6 что означает понятие кратность внутренних перенапряжений

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Кратность внутренних перенапряжений уменьшается при увеличении номинального напряжения, при этом она имеет большую величину в установках ( системах) с изолированной или компенсированной нейтралью и меньшую в системах с глухозаземленной нейтралью. [1]

Случайный характер воздействующих факторов определяет кратность внутренних перенапряжений кв п при перемежающейся дуге как случайную величину. [4]

В § 44.6 отмечалось, что усредненные требования к кратностям внутренних перенапряжений определяются нормированными значениями расчетных кратностей. Однако более точные требования к кв п в конкретной точке электрической сети определяются испытательными напряжениями электрооборудования, установленного в зоне защиты аппаратов, ограничивающих перенапряжения. [5]

Согласно рекомендациям МЭК уровень изоляции для коммутационных перенапряжений должен составлять примерно 80 % импульсного уровня изоляции. Принятый в энергосистемах режим нейтралей, схемные решения, а также характеристики защитных устройств должны обеспечивать работу сетей с кратностью внутренних перенапряжений не выше допустимой. [7]

Согласно рекомендациям МЭК уровень изоляции для коммутационных перенапряжений должен составлять примерно 80 % импульсного уровня изоляции. Принятый в энергосистемах режим нейтралей, схемы, а также характеристики защитных устройств должны обеспечивать работу электрических сетей с кратностью внутренних перенапряжений не выше допустимой. [8]

Результаты этих работ позволили получить законченное представление о физических процессах и дают возможность с необходимой для практики степенью точности прогнозировать вероятность появления и возможные кратности внутренних перенапряжений при различных схемах и параметрах линий сверхвысокого напряжения и примыкающих к ним электросетей. [9]

Источник

Расчетные кратности внутренних перенапряжений

для оборудования сетей 110–1150 кВ

Расчетное напряжение, воздействующее на изоляцию оборудования при внутренних перенапряжениях можно определить, исходя из их расчетной кратности k_п.р:

. (3.6)

Грозовые перенапряжения подразделяются на перенапряжения прямого удара молнии в электрическую установку и индуктированные перенапряжения, возникающие при ударе молнии в землю или в заземленные объекты поблизости от электроустановки. При прямом ударе молнии элементы электроустановки приобретают весьма высокий потенциал, достигающий нескольких мегавольт. Индуцированные перенапряжения значительно ниже до 200—300 кВ.

В качестве основного защитного устройства еще в начале века было рекомендовано применение на линиях электропередачи заземленных тросов. Однако трос в то время рассматривался, в основном как средство для снижения индуктированных перенапряжений, значение которых весьма преувеличивалось. Защита от прямых ударов молнии считалась практически невыполнимой, да и сами удары молнии в линию редким явлением.

Для защиты трансформаторов за рубежом применялись катушки индуктивности, включаемые перед трансформатором с целью снижения крутизны фронта приходящих на подстанцию импульсов грозовых перенапряжений. В США применялись также алюминиевые и порошковые разрядники.

Результаты глубоких экспериментальных и теоретических исследований и обобщение опыта эксплуатации находили отражение в периодически выпускаемых «Публикациях МЭК». В СССР выпускались «Руководящие указания по защите от перенапряжений» (1935, 1941, 1946, 1954 гг., проекты РУ 1964, 1965 и 1975 гг., последние «Руководящие указания по защите от грозовых и внутренних перенапряжений электрических сетей 6—1150 кВ ЕЭС России», НИИПТ, 1994 г.) [1].

В настоящее время защита электрооборудования подстанций от набегающих с линий импульсов грозовых перенапряжений осуществляется с помощью нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН) или вентильных разрядников (РВ). Оптимальная установка защитных аппаратов на территории подстанции рассчитывается с помощью анализаторов молниезащиты, разработанных впервые в ЛПИ, или с помощью ЭВМ.

При ударе молнии в провод линии электропередачи, или при ударе молнии в грозозащитный трос или опору и перекрытии гирлянды изоляторов (с тела опоры на провод) по проводу начинает распространяться волна, набегающая на подстанцию.

Перенапряжение, воздействующее на оборудование, определяется остающимся напряжением на разряднике и превышением напряжения ΔU₁₂ на защищаемом объекте над оставшимся на разряднике. Значение ΔU₁₂ существенно зависит от расстояния l₁₂ между разрядником и защищаемым объектом и крутизны набегающей волны – a:

, (3.7)

где с – скорость света.

