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

вается присоединенной к источнику питания с одной стороны. При этом аналогично установившемуся режиму на открытом конце линии перенапряжения будут выше, чем в начале. Во всех других аварийных режимах, когда связь линии электропередачи с передающими и приемными системами на обоих концах сохра­ няется, коммутационные перенапряжения характеризуются весьма умеренными величинами и с точки зрения выбора уров­ ней изоляции не имеют практического значения.

Плановые включения и отключения линии электропередачи. В начальный момент напряжение на незаряженной линии равно нулю. После включения толчком начинается колебательный процесс перехода к новому установившемуся режиму повышен­ ного напряжения на линии с односторонним питанием.

Расчеты коммутационных перенапряжений, возникающих при включении, производятся по изложенной выше методике для участка линии длиной I и волновым сопротивлением z c. В соот­ ветствии с реальными условиями принимается, что включение линии производится через эквивалентное реактивное сопротив­ ление к источнику синусоидального напряжения. Амплитуда коммутационных перенапряжений зависит от двух основных па­ раметров: отношения собственной частоты колебательного кон­ тура к частоте установившегося переменного тока и от момента коммутации, определяемого начальной разностью фаз ф между приложенным напряжением и установившимся током.

Сдвиг между приложенным напряжением и установившимся током является случайной величиной, которая зависит от момен­

та включения каждой фазы. Наиболее часто включение проис­ ходит в момент, близкий к наибольшему напряжению между контактами, когда э. д. с. фазы приближается к максимальному значению. Разброс при включении отдельных фаз, вызванный не­ точностью регулировки II т. п. причинами, составляет 0,01— 0,02 с. В течение этого времени на фазах, которые еще не успели оказаться под напряжением, вследствие электромагнитной свя­ зи с включенной фазой наводятся потенциалы. Если последую­ щее включение этих фаз произойдет в момент, когда напряжение источника и наведенное напряжение будут иметь разные знаки, то ударные коэффициенты увеличатся и, следовательно, возра­ стет амплитуда коммутационных перенапряжений.

Измерения на действующих линиях и на моделях показали, что на линиях 500 кВ коммутационные перенапряжения при включении, как правило, с учетом разброса не превышают (2,2-г- 2,3) t/ф. В маловероятном случае включения линии, на которой перед началом коммутации произошло короткое замыкание, пе­ ренапряжения могут увеличиться до (2,5-f-2,8) /Уф.

В табл. 10-2 и 10-3 приведены полученные расчетным путем значения кратностей коммутационных перенапряжений, возни­ кающих на линиях 500 кВ при включении толчком.

Уровни коммутационных перенапряжений при остальных не­ изменных параметрах существенно зависят от длины участка. Шунтирующие реакторы, включенные на конце линии электро­

266

Т а б л и ц а 10-3

Результаты произведенных расчетов показали, что при пла­ новом отключении линии выключателями, не дающими повтор­ ных зажиганий, уровни коммутационных перенапряжений значи­ тельно ниже, чем при включениях, и, как правило, не превыша­ ют 2 С /ф . Это объясняется тем, что вынужденные составляющие перенапряжений при включениях и отключениях, которые пред­ варительно не подготовляются эксплуатационным персоналом, будут одинаковыми. В то же время при отключениях коммута­ циям соответствуют более низкие ударные коэффициенты, чем при включениях.

Отключение несимметричных коротких замыканий. На одно­ цепных линиях сверхвысокого напряжения каждое трехфазное отключение несимметричного короткого замыкания, которые, как правило, бывают однофазными, приводит к разрыву электропе­ редачи. В процессе ликвидации аварии вследствие разброса по времени действия выключателей, установленных на противопо­ ложных концах отключаемого участка, начинается процесс пе­ рехода от предшествующего нормального режима работы линии к аварийному режиму одностороннего питания, сопровождаю­ щийся, как и при включении линии, возникновением коммута­ ционных перенапряжений. Время разброса выключателей со­ ставляет от 0,01 до 0,05 с.

В наиболее распространенных случаях отключения только одной из параллельных цепей двухцепной линии электропереда­ чи коммутационные перенапряжения всегда будут меньше, чем на одноцепных линиях, так как при наличии сохранившихся свя­ зей с передающими и приемными системами параметры рас­ сматриваемой схемы будут далеки от резонансных условий. Разрывы двухцелной линии, сопровождающиеся сбросом на­ грузки и появлением коммутационных перенапряжений со зна­ чительной амплитудой, могут произойти во время ремонта, когда один из участков параллельной цепи был предварительно отклю­ чен, а также при редко встречающихся в эксплуатации случаях одновременного отключения двух параллельных цепей.

