Кадомская К.П. Перенапряжения в электрических сетях различного назначения и защита от них
Подождите немного. Документ загружается.
л
В качестве расчетных случаев обычно принимаются отключение
первого и последнего полюсов выключателя при трехфазном к.з. Следует
отметить, что отключение последнего полюса при некоторых допущениях
можно трактовать как отключение однофазного короткого замыкания
(рис.4.25).
A
B
C
B
A
C
Рис. 4.25. Отключение первого и последнего полюсов выключателя
Поскольку СПВН в расчетных случаях возникают в несимметричных
схемах, то целесообразно для их расчета применить какой-нибудь метод,
сводящий трехфазную несимметричную задачу к трем однолинейным
задачам. Далее для этой цели применим метод
α, β, 0-составляющих. При
определении напряжения на контактах выключателя целесообразно
использовать метод эквивалентного генератора тока, т.е. в рассечку между
расходящимися контактами включать генератор тока, по величине и форме
совпадающего с отключаемым, но противоположно ему направленного
(при этом источники э.д.с. в расчетной схеме следует закоротить). Более
подробно о целесообразности применения этого метода изложено, в
частности в [24].
Граничные условия в фазных координатах запишутся в виде:
- при отключении первого полюса выключателя –
0
=
=
BCBB
uu
,
Г
ii
BA
=
, (4.20)
- при отключении последнего полюса выключателя –
0
=
=
BCBB
ii
,
Г
ii
BA
=
. (4.21)
Эти же граничные условия, записанные в
α, β, 0-координатах будут:
- при отключении первого полюса выключателя –
,0
B
=
β
u
2/
Bα0B
uu
=
,
ГB
ii
=
α
, (4.22)
- при отключении последнего полюса выключателя –
0
B
=
β
i ,
2/
B0B α
=
ii
,
ГB
ii
=
α
. (4.23)
л
Расчетные схемы, отвечающие граничным условиям (4.22) и (4.23),
приведены на рис.4.26. В этих схемах и - токи трехфазного и
однофазного к.з. соответственно. Расчеты в этих схемах справедливы до
момента времени прихода волн, отраженных от соседнего узла (в схеме
рис.4.23 – от системы). Схемы для определения входных сопротивлений
для прямой и нулевой последовательностей фаз приведены на рис.4.27.
)3(
Г
i
)1(
Г
i
1,5i
г
(3)
z
вх
i
г
(1)
/3
2z
вх
z
вх0
а) б)
Рис.4.26 Расчетные схемы для определения СПВН при
отключении первого (а) и последнего (б)
полюсов выключателя
z
Вэ
, z
В0э
С
э
, С
э0
L
э
, L
э0
Рис.4.27. Расчетные схемы для определения входных сопротивлений
для прямой (без индекса) и нулевой (с индексом 0)
последовательностей фаз
В схемах рис.4.27 обозначено:
,
блГТэ
/)( nLLL +=
блТэ0
/ nLL
=
,
Т
L
- индуктивность рассеивания трансформаторов ОРУ ВН,
Г
L
- сверхпереходная индуктивность генераторов станции,
n
бл
– число блоков на станции;
ВЛВBэ
/ nZZ =
и - волновые сопротивления для прямой и
нулевой последовательностей ВЛ, отходящих от ОРУ ВН,
ВЛ0Вэ0B
/ nZZ =
n
ВЛ
– число ВЛ, отходящих от ОРУ помимо аварийной.
э
C
и – емкости для прямой и нулевой последовательностей
параметров электрооборудования ОРУ относительно земли.
