44. Коммутационные перенапряжения. Перенапряжения при отключении малых индуктивных токов.

Коммутации в сети, сопровождающие оперативное изменение схемы или возникновение аварии, вызывают переходные процессы, в которых напряжения превосходят амплитуду наибольшего рабочего напряжения. Такие повышения напряжения называются коммутационными перенапряжениями.

Перенапряжения, возникающие при отключениях малых индуктивных токов, обусловлены тем, что при некоторых условиях ток в такой цепи обрывается раньше естественного прохождения через нулевое значение. Разрыв контура, содержащего индуктивность, при значении тока i₀, отличного от нуля, должен сопровождаться преобразованием этой энергии в другие виды, в частности, в энергию электрического поля. Этим объясняется возникновение перенапряжений на индуктивных элементах сети при их отключении.

Такая ситуация, например, возникает при отключении ненагруженного трансформатора (рис. 7.1, а). Простейшая расчётная схема в этом случае приведена на рис. 7.1, б. В таких схемах обрыв тока намагничивания трансформатора происходит при некотором его значения i₀ (рис. 7.2, а). Это явление получило название среза тока, а ток i₀ — тока среза.

Ток среза i₀ зависит от многих факторов, в первую очередь, от характеристик дугогашения выключателя. Срез тока осуществляют практически все типы выключателей. Может оказаться, что при небольших значениях протекающего через выключатель тока срез тока наступает в момент его максимума. Поэтому в области малых токов ток среза практически про­порционален амплитуде тока. Затем при увеличении протекаю­щего тока (рис. 7.2, б) наступает стабилизация, которая оп­ределяется конкретным типом выключателя. При больших токах через выключатель явление среза не наблюдается из-за образования сильно ионизированного дугового канала.

ёмкость С в расчётной схеме обычно включает в себя входную ёмкость трансформатора и суммарную ёмкость участка ошиновки от трансформатора до выключателя. Индуктивность L расчётной схемы моделирует индуктивность ненагруженного трансформатора (индуктивность намагничивания, которая может составлять десятки или сотни генри), проводимость G моделирует потери в стали трансформатора.

Ток, протекающий через замкнутые контакты выключателя, в первом приближении равен току в индуктивности трансформатора или реактора. После обрыва тока в выключателе ток в индуктивности i_L, который не может мгновенно измениться, замыкается через эквивалентную ёмкость C. Возникает колебатель­ный процесс, частота которого определяется индуктивностью L, ёмкостью С и потерями в контуре.

Пусть в момент обрыва (среза) тока он равен i₀. Напря­жение на ёмкости С в этот момент времени равно u₀. Энергия, запасённая в контуре, равна сумме энергии в индуктивности Li₀²/2 и энергии в ёмкости Сu₀²/2. В контуре возникнут колебания с амплитудой напряжения на ёмкости, определяемой балансом энергии (при пренебрежении затуханием колебаний, возникших в отключенном контуре):

Напряжение, определяемое по (7.1.1), может достигать очень больших значений. Реальные же напряжения ограничены пробоем межконтактного промежутка.

Процесс повторных пробоев в выключателе в упрощённом виде представлен на рис. 7.3.

Первый срез тока происходит в момент времени t₀, что вызывает рост напряжения на ёмко­сти С в соответствии с выражением:

На рис. 7.3 штриховыми линиями показан процесс восстановления электрической прочности межконтактного промежутка выключателя, если бы дуга погасла в момент t_Н. В моменты срезов тока (t₀ и далее) вследствие интенсивного распада столба дуги прочность промежутка быстро возрастает до значения, отвечающего кривой u_эл.пр(t). Повторный пробой наступит, когда напряжение на контактах выключателя u(t) пересечётся с кривой u_эл.пр(t). Поскольку u(t)= u_С (t) - e(t), то момент пробоя можно определить как точку пересечения перенапряжений, возникающих на ёмкости, с кривой u_эл.пр(t) + e(t). После пробоя напряжение между контактами выключателя падает до нуля, а напряжение на ёмкости становится равным ЭДС. Ток катушки начинает замыкаться через источник ЭДС, и в выключателе снова начинается дугогасительный процесс.

Поэтому спустя небольшое время происходит новый срез тока, но уже при меньшем значении, чем t₀. Вследствие этого и ожи­даемое напряжение оказывается меньше. Тем не менее оно достаточно велико, что сопровождается новым повторным пробоем и зажиганием дуги в выключателе. Процесс длится до тех пор, пока постепенно уменьшающиеся максимальные на­пряжения на контактах не сделаются меньше восстанавливающейся прочности межконтактного промежутка выключателя.

Необходимо учесть, что L = L_ - индуктивность намагничивания.

При учёте нелинейной зависимости величины индуктивности L_μ от тока i_μ запас магнитной энергии в обмотке трансформа­тора оказывается существенно меньше, чем даёт выражение W_μ, (первое уравнение, использованное при выводе уравнения (7.1.1)). Соответственно ниже оказываются и значения перенапряжений на отключаемой индуктивности U_mаx.

Эти формулы есть в презентации, но не поясняются, а в учебнике этих формул вроде как нет вообще.

Максимальные перенапряжения, наблюдавшиеся в опытах но отключению трансформаторов с глухозаземленной нейтралью, составили 4,3U_ф.m для трансформаторов 110-220 кВ и 2,75U_ф.m для трансформаторов 330—410 кВ.