Ответы на ТВН. Вопросы к экзамену по дисциплине Электроэнергетика
 Скачать 1.48 Mb.
|
|
Преломление и отражение волн в узловых точках Узловой точкой линии называют такую точку, в которой скачком изменяется соотношение между элек- трическим и магнитным полем, т. е. изменяется волновое сопротивление линии ZЛ. Для расчета преломленных и отраженных волн в узловых точках используют эквивалентную схему за- мещения линии с распределенными параметрами на линию с сосредоточенными параметрами по прави- лу Петерсена (см. рис. 4.9). Р ис. 4.9. Эквивалентная схема замещения длинной линии по правилу Петерсена для расчета преломленных и отраженных волн в узловой точке А: Uпад – 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. Рассмотрим несколько примеров отражения и преломления волн в уз- ловых точках при бесконечной длине падающей волны с прямоуголь- ным фронтом. Рассмотрим несколько примеров отражения и преломления волн в узловых точках при бесконечной длине падающей волны с прямоугольным фронтом. 1. Конец линии (точка А) разомкнут,Z2 =∞: пад пад A U U Z Z Z U 2 2 2 1 2 = ⋅ + = Падающая волна напряжения отражается полностью с тем же знаком, и в точке А, на конце линии, напряжение удваивается. Для волны тока i 2 = 0, т. е. преломленный ток равен нулю: n n ОТР i Z U Z U i − = − = = 1 1 0 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 . Падающая волна напряжения отражается полностью от короткозамкнутого конца линии с обратным знаком, напряжение в точке А равно нулю, а волна тока отражается с тем же знаком – удваивается. 3. Линия в конце (точка А) согласована, т. е. Z 1 =Z 2 =Z. Нетрудно видеть, что в этом случае падающие волны напряжения и тока не испытывают отражений и преломлений при падении на согласованное Z. Для системы (рис. 4.9) − = + = отр пад прел отр пад прел i i i U U U , 1 Z U i пад пад = , 1 Z U i отр отр = − , 2 Z U i прел прел = Определим Uпрел и Uотр через Uпад. Решая совместно систему и выраженные токи: пад пад прел U Z Z Z U U ⋅ = + ⋅ = α 2 1 2 2 , пад пад отр U Z Z Z Z U U ⋅ = + − ⋅ = β 2 1 1 2 , где 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 пад пад пад U U U β α + = , где α-β=1. Определим границы изменения α и β. 1.Предположим, что Z 2 = 0, тогда из выражения (4.9) α = 0. При Z 2 =∞ 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. Следователь- но,β изменяется в диапазоне –1≤ β ≤ +1. 28. Общая характеристика внутренних перенапряжений. Наиболее многообразны внутренние перенапряжения. Причины возникновения внутренних перена- пряжений очень разнообразны (отключение линии электропередач, трансформатора и другие переклю- чения; обрывы фаз; КЗ, перекрытие и пробой изоляторов). Внутренние перенапряжения вызываются колебаниями энергии, запасенной в элементах сети, или при изменении поступающей энергии от источников энергии (генераторы при изменении первоначаль- ных параметров). Элементы электрической сети: источники энергии; накопители энергии (конденсаторы, катушки индук- тивности); поглотители энергии (активные сопротивления, корона, проводимость изоляции). Внутренние перенапряжения делятся на коммутационные, квазистационарные (установившиеся), ста- ционарные. 1) Важнейшей характеристикой перенапряжений на изоляции является их кратность, т. е. отношение максимального значения напряжения U макс к амплитуде наибольшего рабочего напряжения на данной изоляционной конструкции √2 U ном.раб .: К = U макс / √ 2U ном.раб . (1) Следует отметить, что при измерении кратности перенапряжений или при ее расчете U max обычно отно- сят не к величине √2U ном раб, а к фактической амплитуде рабочего напряжения, имеющего место непо- средственно перед появлением перенапряжения или установившегося после него. Это не противоречит данному выше определению кратности по формуле (1), поскольку предполагается, что величина Umax пропорциональна рабочему напряжению и при повышении напряжения до наибольшего рабочего зна- чения величина кратности не изменится. Перенапряжения, кроме того, характеризуются рядом других параметров, которые учитываются при выборе электрической изоляции и средств ее защиты от перенапряжений. 