14. Внутренние перенапряжения и защита от них14.1. Классификация внутренних перенапряженийВнутренние перенапряжения вызваны переходными электромагнитными процессами в электрических системах. Эти процессы связаны с коммутацией при нормальном и аварийном режимах: включение и отключение ненагруженных линий, отключение ненагруженных трансформаторов и реакторов, отключение конденсаторных батарей, отключение линий при к.з., работа АПВ и резкие изменения нагрузки. Перенапряжения в электрических системах связаны с резонансными явлениями из-за периодических изменений параметров цепи (например, индуктивности, емкости). Резонансные перенапряжения имеют большую длительность и являются опасными для изоляции электроустановок. В сетях с изолированной нейтралью при однофазных дуговых замыканиях на землю появляются перенапряжения, опасные для изоляции всей сети. Внутренние перенапряжения имеют колебательный характер. Все элементы электрической системы можно разбить на три группы: Источники ЭДС- генераторы, синхронные компенсаторы. Элементы, способные накапливать энергию (L, C). Элементы, способные потреблять энергию (активные нагрузки, сосредоточенные и распределенные сопротивления). Колебательные свойства электрических систем, вызывающие перенапряжения, проявляются при нарушении энергетического баланса между генерируемой и потребляемой энергией. Причиной нарушения баланса может быть отключение элементов, способных поглощать энергию. На рис. 1 приведены упрощенная однофазная схема электропередачи, показывающая один из случаев возникновения перенапряжений (а) и ее схема замещения (б).Рис. 1. Однофазная схема электрической сети (а) и схема ее замещения (б) при перенапряжениях:Lи – индуктивность источника; Lc– индуктивность приемной системы; Lл и Сл –индуктивность и емкость линий; Zн = Rн+ j Lн– комплексное сопротивление нагрузкиПри замкнутом выключателе ^ В2 емкостное сопротивление линии зашунтировано сопротивлением нагрузки Zн, при разомкнутом выключателе В2 (режим одностороннего питания) схема замещения превращается в колебательный контур с элементами L–C. Такой режим может осуществиться при включении ненагруженной линии выключателем В1 (пуск передачи). При аварийных и послеаварийных коммутациях режим одностороннего питания возникает при неодновременном срабатывании выключателей на разных концах линии. Процесс коммутации в электрической системе (включение разомкнутой линии толчком) можно разбить на несколько этапов (рис. 2).Рис. 2. Стадии коммутационного процесса при включении линии толчком:I – переходный процесс; II – установившийся режим до начала работы регулятора возбуждения генератора (вынужденная составляющая переходного процесса); III – работа регулятора возбуждения;1V-новый установившийся режим. В области I и II ЭДС не изменяется в силу инерционности работы регуляторов возбуждения генератора. Область I характеризуется переходным процессом (длительность t = 1…2 полупериода промышленной частоты). После затухания свободных колебаний наступает II стадия (область II), которая называется установившимся режимом. Этот режим определяется параметрами схемы и неизменной ЭДС источника. Напряжение установившегося режима в конце линии определяется: , (1)где L = Lи+Lл/2 – индуктивность элементов схемы;Сл – емкость линии; E – ЭДС источника. Если Uу выше длительно допустимого напряжения системы, то благодаря действию регуляторов Uу постепенно уменьшается (область III), пока не установится новый стационарный режим (область 1V). Для надежной работы электропередачи необходимо, чтобы перенапряжения первых двух стадий не превысили электрической прочности изоляции. Будем различать перенапряжения переходного режима (коммутации) и перенапряжения установившегося режима (длительные). При любой коммутации максимальные напряжения переходного процесса представляются в следующем виде :Uмакс= кудUуст= кудкустUф= кпUф , (2) где куд – отношение максимального значения составляющей напряжения переходного процесса к вынужденной составляющей (ударный коэффициент);куст– отношение вынужденной составляющей к рабочему напряжению.кп – кратность внутренних перенапряжений. На величину куд оказывает влияние следующие факторы: 1) частоты и декременты затухания свободных колебаний, которые определяются параметрами схемы; 2) характеристики выключателей, которые осуществляют коммутации. Допустимые кратности внутренних перенапряжений по отношению к Uмакс.раб. не должны превышать определенных величин , приведенных в табл. 1.Таблица 1 - Допустимые кратности коммутационных перенапряжений. Параметры Режимы нейтрали изолированные заземленные Uном,кв, кВ 3…10 15…20 35 110…220 330 500 750 Uмакс.