А. Г. Овсянников доктор технических наук, профессор, зав каф. Твн нгту А. А. Ким доктор технических наук, профессор, завлаб. Исэ со ран в. И. Курец доктор технических наук, профессор тпу Томский политехническ
 Скачать 2.62 Mb.
|
|
4.4. Средства защиты от перенапряжений В сетях до 35 кВ часто для защиты используют открытые разрядные промежутки – защитные разрядники (рога) и трубчатые разрядники. Срабатывание таких разрядников вызывает резкий спад напряжения, возникновение переходных процессов и опасных перенапряжений на продольной изоляции высоковольтных устройств (трансформаторы, генераторы, реакторы и т. д. Кроме этого, такие разрядники имеют крутую вольт-секундную характеристику (ВСХ), т. к. форма электрического поля резконеоднородная. Это не позволяет осуществлять защиту объектов в области коротких времен воздействия напряжения (грозовые перенапряжения) (рис. 4.7). U Рис. 4.7. Вольт-секундная характеристика защищаемой изоляции (1), искрового промежутка с резконеоднородным полем (2) и однородным полем (3) Одним из лучших разрядников такого типа является трубчатый разрядник (РТ, см. рис. 4.8. Электроды искрового промежутка помещаются в диэлектрическую трубу (1) из газогенерирующего материала (например, винипласт. Основной промежуток S 1 обеспечивает дугогашение. Промежуток S 2 служит для отделения газогенерирующей трубки от сети, чтобы избежать ее разложения от токов утечки. При появлении перенапряжений пробивается и Через них протекает импульсный токи сопровождающий 99 ток промышленной частоты. Температура повышается, происходит интенсивное газовыделение. Давление повышается до десятков атмосфер. Газ выходит через открытый электрод (3). Создается продольное дутье. Дуга выдувается наружу. При переходе тока через 0 дуга гаснет. Из-за недостатков (см. ВСХ) РТ не применяются для защиты ответственного оборудования. S 1 S 2 1 2 3 ВН Рис. 4.8. Устройство трубчатого разрядника S 1 – основной промежуток S 2 – внешний искровой промежуток 1 – диэлектрическая труба 2 – стержневой электрод 3 – открытый электрод Наиболее широкое распространение в сетях высокого напряжения получили вентильные разрядники (РВ), которые имеют пологую ВСХ. Они состоят из нескольких искровых промежутков (ИП), включенных последовательно, последовательных нелинейных рабочих сопротивлений (НС) и шунтирующих сопротивлений (ш. ИП служат для отделения НС от постоянного воздействия рабочего напряжения и протекающего через него тока, который разрушает НС. НС служит для ограничения сопровождающего тока до величины, необходимой для гашения дуги. ш служит для выравнивания распределения напряжения по элементарным разрядным промежуткам с целью исключения ложного срабатывания разрядника. РВ ограничивает перенапряжения и гасит дугу сопровождающего тока без отключения сети или подстанции. После гашения дуги разрядник возвращается в исходное состояние и готов к повторной работе. Число срабатываний РВ – 20 или 50. В простейших РВ (типа РВС, РВП) ток гашения дуги составляет 80 А. Более современные РВ имеют ток гашения дуги 250 А. 100 Матералами НС являются вилит и тервит. Вольт-амперная характеристика их описывается выражением где α – коэффициент вентильности; К – постоянная. Для вилита α = 0,11–0,2; для тервита α = 0,15–0,25. РВ делятся на 4 группы. Наилучшими защитными свойствами обладают РВ I группы, но они и более дорогие. IV группа – РВП (подстанционные); III группа – РВС (станционные II группа – РВМ (магнитовентильные, РВМГ (магнитовентильные, грозовые I группа – РВТ (токоограничивающие), РВРД (с растягивающейся дугой. Существенное улучшение защитных характеристик может быть достигнуто при отказе от использования ИП. Для этого требуются материалы с резко нелинейной ВАХ. Этим требованиям отвечает материал на основе оксида цинка, из которого изготавливают нелинейные резисторы варисторы. Защитные устройства на их основе носят название ограничителей перенапряжений нелинейных (ОПН). Коэффициент нелинейности ОПН составляет α = 0,02–0,1. ОПН собираются из отдельных дисков (варисторов, которые помещаются в герметичный фарфоровый корпус. ОПН подключаются непосредственно к сети и заземляются через регистратор срабатываний. Малый коэффициент нелинейности ОПН позволяет глубоко ограничивать перенапряжения и применять их все- тях сверхвысокого и ультравысокого классов напряжений. 