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

сивных режимах электросети 500 кВ. Интенсивное строительст­ во электросетей ПО—220 кВ привело к образованию параллель­ ных связей, шунтирующих линии 500 кВ.

Описанные процессы привели к повышению устойчивости и значительному уменьшению вероятности появления асинхрон­ ного хода. Однако в период прохождения максимума нагрузки (примерно 10% всего времени года) линии могут быть загруже­ ны до значений, приближающихся к допустимому пределу по устойчивости. Очевидно, что в таких режимах возможность на­ рушения синхронизма остается вероятной. Для предотвращения возможности нарушения синхронизма в энергосистемах при не­ обходимости могут предусматриваться устройства противоаварийной режимной автоматики, обеспечивающие быструю раз­ грузку линии в тех случаях, когда передаваемая по ней мощ­ ность приближается к предельным допустимым значениям по устойчивости. В дефицитной части системы может осуществ­ ляться быстрая загрузка генераторов, имеющих вращающийся резерв, перевод в генераторный режим гидрогенераторов, рабо­ тавших в режиме синхронных компенсаторов, и др.

В случае возникновения асинхронного режима, если само­ произвольная ресинхронизация невозможна, производится авто­ матическое деление энергосистемы с помощью защиты от асин­ хронного хода, действующей при необходимости после двух-трех проворотов векторов напряжения по концам линии.

Все изложенное объясняет причины, по которым при много­ летней автоматической регистрации внутренних перенапряже­ ний в сетях 500 кВ не было зафиксировано случаев появления перенапряжений, вызванных разрывом электропередачи в ре­ жиме асинхронного хода.

Отключение ненагруженных трансформаторов и шунтирую­ щих реакторов. Во время отключения ненагруженных транс­ форматоров или шунтирующих реакторов происходит интенсив­ ная деионизация промежутка между контактами выключателя, приводящая к резкому снижению проводимости дуги, которая приобретает неустойчивый характер. Вследствие этого выключа­ тель обрывает индуктивный ток до его перехода через нулевое значение и происходит погасание дуги, если восстанавливаю­ щееся напряжение оказывается недостаточным для ее повтор­ ного зажигания. По мере расхождения контактов выключателя возможно несколько повторных зажиганий дуги при все увели­ чивающемся напряжении. Быстрый обрыв тока и переход осво­ бодившейся энергии магнитного поля в электрическую энергию параллельно присоединенных емкостей обмоток трансформато­ ров или шунтирующих реакторов и прилегающего участка шин сопровождается возникновением коммутационных перенапря­ жений на отключаемом аппарате и на контактах выключателя. Эти перенапряжения имеют форму высокочастотных колеба­ тельных импульсов, полностью затухающих в течение несколь­

275

ких миллисекунд. Уровни возникающих коммутационных пере­ напряжений определяются в зависимости от параметров транс­ форматоров или реакторов. Кроме того, значительное влияние на величину перенапряжений оказывает характер протекания дуговых процессов в выключателе. В табл. 10-4 в качестве при­ мера приведены результаты измерений перенапряжений, воз­ никающих при отключении воздушным выключателем со сто­ роны среднего напряжения ненагруженных трансформаторов 400/115/11 кВ. Измерения выполнены на одной из подстанций электропередачи 400 кВ Волжская ГЭС имени В. И. Ленина — Москва.

Небольшие значения перенапряжений, полученные при изме­ рениях, объясняются большой емкостью обмоток трансформа­ торов 400 кВ и демпфирующим действием потерь холостого хо­ да, которые составляли около 300 кВт. Аналогичные измерения, произведенные на линии 380 кВ в Швеции, показали, что при от­ ключении ненагруженных трансформаторов воздушными или малообъемными масляными выключателями перенапряжения не превышают (1,5-f-1,7) £/ф. Измерения также показали, что мак­ симальные значения перенапряжений при отключении ненагру­ женных трансформаторов 500 кВ воздушными выключателями не превышают 2,5Нф.

Результаты измерений перенапряжений при отключении воз­ душным выключателем шунтирующего реактора 400 кВ, произ­ веденных на электропередаче Волжская ГЭС имени В. И. Лени­ н а — Москва, приведены в табл. 10-5.

