Общая характеристика внутренних перенапряжений

КЛАССИФИКАЦИЯ ВНУТРЕННИХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ И ИХ ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

На электрическую изоляцию сети высокого напряжения переменного тока в нормальных условиях воздействует рабо­чее напряжение промышленной частоты. Изменение токов нагрузки приводит к изменению падения напряжения на со­противлении элементов электрической сети (генераторов, трансформаторов, линий электропередачи и др.). Поэтому даже при неизменной величине э.д.с. генераторов рабочее напряжение может отклоняться от номинального значения.

При проектировании электрической сети и управлении режимами ее работы стремятся удержать колебания рабочего напряжения в границах, определенных действующими нор­мами. ГОСТ 1516.3-96 устанавливает величину наибольшего рабочего напряжения электрооборудования, совпадающую с верхним пределом длительно допускаемого рабочего напря­жения в электрической сети и превышающую номинальные напряжения электрооборудования 6-220 кВ на 15%. В сетях с номинальным напряжением выше 500 кВ также стремятся не допускать длительных повышений рабочего на­пряжения более чем на 5% от номинального (табл. В).

Термин «наибольшее рабочее напряжение» означает напряжение частоты 50 Гц, неограниченно длительное приложение которого к электрооборудованию допустимо по условиям работы его изоляции.

Однако в процессе эксплуатации энергосистемы неизбежно возникают разнообразные отклонения от нормальных условий и могут иметь место повышения напряжения на изоляции сверх указанных норм. Всякое превышение мгновенным значением напряжения на изоляции амплитуды наибольшего рабочего напряжения принято называть перенапряжением. В большинстве случаев перенапряжения имеют кратковременный характер, поскольку они возникают при быстро затухающих переходных процессах или в аварийных режимах, время которых ограничивается действием релейной защиты и системной автоматики.

Различные виды перенапряжений имеют длительность от единиц микросекунд до нескольких часов. Даже самые кратковременные перенапря­жения высокой кратности могут привести к пробою или перекрытию изоляции с последующим отключением поврежденного элемента сети и перерывом в электроснабжении потребителей или снижением качества электроэнергии. При этом причиняется ущерб народному хозяйству. Повреждение и внеочередной ремонт электрооборудования, а также ухуд­шение режима работы энергосистемы создают ущерб энергосистеме, а недоотпуск электроэнергии и нарушение технологических процессов - ущерб потребителю. Целью борьбы с перенапряжениями и их последствиями является снижение экономически приемлемыми способами ожидаемого ущерба народному хозяйству и повышение технико-экономических показателей работы энергосистемы.

Нежелательные эффекты могут возникать также в других системах, находящихся в зоне действия электромагнитных полей сети высокого напряжения. Совокупность этих эффектов составляет экологическое влияние на биосферу (людей, фауну, флору), а также мешающее и опасное влияние на техносферу (устройства проводной и радиосвязи, телемехани­ческие устройства, счетно-решающую электронную технику, низковольтные сети электроснабжения и т. п.). Именно эти влияния определяют условия электромагнитной совместимости функционирования электрической сети и других систем.

Важнейшей характеристикой перенапряжений на изоляции является их кратность, т. е. отношение максимального значения напряжения U_макс к амплитуде наибольшего рабочего напряжения на данной изоляционной конструкции Ö2 U _{ном.раб}.:

К = U_макс/Ö 2U _{ном.раб}. (1.1 )

Следует отметить, что при измерении кратности перена­пряжений или при ее расчете U_макс обычно относят не к вели­чине Ö2U_{ном раб,} а к фактической амплитуде рабочего напряжения, имеющего место непосредственно перед появлением перена­пряжения или установившегося после него. Это не противо­речит данному выше определению кратности по формуле (1), поскольку предполагается, что величина U_макс пропорциональна рабочему напряжению и при повышении напряжения до наибольшего рабочего значения величина кратности не изменится.

Перенапряжения, кроме того, характеризуются рядом других параметров, которые учитываются при выборе электрической изоляции и средств ее защиты от перенапряжений.

