Глава 2
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ИЗОЛЯЦИЮ
Отдельное изоляционное устройство обычно является составной частью более крупного аппарата или сети. Фактическое воздействие на изоляцию определяется как напряжением на клеммах, задаваемым устройством или сетью, так и временным и пространственным распределением этого напряжения внутри изоляции. В данной главе рассмотрены только напряжения, создаваемые на внешних клеммах устройства, включенного в сеть.
Рабочим напряжением устройств и сетей высокого напряжения является обычно переменное однофазное или трехфазное, а также постоянное напряжение. В схемах с одно- или многоступенчатыми выпрямителями, применяемых в устройствах с высоким переменным напряжением, возникают наложения постоянного и переменного напряжений. В переходных режимах на рабочее напряжение накладывается напряжение, вызванное этими режимами.
Названные формы напряжения имеют главное значение при производстве, передаче и распределении электрической энергии. Поэтому рассмотрение электрических воздействий на изоляцию проводится применительно к трехфазным системам высокого напряжения.
- Стационарное воздействие напряжения
Первым условием при определении размеров изоляции в сети трехфазного тока является учет допустимого длительно действующего рабочего напряжения U. Оно задается как эффективное напряжение между проводами фаз.
Национальными и международными стандартами [2.1, 2.2] для U предусмотрены нормированные ступени. В средней части Европы устройства сети работают, как правило, при следующих значениях U: 7,2; 12; 24; 36; 72,5; 123; 245; 420 кВ.
В симметричной трехфазной системе эффективное значение напряжения провода относительно земли (фазное напряжение) составляет 1/√3 линейного напряжения. Перенапряжениями называют напряжения, максимальное значение которых превышает максимальное значение длительно допустимого фазного напряжения:
(2.1)
Длительное повышение напряжения сети
Вследствие повреждений изоляции или в результате коммутаций возникают повышения напряжения промышленной частоты, длительность которых, как правило, не превышает нескольких секунд. Но в исключительных случаях их длительность может достигать нескольких часов, как, например, при замыканиях на землю в сетях с изолированной нейтралью.
Важнейшими причинами повышения напряжения промышленной частоты являются замыкания на землю, а также сбросы нагрузки крупных генераторов и длинных линий электропередачи (Ферранти-эффект).
Рис. 2.1. Однофазное замыкание на землю в симметричной трехфазной системе:
а — схема замещения; б — векторная диаграмма при нормальном режиме; в — векторная диаграмма при замыкании на землю фазы А (нейтраль изолирована)
2.1.1.1. Замыкания на землю.
Однофазное замыкание на землю является наиболее частым повреждением в трехфазных сетях переменного напряжения. Его воздействия зависят прежде всего от режима нейтрали. Нейтраль может быть связана с землей либо жестко (без сопротивления), либо через катушку индуктивности или активное сопротивление либо может быть полностью изолирована от сети.
На рис. 2.1 изображены основные элементы симметричной трехфазной системы. Ее поведение при однофазном замыкании на землю можно пояснить, рассмотрев два граничных случая: глухозаземленную (Ζн=0) и изолированную (Ζн=∞) нейтраль.
Глухозаземленная нейтраль. В этом случае любое замыкание на землю является однофазным КЗ. В проводнике, оказавшемся под потенциалом земли, проходит ток КЗ, значение которого определяется соответствующим фазным напряжением и полным сопротивлением поврежденного провода. Этот ток КЗ должен быть отключен защитным устройством (обычно выключателем). На неповрежденные провода такая авария не оказывает воздействия, в частности на них не возникают повышения напряжения промышленной частоты.
Изолированная нейтраль. Если между землей и нейтралью нет постоянной гальванической связи, то замыкание одной из фаз на землю приводит к смещению треугольника векторов напряжений, причем провод, на котором возникло замыкание, приобретает потенциал земли. Так как система связанных между собой напряжений остается неизменной, то напряжения остальных фаз (UАВ0, UАС0) возрастают до значений линейного напряжения, при этом напряжение нейтрали Uн0 становится равным фазному напряжению (рис. 2.1,в).
