45. Коммутационные перенапряжения. Дуговые перенапряжения в сетях 3–35 кВ. Модель Белякова. Применение дгр (катушка Петерсена).

Дуговые перенапряжения в сетях 3–35 кВ

Причина данного вида перенапряжений – однофазные замыкания на землю, сопровождающиеся неустойчивым горением дуги

В сетях 3–35 кВ, работающих с изолированной или заземлённой через дугогасящей реактор нейтралью, причиной внутренних перенапряжений могут быть однофазные замыкание на землю, сопровождающиеся неустойчивым горением дуги.

Схема замещения сети содержит источник трёхфазной ЭДС нагруженной трёхфазной сетью, замещённой фазными ёмкостями на землю и междуфазными ёмкостями. Токи нагрузки, циркулирующие в контурах, не оказывает существенного влияния на исследуемые здесь процессы. Поэтому все трансформаторы, подключенные к данной сети можно заменить одним эквивалентным, нагруженным полной ёмкостью сети. Кроме того, в случае кабельных сетей с пофазной экранировкой жил межфазные ёмкости в схеме замещения отсутствуют.

Эквивалентная схема для воздушной линии с изолированной нейтралью

Сф – фазная ёмкость относительно земли; Смф – междуфазная ёмкость;

Lг, Rг – генераторные; Lн, Rн – нагрузочные

Эквивалентная схема для кабельной сети с изолированной нейтралью

Зажигание дуги

В представленной выше схеме перенапряжения на фазных ёмкостях складываются из трех составляющих: 1) напряжения промышленной частоты, обеспечиваемое источниками питания; 2) постоянной составляющей, вызванной при потере симметрии заряда фаз; 3) переходной составляющей процесса перезаряда фазной ёмкости при внезапных изменениях сети, вызванных зажиганием или погасанием дуги.

П ервое зажигание дуги в повреждённой фазе может возникнуть в любой момент, однако наиболее вероятно зажигание дуги в момент максимума напряжения. Гашение дуги возможно при переходе полного тока (вынужденная + переходная составляющие) через нуль. После гашения дуги напряжение на дуговом промежутке восстанавливается в соответствии с развитием переходного процесса. При достижении восстанавливающегося напряжением напряжения пробоя дугового промежутка дуга зажигается вновь. Частота свободных колебаний, возникающих при размыкании и замыкании неповреждённой фазы существенно выше частоты ЭДС питающей сети:

Поэтому, как это делали ранее, можем воспользоваться упрощённой формулой:

Ударный коэффициент

Значения ударного коэффициента для различных сетей приведены в таблице. Верхнюю оценку для переходной составляющей получаем в предельном случае, когда начальное напряжение равно максимальному с противоположным знаком. Имеем максимум равный двум амплитудам фазного напряжения.

П огасание дуги

После погасания дуги , поскольку предшествовавший процесс вызвал несимметрию сети. Поэтому на нейтрали останется некоторая постоянная составляющая, в соответствии с этим изменятся параметры установившегося режима по сравнению с начальным.

Поскольку это изменение внезапно, то возникнет переходный процесс, описываемый стандартными выражениями, в соответствии с которыми начнут меняться напряжения на повреждённой фазах.

Из этих выражений видно, что величина перенапряжения определяется начальным условием .

(порождает переходный процесс)

Последняя определяется длительностью бестоковой паузы на повреждённой фазе. Если она достигает не менее полупериода промышленной частоты, то может достичь существенных значений и соответственно возрастает кратность.

Максимальная величина перенапряжения в момент гашения дуги

Напряжение пика гашения дуги

Таким образом, величина пика гашения и определяет напряжение смещения нейтрали.

Модель Н.Н. Белякова

Процесс развития дуговых перенапряжений зависит от многих случайных факторов, поэтому большое значение приобретают масштабные экспериментальные исследования. Н. Н. Беляковым были обобщены результаты таких исследований, при этом были получены следующие выводы:

1) Дуга гаснет при каждом переходе суммарного (установившаяся и переходная составляющие) тока через 0.

2) Возникающий при этом пик гашения вызывает зажигание дуги по прошествии половины периода промышленной частоты (0.01 с).

3) При пике гашения (для сетей 3–10 кВ) ниже 0.4·U_ном дуга не возобновляется.

Исходя из вывода 3) находим предельное напряжение смещения нейтрали 1.2·Uном. Этому соответствует предельная кратность K=3.8. Реально измеренный уровень дуговых перенапряжений 3.2–3.5 Выводы теории Н. Н. Белякова в общем подтверждаются результатами полевых измерений в сетях. В частности, в воздушных сетях с изолированной нейтралью предельные величины зарегистрированных перенапряжений составляют 3,5Uф, а в кабельных ‒3,3Uф

Применение дугогасящего реактора (катушка Петерсена)

С истемной мерой борьбы с дуговыми перенапряжениями является катушка Петерсена – реактор, включаемый в нейтраль трансформатора, настроенный в резонанс с ёмкостью сети.

Замедляет рост напряжения на дуговом промежутке и существенно снижает вероятность повторных зажиганий дуги. Кратность перенапряжений соответствует единичному зажиганию дуги.