От них электрооборудования 110 кВ и выше

Высокочастотные коммутационные перенапряжения и защита

Высокочастотные (ВЧ) перенапряжения на высоковольтном оборудовании подстанций возникают как результат высокоскоростной перезарядки емкостей шин распредустройств при пробоях межконтактных промежутков во время аварийных и эксплуатационных коммутаций.

При выполнении ремонтных и профилактических работ приходится отключать сборные шины, а также участки ошиновки, связывающие эти шины с оборудованием подстанции. Например, при ремонте шинного трансформатора тока силовые трансформаторы и линии переводятся на обходную систему шин, а оставшиеся без нагрузки шины отключаются. При ремонте трансформатора напряжения отключается его ячейка с присоединенными разрядниками и отрезками шин.

Если отключение ненагруженных шин производится выключателем, то повторных зажиганий дуги между расходящимися контактами выкоючателя практически нет и перенапряжений нет. Но очень часто схема подстанции не предусматривает шиносоединительных выключателей и отключать ненагруженные шины приходиться разъединителями. Многократные повторные зажигания дуги при этих операциях и возникающие при этом перенапряжения на отключаемых и на питающих шинах зависят от ряда факторов, основными из которых являются величина напряжения перед пробоем на контактах разъединителя, протяженность коммутируемых шин, особенности схемы подстанции.

При каждом пробое межконтактного промежутка разъединителя в высоковольтной схеме подстанции возникают затухающие электромагнитые колебания с частотой от 50 до 1000 кГц и длительностью 10-500 мкс. Число таких процессов за одну коммутацию может составить от нескольких десятков до нескольких тысяч в зависимости от параметров схемы, класса напряжения РУ, скорости движения контактов разъединителя, метеоусловий. Амплитуда колебаний меняется за коммутацию от сотен вольт при малых размерах межконтактного промежутка до 3,5 U_mф при максимальных пробиваемых расстояниях между контактами, что представляет реальную опасность для высоковольтного оборудования. Наблюдаются выходы из строя элементов настройки ВЧ заградителей, повреждение изоляции измерительных трансформаторов, разрушения разрядников.

Разрядники, искровые промежутки как средства защиты от ВЧ перенапряжений малоэффективны в связи с резким подъемом их ВСХ при предразрядных временах менее 1 мкс. Разрядники сами нуждаются в защите от ВЧ перенапряжений. Высокие значения ВЧ перенапряжений приводят к многократным срабатываниям разрядников за одну коммутацию разъединителя, к перегрузке нелинейных сопротивлений сопровождающим током и отказу разрядников.

Эквивалентную схему, в которой возникают ВЧ перенапряжения, можно представить следующим образом, рис.2.24.

Рис.2.24 Эквивалентная схема

Пробой межконтактного промежутка (МП) разъединителя возникает каждый раз, уогда его электрическая прочность U_пр оказывается ниже разности потенциалов на его контактах: U_пр£ Е_п - Е_х, где Е_п и Е_х – соответственно потенциалы питающей и холостой (коммутируемой) шин.

После пробоя происходит выравнивание потенциалов на емкостях шин С_п и С_х, сопровождаемое высокочастотным переходным процессом, кривая U₁=f(t) рис.2.25.

Рис.2.25 Переходной процесс при пробое межконтактного промежутка разъединителя

Приближенно ВЧ составляющая переходного напряжения на коммутируемой холостой шине может быть представлена зависимостью

где - частота переходного процесса, затухающего с постоянной времени Т₁=5 - 10 мкс; L= L_п + L_x – сумма индуктивностей питающей и холостой шин; - потенциал, который установился бы на шинах после затухания переходного процесса при отсутствии подзарядки шин со стороны высоковольтных линий и трансформаторов, замещенных соответственно волновым сопротивлением Z_э и индуктивностью L_т.

Подзарядка шин всегда имеется и двум возможным ее видам отвечают два варианта развития переходных процессов.

1 вариант. К питающим шинам подключено n линий с эквивалентным сопротивлением Z_э=Z/n.

