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

дения диспетчерских операций по синхронизации линии, кото­ рые могут производиться при повышенном напряжении, близком к 1,15 £/ф , в течение 10—15 мин.

Аналогичные по длительности и величине повышения напря­ жения могут существовать в послеаварийном режиме в тех слу­ чаях, когда напряжение не достигло уставки медленно дейст­ вующей релейной защиты. В процессе действия защиты от повы­ шения напряжения с первой выдержкой времени, равной 1—2 с, должны быть включены те шунтирующие реакторы, которые до начала переходного процесса были отключены для создания нормального режима работы электропередачи. Если напряжение продолжает оставаться повышенным, то со второй выдержкой времени действия защит, равной 10—15 с, надежно обеспечива­ ющей возврат пусковых реле, полностью отключается линия, на­ ходившаяся под напряжением с одной стороны. Достаточно про­ должительная вторая выдержка времени необходима для отстройки защиты от действия форсировки возбуждения генера­ торов, возможных качаний генераторов, разброса в действии за­ щит и выключателей. Выдержка времени, равная 10—15 с, и сту­ пени селективности между защитами соседних участков в преде­ лах 1—1,5 с в основном исключают возможность ложного сраба­ тывания защит. Несмотря на все перечисленные мероприятия, в случае отказа линейного выключателя в сети останется повы­ шенное напряжение. В этом случае с третьей выдержкой време­ ни в течение 2—3 с отключаются автотрансформаторы на под­ станциях, после чего должны быть отключены шунтирующие ре­ акторы, присоединенные через выключатели к шинам открытых распределительных устройств или непосредственно к линиям. Отключение шунтирующих реакторов необходимо также преду­ сматривать на время бестоковой паузы при АПВ для того, что­ бы обеспечить стекание зарядов с отключенного участка линии через электромагнитные трансформаторы напряжения. Несмот­ ря на небольшую вероятность появления асинхронных режимов на линиях межсистемной связи, следует предусматривать специ­ альную автоматику, разрывающую передачу при затяжном асинхронном ходе. Места установки этой автоматики выбира­ ются так, чтобы в наибольшей степени ограничить внутренние перенапряжения и получить наименьшие дефициты мощности при разделении системы.

Для снижения перенапряжений при отключении линии элек­ тропередачи на участках, прилегающих к установкам продоль­ ной емкостной компенсации, используется релейная защита уча­ стков линии, которая одновременно с командой на отключение поврежденной линии подает импульс на поджиг разрядника, шунтирующего конденсаторные батареи.

Влияние насыщения силовых трансформаторов на длитель­ ные повышения напряжения промышленной частоты. Для сило­ вых трансформаторов характерными являются кривые намагни­

285

чивания с резко выраженной нелинейностью, в связи с чем резонансные повышения на­ пряжения ограничиваются на­ сыщением магнитопровода.

Компенсация емкостного эффекта происходит вследст­ вие появляющихся при резо­ нансных повышениях напря­ жения токов намагничивания значительной величины, при­ водящих к изменению нели­ нейной индуктивности шунта магнитопровода и расстройке резонансного контура.

Поправка на насыщение магнитопроводов понизитель­ ных трансформаторов имеет практическое значение в тех случаях, если величина дли­ тельного повышения напря­ жения, рассчитанная без учета

насыщения, превышает (1,34-4-1,4) £/ф.

Применение шунтирующих реакторов. В тех случаях, когда результаты расчетов показывают, что длительные повышения напряжения на длинной линии, включенной с одной стороны, пре­ вышают значения, допустимые для изоляции аппаратов и транс­ форматоров на время синхронизации, или возникает необходи­ мость ограничения вынужденной составляющей коммутационных перенапряжений, в проектах предусматривается установка шун­ тирующих реакторов, присоединяемых непосредственно к лини­ ям или шинам открытых распределительных устройств. Включе­ ние реакторов уменьшает входную проводимость ненагруженной линии, вследствие чего расстраиваются резонансныеусловия, понижается напряжение в точке его присоединения, а также пе­ репад напряжения между началом и концом линии. В свою оче­ редь снижение вынужденной составляющей позволяет ограни­ чить коммутационные перенапряжения и облегчить условия работы вентильных разрядников.

На рис. 10-9 приведена зависимость напряжения в конце ра­ зомкнутой электропередачи 500 кВ от длины линии при отсутст­ вии или наличии шунтирующих реакторов. Графики, показанные на рис. 10-9, дают возможность оценить влияние присоеди­ нения шунтирующего реактора на напряжение в конце разом­ кнутой линии длиной до 600 км с односторонним питанием. В за­ висимости от места установки реактора напряжение на откры­ том конце снижается на 7—20%. Как следует из приведенных графиков, наибольший эффект получается при наличии реакто­

286

ра на открытом конце, а наименьший — при установке реактора в начале линии. На рис. 10-10 приведена построенная в относи­ тельных единицах зависимость напряжения на конце линии, включенной с одной стороны, от мощности реакторов и пока­ зано, что увеличение мощности шунтирующих реакторов позво­ ляет эффективнее ограничивать длительные повышения напря­ жения.

