Коммутации в сети приводят к переходным процессам, при которых могут возникать перенапряжения. Так как причины таких перенапряжений тесно связаны с самой сетью, то их называют внутренними или коммутационными перенапряжениями.
Понятие коммутационных перенапряжений используют также и тогда, когда причиной переходных процессов является не только плановая коммутация, но и появление повреждения в сети, например однофазное замыкание на землю.
Относительные значения коммутационных перенапряжений
Протекание коммутационных перенапряжений во времени тесно связано со свойствами трехфазной сети, поэтому целесообразно выражать их амплитуду относительно рабочего напряжения. Длительно допустимое рабочее напряжение [уравнение (2.1)] используют при этом в качестве базового напряжения.
При рассмотрении фактического максимального значения коммутационного напряжения Uфт необходимо учитывать, что фазное напряжение Uф может превышать наибольшее длительно допустимое напряжение
например, при непосредственно предшествующем сбросе нагрузки. Коэффициент перенапряжения в этом случае
Таким образом, коэффициент перенапряжений можно представить в виде произведения коэффициента перенапряжения вызванного переходным процессом, и коэффициента повышения напряжения промышленной частоты δ.
Из большого числа возможных причин, вызывающих перенапряжения, необходимо выделить в дальнейшем такие, при которых перенапряжения имеют максимальное значение и играющие особую роль при определении размеров изоляции: включение длинной ненагруженной линии, отключение индуктивностей со срезом тока перед естественным переходом через нуль, а также замыкания на землю.
Включение длинной ненагруженной линии
При рассмотрении включения длинной ненагруженной линии целесообразно выделить составляющие коммутационных напряжений: с промышленной частотой и переходную. В конце ненагруженной линии имеет место повышение напряжения промышленной частоты вследствие Ферранти-эффекта (см. 2.1.1.3), а также из-за падения напряжения на индуктивном сопротивлении питающей сети под действием емкостного тока линии. На
Рис. 2.8. Отключение воздушной линии 765 кВ:
l — длина линии; QL — реактивная мощность компенсирующего реактора; Qc — реактивная мощность линии; Рк — мощность КЗ питающей сети
обе эти составляющие сильное влияние оказывают компенсирующие реакторы, установленные в начале и конце линии.
Переходная составляющая коммутационного напряжения на конце ненагруженной линии возникает из-за отражения импульса, возникшего при ее включении, который зависит прежде всего от разности напряжений питающей сети и включаемой линии в момент включения. Наибольшие амплитуды наблюдаются при повторном включении линии, если на ней остался заряд после отключения трехфазного КЗ. Если выключатели фаз замыкаются неодновременно, то между проводами трехфазной системы возникают индуктированные волны, которые приводят, правда, к незначительному на фоне переходных коммутационных импульсов, но все-таки повышению напряжения.
Так как обычно при включении движение контактов выключателя не синхронизовано с изменением во времени напряжения сети, в момент включения уже имеется некоторая разность потенциалов, и переходная составляющая коммутационных напряжений имеет статистическое распределение.
Важнейшие факторы, влияющие на значение коммутационных напряжений в конце включаемой линии, можно получить с помощью результатов моделирования [2.9].
На рис. 2.8 показан объект исследования — линия 765 кВ, питаемая от трансформатора. Коэффициент перенапряжения Ке и повышение напряжения промышленной частоты δ на рис. 2.9 приведены в функции длины линии I и степени компенсации Ql/Qc. Статистическая зависимость переходной составляющей от мгновенного значения напряжения сети в момент включения показана на рисунке заштрихованной областью.
В сетях сверхвысокого напряжения с рабочим напряжением 420 кВ и выше коммутационные повышения напряжения при повторных включениях ненагруженных линий могут оказаться определяющими для выбора уровня изоляции.
Экономические соображения при создании изоляции требуют ограничения этих коммутационных напряжений. Кроме снижения составляющей промышленной частоты путем компенсации зарядной мощности линии встает вопрос прежде всего об ограничении переходной составляющей с помощью применения резисторов в выключателях. В схеме на рис. 2.10,а линия включается вспомогательными контактами в момент t0 через резистор Re. После затухания переходных процессов после включения выключателя (обычно спустя tе=10-15 мс) резистор Re закорачивается главными контактами. Из рис. 2.10,б видно, что переходная составляющая коммутационного напряжения имеет плоский минимум, когда сопротивление выключателя равно волновому сопротивлению линии Z. Применяя многоступенчатое подключение резисторов, можно еще сильнее ослабить переходную составляющую, однако эта возможность практически не используется.
