Кадомская К.П. Перенапряжения в электрических сетях различного назначения и защита от них

Подождите немного. Документ загружается.

К.П. КАДОМСКАЯ, Ю.А. ЛАВРОВ, А.А. РЕЙХЕРДТ

ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

СЕТЯХ РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

И ЗАЩИТА ОТ НИХ

УДК 621.315.

Рецензенты: д.т.н. И.А. Ефремов

д.т.н. А.Г. Овсянников

Кадомская К.П., Лавров Ю.А., Рейхердт А.

Перенапряжения в электрических сетях различного назначения и

защита от них: Учебник. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. - с.

В учебнике рассмотрен комплекс вопросов, связанных с анализом внутренних и

грозовых перенапряжений, воздействующих на изоляцию электрооборудования,

воздушных и закрытых электропередач различного конструктивного исполнения и

назначения. Рассмотрены квазистационарные, феррорезонансные, коммутационные и

грозовые перенапряжения в электрических сетях различных классов напряжения.

Приведены методики для инженерной оценки возникающих на изоляции

электрооборудования перенапряжений и результаты расчетов при компьютерном

моделировании переходных процессов. Анализ перенапряжений произведен с учетом

современных концепций оценки грозоупорности объектов электроэнергетики, а также с

учетом уточненных физико-математических моделей линий электропередач,

коммутационной и защитной аппаратуры. Сформулированы требования для защиты от

перенапряжений высоковольтного электрооборудования. Рассмотрены конструктивные

особенности, области применения и условия эксплуатации закрытых электропередач

нового поколения – кабелей с пластмассовой изоляцией и газоизолированных линий,

определяющие характеристики систем защит этих электропередач от перенапряжений.

Учебник предназначен для студентов бакалаврской, инженерной и магистерских

подготовок электроэнергетических специальностей вузов. Он расширяет и дополняет

результаты исследований по защите высоковольтного оборудования от внутренних и

грозовых перенапряжений в электрических сетях различного назначения.

Издание может также представлять интерес как для аспирантов

электроэнергетических специальностей, так и для специалистов, занимающихся

проектированием и эксплуатацией систем защиты электрических сетей различного

назначения от перенапряжений.

УДК 621.315.

Новосибирский государственный

технический университет, 2004 г.

ПРЕДИСЛОВИЕ

В последние годы научными коллективами, работающими в области

исследования перенапряжений в электрических сетях различного

назначения и защиты от них, а также в области конструирования и

изготовления новых защитных и коммутационных аппаратов, достигнуты

определенные успехи, в том числе связанные с широким внедрением в

практику эксплуатации сетей коммутационной и защитной аппаратуры

нового поколения, например, вакуумных и элегазовых выключателей,

нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН). Более широкое

распространение получили диагностика и мониторинг оборудования,

позволившие уточнить физические модели ряда повреждений изоляции в

электрических сетях. Уточнены модели таких аппаратов, как ОПН, а также

процессов, сопровождающих отключение выключателей, приводящих к

возникновению опасных перенапряжений. Все более широкое

распространение в сетях высокого напряжения завоевывает установка

ОПН на опорах ВЛ, позволяющая повысить надежность эксплуатации

линейной изоляции. Уточнены модели развития разряда молнии,

позволяющие учесть ориентировку канала молнии при её попадании в

систему провода-тросы ВЛ.

Вышло "Руководство по защите электрических сетей 6-1150 кВ от

грозовых и внутренних перенапряжений" [1]. Опубликован целый ряд

статей в периодических электроэнергетических журналах, посвященных

вопросам перенапряжений в сетях разного назначения при использовании,

в том числе, таких мер, как низкоомные резисторы в сетях с глухим

заземлением нейтрали, высокоомные резисторы и управляемые

дугогасящие реакторы в сетях средних классов напряжения 6-35 кВ.

Изложенное позволяет заключить, что издание учебного пособия,

отражающего изменения, которые произошли в решении ряда задач,

связанных с анализом перенапряжений в электрических сетях и

требований к защитным мерам в течение последних 5-6 лет, является

своевременным.

