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

Подождите немного. Документ загружается.

Оснащение присоединений с двигателями нелинейными

ограничителями перенапряжений

Ограничители перенапряжений согласно материалам МЭК

характеризуются двумя основными параметрами: U

– класс напряжения,

– максимальное длительное рабочее напряжение (действующее

значение напряжения в кВ).

Расчеты производились при установке ОПН фирмы АВВ типа MWK-6

=7,5 кВ, U

=6 кВ). Вольтамперная характеристика этого аппарата при

воздействии коммутационной волны 30/60 мкс приведена в табл.6.14.

Таблица 6.14.

ВАХ ОПН MWK-6 при волне 30/60 мкс

, А 100 250 500 1000

, кВ 13, 14, 14,8 15,4

Примечание: U

– остаточное напряжение (пиковое значение); I

– ток разряда

при остаточном напряжении U

На рис.6.67 приведена компьютерная осциллограмма процесса

включения двигателя, оснащенного ОПН с приведенной ВАХ, при АВР.

Расчеты проведены при тех же параметрах присоединения и условиях

включения, при которых рассчитывались неограниченные перенапряжения

(рис.6.65). Как следует из рис.6.67, перенапряжения при оснащении

присоединения с двигателем ОПН не превышают уровня, допустимого для

изоляции статора двигателя.

0 100 200 300 400 500

-3

-2

-1

t, мк с

Напряжения на фа з а х , Um/Uфm

fa=0.45 рад.

Рис.6.67 Процессы при несимметричном включении двигателя,

оснащенного ОПН, в процессе АВР

На рис.6.68 приведены осциллограммы импульсов токов в фазах

ОПН. Пик тока в фазе А ОПН составляет 297 А, а поглощаемая в

варисторах ОПН этой фазы энергия – 63 Дж. Следовательно, условия

эксплуатации ОПН при кратковременных перенапряжениях,

сопровождающих процесс включения двигателя при АВР, оказываются

достаточно легкими. Частотный же спектр перенапряжений,

воздействующих на двигатель практически остался неизменным. Это

обстоятельство может в некоторых случаях привести к повреждению

витковой изоляции двигателя.

0 100 200 300 400 500

-300

-250

-200

-150

-100

-50

t, мк с

ioa

iob

ioc

Ток и в фа з а х ОПН, А

fa=0.45 рад.

Рис.6.68 Токи в фазах ОПН при включении двигателя при АВР

Оснащение присоединений с двигателями RC-цепочками.

Ограничения перенапряжений можно добиться путем включения либо

за выключателем присоединения, либо непосредственно у двигателя

RC-цепочки (рис.6.69).

доп

Рис.6.69 RC - цепочка

Сопротивление в RC-цепочке целесообразно выбирать в диапазоне

200…300 Ом, емкость – в диапазоне 0,1…0,2 мкФ. Компьютерная

осциллограмма процесса АВР двигателя, оснащенного RC- цепочкой при

R=200 Ом и С=0,2 мкФ, приведена на рис.6.70.

Рис.6.70 Включение двигателя, оснащенного RC-цепочкой, в процессе АВР

0 100 200 300 400 500

-3

-2

-1

t, мк с

Напряжения на фа з а х , Um/Uфm

fa=0.45 рад.

Из рисунка видно, что перенапряжения при оснащении двигателя

RC-цепочкой с приведенными параметрами не превосходят допустимых

для статорной изоляции генератора. Максимум тока в RC-цепочке

составляет 155А, поглощаемая энергия в резисторе – 64,8 Дж. Следует

отметить, что оснащение двигателя RC-цепочкой приводит к увеличению

тока при ОЗЗ, что не всегда допустимо:

)3/1(3

фдопф

CCCjI

ω≈ .

Поэтому в реальных схемах иногда можно рекомендовать оснащение RC-

цепочками лишь ответственных двигателей.

6.5.4 ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ, ВОЗНИКАЮЩИЕ ПРИ ОТКЛЮЧЕНИИ

ДВИГАТЕЛЕЙ

Перенапряжения, опасные для статорной изоляции двигателей, могут

возникнуть как при эксплуатационных, так и при аварийных их

отключениях.

