ИЭ (13.03.02) / Лекции / Текст / Лекция 2_2

Лекция 2_1

Слайд 6.

В процессе работы энергосистемы всегда возникает необходимость производить видоизменения схем (ремонты, включение и отключение отдельных линий ). Каждое такое изменение сопровождается коммутацией, при которой неизбежно возникает переходный процесс, который может приводить к появлению перенапряжений.

Рассмотрим простейшую модель такого процесса, вызываемого включение ненагруженной лини. В представленной на рисунке схеме C – суммарная емкость включаемой фазы линии относительно земли, L- ее индуктивность, активное сопротивление R – введено для учета потерь в линии. Фактически задача сводится к хорошо изученному в курсе ТОЭ переходному процессу в R-L-C контуре, включаемом на синусоидальную ЭДС.

Слайд_7.

В большинстве случаев, когда линии имеет длину порядка 200-300 км, полная емкость и индуктивность линии относительно невелики, так что собственная частота колебаний данного контура существенно превосходит частоту вынужденной составляющей (промышленная частота). Поэтому мы можем считать, что включение происходит при постоянном значении питающей ЭДС, равным мгновенному значению ЭДС источникаE, соответствующему выбранному моменту включения.Оценки предельных значений кратности перенапряжения для рассматриваемого случая нетрудно сделать, предположив отсутствие потерь в линии, когда затухание равно нулю. При этом наиболее опасный момент включения соответствует, косинусу, стоящему в правой части выражения, равному минус 1. Отсюда имеем простую формулу для оценки, из которой следует, что если линия к моменту включения оказалась заряженной, то максимально достижимая кратность перенапряжения равна 3. В случае незаряженной линии максимальная кратность равна 2. Оба случая представлены на слайде расчетными осциллограммами.

Слайд 8.

В более общем случае, когда собственная частота контура, становится сравнимой с частотой вынужденной составляющей. Максимум напряжения может иметь место не в течение первого , а последующих полупериодов. При этом сближение указанных частот, как мы видели ранее, становится причиной резонансных явлений, и квазистационарных перенапряжений. Поэтому формула для итоговой кратности принимает вид, показанный на данном слайде. При этом составляющая кратности перенапряжения

вызванного переходным процессом зависит от момента включения и параметров сети, в то время как квазистационарная компонента V только от соотношения ω/ω0.

Слайд 9.

Величину кратности перенапряжения, создаваемого переходной составляющей формируют в частности погонные емкость и индуктивность, а также длина и тип линии, параметры источника, например трансформатора. Сочетание данных условий может быть различным чаще всего указанные параметры определяются со статистической погрешностью. Например, невозможно считать полностью детерминированным фазу включения линии. Выключатели снабжаются электронными устройствами управления моментом включения, однакомежконтактный промежуток выключателя может быть пробит еще до их замыкания, как показано на рисунке. При этом момент пробоя промежутка зависит от скорости сближения контактов, которая у зависит от типа выключателей. Также на это явление оказывает влияние состояние поверхности контактов. Отмеченные обстоятельства в известной мере ограничивают возможности расчетных методов. Экспериментальное обследование большого числа линий позволяет установить статистические закономерности для величины кратности перенапряжения.

Слайд 10.

По результатам таких исследований была получена аппроксимация вероятности возникновения коэффициента коммутационных перенапряжений с помощью нормального (Гауссового) распределения, представленного данной формулой. При этом параметры этого распределения среднеквадратичное отклонение и среднее значение коэффициента перенапряжения. Последнее составляет величину менее 2.

Справедливость данного закона распределения подтверждается для линий, у которых ω<1.6ω0

Значение квазистацонарного множителя Vнаходится в пределах 1.04-1.15.

Слайд 12.

Мерами по ограничению квазистационарной компоненты коммутационного перенапряжения является разбиение линии на относительно короткие участки 200-300 км, с установкой в местах стыка устройств поддержания нормального уровня напряжения, например шунтирующих реакторов.

Применение трансформаторов с достаточной глубиной регулировки коэффициента трансформации, синхронных компенсаторов.

Мерами , направленными на ослабление переходной составляющей, являются выключатели с шунтирующими сопротивлениями.

Синхронное включение выключателей с выбором оптимального момента включения.