Расчетные значения напряжений, воздействующих на изоляцию оборудования при грозовых перенапряжениях:

, (3.8)

где U_{ост.разр} – остающееся напряжение на разряднике при токах координации (5 кА для U_ном=110-220 кВ и 10 кА для U_ном≥330 кВ); k_гроз – коэффициент, учитывающий перепад напряжения ΔU₁₂ между разрядником и защищаемым объектом.

При надлежащем ограничении крутизны набегающей волны и рациональном расположении разрядников на подстанции для силовых трансформаторов принимается k_гроз=1,3–1,4.

Нелинейные ограничители перенапряжений имеют существенно меньшее остающееся напряжение при токах координации. Поэтому применение этих ограничителей позволяет существенно снизить значения воздействующих не только внутренних, но и грозовых перенапряжений.

Источник

Общая характеристика внутренних перенапряжений

На электрическую изоляцию сети высокого напряжения переменного тока в нормальных условиях воздействует рабо­чее напряжение промышленной частоты. Изменение токов нагрузки приводит к изменению падения напряжения на со­противлении элементов электрической сети (генераторов, трансформаторов, линий электропередачи и др.). Поэтому даже при неизменной величине э.д.с. генераторов рабочее на­пряжение может отклоняться от номинального значения.

При проектировании электрической сети и управлении ре­жимами ее работы стремятся удержать колебания рабочего напряжения в границах, определенных действующими нор­мами. ГОСТ 1516.3-96 устанавливает величину наибольшего рабочего напряжения электрооборудования, совпадающую с верхним пределом длительно допускаемого рабочего напря­жения в электрической сети и превышающую номинальные напряжения электрооборудования 6-220 кВ на 15%. В сетях с номинальным напряжением выше 500 кВ также стремятся не допускать длительных повышений рабочего на­пряжения более чем на 5% от номинального (табл. В).

Термин «наибольшее рабочее напряжение» означает на­пряжение частоты 50 Гц, неограниченно длительное прило­жений которого к электрооборудованию допустимо по усло­виям работы его изоляции.

Однако в процессе эксплуатации энергосистемы неизбеж­но возникают разнообразные отклонения от нормальных условий и могут иметь место повышения напряжения на изоляции сверх указанных норм. Всякое превышение мгновен­ным значением напряжения на изоляции амплитуды наиболь­шего рабочего напряжения принято называть перенапряже­нием. В большинстве случаев перенапряжения имеют кратко­временный характер, поскольку они возникают при быстро затухающих переходных процессах или в аварийных режи­мах, время которых ограничивается действием релейной за­щиты и системной автоматики.

Различные виды перенапря­жений имеют длительность от единиц микросекунд до нескольких часов. Даже самые кратковременные перенапря­жения высокой кратности могут привести к пробою или перекрытию изоляции с последующим отключением повреж­денного элемента сети и перерывом в электроснабжении по­требителей или снижением качества электроэнергии. При этом причиняется ущерб народному хозяйству. Повреждение и внеочередной ремонт электрооборудования, а также ухуд­шение режима работы энергосистемы создают ущерб энерго­системе, а недоотпуск электроэнергии и нарушение техноло­гических процессов – ущерб потребителю. Целью борьбы с перенапряжениями и их последствиями является снижение экономически приемлемыми способами ожидаемого ущерба народному хозяйству и повышение технико-экономических показателей работы энергосистемы.

Нежелательные эффекты могут возникать также в других системах, находящихся в зоне действия электромагнитных полей сети высокого напряжения. Совокупность этих эффек­тов составляет экологическое влияние на биосферу (людей, фауну, флору), а также мешающее и опасное влияние на техносферу (устройства проводной и радиосвязи, телемехани­ческие устройства, счетно-решающую электронную технику, низковольтные сети электроснабжения и т. П.). Именно эти влияния определяют условия электромагнитной совместимо­сти функционирования электрической сети и других систем.

Важнейшей характеристикой перенапряжений на изоля­ции является их кратность, т. Е. отношение максимального значения напряжения U_макск амплитуде наибольшего рабоче­го напряжения на данной изоляционной конструкции Ö2 U _{ном.раб}.:

Следует отметить, что при измерении кратности перена­пряжений или при ее расчете U_макс обычно относят не к вели­чине Ö2U_{ном раб,} а к фактической амплитуде рабочего напряжения, имеющего место непосредственно перед появлением перена­пряжения или установившегося после него. Это не противо­речит данному выше определению кратности по формуле (1), поскольку предполагается, что величина U_макс пропорциональна рабочему напряжению и при повышении напряжения до наибольшего рабочего значения величина кратности не изменится.

Перенапряжения, кроме того, характеризуются рядом дру­гих параметров, которые учитываются при выборе электри­ческой изоляции и средств ее защиты от перенапряжений.