э0
C
Если пренебречь током среза в выключателе в момент погасания дуги,
то токи, форсируемые в расчетные схемы записываются в виде:
tIti
m
ω= sin)(
)3(
)3(
Г
, . (4.24)
tIti
m
ω= sin)(
)1(
)1(
Г
л
Примерная оценка коммутационной способности выключателя может
быть произведена на основе расчета начальной скорости восстановления
напряжения на контактах отключаемого полюса выключателя. Поскольку
емкость оборудования относительно невелика, то время заряда этой
емкости составляет несколько микросекунд. Поэтому при оценке
начальной скорости СПВН можно пренебречь этой емкостью. В
рассматриваемом случае можно также пренебречь переходным процессом,
связанным с нарастанием тока в индуктивности из-за большой постоянной
времени этого процесса. При этих допущениях и дополнительном вполне
правомочном допущении при малом времени расчета:
t
t
ω
ω
=sin скорость
восстановления напряжения в начальный момент времени может быть
записана в виде:
при отключении первого полюса выключателя –
)31(
Bэ
)3(
0
)31(
В
−
=
−
ηω= ZI
dt
du
m
t
, (4.25)
при отключении последнего полюса выключателя –
)1(
Bэ
)1(
0
)1(
В
ηω=
=
ZI
dt
du
m
t
. (4.26)
В выражениях (4.25) и(4.26) обозначено:
)12/(3
)31(
+νν=η
−
, ,
3/)2(
)1(
ν+=η
B0B
/ ZZ
=
ν
. (4.27)
Из приведенных выражений видно, что начальная скорость СПВН на
контактах отключаемого полюса выключателя определяется величиной
отключаемого тока и волновым сопротивлением отходящих линий,
носящим активный характер:
э0
B
RI
dt
du
mt
=
=
. (4.28)
Выражение (4.28) позволяет наметить меры, позволяющие при
необходимости снизить начальную скорость восстановления напряжения:
уменьшение отключаемого тока и уменьшение эквивалентного активного
сопротивления в схеме замещения. Практически эти меры можно
осуществить следующим образом:
Ограничение тока короткого замыкания:
л
• использованием аппаратных токоограничивающих устройств
различных конструкций (в том числе и основанных на использовании
явления сверхпроводимости);
• Оснащением нейтралей трансформаторов на ОРУ низкоомными
резисторами, ограничивающими ток однофазного к.з. (являющегося
определяющим при отключении к.з. на ВЛ, примыкающих к ОРУ
выдачи мощности крупной электрической станции, так как в этих
схемах токи однофазного к.з. превышают токи трехфазного к.з.);
• Деление сети или станции перед отключением линейного выключателя
(в схеме рис.4.22 предварительное отключение межсекционного
выключателя В).
Уменьшение активного сопротивления в схеме замещения:
• Оснащение выключателя шунтирующим сопротивлением;
• Предварительное (перед отключением линейного выключателя)
подключение к шинам секции резистора на землю с последующим его
отключением после успешного отключения аварийной ВЛ.
Вторая из перечисленных мер, связанных с уменьшением активного
сопротивления в схеме коммутации выключателя, применяется редко.
Поэтому остановимся на эффективности применения выключателей,
оснащенных шунтирующими сопротивлениями. Принципиальная схема
выключателя, оснащенными шунтирующими активными сопротивлениями
была приведена на рис.4.5. Расчетные схемы для определения СПВН при
отключении главных и вспомогательных контактов выключателя
приведены на рис.4.28.
R
ш
z
э
, z
э0
i
г
R
ш
z
э
, z
э0
i
г
а) б)
Рис.4.28. Расчетные схемы для определения СПВН при отключении
главных (а) и вспомогательных (б) контактов полюса
выключателя, оснащенного шунтирующим
активным сопротивлением
Из рис.4.28,а видно, что активное сопротивление выключателя
оказывается подключенным параллельно волновым сопротивлениям ВЛ
для прямой и нулевой последовательностей фаз. Поэтому
R
э
в схеме рис.
4.27 оказывается сниженным (величина
R
ш
составляет 50…100 Ом).
Отключаемый же ток к.з. остается неизменным. При отключении
л
вспомогательных контактов выключателя (расчетная схема рис.4.28,б)
эффект снижения СПВН определяется снижением тока, отключаемого
вспомогательными контактами, за счет введения в отключаемую цепь
сопротивления:
ш1
)3(
ВК
Rjx
E
I
+
=
,
ш01
)1(
ВК
)2( Rxxj
E
I
++
=
. (4.29)
При реальных параметрах станций и величинах
R
ш
ток, протекающий
через вспомогательные контакты выключателя, примерно в 10 раз меньше
тока, отключаемыми главными контактами. На рис. 4.29 приведены ПВН
на контактах линейного выключателя 220 кВ при отключении
однополюсного к.з. выключателем без шунтирующих сопротивлений, а
также на главных и вспомогательных контактах выключателя,
оснащенного шунтирующим сопротивлением.
