ИЭ (13.03.02) / Лекции / Текст / Лекция 2_1_text

Лекция 2_1

Слайд _1

Всякое превышение мгновенным значением напряжения на изоляции амплитуды наибольшего рабочего напряжения называется перенапряжением. В большинстве случаев перенапряжения носят кратковременный характер, поскольку возникают при быстро затухающих переходных процессах или в аварийных режимах, время которых ограничивается действие релейной защиты и автоматики. Различные виды перенапряжений могут иметь длительность от нескольких микросекунд до нескольких часов. Кратность перенапряжения – отношение максимального мгновенного напряжения к амплитуде наибольшего рабочего напряжения, является важнейшей характеристикой перенапряжений.

Слайд _2

По своей природе перенапряжения разделяются на внешние и внутренние.

Внешние перенапряжения в качестве источника имеют внешние электромагнитные воздействия, основным из которых является грозовая деятельность. Кроме того в качестве источника внешних перенапряжений может выступать электромагнитный импульс ядерного взрыва. Грозовые перенапряжения возникают в результате прямых ударов молнии в провода ЛЭП или в заземленные элементы оборудования ЛЭП и подстанций – опоры, грозотросы и т.п. В месте удара молнии наряду с перенапряжением возникаю волны напряжения, распространяющиеся по проводам и могущие, обладая высокой кратностью перенапряжения, достигать удаленные от удара объекты (подстанции, трансформаторы). Затухания волн перенапряжений относительно невелики, поэтому кратность перенапряжений, приходящих в виде волн на подстанции может быть достаточно большой. Кроме того, при ударе молнии вблизи линии благодаря индуктивным и емкостным связям проводов и канала молнии возникают индуктированные перенапряжения. Наличие канала разряда с током в результате может привести к перенапряжениям, поскольку токи молнии могут достигать сотен килоампер. Индуктированные перенапряжения менее опасны, чем вызываемые при прямом ударе молнии, поскольку связь проводов с каналом молнии только индуктивная и емкостная, но не гальваническая. Поэтому индуктированные перенапряжения наиболее опасны для сетей низкого класса напряжений 3-35 кВ, обладающие меньшим уровнем изоляции по сравнению с высоким и сверхвысоким классом.

Причиной внутренних перенапряжений являются процессы в самой сети. Квазистационарные перенапряжения могут существовать сравнительно длительные отрезки времени от секунд до часов. Они возникают при временных неблагоприятных сочетания параметров сети. В частности такие сочетания могут приводить к возникновению резонансных явлений и частности феррорезонанса при участии в режиме ферромагнитных элементов. Можно выделить следующие типы квазистационаров:

1.Режимные перенапряжения (неблагоприятные сочетания ЭДС): несимметричные К.З. на землю, перевозбуждение генераторов, разгон генераторов после внезапного сброса нагрузки

2.Резонансные перенапряжения. Возникают при приближении одной из собственных частот участка сети к частоте вынужденной составляющей, например при одностороннем питании линии электропередачи, при неполнофазных режимах линий с присоединенными реакторами или трансформаторами. Во втором случае резонанс возникает в контуре, содержащем междуфазную емкость и индуктивность реактора.

3.Феррорезонансные перенапряжения могут развиваться в контурах,

содержащих емкость и индуктивность с насыщенным магнитопроводом. Эти перенапряжения могут наблюдаться как на промышленной частоте, так и на гармониках.

Наряду с квазистационарными перенапряжениями неизбежными являются перенапряжения коммутационные, возникающие в результате переходного процесса при включении и отключении линий, в частности при отключении коротких замыканий. Сам процесс отключения не является хорошо детерминированным вследствие повторных зажиганий дуги, перекрытия изоляционных промежутков. Наиболее важными случаями коммутационных перенапряжений являются коммутация линий электропередачи, индуктивных элементов сети, конденсаторных батарей и дуговые замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью.