Повторяемость определяется ожидаемым числом случаев возникновения перенапряжений за данный промежуток вре­мени.

Форма кривой перенапряжения характеризуется длиной фронта, длительностью, числом импульсов и временем су­ществования данного перенапряжения.

Широта охвата сети определяет число изоляционных конструкций, на которые одновременно воздействует данное перенапряжение.

Важное значение для оценки перенапряжений имеют также статистические характеристики ущерба в случае повреждения изоляции.

Все перечисленные параметры перенапряжений являются, как правило, случайными величинами, что определяет необходимость статистического подхода к их исследованию и обоснованию требований к электрической прочности изоляции и характеристикам защитных устройств.

В зависимости от места приложения можно выделить раз­личные типы перенапряжений. Наибольшее практи­ческое значение имеют фазные перенапряжения. Они воздей­ствуют на изоляцию токоведущих частей электрооборудова­ния от земли или заземленных конструкций. К этой изоляции нормально приложено фазное напряжение. Однако в сетях с изолированной нейтралью следует учитывать, что в про­цессе поиска места замыкания на землю (длительностью от минут до нескольких часов) к фазной изоляции может быть приложено линейное напряжение.

Междуфазные перенапряжения рассматриваются при вы­боре междуфазной изоляции, например – расстояний между проводами разных фаз на линиях и подстанциях, обмотками различных фаз трансформаторов, машин, реакторов. Рабо­чим напряжением для этих видов изоляции является линей­ное напряжение.

Внутрифазные перенапряжения возникают между раз­личными токоведущими элементами одной и той же фазы, например между соседними витками или катушками об­мотки трансформатора, а также между нейтралью и землей.

Перенапряжения между контактами коммутирующих ап­паратов возникают в процессе отключения участка сети или при несинхронной работе двух участков сети.

Внутренние перенапряжения возникают в электрических системах в результате коммутаций.

Коммутации могут быть оперативными(плановыми), например:

а) включение и отключение ненагруженных линий;

б) отключение ненагруженных трансформаторов и реакторов поперечной компенсации;

в) отключение конденсаторных батарей.

Однако чаще внутренние перенапряжения возникают при аварийных коммутациях в результате действия релейной защиты или противоаварийной автоматики.

К аварийным коммутациям можно отнести:

а) отключение выключателями короткого замыкания;

б) автоматическое повторное включение линий;

в) внезапный сброс нагрузки и др.

Внутренние перенапряжения обычно проявляются в виде колебаний. Всякая электрическая система обладает колебательными свойствами, однако в нормальном режиме работы эти колебательные свойства обычно не проявляются. Колебательные свойства электрической системы, могущие вызвать появление перенапряжений, проявляются при нарушении баланса между генерируемой и поглощаемой энергией. Причиной нарушения баланса может явиться внезапное отключение элементов, способных поглощать энергию (активной нагрузки, сосредоточенных и распределенных сопротивлений и проводимостей схемы).

Если параметры колебательного контура соответствуют резонансным или близки к ним, то возникают резонансные перенапряжения – перенапряжения установившегося режима. В системе с элементами, имеющими линейные характеристики может возникнуть линейный резонанс. Если же элементы электрической сети имеют нелинейный характер (ненагруженные трансформаторы, реакторы), то возникает нелинейный феррорезонанс.

Резонансным перенапряжениям предшествует переходный режим – коммутационные перенапряжения.В том случае, если условия в колебательном контуре электрической сети далеки от резонансных, то внутренние перенапряжения при коммутациях имеют только переходный характер, т.е. являются коммутационными.

Как было отмечено выше внутренние перенапряжения характеризуются: кратностью

, (1.2)

формой кривой перенапряжения, позволяющей определить воздействия на изоляцию и составом оборудования электрической сети, подверженного действия данного вида перенапряжения.

Перечисленные характеристики имеют большой статистический разброс, так как их значения зависят от большого числа факторов, в том числе имеющих случайный характер.

Амплитуда допустимых перенапряжений на изоляции высоковольтных электрических машин определяется по следующей формуле:

U = U , (1.3)

где U — номинальное напряжение, U — допустимое напряжение.

Допустимая кратность перенапряжений на изоляции машин составляет не более 2,6 – 2,9 по отношению к номинальному фазному напряжению и 2,2 – 2,4 по отношению к максимальному фазному рабочему напряжению.

U U , (1.4 )

где — коэффициент импульса при внутренних перенапряжениях для класса напряжений 6 – 35 ;

k — коэффициент кумулятивности.

Ниже приведена табл.1.1. допустимых кратностей внутренних перенапряжений для электрооборудования напряжением 6 – 35 кВ с нормальной изоляцией.

