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

Подождите немного. Документ загружается.

характер на той частоте, для которой выполняются условия

автопараметрического феррорезонанса.

Такие условия могут возникнуть, например, в блочных или

полублочных передачах (без выключателей на стороне высокого

напряжения, коммутации в которых осуществляются выключателями,

установленными на стороне низшего напряжения – см. рис.4.35,а). В таких

схемах во время коммутаций, связанных с отключением ВЛ на

трансформатор воздействует повышенное напряжение, обусловленное

емкостным эффектом ВЛ, нагруженной на холостой трансформатор.

а)

б)

Рис.4.35. Принципиальная схема блочной электропередачи (а)

и электропередачи с отпайкой (б)

Опасные феррорезонансные перенапряжения на основной, высших и

низших гармонических могут возникнуть также и в схемах с

выключателями на стороне высокого напряжения, если на ВЛ имеется

отпайка для питания промежуточных потребителей при условии, что

нагрузка в момент коммутации отсутствует (рис.4.35,б).

Условия возникновения опасных перенапряжений на основной,

высших и низших гармонических достаточно подробно рассмотрены в

книгах [2, 25] и в настоящем учебнике не затрагиваются.

При защите электрооборудования ВН от перенапряжений с помощью

нелинейных ограничителей перенапряжений требования к длительным

повышениям напряжения в местах их установки, в том числе и

обусловленных феррорезонансными явлениями, существенно

ужесточаются, так как возникает необходимость ограничения длительно

воздействующих повышенных напряжений на неотключаемые защитные

аппараты типа ОПН. Ниже приводится одна из возможных схемных

ситуаций, при которой могут возникнуть опасные повышения напряжения

феррорезонансного характера в месте установки аппарата типа ОПН.

Принципиальная исследуемая схема приведена на рис.4.36.

ВЛ ВЛ

АТ

ОПН-500

500 кВ750 кВ

Рис.4.36. Принципиальная схема для анализа ферорезонансных

явлений при коммутации выключателем 750 кВ

Опасные феррорезонансные перенапряжения в схеме рис.4.36 могут

возникнуть при отключении холостой ВЛ 500 кВ выключателем 750 кВ

при учете разброса в действии его полюсов. Упрощенная расчетная схема,

позволяющая пояснить процессы, происходящие при этой коммутации,

приведена на рис.4.37.

фф

Рис.4.37. Упрощенная расчетная схема для анализа процессов

в схеме рис. 4.36 при включенной одной фазы ВЛ 500 кВ.

В схеме рис.4.37 источник напряжения, подаваемого на ВЛ 500 кВ с

помощью ВЛ 750 кВ моделируется элементом с сосредоточенными

параметрами в виде индуктивности питающей схему ВЛ 750 кВ. Холостая

ВЛ 500 кВ моделируется в виде системы сосредоточенных фазных и

междуфазных емкостей, что допустимо вследствие её небольшой

протяженности (порядка 20…30 км). В схеме рис.4.37 учтены шунты

намагничивания автотрансформатора 750/500 кВ (АТ), а также

индуктивность обмотки АТ, соединенной в треугольник (L

/2). Из схемы

рис.4.37 видно, что повышенные значения напряжения в стационарном

режиме на фазах ОПН-500, установленных на не включенных фазах ВЛ

500 кВ, возможны при условии соблюдения условий резонанса

напряжений в цепи 2С

фф

||L

/2 – 2C

. При неучете шунта намагничивания

и разомкнутой обмотке АТ, соединенной в треугольник (L

→∞),

напряжения на невключенных фазах будут:

)/(

ффффф,

CCCUU

ACB

. (4.37)

т.е. составляют небольшую долю от напряжения на включенной фазе. При

неучете намагничивания и при замкнутой третичной обмотке АТ резонанс

также не будет наблюдаться, так как на промышленной частоте

параллельное соединение 2C

фф

и L

/2 имеет емкостный характер.

