Коммутационные перенапряжения

В главе 1.3.1 приведено пять видов коммутационных перенапряжений, оценим максимально возможные кратности перенапряжений для каждого вида.

Включение ЛЭП рассмотрим на примере простейшего случая (рис.1.15).

Рис.1.15. Исследуемая схема

 

В этой схеме многое зависит от схемы замещения ЛЭП. Для ЛЭП до 200−300 км более точна Т-образная схема замещения, а для линий до 400 км – П-образная. (Если длина ЛЭП свыше 400 км, то нужно рассматривать линию с распределенными параметрами и определять перенапряжения методом бегущих волн). Для обеих схем замещения схему можно преобразовать к простейшему контуру (рис.1.16).

Рис.1.16. Схема простейшего контура

Напряжение на емкости в этой схеме равно:

Uc= Uвын(t)+ Uпер(t) ,

где Uвын(t) − вынужденная составляющая напряжения; ω − частота источника; ψ − фаза включения напряжения; Uпер(t) − переходная составляющая; β − частота собственных колебаний контура ();

ψ_п − фаза включения; δ − коэффициент затухания собственных колебаний контура ().

Для самого неблагоприятного случая ; R=0; фаза включения , тогда получим:

.

Для этого случая максимально возможная кратность К≈2. Есть факторы, которые увеличивают максимальное значение, а есть факторы, которые его уменьшают.

Рассмотрим факторы, которые увеличивают кратность:

1. Пусть у выключателя есть разброс фаз. Первой включается фаза А, по ней идет волна, на соседних проводах тоже будет волна с амплитудой 20−30 % от фазы А. Максимальное значение К_max можно определить так: К_max =(Uуст−Uнач)=(Е − (−0,25Е))=1,25Е.

2. Если ЛЭП > 400 км, то процесс включения линии следует рассматривать в виде бегущих волн. Максимально возможная кратность в этом случае К ≈ 2,44.

Приведем факторы благоприятные, то есть уменьшающие Ucmax.

1. Потери на корону снижают максимальные перенапряжения: первый максимум уменьшается на 5−15 %, второй − на 15−25 %.

2. Наличие других ЛЭП, отходящих от подстанции, также снижает максимальную кратность перенапряжений.

Достоверность расчетов была проверена экспериментально. Научно-исследовательский институт постоянного тока (НИИПТ) провел 300 измерений на действующих ЛЭП 110−330 кВ [5]. По этим данным была построена функция распределения. Закон близок к нормальному, только есть небольшое отклонение в правой части. У функции распределения математическое ожидание равно Кп = 1,61, среднеквадратическое отклонение = 0,18. Если максимальное значение кратности вычислить по формуле , то возникновение перенапряжений больше этой величины возможно лишь в 2,3 % случаев. Однако у функции распределения есть небольшое отклонение в правой части, поэтому для большей надежности возьмем . Для нормального закона вероятность возникновения большей кратности 0,13 %.

Перенапряжения при АПВ рассмотрим на схеме (рис.1.17):

Рис.1.17. Исследуемая схема

Большинство замыканий на ЛЭП – дуговые, поэтому очень эффективно использование на ЛЭП АПВ. Пусть дуговое замыкание в фазе А, срабатывают выключатели В₁ и В₂. В бестоковую паузу (0,3 – 1 с) дуга гаснет и после включения ЛЭП вновь работает. Однако при этом в фазах В и С возникают большие перенапряжения, так как ЛЭП включается не на нулевые начальные условия.

Найдем наибольшую возможную кратность перенапряжений. Емкостной ток гаснет при прохождении через нуль. Ток сдвинут по отношению к напряжению на 90 , значит в этот момент . В бестоковую паузу по образовавшемуся каналу заряд с фазы А стек, а на фазах В и С − остался. Рассмотрим фазу С: пусть на фазе С , включим в самый неблагоприятный момент, когда с другой стороны выключателя . Расчеты показывают, что в этом случае или К_max=3.