Пособие опирается на фундаментальные знания в области

перенапряжений и мер защиты от них, содержащиеся в учебниках и

учебных пособиях, изданных в разное время сотрудниками научных школ

Москвы, Санкт-Петербурга, Киева, Екатеринбурга, Томска, Новосибирска,

Баку и других городов. Однако, авторы настоящего учебного пособия

старались отразить в нем именно те вопросы, которые либо не

затрагивались ранее, либо были затронуты фрагментарно. При работе над

пособием авторы опирались на результаты исследований в области

перенапряжений, проводимых при их участии и под их руководством в

Новосибирском государственном техническом университете. В этих

исследованиях также принимали участие дипломники, магистранты и

аспиранты кафедры Техники и электрофизики высоких напряжений НГТУ

(Е.А.Борисов, М.В.Булатников, О.И.Лаптев, И.Л.Дегтярев, А.С.Зубков,

А.В.Иванов, Р.В.Копылов, Е.С.Меньшикова В.В.Сахно, В.А.Хныков и др.),

которым авторы приносят свою искреннюю благодарность.

Главы третья, четвертая и шестая, а также параграфы 1.1 в первой

главе и 2.1-2.6 во второй главе написаны К.П.Кадомской. Ю.А.Лавровым

написаны седьмая глава и параграфы 1.2 и 2.7 в первой и второй главах.

А.А.Рейхердт написал пятую главу. Окончательная редакция учебника

явилась результатом совместного обсуждения авторами всех его разделов.

Авторы благодарны рецензентам И.А.Ефремову и А.Г.Овсянникову за

ряд замечаний, которые авторы постарались учесть в процессе работы над

окончательной редакцией учебного пособия.

Отзывы о книге, замечания и пожелания просьба направлять по

адресу: 630092, Новосибирск, 92, пр.К Маркса,20, НГТУ, кафедра

"Техника и электрофизика высоких напряжений"

Авторы

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ

…………………………………………………………………

1. ПЕРВИЧНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ВОЗДУШНЫХ И ЗАКРЫТЫХ

ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

……………………………………………

1.1 Первичные параметры воздушных линий (ВЛ) электропередачи……….

1.1.1 Телеграфные уравнения ВЛ…..………………………………………

1.1.2 Первичные параметры ВЛ…………..……………………………….

1.1.2.1 Продольные погонные параметры………………………….

1.1.2.2 Поперечные погонные параметры………………………….

1.2 Первичные параметры закрытых линий электропередачи……………….

1.2.1 Постановка задачи…………………………………………………….

1.2.2 Аналитическая методика определения погонных продольных

параметров газоизолированных линий (ГИЛ)………………………

1.2.3 Аналитическая методика определения погонных емкостных

параметров ГИЛ……………………………………………………..

1.2.4 Использование метода конечных элементов для определения

первичных параметров ГИЛ……………………………………….

1.2.5 Сравнение результатов расчета первичных параметров ГИЛ,

полученных аналитическим и численным методами……………

1.3 Контрольные вопросы к главе 1………………………………………….

2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНОВЫЕ

ПРОЦЕССЫ…………………………………………………………………..

2.1 Инженерная формула для оценки кратности перенапряжений,

возникающих при коммутациях в электрических сетях…………………..

2.2 Уравнения линии электропередачи и их решение…………………………

2.3 Методы бегущих и стоячих волн……………………………………………

2.4 Метод обобщенных бегущих волн………………………………………….

2.5 Учет искажения волн при их пробеге по ЛЭП…………………………….

2.5.1 Уравнения канала ЛЭП при частотно зависимых продольных

параметрах и их решение……………………………………………..

2.5.2 Метод, основанный на использовании частотного метода

определения оригинала………………………………………………

2.5.3 Метод, основанный на аппроксимации операторного коэффициента

распространения………………………………………………………

2.6 Исследование электромагнитных переходных процессов в

многопроводных ЛЭП при учете взаимного влияния

процессов в проводах…………………………………………………………

2.6.1 Метод волновых каналов………………………………………………

2.6.2 Фазный метод………………………………………………………….

2.7 Волновые параметры газоизолированных линий трехфазного исполнения

2.8 Контрольные вопросы к главе 2……………………………………………..

