Основные виды коммутационных перенапряжений

Классификация внутренних перенапряжений

Общая характеристика внутренних перенапряжений

Лекция ВП-1

Пример

Лекция

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 2 U _{ном.раб}. (1)

Следует отметить, что при измерении кратности перенапряжений или при ее расчете U_max обычно относят не к величине Ö2 U _{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 подхода 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.

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.

U U , (3)

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.

Таблица14.1.

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

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.

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 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.

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, то она выдержит и большее.

Источником внутренних перенапряжений является генератор самой системы. Т.к. мощность генераторов нормирована, то и перенапряжения не могут быть ¥.

Коэффициент перенапряжений:

от 2-2,5 до 3-3,5.

У установившихся перенапряжений частота совпадает с частотой сети.

Ударный коэффициент перенапряжений:

, Коэффициент установившегося режима:Þ k_пер=k_удk_уст

Установившиеся перенапряжения в литературе называют резонансными. Их длительность может достигать несколько секунд.

Бороться с резонансными перенапряжениями очень сложно, т.к. из-за их длительного воздействия выделяется большое количество энергии и ни один защитный аппарат не выдерживает этого.

На линиях 330 кВ и выше являются опасными перенапряжения за счет емкостного эффекта линии. Они возникают только в ненагруженных линиях, т.е. в момент каких-то компенсаций. Такие перенапряжения ограничивают реакторами.

При изолированной нейтрали напряжение на здоровых фазах при перенапряжении увеличивается в раз, 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.

Любая система имеет L и C элементы.

L: трансформаторы, генераторы, реакторы, синхронные компенсаторы и т.д.

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.

С_мф – междуфазная емкость.

С_мф на порядок выше, чем С.

В колебательном контуре происходят волновые процессы при R»0; x_L@x_С.

Если условие резонанса не выполняются, то резонансных перенапряжений не будет, а если выполняются, резонансные перенапряжения будут больше коммутационных.

R»0 – если не будет нагрузки.

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 ЛЭП.

Оставшаяся энергия распределяется между L и С и начинается волновой процесс.

– ненагруженных трансформаторов и реакторов.

3) Коммутационные перенапряжения при АПВ.

4) Дуговые перенапряжения.

Они существуют в сетях с изолированной нейтралью.

Длительность дуговых перенапряжений соизмерима с длительностью перемежающейся дуги.

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

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 АПВ, на линии остается остаточный заряд. За время бестоковой паузы заряд разрядится не успевает и при включении он обычно бывает большей величиной.

При АПВ и наличии остаточного тока напряжение на конце будет рассчитываться так:

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.

Dtапв, с	0,2	0,4	0,6	0,8	1,0
U0/Emax	в хорошую погоду	1,1	0,9	0,8	0,7	0,65
в плохую погоду	0,5	0,25	0,1	0,05	0,01

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

Коэффициент внутренних перенапряжений:

Но берутся среднеарифметические параметры: математическое ожидание и среднеквадратичное отклонение s_k.

s_k – среднеквадратичное отклонение распределение амплитуды.

Ударный коэффициент равен или больше 1.