Рис. 2.11. Максимальные значения коэффициента перенапряжений Ке при включении или повторном включении ненагруженной линии выключателем с сопротивлением Re и без него при различной степени компенсации QL/QC по данным международных сравнительных исследований [2.10]
Обширный материал о коммутационных напряжениях при однократных и повторных включениях линий сверхвысокого напряжения, накопленный рабочей группой 13-02 СИГРЭ в результате экспериментов на работающих линиях и в ходе исследований, проведенных на специальных моделях, содержится в [2.10]. Результаты этих исследований приведены на рис. 2.11, где указаны различные значения коэффициента напряжений Ке, или так называемые статистические перенапряжения (статистическое напряжение в серии экспериментов — это напряжение, которое превышается только в 2 % случаев).
Различные сети в деталях сильно различаются друг от друга, и этим частично объясняются большие разбросы максимального коэффициента перенапряжений КЕ. Коэффициенты перенапряжений при повторных включениях с использованием резисторов оказываются неожиданно низкими, но к этому необходимо относиться осторожно, так как полученные результаты относятся к слишком малому числу исследованных сетей такого класса.
Отключение малых индуктивных токов
Если индуктивные токи отключаются выключателями в момент их естественного перехода через нуль, то в процессе выключения не возникает никаких перенапряжений. Но так как выключатели рассчитываются на отключение больших токов КЗ, то при малых отключаемых токах дуга так сильно обдувается газом, что становится нестабильной и гаснет раньше естественного перехода тока через нуль. Этот процесс называется срезом тока.
Если отключаемый участок сети состоит из индуктивности с малыми потерями (рис. 2.12), то энергия, накопленная в момент обрыва тока в индуктивности 0,5 LiC2, переходит в колебательном режиме в емкость С, т. е. емкость заряжается.
Если можно пренебречь потерями и не происходит повторного зажигания дуги в выключателе, то напряжение на емкости достигает максимального значения
Рис. 2.13. Распределение максимальных значений коэффициента Ке перенапряжения на проводе при отключении асинхронных двигателей среднего напряжения различной мощности
Из приведенных уравнений очевиден способ снижения коммутационного напряжения с помощью увеличения параллельной емкости конденсатора С. Необходимо иметь в виду, что точка нестабильности дуги большинства выключателей при увеличении емкости смещается в сторону больших токов и поэтому описанный способ редко приводит к снижению амплитуды коммутационных напряжений [2.11]. В критических случаях для снижения амплитуды коммутационных напряжений используются защитные разрядники или нелинейные резисторы, включенные параллельно коммутационному промежутку [2.12].
Особенно опасно отключение заторможенных или разгоняемых асинхронных двигателей, а также компенсирующих реакторов и трансформаторов, которые не имеют никакой нагрузки, кроме индуктивной, подключенной к их третичным обмоткам [2.13].
Ток при разгоне асинхронных двигателей содержит большую индуктивную составляющую, и энергия, накопленная в индуктивности двигателя, максимальна.
Коммутационное напряжение, возникающее при срезе тока, существенно зависит от емкости обмотки статора и кабеля, соединяющего двигатель с выключателем.
Сравнительные измерения, проведенные в разных странах, подтвердили, что максимальные амплитуды коммутационных напряжений уменьшаются при возрастании мощности двигателей (уменьшении индуктивности и увеличении емкости). На рис. 2.13 представлены результаты этих сравнительных исследований в виде распределения максимальных коэффициентов перенапряжений Ке на проводе, при этом массив данных 300—500 кВт получен при сравнительно малом числе измерений.
В качестве следующего примера на рис. 2.14 приведено распределение вероятности коэффициентов перенапряжений Ке и Kl при отключении трансформаторов с индуктивной нагрузкой [2.5].
Рис. 2.14. Вероятности коэффициентов перенапряжений на проводе Ке и между проводами ΚL при отключении трансформатора напряжением 220/110 кВ, мощностью 100 МВ-А при индуктивной нагрузке 6—18 МВ-А
При использовании данных рис. 2.14 необходимо иметь в виду, что коммутационные напряжения между проводом и землей, а также между проводами фаз отнесены к максимальному значению фазного напряжения. Если вместо этого отнести коммутационные напряжения к соответствующим линейным напряжениям, то кривые Ке и Kl практически совпадут.
Естественно, при рассматриваемых коммутациях имеют место переходные процессы, вызывающие перенапряжения на выключателе. Амплитуда коммутационных напряжений на контактах выключателя может превысить электрическую прочность межконтактного промежутка, прежде всего в тех случаях, когда контакты еще не заняли своего конечного положения. При этом в зависимости от конкретных условий цепи в выключателе наступает однократное или многократное зажигание, чем и ограничиваются амплитуды возникающих коммутационных напряжений [2.11]. Впрочем, повторные зажигания приводят к крутым срезам напряжения, воздействующим на изоляцию обмоток, склонных к появлению колебаний.
