книги из ГПНТБ / Мельников, Н. А. Проектирование электрической части воздушных линий электропередачи 330-500 кВ

значению фазного напряжения системы, существовавшего не­ посредственно перед коммутацией:

определить величину рабочего напряжения непосредственно пе­ ред коммутацией, то амплитудное значение коммутационных перенапряжений следует относить к амплитудному значению наибольшего рабочего напряжения линии.

Во время исследований или расчетов всегда можно найти такие сочетания параметров переходного процесса в дальней электропередаче, при которых коммутационные перенапряже­ ния достигают значений, опасных для изоляции оборудования. Однако в реальных условиях эксплуатации по мере того, как электрическая система приближается к расчетному уровню раз­ вития, возникновение опасных для изоляции коммутационных перенапряжений становится все менее и менее вероятным.

Для сравнительной характеристики переходных процессов в электросетях с различными номинальными напряжениями и другими параметрами используется понятие «расчетная крат­ ность внутренних перенапряжений», соответствующая такому уровню перенапряжений, вероятность превышения которого при правильно выбранных уровнях изоляции и защитных меропри­ ятиях достаточно мала.

Расчетные кратности характеризуют только амплитуду пере­ напряжений. В то же время, как это показано в гл. 7, форма волны также оказывает значительное влияние на поведение изо­ ляции при коммутационных перенапряжениях, продолжающих­ ся в течение нескольких периодов промышленной частоты.

При анализе явлений, связанных с возникновением внутрен­ них перенапряжений, необходимо учитывать, что одинаковые переходные процессы, происходящие при одних и тех же ком­ мутациях, каждый раз протекают различным образом в зависи­ мости от индивидуальных особенностей той или иной конструк­ ции выключателя, его системы управления и метеорологических условий вдоль трассы линии. Кроме того, режимы работы элек­ трической системы, а следовательно, схемы и параметры элек­ тросетей в течение года изменяются из-за различных величин передаваемых по линиям мощностей, плановых и аварийных ре­ монтов. Изменяются также моменты включения и отключения выключателей, э. д. с. генераторов и начальное распределение токов и напряжений. Поэтому для правильной характеристики рассматриваемых переходных процессов всегда необходимо учи­ тывать статистический характер внутренних перенапряжений.

245

Одновременно с аналитическими расчетами проводились ис­ следования на моделях и измерения на действующих линиях электропередачи. Результаты этих работ позволили получить за­ конченное представление о физических процессах и дают воз­ можность с необходимой для практики степенью точности про­ гнозировать вероятность появления и возможные кратности внутренних перенапряжений при различных схемах и парамет­ рах линий сверхвысокого напряжения и примыкающих к ним электросетей.

Вотличие от электросетей ПО и 220 кВ дальние электропе­ редачи сверхвысокого напряжения с точки зрения возникнове­ ния и развития внутренних перенапряжений имеют свои особен­ ности, обусловленные на первом этапе их развития большей длиной участков линий между подстанциями, применением рас­ щепленных проводов, уменьшающих волновое сопротивление линии, и повышенными токами намагничивания трансформа­ торов и автотрансформаторов.

Вэлектропередачах сверхвысокого напряжения не предус­ матриваются мероприятия для снижения токов однофазного ко­ роткого замыкания и применяется глухое заземление нейтрали не только автотрансформаторов, но и всех повысительных транс­ форматоров, что позволяет в наибольшей степени ограничить возможные в аварийных режимах повышения напряжения на неповрежденных фазах. Кроме перечисленных особенностей,

также учитывать наличие шунтирующих реакторов и в отдель­ ных случаях установок продольной компенсации.

