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

Подождите немного. Документ загружается.

которые были перечислены при анализе перенапряжений, возникающих

при ТАПВ ВЛ без шунтирующих реакторов.

На ВЛ установлены трансформаторы напряжения электромагнитного

типа (шунтирующих реакторов нет).

Экспериментальные исследования

показали, что ТН электромагнитного типа, установленный на ВЛ, при

воздействии на него практически постоянного напряжения, до которого

заряжена емкость отключенной с двух сторон ВЛ, моделируется

практически лишь нелинейным активным сопротивлением. Емкость ВЛ

разряжается через это активное сопротивление за время, существенно

меньшее бестоковой паузы ТАПВ. Активное сопротивление ТН типа НКФ

(по исследованиям д.т.н., профессора А.И. Долгинова) составляет

примерно 25 Ом на 1 кВ. Так, например, для ТН 500 кВ это сопротивление

составит 12,5 кОм. Если принять длину ВЛ примерно равной 500 км, то

емкость ВЛ будет порядка 5 мкФ. Следовательно постоянная времени

разряда емкости через активное сопротивление ТН будет

62,5 мс,

т.е. существенно меньше времени бестоковой паузы ТАПВ (рис.4.15).

Рис.4.15 Стилизованная осциллограмма напряжения на ВЛ,

оснащенной ТН электромагнитного типа во время

бестоковой паузы ТАПВ (ШР не установлены)

Следовательно, если ВЛ оснащены ТН электромагнитного типа, то

уровень перенапряжений при включении в цикле ТАПВ не отличается от

уровня при плановой включении ВЛ, рассмотренном выше. Следует,

однако, иметь в виду, что если на ВЛ установлены и шунтирующие

реакторы и ТН электромагнитного типа, то ТН из за малой мощности

практически не влияют на процессы на ВЛ во время бестоковой паузы

ТАПВ, определяемые лишь шунтирующими реакторами.

4.5.5 ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ, ВОЗНИКАЮЩИЕ ПРИ ОДНОФАЗНОМ

АВТОМАТИЧЕСКОМ ПОВТОРНОМ ВКЛЮЧЕНИИ ВЛ (ОАПВ)

Однофазное автоматическое повторное включение (ОАПВ) ВЛ

является средством повышения уровня динамической устойчивости систем

высокого напряжения, связанных коммутируемой линией. Чем выше класс

напряжения ВЛ, тем больший процент от числа коротких замыканий на

них составляют однофазные короткие замыкания. Это связано с

естественным увеличением междуфазных габаритов ВЛ с повышением

класса напряжения. На линиях 500 кВ доля однофазных к.з. превышает

90% на линиях 750 кВ – порядка 96% [21]. Следовательно, разумно

отключать лишь одну аварийную фазу, сохраняя передачу электроэнергии

по двум другим фазам на период бестоковой паузы ОАПВ. Длительность

бестоковой паузы ОАПВ по требованию сохранения динамической

устойчивости может быть большей, чем соответствующая длительность

при ТАПВ. Одной из важных задач при использовании ОАПВ является

вопрос гашения дуги на фазе, которая находится в электростатическом и

электромагнитном полях, инициируемых зарядами неотключенных фаз и

токами, протекающими по ним. Одной из мер, способствующих гашению

дуги подпитки, является компенсация междуфазной емкости с помощью

четырехлучевого шунтирующего реактора (рис.4.16).

ABC

фф

Рис.4.16. Четырехлучевой шунтирующий реактор и его схема замещения

Параметры в схеме замещения четырехлучевого реактора

определяются как:

Nр

LLL 3

L 3

рфф

. (4.14)

Принципиальная схема электропередачи при отключении фазы с двух

сторон приведена на рис.4.17.

/2 x

Рис.4.17 Принципиальная схема с отключенной фазой при

установке на ВЛ шунтирующих реакторов

Простейшая схема, позволяющая определить напряжение на

отключенной фазе, обусловленное её емкостными связями с

неотключенной фазой приведена на рис.4.18.

фф

2С

фф

-E

Рис.4.18 Простейшая эквивалентная схема замещения

В схеме рис.4.18 обозначено:

xExE

1C1B

⋅

= , где 2.

(4.15)

пог ф

Lx ω=

Из рис.4.18 видно, что при применении четырехлучевого

шунтирующего реактора можно скомпенсировать емкостную

составляющую тока подпитки дуги. В случае же установки трехлучевого

реактора в режиме отключения одной фазы возможен резонанс

напряжений (рис.4.19).