Допустимые кратности перенапряжений

U кВ	6,0	6,6	13,8	110-150	220-330
U кВ	29,5	29,5	41,5	41,5
К (фаз)	7,5	7,1	6,2	6,0	6,0	5,2
К	4,3	4,1	3,6	3,5	3,5	3,0	3,5	3,0	3,0	2,5	2,1

Величины, числено характеризующие внутренние перенапряжения, оказываются зависимыми от ряда случайных обстоятельств: от схемы сети, ее режима, ее параметров, от наличия средств борьбы с перенапряжениями и эффективности этих средств, а также от некоторых других факторов. Поэтому количественные характеристики внутренних перенапряжений оказываются величинами случайными, требующими при их рассмотрении привлечении методов математической статистики.

Можно найти такие сочетания переходных процессов, которые дают перенапряжения очень высокой кратности. Однако если такое сочетание весьма маловероятно, то его обычно не принимают в расчет, считая, что в этом случае можно допустить перекрытие внешней изоляции или срабатывание защитного аппарата (ОПН, РВ) с его возможным разрушением. В то же время и в этих очень маловероятных случаях должна быть исключена возможность повреждения внутренней изоляции машин и аппаратов. Но не всякое наложение переходных процессов маловероятно. Следует реально считаться с такими процессами, которые являются следствием друг друга. Именно на такие процессы и следует ориентироваться при оценке возможной кратности внутренних перенапряжений и выборе средств их ограничения.

Обобщение опыта эксплуатации для случаев повреждения оборудования из-за возникновения внутренних перенапряжений позволило В.С.Полякову сформулировать три условия, сочетание которых необходимо, чтобы возникали перенапряжения в сетях напряжением до 35 кВ включительно.

Первое условие – параметры сети (рис. 1.1) (емкость и индуктивность элементов) должны иметь характеристики, изменение которых способно привести к образованию резонансного контура в схеме нулевой последовательности. Как правило, это сети с током однофазного замыкания на землю до 10 А. Это означает, что не в каждой сети возможно возникновение перенапряжений, и это подтверждается практикой, так как повреждения, как правило, происходят, повторяясь на одних и тех же участках сети, в то время как на других участках сети таких повреждений не отмечается.

Второе условие – на этих участках сети внутренние перенапряжения возникают, если в контуре нулевой последовательности затухание значительно меньше критического. Это затухание вносится нагрузкой понижающих трансформаторов и электродвигателей, поэтому повреждения электрооборудования происходят в режиме, когда нагрузка в сети не превышает 30% мощности понижающих трансформаторов или электродвигателей, то – есть сеть работает в ненагруженном режиме. При этом возбуждение перенапряжений облегчается за счет высокого уровня напряжения при работе сети в ненагруженном режиме.

Третье условие – определенный характер начального события. Феррорезонансные перенапряжения возникают при неполнофазных режимах питания понижающих трансформаторов и электродвигателей, а дуговые перенапряжения – при определенном характере дуги (однополупериодическая или апериодическая) однофазного замыкания на землю. При металлическом замыкании или непрерывно горящей дуге перенапряжений не возникает.

Разные виды внутренних перенапряжений отличаются друг от друга своей кратностью, формой, частотой повторяемости и длительностью воздействия на изоляцию. Вероятность возникновения того или иного вида перенапряжений зависит от состава сети, и по данным отечественных и зарубежных исследований, в сетях собственных нужд (СН) мощных электростанций и крупных промышленных предприятий, чаще всего возникновение перенапряжений связано с неполнофазными режимами.

Рис.1.1. Примерная схема электрической сети

Источник

Характеристика внутренних перенапряжений

Классификация и характеристика внутренних перенапряжений сетей 6-35 кВ

Основной особенностью сетей 6-35 кВ является изолированный или резонансно заземленный режим работы нейтрали. Именно это обстоятельство вызывает появление значительных уровней перенапряжений в данных сетях. В большинстве случаев сети работают с изолированной нейтралью. Если величина емкостного тока сети превышает нормированные значения: 30 А для сетей 6 кВ, 20 А для сетей 10 кВ и 10 А сетей 35 кВ, нейтраль электрической сети заземляется через дугогасящий реактор. Сети с изолированной и резонансно заземленной нейтралью могут длительно работать с однофазным замыканием на землю (ОЗЗ). При ОЗЗ линейные напряжения в сети не искажаются, что позволяет не отключать поврежденный участок сети и тем самым не отключать потребителей электрической энергии. В месте замыкания горит дуга. В большинстве случаев она носит неустойчивый характер, что приводит к возникновению коммутационных перенапряжений.