Перенапряжения по отношению к земле, возникающие при отключении шунтирующих реакторов 400 кВ, находятся в преде­ лах (2н-2,5) Ѵф. Измеренные в СССР наибольшие значения пере­ напряжений при отключении шунтирующих реакторов 500 кВ воздушными выключателями составили 2,7Нф.

Снижение уровней перенапряжений при отключении иенагруженных индуктивностей может быть достигнуто путем при­ менения магнитопроводов, изготовленных из холоднокатаной стали. При этом уменьшаются токи намагничивания трансфор-

276

ключателя 400 кВ

маторов и шунтирующих реакторов, а следовательно, и запасен­ ная в них магнитная энергия.

Междуфазные коммутационные перенапряжения. Сниже­ ние в сетях 750—330 кВ испытательных напряжений аппаратов и трансформаторов до значений, соответствующих расчетной кратности коммутационных перенапряжений (2,14-2,7) ІІф, уве­ личивает вероятность повреждения изоляции вследствие междуфазных перекрытий. В этих условиях для электротехнических установок сверхвысокого напряжения актуальное значение при­ обретает вопрос о возможных в реальных условиях эксплуата­ ции величинах междуфазных коммутационных перенапряжений, так как возможности их принудительного ограничения разряд­ никами в настоящее время еще недостаточно проработаны. В со­ ответствии с выбранной расчетной кратностью междуфазных коммутационных перенапряжений производится выбор между­ фазной изоляции трехфазных трансформаторов, минимально допустимых расстояний между соседними фазами в распредели­ тельных устройствах и на транспозиционных опорах линий элек­ тропередачи.

Кратности междуфазных перенапряжений непосредственно зависят от величин перенапряжений на каждой фазе по отноше­ нию к земле. В трехфазной системе междуфазные перенапряже­ ния возникают в результате единого переходного процесса, вы­ званного симметричными коммутациями. Значительные кратно­ сти междуфазных коммутационных перенапряжений возможны при включении и отключении ненагруженных линий из-за разно­ временности действия выключателей каждой фазы, а также при АПВ в тех случаях, когда к моменту повторного включения на двух смежных фазах остаются разноименные заряды. В отличие от установившегося режима, при котором в симметричной трех­ фазной системе линейное напряжение промышленной частоты

всегда в Т/З раз больше фазного, во время переходных процес­ сов междуфазные перенапряжения не остаются постоянной ве-

277

личиной и в зависимости от конкретных условий могут иметь различные значения.

Кратности междуфазных коммутационных перенапряжений зависят от разброса по времени моментов включения и отклю­ чения отдельных фаз выключателя, начального угла включения и других причин. Если перенапряжения, возникающие на каждой фазе, окажутся сдвинутыми по времени, то абсолютные значе­ ния междуфазных перенапряжений будут сравнительно неве­ лики н, наоборот, в тех случаях, когда на каждой фазе одновре­ менно возникнут перенапряжения различной полярности, меж­ дуфазные перенапряжения могут достигнуть двойного фазного значения.

Результаты проведенных в НИИПТ измерений показали, что между средними значениями ударных коэффициентов перена­ пряжений фаза—земля ( К у д . ф ) и фаза—фаза ( К у д . м . ф ) сущест­ вует практически линейная корреляционная связь. В среднем при равной вероятности перекрытия промежутков фаза—фаза и фаза—земля соотношение между ударными коэффициентами равно 0,87, т. е.

Междуфазные перенапряжения Umр . м . ф при известной вели­ чине перенапряжений по отношению к земле НПер.ф могут быть определены по формуле

^ Л і е р . м . ф ^ С у д . м . ф ^ м . ф 0,87/(уд.ф 1 3 U ф — 1,5 £ / п е р . ф -

В процессе проектирования электропередачи 330—500 кВ изо­ ляционные расстояния между фазами выбираются по геометри­ ческим размерам на 10% большими, чем между токоведущими и заземленными частями. При этом учитывается, что из-за сим­ метрии электрического поля прочность промежутков между токоведущими частями различных фаз будет примерно на 35—40% выше, чем между токоведущими и заземленными частями.