В большинстве случаев для линий электропередачи 330 кВ характерны сравнительно небольшие длины участков и отсутст­ вие в связи с этим шунтирующих реакторов. Поэтому с точки зрения защиты от внутренних перенапряжений сети 220 и 330 кВ практически не отличаются. Результаты исследований, учиты­ вающие специфические особенности дальних электропередач, показали, что на первом этапе эксплуатации линий 500—750 кВ амплитуда коммутационных перенапряжений может превысить (2,l-f-2,5) t/ф, т. е. величины, которые приняты в качестве ис­ ходных при выборе испытательных напряжений электрических аппаратов и трансформаторов. В связи с этим были разработа­ ны различные защитные мероприятия и устройства, назначени­ ем которых являлось ограничение действующих на изоляцию коммутационных перенапряжений до (2,1н-2,5) t/ф.

Последующее строительство линий электропередачи 500 кВ в различных районах Советского Союза, кроме решения основ­ ной энергетической задачи, также значительно облегчило и уп­ ростило разработку мероприятий по защите от внутренних пере­ напряжений электропередач этой категории. Ниже этот вопрос рассматривается подробно.

246

10-2 ДЛИТЕЛЬНЫЕ ПОВЫШЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ

Общая характеристика. На линиях электропередачи сверх­ высокого напряжения, для которых характерны большие заряд­ ные токи, при неблагоприятном сочетании параметров в случае близости или совпадения частоты собственных колебаний элек­ трической цепи с частотой источника напряжения возникают ре­ зонансные явления, сопровождающиеся длительным установив­ шимся повышением напряжения, иногда опасным для изоляции аппаратов и трансформаторов. Наиболее вероятно возникнове­ ние длительных повышений напряжения в симметричных и не­ симметричных режимах работы длинной линии при условиях, приближающихся к резонансу на промышленной частоте. Кро­ ме того, при определенных соотношениях реактивного сопротив­ ления синхронных машин и емкостного сопротивления линии в симметричных режимах возникает самовозбуждение, в резуль­ тате которого самопроизвольно повышается напряжение во всех точках электросети.

При наличии в рассматриваемой схеме насыщенных магнитопроводов трансформаторов или шунтирующих реакторов воз­ можно появление в симметричном режиме работы длинной ли­ нии длительных повышений напряжения при резонансе на высших или низших гармониках так называемых феррорезонансных перенапряжений.

Для исключения возможности появления резонанса на выс­ ших гармонических в несимметричных режимах в настоящее время в СССР все генераторы и синхронные компенсаторы из­ готовляются с полными демпферными обмотками в продольной и поперечной осях ротора.

На однородной длинной линии с распределенными парамет­ рами постоянно происходит колебательный процесс, который при резонансных или близких к ним условиях может привести

к генерирующему источнику и приемной системе. Анализ режи­ мов работы дальних передач показал, что напряжение вдоль длинной линии при постоянных напряжениях по ее концам из­ меняется в зависимости от величины передаваемой мощности. В наиболее распространенном случае, когда передаваемая мощ­ ность меньше натуральной, напряжение в середине линии по­ вышается. Как правило, опасные для изоляции длительные по­ вышения напряжения регистрируются только в режимах одно­ стороннего питания и могут наблюдаться, например, во время

247

синхронизации в случае приближения к резонансу, который на­ ступает между емкостью и индуктивностью разомкнутой линии. Этот режим возникает через 0,1—0,2 с после включения, когда практически заканчивается переходной процесс и затухают то­ ки в демпферных обмотках и апериодические токи в цепях ста­ торов.

Режим одностороннего питания всегда существует во время синхронизации, а также может появиться и неожиданно для эксплуатационного персонала, если при включении или отключе­ нии линии произойдет отказ выключателя или основной релей­ ной защиты. В режиме одностороннего питания при сбросе на­ грузки вследствие отключения линии у приемного конца уста­ новившиеся повышения напряжения могут достигать наиболее высоких значений. Это объясняется тем, что в нагрузочном ре­ жиме работы электропередачи начальное значение э.д. с. пита­ ющей системы, как правило, больше, чем при холостом ходе перед включением линии, и, следовательно, резонансные повы­ шения напряжения будут соответственно выше.