В последнее время все большее распространение получает заземление нейтрали через резистор. Величина резистора подбирается таким образом, чтобы величина активного тока замыкания на землю была соизмерима с емкостной составляющей, обусловленной емкостью сети. Для сетей с небольшими емкостными токами величина резистора, как правило, более 100 Ом. Это заземление носит название высокоомного резистивного заземления. Наличие активного сопротивления в нейтрали сети приводит к стеканию избыточного заряда, накапливаемого на фазных емкостях сети в результате неустойчивого горения дуги. Смещение нейтрали сети в этом случае значительно меньше, а значит меньше и перенапряжения при ОЗЗ.

Внутренние перенапряжения сетей 6-35 кВ подразделяются на два вида:

Резонансное смещение нейтрали в сети с дугогасящим реактором

Нормальная работа сети с изолированной нейтралью характеризуется наличием на нейтрали некоторого напряжения, называемого напряжением несимметрии. Это напряжение возникает при наличии несимметрии в емкостях отдельных фаз сети или при различной величине проводимостей фаз, обусловленных, например, неодинаковой степенью загрязнения.

Например, в сети с изолированной нейтралью у нетранспонированной ВЛ 35 кВ на П-образных деревянных опорах с горизонтальным расположением проводов при междуфазном расстоянии 3 метра, емкости крайних фаз относительно земли на 10% больше емкости среднего провода. В этом случае может произойти смещение нейтрали примерно на 0.7 кВ.

Для сетей, заземленных через дугогасящую катушку, емкостной ток несимметрии протекает через индуктивность катушки. В этом случае может происходить резонансное смещение нейтрали, значительно превышающее обычное смещение.

Повышения напряжения в сетях 6-35 кВ при неполнофазных режимах работы сети

Резонансные повышения напряжения могут возникать не только при естественной несимметрии емкостей фаз, но и при значительной несимметрии емкостей, вызванной обрывом проводов и неполнофазными включениями линий. Предел повышения напряжения определяется насыщением магнитопровода дугогасящего реактора.

В сети без дугогасящего реактора нарушение симметрии сети, вызываемое обрывом проводов с заземлением и без заземления, неодновременным включением и отключением фаз возможны перенапряжения, обусловленные так называемым «опрокидыванием» фазы трансформатора. Перенапряжения на емкости линии при этом явлении могут достигать 4Uф. Явление опрокидывания возникает лишь на линиях определенной длины и слабо загруженных трансформаторах.

Перенапряжения при дуговых замыканиях на землю

Дуговые замыкания на землю являются самым распространенным видом повреждения в сетях 6-35 кВ. Нарушение изоляции в любой точке сети вызывает замыкание на землю. Характер замыкания может быть различен и зависит от условий в месте замыкания, величины емкостного тока и параметров сети. На практике замыкания делят на три вида: металлическое замыкание, через устойчивую дугу, через перемежающуюся дугу. В случае устойчивого горения дуги в месте замыкания, как и в случае металлического замыкания, кратность перенапряжений невелика (2.4Uф). Она обусловлена переходным процессом в момент замыкания.

Перемежающаяся дуга является своего рода коммутатором, замыкания и размыкания которого приводят к перенапряжениям. Сущность образования перенапряжений в сети с изолированной нейтралью заключается в том, что после погасания дуги на неповрежденных фазах остаются заряды, которые, распределяясь по всей сети, поднимают ее потенциал относительно земли. На этот повышенный потенциал накладывается рабочее напряжение. В результате на поврежденной фазе получается повышение напряжения, которое вызывает повторное зажигание дуги. Максимальная величина перенапряжений может доходить до 3.2Uф, однако это возникает редко, поскольку требует совпадения ряда условий (открытая дуга при сильном ветре, дуга в масле, дуга в узкой щели). Длительность предельных перенапряжений (как правило, не более 2-3 с) также ограничена, потому что после серии последовательных зажиганий дуга или окончательно обрывается, либо, прожигая изоляцию, переходит в устойчивую.

Максимальные кратности перенапряжений практически не зависят от номинального напряжения сети и величины емкостного тока. Вероятность появления заданной величины кратности перенапряжений представлена на рис.1.

Характерными особенностями перенапряжений при перемежающейся дуге являются их значительная длительность по сравнению с другими видами коммутационных перенапряжений, а также то, что они охватывают всю сеть данного напряжения.

В сетях с изолированной нейтралью данный вид перенапряжений не представляет опасности для оборудования с нормальной изоляцией. Для вращающихся машин уровень дуговых перенапряжений лежит выше профилактических эксплуатационных, но ниже заводских испытательных. Поэтому возможны повреждения машин при дуговых замыканиях.

