Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Резонансные перенапряжения в электрических сетях

1.1 Общие положения

Резонансные перенапряжения возникают только в односторонне питаемых электропередачах. Исключение составляет успешное ОАПВ.

Резонансные перенапряжения рассчитываются с учетом диапазона случайных колебаний реактивного сопротивления питающей системы и нелинейности характеристик намагничивания силовых трансформаторов, автотрансформаторов (АТР) и шунтирующих реакторов.

В отличие от коммутационных и грозовых перенапряжений, защита от которых состоит в ограничении их амплитуды, защита от резонансных перенапряжений направлена на то, чтобы полностью исключить возможность возникновения резонансных явлений либо создать такие условия, при которых величина и длительность сопутствующих перенапряжений были бы безопасными для электрооборудования.

Нелинейность характеристик намагничивания учитывается применением «типовых» характеристик:

для силовых трансформаторов i = 0,15 911 ;

для автотрансформаторов i= 0,713;

для компенсационных реакторов i= p + q3,

p и q - коэффициенты, значения которых определяются по таблицам руководства защиты от перенапряжений в зависимости от параметров реатора; - потокосцепление.

В качестве базисных величин для расчетнах формул (5.1 - 5.3) принимаются: , кВ; баз= 314 с-1. Для характеристики Iбаз=1,6Ixx и для характеристики , где Iхх - паспортное значение тока холостого хода, А; Iнр - номинальный ток реактора, А.

Для силовых трансформаторов, кОм



Для автотрансформаторов, кОм

Реактивности рассеяния между обмотками высокого-среднего, высокого-низкого и среднего-низкого напряжения (ХВС, ХВН, ХСН) определяются соответственно по формулам, Ом:

,

где Uном - номинальное напряжение трансформатора, В; Рн - номинальная мощность трансформатора, ВА; Uк - паспортные значения напряжения короткого замыкания для соответствующих обмоток, %.

Параметры ХВ, ХС, ХН трехлучевой схемы замещения трансформатора рассчитываются по формулам, Ом:

2ХВ= ХВН + ХВС - ХСН ; 2ХС=ХВС + ХСН - ХВН ; 2Хн= ХСН + ХВН - ХВС

1.2 Вынужденные напряжения переходного процесса в симметричном режиме

Вынужденное напряжение переходного процесса перенапряжений - это напряжение частоты 50 Гц, которое устанавливается после затухания электромагнитных процессов, вызванных какой-либо плановой или аварийной коммутацией, обычно через 0,03 - 0,06 с после коммутации.

Значение этого напряжения зависит как от схемы электропередачи (длина, конструкция фазы линии; мощность питающей системы; наличие, число и расположение шунтирующих реакторов), так и от нелинейных характеристик контуров намагничивания силовых трансфоматоров (или АТР) питающей системы и промежуточных подстанций. Нелинейные характеристики ОПН и корона на проводах влияют слабо и их учета не требуется. Случайный характер вынужденного напряжения определяется рядом факторов, связанных со схемой и режимом системы. Например: коммутации в различных точках питающей системы, включение и отключение шунтирующих реакторов и колебания э.д.с. как в результате ведения графика электропередачи, так и действия автоматических устройств регулирования возбуждения, плановых и аварийных ремонтов, случайности месторасположения к.з. на линии и т.п. В литературе [1] приводятся усредненные значения пределов случайных изменений и средние значения э.д.с. для электропередач, питающихся от шин станций, на генераторах которых имеется автоматическое регулирование возбуждения. Эти значения должны использоваться в расчетах установившихся напряжений.

Симметричный режим имеет место в результате плановых коммутаций включения линии, сброса нагрузки и аварийных коммутаций: успешного ТАПВ, отключения внешнего к.з. и разрыва передачи при асинхронном ходе.

Расчетная схема для определения вынужденного напряжения в симметричном и несимметричном (при однофазном к.з.) режимах при всех коммутациях, кроме успешного ОАПВ, для электропередач 110 - 330 кВ показана на рис.5.1,а, а для 500, 750 кВ - на рис.5.1,б.

Значения параметров электропередач принимаются усредненными и выбираются из таблиц [2]. В частности, для электропередач 110 кВ: Z= 385 Ом, Z(0)= 845/875 Ом, /10-3= 1,0605 рад/км, (0)/10-3= 1,5464/1,5965, где Z и - значения для прямой и обратной последовательностей; Z(0) и (0) - значения для нулевой последовательностей, причем в числителе для линий со сплошными тросами, а в знаменателе - для линий с разрезанными тросами. Для ЛЭП 220 кВ: Z= 405 Ом; Z(0)= 785/820 Ом; /10-3=1,0704 рад/км; (0)/10-3=1,5022/1,6336 рад/км.

Расчетные схемы для определения вынужденного напряжения при всех коммутациях, кроме успешного ОАПВ

Х1= Х'd + Xтр или Х1= Хп +Хтр,

где Х'd - переходное сопротивление генератора; Хп - реактивность питающей системы; Хтр - реактивность трансформатора.

Для схемы на рис..1,а вынужденное напряжение в симметричном режиме равно

где l - волновая длина линии по прямой последовательности; lэ - волновая длина эквивалентной линии, замещающей Х1.

 где

В течение года реактивность Х1 может меняться от минимального - Х1мин до максимального значения - Х1макс так же, как и э.д.с. от Емин до Емакс. Поэтому для известных значений Х1мин и Х1макс, Емин и Емакс производится расчет U1 и U2 и определяются минимальные и максимальные значения U1 и U2. Если U1макс 1,15, то учет насыщения магнитопроводов не требуется. В противном случае влияние насыщения магнитопроводов на значения напряжений U1 и U2 следует учесть, для чего вычисляются значения безразмерных параметров 1 и2 по следующим формулам:

(5.9.)

