Внутренние перенапряжения и защита от них

1.Классификация внутренних перенапряжений

Внутренние перенапряжения вызваны переходными электромагнитными процессами в электрических системах. Эти процессы связаны с коммутацией при нормальном и аварийном режимах: включение и отключение ненагруженных линий, отключение ненагруженных трансформаторов и реакторов, отключение конденсаторных батарей, отключение линий при к.з., работа АПВ и резкие изменения нагрузки.

Перенапряжения в электрических системах вызывают резонансные явления из-за периодических изменений параметров цепи (например, индуктивности, емкости). Резонансные перенапряжения имеют большую длительность и являются опасными для изоляции электроустановок.

В сетях с изолированной нейтралью при однофазных дуговых замыканиях на землю появляются перенапряжения опасные для изоляции всей сети.

Внутренние перенапряжения имеют колебательный характер.

Все элементы электрической системы можно разбить на три группы:

1. Источники ЭДС, генераторы;

2. Элементы, способные накапливать энергию (L,C);

3. Элементы, способные потреблять энергию (активные нагрузки, сосредоточенные и распределенные сопротивления).

Колебательные свойства электрических систем, вызывающие перенапряжения, проявляются при нарушении энергетического баланса между генерируемой и потребляемой энергией. Причиной нарушения баланса может быть отключение элементов, способных поглощать энергию.

На рис.1 приведена упрощенная однофазная схема электропередачи, показывающая один из случаев возникновения перенапряжений (а) и ее схема замещения (б).

Рис. 1. Однофазная схема электрической сети (и схема ее замещения) при перенапряжениях:

L_и – индуктивность источника; L_c – индуктивность приемной системы; L_л и С_л –индуктивность и емкость линий; Z_н =R_н+ j L_н –комплексное сопротивление нагрузки.

При замкнутом выключателе В₂ емкостное сопротивление линии зашунтировано сопротивлением нагрузки Z_н , при разомкнутом выключателе В₂ (режим одностороннего питания) схема замещения превращается в колебательный контур с элементами L-C. Такой режим может осуществиться при включении ненагруженной линии выключателем В₁ (пуск передачи). При аварийных и послеаварийных коммутациях режим одностороннего питания возникает при неодновременном срабатывании выключателей на разных концах линии.

Процесс коммутации в электрической системе (включение разомкнутой линии толчком) можно разбить на несколько этапов (рис.2).

Рис.2. Стадии коммутационного процесса при включении линии толчком:

I – переходной процесс; II – установившийся режим до начала работы регулятора возбуждения генератора; III – работа регулятора возбуждения; IV – новый установившийся режим

В области I и II ЭДС не изменяется. Область I характеризуется переходным процессом (длительность t = 1–2 полупериода промышленной частоты). После затухания свободных колебаний наступает II-я стадия (область II), которая называется «установившимся» режимом. Этот режим определяется параметрами схемы и неизменной ЭДС источника. Напряжение «установившегося» режима в конце линии определяется:

;

где L=L_и+L_л/2 – индуктивность элементов схемы,

С_л – емкость линии,

E – ЭДС источника.

Для надежной работы электропередачи необходимо, чтобы перенапряжения первых 2-х стадий не превысили электрической прочности изоляции.

Будем различать перенапряжения переходного режима (коммутации) и перенапряжения установившегося режима (длительные).

При любой коммутации максимальные напряжения переходного процесса представляются в следующем виде :

U_макс=к_уд*U_уст=к_уд*к_уст*U_ф=к_п*Uф;

где к_уд – отношение максимального значения составляющей напряжения переходного процесса к вынужденной составляющей (ударный коэффициент);

к_уст– отношение вынужденной составляющей к рабочему напряжению.

к_п – кратность внутренних перенапряжений (табл. 1).

Таблица 1. Допустимые кратности коммутационных перенапряжений

Параметры	Режимы нейтрали
	Изолированные			Заземленные
Uном,кв, кВ	3-10	15-20	35	110-220	330	500	750
Uмакс.раб./Uном	1,15	1,15	1,15	1,15	1,1	1,05	1,05
кп	4,5	4	3,5	3	2,7	2,5	2,1

На величину к_уд оказывает влияние следующие факторы:

- частоты и декременты затухания свободных колебаний, которые определяются параметрами схемы ;

- характеристики выключателей, которые осуществляют коммутации.

Допустимые кратности внутренних перенапряжений по отношению к U_{макс.раб}. не должны превышать определенных величин , приведенных в табл.1.

Кратности коммутационных перенапряжений в установках до 220кВ не превышает значений, приведенных в табл.1. В установках 330 кВ выше возможны коммутационные перенапряжения 3U_ф. Для ограничения внутренних перенапряжений используются комбинированные разрядники типа РВМК и ограничители перенапряжения ОПН.