Косинусные конденсаторы, соединенные, как правило, в треугольник или звезду с изолированной нейтральной точкой, увеличивают междуфазную емкость и тем самым снижают уровень перенапряжений.

Наличие в сети токоограничивающих реакторов (особенно сдвоенных) вызывает увеличение значений перенапряжений при дуговых замыканиях. Это обусловлено протеканием емкостных токов сети к месту замыкания через индуктивность реактора. Увеличение значений перенапряжений зависит от емкости сети и мощности токоограничивающих реакторов и в среднем на 20-30% больше, чем без реакторов.

Дуговые перенапряжения в сети с компенсацией токов замыкания на землю

Для снижения вероятности возникновения короткого замыкания в месте однофазного повреждения рекомендуется ограничивать уровень емкостных токов замыкания на землю путем установки в нейтрали трансформаторов специально настроенных индуктивностей (ДГР). Последние позволяют одновременно снизить уровень дуговых перенапряжений. Полная компенсация емкостных токов снижает уровень перенапряжений до значения 2.6Uф. В случае расстройки ДГР уровень перенапряжений повышается. Зависимость кратности перенапряжений для сетей 6-35 кВ от степени расстройки реакторов показана на рис.2.

Рис.1 Вероятность дуговых перенапряжений

Рис.2 Зависимость дуговых перенапряжений в сети с компенсированной нейтралью от степени растройки компенсации

Дуговые перенапряжения в сети с резистивным заземлением нейтрали

Заземление нейтрали через активное сопротивление разряжает емкость сети в промежутке между гашениями и зажиганиями перемежающейся дуги, способствует снижению величины дуговых перенапряжений. Предельное снижение перенапряжений практически наступает при равенстве активной и емкостной составляющей тока в месте замыкания. Правильный выбор высокоомного заземления нейтрали снижает перенапряжения до величины 2.4-2.6Uф. Зависимость дуговых перенапряжений от величины активного тока сети представлена на рис 3.

Перенапряжения при включении воздушных (ВЛ) и кабельных (КЛ) линий

При включении ВЛ и КЛ в нормальном симметричном режиме перенапряжения не превышают 2Uф. При наличии в сети ОЗЗ в процессе поиска «земли» перенапряжения увеличиваются и могут достигать (5-6)Uф, поскольку переходной процесс при включении накладывается на повышенный потенциал сети, обусловленный ОЗЗ. Процесс включения ВЛ или КЛ при ОЗЗ часто является причиной двойных замыканий на землю.

Отключение ненагруженных линий

В сетях с изолированной нейтралью при отключении ненагруженных линий вследствие того, что потенциал нейтрали не фиксирован, возрастает влияние одной фазы на другие и возникают большие перенапряжения. Это способствует более высокому значению восстанавливающегося напряжения в межконтактном промежутке коммутационного аппарата. В результате могут создаться условия для повторных пробоев промежутка (характерно для аппаратов с низкой скоростью движения контактов), что в свою очередь увеличивает перенапряжения.

Экспериментальные данные показывают, что при отключении ненагруженных линий масляными выключателями перенапряжения в 2% случаев достигают 4.5Uф. Перенапряжения, превышающие 3Uф составляют примерно 7%.

Отключение ненагруженных трансформаторов

При отключении ненагруженных трансформаторов с изолированной нейтралью возможность появления напряжения смещения нейтрали приводит к возрастанию перенапряжений. Были замерены перенапряжения до 5Uф. В 2% случаев перенапряжения превышают 5Uф. Перенапряжения могут быть оценены по кривой рис. 4, которая получена при отключении ненагруженных трансформаторов 6-110 кВ с изолированной нейтралью масляными и воздушными выключателями. Кратность перенапряжений на вторичной стороне отключаемого трансформатора имеет примерно ту же величину, что и на первичной.

Наибольшие перенапряжения возникают при отключении ненагруженного трансформатора сразу после его включения, когда ток намагничивания не достиг установившегося значения.

В некоторых случаях могут быть опасны перенапряжения, связанные с перегоранием токоограничивающих плавких вставок, если конструкция вставки недостаточно ограничивает перенапряжения.

Всплески перенапряжений при отключении малых индуктивных токов имеют длительность порядка сотен микросекунд и по своему характеру близки к грозовым и без труда снижаются ограничителями перенапряжений. На амплитуду перенапряжений оказывает влияние мощность отключаемого трансформатора и емкость элементов сети подключенных к зажимам трансформатора, (первая увеличивает перенапряжения, вторая снижает). Электрофизические свойства коммутационного аппарата практически не влияют на величину перенапряжений.