Как правило, количество и мощность шунтирующих реакто­ ров, выбранных для компенсации зарядной мощности линии, всегда оказываются достаточными и для ограничения внутрен­ них перенапряжений.

Наиболее целесообразное использование реакторов достига­ ется при их установке в конце линии или на подстанциях, свя­ занных со слабыми приемными системами, а также на пере­ ключательных пунктах.

С точки зрения ограничения внутренних перенапряжений при­ соединение реакторов 500 кВ непосредственно к линиям более эффективно, чем к шинам ОРУ. В то же время при часто встре­ чающихся в реальных условиях длинах участков шунтирующие реакторы нельзя устанавливать на линиях, так как при несим­ метричных коммутациях, возможных из-за неисправностей в вы­ ключателях, на отключенных фазах могут возникнуть описанные выше резонансные повышения напряжения, которые приведут

кповреждению изоляции реакторов. По этой причине в сетях 500 кВ большинство реакторов присоединено через выключатели

кшинам открытых распределительных устройств. Вследствие этого вынужденного решения реакторы, присоединенные к ши­ нам, участвуют в ограничении длительных повышений напряже­ ния только в 50% всех аварийных коммутаций, когда первым срабатывает линейный выключатель, находящийся с противопо­ ложной стороны от открытого распределительного устройст­ ва, в котором находится ре­ актор.

Втех случаях, когда допу­

287

к линии. В числе предложенных способов следует отметить иск­ ровое присоединение и предварительное включение.

Первый способ предусматривает присоединёние реактора че­ рез воздушный искровой промежуток, присоединяемый, как это показано на рис. 10-11, параллельно отъединителю воздушного выключателя реактора. В случае появления перенапряжений

288

искровой промежуток пробивается и с момента начала горения дуги реактор автоматически присоединяется к линии. Одновре­ менно дается импульс для действия автоматики на включение всех трех фаз выключателя. После окончания аварийного режи­ ма в системе реактор вновь может быть отключен от линии. В рассматриваемой схеме эффективное ограничение внутренних перенапряжений обеспечивается только в том случае, если сред­ нее пробивное напряжение искрового промежутка реактора бу­ дет равно (1,4-т-1,5) £/ф. Нижний предел пробивного напряже­ ния искрового промежутка с учетом его разброса принимается равным 1,2 t/ф, для того чтобы отстроить его от возможных по­ вышений напряжения во время качаний генераторов в электри­ ческой системе.

Следует отметить, что воздушный промежуток нельзя при­ соединять параллельно главным контактам выключателя, так как воздействие возникающих в процессе отключения реактора перенапряжений кратностью (2-^2,5) Uф будет приводить к по­ вторным пробоям промежутка и коммутация отключения реак­ тора окажется невыполнимой. Поэтому искровое присоединение можно выполнять только в тех случаях, когда выключатель ре­ актора имеет внешний отделитель.

В настоящее время искровое присоединение практически мо­ жет быть осуществлено только с помощью специальных аппара­ тов, так называемых включателей, которые могут быть выпол­ нены по типу искровых промежутков вентильных разрядников с магнитным дутьем.

Второй способ состоит в предварительном включении реакто­ ра быстродействующим выключателем. В момент аварийного отключения линии или ее повторного включения одновременно со срабатыванием линейного выключателя автоматически пода­ ется импульс на включение всех отключенных реакторов.

Время включения реакторов должно быть меньше собствен­ ного времени действия линейных выключателей. Для выполне­ ния этой задачи необходима разработка конструкции специаль­ ного выключателя упрощенного типа со временем включения

0,03—0,04 с.

Недостатком описываемой схемы является возможность от­ каза или неправильного действия канала высокочастотной свя­ зи, по которому передается импульс на предварительное вклю­ чение реакторов. Возможны также и случаи запаздывания вклю­ чения при управлении реакторами с противоположного конца линии.

Необходимо указать, что автоматическое присоединение ре­ акторов не дает возможности использовать электромагнитные трансформаторы напряжения в качестве устройств, позволяю­ щих во время бестоковой паузы полностью снять заряд с линии.