3. ЗАЗЕМЛЕНИЕ НЕЙТРАЛИ В СЕТЯХ РАЗЛИЧНЫХ

КЛАССОВ НАПРЯЖЕНИЯ И КВАЗИСТАЦИОНАРНЫЕ

ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ

………………………………………………………..

3.1 Общая характеристика вопроса……………………………………………..

3.2 Квазистационарные режимы в сетях средних классов напряжения………

3.2.1 Сети с односторонним питанием……………………………………..

3.2.1.1 Характеристика сетей…………………………………………

3.2.1.2 Режим замыкания на землю………………………………….

3.2.1.3 Напряжение на нейтрали сети в нормальном

эксплуатационном режиме…………………………………..

3.2.2 Сети среднего класса напряжения с двухсторонним питанием…..

3.2.3 Квазистационарные режимы в сетях с глухим заземлением нейтрали

3.2.3.1 Емкостный эффект при одностороннем питании ВЛ…………

3.2.3.2 Емкостный эффект при двухстороннем питании ВЛ…………

3.3 Контрольные вопросы к главе 3………………………………………………

4. КОММУТАЦИОННЫЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ И ЗАЩИТА ОТ

НИХ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

4.1. Общая характеристика перенапряжений……………………………………

4.2 Классификация коммутационных перенапряжений……………………….

4.3 Перенапряжения при плановом включении ВЛ……………………………

4.4 Меры ограничения коммутационных перенапряжений…………………..

4.4.1 Классификация мер защиты……………………………………………

4.4.2 Управляемое включение ВЛ…………………………………………….

4.4.3 Программированное включение ВЛ …………………………………….

4.4.4 Применение предвключаемых резисторов в выключателях……………

4.4.5 Нелинейные ограничители для защиты от перенапряжений (ОПН)…

4.5 Перенапряжения, возникающие при ликвидации однофазного короткого

замыкания на ВЛ………………………………………………………………

4.5.1 Общая характеристика процесса………………………………………

4.5.2 Перенапряжения, возникающие при одностороннем отключении

"здоровых" фаз ВЛ ……………………………………………………….

4.5.3 Перенапряжения, возникающие при отключении холостой ВЛ

4.5.4 Перенапряжения, возникающие при трехфазном автоматическом

повторном включении ВЛ (ТАПВ)……………………………………

4.5.5 Перенапряжения, возникающие при однофазном автоматическом

повторном включении ВЛ (ОАПВ)……………………………………

4.5.6 Включение второго по очереди выключателя – восстановление

нормальной эксплуатации ВЛ……………………………………………

4.6 Переходные восстанавливающиеся напряжения на контактах

линейных выключателей………………………………………………………

4.6.1 Постановка вопроса……………………………………………………….

4.6.2 Процессы восстановления напряжения на контактах полюсов

выключателя при отключении к.з. непосредственно за выключателем

4.6.3 Процессы восстановления напряжения на контактах

полюсов выключателя при отключении неудаленных

коротких замыканий (километрический эффект)………………………

4.7 Феррорезонансные процессы в электрических сетях высокого напряжения

4.7.1 Постановка вопроса………………………………………………………

4.7.2 Феррорезонансные процессы, обусловленные насыщением

магнитопроводов силовых трансформаторов………………………….

4.7.3. Феррорезонансные процессы, обусловленные насыщением

магнитопроводов измерительных трансформаторов напряжения….

4.8 Контрольные вопросы к главе 4……………………………………………..

5. ГРОЗОВЫЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ НА ВОЗДУШНЫХ

ЛИНИЯХ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ И ЗАЩИТА

ОТ НИХ

…………………………………………………………………………

5.1 Основные положения ориентировки канала молнии……………………..

5.2 Законы распределения амплитуд токов молнии в точке удара при не учете

и учете ориентировки канала лидера молнии………………………………

5.3 Моделирование волны тока молнии………………………………………..

5.4 Защита изолирующих подвесок ВЛ ВН от грозовых перенапряжений

с помощью защитных аппаратов типа ОПН, установленных на опорах…

5.5 Контрольные вопросы к главе 5…………………………………………….

6. ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ В СЕТЯХ СРЕДНИХ КЛАССОВ

НАПРЯЖЕНИЯ…………………………………………………….

