Александров Г.Н. Ограничение перенапряжений в электрических сетях

Подождите немного. Документ загружается.

Александров Г.Н. Ограничение перенапряжений в электрических сетях. 111

где d

- средний диаметр зазора между ОУ и СО, а

- толщина (ради-

альный размер) зазора,

- толщины (радиальные размеры) ОУ и

СО.

Центр подготовки кадров энергетики www.cpk-energo.ru

Санкт-Петербург (812) 556-91-85

ис.2.20. Эквивалентная трехлучевая схема УШРТ

Эффективное сечение магнитного потока, сцепляющегося с

СО, при коротком замыкании КО, параллельно которой включены

фильтры,

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

+⋅⋅=

13132.

adF

эф

, (2.83)

где d

- средний диаметр зазора между КО и СО,

- толщина (ради-

альный размер) КО (a

≈0,2а

Если КО расположена посредине между ОУ и СО d

;

=0,5a

12.

Эффективное сечение магнитного потока, сцепляющегося с

КО при коротком замыкании ОУ,

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

+⋅⋅=

23233.

adF

эф

, (2.84)

где d

- cредний диаметр зазора между ОУ и КО, а

- толщина этого

зазора.

В частном случае расположения КО посередине между ОУ и

СО при учете малой толщины КО по сравнению с ОУ и СО получаем:

2312231223

;5,0 addaa

−

Соответственно, сопротивление короткого замыкания СО от-

носительно ОУ равно

Александров Г.Н. Ограничение перенапряжений в электрических сетях. 112

мин

эф

FNf

X =

⋅⋅⋅⋅⋅

−

108

, (2.85)

где N

- число витков СО, l

- высота окна магнитопровода.

Сопротивление короткого замыкания СО относительно КО,

замкнутой фильтрами,

Центр подготовки кадров энергетики www.cpk-energo.ru

Санкт-Петербург (812) 556-91-85

мин

эф

мин

эф

FNf

X ⋅=⋅=

⋅⋅⋅⋅⋅

−

108

. (2.86)

Например, всегда можно подобрать такое расположение КО,

чтобы обеспечить

=0,5.

Сопротивление короткого замыкания КО относительно ОУ

()

мин

.эф

FNf

−=

⋅⋅⋅⋅⋅

−

108

, (2.87)

при

=0,5 Х

=0,5

мин

Из приведенных соотношений следует, что параметры трехлу-

чевой эквивалентной схемы УШРТ k-ой гармонической равны

(см.рис.2.20)

()

()()

()

⎪

⎭

⎪

⎬

⎫

=−+⋅=

⋅−⋅=−+⋅=

=−+⋅=

;

122313.3

132312.2

231312.1

XXX

ХkXXX

минk

(2.88)

Следовательно, эквивалентная схема для k-ой гармонической

имеет вид, изображенный на рис.2.21, где тиристорный блок эквива-

лентирован генератором тока. Как видно, в этом случае весь ток к-ой

гармоники замыкается фильтром и не попадает в сетевую обмотку.

Александров Г.Н. Ограничение перенапряжений в электрических сетях. 113

3.k

1.k

2.k

ис.2.21. Эквивалентная трехлучевая схема УШРТ для k-

той гармоники при расположении КО между ОУ и СО

Однако, если расположить КО внутри ОУ ситуация резко из-

меняется. В этом случае

(2.89)

()

⎪

⎭

⎪

⎬

⎫

⋅=

+⋅=

;

мин

и параметры эквивалентной трехлучевой схемы УШРТ на к-ой гармо-

нической окажутся равными

(

)

[]

()

[]

()

[]

⎪

⎭

⎪

⎬

⎫

⋅⋅=⋅+⋅++−⋅=

=⋅+⋅+−⋅=

⋅=⋅−⋅++⋅=

.15,0

;015,0

;15,0

минминминминk

минминминk

минминминминk

XkХХXX

ХХXX

XkХХXX

δδδ

δδ

(2.90)

При этом эквивалентная схема для к-ой гармоники примет вид,

изображенный на рис.2.22.