Возникающие при отключении процессы, приводящие к опасным

перенапряжениям, могут быть разбиты на три основные группы:

• процессы при отключении двигателей в аварийных режимах

("опрокинутых" или выпавших из синхронизма);

• процессы, связанные с повторными зажиганиями дуги в

отключаемом выключателе присоединения двигателя;

• процессы при отключении заторможенных двигателей

выключателями, характеризующимися токами среза.

Процессы при отключении двигателей в аварийных режимах.

Анализ аварий с ЭД показывает, что опасные перенапряжения на их

корпусной изоляции могут возникнуть при отключении так называемого

"опрокинутого" двигателя. "Опрокидывание" возможно во всех случаях,

когда тормозной момент двигателя превышает максимальное значение

вращающего электромагнитного момента. Такое соотношение может

возникнуть либо при набросе нагрузки, либо при двухфазном коротком

замыкании (без земли или на землю) на питающих шинах секции. Следует

отметить, что "опрокидывание" двигателя при набросе нагрузки

маловероятное событие, так как вращающий момент двигателя обычно

существенно в 1,5…1,7 раза больше рабочего момента. Значительно чаще

"опрокидывание" двигателей происходит из-за уменьшения

электромагнитного момента при многофазных замыканиях в сети.

Рассмотрим процессы, сопровождающие отключение "опрокинутого"

двигателя. При этом в случае двухфазного замыкания в питающей сети

наибольшие уровни перенапряжений возникают при отключении в первую

очередь полюса выключателя неповрежденной фазы. Примем, что

отключение первого полюса наступает в момент проворота ротора

двигателя на 180

, т.е. в момент, когда сверхпереходные э.д.с. источника

питания и коммутируемого двигателя находятся в противофазе. Оценим

перенапряжения по инженерной формуле:

0вынmax

)0(2 uuU

−

, (6.45)

где u

вын

(0) и u

– значение вынужденной составляющей

послекоммутационного режима в момент коммутации и начальное

напряжение на двигателе к моменту коммутации.

В случае пренебрежения при определении начального напряжения на

двигателе в момент отключения фазы А (u

) индуктивностями питающего

трансформатора и кабеля, поскольку они существенно меньше

индуктивности двигателя

−

при отключении как "опрокинутого"

двигателя, так и при двухфазном к.з. в сети без земли. В случае

двухфазного к.з. в сети с землей -

Eu 5.1

−

. Вынужденные

составляющие послекоммутационного режима при том же допущении

могут быть определены в расчетных схемах рис.6.71.

-1,5Е

дв

1,5Е

-1,5Е

дв

+0,5Е

-1,5Е

дв

вын

а) б) в)

Рис.6.71 Упрощенные расчетные схемы для определения вынужденных

составляющих напряжения при набросе нагрузки или при

двухфазном замыкании (а и б) и при двухфазном коротком

замыкании на землю (в)

Из приведенных схем следует, что при набросе нагрузки или при

двухфазном замыкании -

cдввын

5.05.1)0( EEu

−

при двухфазном замыкании на землю -

дввын

5.1)0( Eu

−

Следовательно, оценочные значения максимумов перенапряжений

при "опрокидывании" двигателя (

сдв

−

) будут:

фmax

5≈ - при набросе нагрузки и при двухфазном замыкании без

земли,

фmmax

5.4 UU ≈ - при двухфазном замыкании на землю в сети.

Частоты собственных колебаний составляют, как правило, единицы

килогерц. При таких частотах нет оснований ожидать перекрытий

витковой изоляции двигателя. Корпусная же изоляция может быть

защищена с помощью установки на присоединениях либо ОПН, либо RC-

цепочек. Длительность воздействия перенапряжений определяется

временем разброса в действии полюсов выключателя.

Перенапряжения, возникающие при повторных зажиганиях дуги в

выключателе зависят прежде всего от системы дугогашения в

выключателе. При применении маломасляных выключателей типа ВММ

(выключатель масляный малообъемный) или электромагнитных

выключателей типа ВЭМ (выключатель электромагнитный) гашение дуги

и в случае повторного зажигания дуги в выключателе происходит лишь

при прохождении тока промышленной частоты через нулевое значение.

Следовательно, уровень перенапряжений, возникающих при повторных

зажиганиях дуги в выключателях этих типов, одинаков с уровнями,

возникающими при рассмотренных коммутациях включения

присоединения с двигателем в циклах АПВ или АВР. В качестве мер

защиты могут служить ОПН или RC-цепочки на присоединениях.