Повторяемость определяется ожидаемым числом случаев возникновения перенапряжений за данный промежуток времени.

Форма кривой перенапряжения характеризуется длиной фронта, длительностью, числом импульсов и временем существования данного перенапряжения.

Широта охвата сети определяет число изоляционных конструкций, на которые одновременно воздействует данное перенапряжение.

Важное значение для оценки перенапряжений имеют также статистические характеристики ущерба в случае повреждения изоляции.

Все перечисленные параметры перенапряжений являются, как правило, случайными величинами, что определяет необходимость статистического подхода к их исследованию и обоснованию требований к электрической прочности изоляции и характеристикам защитных устройств.

В зависимости от места приложения можно выделить раз личные типы перенапряжений. Наибольшее практическое значение имеют фазные перенапряжения. Они воздействуют на изоляцию токоведущих частей электрооборудования от земли или заземленных конструкций. К этой изоляции нормально приложено фазное напряжение. Однако в сетях с изолированной нейтралью следует учитывать, что в процессе поиска места замыкания на землю (длительностью от минут до нескольких часов) к фазной изоляции может быть приложено линейное напряжение.

Междуфазные перенапряжения рассматриваются при выборе междуфазной изоляции, например - расстояний между проводами разных фаз на линиях и подстанциях, обмотками различных фаз трансформаторов, машин, реакторов. Рабочим напряжением для этих видов изоляции является линейное напряжение.

Внутрифазные перенапряжения возникают между различными токоведущими элементами одной и той же фазы, например между соседними витками или катушками обмотки трансформатора, а также между нейтралью и землей.

Перенапряжения между контактами коммутирующих аппаратов возникают в процессе отключения участка сети или при несинхронной работе двух участков сети.

Внутренние перенапряжения возникают в электрических системах в результате коммутаций.

Коммутации могут быть оперативными(плановыми), например:

а) включение и отключение ненагруженных линий;

б) отключение ненагруженных трансформаторов и реакторов поперечной компенсации;

в) отключение конденсаторных батарей.

Однако чаще внутренние перенапряжения возникают при аварийных коммутациях в результате действия релейной защиты или противоаварийной автоматики.

К аварийным коммутациям можно отнести:

а) отключение выключателями короткого замыкания;

б) автоматическое повторное включение линий;

в) внезапный сброс нагрузки и др.

Внутренние перенапряжения обычно проявляются в виде колебаний. Всякая электрическая система обладает колебательными свойствами, однако в нормальном режиме работы эти колебательные свойства обычно не проявляются. Колебательные свойства электрической системы, могущие вызвать появление перенапряжений, проявляются при нарушении баланса между генерируемой и поглощаемой энергией. Причиной нарушения баланса может явиться внезапное отключение элементов, способных поглощать энергию (активной нагрузки, сосредоточенных и распределенных сопротивлений и проводимостей схемы).

Если параметры колебательного контура соответствуют резонансным или близки к ним, то возникают резонансные перенапряжения - перенапряжения установившегося режима. В системе с элементами, имеющими линейные характеристики может возникнуть линейный резонанс. Если же элементы электрической сети имеют нелинейный характер (ненагруженные трансформаторы, реакторы), то возникает нелинейный феррорезонанс.

Резонансным перенапряжениям предшествует переходный режим - коммутационные перенапряжения.В том случае, если условия в колебательном контуре электрической сети далеки от резонансных, то внутренние перенапряжения при коммутациях имеют только переходный характер, т.е. являются коммутационными.

Как было отмечено выше внутренние перенапряжения характеризуются: кратностью

, (1.2)

формой кривой перенапряжения, позволяющей определить воздействия на изоляцию и составом оборудования электрической сети, подверженного действия данного вида перенапряжения.

Перечисленные характеристики имеют большой статистический разброс, так как их значения зависят от большого числа факторов, в том числе имеющих случайный характер.

Амплитуда допустимых перенапряжений на изоляции высоковольтных электрических машин определяется по следующей формуле:

U=U, (1.3)

где U- номинальное напряжение, U- допустимое напряжение.

