Общая характеристика внутренних перенапряжений

Внутренние перенапряжения возникают в электрических системах в результате коммутаций.

Коммутации могут быть оперативными, например:

а) включение и отключение ненагруженных линий;

б) отключение ненагруженных трансформаторов и реакторов поперечной компенсации;

в) отключение конденсаторных батарей.

Однако чаще внутренние перенапряжения возникают при аварийных коммутациях в результате действия релейной защиты или противоаварийной автоматики.

К аварийным коммутациям можно отнести:

а) отключение выключателями короткого замыкания;

б) автоматическое повторное включение линий;

в) внезапный сброс нагрузки и некоторые другие.

Назовем перенапряжениями любые повышения напряжения выше длительно допустимых в электрической системе.

Внутренние перенапряжения обычно проявляются в виде колебаний. Всякая электрическая система обладает колебательными свойствами, однако в нормальном режиме работы эти колебательные свойства обычно не проявляются.

Все элементы электрической системы можно разбить на три группы:

1) источники э.д.с.- генераторы, синхронные компенсаторы, асинхронные двигатели;

2) элементы, способные накапливать энергию – индуктивности (L) и ёмкости (С), как распределенные (индуктивность и ёмкость линии), так и сосредоточенные (индуктивности генераторов, индуктивности рассеяния и намагничивания трансформаторов, индуктивности реакторов, ёмкости конденсаторных батарей);

3) элементы, способные поглощать энергию, активная нагрузка(R), сосредоточенные и распределенные сопротивления (r) и проводимости (g) схемы.

Колебательные свойства электрической системы, могущие вызвать появление перенапряжений, проявляются при нарушении баланса между генерируемой и поглощаемой энергией. Причиной нарушения баланса может явиться внезапное отключение элементов, способных поглощать энергию.

На (рис. 8.1) приведена упрощенная однофазная схема, показывающая один из случаев возникновения перенапряжений. В этой схеме L_и – индуктивность источника, L_л и С_л– индуктивность и ёмкость линии, L_c – индуктивность приёмной системы, комплексное сопротивление нагрузки.

При замкнутом выключателе 2 колебания в схеме демпфированы активным сопротивлением R_н. нагрузки. При разомкнутом выключателе 2 схема содержит в основном только реактивные элементы. Любое внезапное возмущение в этой схеме приведет к колебаниям на ёмкости линии, т.е. к перенапряжениям.

Режим одностороннего питания ( т.е. выключатель 2 отключен) может осуществится при включении ненагруженной линии выключателем 1 (пуск передачи) и может продолжаться достаточно долго до тех пор, пока на разомкнутом конце не будет выполнена синхронизация. При аварийных и послеаварийных коммутациях режим одностороннего питания возникает при неодновременном срабатывании выключателей на разных концах линии.

Рис.8.1. Упрощенная схема замещения электропередачи

Процесс коммутации в электрической системе, например, включение разомкнутой линии толчком под напряжение, можно разбить на несколько этапов, как это показано на (рис. 8.2). До тех пор, пока регуляторы возбуждения генераторов в силу инерционности не изменяет возбуждение генераторов, э.д.с. их можно считать неизменными (области I и II). Первая стадия (область I) характеризуется переходным процессом, продолжительность которого порядка нескольких полупериодов промышленной частоты 50 Гц. После затухания свободных колебаний наступает вторая стадия (область II), которая условно может быть названа "установившимся" режимом. Например, для схемы (Рис.8.1) напряжение "установившегося" режима в конце линии

, ( 8.1 )

где .

Если U_уст выше длительно допустимого напряжения системы, то благодаря действию регуляторов U_уст постепенно уменьшается ( область III), пока не установится новый стационарный режим ( область IV).

I II III IV

Рис. 8.2. Различные стадии переходного процесса:

I – переходный процесс

II – установившийся режим до начала работы регуляторов (вынужденная составляющая переходного процесса)

III – область работы регуляторов возбуждения

IV – новый установившийся режим.

Для надёжной работы электропередачи необходимо, чтобы возникающие перенапряжения в течении первых двух стадий процесса не превысили прочность изоляции. Поэтому особое внимание уделяется перенапряжениям переходного режима, или коммутационным, и перенапряжениям установившегося режима, или длительным.

При любой коммутации максимальное напряжение переходного процесса может быть представлено в виде:

,

где к_уд – отношение максимального напряжения переходного процесса к установившемуся (U_уст - II стадия);

к – кратность внутренних перенапряжений, т.е. отношение максимального напряжения переходного процесса к максимальному рабочему.

Допустимые кратности внутренних перенапряжений не должны превышать определенных величин, которые выбираются исходя из технико-экономических соображений. Эти кратности коммутационных перенапряжений приведены в табл. 8.1.

Таблица 8.1

Допустимые кратности внутренних перенапряжений

Uном , кВ	110÷ 150	220÷330
	1,15	1,1	1,05	1,05	1,05
кдоп	3,5	3,0	2,5	2,1	1,8

Кратности коммутационных перенапряжений в электропередачах до 220 кВ, как правило, не превышают значений, приведенных в таблице. В электропередачах 330 кВ и выше (электропередачи сверхвысокого напряжения) возможны перенапряжения превышающие величину К_доп.

Поэтому нормальная работа электропередач может быть обеспечена только при условии ограничения внутренних перенапряжений. Одним из средств защиты служат нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН).

Повышения напряжения установившегося режима характерны для протяженных электропередач СВН с номинальным напряжением выше 330 кВ. В электропередачах 220 кВ и ниже длительные перенапряжения возможны преимущественно в случае феррорезонансных явлений при неполнофазных режимах.

1. Ёмкостный эффект в симметричных линейных схемах.