2.k

Центр подготовки кадров энергетики www.cpk-energo.ru

Санкт-Петербург (812) 556-91-85

3.k

1.k

ис.2.22. Эквивалентная трехлучевая схема УШРТ для k-той

гармоники при расположении КО внутри ОУ

Александров Г.Н. Ограничение перенапряжений в электрических сетях. 114

Эквивалентное сопротивление контура Х

1.к

3.к

равно:

Центр подготовки кадров энергетики www.cpk-energo.ru

Санкт-Петербург (812) 556-91-85

⋅

⋅=

⋅⋅+⋅

⋅⋅⋅⋅

⋅

.3.1

мин

минмин

kэ

XkXk

. (2.91)

Следовательно, ток k-ой гармоники в ветви Х

3.к

с фильтром

равен

⋅⋅=

⋅

максk

k.эk

ф.k

, (2.92)

а в сетевой обмотке (ветвь Х

1.к

)

k СO

k э k

k макс.

⋅

=⋅ ⋅

. (2.93)

Отношение тока k-ой гармоники в СО к току в фильтре равно

kCO

k ф

. (2.94)

Чем больше изоляционное расстояние между ОУ и КО, тем

больше отношение

и тем больше содержание высших гармонических

в токе УШРТ. Этот вывод полностью подтверждает результаты выше-

приведенного рассмотрения условий работы УШРТ на основе анализа

его магнитного поля.

Таким образом, КО наиболее эффективно подавляет высшие

гармонические при ее расположении между ОУ и СО.

Далее необходимо выяснить, какое влияние наличие фильтров

высших гармонических оказывает на номинальный ток УШРТ. Номи-

нальный режим соответствует полностью открытым тиристорам, когда

высшие гармонические в токе реактора отсутствуют.

Для первой гармонической эквивалентная схема при полностью

открытых тиристорах изображена на рис.2.23. Эквивалентное сопротив-

ление ветви 3 с фильтром равно сопротивлению фильтра (2.69)

Александров Г.Н. Ограничение перенапряжений в электрических сетях. 115

ис.2.23. Эквивалентная схема УШРТ в нормальном режиме для вычислени

тока промышленной частоты с учетом фильтра k-той гармоники

БТ

(

)

()

(

)

Центр подготовки кадров энергетики www.cpk-energo.ru

Санкт-Петербург (812) 556-91-85

(2.95).Xk

XkLХ

мин

минkэ.

αδ

⋅+

⋅−=−⋅

⋅−

⋅+

⋅=−⋅⋅=

Эквивалентное сопротивление ветви 2 согласно (2.88) равно

(

)

минэ.

ХX .

−

⋅

Эквивалентное сопротивление параллельного соединения вет-

вей 2 и 3

()

мин

э.э.

э..

ХХ

αδ

δα

⋅+

−⋅

−

⋅=

⋅

()

. (2.96)

Полное эквивалентное сопротивление УШРТ в номинальном

режиме с учетом фильтра к-ой гармонической согласно (2.88), (2.96)

равно

()

121

321

−+

−

+=+=

δα

αδ

δα

мин

минминэ..мин.э

ХХХХХХ . (2.97)

Например, при

=0,5 при учете фильтра третьей гармоники с

наибольшим током холостого хода (см.Табл.2.1,

=0,102) получаем

()

минминмин.э

Х ⋅=

⋅+

⋅= 0251

010201

5010201

Таким образом, при наличии фильтров номинальный ток

УШРТ незначительно уменьшается (примерно на 3%) по сравнению с

УШРТ без фильтров.

Александров Г.Н. Ограничение перенапряжений в электрических сетях. 116

Следует отметить, что наличие компенсационной обмотки с

фильтрами между ОУ и СО позволяет обеспечить кратковременную

форсировку мощности реактора, необходимую для глубокого ограни-

чения внутренних перенапряжений (см.

§2.2). Поскольку индуктивное

сопротивление УШРТ при коротком замыкании КО меньше, чем при

замыкании ОУ (

δ<

1), кратковременное замыкание КО, например, ваку-

умным выключателем (ВВ на рис. 2.12) приводит к форсировке мощ-

ности УШРТ в 1/δ раз. При

=0,5 форсированная мощность реактора

вдвое превысит номинальную.