При разрыве передачи условия, наиболее близкие к резонанс­ ным, создаются при небольшом числе включенных генерато­ ров. В этом случае приведенное индуктивное сопротивление ис­ точника питания приближается к значению емкостного входного сопротивления длинной линии. Следовательно, чем меньше мощ­ ность питающей системы, тем больше возможные повышения напряжения.

В процессе описанных выше коммутационных операций при однофазных или двухфазных коротких замыканиях, а также вследствие разброса во времени действия выключателей отдель­ ных фаз могут возникать несимметричные режимы, при которых в случае приближения к резонансным условиям напряжение на линии дополнительно возрастает и будет больше, чем в симмет­ ричном режиме с односторонним питанием.

На линиях сверхвысокого напряжения во время ОАПВ при неодновременном включении и отключении могут также возник­ нуть неполнофазные режимы. В этом случае значительные по­ вышения напряжения на отключенной фазе появляются при на­ личии присоединенных непосредственно к линии шунтирующих реакторов, когда резонансный контур образуется междуфазной емкостью линии и индуктивностью реактора. Такие же по при­ роде значительные повышения напряжения при отказе одной или двух фаз выключателя, приводящие к несимметричным включениям и отключениям, наблюдаются в блочных схемах,

вкоторых трансформатор или автотрансформатор присоединен

клинии без выключателя.

Исходные данные для расчета внутренних перенапряжений. Расчеты внутренних перенапряжений производятся для проект­ ной схемы электропередачи и уровня развития присоединенных к ней электрических систем. При составлении пусковых схем

248

дополнительно выполняются расчеты для первого этапа эксплу­ атации. .

При исследовании внутренних перенапряжений, как прави­ ло, рассматриваются следующие наиболее часто встречающиеся коммутации:

1)плановое включение и отключение линии;

2)успешное и неуспешное автоматическое повторное вклю­

чение; 3) отключение несимметричных коротких замыканий, сопро­

вождающееся разрывом электропередачи.

Расчетные схемы составляются для нескольких режимов ра­ боты электропередачи, которым соответствуют различные схемы коммутации электрических станций и подстанций и разное чис­ ло включенных линий.

С целью определения наиболее тяжелого режима в случае двухцепных линий предполагается, что до возникновения несим­ метричного короткого замыкания одна из цепей рассматривае­ мого участка была выведена в ремонт. В качестве расчетного выбирается один из наиболее длинных участков электропереда­ чи, присоединенный к слабым приемным системам с большим реактивным сопротивлением. Перенапряжения при ТАПВ рас­ считываются для одной цепи двухцепного участка в полной схе­ ме электропередачи.

На одноцепных линиях разрыв рассматривается для полной проектной схемы электропередачи. Кроме того, должна учиты­ ваться возможность вывода в ремонт соседнего участка или от­ ключения одной промежуточной подстанции, на которой был установлен только один трехфазный автотрансформатор. После выбора и составления расчетных схем выполняются электричес­ кие расчеты для режимов максимальной и минимальной нагруз­ ки электропередачи; на основании этих расчетов уточняется ко­ личество включенных генераторов, трансформаторов, шунтиру­ ющих реакторов, необходимость сооружения установок продольной компенсации, потребление приемными системами реактивной и активной мощности и коэффициенты трансформа­ ции трансформаторов и автотрансформаторов. Полученные ре­ зультаты дают возможность перейти к составлению схем заме­ щения по прямой и нулевой последовательностям проектируемой электропередачи и присоединенных к ней электрических систем для каждого из рассматриваемых режимов. Трансформаторы и шунтирующие реакторы замещаются своими реактивными соп­ ротивлениями. По принятой приближенной методике генерато­

нагрузок линий и приемных систем преобразовываются в экви­ валентные реактивные сопротивления относительно шин проек-

249

тируемой линии. Испытания подтвердили, что расчеты режима одностороннего включения могут выполняться с необходимой для решения практических задач точностью при учете энергоси­ стемы эквивалентным переходным сопротивлением.