Повышение напряжения промышленной частоты при однофазных замыканиях на землю описывается с помощью коэффициента ε, который равен отношению эффективных значений наибольшего напряжения промышленной частоты неповрежденных фаз при замыкании на землю к напряжению на них без повреждения. В случае рис. 2.1,в коэффициент заземления для фаз В и С равен
Так как большинство однофазных замыканий на землю происходит при перекрытиях воздушной изоляции, то дуга может погаснуть, если ее ток мал вследствие компенсации. На такую возможность указал в 1919 г. В. Петерсен [2, 3], и поэтому дугогасящие катушки, включаемые между нейтралью и землей, называют также катушками Петерсена.
Полная компенсация тока замыкания на землю невозможна, так как всегда имеется омическая проводимость в линии и отклонение индуктивности дугогасящей катушки от требуемого значения. Поэтому надежное автоматическое гашение дуги замыкания на землю возможно лишь в сетях при относительно малой протяженности линий.
Общий случай. В общем случае режим заземления нейтрали может быть рассмотрен с помощью метода симметричных составляющих [2.4].
Согласно этому методу трехфазная сеть может быть описана симметричными полными сопротивлениями нулевой
, прямой
Таблица 2.1. Типичные характеристики сети переменного тока в зависимости от режима нейтрали
2.1.1.2. Сброс нагрузки.
Возбуждение генераторов устанавливается таким, чтобы поддерживать требуемое рабочее напряжение в сети с учетом падений напряжений на индуктивности рассеяния блока генератор — трансформатор и в проводах. При внезапном сбросе нагрузки после успокоения сверхпереходных процессов на сеть воздействует повышенное напряжение генератора в течение некоторого времени, пока оно не будет понижено за счет регулирования возбуждения.
Обусловленные сбросом нагрузки повышения напряжения необходимо принимать во внимание в блоках большой мощности, реактивные сопротивления рассеяния которых велики. Так, относительное продольное переходное реактивное сопротивление крупных синхронных генераторов может превышать 0,5, а относительное реактивное сопротивление рассеяния больших трансформаторов составляет 0,15—0,20.
В качестве примера на рис. 2.3 приведены значения и длительности повышений напряжения после отключения блока мощностью 800 МВ-А с возбуждением от вращающегося выпрямителя [2-5].
2.1.1.3. Ферранти-эффект.
В ненагруженной линии имеется емкостный ток, значение которого возрастает с увеличением длины линии. Вследствие падения напряжения на продольной индуктивности при прохождении емкостного тока напряжение в конце линии возрастает (Ферранти-эффект) [12.51].
Напряжение в конце линии Ue можно рассчитать по формуле
(2.5)
где Uа — эффективное значение напряжения в начале линии; ω=2πf — круговая частота; υ — скорость распространения света или фазовая скорость в линии; l — длина линии; L' и С' — соответственно удельные индуктивность и емкость линии.
Если рассматривать Ферранти-эффект в связи со сбросом нагрузки, то необходимо учитывать дополнительное повышение напряжения в начале ненагруженной линии, вызванное как сбросом нагрузки, так и емкостным током. Соответствующее общее повышение напряжения на конце линии очень велико, если мощность источников питания мала по сравнению с пропускной мощностью линии.
Рис. 2.3. Изменение напряжения сети во времени при отключении блока (турбогенератор — трансформатор) мощностью 800 МВ-А
Рис. 2.4. Повышение напряжения промышленной частоты на конце воздушной линии электропередачи после сброса номинальной нагрузки в зависимости от отношения сопротивления короткого замыкания трансформатора к сопротивлению питающей сети Χτ/Χν при различных длинах линии l
Качественные данные о повышении напряжения на конце воздушной линии электропередачи приведены на рис. 2.4.
В сильно разветвленных сетях с высокой мощностью короткого замыкания и соответственно низким полным сопротивлением Ферранти-эффект не играет существенной роли, поскольку в таких сетях маловероятен случай появления ненагруженной линии большой длины.