В некоторых условиях частота повторных зажиганий может вызывать возбуждение резонансов в отдельных частях обмотки.
Переходные напряжения при замыканиях на землю
В 2.1.1.1 рассмотрены стационарные повышения напряжения, которые возникают при однофазных замыканиях на землю в зависимости от режима нейтрали. Само собой разумеется, что переход в новое стационарное состояние сопровождается переходным процессом, амплитуда которого определяется разностью напряжений непосредственно перед замыканием на землю и установившегося напряжения сразу после замыкания.
На рис. 2.15 показаны соотношения для простейшей трехфазной сети (см. рис. 2.1) с изолированной нейтралью и заземлением нейтрали через реактор.
Установившееся напряжение неповрежденных фаз смещается на соответствующую величину.
Амплитуда переходных напряжений при замыканиях на землю зависит от момента замыкания контактов выключателя.
Рис. 2.15. Перенапряжения в трехфазной сети с изолированной нейтралью или с дугогасящей катушкой при однофазном замыкании, на землю: а — замыкание с максимальной амплитудой переходного процесса; б — замыкание с максимальной амплитудой установившегося напряжения
Если, например, замыкание наступает в момент, соответствующий максимальному отрицательному напряжению Uфт (рис. 2.15,а), то мгновенное значение напряжения остальных фаз равно 0,5 Uфт перед замыканием, а значение установившегося напряжения равно
.
Максимальное значение напряжения в переходном процессе равно Uфт. Если колебания не затухают, то для обоих проводов первая амплитуда коммутационных напряжений
При дальнейших незатухающих колебаниях максимальные напряжения фазы и переходного напряжения могут совпасть во времени и просуммироваться. В соответствии с рис. 2.15,а это происходит сначала в фазе С. Максимальные напряжения фаз
Реально возникающие перенапряжения при замыканиях на землю зависят от момента возникновения замыкания, и поэтому имеет место их статистическое распределение. В разветвленных сетях с большим количеством кабелей могут возникать более высокие коммутационные напряжения на некотором расстоянии от места замыкания.
На рис. 2.16 представлены вероятности коэффициента перенапряжений Ке при замыканиях на землю, измеренные в сетях напряжением 24 и 123 кВ [2.14].
Сети напряжением выше 123 кВ работают преимущественно с заземлением нейтрали через малое сопротивление. Поэтому при однофазных замыканиях на землю в них возникают незначительные стационарные повышения напряжения нейтрали и неповрежденных фаз; соответственно уменьшаются и переходные перенапряжения. Сети с низкоомным заземлением нейтрали имеют коэффициент заземления δ не более 1,4. Если принять реальное затухание переходных перенапряжений с коэффициентом затухания, равным 1,6, то следует ожидать значений коэффициентов перенапряжений при замыканиях на землю не выше 1,7. Приведенное значение кажется сравнительно небольшим, однако, несмотря на это, оно имеет большое практическое значение.
Рис. 2.16. Вероятность коэффициента КЕ при замыкании на землю в сетях напряжением 24 и 123 кВ с дугогасящей катушкой
Снижение перенапряжений при замыканиях на землю может быть достигнуто лишь за счет включения в нейтраль небольшого полного сопротивления, однако это нежелательно, так как приводит к возрастанию токов КЗ. Мероприятия, нацеленные на снижение других видов коммутационных напряжений, например применение выключателей с многоступенчатым изменением сопротивлений встроенных резисторов (см. п. 2.2.2), могут в определенной мере служить и для ограничения максимальных значений перенапряжений при замыканиях на землю.
Испытательные коммутационные напряжения
В специальных рекомендациях, предназначенных для проведения испытаний изоляции коммутационными напряжениями, предлагается использовать униполярный апериодический импульс с временем нарастания 250 мкс и длительностью 2500 мкс [2.14, 2.15]. Эти рекомендации связаны в основном с электрической прочностью длинных воздушных промежутков, которые в зависимости от расстояния между электродами обладают минимальной электрической прочностью, если время нарастания апериодического импульса составляет приблизительно 200 мкс (см. также п. 7.6.5 и § 9.3).
В действительности же коммутационные напряжения имеют разнообразные формы, и поэтому использование нормированной формы импульса не всегда дает такое же воздействие на объект, как в реальных условиях эксплуатации. Это относится, например, к объектам, в которых могут возбуждаться колебания, в частности к обмоткам трансформаторов [2.17].