Следовательно, условия, близкие к резонансным, могут наблюдаться лишь

при учете намагничивания магнитопроводов и замкнутой третичной

обмотке АТ. Это обстоятельство подтверждается результатами расчетов

неполнофазных стационарных режимов, (табл.4.2). Из таблицы видно, что

при разомкнутой третичной обмотке резонансных явлений при

неполнофазном включении холостой ВЛ 500 кВ не наблюдается. В случае

же замкнутой обмотки наиболее неблагоприятные условия наблюдаются

при учете насыщения магнитопровода АТ.

Таблица 4.2

Результаты расчетов неполнофазных режимов ВЛ 500 кВ

Треугольник АТ замкнут Треугольник АТ разомкнут Неполно-

фазный

режим

ном.ф

≠

1,18 1,24 1,02 1,02

1,02 1,51 0,19 0,35

Включена

фаза А

1,02 1,46 0,19 0,50

1,08 1,39 1,02 1,02

1,07 1,43 1,02 1,02

Включены

фазы А и В

1,81 4,24 0,13 0,29

Несомненный интерес представляют перенапряжения, возникающие в

переходном процессе отключения холостой ВЛ при разбросе в действии

полюсов выключателя 750 кВ

В табл

. 4.3 приведены результаты расчетов перенапряжений в

переходных процессах при различных условиях их осуществления (в

математической модели учитывались переходные процессы во всех

обмотка АТ с помощью алгоритма, изложенного, в частности в [26]:

•

В момент прохождения тока в выключателе фазы А через ноль

отключалась эта фаза. Две другие фазы в течение времени порядка 0,8 с не

отключались;

•

В момент прохождения тока в выключателе фазы А через ноль

отключалась эта фаза. Через некоторое время в момент прохождения тока

в выключателе фазы В через ноль отключалась фаза В, фаза С не

отключалась;

• В момент прохождения тока в выключателе фазы А через ноль

отключалась эта фаза. Через некоторое время в момент прохождения тока

в выключателе фазы В через ноль отключалась фаза В. Через некоторое

время в момент прохождения тока в выключателе фазы С через ноль

отключалась эта последняя фаза.

Во всех расчетах исходным режимом являлся установившийся режим

одностороннего включения всех трех фаз ВЛ.

Из таблицы видно, что наибольшие перенапряжения возникают при

разбросе в действии полюсов фаз А и В и достаточно длительной задержке

в отключении последнего полюса. Компьютерные осциллограммы

напряжений на фазах ВЛ 500 кВ и токов в замкнутой третичной обмотке

АТ приведены на рис.4.38.

Таблица 4.3

Перенапряжения при отключении холостой ВЛ 500 кВ при учете

разброса в действии полюсов выключателя 750 кВ

№

варианта

Схема третичной

обмотки АТ

фm

замкнута 1.18 1.05 1.05

разомкнута 1.07 1.06 1.06

замкнута 3.16 3.03 2.26

разомкнута 1.22 1.21 1.33

замкнута 1.75 1.78 1.76

разомкнута 1.24 1.20 1.22

Из таблицы видно, что наибольшие перенапряжения возникают при

разбросе в действии полюсов фаз А и В и достаточно длительной задержке

в отключении последнего полюса. Расчетные осциллограммы напряжений

на фазах ВЛ 500 кВ и токов в замкнутой третичной обмотке АТ приведены

на рис.4.38.

Напряжения на фазах ВЛ при отключении в схеме с разомкнутой

третичной обмоткой АТ приведены на рис.4.39..

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

-0.25

-0.2

-0.15

-0.1

а) б)

Рис.4.38. Напряжения на фазах ВЛ 500 кВ(а) и ток в обмотке АТ, соединенной

в треугольник (б) при отключении холостой ВЛ 500 кВ с учетом

разброса в действии полюсов выключателя 750 кВ

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

-1500

-1000

-500

500

1000

1500

t,c

kВ

апряжение на ВЛ 500 кВН

-0.05

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

t,c

к в третичной обмотк е АТ-5

То

kА

Расчетные осциллограммы напряжений на фазах ВЛ 500 кВ при

разомкнутой третичной обмотке АТ приведены на рис.4.39.