Для схемы рис.5.1,б

По кривым Uнас=f(U1) [2] в соответствии с рассчитанными значениями 1 и 2, а также минимальным и максимальным значениями напряжения U1, рассчитанным без учета насыщения, определяются минимальное и максимальное напряжения на питающем конце линии: U1нмин и U1нмакс. Соответственно на разомкнутом конце линии



Математическое ожидание вынужденного напряжения на разомкнутом конце линии и дисперсия равны:

Вероятность того, что в симметричном режиме напряжение на разомкнутом конце линии не превзойдет своего максимального значения в годовом интервале случайных изменений U2 равна

1.3 Вынужденные напряжения в несимметричном режиме при однополюсном коротком замыкании

Этот режим имеет место в результате аварийных коммутаций разрыва электропередачи вследствие ликвидации несимметричного к.з., возникшего в результате неуспешного ТАПВ или ошибок оперативного персонала. Вынужденное напряжение вычисляется через коэффициент несимметрии hk: Uk=Uhk. Оно может изменяться в течение года от минимального Ukмин до максимального Ukмакс значения. Статистический характер этой величины определяется как факторами, приводящими к случайным изменениям U, так и случайным месторасположением вдоль линии точки короткого замыкания. Максимальное и минимальное значения вынужденного напряжения при ненасыщенных магнитопроводах на разомкнутом и питающем концах линии определяются по формулам:

U2kмакс=U2максhk2 ; U1kмин=U1минhk1,

где U2макс и U1мин рассчитываются по формулам (5.7, 5.8); hk2 и hk1 - значения коэффициента несимметрии hk при однополюсном к.з. в конце и начале линии соответственно.

Значение hk рассчитывается по формуле

Значение к определяется в зависимости от того, в каком месте произошло к.з. - в начале или в конце линии. При к.з. на конце линии или вблизи него л рассчитывается по формулам:

Индекс в скобках указывает вид последовательности: 2 - обратная, 0 - нулевая. Отсутствие цифры в верхней части буквы, обозначающей тот или иной параметр схемы электропередачи, указывает, что этот параметр относится к прямой последовательности.

При к.з. в начале линии или вблизи него к рассчитывается по следующим формулам:

1=1;

1=1; 2=Х(2)/Х.

Математическое ожидание

1.4 Вынужденное напряжение при несимметричном режиме и успешном ОАПВ

Цикл успешного ОАПВ состоит из трех последовательных коммутаций: к.з. на землю одной из фаз, заканчивающееся двусторонним отключением аварийной фазы; автоматическое включение аварийной фазы после бестоковой паузы длительностью tОАПВ одним из двух линейных выключателей; полное включение аварийной фазы вторым выключателем.

Вынужденное напряжение при успешном ОАПВ - это напряжение, устанавливающееся в промежутке времени между окончанием бестоковой паузы и моментом замыкания фазы в транзит вторым линейным выключателем. Математическое ожидание, дисперсия и функция распределения значений данного напряжения определяются теми же факторами, что и распределение симметричного вынужденного напряжения, но учет влияния нелинейности характеристик намагничивания не требуется.

Защита от перенапряжений в паузе успешного ОАПВ необходима, если на рассматриваемой электропередаче восстанавливающееся напряжение Uв на выключателе аварийной фазы превышает допустимое значение для ОПН при длительности tОАПВ. Возможно применить одну из следующих мер защиты:

отключение на время tОАПВ хотя бы одного из шунтирующих реакторов, что приводит к расстройству резонанса и уменьшению восстанавливающегося напряжения до значения (1 1,1)Uф;

использование схемы четырехлучевого реактора, когда звезда шунтирующих реакторов Lp заземляется через нулевой реактор Lo, при этом значение восстанавливающегося напряжения не превышает фазного значения.

На рис.2,а представлена расчетная схема электропередач 220, 330 кВ для определения вынужденного напряжения при успешном ОАПВ, а на рис.5.2,б - расчетная схема электропередач 500, 750 кВ.

Расчетные схемы для определения вынужденного напряжения

в коммутации успешного ОАПВ

Расчет вынужденного напряжения производится по формуле

Для электропередач 220 и 330 кВ вспомогательный параметр q вычисляется по формулам 5.23 и 5.24, где ni и i (i=0; 1) определяется по параметрам нулевой и прямой последовательностям соответственно.

Угол между э.д.с. Е1 и Е2 вычисляется по формуле

Значения U2 рассчитываются по формулам .

Для электропередач 500 и 750 кВ вспомогательные параметры n, m и рассчитываются по следующим формулам

Угол вычисляется по параметрам прямой последовательности.

Значения Х1 и Х2, Е1 и Е2 в течение года изменяются в пределах от минимального значения до максимального. Для определения статических характеристик вынужденных напряжений рассчитываются минимальное q1 и максимальное q2, минимальное 1 и максимальное2 и затем определяются минимальное Uамин и максимальное Uамакс значения вынужденного напряжения, которые могут быть в течение года:

Математическое ожидание вынужденного напряжения частоты 50 Гц в несимметричном режиме при успешном ОАПВ вычисляется по формуле:

1.5 Вынужденные перенапряжения при неполнофазных режимах

Перенапряжения, возникающие в неполнофазных режимах, могут существовать только в односторонне питаемых блочных или полублочных электропередачах, питаемых от трехобмоточных трансформаторов или автотрансформаторов, третичная обмотка которых замкнута в треугольник. Перенапряжения возможны, если безразмерный параметр М отрицателен.

Формулы для расчета параметров, входящих в формулу , зависят от рассматриваемой схемы сети и приведены в табл.5 [2].

При двустороннем питании, отсутствии или разомкнутом треугольнике третичной обмотки перенапряжения в неполнофазных режимах невозможны (М0).

Величина перенапряжений ограничивается активными потерями и насыщением стальных сердечников трансформаторов и АТР, однако при параметрах электропередач, близких к точке резонанса, их значение может достигать (1,82,1)Uф.

Кратность перенапряжений относительно земли на недовключенной (или недоотключенной) фазе без учета потерь на корону можно оценить по формуле

Кратность перенапряжений, ограниченная потерями на корону, вычисляется по формуле К=Кб/(1+к), где к - коэффициент, учитывающий снижение короной кратности перенапряжений, определяемый по рис.9 [2] в зависимости от значений Кб, М и Uк - напряжения начала общей короны.

Защита от перенапряжений при неполнофазном резонансе необходима, если их кратность превышает допустимые значения. Наиболее рациональным является отказ от схем , в которых возможно образование односторонне питаемых блочных электропередач. Если это невозможно, например, в ремонтных режимах или в электропередачах 500, 750 кВ с шунтирующими реакторами, вынесенными непосредственно на участки ВЛ, т.е. за линейный выключатель, то эффективны следующие релейные защиты или их комбинации:

- защита от повышения напряжения;

- защита от переключения фаз, которая дает команду на отключение двух включенных фаз, когда неполнофазность вызвана отказом при включении выключателем третьей фазы и, наоборот, дает команду на включение двух отключенных фаз, если неполнофазность вызвана отказом при отключении выключателем третьей фазы.