6.1 Классификация электрических сетей……………………………………….

6.2 Процессы, сопровождающие дуговые замыкания на землю………………

6.3 Феррорезонансные процессы, обусловленные насыщением

магнитопроводов трансформаторов напряжения………………………….

6.3.1 Физическая картина явления………………………………………….

6.3.2 Процессы при ОДЗ в сети с изолированной нейтралью при

установке на шинах трансформаторов напряжения……………….

6.3.3 Меры, приводящие к нарушению условий существования опасных

феррорезонансных колебаний…………………………………………

6.4 Защита от перенапряжений сетей генераторного напряжения блоков

электрических станций……………………………………………………….

6.4.1 Заземление нейтралей генераторов блоков и уровни изоляции

электрооборудования…………………………………………………..

6.4.2 Схемы эксплуатации блоков электрических станций и их параметры

6.4.3 Перенапряжения при ОДЗ в сети генераторного напряжения и их

ограничение……………………………………………………………

6.4.4 Перенапряжения при включении блока генераторным выключателем

6.4.5 Грозовые перенапряжения и их ограничение………………………..

6.4.6 Процессы восстановления напряжения на контактах генераторных

выключателей………………………………………………………….

6.5 Защита от перенапряжений сетей собственных нужд

электрических станций и сетей специального назначения,

содержащих электрические двигатели……………………………………..

6.5.1 Характеристики сетей, содержащих электрические двигатели, и

параметры основного электрооборудования……………………….

6.5.2 Перенапряжения, зона действия которых охватывает все

электрооборудование сетей, содержащих электрические

двигатели……………………………………………………………..

6.5.3 Перенапряжения, возникающие при включении двигателей…….

6.5.4 Перенапряжения, возникающие при отключении двигателей

6.6 Контрольные вопросы к главе 6………………………………………….

7. ЗАКРЫТЫЕ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ (ЗЭП) ВЫСОКОГО

НАПРЯЖЕНИЯ (ВН) И ИХ ГРОЗОУПОРНОСТЬ....................

7.1 Постановка вопроса…………………………………………………………..

7.2 Перспективы использования в отечественной электроэнергетике

кабелей с пластмассовой изоляцией (КПИ) 110-220 кВ…………………..

7.2.1 Системный подход к конструированию, проектированию

и эксплуатации КПИ ВН………………………………………………

7.2.2 Типовые схемы применения КПИ 110-220 кВ……………………….

7.2.3 Конструктивные параметры и электрическая прочность КПИ

7.2.3.1 Конструкции КПИ 110-220 кВ……………………………….

7.2.3.2 Факторы, влияющие на электрическую прочность КПИ….

7.2.3.3 Электрические и водные триинги в КПИ…………………..

7.2.3.4 Выбор уровня изоляции КПИ………………………………..

7.2.4 Вопросы повышение эксплуатационной надежности КПИ 110-220 кВ

7.3 Перспективы использования в мировой и отечественной энергетике

газоизолированных линий (ГИЛ) ………….……………………………….

7.3.1 Типовые схемы использования ГИЛ 220-500 кВ……………………

7.3.2 Конструкции и электрическая прочность ГИЛ ВН различного

конструктивного исполнения………………………………………..

7.3.3 Электрическая прочность и выбор уровня изоляции ГИЛ………..

7.3.4 Вопросы повышения эксплуатационной надежности ГИЛ ВН

7.4 Грозовые перенапряжения в типовых схемах использования ЗЭП ВН….

7.4.1 Постановка задачи исследования…………………………………….

7.4.2 Математическая модель для анализа грозоупорности ЗЭП ВН……

7.4.3 Анализ грозовых перенапряжений и условий эксплуатации

ОПН в типовых схемах использования КПИ 110-220 кВ……….

7.4.3.1 Неограниченные перенапряжения……………………..

7.4.3.2 Токовые и энергетические воздействия на нелинейные

ограничители перенапряжений (ОПН)………………..

7.4.4 Грозоупорность ГИЛ 500 кВ в типовых схемах их применения

7.4.4.1 Неограниченные перенапряжения…………………………..

7.4.4.2 Условия эксплуатации ОПН………………………………….

7.5 Контрольные вопросы к главе 7…………………………………………….