2С

фф

Рис.4.19. Расчетная схема для определения емкостной составляющей

напряжения на отключенной фазе при установке

на ВЛ трехлучевых шунтирующих реакторов

Из рис.4.19 видно, что в случае перекомпенсации фазной емкости ВЛ

возможен резонанс в контуре - параллельное соединение С

фф

и L

Такой резонанс вполне возможен, так как индуктивное сопротивление

реактора выбирается, исходя из требуемой компенсации рабочей емкости

ВЛ (емкости прямой последовательности) С

раб

=С

+3С

фф

. Если предположить, что ток в рабочей емкости ВЛ

полностью скомпенсирован током в шунтирующем реакторе, емкостный

ток в фазной емкости будет перекомпенсирован, так как фазная емкость

примерно в 1,3 раза меньше рабочей (С

фраб

раб

/1 LСk

ω=

фф

=0,1С

). При перекомпенсации,

сопротивление параллельного соединения С

и L

будет носить

индуктивный характер и в режиме бестоковой паузы ОАПВ возможен

резонанс напряжений, который может привести прежде всего к

перекрытию внешней изоляции шунтирующего реактора. Предполагается,

что параметры шунтирующего реактора (трехлучевого или

четырехлучевого) должны быть выбраны таким образом, чтобы

напряжение на отключенной фазе не превышало бы по модулю 0,6U

фm

Следует отметить, что в идеальном случае выбора параметров

шунтирующего реактора:

2/2/1

фффф

=ω и

фф

/1 LС

ток подпитки дуги практически будет равен нулю. Емкостная

составляющая этого тока будет скомпенсирована. Составляющая же,

обусловленная взаимной индукцией между включенными фазами и

отключенной э.д.с. Фарадея, наводимой в отключенной фазе токами во

включенных фазах:

)(

CBA

IIMjE

ω=

, не приведет к протеканию тока в

отключенной фазе из-за практически бесконечного сопротивления в

контуре её действия.

При этих же параметрах напряжение на отключенной фазе после

погасания дуги практически будет равным нулю.

Таким образом, режимы горения дуги подпитки и после её погасания

тесно связаны между собой. Предположим далее, что включение фазы в

цикле ОАПВ происходит при той величине максимального напряжения на

этой фазе, при которой дуга к моменту её включения надежно гаснет

( . Следует отметить, что поскольку это напряжение

практически определяется зарядами фаз В и С, то оно находится в

противофазе с э.д.с. включаемой фазы. Следовательно, перенапряжения,

возникающие на отключенной фазе при её включении в случае погасшей

дуги, могут быть приближенно оценены как:

)6,0

ф0 m

Uu ≤

0.вынмакс

2 uUU

−

≈

. (4.16)

При определении вынужденной составляющей на односторонне

включенной фазе при двух фазах, включенных двухсторонне, должна быть

кроме э.д.с. источника учтена также э.д.с. Фарадея, наведенная на

односторонне включенной фазе токами в двух включенных с обеих сторон

фаз (рис.4.20).

пр

вын

Рис.4.20 Расчетная схема для определения вынужденной

составляющей при включении фазы в цикле ОАПВ

Эквивалентная э.д.с. в схеме рис.4.20 определится как:

)1(/

прэ

+−⋅+=+=

eELMEeEEE , (4.17)

где δ - угол сдвига между э.д.с. фаз А на отправном и приемном концах

ВЛ. Из выражения (4.17) видно, что при δ=0 э.д.с. Фарадея равна нулю и

вынужденная составляющая определяется лишь э.д.с. источника

включаемой фазы. В случае же, если δ=π, то

)./21(

LMEE

−

(4.18)

При M/L=0,3 и δ=0 .

