Коммутационные перенапряжения

Классификация внутренних перенапряжений

Общая характеристика внутренних перенапряжений

ЛЕКЦИЯ 11. ВНУТРЕННИЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Нежелательные эффекты от воздействия перенапряжений 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 )

Следует отметить, что при измерении кратности перена­пряжений или при ее расчете U_max 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 Umax 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 имеют также статистические характеристики ущерба в случае повреждения изоляции.

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

В зависимости от места приложения можно выделить раз­личные 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.

Внутренние перенапряжения характеризуются: кратностью

, (1)

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

Ударный коэффициент перенапряжений: ,

коэффициент установившегося режима:Þ k_пер = k_уд k_уст.

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, (2)

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, (3 )

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

k- коэффициент кумулятивности.

Ниже приведена таблица 1 допустимых кратностей внутренних перенапряжений для электрооборудования напряжением 6 - 35 кВ с нормальной изоляцией.

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 (вентильного разрядника, ограничителя перенапряжения) 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.

Таблица 1

Допустимые кратности внутренних перенапряжений

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

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.

Первое условие - параметры сети (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 подтверждается практикой. 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.

Коммутационные перенапряжения в литературе часто называют перенапряжениями переходного режима. Они существуют сравнительно малое время, но по сравнению с грозовыми перенапряжениями в сотни раз больше.

t_ф=100-300 мкс, t_и=1000-3000 мкс

Если прочная изоляция выдержала сильное кратковременное воздействие испытательного напряжения, то она выдержит и большую часть воздействующих коммутационных перенапряжений (координация изоляции).

Источником внутренних перенапряжений являются генераторы самой системы. Так как мощность генераторов нормирована, то и перенапряжения не могут иметь бесконечно большую величину.

Кратность перенапряжений: составляет обычно от 2 до 3,5.

Любая система имеет индуктивные (L) и емкостные (C) элементы.

L: трансформаторы, генераторы, реакторы, синхронные компенсаторы, двигатели.

С: проводники (ЛЭП), емкость ошиновки подстанции, емкость всех изоляционных конструкций, специальные батареи конденсаторов, которые используются для улучшения качества электроэнергии.

В нормальном режиме в энергосистеме такого контура образоваться не может.

В колебательном контуре происходят волновые

процессы при R » 0; Х_L @ Х_С.

Если условие резонанса не выполняются,

то резонансных перенапряжений не будет, а если выполняются, резонансные перенапряжения будут больше коммутационных. Условие R»0 выполняется только при отсутствии нагрузки.

С_мф – междуфазная емкость. С_мф имеет значения на порядок ниже, чем С.

Рассмотрим следующие виды перенапряжений:

1) Коммутационные перенапряжения при включении:

- ненагруженной ЛЭП (в этом случае потребитель не пострадает, но можно повредить коммутационное оборудование).

2) Коммутационные перенапряжения при отключении:

- ненагруженной ЛЭ (оставшаяся энергия распределяется между L и С и начинается волновой процесс);

- ненагруженных трансформаторов и реакторов (оставшаяся в аппарате энергия вызывает волновой процесс в обмотке).

3) Коммутационные перенапряжения при АПВ.

4) Дуговые перенапряжения (они существуют в сетях с изолированной нейтралью). Длительность дуговых перенапряжений соизмерима с длительностью перемежающейся дуги.

Перенапряжения при включении ненагруженной линии.

ЭДС на шинах до включения линии: E_maxsin(wt+j)=E_ш.

,

где d_k – декремент затухания на k–ой частоте, , где С₀ – скорость света, w=314 1/с, w_k – k-ый корень уравнения , , j – угол между током и напряжением в момент коммутации.

Угол коммутации на определенной частоте: .

На каждой частоте затухание происходит со своей характеристикой.

Если происходит КЗ и действует АПВ, на линии остается остаточный заряд. За время бестоковой паузы (∆ t) заряд разрядится не успевает и при включении имеет большую величину.

При АПВ и наличии остаточного тока напряжение на конце будет рассчитываться по следующей формуле:

Пока контакты выключателя не замкнуты, происходят стримерные разряды с частотой w_k и только после замыкания устанавливается дуга с w = 50Гц.

U₀ берется с учетом знака остаточного заряда на линии.

При увеличении паузы АПВ происходит уменьшение остаточного заряда и уменьшение уровня перенапряжения.

В плохую погоду перенапряжения меньше за счет быстрого стекания заряда по изоляторам.

Коэффициент внутренних перенапряжений

Берутся среднеарифметические параметры - математическое ожидание и среднеквадратичное отклонение s_k.

s_k – среднеквадратичное отклонение распределение амплитуды.

Ударный коэффициент равен или больше 1.

Отключение короткого замыкания (К..З.)в цикле АПВ

Рассмотрим наиболее неблагоприятную с точки зрения развития событий ситуацию:

1) К.З. отключается Q2; 2) отключается Q1.

Напряжение в точке после размыкания контактов U (x)=U _н (x) – DU (x).

D U (x) изменяется в точке после размыкания контактов; U _н (l) = 0.

U

k_уд1, k_уд2 – ударные коэффициенты при U_max1 и U_max2. t

s_уд = 1,75 (k _уд1 – k _уд2)

При оценке перенапряжений при 3-х фазном АПВ нужно учитывать следующие соображения.

1) Если на ЛЭП, на которой имеются электромагнитные трансформаторы напряжения и нет реакторов, на время паузы АПВ включаются низкоомные резисторы, ускоряющие стекание заряда с проводов ЛЭП, то значения и s_уд при успешном АПВ те же, что и при оперативном включении ненагруженной ЛЭП.

= 1,61; s_уд = 0,183

2) Если на ЛЭП отсутствуют средства по ускорению стекания заряда с неповрежденных фаз, то тогда мы можем условно считать, что начальное значение напряжения остаточного заряда статистически не зависит от паузы АПВ (∆ t). Мы считаем в этом случае, что начальное значение остаточного напряжения согласуется с нормальным законом распределения.

U₀ = 0,75U_ф s ₀ = 0,16 = 1,69 s _уд = var.

Для оценки перенапряжения при однофазном АПВ в электропередачи:

= 1,5 s _уд = 0,12

Если линия длинная и имеется устройство поперечной компенсации, это приводит к перенапряжениям, возникающим на поврежденных фазах, как во время протекания тока к.з., так и после отключения к.з.

ЛЕКЦИЯ 12. ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ УСТАНОВИВШЕГОСЯ РЕЖИМА (РЕЗОНАНСНЫЕ)

Установившиеся перенапряжения имеют частоту, совпадающую с частотой сети. Эти перенапряжения в литературе называют резонансными. Их длительность может достигать несколько секунд. Иногда резонанс возникает на гармониках напряжения.

Бороться с резонансными перенапряжениями очень сложно, так как из-за их длительного воздействия выделяется большое количество энергии и не один защитный аппарат (в том числе ограничитель перенапряжений) не выдерживает этого.

На линиях 330 кВ и выше являются опасными перенапряжения за счет емкостного эффекта линии. Они возникают только в ненагруженных линиях в результате каких-то коммутаций. Такие перенапряжения ограничивают реакторами.

При изолированной нейтрали напряжение на здоровых фазах при перенапряжении увеличивается в раз (1,7), а при заземленной нейтрали в 1,4 раза.

В 60 годах стали развиваться линии высокого и сверхвысокого напряжения. Происходило становление единой энергетической системы. Проводились очень большие исследования работы этих линий.