Собственная частота сетей высокого напряжения - ­­­Электрическая часть электростанций

Восстанавливающееся напряжение на контактах выключателя сложным образом зависит от схемы и параметров сети, в которой установлен выключатель, а также от параметров и характеристик выключателя: емкостей, шунтирующих сопротивлений, остаточного ствола дуги, свойств дугогасящей среды и пр. Принято разделять эти влияния и рассматривать раздельно собственное восстанавливающееся напряжение, определяемое параметрами сети, и результирующее восстанавливающееся напряжение, являющееся результатом воздействия и сети, и самого выключателя. Собственное восстанавливающееся напряжение характеризует только сеть и определяет те требования, которые предъявляются к выключателю, чтобы он надежно отключал короткие замыкания в любых условиях, могущих возникнуть в точке сети, где он установлен. Это напряжение и положено в основу нормативов и стандартов на выключатели. Результирующее напряжение отражает также влияние параметров самого выключателя на процесс отключения, оно имеет большое значение для расчетов и конструирования выключателя. Для проектировщиков, выбирающих выключатель, и для эксплуатационного персонала, оценивающего работу выключателя в определенных условиях, важно знать поведение выключателей различных типов при одинаковых режимах собственного восстановления напряжения сети. Собственное восстанавливающееся напряжение обычно характеризуется двумя показателями: частотой и скоростью повышения в первую четверть его периода. Рис, 4-25. Зависимость собственной частоты от номинального напряжения сети (а) и схемы сети (б) — ТЭС без трансформаторов и без нагрузки на шинах- 16 — то же для ГЭС; 2а — ТЭС без нагрузки на шинах, но с трансформаторной связью с системой; 26 — то же для ГЭС  За —  ТЭС или подстанция, связанная с системой воздушной  сетью Ло — то же с кабельной связью; 4 — подстанция, питаемая по воздушной линии Собственная частота   зависит как от номинального рабочего напряжения, так и от конфигурации сети. На рис. 4-26 приведены зависимости /в от номинального рабочего напряжения сети для некоторых типичных схем подстанций и станций [75]. Как видно, чем выше напряжение сети тем меньше собственная частота сети, так как индуктивность и емкость с возрастанием напряжения увеличиваются. Граничными с точки зрения влияния конфигурации являются схемы 3 и 4.

Рис. 4-27. Нормированные характеристики ПВН, определяемые четырьмя параметрами Рис. 4-28. Нормированные характеристики ПВН, определяемые двумя параметрами Схемы 3 относятся к станциям и подстанциям, присоединенным к мощным разветвленным кабельным или воздушным сетям (большие емкости сети). Эти схемы характеризуются большими мощностями к. з. и низкими собственными частотами. Схема 4 относится к подстанции, питаемой от мощной сети высокого напряжения. Здесь собственная частота определяется параметрами трансформаторов и поэтому имеет высокие значения при относительно низких мощностях к. з. Очень высоких значений достигают собственные частоты на зажимах реакторов, так как при к. з. на реактор ложится почти полное напряжение, а его собственная емкость ничтожна. Частота свободных колебаний напряжения, восстанавливающегося при этом на зажимах реактора, может достигать 100 кГц. В настоящее время выбор выключателей во всех странах производится при обязательном учете собственной частоты сети и характера переходного восстанавливающегося напряжения. Форма волны восстанавливающегося напряжения меняется в зависимости от характеристик и конфигурации реальных цепей. В ряде случаев, особенно в сетях свыше 110 кВ, где, как правило, токи к. з. имеют повышенные значения, кривая восстанавливающегося напряжения содержит начальный участок с высокой скоростью нарастания. За ним следует участок со значительно меньшей скоростью. Этот тип волны достаточно хорошо изображается ее огибающей из трех прямолинейных отрезков (ГОСТ 687—78), определяемой четырьмя параметрами (рис. 4-27). В сетях напряжением ниже 110 кВ с относительно небольшими токами к. з. кривая восстанавливающегося напряжения приближается к одночастотной волне, имеющей затухающий характер. В этом случае восстанавливающееся напряжение может быть задано либо непосредственно частотой и амплитудой, либо огибающей, состоящей из двух отрезков прямой, определяемых двумя параметрами (рис. 4-28): Uc и т3. Уменьшение скорости нарастания напряжения в течение нескольких первых микросекунд, вызываемое емкостью на стороне питания выключателя, учитывается при помощи так называемой линии запаздывания (рис. 4-27 и 4-28). Линия запаздывания начинается на оси времени с запаздыванием Td, проходит параллельно первому отрезку и заканчивается при напряжении U'. Допускается не более одного пересечения фактической кривой восстанавливающегося напряжения с линией запаздывания (рис. 4-29). Рис. 4-29. Сравнение фактической кривой ПВН (I) с нормированной кривой (2) Выключатель будет надежно отключать ток к. з. в точке сети, для которой первая полуволна переходного восстанавливающегося напряжения (ПВН), полученная расчетным или опытным путем, окажется внутри нормированных характеристик ПВН, изображенных на рис. 4-27—4-29. Параметры нормированных характеристик ПВН для выключателей до 35 кВ приведены в табл. 4-2, а для выключателей на 110 кВ и выше в табл. 4-3 (ГОСТ 687—78). Методика точного расчета собственной частоты и амплитуды ПВН изложена в [72]. Для определения параметров ПВН можно также прибегнуть к модельным или натурным испытаниям. В большинстве случаев, однако, вполне достоверные результаты получаются при использовании формулы (4-24), но при Таблица 4-2