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

-500

-400

-300

-200

-100

100

200

300

400

500

t,c

kВ

На п р я же н и е на ВЛ 500 кВ

Рис.4.39 Напряжения на фазах холостой ВЛ 500 кВ при её отключении

выключателем 750 кВ с учетом разброса в действии его полюсов

Из приведенных результатов видно, что при замкнутой третичной

обмотке АТ высокие уровни перенапряжений на не включенных фазах

наблюдаются в течение времени разброса в действии полюсов

выключателя 750 кВ. Следовательно, нелинейные ограничители

перенапряжений, установленные в начале ВЛ 500 кВ, подвергаются в

течение достаточно длительного времени повышенным значениям

напряжения и, следовательно, поглощают недопустимо большую энергию.

Эта энергия зависит как от характеристик ОПН-500, так и от длительности

неполнофазного режима (от момента отключения первой фазы до

окончательного отключения холостой ВЛ). Следует заметить, что

защитные аппараты типа ОПН не следует применять в резонансных

схемах. Резонансные явления, в том числе и феррорезонансные, следует

исключать с помощью схемных мероприятий. К такому мероприятию в

рассматриваемом случае можно отнести, например, размыкание третичной

обмотки АТ, практически сводящееся к её соединению в виде звезды с

изолированной нейтралью. Если к третичной обмотке АТ не подключены

потребители, то целесообразно использовать двухобмоточные

автотрансформаторы.

Следует также отметить, что при использовании блочных схем могут

возникнуть феррорезонансные явления и на частотах, более высоких, чем

50 Гц, например, на второй и нечетных гармониках.

Основными параметрами расчетной схемы, определяющими тяжесть

протекания процессов при замкнутой третичной обмотке АТ, являются

длина ВЛ 500 кВ и мощность автотрансформатора, практически

определяющая его кривую намагничивания. Область этих параметров,

приводящих к опасным феррорезонансным явлениям, может быть

определена при применении теории планирования двухфакторного

эксперимента с использованием центрального композиционного плана на

базе полного факторного эксперимента (ПФЭ). При анализе

перенапряжений на невключенных фазах при включенной одной фазе

длина ВЛ 500 кВ варьировалась в диапазоне 10…60 км, мощность АТ – в

диапазоне 100…440 МВА. Оба эти фактора принимались

распределенными по законам равномерной плотности. В качестве функции

отклика принималась кратность перенапряжений на невключенных фазах,

а в качестве функциональной связи – полный квадратичный полином

второго порядка. Зависимость кратности перенапряжений от длины ВЛ и

мощности АТ, полученная с помощью разработанной математической

модели, учитывающей переходные процессы в обмотках АТ, в девяти

точках плана, имеет следующий вид:

.1041.1

1079.7104.2106.41039.1385.2/

624

фмакc

SSUU

−

−−−−

⋅+

+⋅−⋅+⋅+⋅−=

где - в км, а Sl

– в МВА.

При принятых диапазонах изменения длины и мощности

автотрансформатора максимальная кратность перенапряжений составила

3.32, а минимальная – 2.63. Иными словами практически во всем принятом

диапазоне наблюдаются опасные феррорезонансные перенапряжения,

сопровождающие отключение холостой ВЛ при учете разброса в действии

полюсов выключателя.

Приведенный полином может служить основой для экспресс-оценки

кратностей этих перенапряжений в анализируемой схеме при

рассмотренных диапазонах длины ВЛ и мощности автотрансформатора.

Изложенное позволяет заключить, что радикальной мерой нарушения

условий возникновения и существования резонансных условий является

соединение обмотки низшего напряжения АТ не в треугольник, а в звезду.

При этом следует отметить, что на выводах этой обмотки необходимо

установить ОПН. В случае отсутствия потребителей на стороне 10 кВ

целесообразно применить двухобмоточные автотрансформаторы.