Коммутационные перенапряжения при отключении несиммет­ ричного короткого замыкания возникают на всех трех фазах ли­ нии, но переходные процессы на поврежденных и неповрежден­ ных фазах будут протекать при различных начальных условиях.

При рассмотрении явлений, сопровождающих возникновение перенапряжений на поврежденной фазе, необходимо учитывать, что на ее отдельных участках начальные условия для переходно­ го процесса изменяются в зависимости от расстояния между источником напряжения и местом аварии. В непосредственной близости от места короткого замыкания, аналогично рассмот­ ренному выше случаю включения линии, происходит переход от нулевого значения к повышенному установившемуся напряже­ нию. На остальных участках линии, где при коротком замыкании сохраняется остаточное напряжение, переходный процесс будет менее интенсивным; ударный коэффициент, соответствующий отключению поврежденной фазы, будет меньше, чем при вклю­ чении линии. Поэтому коммутационные перенапряжения, возни­ кающие в этом случае, не являются расчетными. Процессы на неповрежденных фазах отличаются тем, что после возникновения короткого замыкания и до начала коммутации отключения на­ пряжение на включенном с двух сторон участке линии увеличи­ вается в зависимости от параметров электропередачи до (1,1 -г- 1,3) f/ф. Отключение неповрежденных фаз сопровождается пере­ ходом от начального напряжения в режиме короткого замыка­ ния к новому повышенному значению установившегося напряже­ ния на линии, включенной с одной стороны. Напряжение до момента коммутации зависит от угла сдвига между э. д.с. в на­ чале и в конце участка линии, который является статистической величиной. В наибольшей степени угол сдвига между э. д. с. за­ висит от величины мощности, передаваемой по линии в нор­ мальном режиме, а также от ряда других факторов, имеющих второстепенное значение.

Максимальное значение коммутационных перенапряжений, возникающих на неповрежденных фазах во время переходного процесса, может быть определено из уравнения

268

расчетов виде с учетом того, что начальное напряжение на ли­ нии равно Uф:

где и в — вынужденная составляющая напряжения, рассчитан­ ная без учета короткого замыкания по формуле (10-10); Кк.з— коэффициент заземления нейтрали, учитывающий увеличение вынужденной составляющей напряжения на разомкнутой фазе при несимметричном коротком замыкании.

Коэффициентом заземления нейтрали называется выражен­ ное в процентах отношение наибольшего значения напряжения промышленной частоты на неповрежденной фазе по отношению к земле в данной точке при однофазном или двухфазном замы­ кании на землю, происходящем в любом месте электрической се­ ти, к фазному напряжению промышленной частоты, которое бу­ дет в рассматриваемой точке после ликвидации короткого за­ мыкания.

В сетях с эффективно или глухо заземленной нейтралью ве­ личина коэффициента Кк.з может изменяться в диапазоне от 1 до 1,4 в зависимости от соотношений реактивных сопротивлений нулевой и прямой последовательностей рассматриваемой схемы.

Коэффициент заземления нейтрали рассчитывается по сле­ дующим формулам:

для однофазного короткого замыкания

Коэффициент т характеризует отношение реактивных сопро­ тивлений нулевой и прямой последовательностей

(10-36)

где Хвхо — входное сопротивление нулевой последовательности схемы относительно точки короткого замыкания; ЛГВХІ — то же для прямой последовательности.

Входные сопротивления прямой и обратной последовательно­ сти приняты равными Квхі = К вх2.

На рис. 10-5 показаны зависимости коэффициентов заземле­ ния нейтрали и /С^^от изменения параметра т. Из этих за­

висимостей следует, что при /п=1 перенапряжения на неповреж­ денных фазах при любом виде короткого замыкания будут

269

где £ м — максимальное значе­ ние напряжения относительно земли на контакте выключателя со стороны приемной системы.

Отключение короткого замыкания происходит в момент про­ хождения индуктивного тока через нулевое значение. Если ско­

прочности между контактами, то короткое замыкание будет от­ ключено.

В том случае, когда к отключаемому участку линии присо­ единены шунтирующие реакторы, условия восстановления на­ пряжения между контактами выключателя оказываются весьма благоприятными, так как собственная частота колебаний отклю­ чаемого участка, как правило, близка к рабочей частоте.

Отключение участка линии происходит в облегченных усло­ виях медленного нарастания восстанавливающегося напряжения на воздушном выключателе вследствие возникновения на линии низкочастотных слабозатухающих колебаний в контуре, обра­ зованном емкостью линии и индуктивностью шунтирующего ре­ актора. Восстанавливающееся напряжение достигает макси­ мального значения только к моменту, когда диэлектрическая прочность между контактами выключателя уже достаточно вы­ сока. Электромагнитные трансформаторы напряжения также значительно снижают восстанавливающееся напряжение на вы­ ключателе и тем самым облегчают условия его работы. Этот во­ прос подробнее рассматривается ниже.