Рис.3 Зависимость дуговых перенапряжений от отношения активной составляющей тока замыкания к емкостной

Рис.4 Кривая вероятностей перенапряжений при отключении ненагруженных трансформаторов с изолированной нейтралью

Отключение двойного замыкания на землю

При отключении короткого замыкания на землю в двух разных точках сети вследствие разновременной работы выключателей могут возникнуть перенапряжения. Они образуются на первой отключившейся фазе, когда в переходном процессе напряжение меняется от нуля (фаза заземлена) до мгновенного значения линейного напряжения. Максимальные перенапряжения составляют примерно 3.3Uф.

Отключение двухфазных коротких замыканий

В целом ряде схем 6-35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью при отключении двухфазных коротких замыканий возникают перенапряжения, связанные с тем, что в момент обрыва выключателем тока КЗ при его нулевом значении одновременно обрывается вблизи своего максимума ток намагничивания трансформатора либо ток дугогасящего реактора. Высвобождающаяся магнитная энергия заряжает емкости сети и вызывает перенапряжения.

Для создания перенапряжения необходимо, чтобы трансформатор был ненагруженным. Перенапряжения тем больше, чем меньше емкость, оставшаяся у трансформатора.

Включение электродвигателей через питающий кабель

При включении первой фазы двигателя напряжение на емкостях не включившихся фаз двигателя устанавливается через индуктивность двигателя в процессе свободных колебаний системы «кабель-двигатель», частота которых обычно находится в диапазоне 50-300 кГц, а амплитуда 1.8-2.0Uф. Включение второй и третьей фазы отличается от включения первой наличием начального потенциала на емкостях включаемых фаз. Включение второй фазы с запаздыванием на полпериода собственной частоты колебаний приводит к появлению перенапряжений на уровне 3.3Uф.

Если коммутации второй и третьей фаз выключателя происходят после затухания свободных колебаний системы «кабель-двигатель», то перенапряжения составляют 2.6-2.7Uф.

При включении очень мощных двигателей 1000 кВА и более кратности перенапряжений снижаются.

Существенное влияние на величину перенапряжений оказывают длина кабеля и емкость фазы двигателя. С ростом длины кабеля возрастает активное сопротивление и, как следствие, увеличивается демпфирование свободной составляющей переходного процесса. Это в свою очередь приводит к снижению перенапряжений. Максимальные перенапряжения имеют малую вероятность, поскольку требуют совпадения большого числа факторов. Реальный разброс во времени включения фаз приводит к малой вероятности максимальных перенапряжений. Следует отметить, что чем больше временной разброс во включении фаз, тем больше вероятность возникновения максимальных перенапряжений.

Включение двигателя в процессе АВР или АПВ при несинхронном остаточном напряжении двигателя повышает возможные перенапряжения по сравнению с обычным включением до уровня 4.0-4.5Uф. Образование перенапряжений аналогично описанным выше. Разница заключается в начальных условиях. Величина перенапряжений существенно зависит от остаточного напряжения двигателя в момент коммутации. После отключения двигателя от сети напряжение на нем уменьшается постепенно, поскольку магнитный поток двигателя поддерживается за счет токов, индуцируемых в контурах ротора в момент включения. Поскольку двигатель продолжает вращаться за счет запасенной механической энергии, в его обмотках генерируется напряжение. Это напряжение уменьшается вследствие затухания индуктируемых токов и снижения скорости вращения электродвигателя. Процесс снижения напряжения зависит от параметров электродвигателей. Время, за которое напряжение снижается до 0.4 начального значения, колеблется от 0.5 до 2 с.

Величина паузы АПВ определяется свойствами коммутационного аппарата и устройствами релейной защиты. Для сетей 6-10 кВ это время не менее 0.5 с. Поэтому через 0.5 с на двигателе остается напряжение 0.4-0.7 начального значения и максимальное значение перенапряжений при АПВ не превосходит 4Uф.

Перенапряжения при отключении высоковольтных асинхронных электродвигателей связаны с особенностями работы дугогасящих камер (срез тока и повторные пробои в межконтактном промежутке).

При отключении вращающегося двигателя после отделения его от сети главный магнитный поток, связывающий обмотки статора и ротора, в первый момент остается неизменным, так как поддерживается током в роторе. Этот ток затухает достаточно медленно. Поэтому некоторое время после отключения на зажимах двигателя поддерживается нормальное синусоидальное напряжение.

Время поддержания этого процесса зависит от момента инерции ротора. Энергия, запасенная в полях рассеивания статора, колебательным образом переходит в емкость фаз двигателя и присоединенного кабеля. Наложение этих двух процессов дает результирующее напряжение на зажимах двигателя.