Удельные параметры линии по прямой и нулевой последова­ тельностям рассчитываются по формулам, приведенным в При­ ложении I.

Величина эквивалентной э.д. с. определяется по реактивной мощности, стекающей в том или ином расчетном режиме в при­ емную систему или принимаемой электрической станцией.

Наличие быстродействующих релейных защит, отключаю­ щих короткое замыкание в течение 0,12—0,2 с, позволяет счи­ тать, что при всех расчетных коммутациях величины эквива­ лентных э. д. с. приемных систем остаются такими же, как и в режиме, предшествовавшем началу коммутации.

Значительные приращения переходных э. д. с. возможны при авариях, приводящих к асинхронному ходу. На электростанци­ ях с гидрогенераторами переходная э. д. с. при асинхронном хо­ де может увеличиться на 20—30%, а при наличии турбогенера­ торов примерно на 10%.

Длительные повышения напряжения при промышленной ча­ стоте. Известно, что физические свойства линии как устройства для передачи электрической энергии полностью определяются

двумя параметрами: коэффициентом распространения у и вол­

а также активное сопротивление, которое на линиях с расщеп­ ленными проводами значительно меньше индуктивного (г/дгСІ). Поэтому в формуле (10-2) можно пренебречь затуханием и учи­ тывать только коэффициент изменения фазы ß, характеризую­ щий поворот вектора напряжения при распространении волны

250

Расчет длительных повышений напряжения производится по известным из теоретической электротехники формулам, позво­ ляющим вычислить напряжение и ток в любой точке линии дли­ ной I и, в частности, в ее начале, если известны удельные пара­ метры, а также напряжение и ток в конце линии. В случае линии, не имеющей потерь, напряжение и ток могут быть рассчи­ таны следующим образом:

где Uu U2, 11, /2 — напряжения и токи в начале и в конце длин­ ной линии; ß/ — волновая (электрическая) длина линии, ß /=

= Ы Ѵ Т с .

Длительные повышения напряжения на замкнутой симмет­ ричной линии. Если напряжения в начале и в конце замкнутого с двух сторон участка равны между собой и передаваемая мощ­ ность меньше натуральной, то наибольшее повышение напряже­ ния UM на линии без потерь будет в ее середине и может быть определено по формуле, устанавливающей связь между пара­ метрами передачи и параметрами режима (напряжением, пере­ даваемой мощностью Р, и углом сдвига б между напряже­ ниями) :

У 2 cos —

Величина t/Mдостигает наибольших значений в режимах хо­ лостого хода и передачи малых мощностей, когда угол сдвига между напряжениями в начале и в конце линии равен нулю или приближается к этой величине.

Резонансные условия возникают при волновой длине линии ß/=180°, т. е. в случае линии, настроенной на полуволновую длину. На линиях длиной 1 000 км (ß/=60°) напряжение увели­ чивается только на 15%■ Поэтому в наиболее распространенных случаях, когда длина участков линии не превышает 300 км, по­ вышение напряжения в средних точках может не учитываться.

В режиме передачи натуральной мощности напряжения в се­ редине линии и по ее концам равны. В том случае, когда по линии передается мощность больше натуральной, напряжение в середине линии будет меньше, чем по ее концам.

Длительные повышения напряжения на линии с односторон­ ним питанием. Анализ режимов одностороннего включения можно производить без учета потерь активной мощности в ли­

251

нии. При одностороннем питании ток /2 в конце линии равен нулю и уравнения (10-6), (10-7) имеют следующий вид:

Из уравнений (10-60 и (10-70 можно определить входное сопротивление холостой линии, равное сопротивлению двухпо­ люсника, который нужно включить вместо линии так, чтобы ре­

жим генераторов (Üu 10 не изменился:

(10-9)

Входное сопротивление холостой линии зависит от ее пара­ метров и длины и при I -< 1 500 км имеет емкостный характер.