раб./Uном 1,15 1,15 1,15 1,15 1,1 1,05 1,05 кп 4,5 4 3,5 3 2,7 2,5 2,1 Кратности коммутационных перенапряжений в установках до 220 кВ не превышает значений, приведенных в табл. 1. В установках 330 кВ выше возможны коммутационные перенапряжения 3Uф. Для ограничения внутренних перенапряжений используются комбинированные разрядники типа РВМК и ограничители перенапряжения ОПН.^ 14.2. Перенапряжения при отключении ненагруженных линийНа рис. 3 представлена схема ненагруженной линии. Выключатель В3 отключает ненагруженную линию Л1. В цепи протекает синусоидальный ток. Рис. 3. Схема ненагруженной линии (а) и график переходного процесса при повторном зажигании дуги в выключателе (б) При обрыве этого тока (при его прохождении через нуль) напряжение на линии ^ Л1 имеет амплитудное значение U = Uy.max. После обрыва тока на линии сохраняется напряжение U0= Uy.max, создаваемое зарядом на емкостях линии. На контактах выключателя появляется напряжение Uв(t), вызванное разностью ЭДС источника e = Emaxcos(t) и напряжение U0, созданное зарядом на линии. Uв(t) = Emaxcos(t) – U0. Через полпериода промышленной частоты напряжение на контактах выключателя достигнет значения Emax+ U0. Максимальное напряжение в переходном процессе зависит от повторного пробоя межконтактного промежутка выключателя. Возможность повторного пробоя определяется соотношением между кривыми возрастания электрической прочности промежутков выключателя (2) и восстанавливающегося напряжения (1) (рис. 4.). Если кривая восстанавливающегося напряжения (кривая 1) пересечет кривую роста электрической прочности промежутков выключателя Uпр(t) в точке В, то произойдет повторное зажигание дуги. Если же восстанавливающееся напряжение Uв(t) (кривая 2) растет медленно, то отключение ненагруженной линии произойдет без повторного пробоя. Рис.4. Кривые восстанавливающейся прочности (Uпр) (1) и напряжения на выключателе (Uв) (2)Из опыта эксплуатации известно, что величина перенапряжения составляет 3Uф. При снижении уровня изоляции до 2,5Uф при отключении ненагруженной линии указанные перенапряжения становятся опасным для изоляции.^ 14.3. Перенапряжения при отключении ненагруженных трансформаторовДля изучения перенапряжений при отключении ненагруженного трансформатора рассмотрим схему его замещения (рис. 5). На данной схеме L1 и C1 представляют собой индуктивность и емкость источника, L2 – индуктивность отключаемого ненагруженного трансформатора, а C2 – его входную емкость. Рис. 5. Схема замещения трансформатораПри больших токах (например, при отключении короткого замыкания) окончательный разрыв всегда имеет место в момент прохождения тока через нуль, причем снижение тока до нуля происходит плавно. При малых токах (например, при отключении ненагруженных трансформаторов) степень ионизации дуги оказывается незначительной и под действием рабочего дутья выключателя может произойти очень быстрый распад дугового столба еще до того, как ток проходит через свое нулевое значение (в настоящее время существуют вакуумные, элегазовые выключатели, время отключения которых мало, для таких выключателей возможно отключение в любой точке синусоиды). При этом сопротивление дуги скачком возрастает, а ток в дуге резко снижается до нуля. Происходит так называемый «срез» тока. Мгновенное значение тока, которое может быть «срезано», зависит от степени ионизации дуги в этот момент времени и от дугогасящих способностей выключателя. Допустим, что в схеме на рис. 5 в момент времени t0 произошел срез тока, мгновенное значение которого было Iсрез (рис. 6). После обрыва тока магнитная энергия L2I2cрез/2 будет переходить в электрическую энергию конденсатора C2 –> C2U22max/2. Этому процессу соответствует уравнение: (3)где Icр – ток среза. Из приведенного уравнения определяется максимальное, или так называемое ожидаемое, значение перенапряжения:, (4)где ^ U0 – напряжение на емкости C2 в момент t0 . Рис.6. Временная диаграмма перенапряжений при отключении ненагруженного трансформатораРасчеты показывают, что U2maxво много раз превышает номинальное напряжение трансформатора, так как ^ L2 – индуктивность холостого хода трансформатора исчисляется десятками генри, а ток среза может оказаться равным 10…20 А. При возникающих перенапряжениях прочность межконтактного промежутка оказывается недостаточной и происходит повторное зажигание дуги в выключателе. Сам выключатель выступает «ограничителем» перенапряжений. В результате нового среза тока может появиться следующий пик напряжений и процесс на осциллограмме выглядит в виде чередующихся срезов тока и последующих пробоев контактного промежутка. Повторные зажигания дуги в выключателе могут прекращаться