Поскольку применение блочных схем при определенных

соотношениях между мощностью АТ и длиной коммутируемой ВЛ может

привести к опасным феррорезонансным перенапряжениям не только на

промышленной частоте, но и на высших гармонических, то их

использование в схемах, подобных рассмотренной, вряд ли можно

признать целесообразным.

В случае, если по технологическим причинам соединение третичной

обмотки автотрансформатора в звезду не желательно, то обеспечение

нормальной эксплуатации ОПН, установленного на ВЛ 500 кВ,

эксплуатируемой в блочной схеме, может быть обеспечено лишь при

одновременном соблюдении двух условий:

•

тщательной регулировки приводов полюсов выключателя,

производящего отключение холостой ВЛ, с целью уменьшения разброса во

временах их отключения,

•

установки на ВЛ ОПН с удельной поглощаемой энергией,

отвечающей характеристикам не менее четвертой или пятой группы (в

зависимости от длительности неполнофазного режима) по этому

показателю (W

уд

≥7,0…10 кДж/кВ).

4.7.3 ФЕРРОРЕЗОНАНСНЫЕ ПРОЦЕССЫ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ

НАСЫЩЕНИЕМ МАГНИТОПРОВОДОВ ТРАНСФОРМАТОРОВ

НАПРЯЖЕНИЯ

Электромагнитные трансформаторы напряжения, являясь одним из

важнейших элементов электроэнергетических систем, часто подвергаются

различного рода повреждениям. Трансформаторы напряжения (ТН)

устанавливаются в узловых точках электрических сетей, на шинах

распределительных устройств и системообразующих линиях

электропередач. При этом ТН классов напряжения 110 кВ и выше не

имеют со стороны высшего напряжения специальных средств защиты при

повреждениях. При каждом повреждении ТН, сопровождающемся

перекрытием главной изоляции на землю, или витковых замыканиях в

обмотке с последующим перекрытием на землю, возникающее короткое

замыкание отключается несколькими выключателями, коммутирующими

присоединения соответствующей системы шин. При этом не может быть

исключен отказ какого-либо из выключателей с последующим полным

отключением подстанции ("погашение" подстанции).

Основной причиной повреждения ТН в сетях с глухозаземлённой

нейтралью (напряжением 110 кВ и выше) являются феррорезонансные

процессы. К возникновению опасных феррорезонансных явлений обычно

приводят различные коммутации, вследствие которых образуется

резонансный контур, включающий в себя нелинейную индуктивность ТН и

ёмкость сети в месте его установки. Режим феррорезонанса является

квазистационарным, т.е. может существовать достаточно длительное

время; возникающие при этом в резонансном контуре большие токи или

перенапряжения приводят к повреждению ТН.

По данным энергосистем, процент повреждений ТН, связанных с

феррорезонансными явлениями, весьма высок и возрастает с увеличением

класса

напряжения: 110 кВ - 7%, 220 кВ - 18%, 330 кВ - 27%, 500 кВ - 33%.

Последствия повреждения ТН с увеличением класса напряжения также

утяжеляются.

Увеличение числа повреждений, связанных с феррорезонансами в

сетях 220-500 кВ, обусловлено применением в этих сетях модульных

выключателей с несколькими разрывами на фазу. Для выравнивания

напряжения по разрывам в таких выключателях используются ёмкостные

делители напряжения. При отключении выключателя, ёмкостные делители

образуют связь между системой и отключаемым участком ошиновки, и в

совокупности с ёмкостью последней, образуют резонансный контур с ТН.

Выключатели 110 кВ - одноразрывные, и основной причиной

возникновения феррорезонанса в этих сетях являются неполнофазные

режимы, возникающие по тем или иным причинам.