Наиболее высокие значения перенапряжений при отключении несимметричных коротких замыканий могут возникнуть в ава­ рийных режимах, сопровождающихся разрывом передачи, обо­ рудованной продольной компенсацией, например в случае от­ ключения короткого замыкания за батареей продольной ком­ пенсации. В момент отключения, когда ток, проходящий через

270

выключатель, равняется нулю, напряжение на установке про­ дольной компенсации будет максимальным и может достигнуть значения, определяемого пробивным напряжением защитного разрядника, включенного параллельно батарее конденсаторов. После отключения короткого замыкания это напряжение, сохра­ няясь на батарее конденсаторов, участвует в переходном про­ цессе в качестве постоянной составляющей и тем самым значи­ тельно повышает уровень перенапряжений.

Автоматическое повторное включение (АПВ). В числе меро­ приятий, предназначенных для повышения эксплуатационной надежности линий сверхвысокого напряжения, всегда преду­ сматривается трехфазное АПВ (ТАПВ) или пофазное АПВ (ОАПВ). В настоящее время также начинает применяться трех­ фазное быстродействующее АПВ (БАПВ). Переходные процес­ сы при АПВ и включении линии протекают аналогично. В обоих случаях возникновение коммутационных перенапряжений связа­ но с колебательным процессом перезарядки емкости линии, в ре­ зультате которого на конце линии возникает повышение напря­ жения, вызванное емкостным эффектом. В то же время уровни перенапряжений при ТАПВ всегда значительно выше, чем при плановом включении. Это объясняется тем, что после окончания переходного процесса, возникающего при отключении ли­ нии, в начале бестоковой паузы на неповрежденных фазах сохраняется напряжение, поддерживаемое остаточными за­ рядами.

Перенапряжения, возникающие на неповрежденных фазах при ТАПВ с проверкой синхронизма1, зависят от величины оста­ точного напряжения и от фазы э. д. с. в момент включения по отношению к остаточному напряжению. Наибольшие перенапря­ жения при успешном ТАПВ возникают в том случае, когда э.д. с. источника достигает максимального значения и в этот момент суммируется с остаточным напряжением.

Уровни перенапряжения при неуспешном ТАПВ повышают­ ся, потому что, как уже отмечалось выше, при несимметричном коротком замыкании напряжение на неповрежденных фазах уве­ личивается. Измерения, произведенные в сухую погоду на лини­ ях сверхвысокого напряжения, показали, что во время бестоко­ вой паузы заряды с линии не стекают и остаточное напряжение сохраняется практически полностью.

Максимальные перенапряжения при успешном ТАПВ могут быть рассчитаны по формуле

1 При несинхронном трехфазном АПВ (НАПВ) возможны большие величины перенапряжений, чем при ТАПВ с проверкой синхронизма, но меньшие, чем при асинхронном режиме (см. ниже).

271

Максимальные перенапряжения при неуспешном ТАПВ рас­ считываются аналогично с учетом наличия на линии несиммет­ ричного короткого замыкания:

Как следует из изложенного выше, для ограничения перена­ пряжений, возникающих при ТАПВ, целесообразно применение специальных устройств, которые обеспечивали бы полный раз­ ряд линии во время бестоковой паузы. Результаты многочислен­ ных измерений показали, что для решения этой задачи могут быть использованы присоединяемые непосредственно к линии электромагнитные трансформаторы напряжения.

Протекание тока через первичную обмотку приводит к быст­ рому насыщению стали в сердечнике трансформатора напряже­ ния, вследствие чего его индуктивность резко снижается и на­ ступает режим, при котором вторичная обмотка будет представ­ лять собой активное сопротивление, через которое во время бестоковой паузы будет происходить разряд емкости линии.

Активное сопротивление трансформатора напряжения, изме­ няющееся в зависимости от его параметров в пределах 3— 15 кОм, уменьшает постоянную времени разряда и позволяет, как показали результаты измерений, практически полностью снять напряжение с участка линии 500 кВ длиной 250—300 км в течение 0,05 с. На линии длиной до 500 км необходима уста­ новка двух комплектов трансформаторов напряжения, которые должны размещаться по концам участка. В этом случае коммутационные перенапряжения при ТАПВ будут ограниче­ ны по величине до уровня, регистрируемого при включении линии.