4.5. Волновые процессы в линиях При прямом ударе молнии (ПУМ) в линию или вблизи нее (в землю) возникают электромагнитные волны, распространяющиеся вдоль провода ЛЭП. Атмосферные перенапряжения на линиях и подстанциях определяются движением и преломлением этих волн. Поэтому анализ волновых процессов при расчетах устройств грозозащиты имеет принципиально важное значение. Волна распространяется вдоль линии в воздухе со скоростью м/мкс 300 / = = ε ⋅ µ = υ C C – скорость света ( µ – относительная магнитная проницаемость среды ε – диэлектрическая проницаемость среды Для воздуха µ 0 = 1; ε = 1. Для кабельных линий µ = 1; ε ≈ 4. Следовательно, в кабелях υ ≈ 0,5 С. Напряжение и ток волны связаны между собой Z C L I U = = 0 0 – волновое сопротивление. Волновое сопротивление единичного провода воздушной линии Z = 400…450 Ом. Кабельные линии имеют Z = 50…100 Ом. В общем случае волновой процесс в линиях определяется четырьмя основными параметрами емкостью С, индуктивностью L, активным сопротивлением провода r и активной проводимостью диэлектрика g. 4.5.1. Преломление и отражение волн в узловых точках Узловой точкой линии называют такую точку, в которой скачком изменяется соотношение между электрическими магнитным полем, те. изменяется волновое сопротивление линии Л Z Для расчета преломленных и отраженных волн в узловых точках используют эквивалентную схему замещения линии с распределенными параметрами на линию с сосредоточенными параметрами по правилу Петерсена (см. рис. 4.9). Рассмотрим несколько примеров отражения и преломления волн в узловых точках при бесконечной длине падающей волны с прямоугольным фронтом. 1. Конец линии (точка А) разомкнут, Z 2 = ∞: пад пад 2 1 2 2 2 U U Z Z Z U A = ⋅ + = . (4.3) Падающая волна напряжения отражается полностью стем же знаком, ив точке А, на конце линии, напряжение удваивается. Для волны тока i 2 = 0, те. преломленный ток равен нулю n n i Z U Z U i − = − = = 1 1 0 отр . (4.4) Падающая волна тока отражается от разомкнутого конца полностью с обратным знаком, и ток в линии равен нулю. 2. Линия в конце (точка А) закорочена, Z 2 = 0 . 102 Z 1 U пад А Z 2 А U А Z 1 Z 2 U А 2U пад Рис. 4.9. Эквивалентная схема замещения длинной линии по правилу Петерсена для расчета преломленных и отраженных волн в узловой точке А U пад – падающая волна напряжения Z 1 – волновое сопротивление длинной линии, по которой падает волна напряжения Z 2 – волновое сопротивление длинной линии после точки неоднородности А – узловая точка (место неоднородности U A – напряжение в узловой точке Падающая волна напряжения отражается полностью от короткозамкнутого конца линии с обратным знаком, напряжение в точке А равно нулю, а волна тока отражается стем же знаком – удваивается. 3. Линия в конце (точка А) согласована, те. Нетрудно видеть, что в этом случае падающие волны напряжения и тока не испытывают отражений и преломлений при падении на согласованное. Для системы (рис. 4.9) пред пад отр пред пад отр ; , U U U i i i = + ⎧⎪ ⎨ = − ⎪⎩ (4.5) где прел прел 1 отр отр 1 пад пад ; ; Z U i Z U i Z U i = = − = . (4.6) Определим прели U отр через U пад Решая совместно (4.5), (4.6), имеем пад 2 1 2 пад прел (4.7) пад 2 1 1 2 пад отр U Z Z Z Z U U β = + − ⋅ = ; (4.8) где 103 2 1 2 2 Z Z Z + = α – коэффициент преломления (4.9) 2 1 1 2 Z Z Z Z + − = β – коэффициент отражения. (4.10) Отсюда уравнение (4.5) запишется как пад пад пад U U U β + = α . (4.11) где α – β = 1. Определим границы изменения α и β. 1. Предположим, что Z 2 = 0, тогда из выражения (4.9) α = 0. При = ∞ α = 2. Следовательно, α изменяется в диапазоне 0 ≤ α ≤ 2. 2. Предположим, что Z 2 = 0, тогда из выражения (4.10) β = –1. При Z 2 = ∞ β = 1. Следовательно, β изменяется в диапазоне –1 ≤ β ≤ +1. 