2) Повторяемость определяется ожидаемым числом случаев возникновения перенапряжений за данный промежуток времени. 3) Форма кривой перенапряжения характеризуется длиной фронта, длительностью, числом импульсов и временем существования данного перенапряжения. 4) Широта охвата сети определяет число изоляционных конструкций, на которые одновременно воздей- ствует данное перенапряжение. Важное значение имеют также статистические характеристики ущерба в случае повреждения изоляции. Все перечисленные параметры перенапряжений являются, как правило, случайными величинами, что определяет необходимость статистического под- хода к их исследованию и обоснованию требований к электрической прочности изоляции и характеристикам защитных устройств. Условно развитие перенапряжения графически представлено на рис. 4.2. I стадия – переходный процесс (коммутационные перенапряжения). Длится несколько периодов. II стадия – условно установившееся состояние (квазистационарная). Переходный процесс закончился, но параметры цепи другие, поэтому установилось высокое напряжение, а регуляторы напряжения на генераторах еще не успели сработать. III стадия – работа регуляторов напряжения у генераторов. Снижение напряжения до нового устано- вившегося рабочего напряжения. Увеличение длины и класса напря- жения линии приводит к увеличению энергии в элементах сети и, как след- ствие, к увеличению кратности пере- напряжений. В связи с этим для ли- ний класса U > 330 кВ осуществля- ется принудительное ограничение перенапряжений до уровней: 30 кВ – Кп = 2,7; 500 кВ – Кп = 2,5; 750 кВ – Кп = 2,2; 1150 кВ – Кп = 1,8. 29. Установившиеся перенапряжения при коротком замыкании. При возникновении на линии однофазного короткого замыкания на неповрежденных фазах установив- шиеся перенапряжения не превышают 1,3U Ф , что допустимо с учетом кратковременности этого режима. Так как выключатели срабатывают неодновременно, то в течение секунды существует режим односто- роннего питания. Режим связан с перенапряжениями на здоровых ( неповрежденных) фазах. На повы- шение напряжения от ёмкостного эффекта накладывается дополнительное повышение от несимметрии. Ток однофазного замыкания на землю определяется как , Токи различных последовательностей при этом равны: Напряжение в каждой из фаз может быть представлено как сумма четырех составляющих: - составляющей напряжения симметричного режима, существовавшей до КЗ; - аварийной составляющей прямой последовательности - составляющем обратной последовательности - составляющей нулевой последовательности Для точек, удаленных от шин генераторного напряжения . Обозначим: Если сопротивление всех последовательностей принять реактивным, то m>1. Для сетей с изолированной нейтралью m ∞ → . Для них U гаш =1,1 U ном. Для систем с заземленной нейтралью применяют 80% разрядники, то есть U гаш =0,8 U ном. . Это позволя- ет уменьшить сопротивление нелинейного резистора и остаточное напряжение на разряднике. 30. Перенапряжения при отключении емкостей и ненагруженных линий. Значительные коммутационные перенапряжения могут возникать не только при включениях, но и при отключениях недогруженных линий и конденсаторных батареи. Рассмотрим отключение сосредоточенной емкости, например батареи конденсаторов С, от источника (рис. 27.12, а). При отключении после начала расхождения контактов выклю- чателя между ними некоторое время продолжает горсть дуга. Допустим, что емкостный ток достаточно велик, так что дуга гаснет только в момент есте- ственного перехода тока через нуль. До отключения напряжение на емкости 2 2 1 2 1 ω ω ω − ⋅ = + − − ⋅ = Ф L C C C U jx jx jx E U , LC 1 1 = ω , ω ω >> 1 , Ф C U U = 1 ω - частота колебаний зависящая от параметров схемы LC. ω - частота источника. Если ёмкостный ток большой, то среза тока в выключателе не произойдет и дуга погаснет при прохож- дении тока через ноль. Напряжение при этом проходит максимальное значение. Обрыв тока происходит когда напряжение максимально источника ЭДС . А) После обрыва тока напряжение на ёмкости не меняется и сохраняет величину Ф C U u − = . Разность ЭДС ( ) ( ) t U U t U u t e Ф Ф Ф C ω ω cos 1 cos ) ( − ⋅ = − − ⋅ − = − Это есть восстанавливающееся напряжение на выключате- ле. Через полпериода напряжение достигает значения Ф U 2 . Если Ф U 2 больше электрической прочности про- межутка, то произойдет повторное зажигание дуги. В схеме возникают высокочастотные колеба- ния, которые накладываются на напряжение 50 Гц. t U t U u Ф Ф C 1 cos 2 cos ω ω ⋅ − ⋅ = Ток через выключатель равен: t C U t C U dt du C i Ф Ф C B ω ω ω ω sin 2 sin 1 ⋅ + ⋅ − = = Так как ω ω >> 1 то амплитуда свободной составляющей тока значительно превышает амплитуду вы- нужденной составляющей. Через полпериода собственных колебаний. 