Включение резистора в нейтраль группы ШР, для повышения затухания переходного процесса

Применение нелинейных ограничителей перенаряжений, рассеивающих энергию, запасенную в реактивных элементах сети в процессе переходного процесса.

Слайд 13.

Принцип работы выключателя с шунтирующими сопротивлениями состоит в двухэтапном процессе включения. Сначала срабатывает контактный промежуток 1 и линия подключается к источнику через большое сопротивление, эффективно подавляющее переходный процесс. Далее с задержкой 1- 20 мс замыкается промежуток 2. Переходный процесс второго этапа может быть выражен весьма незначительно при правильном подборе величины шунтирующего сопротивления R=2Zw. С учетов вероятности включения линии с КЗ шунтирующий резистор должен обладать достаточной термической стойкостью

Синхронное включение линии. Используется следящая микропроцессорная система, которая с упреждением на время подвода контактов выключателя выдает управляющий сигнал срабатывания выключателя в оптимальный момент, при котором коэффициент переходной составляющей перенапряжения будет минимален. Фактически данная система управляет фазой включения ψе .

Ограничители перенапряжений позволят снизить коэффициент перенапряжения до 1.6. Однако достижение такой глубины ограничения предъявляет достаточно жесткие требования к ОПН при работе под наибольшем рабочем напряжении.

В РФ применяются для линий 330 кВ -750 кВ применяется секционирование (300 км), ШР, комбинированные (грозовые и коммутационные) разрядники. Для линий 1150 кВ шунтирующие резисторы в выключателях, «синхронное включение»

За рубежом выключатели с шунтирующими резисторами применяют для линий, начиная со 110 кВ.

Слайд 14.

Отключение не нагруженной линии может привести к значительным перенапряжениям. Главная опасность – повторные пробои межконтактного промежутка в процессе разведения контактов. В этом случае емкость линии будет перезаряжаться в колебательном переходном процессе. При этом, как показано на стилизованной осциллограмме, при погасании дуги заряд линии может увеличиться на величину амплитуды напряжения генератора. В дальнейшем такой процесс может повториться, каждый раз увеличивая напряжение на линии. Неблагоприятные начальные условия при повторных зажиганиях дуги складываюся вследствие весьма медленного (десятки секунд) процесса стекания заряда с емкости линии благодаря высокому сопротивлению утечки ее изоляторов.

Для количественной оценки описанного явления перенапряжения при повторных зажиганиях дуги, можно применить приведенную ранее формулу. Используя средневзвешенную оценку ударного коэффициента, найдем перенапряжения для моментов повторного зажигания t3 и t4. Соответствующие кратности составят 2.6 и 3.3. Дальнейшие повторные зажигания, очевидно, будут кратно увеличивать напряжение на линии. Реально процесс повторных пробоев имеет статистический разброс и картина не выглядит столь катастрофической, как приведено в данном рассуждении.

Однако некоторые типы маслянных выключателей допускают в процесс отключения до 10-15 повторных зажиганий дуги, а это увеличивает вероятность появления опасных перенапряжений.

Слайд 15.

Здесь приведены результаты компьютерной симуляции переходного процесса при отключении линии длиной 100 км, выполненной с помощью ПО МатлабСимулинк. При этом один повторный пробой создает кратность порядка 2.

Современные выключатели, например, отечественные воздушные (ВВБ) и элегазовые обеспечивают отсутствие повторных зажиганий дуги и с перенапряжениями данного вида при их использовании можно не считаться.

Приведенные временные зависимости восстанавливающейся электрической прочности иллюстрируют описанное преимущество воздушных выключателей над масляными. Масляные выключатели имеют более низкую

скорость расхождения контактов и, следовательно, скорость увеличения электрической прочности у них ниже, чем у воздушных.

Радикальным методом борьбы с данным видом перенапряжений является применение современных выключателей без повторных зажиганий дуги. В противном случае следует предпринять одну из мер, обеспечивающщую эффективное стекание заряда с линии: вынос на линию измерительного электромагнитного трансформатора напряжения, подключение шунтирующего реактора; применение разрядников или ОПН с повышенным ресурсом, обеспечивающим многократную коммутацию перенапряжений.

Аналогичные рассмотренным перенапряжения возникают при отключении батарей конденсаторов поперечной компенсации и шин подстанций.