Подзарядка емкостей шин независимо от наличия трансформаторов происходит по экспоненциальному закону где Т₂=Z_э(с_п + С_х) – постоянная времени равная 10^-6 ¸ 10^-7.

Переходной процесс практически заканчивается до наступления максимума ВЧ перенапряжений. Характер общего переходного процесса на холостых коммутируемых шинах определяется Е_п и U₁, а ток, протекающий через дугу между контактами разъединителя, вызванный ВЧ составляющей U₁, проходит через нулевые значения в моменты максимумов и минимумов U₁, где создаются предпосылки для гашения дуги. Однако в большинстве случаев гашение дуги наблюдается после затухания ВЧ процесса. В этом случае в момент гашения дуги на обеих шинах имеется потенциал Е_п<U_mф, который затем на холостой шине снижается по экспоненциальному закону Е_х=Е_пехр(-t/Т₃).

Постоянная времени Т₃=С_х/G_x зависит от суммарной активной проводимости шин на землю G_x и в зависимости от величины проводимости находится в пределах от 0,02 до 0,09 с.

Рис.2.26. Изменение потенциала на питающей и холостой шинах

Как видно из рис.2.26 процессы на шинах идут независимо до момента времени t₁, где разность потенциалов Е_п1- Е_х1 вновь превысит пробивное напряжение межконтактного промежутка разъединителя U_пр1, он пробивается и цикл переходных процессов повторяется.

Максимальную интенсивность переходные процессы приобретают в коммутации отключения разъединителем при таких расстояниях между контактами, когда пробои следуют через полпериода промышленной частоты в маскимумы фазного напряжения на питающих шинах. При этом величины перенапряжений в основном определяются: соотношением емкостей шин С_п/С_х; величиной и знаком остаточного потенциала Е_х на холостой шине в момент пробоя межконтактного промежутка разъединителя.

При С_п>>С_х (коммутация шинными разъединителями коротких холостых шин в ячейках выключателей, разрядников и т.д.) амплитуда ВЧ составляющей и полная амплитуда перенапряжений U_m имеют наибольшие значения.

При С_п@С_х (коммутация равных по длине шин) наступает минимум перенапряжений, однако собственные частоты коммутируемых шин близки по значениию и возникает вероятность погасания дуги во время переходного процесса с генерацией повышенных перенапряжений. Поэтому этот случай на практике нежелателен. Целесообразно развести собственные частоты изменением длин коммутируемых шин, установкой дополнительных емкостей или продольных реакторов.

При С_п<С_х интенсивность переходных процессов снова возрастает.

2.Питающие шины не имеют присоединенных ВЛ и получают питание от трансформаторов или автотрансформаторов.

После пробоя межконтактного промежутка разъединителя вместо апериодического процесса подзарядки емкостей шин наблюдается периодический процесс, который упрощенно представляется зависимостью

, где - частота колебаний 10³ – 10⁴ Гц; С =С_п + С_х.

Полный переходной процесс напряжения представляется суммой U=E_п+U₁+U_2п и показан на рис.2.27.

Рис.2.27.Переходной процесс с периодической подзарядкой шин

Гашение дуги в большинстве случаев происходит после затухания ВЧ процесса в один из моментов прохождения через нуль тока низкой частоты. Как правило дуга гаснет в точках максимумов низкочастотных колебаний напряженияпри U>E_п.

После гашения дуги на холостых шинах остается повышенный потенциал Е_х>E_п£U_mф, величина которого определяется амплитудой высокочастотных колебаний и зависит от соотношения С_п/С_х.

Если С_п>>С_х, то амплитуды переходных низкочастотных перенапряжений малы (U_2п), разряды между контактами разъединителя прекращаются при U_пр<2U_mф.

При С_п=С_х перенапряжения минимальны, но амплитуда низкочастотной составляющей U_2п превышает амплитуду фазного напряжения.

С_п<С_х – наиболее неблагориятный случай (коммутация разъединителем маломощного трансформатора на протяженную обходную систему шин без нагрузки). При таких коммутациях помимо высоких амплитуд ВЧ перенапряжений возникают высокие НЧ перенапряжения, величина которых может достигать 2 – 2,5 U_фm.