4.5.2. Перенапряжения при несимметричном отключении фаз При несимметричном отключении фаз линии электропередачи, когда отключаются одна или две фазы линии, возможно возникновение резонансных перенапряжений (феррорезонанс). Такие случаи могут иметь место при обрыве одного провода на линии, перегорании плавких вставок, однофазном или двухфазном коротком замыкании, неодновре- менном отключении фаз выключателя, что может иметь место при по- фазном управлении выключателями и т. д. В сетях с изолированной нейтралью при несимметричных коммутациях могут образоваться резонансные контуры, если к линии подключены трансформаторы на холостом ходу или мало нагруженные. В таких контурах и возникают феррорезонансные (ФР) перенапряжения. Общая схема, в которой возможно возникновение ФР перенапря- жений, представлена на рис. 4.10. Ключом Р А условно показано место разрыва фазы А. На схеме также показаны емкости фаз между собой ( ) и на землю ( ) до разрыва (до ключа Р / 12 C / 0 C А ) и соответствующие емкости Си С после разрыва. Нейтраль системы-источника может быть заземлена или изолирована ключ Р Н ). а нейтраль трансформатора нагрузки должна быть изолирована. Это характерно для всех линий, вплоть до 110 кВ включительно. При заземлении нейтрали нагрузки феррорезонанс не возникает. Примем, что в фазе А оборвался проводи упал на землю, те. разомкнем ключ Р А и заземлим фазу А со стороны системы ключом Р. Тогда схема замещения будет, как на рис. 4.11, где треугольник емкостей 104 С заменен на соответствующую ему эквивалентную звезду, а треугольником емкостей можно пренебречь, т. конине влияют на рассматриваемые процессы. ' C 12 Источник Нагрузка Р A Р A 1 B 1 C 1 A 2 B 2 C 2 C 0 ' C 0 Р Н C 12 ' C 12 C 12 ' C 12 ' C 12 C 12 Рис. 4.10. Схема для исследования перенапряжений при несимметричном отключении фаз А, В, С – фазы источника А, В, С – фазы нагрузки трансформатора с изолированной нейтралью С – междуфазные емкости системы до ключа РАС емкости фаз назем- лю системы до ключа РАС междуфазные емкости нагрузки С – емкости фаз нагрузки Р, Р А , Р Н – ключи A 1 B 1 C 1 C 0 ' C o ' C 0 ' A 2 B 2 C 2 L T L T L T Рис. 4.11. Схема замещения сети с несимметричной коммутацией один провод заземлен) 105 Ток в фазе А после обрыва провода будет уходить на землю через место заземления, а затем через емкость Сбудет возвращаться снова на провод к нагрузке. Здесь он разветвляется часть тока течет через емкость С, а другая часть – через обмотки (индуктивности) L T трансформатора. Весь ток замыкается через фазы В и С источника. Потенциалы нулевых точек трансформатора нагрузки и звезды междуфазных емкостей С одинаковы. Поэтому схему на рис. 4.11 можно преобразовать в однофазную рис. 4.12). экв = ф Рис. 4.12. Однофазная схема замещения для схемы рис. 4.11 В соответствии с этой схемой 0 5 1 экв C L U U , U & & & + = или 0 5 1 ф экв. (4.12) Перенапряжения возникают благодаря прохождению тока через последовательно соединенные емкости Си индуктивность 1,5 Т, которые образуют колебательный контур. Здесь возникает необходимость определить величины напряжений на емкости и индуктивности. Уравнение) может быть решено графически. Графическое решение представлено на рис. 4.12. Из рис. 4.12 видно, что для схемы рис. 4.11 возможны 3 режима, соответствующие точкам а, б, в. Два из этих режимов (точки б ив являются индуктивными, а один (точка а) – емкостный. Устойчивыми являются только два режима – точки аи б. Режим в точке в неустойчив и обязательно переходит или в точку били в точку а. Если в схеме преобладает индуктивный режим, то система вернется в точку б и перена- пряжений не возникнет. Если преобладает емкостный режим, то возникает гармонический резонанс (феррорезонанс), который приводит к значительным перенапряжениям (как видно из рис. 4.13), в 3 раза и более. Кроме этого, на трансформаторе нагрузки изменяется порядок чередования фаз на обратный – это "опрокидывание" чередования фаз. При этом если трансформатор имел моторную нагрузку, то после обрыва провода (или неодновременной коммутации выключателей) направление вращения двигателей изменится на обратное. U 1 +U экв б а С = I/ ωC в а 1,5U L = f(I) –U экв 1,5 U L U С 0 Рис. 4.13. Графическое решение уравнения для колебательного контура с нелинейной индуктивностью 1 – изменение напряжения на нелинейной индуктивности (обмотке трансформатора 2 – изменение напряжения на емкости 3 – суммарное изменение напряжения в контуре Наиболее радикальным средством, устраняющим подобные явления, может быть заземление нейтрали трансформатора нагрузки. Однако это требование не всегда выполнимо, даже для систем 110 кВ. Поэтому необходимо стремиться к уменьшению вероятности несимметричных отключений (отказ от плавких предохранителей и выключателей с по- фазным управлением, не следует длительно оставлять включенными холостые или слабо нагруженные трансформаторы. 