Допустимая кратность перенапряжений на изоляции машин составляет не более 2,6 - 2,9 по отношению к номинальному фазному напряжению и 2,2 - 2,4 по отношению к максимальному фазному рабочему напряжению.

UU, (1.4 )

где - коэффициент импульса при внутренних перенапряжениях для класса напряжений 6 - 35 ;

k- коэффициент кумулятивности.

Ниже приведена табл.1.1. допустимых кратностей внутренних перенапряжений для электрооборудования напряжением 6 - 35 кВ с нормальной изоляцией.

Таблица1.1.

Допустимые кратности перенапряжений

UкВ	6,0	6,6			13,8			110-150	220-330
UкВ	29,5	29,5	41,5	41,5
К(фаз)	7,5	7,1	6,2	6,0	6,0	5,2
К	4,3	4,1	3,6	3,5	3,5	3,0	3,5	3,0	3,0	2,5	2,1

Величины, числено характеризующие внутренние перенапряжения, оказываются зависимыми от ряда случайных обстоятельств: от схемы сети, ее режима, ее параметров, от наличия средств борьбы с перенапряжениями и эффективности этих средств, а также от некоторых других факторов. Поэтому количественные характеристики внутренних перенапряжений оказываются величинами случайными, требующими при их рассмотрении привлечении методов математической статистики.

Можно найти такие сочетания переходных процессов, которые дают перенапряжения очень высокой кратности. Однако если такое сочетание весьма маловероятно, то его обычно не принимают в расчет, считая, что в этом случае можно допустить перекрытие внешней изоляции или срабатывание защитного аппарата (ОПН, РВ) с его возможным разрушением. В то же время и в этих очень маловероятных случаях должна быть исключена возможность повреждения внутренней изоляции машин и аппаратов. Но не всякое наложение переходных процессов маловероятно. Следует реально считаться с такими процессами, которые являются следствием друг друга. Именно на такие процессы и следует ориентироваться при оценке возможной кратности внутренних перенапряжений и выборе средств их ограничения.

Обобщение опыта эксплуатации для случаев повреждения оборудования из-за возникновения внутренних перенапряжений позволило В.С.Полякову сформулировать три условия, сочетание которых необходимо, чтобы возникали перенапряжения в сетях напряжением до 35 кВ включительно.

Первое условие - параметры сети (рис. 1.1) (емкость и индуктивность элементов) должны иметь характеристики, изменение которых способно привести к образованию резонансного контура в схеме нулевой последовательности. Как правило, это сети с током однофазного замыкания на землю до 10 А. Это означает, что не в каждой сети возможно возникновение перенапряжений, и это подтверждается практикой, так как повреждения, как правило, происходят, повторяясь на одних и тех же участках сети, в то время как на других участках сети таких повреждений не отмечается.

Второе условие - на этих участках сети внутренние перенапряжения возникают, если в контуре нулевой последовательности затухание значительно меньше критического. Это затухание вносится нагрузкой понижающих трансформаторов и электродвигателей, поэтому повреждения электрооборудования происходят в режиме, когда нагрузка в сети не превышает 30% мощности понижающих трансформаторов или электродвигателей, то - есть сеть работает в ненагруженном режиме. При этом возбуждение перенапряжений облегчается за счет высокого уровня напряжения при работе сети в ненагруженном режиме.

Третье условие - определенный характер начального события. Феррорезонансные перенапряжения возникают при неполнофазных режимах питания понижающих трансформаторов и электродвигателей, а дуговые перенапряжения - при определенном характере дуги (однополупериодическая или апериодическая) однофазного замыкания на землю. При металлическом замыкании или непрерывно горящей дуге перенапряжений не возникает.

Разные виды внутренних перенапряжений отличаются друг от друга своей кратностью, формой, частотой повторяемости и длительностью воздействия на изоляцию. Вероятность возникновения того или иного вида перенапряжений зависит от состава сети, и по данным отечественных и зарубежных исследований, в сетях собственных нужд (СН) мощных электростанций и крупных промышленных предприятий, чаще всего возникновение перенапряжений связано с неполнофазными режимами.

Рис.1.1. Примерная схема электрической сети