В соответствии с вышеизложенным, сечение компенсационной

обмотки (КО) должно быть выбрано с учетом протекания всех токов.

При соединении КО в треугольник необходимо учесть ток третьей

гармонической в треугольнике согласно табл.2.1

Центр подготовки кадров энергетики www.cpk-energo.ru

Санкт-Петербург (812) 556-91-85

трмакс.

kI,I ⋅

1380

где k

тр

- отношение витков СО и КО.

Ток промышленной частоты и пятой гармоники через фильтр

пятой гармоники

(

)

трмакс.

kI,,I

⋅

050030

Ток промышленной частоты и седьмой гармоники через

фильтр седьмой гармоники

(

)

трмакс.

kI,,I

⋅

02500130

При этом суммарный ток через КО равен

трмакс..КО

kI,I ⋅

Σ 1

2560

С учетом несовпадения максимумов токов всех составляющих

можно снизить номинальный ток КО, соединенной в треугольник, и

принять

трмакс.ном.КО

kI,I

⋅

. (2.98)

При разомкнутом треугольнике КО (при соединении ее звез-

дой) необходимо учесть работу фильтра третьей гармонической и со-

Александров Г.Н. Ограничение перенапряжений в электрических сетях. 117

ответственно дополнительно ток промышленной частоты через фильтр

третьей гармоники.

В итоге, в этом случае суммарный ток КО равен

трмакс..КО

kI,I

⋅

Σ 1

3580

С учетом несовпадения максимумов токов всех составляющих

можно снизить номинальный ток КО и принять

трмакс.ном.КО

kI,I

⋅

. (2.99)

Соответственно, сечение проводника КО равно

опт.КО

ном.КО

КО.м

. (2.100)

Объем меди КО равен

КО.мКОср.КОКО.м

FNdV ⋅

⋅

, (2.101)

где N

КО

/к

тр

Этот объем меди необходимо добавить к суммарному объему

меди управляемых реакторов. Например, для реактора с КО, соединен-

ной в звезду, согласно (2.99), (2.100), (2.101)

Центр подготовки кадров энергетики www.cpk-energo.ru

Санкт-Петербург (812) 556-91-85

опт.КО

макс.

ср.КО

опт.КО

трмакс.

тр

ср.КОКО.пр

IN,

kI,

⋅

⋅⋅=

⋅⋅

⋅⋅⋅=

ππ

. (2.102)

Александров Г.Н. Ограничение перенапряжений в электрических сетях. 118

Центр подготовки кадров энергетики www.cpk-energo.ru

Санкт-Петербург (812) 556-91-85

ГЛАВА 3.

НЕЛИНЕЙНЫЕ ОГРАНИЧИТЕЛИ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

3.1. Общая характеристика ОПН и выбор варисторов

Развитие технологии производства полупроводников обеспе-

чило к началу 70-х годов создание материалов с резко - нелинейными

резистивными характеристиками на основе оксида цинка. В широком

диапазоне изменения плотности тока (несколько порядков от 1 до

1000 А/см

) напряжение на варисторах изменяется незначительно –

примерно на 30%.

Такие материалы позволили создать принципиально новые

защитные аппараты – нелинейные ограничители перенапряжений

ОПН. Отличительной особенностью этих аппаратов является отсутст-

вие в них искровых промежутков, предотвращающих протекание зна-

чительного тока через варисторы при рабочем напряжении и обеспечи-

вающие протекание значительного тока через варисторы только при

перенапряжениях, как это происходит у разрядников. Резкая нелиней-

ность вольтамперной характеристики варисторов на основе оксида

цинка (рис.3.1) позволяет ставить колонку варисторов непосредственно

под рабочее напряжение, когда протекающий через колонку варисто-

ров (КВ) активный ток составляет доли миллиампера.