Рис. 4-30. Схема замещения двухчастотного контура Рис. 4-31. Зона индуктивности трансформаторов в зависимости от частоты наличии в сети длинных линий следует заменить в ней распределенную емкость сосредоточенной С' = кС; при этом (4-33) Поправочный коэффициент k выбирается таким образом, чтобы схема замещения оказалась эквивалентной замененному контуру, т. е. проводимости обоих контуров были одинаковыми, или собственные частоты их были равны, или, наконец, энергия обоих контуров была одинаковой. Поправочные коэффициенты k для различных схем различны, однако мало отличаются друг от друга, обнаруживая слабую зависимость от частоты. Так, для низких собственных частот к — 0,33, для высоких к = (2/я)2 = 0,406. Вполне удовлетворительные результаты получаются при принятии коэффициента к независимым от частоты и равным 0,4. Если схема замещения не может быть приведена к одночастотному контуру и расчет должен выполняться при помощи двухчастотного контура (рис. 4-30), то частоты выражаются следующим образом: (4-34) где В коэффициентах тип учитываются индуктивности и емкости обоих контуров. Амплитуда возвращающегося напряжения равна сумме амплитуд низкочастотного Uml и высокочастотного Umi напряжений:

Для неудаленных коротких замыканий часто можно пренебречь величиной Um2 и ограничиться определением только Uml. При вычислении собственной частоты следует учитывать емкость и индуктивность всех элементов системы: генераторов, трансформаторов, реакторов, шин, линий воздушных и кабельных, —

Вид оборудования	Емкость одной фазы, пФ
Генератор	10+5—10+6
Трансформатор	500—5000
Реактор бетонный	100—200
» масляный	500
Выключатель баковый	100—300
» маломасляный	25—100
» воздушный	20—80
Трансформатор тока	100—600
» напряжения	400—650
Опорный изолятор	10
Разъединитель	100
Шины подстанции	5—10 (пФ/м)
Кабель, воздушная линия	По каталогу

Примечание. Большие числа относятся к оборудованию большей мощности. а также схему включения генераторов (треугольник, звезда) и режим их нейтрали. При этом обязателен учет частотной зависимости индуктивности генераторов, трансформаторов и реакторов, так как при высокочастотных переходных процессах индуктивность этих элементов оказывается меньше номинальной и использование в расчетах каталожных данных приведет к заметному занижению (на 30—40 %) собственной частоты и скорости восстановления напряжения. Снижение индуктивности с возрастанием частоты объясняется увеличением вихревых токов и усилением эффекта их вытеснения в активных элементах генераторов, трансформаторов или реакторов, что приводит к увеличению потокосцепления взаимной индукции и уменьшению результирующей индуктивности. На рис. 4-31 приведена для примера зависимость индуктивности рассеяния трансформаторов от частоты [8]. При отсутствии точных значений емкостей оборудования можно пользоваться ориентировочными данными, приведенными в табл. 4-4. Для мощных трансформаторов в [8] приведены собственные частоты обмоток 110, 220, 500 кВ, которые могут использоваться при вычислении скоростей и амплитуд восстанавливающегося напряжения на выключателях трансформаторов (рис. 4-32). При вычислении собственной частоты длинных линий можно пользоваться следующими упрощенными формулами. Как известно, Здесь I —длина линии, км; L0 — индуктивность, приходящаяся на единицу длины линии, Г/км; С0 — емкость, приходящаяся на единицу длины линии, Ф/км.