Полностью снимает проблему перенапряжений при неполофазном резонансе замыкание электропередач в транзит выключателем противположного конца.

2. Координация изоляции по уровню внутренних перенапряжений и особенности выбора ОПН

2.1 Координация изоляции по уровню внутренних перенапряжений

Уровень внутренней и внешней изоляции электрооборудования должен быть скоординирован с воздействующими на нее внутренними перенапряжениями.

Для координации электрической прочности изоляции со значениями воздействующих на нее внутренних перенапряжений установлены испытательные кратковременные напряжения промышленной частоты.

При их определении за основу берется расчетное значение внутренних перенапряжений Uрасч вн = Кр Uнр, где Кр - расчетная кратность внутренних перенапряжений, значения которой приведены в табл.6.1; Uнр - наибольшее рабочее напряжение.

Расчетные кратности внутренних перенапряжений

Uном, кВ	3 - 10	15; 20	35	110 - 220	330	500	750	1150
Кр	4,5	4	3,5	3	2,7	2,5	2,1	1,8

Испытательные напряжения коммутационных импульсов установлены для электрооборудования 330 - 500 кВ. Изоляция аппаратов, изоляторов и измерительных трансформаторов испытывается апериодическими импульсами 250/2500 мкс. Для испытания внутренней изоляции силовых трансформаторов применяются колебательные импульсы 100/1000 мкс.

В частности, испытательные напряжения коммутационных импульсов для изоляции относительно земли установлены на 15% выше амплитудного значения верхнего предела пробивного напряжения при промышленной частоте вентильных разрядников, используемых для ограничения внутренних перенапряжений. Этот интервал учитывает возможность уменьшения кратковременной прочности внутренней изоляции в условиях эксплуатации, отличие формы испытательного импульса от реальных в эксплуатации, снижение разрядных напряжений внешней изоляции при работе оборудования на высоте 1000 м и температуре 35С.

Расчетная кратность перенапряжений должна быть обеспечена комплексом мер по ограничению внутренних пернапряжений, в том числе правильным выбором нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН), которые в настоящее время в энрегосистемах и электрических сетях устанавливают взамен вентильных разрядников.

2.2 Особенности выбора ОПН для ограничения внутренних перенапряжений в электрических сетях напряжением до 35 кВ

Основные параметры ОПН (в дальнейшем «ограничитель») выбираются исходя из его назначения, требуемого уровня ограничения перенапряжений, места установки, а также схемы сети и ее параметров.

Электрические сети напряжением до 35 кВ работают с изолированной или с компенсированной нейтралью и в ряде случаев допускают длительныю работу с однофазным замыканием на землю. В этом случае наибольшее длительно допустимое напряжение ограничителя Uнро выбирается равным наибольшему рабочему напряжению электрооборудования для данного класса напряжения, приведенного в табл.6.2.

Наибольшее рабочее напряжение электрооборудования

Класс напряжения, кВ	6	10	15	20	35
Uнр, кВ	7,2	12	17,5	24	40,5

Если длительность однофазного замыкания на землю ограничена, то наибольшее длительно допустимое напряжение ОПН рассчитывается как Uнро=Uнс/Кt, где Uнс - наибольшее возможное фазное напряжение сети, длительностью не менее 6 часов в сутки, повторяющееся не менее двух раз в году, измеренное в месте установки ОПН; Кt - коэффициент, равный отношению допустимого изготовителем повышения напряжения в течение времени t к наибольшему допустимому рабочему (или номинальному) напряжению ограничителя

Kt=A B lgt,

где А и В - коэффициенты, значения которых зависят от типа ОПН и фирмы-изготовителя.

Остающееся напряжение на ограничителе при расчетном токе коммутационных перенапряжений должно быть не более выдерживаемого напряжения, значения которого приведены в соответствующих таблицах [3]. Значения выдерживаемых изоляцией напряжений устанавливаются на основе значений одноминутных испытательных напряжений по формуле, кВ макс,

,

где Ки - коэффициент импульса, учитывающий упрочнение изоляции при коротком импульсе по сравнению с воздействием напряжения частоты 50 Гц; Кк - коэффициент куммулятивности, учитывающий многократность воздействия перенапряжений и старение изоляции; U1мин - значение одноминутного испытательного напряжения. Для трансформаторов и АТР Ки=1,35; Кк=0,9; для аппаратов Ки=1,1 и Кк=1.

Расчетный ток коммутационных перенапряжений зависит от вида и величины неограниченных перенапряжений. Значение этого тока определяется в результате расчета переходных процессов для рассматриваемой коммутации или с некоторым запасом принимаемый равным 500 А при воздействии на ограничитель коммутационного импульса 30/50 мкс.

При выборе ограничителя необходимо в каждом конкретном случае учитывать и ряд других обстоятельств [4]. Например, одним из наиболее опасных энергетических воздействий на ограничитель являются коммутационные перенапряжения, возникающие при отключении длиннных кабельных линий и конденсаторных батарей с повторными пробоями между контактами выключателя. Энергия, Дж, которую должен поглотить ограничитель, может быть приближенно определена по формуле

W=0,5C[(0,82KпUнс)2 (1,77Uнро)2]

где C - емкость кабеля или батареи конденсаторов, мкФ; Кп - коэффициент перенапряжений, рекомендуется Кп=3; Uнс - наибольшее рабочее напряжение сети, кВ; Uнро - наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение ограничителя, кВ.

Особенности выбора ОПН для защиты от коммутационных перенапряжегний сети собственных нужд электростанций

В сетях собственных нужд (СН) электростанций ОПН устанавливаются для защиты сети и электродвигателей от коммутационных перенапряжений, вызванных дуговыми замыканиями на землю. Электродвигатели имеют наименьший выдерживаемый уровень изоляции, поэтому ограничитель выбирается из условия ограничения перенапряжений применительно к электродвигателю. При этом наибольшее рабочее напряжение сети не должно превышать 1,1Uном электродвигателя, а длительность существования однофазного замыкания на землю не должна превышать двух часов.