С учетом этого обстоятельства в электротехнических установ­ ках 500 кВ действительный запас прочности междуфазной изо­ ляции при воздействии коммутационных перенапряжений оказы­ вается больше, чем по отношению к земле, на 45—50%, что со­ ответствует рекомендациям, приведенным выше. Опыт эксплу­ атации электропередачи 500 кВ показал, что при изоляционных расстояниях, выбранных в соответствии с указанными исход­ ными данными, случаи междуфазных перекрытий не наблю­ дались.

Следует также отметить, что для коммутационных перенапря­ жений со значительной амплитудой, приближающейся к расчет­ ным значениям, характерной является небольшая длительность процесса, при которой вероятность возникновения междуфазных

278

перенапряжений с такой же кратностью, как и перенапряжений по отношению к земле, достаточно мала. Одновременно необхо­ димо учитывать, что в электротехнических установках 750 кВ, где расчетная кратность коммутационных перенапряжений сни­ жена до 2,1 £/ф, вероятность перекрытия между фазами увеличи­ вается. В этом случае соотношение междуфазных перенапряже­ ний и перенапряжений по отношению к земле рекомендуется принимать равным 1,7, т. е.

500 кВ. Исследования прогнозируемых перенапряжений прово­ дились по единой для всех линий расчетной схеме, учитывающей основные тенденции развития сетей 500 кВ в СССР. В расчетной схеме рассматривается линия длиной I, присоединенная с обеих сторон к приемным энергосистемам с эквивалентными э. д. с. Е и реактивностями X. Коммутации осуществляются воздушными выключателями, не дающими опасных повторных зажиганий. Линия оборудована устройствами АПВ и электромагнитными трансформаторами напряжения, обеспечивающими полное сте­ нание с линии остаточных зарядов во время бестоковой паузы. Устройства и мероприятия для принудительного ограничения внутренних перенапряжений не предусматриваются. В общем случае величины Е и X являются переменными и определяются при установившемся режиме работы электропередачи и присое­ диненных энергосистем, однако в течение большей части года колебания величин Е и X невелики. Поэтому в расчетной схеме принято, что эквивалентные э. д. с. присоединенных энергоси­

стем равны единице (£/ф=525/1/3 кВ), а эквивалентные реак­ тивности соответствуют режиму максимальных нагрузок.

При рассмотрении перенапряжений в несимметричных режи­ мах предполагается, что однофазное к. з. произошло в конце односторонне включенной линии. Коммутация каждой рассмат­ риваемой линии с обеих сторон считается равновероятной.

Для определения величин внутренних перенапряжений в ка­ честве расчетных приняты наиболее распространенные комму­ тации: 1) включение линии без к. з. (плановое включение, успеш­ ное АПВ); 2) отключение линии без к. з. (плановое отключение)

3) включение линии на к. з. (неуспешное АПВ); 4) отключение линии при к. з. (отключение первичного к. з., отключение к. з. в цикле неуспешного АПВ).

Влияние регуляторов сильного действия на увеличение э. д. с. генераторов рекомендуется учитывать в основном только для коммутаций разрыва при асинхронном ходе, который не являет­ ся расчетным случаем. Поэтому влияние регуляторов сильного действия также не учитывалось. Кроме того, не рассматривались все специфические случаи возникновения внутренних перенапря­

279

жений, в том числе: резонансы на высших и низших гармони­ ческих, самовозбуждение гене­ раторов, неполнофазные ре­ жимы и т. д. Все эти перена­ пряжения могут быть ликви­ дированы при проектировании и эксплуатации путем созда­ ния соответствующих схем и других необходимых меро­ приятий, которые выбирают­ ся применительно к конкрет­ ным условиям каждой линии, но не являются типовыми средствами защиты.

В табл. 10-6 приведены ма­ тематические ожидания и со­ ответствующие им среднеквад­ ратичные отклонения вынуж­ денной составляющей и ампли­ туды перенапряжений, вычис­ ленные для каждой расчетной коммутации.

Для получения обобщенных законов распределения этих величин, соответствующих удельным весам расчетных плановых и аварийных коммутаций, была использована структурная схе­ ма, характеризующая зависимость количества фазоперенапряжений от числа плановых и аварийных коммутаций.

На рис. 10-7 и 10-8 приведены обобщенные статистические данные относительно вынужденной составляющей и амплитуды

Т а б л и ц а 10-6

при к. 3.