Слайд_3

Существует несколько основных характеристик перенапряжений, отражающих их воздействия на изоляцию сети:

Кратность перенапряжений, определенная выше

Длительность воздействия – существенная характеристика, которая наряду с кратностью определяет вероятность перекрытия изоляции

Форма кривой перенапряжения

Широта охвата сети – определяет количество изоляционных промежутков, подвергающихся воздействию перенапряжения

Слайд_4

Далее рассмотрим внутренние перенапряжения. На рисунке показана условная схема развития внутреннего перенапряжения.

I стадия – переходный процесс длительностью несколько периодов

II cтадия Условно установившееся напряжение, когда процесс установился но параметры сети не являются нормальными (это квазистационарный режим)

III –стадия. Работа регуляторов по восстановлению нормального режима сети

Слайд_5

Итак рассмотрим квазистационарные перенапряжения

Слайд_6

Емкостной эффект длинной линии электропередачи (Эффект Ферранти).

Данной явление заключается в повышении напряжения на холостом конце односторонне запитанной линии по сравнению с напряжением источника питания.

На рисунке представлена схема замещения участка линии длиной x. Схема описывается с помощью погонных параметров индуктивности L и сопротивления R, а также емкости C и проводимости утечки G. Используя их нетрудно составить уравнения для изменения комплексных амплитуд тока и напряжения вдоль линии. Комбинация этих уравнений позволяет составить уравнение относительно только тока или только напряжения, как сделано на этом слайде. Отметим, что параметры L и C определяются геометрией линии

– размером сечения и высотой подвеса линии. R определяется материалом и конструкцией сечения провода, активная проводимость утечки G

км, соответствующий коэффициент передачи напряжения ограничен величиной 1.1.

Слайд_10

Выполненный выше анализ позволил связать напряжения на выходе генератора и в конце линии, считая первое заданным. Вместе с тем индуктивное сопротивление генератора совместно с параметрами линии влияет на выходное напряжение. Причем таким образом, что оно может расти вследствие резонансных явлений. Более детальный анализ слегка видоизменяет нашу формулу, позволяя выразить напряжение на холостом конце через ЭДС генератора. Наличие дополнительного слагаемого в аргументе у косинуса, стоящего в знаменателе, приводит к более быстрому росту напряжения на приемном конце линии при увеличении ее длины.

В рамках данного анализа не учитывались активные потери в линии и возможное насыщение стали магнитопроводов индуктивных элементов. Эти факторы способствуют некоторому снижению перенапряжений от емкостного эффекта. Дополнительно можно добиться снижения перенапряжений применением шунтирующих реакторов для компенсации емкости линии.

Слайд_11

Общее решения рассмотренной задачи, учитывающее индуктивности на генераторном и приемном (ШР) конце приведены на данном слайде. Графики распределения напряжения вдоль линии при различных индуктивных сопротивления реактора X2 показывают его высокую эффективность при ограничении перенапряжений от емкостного эффекта.

Слайд_12

Рассмотрим далее перенапряжения, возникающие при несимметричном режиме работы сети. Рассмотрим однофазное замыкание на землю. Считая, что ток КЗ существенно больше тока здоровых фаз, этими токами будем пренебрегать. Для анализа используем метод симметричных составляющих. Булем принимать параметры генератора симметричными, поэтому ЭДС генератора нулевой и обратной последовательности следует принять равными нулю. Уравнения при учете равенства нулю токов здоровых фаз получат представленный на слайде вид.

Слайд_13.

Выполним показанные на слайде преобразования. В результате найдем симметричные составляющие напряжения U0, U1,U2, а далее используя стандартную формулу, находим напряжение на здоровой фазе B.и Кратность перенапряжения K.

Слайд_14.

Слегка упростим выражение для кратности, пренебрегая активными компонентами симметричных составляющих сопротивления источника. Формулу можно записать относительно параметра – отношения X0/X1. Для большинства сетей можно принять приближенно Х1=Х2.