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

……………………………………………………….

1. ПЕРВИЧНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ВОЗДУШНЫХ

И ЗАКРЫТЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

1.1 ПЕРВИЧНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ВОЗДУШНЫХ

ЛИНИЙ (ВЛ) ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

1.1.1 ТЕЛЕГРАФНЫЕ УРАВНЕНИЯ ВЛ

Воздушные и кабельные линии содержат протяженные проводящие и

изолирующие среды с поверхностями раздела между ними. Строго говоря,

анализ переходных процессов в таких средах следовало бы производить на

основе решения уравнений Максвелла в каждой i-ой среде:

)(

iii

HrotE μ

∂

−=

0)(

div E

, (1.1)

)(

iii

EErotH ε

∂

= ,

0)(

div H

, (1.2)

где E и Н – векторы напряженностей электрического и магнитного полей,

ε и μ абсолютные диэлектрическая и магнитная проницаемости среды, ρ -

удельное сопротивление среды. В общем случае

ε, μ и ρ могут зависеть от

координат, времени и составляющих поля.

При решении задач также необходимо удовлетворить граничным

условиям на границах раздела соседних сред (ниже индексы i и k) для

тангенциальных и нормальных составляющих (индексы

τ и n) векторов

электрического (Е) и магнитного (Н) полей:

ττ

niinkk

ττ

)(

niini

nkknk

E ε

∂

=ε

∂

. (1.3)

При аналитическом решении уравнений Максвелла примем

параметры каждой среды однородными, изотропными и постоянными.

Ионизационные процессы на проводах ВЛ, обусловленные явлением

короны, также не будем учитывать (влияние общей короны на волновые

процессы можно учесть, ориентируясь на эмпирические вольт-кулоновые

характеристики коронирующего провода). При этих допущениях все

составляющие поля подчинены волновым уравнениям, которые

относительно операторных изображений характеристик поля в декартовой

системе координат имеют вид:

iii

zyx

Ψ=

∂

Ψ∂

∂

Ψ∂

∂

Ψ∂

=∇ )(Ψ

, (1.4)

где

iii

ppk σμ=)(

pε+

=σ

- волновое число и проводимость i-ой

среды в операторной форме.

При аналитическом решении поставленной задачи анализ уравнений

электромагнитного поля основывается на анализе уравнений в

соответствующих электрических схемах. Каждый элемент такой схемы

является условным способом учета частных случаев существования

электромагнитного поля: электрического поля (емкостные элементы

схемы), магнитного поля (индуктивные элементы схемы). Структура

таких схем и параметры их элементов зависят от диапазона исследуемых

частот, скорости протекания процессов, от времени, напряжений, токов и

т.д., точности исходных данных и допустимых погрешностей решения

конкретных задач. При исследовании волновых процессов в воздушных

линиях следует отметить следующие особенности их конструкций,

которые обусловят дополнительные допущения при решении уравнения

(1.4). Воздушные линии электропередачи высокого напряжения (ВЛ ВН)

характеризуются малыми потерями в тросах и проводах, так как служат

для передачи энергии на дальние расстояния. Расстояния между тросами и

проводами, между проводами, а также высоты подвеса тросов и проводов

над землей во много раз больше их диаметров. Провода хорошо

изолированы от земли. Длины линий существенно превышают их

поперечные размеры даже с учетом проникновения электромагнитного

поля в землю. Поэтому при исследовании коммутационных и грозовых

перенапряжений в средах возникают, в основном, поперечные волны

(моды типа ТЕ). Для таких волн продольные составляющие Е

и Н

(вдоль

линии) в диэлектрике весьма малы по сравнению с поперечными

составляющими. Поэтому векторы Е и Н в диэлектрике в первом

приближении расположены в плоскости, перпендикулярной оси линии, а

вектор Умова-Пойнтинга П=[E

H] направлен, в основном, вдоль линии.

Если пренебречь также нелинейными характеристиками, например,

насыщением стальных тросов и коронированием проводов ВЛ, то

телеграфные уравнения линии, решением которых являются поперечные

волны, в операторной форме записываются в виде:

),(

xpd

=− , ),(

),(

xpd

=− , (1.5)