280

Рис. 10-8. Кривые плотностей вероятности появления вынужденных составляющих перена­ пряжений (а) и обобщенное интегральное распределение (б).

перенапряжений для всех рассмотренных линий электропереда­ чи 500 кВ с учетом расчетных видов коммутации и их удельно­ го веса.

10-4 - ЗАЩИТА ОТ ВНУТРЕННИХ

ПЕРЕНАПРЯЖЕНИИ

В период 1930—1940 гг. в СССР окончательно установилась различная система заземления нейтралей трансформаторов в за­ висимости от номинального напряжения линий электропередачи. Все линии напряжением ПО кВ и выше были отнесены к катего­ рии сетей с большим током замыкания на землю, в которых обя­ зательно заземляется часть нейтралей трансформаторов так, чтобы было выполнено требуемое нормами отношение реактив­ ностей нулевой и прямой последовательности электропередачи (Х0Д і ^ 4 ) . Глухое заземление нейтрали, при котором происхо­ дит быстродействующее отключение поврежденного участка, и усовершенствование конструкций выключателей привели к за­ метному снижению уровней внутренних перенапряжений. В этих

281

условиях основной мерой защиты от внутренних перенапряже­ ний являлся выбор испытательных напряжений, обеспечивающих надежную эксплуатацию электрических аппаратов и трансфор­ маторов.

При переходе к сверхвысоким номинальным напряжениям все меньше становится вероятность перекрытия изоляции линии при прямом ударе молнии, а следовательно, и появление на под­ станциях опасных волн грозовых перенапряжений. В связи с этим для электропередач сверхвысокого напряжения, у которых сто­ имость изоляции существенно влияет на их экономические пока­ затели, вопросы защиты от внутренних перенапряжений и их ограничения становятся наиболее важными при выборе уровней изоляции, обеспечивающих надежные условия эксплуатации.

Для первой в СССР дальней электропередачи 400 кВ испы­ тательные напряжения были выбраны с учетом расчетной крат­ ности коммутационных перенапряжений 3 Uф при времени воз­ действия 0,05 с. Основной мерой защиты электротехнических установок 400 кВ, так же как и установок более низкого напря­ жения, явился выбор испытательных напряжений, обеспечиваю­ щих надежную работу оборудования при воздействии внутрен­ них перенапряжений. Анализ опыта эксплуатации и многочис­ ленные измерения внутренних перенапряжений показали, что выбранный уровень изоляции 3 £/ф обеспечил вполне надежные условия эксплуатации электропередач 400 кВ.

Дальнейшее снижение уровня изоляции при защитных меро­ приятиях, предусмотренных для электропередач 400 кВ, не мог­ ло быть допущено из-за опасности повреждения оборудования при воздействии внутренних перенапряжений. В то же время пе­ реход на напряжение 500 кВ мог быть осуществлен только при условии создания достаточно экономичного оборудования. Это требование можно было обеспечить только при снижении уров­ ня изоляции не менее чем до 2,5 і/ф. При проектировании элек­ тропередач 750 кВ, для того чтобы обеспечить увеличение габа­ ритов аппаратов и трансформаторов пропорционально росту напряжения в первой степени, оказалось необходимым дальней-

^ шее снижение расчетной кратности коммутационных перенапря-

*жений до 2,1 t/ф.

Всвязи с изложенным оказалось необходимым разработать мероприятия по принудительному ограничению внутренних пе­ ренапряжений в электропередачах сверхвысокого напряжения. Анализ современного состояния линий электропередачи 500 кВ показал, что в течение более чем 10 лет, прошедших с момента ввода в эксплуатацию первой дальней электропередачи 500 кВ Волгоград — Москва, произошли качественные изменения, в ре­ зультате которых длинные линии 500 кВ, соединяющие гидро­ электростанции с потребителями, удаленными на расстояние 800—1 000 км, постепенно превратились в разветвленные сети, участки которых являются основными связями, образующими

282

Единую энергосистему европейской части СССР и Единую энер­ госистему Центральной Сибири. Этот процесс сопровождался значительным увеличением количества подстанций 500 кВ и со­ кращением длины участков между ними.