Есть факторы, которые уменьшают максимальную кратность:

1. За время бестоковой паузы заряд медленно стекает с провода, обычно до (0,6−0,7)Е.

2. Потери на корону снижают максимальные перенапряжения.

Но есть факторы, которые увеличивают максимальную кратность:

1. При погасании дуги возник переходный процесс и напряжение на проводе Uc может оказаться Uc>E.

Опять обратимся к статистике. В НИИПТ для t_АПВ=0,35 c были получены следующие данные [5]: математическое ожидание , среднеквадратическое отклонение , тогда . Вероятность появления большего всего 2,3%. Но это для нормального закона, а здесь есть отклонение. Если взять , то .

Значительные перенапряжения могут возникать не только при включениях, но и при отключениях ненагруженных линий. При отключении холостых линий перенапряжения возникают из-за повторных зажиганий дуги в выключателе. Рассмотрим схему (рис. 1.18.)

Рис. 1.18. Исследуемая схема

Отключение ЛЭП происходит в две стадии. В большинстве случаев сначала отключаются выключатели всех трех фаз на одном конце (например, В₂), а затем отключаются выключатели на другом конце. Тогда после срабатывания выключателя В₂ линия будет на холостом ходу.

На второй стадии отключения перенапряжения могут возникать вследствие повторных зажиганий дуги между расходящимися контактами выключателя. Предельная прочность у воздушных имаслянных выключателей практически одинакова. Но у воздушных выключателей электрическая прочность U_пр в результате дутья восстанавливается очень быстро (через 0,01с уже U_пр 2Е), поэтому обычно повторных зажиганий между контактами воздушных выключателей не возникает. А вот у масляных выключателей электрическая прочность восстанавливается медленно (через 0,01 с U_пр < Е), поэтому наблюдается одно или несколько повторных зажиганий дуги.

В [5] приведены расчетные перенапряжения в схеме замещения с учетом затухания напряжения на ЛЭП. Например, для ЛЭП-220 кВ получены следующие данные:

− кратность перенапряжений с одним повторным зажиганием К_max=2,35;

− кратность перенапряжений с несколькими повторными зажиганиями К_max=3,45.

Здесь же приведены статистические данные. По этим данным масляные выключатели дают обычно несколько повторных зажиганий при каждом отключении. Как показали опыты в энергосистемах, коэффициент перенапряжений в этом случае подчиняется нормальному закону со следующими параметрами: математическое ожидание ; среднеквадратическое отклонение . Тогда K_max . Если взять , то K_max .

Наиболее радикальное средство уменьшения кратности – применение воздушных выключателей. В этом случае расчетная кратность пренапряжений снижается до K_max = 2,5 и даже до K_max = 2 [12].

При отключении ненагруженного трансформатора современный выключатель обычно обрывает ток раньше его прохождения через нулевое значение, при этом могут возникнуть перенапряжения большой кратности. Расчетная кратность при одном повторном зажигании может достигать K_max = 2 [5].

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 K_max ;

− по гипотезе Белякова K_max ;

− по гипотезе Петерсена K_max .

По данным опыта эксплуатации, эти перенапряжения в большинстве случаев лежат в пределах K_max =2−3, но в отдельных случаях при горении дуги в стесненных условиях могут достигать K_max = 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∙C_ф), 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 С_Ф (рис. 1.19) не превышает 0,75 % [1]. При большей асимметрии предпочтительна некоторая (до 5−10 %) перекомпенсация. Иначе это приведет к недопустимому смещению нейтрали U_н >0,01U_ф, а на одной из фаз напряжение достигнет U_с » 1,15U_ф, 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 U_н продолжает уменьшаться в колебательном режиме, а напряжение на поврежденной фазе U_а нарастает медленно.

3. Так как напряжение на нейтрали не остается постоянным и уменьшается, то значительно ниже перенапряжение на здоровых фазах. При хорошей настройке катушки U_max < 2 U_ф. Если катушка настроена плохо U_max может достигать 3∙U_ф (1 % случаев).