Слайд 16.

Внекоторых случаях коммутации линий производятся совместно с присоединенными к ней силовыми трансформаторами. К таким схемам относятся приведенные на рисунке блочные, полублочные и схемы с присоединением в промежуточных точках трансформатора без выключателя.

Вотличие от реактора, ненагруженный трансформатор при протекании значительных токов входит в насыщение, что увеличивает затухание и ограничивает коммутационное перенапряжение. Вместе с тем переход

магнитных сердечников режим насыщения увеличивает вероятность возникновения феррорезонанса. Расчеты и полевые испытания показывают, что феррорезонансные процессы при трехфазном включении линии с трансформатором возникают в линиях превосходящих по длине 200-300 км.

Слайд 17.

Коммутации автоматического повторного включения линии происходят реже, чем плановые включения, но могут сопровождаться более высокими перенапряжениями, т.к. за время короткой бестоковой паузы остаточный заряд линии практически сохраняется. Для описания переходного процесса на дальнем конце линии можно использовать приведенные ранее формулы.

При этом картина принципиально не отличается от случая повторного зажигания дуги в выключателе. Средние значения коэффициентов перенапряжений пр АПВ не отличаются от случая плановых включений и при использовании воздушного выключателя не превосходят 1.8.

Приведенная здесь таблица статистически обработанных данных о перенапряжения при АПВ. Показывает, что при наблюдении в течение 20 лет, максимальные перенапряжения данного типа достигали кратности, превышающей 3. Повышенные кратности в случае масляных выключателей

связаны, очевидно, с повторными зажиганиями дуги на стадии отключения АПВ.

Слайд 18.

Для борьбы с перенапряжениями данного вида применяют те же методы, что для рассмотренных выше перенапряжений при плановых коммутациях – обеспечение эффективного стекания заряда с линии, ограничение вынужденной составляющей, разрядники и ограничители перенапряжений.

Слайд 19.

Здесь приведена расчетная осциллорамма переходного процесса про АПВ линии длиной 200 км, полученной с помощью ПО МатлабСимулинк. Моделировался случай короткого замыкания в середине линии x=100 км. Осциллограмма демонстрирует, как наличие высокочастотной переходной составляющей, так и квазистационарного процесса на основной частоте. Полученная в данном примере кратность при вариации длительности бестоковойпаузы в интервале 0.055-0.08 с, составило максимально 3.

Слайд 20.

Коммутационные перенапряжения на линиях могут возникать при отключениикоротких замыканий и при разрыве электропередачи в случае потери синхронизма. Анализ этих процессов можно провести методом наложения, рассматривая напряжение на линии, как сумму стационарного режима короткого замыкания и переходного процесса включения в точке короткого замыкания эквивалентного генератора тока, направленного на встречу тока КЗ. В сетях 110 кВ (глухо заземленная нейтраль) и выше наиболее опасен режим однофазного КЗ, когда разность между начальным и установившемся напряжение в данной точке линии максимальна. Приближенную оценку перенапряжений, возникающих при этом можно дать с помощью использованной ранее формулы . Оценим перенапряжения при предельном значении ударного коэффициента равном 2.Как мы установили ранее, амплитуда установившегося напряжения на разомкнутом конце линии не превосходит 1.3 от номинального напряжения. Начальное напряжение в случае КЗ, очевидно равно нулю. Поэтому имеем предельную оценку кратности перенапряжения 2.6.

Слайд 21.

Особым случаем является отключение короткого замыкания на линиях снабженных батареями продольной компенсации, когда батарея конденсаторов включается, как показано на рисунке в рассечку линии.

В этой схеме распределение амплитуд установившейся составляющей до и после отключения КЗ зависит от соотношения сопротивлений индуктивности линии и емкости компенсирующей батареи конденсаторов. По сравнению со случаем линии без батареи продольной компенсации, как видно из эпюры указанная разность оказывается выше, т.к. точка «нуля» напряжения смещена к середине линии. Это порождает более интенсивный переходный процесс, в котором достигаются кратности перенапряжения, значительно превышающих 3.

Для предотвращения столь высоких перенапряжений в схемах с УПК применяется автоматическое шунтирование батареи конденсаторов перед коммутацией отключения тока КЗ.