В настоящее время линии 500 кВ в большинстве случаев при­ соединены к мощным энергосистемам, для которых характерны небольшие величины эквивалентных реактивностей, не превыша­ ющие в большинстве случаев 50 Ом. В соответствии с перспек­ тивными планами дальнейшее развитие сетей 500 кВ в СССР бу­ дет идти преимущественно по пути строительства отдельных, как правило, коротких линий. Интенсивное строительство линий электропередачи 500 кВ в различных районах Советского Сою­ за сопровождается естественным снижением уровня внутренних перенапряжений. Данные по многолетней непрерывной автома­ тической регистрации в сетях 500 кВ показывают, что высокие кратности коммутационных перенапряжений, приближающиеся к значениям испытательных напряжений, отмечаются редко. Данные, приведенные на рис. 10-7 и 10-8, также подтверждают этот вывод. Вероятность появления вынужденной составляющей перенапряжений выше 1,5 t/ф и амплитуды перенапряжений вы­ ше 2,5 £/ф ничтожно мала. Поэтому в сетях 500 кВ объединенной энергосистемы европейской части СССР и Центральной Сибири в большинстве случаев принудительное ограничение внутренних перенапряжений уже не требуется и в ближайшей перспективе будет все менее и менее необходимым. Аналогичные выводы мож­ но сделать и в отношении сетей 330 кВ. В настоящее время си­ стема принудительного ограничения внутренних перенапряже­ ний должна применяться для отдельных протяженных линий 330—500 кВ, связанных со слабыми приемными системами, а так­ же на линиях электропередачи 750 кВ. В соответствии с приня­ той выше классификацией внутренних перенапряжений меро­ приятия по их ограничению также подразделяются на две группы.

Первая группа мероприятий предназначена для ограничения преимущественно длительных повышений напряжения и преду­ сматривает применение релейных защит от повышения напряже­ ния, установку шунтирующих реакторов, присоединяемых непо­ средственно к линиям или шинам открытых распределительных устройств, использование системной автоматики для выполнения коммутационных операций по определенной, заранее предусмот­ ренной программе, предварительное снижение рабочего напря­ жения путем изменения возбуждения генераторов, коэффициен­ тов трансформации и т. п.

Вторая группа мероприятий, необходимых для ограничения кратковременных коммутационных перенапряжений, предусма­ тривает установку магнитно-вентильных разрядников или дру­ гих защитных аппаратов. Необходимо иметь в виду, что меро­ приятия, отнесенные к первой группе, также служат для облег­ чения условий работы вентильных разрядников и выключателей.

283

Поэтому подразделение защитных мероприятий на две группы имеет несколько условный характер. В действительности защи­ та от внутренних перенапряжений является единым комплексом связанных между собой мероприятий.

Ограничение длительных повышений напряжения. В режимах плановых включений и синхронизации длительные повышения напряжения наблюдаются в течение времени, необходимого для проведения диспетчерских операций, которые продолжаются 10—20 мин. В процессе аварийных коммутаций длительные по­ вышения напряжения на открытом конце линии существуют до момента срабатывания релейной защиты, отключающей электро­ передачу с противоположной стороны. В связи с тем что в эле­ ктропередачах сверхвысокого напряжения длительные повыше­ ния напряжения возникают систематически, в технические усло­ вия на изготовление трансформаторов и аппаратов включается требование о допустимости временного повышения напряжения на электрооборудовании на время возможного существования

вэксплуатации схем с односторонним питанием.

Втабл. 10-7 приведены ориентировочные значения допусти­ мых длительных повышений напряжения на обмотках трансфор­ маторов, автотрансформаторов и реакторов 330—500 кВ в зави­ симости от их продолжительности, которые относятся к внутрен­ ней изоляции и поэтому не зависят от атмосферных условий.

Релейная защита и системная автоматика. Величина допу­

стимого для изоляции повышения напряжения по отношению к наибольшему рабочему непосредственно зависит от длитель­ ности его приложения. Поэтому быстродействие релейных защит в сетях сверхвысокого напряжения является одним из основных требований, обеспечивающих не только устойчивость параллель­ ной работы, но и повышающих надежность эксплуатации элек­ тротехнического оборудования. Противоаварийная автоматика, широко применяемая в сетях сверхвысокого напряжения, в чис­ ле прочих задач предназначена также для ликвидации длитель­ ных повышений напряжения на одиночной линии.

284