Требуемый уровень ограничения коммутационных перенапряжений при дуговых замыканиях на землю обеспечивается при расчетном токе коммутационного импульса через ОПН, равном 100 А. Соответственно U500 (остающееся напряжение на ОПН при токе 500 А) для Uнро=6 кВ должно быть не более 14,5 - 14,7 кВ.

Амплитуда импульса пропускной способности ограничителя на прямоугольной волне длительностью 2000 мкс зависит от значения емкостного тока замыкания на землю в сети СН. При емкостном токе не более 10 А и работе сети с изолированной нейтралью или при емкостном токе до 100 А и работе сети со 100 % компенсацией емкостного тока амплитуда импульса тока пропускной способности ограничителя должна быть не ниже 500 А. При емкостном токе замыкания на землю более 100 А и работе сети с компенсацией емкостного тока замыкания на землю амплитуда тока пропускной способности должна быть не ниже 1000 А.

В сетях с изолированной или компенсированной нейтралью наибольшие энергетические воздействия на ОПН соответствуют работе ограничителя при дуговых перенапряжениях однофазного замыкания на землю..В случае с компенсированной нейтралью в расчетах принимают 10 % недокомпенсацию емкостного тока замыкания на землю, которая моделирует возможный аварийный режим.

Суммарная энергия, рассеиваемая ограничителем в процессе дуговых замыканий на землю, с учетом повторных зажиганий дуги определяется как W=nW1, где W1 - наибольшая энергия, рассеиваемая ограничителем в одном цикле «гашение - зажигание» в кДж и определяемая по функциям W1=f(Ic) для разных классов напряжения сети разных значений остающегося напряжения ограничителя при коммутационном импульсе тока 500 А, U500 [3]; n - число зажиганий дуги с наибольшей энергией за одно зажигание.

n= 30 0,1 Ic , где Iс - емкостный ток замыкания на землю, А, для сети с изолированной нейтралью, либо ток недокомпенсации сети с компенсированной нейтралью.

В сетях СН электростанций при замыкании нейтрали заземляющего трансформатора на землю через резистор значение его сопротивления выбирается так, чтобы ток через резистор был не менее тока замыкания на землю. В этом случае перенапряжения при дуговых замыканиях на землю ограничиваются до уровня (2,2 2,4)Uф, а релейная защита надежно отключает поврежденное присоединение. В этом случае наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение ограничителя выбирается из следующих условий:

наибольшее рабочее напряжение сети не должно превышать 1,1 номинального напряжения электродвигателя;

длительность однофазного замыкания на землю определяется временем действия релейной защиты на отключение поврежденного участка сети, обычно не превышающего 5 с.

При условии ограничения перенапряжений резистором до 2,4 Uф и ниже и отключения однофазного замыкания на землю не более 1 с пропускная способность ограничителя должна быть не менее 250 А. С увеличением длительности работы релейной защиты ток пропускной способности должен быть увеличен.

2.3 Особенности выбора ОПН для ограничения внутренних перенапряжений в электрических сетях напряжением 110 - 750 кВ

Ограничитель, выбранный по наибольшему уровню напряжения в сети в точке его установки [5], должен быть проверен на соответствие его временных допустимых повышений напряженгий квазиустановившимся перенапряжениям при различных видах коммутаций с учетом времени действия релейной защиты и противоаварийной автоматики.

Квазиустановившиеся перенапряжения, их амплитуда и длительность, определяющие выбор ограничителя, зависят от электрической схемы, в которой происходит коммутация, ее параметров, вида коммутации, места установки ОПН и т.п.

Для ОПН, устанавливаемых на шинах или трансформаторах (АТР), которые по схеме ОРУ не коммутируются вместе с линией или коммутируются с линией длиной не более 50 м, определяющими являются квазиустановившиеся перенапряжения на неповрежденных фазах при несимметричном к.з. на шинах подстанции. В этом случае амплитуда квазиустановившихся перенапряжений UyUф, а длительность определяется временем действия релейной защиты, отключающей к.з.

Для ограничителей, установленных на линии, шунтирующем реакторе на линии или на присоединенных непосредственно без выключателей к линии трансформаторах, определяющими будут квазиустановившиеся перенапряжения:

- при трехфазном односторонненм отключении однофазного к.з. на противоположном конце линии;

- при трехфазном одностороннем отключении линии при действии автоматики прекращения асинхронного хода;

- при неполнофазных режимах одностороннего включения или отключения линии с подключенными к ней шунтирующими реакторами, трансформаторами, автотрансформаторами.

Длительность существования вышеуказанных перенапряжений принимается следующей:

- для коммутации одностороннего отключения однофазного к.з. принимается длительность равная времени каскадного отключения линии по ее концам при действии первых и последних ступеней линейных и трансформаторных релейных защит, в среднем 4 с;

- при трехфазном отключении асинхронного хода при действии второй ступени автоматики от повышения напряжения с уставкой по напряжению (1,2 1,3)Uн/ длительность принимается равной от 0,5 до 1,0 с, при действии первой ступени с уставкой - до 5 10 с;

- при резонансных перенапряжениях, возникающих во время ОАПВ линий с реакторами, длительность перенапряжений принимается равной продолжительности бестоковой паузы 1 2 с;

- при неполнофазных коммутациях линии с подключенными к ней трансформаторами (АТР) длительность перенапряжений принимается равной времени действия устройства резервирования отказа выключателей (УРОВ) или действия других защит.

Расчет амплитуд квазиустановившихся перенапряжений производится по методике, описанной в разделе 5 и приведенной в [1,6,7].

В схемах, где линия может коммутироваться вместе с трансформатором или АТР, необходимо учитывать возможность появления переходного резонанса на 2-й и 3-ей гармонике. Условия появления переходного резонанса:

для 2-й гармоники 1,6св2,2;

для 3-ей гармоники 2,4св,

где св - частота свободных колебаний; = 314 с-1.

Причем, чем ближе значения св к двойной или тройной промышленной частоте, тем выше значения высших гармоник.

Частота свободных колебаний в зависимости от расчетных условий определяется путем построения частотных характеристик [1,7]. В частности для схемы симметричного одностороннего включения линии частотная характеристика строится по формуле где Lc - индуктивность системы, - входное сопротивление линии по прямой последовательности.

Частота свободных колебаний находится при Zэ = 0 в точке пересечения частотной характеристики с осью абсцисс.

