По сравнению со случаем линии без батареи продольной компенсации, указанная разность оказывается выше, т.к. точка «нуля» напряжения смещена к середине линии. Это порождает более интенсивный переходный процесс, в котором достигаются кратности перенапряжения, значительно превышающие 3. Для предотвращения столь высоких перенапряжений в схемах с УПК применяется автоматическое шунтирование батареи конденсаторов перед коммутацией отключения тока КЗ. Перенапряжения при отключении ненагруженных трансформаторов Значительные коммутационные перенапряжения могут возникнуть и при отключениях ненагруженных или слабонагруженных трансформаторов. После начала расхождения контактов выключателя при отключении между ними некоторое время продолжает гореть электрическая дуга. Момент обрыва тока зависит от скорости деионизации дуги, которая в свою очередь определяется характеристиками выключателя и обрываемым током. При больших токах сопротивление растягивающейся дуги невелико и не оказывает влияния на форму тока; окончательный разрыв цепи практически происходит в момент прохождения тока через нулевое значение. 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 канала еще до того, как ток проходит через свое нормальное нулевое значение, сопротивление дуги скачкообразно возрастает, а ток в дуге резко падает до нуля - происходит «срез» тока, который характеризуется значением I0 ≠ 0. При этом выделяется большая энергия, запасенная в индуктивности схемы L, например в индуктивности намагничивания трансформаторов, что может привести к значительным перенапряжениям Уменьшение величины перенапряжений достигается при установке в каждой дугогасительной камере МВ помимо главных, вспомогательных контактов, которые шунтируются резисторами и размыкаются первыми. Перенапряжения при отключении ненагруженных линий. Физический процесс при отключении ненагруженных линий имеет тот же характер, что и при отключении сосредоточенных емкостей. Схема, содержащая ненагруженную линию, представляет собой многочастотный колебательный контур, содержащий индуктивность и емкость. Так же, как при включении и АПВ, при повторном зажигании дуги в выключателе возникает целый ряд свободных составляющих, которые наряду с увеличением свободной составляющей первой основной частоты увеличивают напряжение в конце линии. Максимальная кратность перенапряжений при этом может достигать 3,5. Напряжение в начале линии при этом меньше, чем напряжение в конце линии. Если на линии имеются реакторы, то после обрыва дуги емкость линии начинает разряжаться на реактор и возникают затухающие колебания с частотой, которая обычно меньше частоты источника. Наличие реакторов является благоприятным фактором, так как уменьшает восстанавливающееся напряжение и скорость его нарастания. Отключение ненагруженных линий 500 кВ обычно не сопровождается повторными пробоями при использовании воздушных выключателей даже при отсутствии реакторов или масляных выключателей, но при включенных шунтирующих реакторах. Вследствие указанных причин (применение реакторов, быстродействующих воздушных выключателей) отключение ненагруженной линии СВН (500 кВ и выше) не является расчетной операцией, т. е. обычно не учитывается при проектировании защиты от внутренних перенапряжений. 35.Основные принципы защиты подстанций от перенапряжений. Надежность защиты подстанций от перенапряжений должна быть значительно выше надежности защиты линий, поскольку ущерб от повреждения здесь значительно больше, а уровень изоляции ниже. Основные принципы защиты оборудования подстанций сводятся к следующему: 1. • защита от прямых ударов молнии стержневыми молниеотводами; 2. • защита оборудования от волн, приходящих с линии, с помощью разрядников или ОПН; 3. • защита подходов линий от прямых ударов молнии. Зоны защиты молниеотводов определяют исходя из того, чтобы вероятность прорыва молнии в защищаемый объект не превосходила 0.05 (одно попадание прямого удара из двадцати ударов), иногда – 0.005. Для успешной защиты оборудования от волн, набегающих с линии, разрядник должен иметь пробивное и остающееся напряжение ниже допустимого на защищаемом объекте на некоторую величину, называемую интервалом координации, который должен составлять не менее 15% уровня допустимого напряжения. Особенностью перенапряжений на подстанции является их существенная зависимость от крутизны фронта набегающей волны и слабая зависимость от амплитуды набегающей волны. Амплитуда влияет лишь на величину остающегося напряжения, слабо меняющегося благодаря пологой вольтамперной характеристике нелинейного резистора разрядника или ОПН. Величина перенапряжения зависит от крутизны набегающей волны потому, что при прохождении волны от объекта до разрядника (если объект оказался первым по ходу волны) и обратной волны от сработавшего разрядника до объекта подъем напряжения на объекте за время двойного пробега прямо определяется скоростью нарастания напряжения падающей волны. При продвижении волны вдоль линии фронт волны сглаживается (удлиняется) за счет импульсной короны, потерь в земле и в проводах, поэтому выполняют защиту подходов линий от прямых ударов молнии на определенной длине (рис. 8), что к тому же снижает величину тока в разрядниках подстанции. Количество и места установки ОПН и разрядников выбирают так, чтобы расстояние между разрядниками и защищаемыми объектами не превышали безопасной величины (от 30 м до 150 м для разных случаев). Рис. 8. Схема защищенного подхода линии электропередачи При защите подхода линии грозозащитные тросы подвешивают даже в случае их отсутствия на других участках линии, трос заземляют на каждой опоре, а сопротивление заземления опоры выдерживают на уровне не более 10-20 Ом. В начале подхода устанавливают трубчатый разрядник, способствующий ограничению амплитуды тока в разряднике подстанции. Второй трубчатый разрядник РТ2 предназначен для защиты выключателя. На подстанциях напряжений 110-220 кВ обычно устанавливают один комплект разрядников на каждую систему шин. Длина защищаемого подхода составляет обычно 1-2 км. Подстанции напряжением 3..20 кВ имеют обычно кабельные вводы. Обобщенная схема защиты от перенапряжений такой подстанции показана на рис. 9. Рис. 9. Обобщенная схема защиты подстанции 3-20 кВ Наличие кабельной вставки на входе такой подстанции обычно не обеспечивает достаточной грозоупорности подстанции из-за неизбежных многократных отражений волн в кабельной линии. Поэтому в месте соединения воздушной линии с кабельной устанавливают вентильный или трубчатый разрядник для ограничения приходящей волны. Вентильный разрядник в конце кабеля устанавливается из-за возможности повреждения кабельной муфты из-за удвоения волны при отключенном выключателе.