1 1 2 ω π = = T t , напряжение дости- гает максимум. Ф Ф Ф U U U U 3 2 max = + = Суммарный ток определяется свободной составляющей и при переходе через ноль дуга гаснет, а напря- жение на емкости остается равным 3U Ф Таким образом, происходит нарастание напряжения при новом погасании и зажигании дуги за счет накопления заряда на емкости. Б) При отключении ненагруженных линий. Схема представляет собой многочастотный колебательный контур. При повторных зажиганиях будут возникать свободные составляющие, которые увеличивают напряжение в конце линии. Для коротких линий после повторного зажигания линия мгновенно приобретает потенциал U 0 равное ЭДС источника. Для протяженных линий остающееся напряжение на линии после отключения U 0 больше чем ЭДС источника. После первого обрыва дуги на линии оста- ётся заряд Q. Заряд равномерно распреде- ляется вдоль из-за колебательного пере- ходного процесса. После затухания про- цесса во всех точках линии устанавливает- ся потенциал U 0 . При этом напряжение на шинах после отключения равно ЭДС ис- точника. Если имеются реакторы, то после обрыва дуги ёмкость линии будет разря- жаться на реактор и будут возникать зату- хающие колебания с частотой ω ω < 2 Преимущество установки реактора: 1) Уменьшает величину восстанавливаю- щего напряжения (между главными кон- тактами выключателя); 2) Снижает скорость нарастания восста- навливающего напряжения. 31. Перенапряжения при отключении индуктивностей. Примером отключения малых индуктивных токов является отключение от шин высокого напряжения ненагруженного трансформатора. При работе выключателя происходит так называемый «срез» тока, когда он обрывается в выключателе не при нулевом значении, а при значении I 0 (рис. 27.20,а), которое зависит от амплитуды Imax тока, протекающего через выключатель (рис. 27.20,6). При небольших зна- чениях Imах обрыв тока в выключателе может произойти даже в момент максимума протекающего то- ка, поэтому в области очень малых амплитуд ток среза I 0 растет пропорционально Imах. Область насы- щения соответствует максимальным значениям I 0 , определяемым конкретным типом выключателя. При очень больших амплитудах проходящего через выключатель тока явление среза отсутствует из – за об- разования сильно ионизированного дугового канала. Рассмотрим срез тока в выключателе схемы рис. 27.21, а , которая соответствует отключению ненагру- женного трансформатора выключателем Q. Емкость С в схеме обычно включает в себя входную ем- кость трансформатора и емкость шин до точки подключения выключателя. Индуктивность L соответ- ствует индуктивности намагничивания трансформатора и может достигать очень больших значений (десятков генри). Считаем, что произошёл срез тока в момент времени t 0 со значением I 0 . Мгновенное напряжение на ём- кости u 0 В момент обрыва тока мгновенное значение напряжения на емкости равно U 0 . В отключаемой части це- пи к этому моменту накоплена энергия 2 2 0 LI в магнитном поле и энергия 2 2 0 CU в емкости С. Если не учитывать затухание процесса, то в контуре LC возникают незатухающие колебания, которые описы- ваются уравнением. ( ) t C L I t U t LI t U t u C 1 0 1 0 1 0 1 1 0 sin cos sin cos ω ω ω ω ω ⋅ + ⋅ = ⋅ + ⋅ = где LC 1 1 = ω – собственная частота колебаний контура. Максимальное напряжение на отключенной цепи 2 0 2 0 max + = C L I U U можно найти, используя баланс энергии 2 2 2 2 max 2 0 2 0 CU LI CU = + Напряжение на отключаемой индуктивности не достигает значения max U из-за повторных зажиганий дуги в выключателе. Напряжение между контактами выключателя AB U это разность A B U U − . Это напряжение значитель- но возрастает до