EE 6,1

−=

Однако, δ=π отвечает нарушению динамической устойчивости между

параллельно эксплуатируемыми системами. Если же взять в качестве

расчетного угол, отвечающий эксплуатации в нормальном режиме,

примерно равным в дальних электропередачах волновой длине линии, то

при длине ВЛ 500 км (

≈

) E

=1,05E. Следовательно, при

достаточно быстродействующем ОАПВ наведенная э.д.с. Фарадея не

существенно влияет на эквивалентную э.д.с. Если принять вынужденную

составляющую равной 1,2⋅1,05⋅U

фm

=1,26U

фm

, то максимум перенапряжений

при одностороннем включении ранее отключенной фазы согласно (4.16)

будет:

12,36,052,2/

фмакс

UU , что превышает допустимый уровень

для электропередачи напряжением свыше 330 кВ. Основной мерой

ограничения перенапряжений в этом случае является применение

четырехлучевых шунтирующих реакторов, позволяющих уменьшить

напряжение на отключенной с двух сторон фазе в идеале до нулевого

значения. В этом случае

52,2/

фмакс

UU , т.е. меньше уровня,

допустимого практически для ВЛ любых классов напряжения вплоть до

1150 кВ. Если же напряжение на отключенной фазе не равно нулю

(расчетным случаем является u

=0), то ограничение перенапряжений

может быть достигнуто с помощью уже ранее рассмотренных мер:

программированным или управляемым включением, включением

выключателем с предвключаемыми резисторами, установкой ОПН на

обоих концах ВЛ.

4.5.6 ВКЛЮЧЕНИЕ ВТОРОГО ПО ОЧЕРЕДИ ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ –

ВОССТАНОВЛЕНИЕ НОРМАЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ ВЛ

Не останавливаясь на анализе этой коммутации, достаточно подробно

описанной в [22], отметим лишь основные условия появления в этом

случае опасных перенапряжений. Во-первых, перенапряжения возникают

при включении последнего по очереди выключателя (рис.4.21).

, L

Рис.4.21 Восстановление нормальной эксплуатации ЛЭП

Наибольшие перенапряжения возникают в момент, когда напряжение

на контактах выключателя достигает максимальной величины. Если к

шинам системы 1 не примыкают отходящие линии, то для составляющей

прямой последовательности в первый момент времени индуктивность

будет разрывом и по линии от системы 1 к системе 2 будет

распространяться волна того же знака, что и набегающая волна. При этом в

начале ВЛ возникают перенапряжения, превышающие двукратные

значения. Так, при включении последней фазы ВЛ длиной 300 км, при

294.0/

В1

=Zx 44.0/

110

xx 33.1/

792.1/

В0В

=ZZ

максимум перенапряжений составил 3,4 U

фm

. Если от приемной системы 2

отходят ВЛ, то максимумы перенапряжений существенно уменьшаются:

так при одной отходящей ВЛ максимум перенапряжений снизился до

двухкратного. Мерами ограничения перенапряжений этого вида могут

служить:

• Управление коммутацией – включение в момент достижения углом

между векторами э.д.с. минимального значения (необходимо, однако,

помнить, что эта мера может затянуть паузу трехфазного или однофазного

АПВ);

•

Программированное включение ВЛ;

•

Некоторая задержка во времени включения второго выключателя,

т.е. включение после затухания переходных процессов, вызванных

включением первого по очереди выключателя;

Логика программированного включения зависит от схемы

электропередачи:

•

Если приемная и отправная системы являются

концентрированными, т.е. от них не отходят другие ВЛ, кроме

коммутируемой, то выключатель, включаемый последним, должен быть

расположен у шин менее мощной системы;

•

Если от одной из примыкающих к коммутируемой ВЛ систем

отходят линии электропередачи того же класса напряжения, что и

коммутируемая, то выключатель, включаемый в первую очередь, должен

быть расположен у шин концентрированной системы;

•

Если как от отправной, так и от приемной системы отходят линии

того же класса, что и у коммутируемой, то выключатель, включаемый в

последнюю очередь, должен быть расположен у шин той системы, от

которой отходит меньшее число линий.

4.6 ПЕРЕХОДНЫЕ ВОССТАНАВЛИВАЮЩИЕСЯ

НАПРЯЖЕНИЯ НА КОНТАКТАХ ЛИНЕЙНЫХ

ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ

4.6.1 ПОСТАНОВКА ВОПРОСА

Линейные выключатели, установленные на воздушных линиях,

отходящих от ОРУ ВН, должны надежно отключать все виды коротких

замыканий на ВЛ. Основными характеристиками выключателей с этой

точки зрения являются их разрывная мощность, характеризуемая при

данном классе напряжения величиной отключаемого тока, а также

коммутационная способность, характеризуемая процессом восстановления

электрической прочности между контактами полюса выключателя при их

расхождении.