Наличие электромагнитных трансформаторов напряжения практически исключает вероятность появления повторных зажи­ ганий в выключателе и обеспечивает надежное отключение ненагруженных линий при длительном повышении напряжения на открытом конце. Применение электромагнитных трансформато­ ров напряжения не эффективно в тех случаях, когда на отклю­ ченном участке имеются шунтирующие реакторы, при которых в контуре, образованном реакторами и емкостью линии, возни­ кают медленно затухающие колебания напряжения низкой ча­ стоты. В результате описанного процесса на неповрежденных фазах к моменту окончания бестоковой паузы, равной 0,3—0,4 с, сохраняется высокое напряжение, равное примерно 75% значе­ ния вынужденной составляющей на конце линии с односторон­ ним питанием.

272

сутствуют. Возможность широ­ кого применения ОАПВ в сетях 330—500 кВ обеспечивается сни­

женными в настоящее время длинами участков между подстан­ циями и, следовательно, сокращением времени бестоковой пау­ зы, необходимой для самопогасания дуги на отключенной фазе.

Отключение линии в асинхронном режиме работы генерато­ ров. При асинхронном ходе на линии электропередачи и в ос­ тальных точках энергосистемы возникают колебания мощности, тока и напряжения, имеющие периодический характер. Период колебаний определяется разностью частот между несинхронно вращающимися генераторами передающей электростанции и приемной системы.

В соответствии с действующими эксплуатационными инструк­ циями, если при наличии возбуждения кратковременный асин­ хронный ход не завершится ресинхронизацией, то энергосистема должна быть разделена в заранее выбранных точках. Очевидно, что отключение линии электропередачи может произойти при любом значении угла б между э. д. с. эквивалентных генерато­ ров обеих частей энергосистемы. Наибольшая опасность для изоляции оборудования возникает в том случае, когда отклю­ чение происходит при значении угла б, приближающемся к 180°.

Характерной особенностью режима асинхронного хода явля­ ется протекание большого индуктивного тока, понижающего на­ пряжение в середине и в конце линии и достигающего наиболь­ шего значения при 6=180°. Распределение напряжения в режи­ ме асинхронного хода при 6=180° показано на рис. 10-6.

После отключения линии с одной стороны, например выклю­ чателем В 2, начинается переходный процесс, вызванный измене­ нием напряжения на емкости линии, которое стремится к ново­

273

му установившемуся значению, определяемому э. д. с. генерато­ ров передающей станции.

Максимальные значения перенапряжений Um возникающих при асинхронном ходе, приближенно могут быть рассчитаны по формуле

передачи; UB— вынужденная составляющая напряжения после разрыва.

В расчете перенапряжений необходимо учитывать различные знаки С/0 и С/в, а также то обстоятельство, что перед возникнове­ нием асинхронного режима возбуждение генераторов может быть форсировано. Поэтому эквивалентная переходная э. д. с. генераторов передающей станции может оказаться повышенной на 20—30%. Если асинхронный режим является следствием од­ нофазного короткого замыкания, которое сохраняется после от­ ключения выключателя В 2> то перенапряжения дополнительно увеличатся на 10—15%.

С учетом перечисленных обстоятельств перенапряжения при асинхронном ходе по отношению к земле могут достигать

(3^3,5) С/ф.

В связи с тем, что при разрыве электропередачи при асинхрон­ ном ходе возможно возникновение коммутационных перенапря­ жений с очень высокой амплитудой, ниже анализируется вероят­ ность возникновения этого режима в сетях 500 кВ СССР.

Втечение последних лет после перехода на связанные схемы

вЕдиной энергосистеме европейской части СССР случаи дли­ тельного нарушения синхронизма на линиях 500 кВ не наблюда­ лись. Возникавший в результате нарушения устойчивости асин­ хронный режим после разгрузки электропередачи обычно закан­ чивался успешной ресинхронизацией генераторов ГЭС. Кратко­ временный асинхронный ход электропередачи, хотя и приводил

кзначительным колебаниям напряжения в точке примыкания

электропередачи к энергосистеме, но все же оказывался допу­ стимым для условий ЕЭС европейской части СССР. В то же вре­ мя в энергосистеме Центральной Сибири, которая начала разви­ ваться значительно позже, было зарегистрировано несколько случаев работы делительных защит при асинхронном ходе.

Незначительная вероятность нарушения синхронной работы на современном этапе развития сетей 500 кВ в СССР объясняет­ ся следующими причинами.

Для создания объединенной энергосистемы европейской ча­ сти СССР потребовалось сооружение большого количества меж­ системных связей с достаточно большой пропускной способно­ стью. В связи с этим, как уже отмечалось выше, перестали су­ ществовать отдельные длинные магистральные линии 500 кВ и все большее распространение получают работающие в ревер­

274