Перенапряжения при отключении небольших индуктивных токов трансформаторов (реакторов)

Причиной коммутационных перенапряжений при отключении небольших индуктивных токов трансформаторов является эффект “среза тока” в выключателе. В настоящее время в нашей стране и за рубежом применяются вакуумные выключатели (ВВ), которые обладая высокой дугогасящей способностью, тем самым могут инициировать перенапряжения высокого уровня.

Гашение дуги между контактами такого выключателя наступает до естественного перехода отключаемого тока через нулевое значение. Если значение тока перед его срезом было i , то с ним была связана энергия магнитного поля отключаемой индуктивности:

.

С обрывом тока в выключателе ток в индуктивности мгновенно прекратиться не может, он продолжает течь, заряжая паразитную емкость отключаемого трансформатора и присоединенной к нему цепи С до тех пор, пока вся энергия не перейдет в энергию электрического поля емкости (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Схема замещения отключаемого ненагруженного трансформатора

Перенапряжение на отключаемом трансформаторе определяется из баланса энергии, оставшейся в отключенной цепи:

где - энергия, израсходованная на активные потери в сети в процессе зарядки емкости С током отключенной индуктивности, а энергия электрического поля этой емкости выражается формулой

.

Перенапряжения в этом случае определяются отключаемой индуктивностью L, связанной с ней паразитной емкостью С и током среза в выключателе i .

Активные потери снижают кратности перенапряжений. Эти потери зависят от формы кривой намагничивания трансформатора, вихревых токов в сердечнике при повышенной частоте, поверхностного эффекта в проводниках цепи, остаточной проводимости канала дуги и других факторов.

Теоретические расчеты кратности перенапряжений при отключении индуктивностей требуют, в силу указанных причин, большего объема исходных данных. В инженерной практике ориентируются преимущественно на результаты экспериментального определения перенапряжений такого типа. Общие закономерности, выявленные при сопоставлении данных различных исследований следующие.

1. Значения перенапряжений при отключении ненагруженных трансформаторов тем больше, чем меньше номинальная мощность и номинальное напряжение отключаемого трансформатора.

2. Значение перенапряжений может возрастать при отключениях трансформаторов с закороченной вторичной обмоткой, при отключении заторможенного двигателя.

3. Значение перенапряжений оказывается тем выше, чем сильнее дугогасящая способность выключателя и быстрее рост электрической прочности между расходящимися контактами. В выключателях с медленным ростом электрической прочности развивающиеся перенапряжения вызывают повторные зажигания дуги между контактами. Это приводит к высокочастотному разряду емкости С на цепь источника. Вследствие малого значения индуктивности источника эти колебания имеют очень высокую частоту. В процессе колебательного разряда запасенная в емкости энергия W в значительной мере рассеивается в сопротивлении R и дуге, напряжение на емкости уменьшается.

4. Опыты показали, что перенапряжения, связанные с отключением ненагруженных трансформаторов, частично трансформируются во все обмотки примерно пропорционально коэффициенту трансформации. Опасными для изоляции обмоток ВН могут быть и срезы тока выключателем на стороне среднего или низкого напряжения.

При протекании тока по обмоткам реакторов, трансформаторов, генераторов, двигателей образуется запас энергии

,

где ψ_μ – потокосцепление обмотки.

Разрыв контура, содержащего индуктивность, при значении тока i, отличного от нуля, должен сопровождаться преобразованием этой энергии в другие виды, в частности в энергию электрического поля. Этим объясняется возникновение перенапряжений на индуктивных элементах сети при их отключении.

При отключении малых индуктивных токов с амплитудой в десятки ампер и менее в контурах с малыми активными потерями могут создаваться условия для обрыва тока в выключателе до его естественного перехода через ноль - эффект “среза тока” в выключателе.

Активные потери снижают кратности перенапряжений. Эти потери зависят от формы кривой намагничивания трансформатора, вихревых токов в сердечнике при повышенной частоте, поверхностного эффекта в проводниках цепи, остаточной проводимости канала дуги и других факторов.

В момент обрыва тока мгновенное значение напряжения на емкости равно U ₀. Если не учитывать затухание процесса, то в контуре LC возникают незатухающие колебания, которые описываются уравнением

,

где ω₁= - собственная частота колебаний контура.

Максимальное напряжение на отключенной цепи

находится из баланса энергии .

Существенным фактором, определяющим предельные значения перенапряжений при срезах индуктивных токов в выключателях, является ограниченная скорость роста электрической прочности промежутка между расходящимися контактами выключателей. В большинстве выключателей, за исключением вакуумных и элегазовых, рост напряжения на контактах после обрыва индуктивного тока присходит быстрее, чем прочности межконтактного промежутка. В момент пересечения этих кривых дуга между контактами возникает вновь и рост напряжения на этом прекращается. Однако, поскольку сохраняются предпосылки для среза тока дуги, через сравнительно небольшой отрезок времени после ее зажигания она гасится вновь, и процесс повторяется.

В ряде случаев повторные зажигания дуги в выключателях происходят в течение двух и более полупериодов промышленной частоты. Чем дольше продолжается процесс повторных зажиганий, тем больше перенапряжения на отключаемой индуктивности трансформатора, что обусловлено постепенным ростом восстанавливающейся прочности между контактами выключателя. Предельные значения перенапряжений могут достигать 4 U _ф и более в сетях с номинальным напряжением 110 кВ и 2 U _ф в сетях 220-500 кВ.

Ограничивающее действие разрядников и ОПН в случае таких перенапряжений проявляется на подстанциях напряжением 110 кВ и выше, где они преимущественно устанавливаются вблизи трансформаторов, в сетях 6-35 кВ разрядники РВС или РВП и ОПН в основном подключаются к сборным шинам и не участвуют в ограничении таких перенапряжений.