значения, большего номинального. Первый срез тока происходит в момент t 0 и напря- жение начинает возрастать по кривой. Восстанавливающаяся прочность межконтактного промежутка в течение первого полупериода свободных колеба- ний отключаемого контура, который обычно со- ставляет менее 0,1 периода напряжения источни- ка, еще мала, поэтому повторные пробои в вы- ключателе неизбежны. Процесс повторных пробоев в выключателе мож- но упрощенно проиллюстрировать с помощью рис.27.22. После пробоя напряжение между контактами выключателя снижается почти до нуля, напряжение U L до величины напряжения источника. В выключателе появляется ток, который резко возрастает. Далее, происходит новый срез тока при меньшем мгновенном значении. При этом, амплитуда ожидаемого оказывается также меньшей, но превосходит значения Е U ПР + происходят новые зажигания дуги. Процесс длится до тех пор пока максимум ожидаемого напряжения не станет не станет меньше востанавливающейся – пробивное напряжение между полностью разошедшимися контактами выключателя 32. Перенапряжения при автоматическом повторном включении. Использование АПВ основано на том, что большинство замыканий носит дуговой характер. Поэтому при отключении участка линии с КЗ с двух сторон дуга может погаснуть и линия может быть снова включена через время tапв (рис. 27.9). Цикл АПВ можно подразделить на следующие этапы: 1) отключение линии выключателем Q2, ближайшим к месту КЗ, приводящее к кратковременному ре- жиму одностороннего питания линии; 2) отключение неповрежденных фаз линии выключателем Q1, т. е. обрыв емкостного тока при переходе его через нулевое значение, что соответствует максимуму напряжения на этих фазах; 3) повторное включение разомкнутой линии выключателем Q1; 4) замыкание выключателя Q2 и восстановление нормальной схемы электроснабжения. После отключения выключателя Q2 напряжения на неповрежденных фазах в начале и в конце линии отличаются друг от друга и от ЭДС источника вследствие емкостного эффекта и КЗ на поврежденной фазе (поперечная несимметрия линии). После отключения Q1 заряд на поврежденной фазе стекает в землю через дугу. На неповрежденных фа- зах наступает высокочастотный колебательный процесс выравнивания напряжений вдоль линии. По- скольку ёмкости на протяжении линии имеют неодинаковый заряд, то после затухания процесса заряд распределяется вдоль линии, и по всей длине устанавливается одинаковое напряжение . Это напряжение зависит от длины линии, мощности источника, коэффициента несимметрии и от интервала между срабатыванием выключателей Q1 и Q2. Во время паузы при АПВ заряд стекает в землю через активные проводимости. Поэтому кривая 2 снижается. К концу паузы напряжение становится равным – это коэффициент, характеризующий снижение напряжения во время бестоковой паузы. – статистическая величина и зависит от места КЗ и погодных условий и состояния поверхно- сти изолятора. 33. Феррорезонансные явления в электрических установках. Феррорезонансные перенапряжения возникают в электропередаче, когда в силу различных причин про- исходит насыщение магнитопроводов электрических машин и трансформаторов. Возникают в схемах с элементами с нелинейной характеристикой намагничивания. Ток намагничивания трансформатора находится в пределах При номинальном напряжении ток намагничивания не превышает 2—4 % номинального тока транс- форматора, а при увеличении напряжения выше номинального резко возрастает, достигая значения но- минального тока. При повышении напряжения ток резко воз- растает. При этом искажается форма кри- вой тока и напряжения за счет высших гар- монических. Несинусоидальный ток намаг- ничивания создает несинусоидальное паде- ние напряжения на элементах схемы. Пере- напряжения возникают, если сопротивле- ние схемы относительно магнитного шунта трансформатора носит ёмкостный характер, то возникает перенапряжение. При этом, гармонический резонанс – это резонанс на промышленной частоте, негармониический – на высший и низших гармониках. Многие конкретные случаи возникновения феррорезонансных перенапряжений можно проанализировать на основе простейшего феррорезонансного контура, состоящего из емкости, нелинейной