Напряжение в конце разомкнутой линии U₂ связано с напряжением в начале линии U₁ следующим отношением (пренебрегая активным сопротивлениями): ,

где β – коэффициент фазы, равный 0,06 град. на 1км. линии;

l – длина линии в км.

При β l→ 90˚ напряжение в конце линии увеличивается до очень больших величин, так как cos β l→0. Такое повышение напряжения можно ожидать в дальних линиях электропередач, когда длина линии превышает 1000 км.

В электропередачах до 220 кВ повышения напряжения из-за ёмкостного эффекта встречаются редко и находятся в пределах допустимого уровня.

2. Несимметрия сети, которая может возникнуть при несимметричных коротких замыканиях (к.з.) и неполнофазных режимах – обрыв провода, неправильная работа ("отказ") фазы выключателя при отключении или включении.

При несимметричных к.з. на землю повышения напряжения на неповрежденных фазах определяется отношением входных сопротивлений нулевой и прямой последовательности относительно точки к.з.

В электропередачах 110-220 кВ с заземлённой нейтралью отношение . При этом при однофазном к.з. на неповреждённой фазе повышение напряжения не превышает 1,25 U_{макс.раб.}, что является вполне допустимым.

В электропередачах СВН при одностороннем отключении несимметричного к.з. в удаленных от питающей системы точках отношение может принять любое значение, что может привести в ряде случаев к резкому возрастанию напряжения на неповрежденных фазах.

Перенапряжения при неполнофазных режимах в электрических системах возникают тогда, когда входные сопротивления по прямой и нулевой последовательностям относительно разрыва носят разный характер, т.е. если одно из них индуктивное, то другое должно быть ёмкостным.

3. Наличие в электропередаче нелинейных цепей со сталью (силовые трансформаторы, электромагнитные трансформаторы напряжения, иногда реакторы) может служить причиной возникновения феррорезонансных перенапряжений на рабочей частоте, причиной появления высших и низших гармоник в кривой напряжения.

Перенапряжения переходного процесса U_перех. определяются следующими факторами:

а) частотами и декрементами затухания свободных колебаний, в первую очередь первой собственной частотой и декрементом затухания этой частоты;

б) величиной установившегося напряжения, зависящей от вида коммутации;

в) начальными условиями, определяемыми характеристиками выключателя.

Одной из характеристик перенапряжений переходного процесса является ударный коэффициент к_уд. При заданных условиях (схема и её параметры, вид коммутации, тип выключателя) ударный коэффициент представляет статистическую величину, т.е. значение ударного коэффициента зависит от большого числа факторов, которые могут меняться от опыта к опыту. Для каждого вида коммутации можно найти среднее значение ударного коэффициента и указать кривую статистического распределения ударных коэффициентов.

Среди различных коммутаций можно выделить группу коммутаций, где причиной перенапряжений является неустойчивый характер горения дуги в выключателе (явление "среза" при отключении малых индуктивных токов, повторное зажигание дуги в выключателе при отключении ненагруженной линии или ёмкостной нагрузки).

Коммутационные перенапряжения в электропередачах можно разделить на следующие группы:

1.Перенапряжения при коммутациях ЛЭП:

а) включение ненагруженной линии;

б) успешное и неуспешное АПВ;

в) одностороннее отключение коротких замыканий;

г) разрыв передачи при выпадении из синхронизма;

д) коммутации включения и отключения, заканчивающиеся неполнофазными режимами.

2. Перенапряжения при отключении малых индуктивных токов (ненагруженных трансформаторов, реакторов), сопровождающиеся явлением "среза" тока.

3. Перенапряжения при отключении ненагруженных линий, сопровождающиеся повторным зажиганием дуги в выключателе.

К коммутационным перенапряжениям можно отнести, перенапряжения, возникающие при дуговых замыканиях на землю и неустойчивом горении дуги в сетях с изолированной и компенсированной нейтралями.

Металлическое однофазное замыкание на землю в сети с изолированной нейтралью приводит к повышению напряжения на неповрежденных фазах до . Такое повышение напряжения является для такой сети допустимым и опасности для нормальной изоляции не представляет. Если же замыкание на землю происходит через неустойчивую (перемежающуюся) дугу, горение которой сопровождается повторными погасаниями и зажиганиями, то на всех фазах сети возможно развитие перенапряжений.

Высокие кратности перенапряжений вызваны появлением в сети избыточных зарядов при гашении неустойчивой дуги, что сопровождается смещением электрической нейтрали системы.

Приведенная классификация внутренних перенапряжений имеет условный характер в том смысле, что в ряде случаев, вполне реальных для электрической системы в переходном процессе, могут возникать перенапряжения, принадлежащие к различным группам. Так, например, вслед за переходным процессом при коммутации возможно появление феррорезонансных перенапряжений.

Для большинства видов перенапряжений можно указать максимально возможную кратность по отношению к рабочему напряжению сети. Однако правильней будет сказать о вероятности появления той или иной кратности перенапряжений. Эта вероятность связана, во-первых, со статистическим характером некоторых процессов, например, гашения дуги выключателе, а во-вторых, с вероятностью тех или иных переходных процессов в системе. Всегда можно найти такое сочетание переходных процессов, которые дадут перенапряжения очень высокой кратности. Однако, если такое сочетание маловероятно, то его можно не принимать в расчет, считая, что в этом случае можно допустить перекрытие внешней изоляции или срабатывание ограничителя перенапряжений с его возможным разрушением. В то же время и в этих маловероятных случаях должна быть исключена возможность повреждения внутренней изоляции машин и аппаратов. Поэтому защита от внутренних перенапряжений должна выбираться на основе риска повреждения с учетом всех технико-экономических показателей.