Поэтому кратность будет зависеть только от упомянутого параметра. График полученной зависимости показывает при больших значениях параметра

(выше 5) кратность достигает 1.5. Однако реально в сетях ВН δ<3 и

соответствующая кратность имеет значение 1.25. Анализ двухфазных КЗ показывает, что для реальных случаев K<1.29

Слайд_15

Длительность квазистационарного режима определяется временем регулировки сети для приведения к норме. Другим несимметричным режимом наряду с КЗ является режим, создаваемый несимметричной коммутацией линии. Который здесь и рассмотрим.

Схема подключения шин трансформаторной подстанции к линии электропередачи приведена на рис. а. Здесь в качестве примера рассмотрен случай, когда выключатель В1 отключен, в то время как остальные фазы находятся под напряжением. Рисунки б)- д) показывают преобразование схемы к расчетной модели. Стационарный режим данной схемы рассчитан численно с помощью одной из стандартных программ расчета цепей. Из расчетной кривой видно появление третьей гармоники, и схема находится вблизи точки резонанса, поэтому в цепи появляется перенапряжение. Напряжение - превосходит напряжение источника.

Анализ токов и напряжений в цепи позволяет получить приведенную на слайде приближенную формулу, в знаменателе которой стоит разность квадратов резонансной частоты и частоты источника. Поэтому при неудачном сочетании параметров, когда указанная разность стремится к

Феррорезонансные перенапряжения.

Для возникновения феррорезонансных перенапряжений должны быть выполнены два условия:

-наличие индуктивных элементов с насыщающимся ферромагнинтным сердечником

-емкостной характер сети по отношению к зажимам этих индуктивностей

Классическая схема возникновения феррорезонанса показана на рис. слайда 21. Указанные выше условия возникновения явления в принципе позволяют свести задачу к рассмотрению LC – контура с источником питания, причем индуктивность L содержит ферромагнитный сердечник, при насыщении которого индуктивность уменьшается. Поэтому зависимость падения напряжения на индуктивности является нелинейной. При малых токах наклон кривой этой зависимости большой, как показано на рисунке, а с ростом тока наклон кривой значительно уменьшается. При графическом решении следует найти такие точки на оси тока, в которых разность падений напряжения на индуктивности и емкости будет равна ЭДС, включенной в контур (горизонтальная линия). На рисунке видно два устойчивых решения. Первое при относительно малом токе соответствует нормальному режиму работы сети. Второе приходится на область больших напряжений, существенно превосходящих ЭДС источника. Это состояние соответствует феррорезонансному режиму. Объектом воздействия перенапряжений в данном случае является индуктивный элемент. В реальной сети это может быть , например, обмотка трансформатора.

Слайд 22.

Практически условия возникновения феррорезонансных перенапряжений возникают в несимметричных режимах сети, когда режимы отдельных фаз могут существенно отклоняться от номинального. Рассмотрим в качестве примера случай обрыва и падения провода в сети с изолированной нейтралью. Схема состоит из трехфазного источника напряжения, проводов сети и трехфазного индуктивного приемника (трансформатора). При упрощении схемы сети следует принять во внимание емкости фаз на землю и междуфазные емкости, играющие важнейшую роль в возникновении резонансных процессов. При преобразованиях треугольник междуфазных емкостей преобразуем в звезду

Слайд 24

Дальнейшее упрощение схемы позволяет получить более простой ее вариант, в котором фигурируют насыщающиеся индуктивности фаз трансформатора Lт . Перенапряжения возникают в результате прохождения тока через емкость C0 , последовательно соединенной с индуктивностью 1.5Lт. Графические построения, аналогичные предыдущим, показывают возникновение феррорезонансных перенапряжений в случае, если в сети преобладает емкостной режим. Причем кратность этих перенапряжений может быть весьма большой, в нашем примере около 3.

Основная организационная мера борьбы с феррорезонансом – избегать несимметричных режимов.