При замене линии входным сопротивлением длительное по­ вышение напряжения в начале линии (вынужденная составля­ ющая переходного процесса) может быть определено из соот­ ношения

Х с\ — входное сопротивление прямой последовательности пита­ ющей станции или системы; ЛвХі — входное сопротивление пря­ мой последовательности участка линии с односторонним пита­ нием.

Длительное повышение напряжения (вынужденная состав­ ляющая переходного процесса) непосредственно зависит от мощности системы, к которой примыкает разомкнутый участок линии, и от его длины I.

Если линия присоединена к системе бесконечной мощности, то полный резонанс напряжений наступает при ß/=90°, что со­ ответствует /= 1 500 км. Необходимо отметить, что в реальных условиях приближение к резонансу происходит на длинных ли­ ниях, присоединенных к маломощным приемным системам.

Отношение напряжений в различных точках линии называ­

252

ленным ранее напряжению в начале линии U\ и коэффициенту передачи

щие через индуктивные сопротивления длинной холостой линии, вызывают дополнительное падение напряжения, которое скла­ дывается с э. д. с. источника.

В схеме с односторонним питанием к концу линии может быть присоединена нагрузка. Часто нагрузка представляет со­ бой индуктивность шунтирующего реактора, находящегося в конце участка линии. Входное сопротивление участка линии с присоединенной к нему индуктивной нагрузкой Хя можно опре­ делить по формуле

где Xni — индуктивность реактора или нагрузки; Хк1— входное сопротивление линии, короткозамкнутой на конце.

При определении напряжения U2 по формуле (10-12) коэф­ фициент передачи напряжения рассчитывается по формуле

(10-15).

По приведенным формулам может быть произведен расчет длительного повышения напряжения на шинах электростанции или питающей энергосистемы в режиме одностороннего питания длинной линии с присоединенными к ней шунтирующими реак­ торами. Для решения этой задачи прежде всего необходимо определить входное сопротивление прямой последовательности для рассматриваемой схемы относительно питающих шин.

Вначале рассчитывается входное сопротивление наиболее удаленного участка от разомкнутого конца до точки, в которой присоединены шунтирующие реакторы, и складывается парал­ лельно с реактивным сопротивлением реактора. Полученная ве­ личина рассматривается как реактивная нагрузка для следую­ щего участка. Эти операции по свертыванию схемы продолжа­ ются до тех пор, пока не будет рассчитано входное сопротивле­ ние всей линии относительно шин станции или питающей системы, которое после этого складывается параллельно с реак­

253

тивным сопротивлением реакторов, присоединенных к началу линии. После этого при известных эквивалентных э. д. с. и вход­ ном сопротивлении питающей станции или системы определяет­ ся длительное повышение напряжения в начале линии.

С помощью коэффициентов передачи можно рассчитать величину длительного повышения напряжения в любой точке линии.

Длительные повышения напряжения на линии с односторон­ ним питанием при несимметричном коротком замыкании. Рас­ чет повышения напряжения на неповрежденных фазах произво­ дится методом симметричных составляющих. Как обычно пред­ полагается, что входные сопротивления прямой и обратной последовательностей равны между собой.

В случае однофазного короткого замыкания на фазе А дли­ тельное повышение напряжения на неповрежденных фазах В и

вслучае двухфазного короткого замыкания на землю фаз В и

Снапряжение на неповрежденной фазе А

Uak Ua 2X0 + X1 '

где Uа — фазное напряжение в нормальном режиме в месте короткого замыкания до его возникновения; Х\, Хо — входные сопротивления схемы относительно точки короткого замыкания по прямой и нулевой последовательностям.

Напряжение на поврежденной и неповрежденной фазах в точке б, удаленной от места короткого замыкания (точка а), может быть определено по следующим формулам.

Короткое замыкание на фазе А

254