4.6. Волновые процессы в обмотках трансформаторов Волны грозового (и коммутационного) характера, набегающие по линии электропередачи на подстанцию, приводят к возникновению импульсных напряжений, воздействующих на обмотку трансформатора двигателя, генератора и др. Характер пробоев изоляции обмоток указывает на важную роль волновых процессов. 107 В трансформаторе под действием импульса напряжения возникают сложные электромагнитные процессы, приводящие к перенапряжениям как между витками катушек (продольная изоляция, таки между катушками и заземленными частями (главная изоляция. Суммарная длина проводов в обмотках трансформаторов высокого напряжения достигает нескольких километров (длинная линия. При воздействии импульсного напряжения в обмотке возникают волновые процессы, имеющие некоторую аналогию с процессами в линиях электропередачи. Однако схема замещения обмотки трансформатора, даже без учета активного сопротивления и проводимости, значительно сложнее схемы замещения линии (риса б U пад Z НН ВН С КН dx Mdx Cdx K/dx Z Н gdx Ldx U пад Рис. 4.14. Конструктивная схема однофазной катушечной обмотки (аи электрическая схема замещения (б) высоковольтного трансформатора Н – сопротивление нейтрали трансформатора Из-за того, что провод обмотки навивается вокруг магнитопровода, появляются два дополнительных параметра схемы замещения емкость между соседними витками или катушками (продольная емкость К) и взаимная индуктивность М(х) каждого витка со всеми остальными витками обмотки. Величины L, C, K – средние значения индуктивности, емкости относительно заземленных элементов и соседних обмоток и продольной емкости на единицу длины обмотки. В связи с этим ограничимся качественным рассмотрением процессов в трансформаторах. Электромагнитный переходный процесс в трансформаторе зависит отряда факторов 108 • схемы соединения обмоток • режима нейтрали (заземлена или изолирована • конструкции обмоток • падения волны по одной, двум, трем фазам ЛЭП. Вначале рассмотрим основные закономерности переходного процесса для однофазного трансформатора с катушечной обмоткой. На обмотку ВН воздействует прямоугольная бесконечно длинная волна напряжения. Весь процесс воздействия волны можно представить состоящим из трех стадий а) начальный процесс (действует фронт волны) t = 0; б) установившийся режим (переходные процессы закончились) t = ∞; в) переходный процесс (свободные колебания) 0 < t < ∞. 4.6.1. Начальное распределение напряжения вдоль обмотки трансформаторов В начальный момент (t = 0), когда воздействует фронт волны напряжения (крутизна фронта большая, что эквивалентно высокой частоте, индуктивность обмотки не попускает ток. Следовательно, ток будет протекать только по емкостям Си К и схема замещения примет вид, представленный на риса а б U пад Н Cdx K/dx U пад U Z Н = 0 Н = Рис. 4.15. Начальное распределение напряжения по обмотке трансформатора а – электрическая схема замещения для начального процесса (t = 0); б – распределение напряжения вдоль обмотки для t = 0 Для этой начальной стадии распределение напряжения вдоль обмотки трансформатора запишется в виде 109 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ α − = l x l е U U пад нач, где l – длина обмотки. Из формулы видна большая роль параметра обм обм L C l = α , где С обм – емкость обмотки между началом и концом L обм – индуктивность обмотки между началом и концом. Для современных трансформаторов 5 < αl ≤ 10. На значительной части обмотки распределение напряжения будет одинаково как для режима заземленной нейтрали 0 H = Z , таки с изолированной нейтралью ∞ = H Z (см. рис. 4.15, б. В режиме с заземленной нейтралью конец обмотки будет иметь потенциал, равный 0. В режиме с изолированной нейтралью конец обмотки будет иметь емкость С относительно земли (см. схему замещения, на которой будет падение напряжения ∆U. В начальном режиме основное падение напряжения прикладывается к началу обмотки из-за крайне неравномерного распределения напряжения. В связи с этим изоляция первых витков или катушек делается усиленной. |