В последние годы в сетях, содержащих электрические двигатели, все

чаще стали использоваться вакуумные выключатели (ВВ),

характеризуемые током среза и возможностью гашения высокочастотного

тока в дуге при её повторных зажиганиях. Последнее свойство вакуумной

дугогасительной камеры (ВДК) приводит к существенно иному характеру

процесса отключения двигателя по сравнению с процессами,

сопровождающими отключение выключателями с иными принципами

дугогашения. Основные характеристики вакуумной камеры,

определяющие характер процессов, сопровождающих отключение ЭД,

были приведены выше в 6.4.6 (при анализе процессов, возникающих в сети

генераторного напряжения при отключении блока вакуумным

генераторным выключателем). Наибольшие кратности перенапряжений

возникают при нештатном отключении двигателя во время пуска

(отключение неразвернувшегося двигателя с помощью автоматики,

например, в случае неисправности в технологическом механизме,

получающем питание от коммутируемого двигателя). Эта коммутация

получила название

отключение заторможенного двигателя.

Эскалация перенапряжений возникает при многократных зажиганиях

дуги. Кратность же перенапряжений при первичном отключении тока

промышленной частоты, определяющая вероятность первого повторного

зажигания дуги, зависит от величины тока среза в выключателе. Поясним

кратко причину прерывания в ВДК тока промышленной частоты ранее его

прохождения через нулевое значение.

В момент расхождения контактов площадь их соприкосновения

уменьшается, плотность тока увеличивается, металл контактов плавится и

испаряется в вакууме. Очевидно, что распыление металла контактов не

должно быть интенсивным, что и предопределяет необходимость

применения для контактов тугоплавких металлов (сплавов). При

отключении индуктивных токов высокая скорость диффузии паров

металла из ствола дуги приводит к её распаду раньше, чем ток пройдет

через нулевое значение. Это явление и называется

срезом тока. Срез тока

является причиной появления высоких кратностей перенапряжений при

погасании дуги, так как в момент отключения в индуктивных элементах

схемы оказывается запасенной энергия, которая после коммутации в

процессе обмена энергией между емкостными и индуктивными

элементами схемы может привести к высоким кратностям перенапряжений

на оборудовании.

Так как отключаемые токи промышленной частоты в полюсах

выключателя проходят через нулевые значения со сдвигом в 60

, то

отключение фаз двигателя происходит с неминуемым разбросом. При этом

возможны следующие расчетные случаи:

•

отключение первого полюса выключателя (следующие полюса

отключаются через 90

, причем токи в фазах "в" и "с" находятся в

противофазе);

• одновременное отключение второго и третьего полюсов выключателя

(при отключенном первом полюсе);

•

отключение второго полюса при отказе третьего (первый полюс

отключен).

Простейшая расчетная схема, позволяющая оценить кратности

перенапряжений, возникающих при отключении полюсов выключателя,

сопровождающихся токами среза, приведена на рис.6.72. В этой схеме не

учитываются индуктивности кабелей и питающего трансформатора, так

как их значения существенно меньше индуктивности отключаемого

двигателя.

Расчеты показывают, что наибольшие перенапряжения возникают при

отключении первого полюса выключателя. Достаточно высокий уровень

перенапряжений наблюдается и при отключении второго полюса при

отказе в действии третьего (токи в полюсах, отключающихся во вторую и

третью очередь, одновременно проходят через нулевые значения, так как

находятся в в противофазе). Однако в связи с малой вероятностью отказа

третьего полюса в качестве расчетного при отключении выключателя в

системе с изолированной нейтралью следует принимать отключение

первого по очереди полюса выключателя.

Рис.6.72 Простейшая расчетная схема при исследовании процессов,

сопровождающих отключение тока промышленной частоты

при срезе тока в выключателе

Для определения напряжения на отключаемой фазе двигателя и на

контактах выключателя при отключении первого полюса выключателя

применим принцип наложения: коммутационную составляющую наложим

на режим, предшествующий отключению выключателя. Коммутационную

составляющую можно определить с помощью включения между

контактами отключаемого полюса выключателя эквивалентного

генератора тока, по величине и по форме совпадающего с отключаемым

током, но противоположно ему направленного. Форма генерируемого тока

при его срезе, описываемая выражением (6.46), приведена на рис.6.73.

