Перенапряжения при разрыве электропередачи вследствие асинхронного хода

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:

. (5.7.)

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 Сдо тех пор, пока вся энергия не перейдет в энергию электрического поля емкости (рис. 5.6).

Рис. 5.6. Схема замещения отключаемого ненагруженного трансформатора

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

(5.8)

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

. (5.9)

Перенапряжения в этом случае определяются отключаемой индуктивностью L, связанной с ней паразитной емкостью Си 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 Сна 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

, (5.10)

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

, (5.11)

где ω₁=- собственная частота колебаний контура.

Максимальное напряжение на отключенной цепи

(5.12)

находится из баланса энергии . (5.13)

Рис.5.7. Развитие перенапряжений при отключении трансформатора (заштриховано напряжение между контактами выключателя)

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.

а)

б)

Рис 5..8.. а) Схематическая картина образования повторных зажиганий дуги в выключателе при отключении индуктивности.

б) Соответствие моментов пробоя контактов, повторных зажиганий дуги и токов среза

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.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие коммутации могут считаться оперативными, а какие аварийными?
2. В каких случаях возникает режим одностороннего питания линии при аварийных и послеаварийных коммутациях?
3. Какова продолжительность переходного процесса в коммутационных перенапряжениях?
4. Что означает понятие «кратность внутренних перенапряжений»?
5. Для каких коммутационных перенапряжений причиной возникновения является неустойчивый характер горения дуги в выключателе?
6. В чём состоит отличие переходного процесса при АПВ линии от перенапряжений при включении линии?
7. Чем определяется возможность повторного пробоя при отключении ненагруженной линии?
8. Что является существенным фактором, определяющим предельные значения перенапряжений при срезах индуктивных токов в выключателях?

Задания на самостоятельную работу

1. Рассчитайте амплитуду свободных колебаний при включении ненагруженной линии при f ₁ = 50 Гц, f ₂ = 125 Гц, φ = 45°, δ = 0,1.

2. Определите максимальную величину перенапряжения, возникающего при

отключении ненагруженного трансформатора: I _ср = 10 А, L₂ = 60 Гн,

C₂ = 2000 пФ, U₀ = 0,3U_ном.

Перенапряжения при разрыве электропередачи вследствие действия защит при асинхронном ходе рассчитываются методом наложения. Сначала при заданном угле расхождения ЭДС концевых систем рассчитывают ток через отключаемый выключатель и распределение напряжения вдоль передачи. Затем между размыкающимися контактами выключателя вводится источник тока , равный по значению и обратный по направлению обрываемому току. Напряжение в любой точке х линии после размыкания контактов вычисляется по формуле

(5.14)

где - напряжение в точке х, обусловленное включением источника в месте отключаемого выключателя. Наибольшие перенапряжения возникают при разрыве электропередачи выключателями на концах электропередачи. При этом можно использовать формулы для расчета перенапряжений при отключении КЗ.

Если не учитывать особенностей конкретной электропередачи, то можно принять, что распределение ударных коэффициентов при отключении асинхронного хода подчиняется усеченному нормальному закону. Нормирующий множитель распределения , (5.15)

где - угол между ЭДС примыкающих систем в момент отключения.

При этом могут быть два случая:

а) на электропередаче установлена автоматика прекращения асинхронного хода (АПАХ), которая осуществляет разрыв при заданном угле между ЭДС обоих концов передачи. Тогда ударный коэффициент изменяется в пределах от

до .

б) на электропередаче нет устройства АПАХ. Тогда ударный коэффициент перенапряжений изменяется в пределах от 1,05 до 1,85, среднее значение и среднеквадратическое отклонение соответственно равны: и

Наиболее высокие кратности перенапряжений на неповрежденных фазах могут возникнуть при затягивающемся отключении КЗ (при отказе быстродействующей первой ступени РЗ) в электропередаче возникнет асинхронный ход эквивалентных генераторов примыкающих к ВЛ систем.

Если в момент отключения выключателя устройством защиты от асинхронного хода векторы и развернутся друг относительно друга на угол δ = 180°, то перенапряжения, возникающие на разомкнутой линии, могут достигнуть достаточно больших значений.

При расчетах перенапряжений, возникающих при отключении асинхронного хода, следует иметь в виду, что этому режиму, как правило, предшествует форсировка возбуждения генераторов. Примерное значение ЭДС эквивалентного генератора отправной системы может быть принято равным 1,2 .

Амплитуды свободных колебаний пропорциональны амплитуде отключаемого тока. При асинхронном ходе отключаемый ток пропорционален sin(δ/2), где δ – угол между эквивалентными ЭДС и (рис.5.9).

0 60 120 180 … δ°

Рис. 5.9. Зависимость максимальных перенапряжений при отключении асинхронного хода от угла δ ()

Поэтому ограничение перенапряжения при отключении асинхронного хода генератора системы может быть достигнуто путем управления моментом отключения выключателя: отключение должно производиться при углах близких к значению их в нормальном режиме эксплуатации электропередачи.

Дата добавления: 2014-01-04