Значение напряжения при переходном резонансе можно определить, добавляя к значению амплитуды установившихся перенапряжений Uу при несимметричных коммутациях линий длиной 75-250 км, величину 0,3. Время существования такого режима принимается равным 0,3 с, 0,5 с и 0,70,8 с соответственно для линий 110-150, 220-330 и 500-750 кВ. При симметричной коммутации аналогично определяется значения перенапряжений для длин линий 150-350 км.

Особым случаем для сетей 110 кВ является неполнофазная коммутация линии с подключенными к ней трансформаторами с разземленными нейтралями на отдельных подстанциях при сохранения эффективного заземления нейтрали сети. Эти перенапряжения возникают при отказах фазы выключателя при включениях и отключениях линии головным выключателем или при обрывах проводов фазы воздушной линии или ее отпаек. Повышения напряжения обусловлены последовательным включением индуктивных сопротивлений намагничивания фаз трансформатора и емкости оборванной фазы линии.

Определение перенапряжений на емкости линии Uуф и на нейтрали трансформатора Uун при неполнофазном режиме линии 110 кВ

1 - обобщенная зависимость Uф =f(I); 2 - зависимость напряжения на емкости линии Uфл= f(I); 3 - обобщенная зависимость Uн=f(I)

Параметры зависимостей на рис.6.1 приведены в относительных единицах (о.е.): напряжения по отношению к номинальному фазному напряжению трансформатора; тока - по отношению к номинальному току намагничивания трансформатора (току холостого хода).

Зависимость напряжения на емкости линии рассчитывается по формуле

где у(о) - удельная проводимость линии по нулевой последовательности, См; l - длина линии, км; Iн - номинальный ток намагничивания трансформатора, А; I - ток намагничивания, о.е.; Uфн - номинальное фазное напряжение трансформатора, кВ.

Пересечение прямой Uфл (2) с обобщенной зависимостью Uф (1) дает значение установившегося перенапряжения на линии - Uуф, а пересечение с зависимостью Uн - соответствующее перенапряжение на нейтрали трансформатора - Uун.

Эти перенапряжения могут существовать несколько часов, поэтому их длительность для дальнейших расчетов принимается равной 104 с.

Выбор номинального напряжения ОПН

Перед выбором номинального напряжения ОПН для рассматриваемой электрической схемы сети и места установки ОПН определяются виды воздействующих квазиустановившихся перенапряжений на ограничитель, их значения и длительность воздействия.

Из всех полученных значений квазиустановившихся перенапряжений выбирается наибольшее Uy1 и соответствующее ему значение длительности ty1. Из всех значений длительностей перенапряжений выбирается наибольшая ty2 и соответствующее ей значение Uy2.

По зависимости Кt=f(t) для случая «с предварительным нагружением энергией» по значениям ty1 и ty2 определяются значения коэффициентов Кt1 и Kt2.

где t - длительность приложения повышенного напряжения, с; а и b - коэффициенты, зависящие от выбранного типа ограничителя.

Значения номинального (или длительно допустимого рабочего) напряжения ОПН рассчитываются как Uн1=Uy1/Kt1 и Uн2=Uy2/Kt2 .

Для наибольшего из полученных значений подбирается по каталогу или таблицам ближайшее большее значение номинального напряжения выбранного типа ОПН Uн и соответствующее ему наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение Uнро.

После выбора номинального напряжения устанавливается достаточность параметров выбранного ОПН по условиям работы в квазиустановившихся режимах, для чего определяются временно допустимые длительности tвдi для всех действующих на данный ОПН квазиустановившихся перенапряжений.

Значения tвдi определяются по зависимостям Кt=f(t) для случая «с предварительным нагружением», если ограничитель имеет энергоемкость не более 5 кДж/кВUн , и для случая «без предварительного нагружения», если энергоемкость ограничителя не менее 6 кДж/кВUн, приняв Кt=Uy/Uн или Кt=Uy/Uнро.

В случаях, когда коммутационные перенапряжения во время переходных процессов Uк приблизительно равны квазиустановившимся Uy (резонансные схемы возбуждения высших гармоник, самовозбуждение генераторов, неполнофазные режимы включения и отключения воздушных линий с шунтирующими реакторами и т.п.), расчет tвдi производится по зависимости Кt=f(t) “без предварительного нагружения».

При Uy>1,5 или возможности длительного существования квазиустановившегося режима соответствие выбранного ОПН эксплуатационным условиям по величине временно допустимой длительности проверяется по формуле

где tвдi - допустимое время текущего воздействия напряжения на наиболее нагруженный элемент ограничителя; tai и tbi - нормируемая допустимая длительность текущего воздействия по зависимостям А и В Кt=f(t); Wкфз - энергоемкость ОПН производства Корниловского фарфорового завода для рассматриваемого класса напряжения сети; Wопн - энергоемкость ОПН, произведенного другой фирмой.

Если в течение 2-3 часов подряд возможно несколько коммутаций и появлений квазиустановившихся перенапряжений (происходит ускоренное сокращение ресурса ОПН), то производится пересчет временно допустимой длительности текущего воздействия перенапряжения с учетом всех предыдущих срабатываний ОПН от 1 до m, имевших место в течение этих 2-3- часов:

Выбранное значение номинального напряжения ОПН считается удовлетворительным, если tдопi > tyi.

Для схем, в которых линия может коммутироваться вместе с трансформатором или АТР должны выполняться условия:

для обслуживаемых подстанций tдопm > Tдоп = 3600 с;

для необслуживаемых подстанций tдоп m > Tдоп = 11000 с.

Определение защитного уровня ОПН

при коммутационных перенапряжениях

Остающееся напряжение на ОПН при расчетном токе должно быть не менее чем на 15-20 % ниже испытательного напряжения коммутационным импульсом Uки защищаемого оборудования: Uост ки (0,80,85)Uки.

Испытательное напряжение коммутационным импульсом нормируется ГОСТ 1516.3-96 для электрооборудования напряжением 330 кВ и выше.

Для оборудования 110-220 кВ нормируется одноминутное испытательное напряжение промышленной частоты U1мин, для которого Uки =1,71U1мин.

Расчетный ток коммутационных перенапряжений Iрк зависит от вида и величины неограниченных перенапряжений. В зависимости от интенсивности переходных процессов и требуемой надежности защиты его значение принимается равным 500 или 1000 А.