Рис.4.29. ПВН на контактах последнего полюса выключателя
при отключении однофазного к.з. на ВЛ 220 кВ
Из рисунка видно, что оснащение выключателя шунтирующими
сопротивлениями привело к снижению как начальной скорости ПВН, так и
его максимального значения.
л
4.6.3 ПРОЦЕССЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА
КОНТАКТАХ ПОЛЮСОВ ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ ПРИ ОТКЛЮЧЕНИИ
НЕУДАЛЕННЫХ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ (КИЛОМЕТРИЧЕСКИЙ
ЭФФЕКТ)
В некоторых схемах определяющей коммутацией может быть не
отключение к.з. непосредственно за линейным выключателем, а
отключение к.з. на ВЛ на небольшом удалении от выключателя. Очевидно,
что удаление точки к.з. от шин ОРУ приводит к некоторому уменьшению
величины токов к.з. Однако, начальные скорости восстановления
напряжения на контактах отключаемого полюса выключателя могут
возрасти за счет волновых процессов, возникающих на участке ВЛ от шин
ОРУ до места к.з. Принципиальная расчетная схема в этом случае
приведена на рис.4.30.
В
ВЛ
220
220
Система
l
к.з.
Рис.4.30. Принципиальная схема для расчета ПВН на контактах
выключателя при отключении к.з. на некотором
удалении от выключателя
На рис.4.31 приведена обобщенная расчетная схема для определения
напряжения на контактах выключателя. Из этой схемы видно, что
напряжение на контактах выключателя при отключении к.з. на некотором
удалении от выключателя определится как:
)()()(
лшВ
tututu
−
=
. (4.30)
i
г
(t)
z
вх
u
ш
u
л
l
к.з.
Рис.4.31 Обобщенная расчетная схема для определения СПВН
на контактах выключателя при отключении к.з. на
некотором удалении от выключателя
л
Напряжение на шинах определяется с помощью методики,
изложенной в предыдущем параграфе. На это напряжение накладывается
напряжение в начале ВЛ, зависящее как от волнового сопротивления ВЛ,
так и от места удаления к.з. от шин ОРУ.
Операторное изображение напряжения на линии запишется в виде:
)()()(
вх лГл
pZpIpU ⋅−= , (4.31)
где - операторное входное сопротивление
короткозамкнутого участка ВЛ при пренебрежении активными потерями
этого участка.
)()(
.к.зВвх л
τ= pthZpZ
Подставляя в (4.31) операторное изображение для тока и раскладывая
гиперболический тангенс в ряд, получим:
......)221()(
к.з.к.з.
42
2
л
−+−
ω
=
τ−τ− pp
m
ee
p
I
pU
. (4.32)
При использовании теоремы запаздывания оригинал от (4.32)
запишется в следующим образом:
[]
.......)4(2)2(21)(
к.з.0к.з.0л
−
τ
−
δ
+
τ
−
δ−ω= tttItu
m
, (4.33)
где - обобщенная единичная запаздывающая функция.
)(
к.з.0
τ−δ nt
Согласно выражению (4.33) напряжение на линии будет иметь вид,
приведенный на рис.4.32.
Рис.4.32 Напряжение в начале ВЛ при отключении к.з.
на некотором удалении от выключателя.
Напряжение на контактах выключателя будет иметь вид, приведенный
на рис.4.33.
л
t
u
выкл
0
Рис.4.33 Напряжение на контактах полюса выключателя при
отключении неудаленного короткого замыкания на линии
Более тонкой линией на рисунке показано ПВН при к.з.
непосредственно за выключателем. Из рисунка видно, что начальная
скорость восстановления напряжения на контактах выключателя при
отключении неудаленного к.з. превышает соответствующую скорость при
отключении к.з. непосредственно за выключателем. Отношение скоростей
может быть оценено по выражению:
л
кз
нкз
0
кз
В
нкз
В
/ n
I
I
dt
du
dt
du
t
=
=
. (4.34)
В упомянутом выше ГОСТ,е 687-78 приводятся допустимые ПВН при
отключении неудаленных к.з. В качестве примера на рис.4.34 приведены
нормируемые кривые для воздушных выключателей 220 кВ при
отключении 0.60, 0.75 и 0.90
I
ном
.