Отключение вращающегося короткозамкнутого двигателя (холостого или с номинальной нагрузкой) дает обычно умеренные перенапряжения, так как магнитная энергия главного поля исчезает не сразу, а постепенно расходуясь на нагрев обмотки ротора. Перенапряжения возникают за счет относительно небольшой энергии полей рассеяния статора.

Отключение вращающегося двигателя с замкнутой накоротко цепью ротора соответствует обычному отключению двигателя с фазным ротором при нормальном режиме работы.

Если двигатель, имеющий фазный ротор, отключается из вращающегося состояния при введенном пусковом сопротивлении, то главный магнитный поток спадает быстро и индуктирует в статоре напряжение выше нормального. Величина напряжения может значительно превосходить Uф, по опытным данным 4-5Uф. Асинхронный двигатель с разомкнутой обмоткой опасно отключать выключателем любого типа.

Отключение вращающегося двигателя не дает перенапряжений выше двойного линейного. При нагруженном двигателе перенапряжения немного большие, чем при холостом ходе.

Наиболее опасно отключение неподвижного двигателя. В особо неблагоприятных условиях были отмечены перенапряжения до 6Uф и более.

Перенапряжения при отключении двигателей вакуумными выключателями

Источником опасных воздействий, сопровождающих процесс отключения, является срез тока вакуумной камере до его естественного перехода через нулевое значение. При этом магнитная энергия, запасенная в индуктивности нагрузки, колебательным образом переходит в собственную емкость нагрузки и кабеля присоединения. Кратность возникающих перенапряжений зависит от соотношения индуктивности и емкости отключаемого присоединения. У двигателей 6-10 кВ индуктивность имеет относительно небольшое значение (менее 100 мГн), запасенная в ней энергия в момент среза тока невелика и выделение ее в емкость присоединения не приводит к опасным перенапряжениям. Амплитуда переходной составляющей напряжения определяется в основном разностью между напряжением на двигателе до отключения и величиной смещения нейтрали, вызванного отключением, и практически не зависит от тока среза.

Наличие собственной емкости двигателя приводит к затягиванию фронта набегающей волны за счет перезарядки емкости через волновое сопротивление кабеля. Постоянная времени перезарядки для кабелей и двигателей не превышает 1 мкс.

Перепад напряжения на двигателе за столь короткое время, равный удвоенному значению волны напряжения, представляет опасность для продольной (межвитковой) изоляции двигателя и требует рассмотрения при выборе защитных устройств.

Частота высокочастотных колебаний, вызванных пробегами волн в кабеле после ПЗ, определяется длиной кабеля и при длинах, меньших 1 км, превышает 50 кГц. Отличительной особенностью вакуумного выключателя является его способность к отключению высокочастотного тока этих колебаний при переходе его через нулевое значение. После такого отключения возобновляется процесс восстановления напряжения на контактах выключателя, однако уже при иных начальных условиях. Напряжение на емкости двигателя и ток в его индуктивности в момент отключения больше, чем при первом отключении. Это приводит к тому, что максимум в кривой ПВН становится больше; возможно новое зажигание дуги. Возрастание максимума кривой ПВН объясняет тот факт, что уровень перенапряжений при ПЗ на присоединениях с двигательной нагрузкой значительно выше, чем при одиночном срезе тока промышленной частоты, и тем больше, чем больше число ПЗ. Так, например, для двигателя мощностью 630 кВт, при длине кабеля 80 м, кратное перенапряжений при одиночном срезе тока 5 по расчетам составляет 1.77, а при возникновении повторных зажиганий достигает 6-ти кратной величины.

Для сравнения уровней внутренних перенапряжений с уровнем изоляции электрооборудования все виды перенапряжений сведены в таблицу (снизу).

Сравнение допустимых уровней изоляции оборудования и кратностей внутренних перенапряжений показывает, что большинство перенапряжений не опасно для оборудования с нормально изоляцией. В связи с этим оборудование требует защиты только от грозовых перенапряжений. При этом важно, чтобы квазистационарные перенапряжения, имеющие длительный характер, не приводили к выходу из строя ограничителей перенапряжений. Для оборудования с облегченно изоляцией, вращающихся машин и состарившейся изоляцией в процессе эксплуатации представленные выше уровни перенапряжений превышают допустимый уровень воздействий. Следовательно, для повышения надежности эксплуатации данного вида оборудования электрических сетях необходима установка защитных средств (ОПН).

Характеристика внутренних перенапряжений(сети с изолированной и резонансно заземленной нейтралью)

Источник