При необходимости статистической координации изоляции с 2 % вероятностью (для случаев трехфазного АПВ после неуспешного повторного включения; отключения асинхронного хода на конце длинной линии, передающей большие мощности) значение остающегося напряжения определяется из решения системы уравнений:

Где Uк - неограниченное коммутационное перенапряжение в сети, принимаемое равным при отсутствии расчетов 3,5Uф для воздушных линий и 3Uф - для кабельных; Ккн = 1,21,3 - коэффициент несимметрии, учитывающий неодновременность срабатывания ОПН в различных фазах; Z - волновое сопротивление линии по прямой последовательности; Ip - разрядный ток через ОПН; 0,05 - коэффициент нелинейности ОПН; С - постоянная, определяемая по нормируемым значениям Iрн и Uост кн:



Решение получается графоаналитическим путем: по уравнению (1) строится вольтамперная характеристика ОПН или ее часть в диапазоне токов выше и ниже Iрн и напряжений в области U ост кн, затем строится прямая (2). Точка пересечения этих зависимостей дает значения Uост к и Ip при заданном Uк. Все расчеты выполняются в амплитудных значениях напряжения и тока.

Если выбранный ОПН не удовлетворяет условиям защиты от коммутационных перенапряжений, то выбирают другой с тем же значением Uн, но большего класса энергоемкости или увеличивают количество подключенных ограничителей.

Особенности выбора ОПН по условиям работы в распредустройствах электростанций

При выборе ОПН для работы в распредустройствах электростанций расчетным видом перенапряжений является случай однофазного к.з. на шинах или вблизи них на отходящих линиях. При этом под воздействием АРВ и форсировки возбуждения резко возрастает тток возбуждения ротора и, соответственно, внутренняя э.д.с. генератора, напряжение на выводах трансформаторов и шин ОРУ до (1,11,2)Uф.

Длительность существования этих перенапряжений определяется временем отключения к.з. линейными или трансформаторными выключателями, их резервированием под действим УРОВ, а также временем гашения поля генераторов.

При наличии на станции выделяемых (в ходе коммутаций или действия противоаварийной автоматики) блоков, работающих на малонагруженную линию длиной 150-350 км, возможно возникновение переходного резонанса на 2-й или 3-ей гармонике. В это случае рекомендуется применение ОПН повышенных классов энергоемкости.

Переходный феррорезонанс

Переходный феррорезонанс возможен только в односторонне питаемых блочных или полублочных передачах, где ВЛ коммутируется вместе с невозбужденным или недовозбужденным при разрыве передачи вследствие отключения внешнего к.з. силовым трансформатором. Такие коммутации имеют место при плановом включении, ТАПВ, отключении внешнего к.з., а также при подключении к линии невозбужденного трансформатора.

Физическая природа этого вида перенапряжений следующая. В любой из перечисленных коммутаций в магнитной цепи трансформатора начинается переходной процесс установления нового режима. Исходное состояние магнитной цепи скачком измениться не может, поэтому в потокосцеплении, кроме основной гармоники 1(t)cost, должна появиться свободная затухающая апериодическая составляющая о(t). Наличие в потокосцеплении апериодической составляющей приводит к появлению в токе намагничивания, кроме основной как нечетных, так и четных составляющих, которые будут существовать, пока апериодическая составляющая не затухнет.

Гармонические составляющие тока намагничивания вызывают на элементах цепи падения напряжения, что по своему действию эквивалентно введению в систему продольных э.д.с. соответствующей частоты, поэтому, если одна или несколько частот свободных колебаний электропередачи, коммутируемой в блоке с невозбужденным трансформатором, близка к частоте какой-либо гармонической в токе намагничивания, возникнут резонансные повышения напряжения соответствующей частоты. Эти перенапряжения будут существовать до тех пор, пока не завершится переходной процесс установления нового режима магнитной цепи или, что то же самое, пока не затухнет апериодическая составляющая потокосцепления.

Величина и время существования перенапряжений при явлениях переходного феррорезонанса зависят от значения первой собственной частоты электропередачи и активных потерь в системе, задаваемых, в первую очередь, активными нагрузками. Такие факторы, как мощность трансформатора, тип выключателя (пофазный или общий привод), характер заземления нейтралей обмоток высокого напряжения трансформатора, играют второстепенную роль.

Схемы, в которых возможен переходной феррорезонанс, качественно делятся на две группы: слабо демпфированные с наибольшими перенапряжениями и демпфированные с малыми перенапряжениями. Степень демпфирования определяется структурой питающего источника, наличием нагрузки на трансформаторах промежуточных подстанций и, в меньшей степени, активным сопротивлением проводов.

Принципиальные схемы источника питания

1 - коммутируемый выключатель; 2 - коммутируемая ВЛ

По структуре источника питания к демпфированным схемам относится схема на рис.3.8,а (схема типа «сборные шины»), к слабо демпфированным - источники питания с выделенным понижающим трансформатором (схема на рис.3.8,б) или в виде блока генератор-трансформатор (схнма на рис.3.8,в). В слабо демпфированных схемах длительность перенапряжений переходного феррорезонанса составляет 1 1,5 с; в демпфированных - уменьшается до 0,2 0,3 с. В схемах с проходными и отпаечными подстанциями на коммутируемой линии нагрузка на их понижающих трансформаторах дает заметный демпфирующий эффект даже при значениях, соответствующих минимуму суточного графика нагрузки.

Перенапряжения при переходном резонансе на частотах 100 и 200 Гц подвержены большим разбросам, так как определяются большим числом как независимых, так и связанных между собой случайных величин. Сюда относятся случайно меняющиеся от коммутации к коммутации и от одной электропередачи к другой угол включения выключателя, годовые колебания предвключенной индуктивности питающего источника, график передачи мощности по ВЛ, амплитуда основной составляющей потока в точке подключения трансформатора и др.

Сопоставление уровней максимальных перенапряжений при переходном феррорезонансе с допустимыми воздействиями показывает, что защита необходима в слабо демпфированных схемах для электропередач 110 - 500 кВ если определяемая по номограмме [1] наименьшая из частот собственных колебаний электропередачи к, и в передачах 750 кВ, если их собственная частота к.