t
u
выкл
0
10
50
кВ
0,75 I
ном
0,9 I
ном
0,6 I
ном
Рис.4.34 Нормированные ПВН при отключении неудаленных к.з
воздушным выключателем 220 кВ
л
Наиболее эффективной мерой снижения начальной скорости ПВН при
отключении неудаленных к.з. является оснащение выключателей
шунтирующими сопротивлениями. Начальные скорости ПВН при этом
определяются по выражениям:
)31(
нкз
шВЛэВЛ
шВЛэВЛ
)31(
нкз0
)31(
ГК
)(
−−
=
−
η
++
+
ω=
RZZ
RZZ
I
dt
du
mt
, (4.35)
)1(
нкз
шВЛэВЛ
шВЛэВЛ
)1(
нкз0
)1(
ГК
)(
η
++
+
ω=
=
RZZ
RZZ
I
dt
du
mt
, (4.36)
где
нкз
нкз
)31(
нкз
2
3
ν+
ν
=η
−
,
3
2
нкз
)1(
нкз
ν
+
=η ,
))((
))((
ВЛэВЛш0ВВэ0ВЛ
шВЛэВЛВЛ0э0ВЛ
нкз
ZZRZZ
RZZZZ
+++
+
+
+
=ν .
Так, например, при числе отходящих от ОРУ 220 кВ двух ВЛ помимо
аварийной и оснащении выключателя сопротивлением
R
ш
=100 Ом
начальная скорость при отключении неудаленного к.з. выключателем с
шунтирующими сопротивлениями снизилась почти в 8 раз.
ПВН на вспомогательных контактах выключателя так же, как и при
отключении к.з. на линейных выводах выключателя, характеризуется как
небольшими значениям начальных скоростей восстановления напряжения,
так и малыми пиками колебаний из-за небольшой величины отключаемого
тока, ограниченного шунтирующим резистором.
Более подробно вопрос о процессах, сопровождающих отключение
к.з. как на линейных выводах выключателя, так и на небольшом удалении
от выключателя на линии, изложен в [24].
4.7 ФЕРРОРЕЗОНАНСНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
СЕТЯХ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
4.7.1 ПОСТАНОВКА ВОПРОСА
Феррорезонансные явления в электропередачах ВН возникают в
схемах, содержащих насыщенные магнитопроводы силовых
трансформаторов или трансформаторов напряжения (ТН)
электромагнитного типа и емкости участков ВЛ или электрооборудования
ОРУ ВН. Феррорезонансные условия, обусловленные насыщением
магнитопроводов силовых трансформаторов, возникают в схемах,
характеризующихся достаточно большой емкостью. Для возбуждения
опасных феррорезонансных явлений, обусловленных насыщением
магнитопроводов ТН, характеризуемых существенно меньшей мощностью,
емкость в соответствующей схеме должна быть невелика. Как правило,
рассматриваемые феррорезонансные явления имеют автопараметрический
характер, где переменным параметром, зависящим от развивающегося
процесса, является индуктивность шунта намагничивания трансформатора.
В результате развивающегося автопараметрического феррорезонанса
могут возникнуть как перенапряжения на изоляции электрооборудования,
приводящие к нарушению его электрической прочности, так и
повышенные значения токов, которые могут привести к нарушению
тепловой устойчивости электрических аппаратов с возможным
последующим их возгоранием. Несмотря на одинаковую физическую
природу опасных феррорезонансных явлений, обусловленных насыщением
магнитопроводов силовых трансформаторов и трансформаторов
напряжения, схемные условия их возникновения в электрических сетях
существенно различаются, что и предопределяет их раздельное
дальнейшее рассмотрение.
4.7.2 ФЕРРОРЕЗОНАНСНЫЕ ПРОЦЕССЫ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ
НАСЫЩЕНИЕМ МАГНИТОПРОВОДОВ СИЛОВЫХ
ТРАНСФОРМАТОРОВ
Для возникновения опасных феррорезонансных перенапряжений на
промышленной частоте, а также на субгармонических и
ультрагармонических необходимо соблюдение двух предварительных
условий:
• Напряжение на силовом трансформаторе должно быть существенно
выше номинального (минимум примерно на 25-30%);
• Входное сопротивление расчетной схемы относительно шунта
намагничивания силового трансформатора должно носить емкостный