довольно быстро, но могут продолжаться и несколько полупериодов. Длительность существования повторных зажиганий зависит от ожидаемого перенапряжения, интенсивности затухания собственных колебаний и скорости роста восстанавливающейся прочности выключателя. Поскольку перенапряжения при отключении индуктивностей лишь в очень редких случаях достигают предельных значений и имеют форму кратковременных импульсов, то установленные на присоединениях трансформаторов грозозащитные разрядники и ОПН легко справляются с их ограничением. Возможно существенное ограничение перенапряжений применением выключателей с шунтирующими сопротивлениями, через которые часть энергии, запасенной в индуктивности, возвращается в сеть. Эти сопротивления подобны тем, которые рекомендовались выше для ограничения перенапряжений ненагруженных линий, однако значения сопротивлений должны быть того же порядка, что и индуктивное сопротивление отключаемой цепи. ^ 14.4. Перенапряжения при отключении конденсаторных батарейВ настоящее время батареи конденсаторов широко применяются в электрических системах. При отключении конденсаторной батареи (рис. 7), так же как и при отключении ненагруженной линии, емкостный ток обрывается в момент максимума напряжения на конденсаторе и напряжение между контактами выключателя изменяется в соответствии с кривой U2 на рис. 3, б. Благодаря этому имеется вероятность повторного зажигания, которое сопровождается колебаниями с амплитудой 2Uф. В процессе этих колебаний напряжение на батарее достигает 3Uф. Рис. 7. Упрощенная схема отключения батарей конденсаторовСовременные конденсаторные батареи комплектуются обычно последовательно-параллельным соединением отдельных секций, каждая из которых защищается предохранителем. Поэтому в батареях практически не бывает полных коротких замыканий, что позволяет применять выключатели облегченного типа с очень большой скоростью восстановления напряжения, исключающей возможность повторных зажиганий.^ 14.5. Меры ограничения внутренних перенапряженийПрименение вентильных разрядников. Вентильный разрядник является аппаратом, который вступает в действие, когда напряжение в точке его установки превышает пробивное напряжение искровых промежутков, и ограничивает перенапряжения на изоляции до допустимого уровня. Наибольшие перенапряжения возникают на разомкнутом конце линии. Там же могут быть установлены реакторы поперечной компенсации, конденсаторы связи, выключатели, разъединители, трансформаторы напряжения. Для их защиты вблизи линейного разъединителя со стороны линии устанавливают комбинированный вентильный разрядник c повышенной пропускной способностью. На него возлагается задача ограничения как коммутационных, так и грозовых перенапряжений. При коммутационных перенапряжениях амплитуда тока через разрядник после пробоя его искрового промежутка обычно не превышает 1,5…2 кА, однако в силу значительной длительности перенапряжения энергия, рассеиваемая в нелинейном сопротивлении, на несколько порядков превосходит энергию грозового импульса. Условия гашения дуги в разрядниках при коммутационных перенапряжениях получаются более тяжелыми, чем при грозовых. На рис. 8 показаны кривые напряжения в точке подключения разрядника и тока через разрядник. Когда мгновенное значение напряжения на разряднике достигает пробивного напряжения искрового промежутка, происходит подключение его нелинейного сопротивления к фазному проводу (точка a). При прохождении напряжения и тока разрядника через нуль, искровой промежуток обрывает ток. В следующий полупериод разрядник может сработать вновь (точка b), если напряжение на нем растет быстрее, чем восстанавливающаяся прочность его искрового промежутка; при этом напряжение второго и всех последующих пробоев меньше, чем в первый полупериод. Рис. 8. Работа вентильного разрядника при коммутационных перенапряжениях: 1 – кривая напряжения при переходном процессе; 2 – ток через разрядникНапряжение, при котором повторные пробои больше не происходят, должно быть меньше напряжения гашения Uгаш. Срабатывание разрядника должно прекратиться после затухания переходного процесса, но установившееся напряжение Uуст может значительно превышать фазное напряжение за счет емкостного эффекта или несимметрии. Обычно электрическую прочность искровых промежутков характеризуют напряжением гашения Uгаш. Поэтому напряжение гашения коммутационных разрядников должно быть значительно выше, чем у грозозащитных разрядников, а коэффициент гашения kгаш = Uпр/Uгаш должен быть значительно ниже. Для разрядников РВМК отношение Uгаш и пробивного напряжения искровых промежутков Uпр равно = 0,7; в разрядниках РВМКП = Uгаш/Uпр = 0,9. Надежное дугогашение гарантируется, если установившееся напряжение не превышает Uпр. В табл. 2 приведены максимальные значения Uy,max в сетях 330…750 кВ, в которых коммутационные разрядники в состоянии погасить дугу. Если установившееся напряжение Uy,max превышает значения, приведенные в табл. 1, то разрядник будет срабатывать многократно, что обычно недопустимо. Поэтому для надежной работы разрядника снижают установившееся напряжение установкой реакторов поперечной компенсации, подключаемых наглухо или через искровой промежуток.