Коммутационные перенапряжения

 

Исходные положения

После любой коммутации, как плановой, так и аварийной, возникают коммутационные перенапряжения. Коммутационные перенапряжения образуются при резком изменении структуры и параметров сети из-за заряда и перезаряда ее емкостей в процессе перехода системы от одного состояния к другому.

Наиболее важные виды коммутационных перенапряжений возникают при:

1) плановых включениях и отключениях ненагруженных линий, ненагруженных трансформаторов и автотрансформаторов и компенсационных реакторов;

2) аварийных разрывах электропередачи в процессе ликвидации короткого замыкания или асинхронного хода;

3) работе АВР;

4) включении или отключении разъединителями участков холостых шин ОРУ, ЗРУ, КРУЭ.

Если коммутация осуществляется выключателями, то в зависимости от вида возникающих перенапряжений, систем релейной защиты и автоматики, а также схемы и параметров элементов передачи, длительность воздействующих на изоляцию коммутационных перенапряжений может находиться в интервале от нескольких десятков миллисекунд до нескольких секунд. При коммутации разъединителями участков холостых шин ОРУ или ЗРУ фронт перенапряжений находится в интервале от 10 мкс до 500 мкс. При коммутации элегазовым разъединителем участков холостых шин элегазовых КРУ (КРУЭ) фронт возникающих высокочастотных коммутационных перенапряжений находится в интервале от 5 не до 20 нс.

Большинство аварийных коммутаций обычно сопровождается целой серией разного вида коммутационных перенапряжений, Число и длительность каждого вида перенапряжений из этой серии определяется видом коммутации, параметрами коммутируемого участка сети и системой защит и автоматики. При наличии высокочастотных защит длительность режима к.з. составляет t_кз = 0,8‒0,15 с, причем выключатели по обеим сторонам аварийного участка линии работают с разбросом около 0,02‒0,06 с. Если авария отключается дистанционными защитами, то время от момента возникновения к.з. до отключения выключателя одного из концов аварийного участка линии составляет t_кз = 0,1‒0,15 с; второй выключатель аварийного участка отключается со временем t_кз = 0,3‒0,6 c.

При трехфазном быстродействующем АПВ (БАПВ) длительность бестоковой паузы составляет t_АПВ = 0,3‒0,4 с. При обычном трехфазном АПВ (ТАПВ) длительность паузы обычно находится в пределах 0,6‒1,5 с, причем с ростом номинального напряжения электропередачи пауза уменьшается. При однофазном АПВ (ОАПВ) длительность бестоковой паузы обычно колеблется в пределах t_ОАПВ = 0,8‒3,5 с.

Режим после повторного включения продолжается от момента повторного включения линии с одной стороны до момента полного смыкания электропередачи. При успешном ТАПВ без улавливания синхронизма и ОАПВ этот режим имеет длительность 0,2‒0,3 с. При использовании ТАПВ с улавливанием синхронизма этот режим в среднем длится несколько секунд. При неуспешном БАПВ или ТАПВ линия аварийно отключается без выдержки времени выключателем, производившим повторное включение. Этот этап длится t_кз = 0,08‒0,15 с. При неуспешном ОАПВ аварийная линия отключается без выдержки, времени с двух сторон, вслед за неуспешным ОАПВ следует цикл ТАПВ.

Перенапряжения при включении линии электропередачи и АПВ

Рассмотрим переходный процесс при включении линии электропередачи.

Пусть источник с ЭДС e(t) = Е_max sin(ωt+φ) и внутренним реактивным сопротивлением Х_c, включается на разомкнутую линию длиной l (рис.4.7). Простейшая схема замещения электропередачи на рис. 4.8.

 

Рис. 4.7.  Схема электропередачи

Рис. 4.8. Эквивалентная схема замещения линии

В этой схеме

             (4.3)

                        (4.4)

где L_о ‒ удельная индуктивность линии на единицу длины; С_о ‒ удельная емкость линии на единицу длины;  коэффициент фазы;  ‒ волновое (характеристическое) сопротивление.

Для анализа переходного процесса удобно схему на рис. 4.8 представить в виде простого колебательного контура, состоящего из последовательно соединенных индуктивности L_эк и емкости С_эк (рис. 4.9). В этой схеме можно принять

                                     (4.5)

                                       (4.6)

Рис. 4.9. Упрощенная схема замещения линии при включении

 

Напряжение в конце линии, представляющее наибольший интерес, в такой схеме совпадает с напряжением на емкости, которое можно представить в виде суммы напряжения и свободной составляющей (вынужденного, установившегося):

, (4.7)

                                       (4.8)

ω=2π · 50=314 1/рад —промышленная частота; ω₁ ‒ частота свободных колебаний:

δ ‒ коэффициент затухания свободной составляющей:

                                    (4.10)

 

Из (4.7) можно видеть, что максимальное перенапряжение на конце линии (и ₂) определяется в основном углом включения φ, частотой собственных колебании ω₁, а также амплитудой свободных колебании А, равной:

                   (4.11)                                                 

В общем случае колебательный контур многочастотный, т.е. амплитуды свободных колебаний образуют переменный ряд, члены которого убывают с увеличением порядкового номера. Для электропередач напряжением до 330 кВ включительно характерно отношение собственной частоты колебаний к промышленной частоте больше единицы, т. е. .

