10.2.2. Установившиеся перенапряжения при коротких замыканиях

При возникновении на линии однофазного короткого за­мыкания (КЗ) на неповрежденных фазах установившиеся пере­напряжения не превышают 1,3U_ф, что допустимо с учетом кратковременности этого режима. Но, как правило, выклю­чатели на обоих концах линии срабатывают неодновремен­но, и в течение примерно 1 с может существовать режим одностороннего питания. Этот режим связан со значитель­ными перенапряжениями на неповрежденных фазах, так как на повышение напряжения, обусловленное емкостным эф­фектом, накладывается дополнительное повышение напря­жения за счет несимметрии при однофазном коротком замыкании.

Расчет напряжения в режиме однофазного КЗ можно вы­полнить с помощью метода симметричных составляющих.

10.2.3. Феррорезонансные перенапряжения

Феррорезонансные перенапряжения возникают в электропередаче, когда в силу различных причин происходит насыщение магнитопроводов электрических машин и трансформаторов.

Различают ферроре­зонанс на про­мышленной частоте (гармонический) или на выс­ших и низших гармониках (негармонический).

Рассмотрим простейший феррорезонансный контур (рис. 3).

Рис. 3. Феррорезонанс в параллельном контуре

Нелинейная индуктивность L включена параллельно с ем­костью С. На рис. 3, б приведены вольт-амперные характери­стики участков схемы с частичными токами i_L и 1_С, а также результирующая характеристика их параллельного соединения. Если в схеме проходит ток i, то справедлива характеристика, показанная в четвертом квадран­те.

Точка 1 соответствует максимально возможному току в квадранте, и дальнейшее увеличение тока возможно только в соответствии с характеристикой в первом квадранте. Поэтому рабочая точка должна скачком перейти из точки 1 в точку 2, при этом приложенное к параллельной цепочке L — С напряжение меняет знак и становится существенно выше по амплитуде. Этот процесс называется опрокидыванием.

При уменьшении тока аналогичный процесс опрокидывания имеет место при переходе от точки 3 к точке 4. Принципиально та­кие же явления возможны и при последовательном включении L и С и переменном входном напряжении.

В цепях, в которых возможны феррорезонансные колебания, опрокиды­вание может происходить в результате перенапряжений или неполных коммутаций, например, при отключении одной фазы ненагруженного трансформатора.

Если речь идет о простейшем феррорезонансном контуре как на рис. 3, то в нем будет иметь мес­то только однократное опрокидывание. Однако если схема содержит, по крайней мере, два феррорезонансных контура, то могут возникнуть стационарные феррорезонансные колебания с соответствующими перенапряжениями. Подобные случаи име­ют место в трехфазных цепях.

10.3. Коммутационные перенапряжения

10.3.1. Отключение ненагруженного трансформатора

При работе выключателя про­исходит так называемый «срез» тока, когда он обрывается в выключателе не при нулевом значении, а при значении (рис. 4, а), которое зависит от амплитуды тока, протекающего через выключатель (рис. 4, б).

Рис. 4. Зависимость тока среза от амплитуды тока через выключатель

При не­больших значениях обрыв тока в выключателе может произойти даже в момент максимума протекающего тока, поэтому в области малых амплитуд ток среза рас­тет пропорционально . Область насыщения соответст­вует максимальным значениям , определяемым конкрет­ным типом выключателя. При очень больших амплитудах проходящего через выключатель тока явление среза от­сутствует из-за образования сильно ионизированного дуго­вого канала.

Рассмотрим срез тока в выключателе схемы рис. 4, а, которая соответствует отключению ненагруженного транс­форматора выключателем Q. Емкость С в схеме замещения обычно включает в себя входную емкость трансформатора и емкость шин до точки подключения выключателя. Ин­дуктивность L соответствует индуктивности намагничива­ния трансформатора и может достигать очень больших значений (десятков генри).

В момент обрыва тока мгновенное значение напряжения на емкости равно U₀. В отключаемой части цепи к этому моменту накоплена энергия в магнитном поле и энер­гия в емкости С. Если не учитывать затухание про­цесса, то в контуре LC возникают незатухающие колебания, которые описываются уравнением

,

где - собственная частота колебаний контура.

Рис. 5. Отключение ненагруженного трансформатора от шин высокого напряжения

Максимальное напряжение на отключенной цепи можно найти, используя баланс энергии

, .

,-е

Рассчитанное таким образом напряжение может достигать очень больших значений (это так называемые «ожидаемые перенапряжения»). Реальные значения напряжения меньше, так как происходят повторные зажигания дуги в выключателе.