Вопросы, связанные с устранением условий существования

феррорезонансных явлений при отключении участков сети небольшой

протяженности многоразрывными выключателями, оснащенными

емкостными делителями, достаточно широко освещены в технической

литературе, например, в [27-31]. Все предлагаемые в этих работах меры по

предотвращению опасных феррорезонансных явлений сводились к

расстройке условий их существования в квазистационарном режиме с

помощью внешних мер: дополнительным подключением резисторов

последовательно или параллельно обмоткам ТН [27,28], подключением

достаточно мощной активной нагрузки к ТН перед коммутацией [31], а

также подключением дополнительной емкости на шины подстанции

[27-31]. В [27] предлагается также устанавливать такой порядок

коммутаций на подстанциях, при котором не возникает опасных

феррорезонансных явлений (например, предварительное отключение ТН

от шин).

Более естественным решением рассматриваемой проблемы является

изменение типа или конструкции самих трансформаторов напряжения:

применение оптоэлектронных ТН или при сохранении электромагнитного

принципа устройства ТН - такое изменение их конструкции, которое

нарушило бы условия существования опасных квазистационарных

феррорезонансных явлений (антирезонансные ТН электромагнитного типа

- НАМИ). Такие трансформаторы в настоящее время разработаны и

выпускаются на Раменском электротехническом заводе.

Однолинейная расчетная схема замещения ТН электромагнитного

типа приведена на рис.4.40.

Рис.4.40 Однолинейная расчетная схема замещения ТН

электромагнитного типа

В этой схеме сопротивление r

моделирует потери в меди обмоток ТН,

– потери в стали магнитопровода. Антирезонансные свойства ТН могут

быть достигнуты либо увеличением активного сопротивления обмоток,

либо увеличением потерь в стали трансформатора. В НАМИ-220

антирезонансные свойства достигаются путем увеличения

потерь в стали.

В качестве поглотителя энергии в НАМИ-220 используется толстолистовая

конструкционная сталь, обладающая высокой магнитной проницаемостью

и большими потерями при высокой напряженности магнитного поля.

Потери в конструкционной стали за счет вихревых токов в толще пластин

возрастают с увеличением тока, что и приводит к срыву феррорезонанса.

Ограничением при использовании толстолистовой конструкционной стали

является необходимость сохранения высокого класса точности ТН, как

измерительного прибора (0,2 и 0,5). Расчеты и исследования разработчиков

НАМИ-220 показали, что для соблюдения этого ограничения 70% объема

магнитопровода должна занимать электротехническая сталь и 30% -

конструкционная. Поглотителем энергии в модуле НАМИ-110 являются

повышенные потери в меди обмотки ВН.

Наиболее часто феррорезонансные явления, обусловленные

насыщением магнитопроводов ТН, установленных на ОРУ, возникают при

отключении многоразрывными выключателями, оснащенными

емкостными делителями напряжения, холостой ошиновки ОРУ.

Простейшая однолинейная схема, в которой возможен феррорезонанс в

этом случае, приведена на рис. 4.41.

В этой схеме С

–емкость делителя в выключателе, С

– емкость

отключаемой ошиновки и другого электрооборудования, подключенного к

шинам.

Анализ характерных эксплуатационных режимов ОРУ 220кВ (выводы

в ремонт первой и второй систем шин и опробование к.з. на системах шин)

показал, что диапазон изменения емкости С

составил 3,5…5,5 нФ.

ТН

e(t)

Рис.4.41 Простейшая расчетная схема для исследования

феррорезонансных явлений при отключении ошиновки

ОРУ многоразрывным выключателем

Следует отметить, что длительно допустимый ток в обмотке ВН ТН

обычно используемого типа НКФ 220 кВ составляет величину порядка

0,2 А. На рис.4.42 и 4.43 приведены компьютерные осциллограммы

напряжения на шинах и токов в обмотке ВН ТН при установке на шинах

ОРУ ТН типа НКФ-220 и НАМИ-220, соответственно. Значения токов

приведены в относительных единицах по отношению к длительно

допустимому току 0,2 А.

Рис.4.42 Характерные осциллограммы при отключении холостой

ошиновки, оснащенной ТН типа НКФ-220, двухразрывным

выключателем с емкостным делителем напряжения