Системы шин крупных подстанций с числом ячеек 10 и более имеют протяженность в несколько сот метров. По отношению к высокочастотному процессу они являются длинными линиями-волноводами и могут иметь резонансные точки. Если на одном конце таких шин производится коммутация разъединителем холостых шин малой протяженности (коммутация шинного разъединителя выключателя), то на достаточном удалении от места коммутации могут возникнуть резонансные перенапряжкения повышенной кратности.

Приближенная оценка ожидаемы амплитуд ВЧ перенапряжений может быть выполнена по эмпирическому выражению

,

где значения Е_х, U_пр и ударного коэффициента К_у в зависимости от схем подстанций принимаются согласно таблицам приведенным в методических указаниях по ограничению ВЧ коммутационных перенапряжений опубликованных в журнале “Энергетик” №11/95, 1/96, 3/96.

Мероприятия по ограничению ВЧ перенапряжений и защите от них оборудования действующих подстанций

1. Регулировка приводов разъединителей на синхронность движения ножей.

2. Не допускать недовключенное положение разъединителя с горящим искровым разрядом.

3. На подсчтанциях 22 кВ и выше целесообразно исключить подачу напряжения на протяженные холостые шины и снятие напряжения с них с помощью разъединителей. Следует выполнять эти операции выключателем.

4. При выборе типа или конструктивной модификации разрядников следует отдавать предпочтение разрядникам с повышенным коэффициентом импульса при малых предразрядных временах. В условиях высоких значений ВЧ перенапряжений разница в коэффициенте импульса на 15 % приводит к изменению числа срабатываний разрядника в 3 – 4 раза. Если при одной коммутации разъединителем наблюдается большое число срабатываний разрядника (более 5 при времени срабатывания счетчика менее 0,01 с), то такой разрядник подлежит замене на другой тип или ОПН.

5. Выбор мест безопасной установки разрядников производится на основании предварительного анализа ВЧ перенапряжений, При невозможности выполнения этого условия разрядник необходимо поставить под защиту емкостных трансформаторов напряжения (НДЕ), специальных емкостей или аппаратов, входная емкость которых соизмерима с емкостью конденсаторов связи.

6. Нельзя располагать разрядник в средней части длинных (более 50 м) воздушных переходов от блочных трансформаторов и АТР, где наиболее вероятна пучность перенапряжений. Разрядник должен быть максимально приближен к трансформатору под защиту его входной екмкости.

7. Нельзя располагать разрядник вблизи разомкнытых концов рабочих и обходных систем шин или перед ВЧ заградителями со стороны РУ, где наблюдаются наибольшие амплитуды ВЧ перенапряжений.

8. При невозможности выполнения достаточного объема мероприятий по ограничению ВЧ перенапряжений необходима замена разрядников на ОПН. Их следует рассматривать как средство ограничения ВЧ перенапряжений, если частота последних не превышает 200 кГц. При более высоких частотах ОПН слабо реагирует на первый пик ВЧ перенапряжений, но ограничивает последующие.

9. На протяженных системах шин, подлежащих частым коммутациям разъединителями в холостом режиме (обходные системы шин), использывание емкостных трансформаторов напряжения типа НДЕ нежелательно. Предпочтение следует отдавать электромагнитным трансформаторам, которые за счет принудительного снятия заряда с шин в 2 – 3 раза снижают как ВЧ, так и НЧ перенапряжения, на 40 – 50 % сокращается величина пробиваемого межконтактного промежутка разъединителя. Их целесообразно устанавливать на всех трех фазах шин. При оснащении только одной фазы в двух других необходимо предусмотреть специальные мероприятия, способствующие ускоренному снятию заряда.

10. Эффективным средством ограничения ВЧ перенапряжений является установка на питающих шинах, на длинных воздушных переходах к силовым трансформаторам специальных емкостей типа конденсаторов связи.

11. Для РУ с протяженными сборными шинами эффективной мерой ограничения ВЧ перенапряжений является деление шин продольными реакторами, в качестве которых могут быть использованы ВЧ заградители без элементов настройки с упрощенной защитой.

Дата добавления: 2014-01-07