Наименьшая из частот собственных колебаний коммутируемой блочной (полублочной) электропередачи определяется по расчетной схеме вида « источник э.д.с. - предвключенная реактивность - линия с распределенными параметрами». При этом понижающие трансформаторы промежуточных подстанций на виличину к/ практически не влияют и поэтому учитываться не должны. Значение эквивалентного индуктивного сопротивления питающего источника Хс должнл определяться с замещением генераторов переходной реактивностью Х'd.

Способы защиты от перенапряжений при явлениях переходного феррорезонанса:

эксплуатационными инструкциями запретить как коммутации линии в блоке с невозбужденным трансформатором (АТР), так и подключение к линии невозбужденного трансформатора или АТР. При необходимости подобных коммутаций трансформатор (или АТР) должен быть предварительно возбужден со стороны обмоток НН или СН, если в этих сетях есть генерирующие источники, либо нагружен местной нагрузкой;

на стороне низшего напряжения трансформатора или АТР, коммутируемого в блоке с ВЛ, устанавливается реактор, сигнал на кратковременное подключение которого подается одновременно (или с небольшим упреждением) с командой на включение или отключение выключателей блочной электропередачи. При АПВ подключение реактора осуществляется от действия устройств АПВ. Сигнал на отключение реактора подается от появления тока в обмотке реактора с выдержкой времени t X/60R, где Х и R - активное и реактивное сопротивления реактора.

3. Коммутационные перенапряжения

перенапряжение электрический сеть

3.1 Общие положения

Основной характеристикой внутренних перенапряжений (Uвн макс ) является их кратность по отношению к амплитудному значению номинального фазного напряжения (Uфm)

.

Перенапряжения при различного рода коммутациях могут быть обусловлены повышением напряжения установившегося режима и повышением напряжения во время переходного процесса. Повышение напряжения в установившемся режиме (Uуст) характеризуется кратностью установившегося (квазистационарного) перенапряжения

.

Повышение напряжения в переходном режиме по отношению к установившемуся характеризуется ударным коэффициентом

.

Расчеты переходных процессов чаще всего ведутся в системе относительных единиц.

В качестве базовых значений принимают угловую частоту источника , номинальное фазное напряжение Uф и волновое сопротивление линии Z. Тогда базовая мощность окажется равной натуральной мощности линии

.

Все остальные расчетные значения выражаются по отношению к базовым.

Относительные сопротивления сосредоточенных индуктивностей и емкостей

; .

В расчет переходных процессов входят индуктивности L и емкости C. В системе относительных единиц частота источника (синхронная частота) , поэтому и , т.е. численное значение индуктивного сопротивления и индуктивности, как и емкостной проводимости и емкости совпадают.

Всякая иная угловая частота, отличная от синхронной частоты, в относительных единицах равна .

Индуктивное сопротивление и емкостная проводимость линии длиной в относительных единицах выражаются следующим образом

;

,

где и - индуктивность и емкость линии на единицу длины; - длина линии, км; с - скорость света.

Произведение называют волновой длиной линии, выраженной в радианах.

3.2 Перенапряжения при включении разомкнутой линии

Одной из самых простых и распространенных операций является включение ненагруженной линии, которое сопровождается перенапряжениями сравнительно небольшой кратности. Этот процесс можно рассмотреть на схеме рис.2.1, где линия подключена к источнику синусоидального напряжения e(t)=Emsin(t + ), имеющего индуктивность Ls.

Включение разомкнутой линии под напряжение

Линии электропередачи являются элементами с распределенными параметрами, имеющими в переходном процессе бесконечное множество собственных частот колебаний, и напряжение в конце линии может быть найдено по формуле

,

где Umуст - амплитуда вынужденной составляющей напряжения; Umк - амплитуды свободных составляющих напряжения; к - угловые частоты свободных составляющих; к - коэффициенты затухания.

Расчет по этой формуле довольно сложен и с известной степенью приближения задача может быть решена более просто.

Большей частью волны коммутационного происхождения имеют положительный фронт и в этом случае линия может быть замещена простыми Т (l=200 300 км) или П (l=300 400 км) -образными схемами. В частности, приведенная на рис.2.1 схема может быть представлена в виде рис.2.2.

Если длина линии не превышает 400 км, то допустимо расчет коммутационных перенапряжений выполнить применительно к простому колебательному контуру, к которому приводится рассматриваемая линия

Т-образная схема замещения линии

Упрощенная схема замещения линии

Для Т-образной схемы замещения линии Lэ=Ls + 0,5Lol и Сэ=Соl, где Lo и Со индуктивность и емкость линии на единицу длины.

Для П-образной схемы замещения линии

 ; ,

где Xs - индуктивное сопротивление источника; Xл, bл - реактивные сопротивление и проводимость линии.

Для схемы рис.2.3 напряжение в конце линии совпадает с напряжением на емкости и содержит составляющую вынужденного режима и первую свободную составляющую

,

- частота источника;

- частота свободных колебаний;

- коэффициент затухания.

Амплитуда вынужденной составляющей

.

Амплитуда свободных колебаний

, .

Из приведенных формул видно, что максимальное напряжение в конце линии определяется в основном углом включения и частотой свободных колебаний 1.

Для ВЛ с Uном330 кВ обычно 1, при этом максимальные напряжения в конце линии будут иметь место при 90 или 270. На рис.2.4 представлены кривые переходного процесса для 1 (характерно для ВЛ 220, 330 кВ) и .

Переходной процесс при включении линии с 1 и при = 0

Как видно из рис., наибольшее перенапряжение достигается при втором максимуме.

На ВЛ с Uном 500 кВ для увеличения пропускной способности и компенсации индуктивности последовательно с линией включают емкость (УПК). Это приводит к отношению 1 , при котором максимальные перенапряжения будут иметь место при углах включения или 180. На рис.2.5 показан переходной процесс при включении ВЛ с 1 , и = 0.

При этом максимальные перенапряжения возникают на третьем максимуме кривой Uперех(t).

На рис. в переходных процессах учтены только первые гармоники свободных составляющих напряжения.



Переходной процесс при включении линии с 1 0,5 и = 0

На рис. показаны зависимости ударного коэффициента от угла включения линии и частоты свободных колебаний 1.