)sin()(

−

= tIti

. (6.46)

Угол ψ определяется величиной тока среза i

)/arcsin(

=ψ

(6.47)

0 1 2 3 4 5 6 7 8

x 10

-3

-20

100

i(t)

-i0

Рис.6.73 Форма генерируемого тока промышленной частоты

Коммутационные составляющие напряжений на двигателе и на

контактах выключателя могут быть определены в схеме рис.6.74,

составленной на основе схемы рис.6.72.

1,5L

2С

фф

(t)

3С

эф

+2С

выкл

дв.комм.

Рис.6.74 Эквивалентная схема для определения

коммутационной составляющей

Частота собственных колебаний коммутационной составляющей

определится как:

ээ0

/1 CL=ω

, где

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

+μ

+η=

)1(3

фэ

фф

=η

фэ

=μ

, .

LL 5.1

Так, например, при отключении присоединений с кабелями длиной

750 и 40 м и с двигателями мощностью 250 и 500 кВт, соответственно,

частоты собственных колебаний составляют 1,07 и 4,58 кГц.

Напряжение на контактах выключателя содержит лишь

коммутационную составляющую, так как это напряжение в

предшествующем режиме равно нулю. Операторное изображение этого

напряжения определится как:

)()(

ээ

CLp

pIpU

sincos

ээ

22222

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

ω+

ψ−

ω+

CLp

(6.48)

Поскольку частота собственных колебаний в схеме существенно

больше синхронной частоты >>

, то для оценочных расчетов

выражение (6.48) может быть упрощено:

≈)(

)

(

sincos

ээ

−

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

ψ−

CLp

.(6.49)

В выражении (6.49) учтено то обстоятельство, что при токах среза

порядка 5А и амплитуде отключаемого тока порядка 100А угол

ψ=arcsin(5/100)≈0,05 рад и cosψ≈1.

Оригинал, отвечающий изображению (6.49), запишется в виде:

)

5,1

cos()5,1(5,1)(

фВ

arctgtiZUUtu −ω+−=

, (6.50)

где

- характеристическое сопротивление контура на рис.6.45,

LIU

ω=

Максимальное напряжение на контактах выключателя достигается

примерно через половину периода промышленной частоты и составляет

ффВmax

)()5,1(5,1 ZiUUU

++=

. (6.51)

Максимальное значение коммутационной составляющей напряжения

на двигателе согласно схеме рис.6.59 запишется как

maxВВmax

фэф

комм.max дв

)1(3

)(3

+μ

≈

. (6.52)

В режиме, предшествующем отключению, напряжение на двигателе

составляло:

mmm

UUUu

ффф.дв.пр.р

cos)2/sin()0(

−

≈

−

−= . (6.53)

Следовательно, максимальное напряжение на двигателе может быть

оценено как:

[

]

фффmax.дв

)()5,1(5,1

)1(3

ZiUUUU

mmm

+μ

+−=

. (6.54)

Аналогично могут быть определены перенапряжения на контактах

выключателя и на двигателе и при других приведенных выше порядках

отключения полюсов выключателя. Эти выражения даны в табл.6.15. Из

приведенных выражений видно, что уровни перенапряжений возрастают с

увеличением отношения

ффэ

/CC

μ и уменьшаются при увеличении

коэффициента .

ффф

/ CC=η

Из таблицы видно, что уровень перенапряжений зависит от тока среза

и от характеристического сопротивления Z, которое тем больше, чем

меньше мощность отключаемого двигателя и длина кабеля присоединения.

Анализ токов среза выключателей, изготавливаемых фирмами "Таврида-

электрик" и ОАО "ЭЛКО", показал, что математическое ожидание тока

среза составляет в среднем 3…4 А, а значение, вероятность превышения

которого равна 0,05, примерно равно 6…7 А. Зависимости максимальных

перенапряжений на двигателе от длины кабеля и мощности двигателя

приведены в табл. 6.16. Расчеты проводились при μ=С

фэ

/С

→∝, что

справедливо для сетей собственных нужд электрической станции,

содержащих большое количество присоединений с двигателями на каждой

секции.

Из табл.6.16 видно, что при длине кабеля 40 м и мощности двигателя

250 кВт перенапряжения на изоляции двигателя превысили допустимый

уровень (порядка 2,8U

фm

). Однако, заключение, которое могло бы быть

сделано на основе анализа данных табл.6.16, относительно отсутствия

опасных перенапряжений при отключении мощных двигателей,