При этом обеспечивается тепловой баланс варисторов: выде-

ляемое в них тепло рассеивается в окружающее пространство и не

происходит его накопления и постепенного повышения температуры

варисторов вплоть до их разрушения. Тем не менее, обеспечение теп-

лового баланса варисторов – важный вопрос, определяющий допусти-

мые нагрузки на варисторы при рабочем напряжении.

Минимальная высота колонки варисторов определяется исходя

из задаваемой производителем наибольшей длительно допустимой ра-

бочей напряженности варисторов Е

в.н.р

и задаваемого потребителем

наибольшего длительно допустимого напряжения сети в месте уста-

новки ограничителя U

н.р

Александров Г.Н. Ограничение перенапряжений в электрических сетях. 119

рн

рнв

рн

минк

H ⋅=

(3.1)

, кВ/см

3,5

Центр подготовки кадров энергетики www.cpk-energo.ru

Санкт-Петербург (812) 556-91-85

-3

-2

-1

1 10 10

1,0

1,5

3,0

, A

ис 3.1. Вольтамперные характеристики варисторов различных диаметров:

1-диаметр 45 мм (ЦЭЗА), 2- диаметр 60 мм (ЦЭЗА), 3-диаметр 85 мм(КНР,

СФ3), 4-диаметр 115 мм (КНР, СФ3).

3 4

1 2

где К

н.р

– коэффициент неравномерности распределения напряжения

вдоль колонки варисторов при наибольшем рабочем напряжении.

Параметр Е

в.н.р

чрезвычайно важен для обеспечения эксплуата-

ционной способности ограничителя. Обычно он задается производите-

лем на уровне Е

в.н.р

≈1÷1.05 кВ/см. Однако, следует иметь в виду, что в

зависимости от конструкции ограничителя (материал и толщина по-

крышки, размер внутренней полости между покрышкой и варисторами,

ее заполнение) условия теплообмена варисторов с окружающей средой

значительно изменяются. Поэтому и допустимое значение Е

в.н.р

должно

корректироваться в зависимости от конструкции ОПН. Для этого пре-

дусмотрены испытания варисторов на старение в течение 1000 часов в

макете, составляющем точную копию части ОПН определенной конст-

Александров Г.Н. Ограничение перенапряжений в электрических сетях. 120

рукции. При этом положительный результат испытаний варисторов на

старение в одной конструкции макета ОПН не может быть распро-

странен на другие конструкции с другими размерами и другими мате-

риалами.

Увеличение сопротивления тепловому потоку от варисторов в

окружающее пространство требует снижения наибольшей допустимой

напряженности в варисторах. Неучет этого обстоятельства является

одной из основных причин повреждения ОПН в эксплуатации.

Центр подготовки кадров энергетики www.cpk-energo.ru

Санкт-Петербург (812) 556-91-85

()

По указанной причине в ряде случаев производитель не указыва-

ет допустимую наибольшую рабочую напряженность, а указывает клас-

сификационный ток I

кл.

(амплитуда активной составляющей тока) и соот-

ветствующее ему напряжение промышленной частоты (амплитудное зна-

чение U

кл.m

). Классификационный ток для варисторов диаметром до 50 мм

обычно равен 1 мА, а для варисторов большего диаметра – 2 мА и более.

При таком токе варисторы не могут работать длительное время. Поэтому

длительно допустимое рабочее напряжение на варисторе принимается на

уровне

(

)

28508085080

m.кл.кл

U,,U,, ⋅÷=⋅÷ . Это соотношение должно

быть подтверждено испытаниями макетов ОПН.

При наибольшем рабочем напряжении на варисторах активная

составляющая тока очень мала. Через колонку варисторов протекает

емкостный ток

10361094

....

⋅

⋅⋅

=⋅⋅=

⋅

⋅=⋅==

врнв

врнвврнв

рнвврнв

рнв

св

ПE

ПEПE

UСU

εω

ωω

(3.2)

где проходная емкость варистора равна

⋅

(3.3)

- диэлектрическая проницаемость варисторов

1000

≈

, П

– рабо-

чая площадь варисторов, Н

– высота варисторов.

В табл. 3.1 приведены значения емкостного тока при наиболь-

шем рабочем напряжении варисторов различных диаметров.