Зависимости ударного коэффициента от угла включения и частоты свободных колебаний

- 1 = 1,25; 2 - 1 = 2; 3 - 1 = 3;

4- 1 = 4; 5 - 1 = 7

Из рис. видно, что чем ближе частота свободных колебаний к основной частоте, тем Куд ниже при угле включения близком к 90. Исключение составляет частота 1 = 3, когда при = 90 максимумы вынужденной и свободной составляющих не совпадают. Кроме того с уменьшением 1 позднее наступает совпадение максимумов Umуст и Umсв и следовательно максимум переходного процесса. В этом случае большое влияние на значение максимального перенапряжения оказывает коэффициент затухания . Вычисление значения этого коэффициента является сложной задачей. По данным измерений на ВЛ 500 кВ среднее значение 30 с-1, что соответствует уменьшению Umсв за период Т=0,02 с на 45%.

Кривые Куд = f(), полученные для линии, идут выше аналогичных кривых, рассчитанных для эквивалентного колебательного контура, за счет высших гармоник и превышения амплитуды колебаний первой собственной частоты над амплитудой вынужденной составляющей. При больших мощностях источника и длине линий это различие увеличивается. Наличие реакторов поперечной компенсации увеличивает Куд , а продольная компенсация выравнивает кривую Куд=f(), уменьшая Куд вблизи максимума и увеличивая вблизи нулевого значения ЭДС, что объясняется влиянием субгармонических составляющих напряжения свободных колебаний.

В эксплуатации возможен случай, когда 1 , при этом выполняются условия резонанса на промышленной частоте. Тогда напряжение в конце ненагруженной линии

Колебания идут с постепенно нарастающей амплитудой, которая в пределе достигает значений установившегося напряжения во много раз превосходящего ЭДС источника

.

При длине линий до 100-150 км (ВЛ 110-220 кВ) перенапряжения достигают максимального значения вблизи амплитуды установившегося напряжения, поэтому приближенно

;

x,b - реактивные сопротивление и проводимость линии; Т1 - период собственных колебаний.

Включение блока трансформатор-линия без выключателя со стороны линии, рис. сопровождается появлением свободной составляющей магнитного потока трансформатора.

Включение блока трансформатор-линия

Совпадение свободной составляющей магнитного потока с вынужденной приводит через полпериода промышленной частоты к насыщению магнитной цепи и к появлению высших гармоник. Свободная составляющая магнитного потока затухает медленно (десятки периодов промышленной частоты) и переходной процесс получается затяжным, характеризуемым значительными перенапряжениями. Это явление получившее название переходного резонанса представляет опасность как для изоляции высоковольтного оборудования, так и для вентильных разрядников и особенно ОПН.

3.3 Пути снижения перенапряжений при включении ненагруженных линий

1. Меры ограничения вынужденной составляющей коммутационных перенапряжений. К ним относятся: деление дальних электропередач на участки длиной не более 250-300 км, с подключением к промежуточным точкам устройств поддержания нормального уровня напряжения; применение трансформаторов с регулируемым коэффициентом трансформации, шунтирующих реакторов и синхронных компенсаторов; выбор такой последовательности включения концов линии, при которой линия подключается сначала к шинам наиболее мощной подстанции, а затем - к шинам менее мощной.

2. Меры, направленные на ослабление переходной составляющей коммутационного процесса при включении линии. Это установка шунтирующих сопротивлений в выключателях и “синхронное включение” выключателей с выбором такого момента включения, при котором обеспечивается невысокое значение отношения Uмакс/Umуст. Ослабление интенсивности переходного процесса при включении линии можно достигнуть путем введения на время коммутации активных сопротивлений в цепь тока, протекающего по шунтирующим реакторам. Например, включение резистора в нейтраль обмоток группы трехфазных реакторов.

3. Использование вентильных разрядников и ОПН. Они поглощают в своих резисторах значительную часть энергии перенапряжений, что приводит к снижению их амплитуды.

Включение ВЛ выключателем с шунтирующими сопротивлениями

Включение линии начинается с замыкания контактов №1. Ток перезаряда емкости линии протекает через Rш , благодаря которому переходной процесс на линии идет в апериодическом режиме, не создавая больших перенапряжений. Через 10 - 20 мс включаются контакты №2. На этом этапе также возможен переходной процесс, но при Rш=600-1200 Ом он тоже не вызывает больших перенапряжений. Однако Rш должно иметь достаточно высокую термическую стойкость необходимую в случае включения линии на короткое замыкание. Применение шунтирующих сопротивлений позволяет ограничить перенапряжения до Uмакс/Umуст= 1,6.

“Синхронное включение” линии может осуществляться выключателем, снабженным устройством электронного или микропроцессорного типа для привязки момента включения к заданному углу включения. Это устройство должно давать управляющий включением импульс, опережающий выбранный момент включения на время срабатывания привода выключателя. При разбросе этого времени, не превышающем 1 мс, возможно снижение Uмакс/Umуст до 1,4.

Применение вентильных разрядников позволяет ограничить кратность коммутационных перенапряжений до 2,2-2,5, а применение ОПН - до 1,6. Однако при применении ОПН возрастают требования к снижению вынужденной составляющей напряжения сети.

Признано необходимым ограничивать перенапряжения при плановых включениях линий в сетях 330 кВ и выше. Применительно к сетям 330-750 кВ комплекс защитных мероприятий предусматривает: секционирование дальних ЛЭП длиной 250-300 км и установку шунтирующих реакторов на линиях, а также подключение к линиям вентильных разрядников типа РВМК.

3.4 Перенапряжения при автоматическом повторном включении линии

Большинство замыканий на воздушных линиях электропередачи носит дуговой характер и для их устранения широко применяют автоматическое повторное включение (АПВ). Рассмотрим переходной процесс на примере схемы рис..

Схема ЛЭП, оснащенной АПВ

Из-за разброса времени действия выключатели В1 и В2 отключают и включают линию неодновременно. Допустим, что выключатель В1 последним отключает линию и первым ее включает.

После выключения линии выключателем В1 заряд в поврежденной фазе стекает на землю через дугу, а на здоровых фазах напряжение выравнивается и, если нет реакторов поперечной компенсации или трансформаторов напряжения, подключенных к линии, то заряд медленно стекает на землю через активную проводимость изоляторов. В зависимости от состояния изоляторов, влажности воздуха и длительности бестоковой паузы перед повторным включением на здоровых фазах может оставаться от 50 до 70 % первоначального заряда.

...