В предыдущих параграфах, в основном, рассматривались

перенапряжения, возникающие на изоляции электрооборудования

относительно земли. Надежное же отключение короткого замыкания

выключателем, установленным на воздушной линии, возможно лишь при

условии, что напряжение на продольной изоляции межконтактного

промежутка не превзойдет в переходном процессе электрической

прочности этого промежутка. В случае установки на ВЛ выключателя с

газовой дугогасящей средой (воздушного или элегазового) скорость

восстановления электрической прочности промежутка между контактами

зависит как от скорости движения контактов и свойств газовой

дугогасящей среды, так и от величины отключаемого тока.

Восстанавливающееся же напряжение между контактами выключателя

зависит, в основном, от удаленности места короткого замыкания от

выключателя и от параметров разрываемой цепи. Обычно

рассматриваются два расчетных случая:

- отключение короткого замыкания (к.з.) на ВЛ непосредственно за

выключателем,

- отключение к.з. на ВЛ на достаточно близком расстоянии от

выключателя, так называемое "неудаленное к.з." (по терминологии в

Российской технической литературе) или "километрический эффект"

(по терминологии, принятой в зарубежной технической литературе).

Следует заметить, что второй термин более адекватен

рассматриваемому процессу.

Для воздушных выключателей имеется ГОСТ 687-78 [23].

Собственные переходные восстанавливающиеся напряжения (СПВН),

возникающие на контактах выключателей ВН, должны сопоставляться с

нормированными характеристиками ПВН, содержащимися в этом ГОСТ,е.

Под СПВН понимается восстанавливающееся напряжение, определяемое в

расчетной схеме при моделировании выключателя в виде идеального

ключа – т.е. не учитываются процессы, происходящие в дуговом

промежутке выключателя. Для выключателей напряжением 110 кВ и выше

нормируется кривая, характеризуемая четырьмя параметрами (рис.4.22).

Для элегазовых выключателей в настоящее время соответствующего

ГОСТ,а нет.

Рис.4.22 Нормируемое СПВН для воздушных выключателей

при отключении к.з. непосредственно за выключателем

На рис.4.22 применены те же обозначения, которые содержатся в

ГОСТ'e:

нрпг1

Uku =

uku

, (4.19)

где

пг

– коэффициент первого гасящего полюса,

– коэффициент амплитуды,

нр

– наибольшее рабочее напряжение выключателя

Входящие в выражения (4.19) коэффициенты зависят от величины

отключаемого тока. В ГОСТ'e приводятся их значения для отключения

токов, составляющих 100, 60 и 30% от номинального тока. Остальные

характеристики нормированной характеристики ПВН также зависят от

отключаемого тока.

В качестве примера в табл.4.1 приведены параметры нормируемой

кривой для воздушного выключателя 220 кВ.

Таблица 4.1

Параметры нормируемой кривой ПВН для выключателя 220 кВ

нр

=252 кВ; I

номВ

=31.5 кА

эфф

номоткл

/ II

пг

, кВ u

, кВ t

, мкс t

, мкс u

, кВ

1 1.3 1.4 268 288 222 666 2 134

0.6 1.3 1.5 268 309 111 333 4 134

0.3 1.3 1.5 268 309 44 133 8 134

На рис.4.23 приведена зависимость начальной допустимой скорости

восстановления напряжения на контактах выключателя, полученная на

основе данных табл. 4.1. Из кривой следует, что начальная допустимая

скорость восстановления напряжения на отключаемом полюсе

выключателя при отключении номинального тока составляет примерно 1,2

кВ/мкс. Следует заметить, что косвенный анализ данных по элегазовым

выключателям позволяет принять эту цифру примерно равной 3 кВ/мкс.

Рис.4.23 Зависимость допустимой начальной скорости восстановления

напряжения на контактах полюса воздушного выключателя

от величины отключаемого тока

4.6.2 ПРОЦЕССЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА КОНТАКТАХ

ПОЛЮСОВ ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ ПРИ ОТКЛЮЧЕНИИ К.З.

НЕПОСРЕДСТВЕННО ЗА ВЫКЛЮЧАТЕЛЕМ

Наиболее тяжелые условия гашения дуги возникают на контактах

линейных выключателей в схемах выдачи мощности от крупных

электрических станций. Принципиальная расчетная схема в этом случае

приведена на рис.4.24.

ВЛ

220

Система

Рис.4.24. Принципиальная схема для расчета СПВН на контактах

полюсов выключателя при отключении к.з.

непосредственно за выключателем