Таблица 2 - Допустимые значения установившегося напряжения. Uном, кВ Uпр/Uф.max Uу.max/Uф.max = 0,7 = 0,9 330 2,5 1,4 1,8 500 2,3 1,3 1,7 750 2,0 1,15 1,5 Установка вентильных разрядников для защиты от коммутационных перенапряжений производится по концам линий электропередачи, так как наибольшие перенапряжения возникают на разомкнутом конце. Пробивное напряжение искровых промежутков разрядника должно быть ниже уровня допустимых перенапряжений для установленного по концам линии оборудования и линейной изоляции с достаточной степенью надежности. ^ Применение реакторов с искровым присоединением. Глухое присоединение реакторов, обеспечивающих снижение установившегося напряжения при коммутациях, имеет существенный недостаток. Он состоит в том, что глухое присоединение приводит к дополнительным потерям реактивной мощности в нормальных режимах передачи больших мощностей. Поэтому может быть применено включение реакторов через искровой промежуток, шунтированный выключателем (рис. 9). Рис. 9. Схема электропередачи с реактором, включенным через искровой промежуток При возникновении перенапряжений, превышающих уставку искрового промежутка Uпр , последний пробивается и подключает к линии реактор, обеспечивая соответствующее снижение Uу. Для ограничения теплового воздействия дуги на электроды промежуток между ними шунтируют выключателем, включающимся от сигнала релейной защиты, которая срабатывает при появлении тока в реакторе. Эффективность действия реактора, подключаемого через искровое присоединение с точки зрения ограничения коммутационных перенапряжений тем больше, чем меньше пробивное напряжение Uпр, искровых промежутков. Нижний предел пробивного напряжения искрового промежутка реактора выбирается по условию отстройки от срабатываний промежутка при повышении напряжения в режиме качаний. При этом учитывается разброс пробивных напряжений. Если принять возможное повышение напряжения при качаниях порядка (1,1…1,2) Uф.мах и разброс пробивного напряжения искрового промежутка 0,2 Uпр (что отвечает открытому искровому промежутку), то нижний предел пробивного напряжения 0,2Uпр (1,35…1,5) Uф.max.. Эффективность действия реактора с искровым промежутком зависит от характера переходного процесса. В табл. 3 приведены данные, показывающие влияние реактора на установившееся и максимальное напряжения.Таблица 3 - Значения перенапряжений в линиях с реакторами Uу.max/Uф.max Umax/Uф.max при отсутствии реактора при наличии реактора глухое присоединение искровое присоединение 1,5 1,3 1,81 1,92 1,9 1,6 2,83 2,92 ^ Управление моментом включения выключателя. Значение перенапряжений, возникающих при включении линии, зависит от фазы ЭДС в момент включения. Для каждой частоты свободных колебаний электропередачи можно указать такой угол включения, когда возникающее перенапряжение будет минимально. Исключение представляет только случай резонанса ( = 1), когда при любой фазе включения коэффициент kуд= 1. Возможность управления моментом включения выключателей высокого напряжения в значительной мере определяется конструкцией выключателя и его системы управления. Разброс во времени при управляемом включении не должен превышать1 мс. Такие требования могут быть выполнены, например, в воздушных выключателях со светооптической и механической системами управления.^ Применение шунтирующих сопротивлений в выключателях. Эффективным средством для ограничения возникающих перенапряжений, служит сопротивление, встраиваемое в выключатели. Принципиальная схема выключателя с шунтирующим сопротивлением показана на рис. 10. Рис. 10. Применение выключателя с шунтирующим резистором:^ ГК – главные контакты; ВК – вспомогательные контактыТакой выключатель имеет две системы контактов: ГК – главные контакты и ВК – вспомогательные. При включении линии первыми замыкаются контакты ВК, тем самым вводя последовательно с линией сопротивление Rш . Соответствующим подбором значения Rш можно существенно демпфировать колебания напряжения в переходном процессе. Спустя некоторое время, обычно через 1,5…2 периода промышленной частоты, замыкаются контакты ГК, заканчивая операцию включения линии.