индуктивности и активного сопротивления, присоединенного к источнику синусоидального напряжения (рис. 29.15). Нелинейная характеристика зависимости амплитуды основной гармоники тока от амплитуды напряжения промышленной частоты обычно задается графически. , , При r=0 эллипс превращается в две параллельные прямые, параллельные оси тока. Точки пересечения данной кривой характеристикой U L =f (I ) дают состояние равновесия схемы. В точке «а» из рис. 29.16 напряжение на емкости больше чем напряжение на индуктивности на вели- чину ЭДС. В схеме протекает емкостный ток, соответственно режим называться будет емкостным. В точках «б» и в напряжение на индуктивности больше напряжения на емкости. Ток имеет индуктивный характер, соответственно режим схемы индуктивный. Если для точки а произойдет малое увеличение тока, то напряжение на емкости увеличится быстрее чем на индуктивности. Возникает напряжение не- баланса, которое равно:(I/ωС)- U L > E , т.е. напряжение источника не хватает для поддержания прираще- ния тока. Ну и точка возвращается в исходный режим (точка «а»). Такой режим называется устойчивый. Для точки «б» напряжение индуктивности растет быстрее чем на емкости. Поэтому уравнение напря- жения небаланса равно: U L -(I/ ω С) > Е , так же возникает дефицит напряжения. Режим устойчивый. Для точки в напряжение на емкости растет быстрее чем на индуктивности и суммарное падение напряжения на элементах схемы будет покрываться напряжением источника. U L -(I/ ω С) < Е При E>Е кр происходит феррорезонансный скачок. При E<Е кр происходит об- ратный переход от ёмкостного режима к индуктивному. Такие скачки при- водят к феррорезонансным перенапряжениям. 34. Ограничение внутренних перенапряжений. 1) Схемные мероприятия 2) Ограничение амплитуд установившихся напряжений 3) Ограничение перенапряжений только переходного процесса 4) ограничение длительности Для первого Это установка пониженных коэффициентов трансформации; ограничение числа работающих генерато- ров; использование ШР и СН; вынос измерительных ТН на линию. Применение схем без выключателей на стороне ВН, применяется схема без инерционного включения реактора. Для второго Вынос ТН на линию. Ограничивает вероятность повторных зажиганий при отключении ненагруженных линий. Эффект ТН на быстром саморазряде линии через активное сопротивление обмоток . Это возможно при отсутствии реакторов на линии. Применение схем без выключателей на стороне ВН исключает режимы с разомкнутой на конце линии, т.к. нагрузка отключается на стороне ВН и СН. В конце линии остается включенным ненагруженный трансформатор. Именно нелинейная характеристика трансформатора ограничивает повышение напряжения основной гармоники 50 Гц. Недостаток: При перенапряжениях от высших гармоник возможно повреждение трансформатора. По- этому данный способ используется для U ≤ 330 кВ. Для третьего Применяют 2 способа защиты от коммутационных перенапряжений: А) Применение вентильных разрядников с повышенной пропускной способностью Б) Применение специальных выключателей: Управление моментов включения при минимальной разности потенциалов на контактах выключателя Применение выключателя 2-х ступенчатого действия с шунтирующими резисторами При включении замыкаются сначала вспомогательные контакты 2, т.е. в цепь включается R Ш . Затем с выдержкой времени замыкаются главные контакты 1. При отключении порядок обратный. Из-за наличия R Ш полный рабочий ток не проходит через контакты 2. Поэтому они выполняются облег- ченными. Недостаток: В отключенном положении на главные контакты 1 прикладывается полная разность напряжений между источником и объектом. Плюс ШР: Демпфирование свободных колебаний; уменьшение остаточного заряда на линии при от- ключении ненагруженной линии. Если линия включается к источнику через активное сопротивление резистора которое равно волновому сопротивлению линии R Ш =Z C = C L / то колебательный процесс отсутствует из-за отсутствия отражений волн от начала линии. R Ш =Z C – условие о периодичности системы. R Ш =200- 400 волн. При отключении ненагруженной линии с помощью R Ш достигается снижение востанавливающегося напряжения на главных контактах. |