В электропередачах напряжением 500 кВ и выше для увеличения пропускной способности последовательно с линией для компенсации ее индуктивного сопротивления включают емкость (устройство продольной компенсации). Для таких электропередач обычно . Из формулы (19.9) следует, что при   амплитуда свободных колебаний имеет наибольшее значение при углах включения, близких к 90° или 270°.

Если же , то амплитуда свободных колебаний будет наибольшей, когда угол включения φ близок к 0 или 180°.

Рассмотрим кривые переходного процесса в некоторых частных случаях. В качестве примера возьмем включение электропередачи с  при угле включения φ =90°. Пользуясь формулой (4.7), можно рассчитать амплитуды напряжений установившегося режима и свободных колебаний. На рис. 4.10 приведены соответствующие кривые (1 ‒ установившееся напряжение, 2 ‒ свободная составляющая). Сложение ординат этих двух кривых дает кривую переходного процесса 3.

Рис. 4.10. Переходный процесс при включении линии при

Максимальное значение напряжение достигается в первый полупериод свободных колебаний, когда напряжение установившегося режима не успевает значительно измениться. Это вызвано большим отношением частоты свободных колебаний к промышленной частоте. Из-за того что включение происходит при угле φ =90°, амплитуда свободной составляющей равна амплитуде установившегося напряжения.

Рис. 4.11. Переходный процесс при включении линии при

Представляет интерес случай включения электропередачи при , который можно встретить в электропередачах СВН. Пусть угол включения равен 90°. Соответствующая кривая переходного процесса 1 приведена на рис. 4.11. Наибольшее перенапряжение достигается на втором максимуме, ибо при рассматриваемом соотношении частот через полпериода промышленной частоты амплитуды установившегося напряжения и свободной составляющей арифметически складываются (если пренебречь затуханием)

В эксплуатации можно встретить случай ω₁ = ω. Тогда говорят, что в сети выполняются условия резонанса на промышленной частоте. В этом случае напряжение в конце ненагруженной линии определяется выражением

.           (4.12)

Из (4.12) следует, что напряжение претерпевает колебания с постепенно нарастающей амплитудой, в пределе достигающей значения установившегося напряжения, которое во много раз превосходит ЭДС источника (рис. 4.12) и равно .

В вышеприведенных формулах,  активное сопротивление R отражает потери в каждом элементе электропередачи. Обычно это сопротивление достаточно мало в силу высокой добротности элементов электропередачи, и поэтому при приближенных расчетах им можно пренебречь.

При АПВ линии переходный процесс сохраняет тот же колебательный характер, отличие же состоит в том, что наличие заряда на неповрежденных фазах может увеличить амплитуду свободной составляющей. Максимальные перенапряжения при АПВ возникают, когда мгновенное значение напряжения источника имеет противоположную полярность по отношению к полярности заряда, остающегося на неповрежденных фазах.

 

Рис. 4.12. Переходный процесс при включении линии при

 

Для расчета перенапряжений при АПВ используем формулу (4.7) с добавлением члена u₀e^-δt cosω₁t, в котором u₀ определяется зарядом, остающимся на линии:

.                                  (4.13)

 

В формуле (4.13) знаки ± учитывают полярность заряда, остающегося на неповрежденных фазах. Знак плюс соответствует совпадению полярности мгновенного значения напряжения источника с полярностью остающегося заряда, знак минус ‒ несовпадению.

При трехфазной коммутации разброс моментов включения фаз выключателя может привести к дополнительному повышению перенапряжений (на 5‒10%) на запаздывающих фазах, если к моменту включения на этих фазах имеется неблагоприятное начальное напряжение, обусловленное влиянием ранее включенных фаз. Потери на корону, напротив, оказывают благоприятное влияние, снижая максимальные перенапряжения. Влияние короны оказывается особенно эффективным на линиях высоких классов напряжения.

Ударный коэффициент перенапряжений k_уд характеризует интенсивность переходного процесса и зависит от вида коммутации, условий ее осуществления и параметров электропередачи. Для заданных параметров и вида коммутации условия ее осуществления являются случайными и зависят от мгновенных значений ЭДС в моменты включения фаз выключателя начальных значений напряжений и токов в элементах электропередачи, характеристик защитных устройств, метеорологических условий, определяющих интенсивность коронирования проводов и от других факторов. Таким образом, коэффициент k_уд есть статистическая величина.

Таблица 4.1.