Уже отмечалось, что при наличии реакторов на отключенной линии будет происходить колебательный разряд, который может

продолжаться в течение 1 с и более. В рассматриваемых усло­ виях ускорение разряда, как это показано на рис. 10-12, может быть обеспечено включением в цепь реактора на время бестоко­ вой паузы АПВ активного сопротивления, демпфирующего коле­ бательный процесс. Параллельно сопротивлению присоединяет­ ся вспомогательный выключатель упрощенного типа, рассчитан­ ный на небольшую отключающую способность.

В момент срабатывания линейного выключателя одновремен­ но подается импульс на отключение вспомогательного выключа­ теля и сопротивление оказывается включенным в цепь реактора. После окончания колебательного процесса вспомогательный вы­ ключатель снова включается и шунтирует активное сопротивле­ ние. При наличии у реакторов выключателей вместо активного сопротивления можно предусмотреть одновременное отключение линии и реактора, что дает возможность не только использовать во время бестоковой паузы электромагнитные трансформаторы напряжения, но и повысить надежность работы высокочастотной дифференциально-фазной защиты.

Анализ опыта эксплуатации сетей сверхвысокого напряжения показал, что на первом этапе развития, когда по линиям переда­ ется сравнительно небольшая мощность, наличие постоянно включенных реакторов не отражается на режимах работы элек­ тропередачи. Затем в течение относительно короткого срока раз­ виваются присоединенные к линиям приемные системы, вследст­ вие чего происходит естественное снижение уровней внутренних перенапряжений. Как было показано, такой процесс уже произо­ шел в сетях 500 кВ Советского Союза, где в настоящее время реакторы в большинстве случаев необходимы только для ком­ пенсации зарядной мощности линий. По этим причинам схемы автоматического присоединения реакторов в момент появления на линиях внутренних перенапряжений не получили широкого распространения и могут оказаться необходимыми только в от­ дельных случаях, когда длинные сильно загруженные линии при­ соединены к слабым приемным системам с большимреактивным сопротивлением.

10-5 МАГНИТНОВЕНТИЛЬНЫЕ РАЗРЯДНИКИ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ГРОЗОВЫХ

И КОММУТАЦИОННЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

Современные вентильные разрядники предназначаются для ограничения не только грозовых, но и коммутационных перенапряжений до значений, со­ ответствующих выбранным уровням изоляции аппаратов, трансформаторов и изоляторов. Каждый разрядник состоит из соединенных последовательно многократных искровых промежутков и включенных последовательно с ними колонок сопротивлений с нелинейной вольт-ампериой характеристикой, обла­

290

дающих способностью изменять свое сопротивление в зависимости от величи­ ны протекающего тока и поэтому называемых нелинейными последовательны­ ми сопротивлениями. В нормальном режиме работы линии искровые проме­ жутки разрядника отделяют нелинейные последовательные сопротивления от токоведущих частей электропередачи, находящихся под постоянным воздей­ ствием рабочего напряжения. Возникновение волны перенапряжений с ампли­ тудой, превышающей прочность искровых промежутков, приводит к их про­ бою. Протекающий после пробоя искровых промежутков ток создает на не­ линейных последовательных сопротивлениях разрядника подъем напряжения, величина которого определяет уровень перенапряжений, воздействующих на изоляцию после срабатывания разрядника и до окончания переходного процесса.

Нелинейные последовательные сопротивления разрядника ограничивают волны перенапряжений, воздействующих на изоляцию, до расчетных значений, безопасных для изоляции оборудования, а искровые промежутки выполняют функции гашения дуги сопровождающего тока, протекающего через разряд­ ник под действием напряжения промышленной частоты. Степень ограничения перенапряжений зависит от отношения волнового сопротивления линии к со­ противлению разрядника. Чем меньше сопротивление разрядника, тем в боль­ шей степени ограничиваются перенапряжения.

Нелинейные сопротивления разрядников изготовляются из размолотых зерен черного электротехнического карборунда (SiC), имеющего очень низ­ кое удельное сопротивление (около 1 Ом-см), смешанного со связующим ве­ ществом, в качестве которого применяется жидкое стекло. Отдельные зерна карборунда соприкасаются между собой, причем площадь соприкосновения не превышает десятой части поверхности зерна. Каждое зерно карборунда по­ крыто тонким запорным слоем окиси кремния S i02 толщиной около ІО-5 см, который является полупроводником с высоким удельным сопротивлением, рав­ ным ІО6— ІО8 Ом-см. Между зернами карборунда имеются прослойки из свя­ зующего вещества.

Приложенное к последовательному нелинейному сопротивлению напряже­ ние распределяется пропорционально сопротивлениям карборунда, запорного слоя и связующего вещества. В начале переходного процесса еще при не­ больших напряженностях электрического поля все напряжение практически оказывается приложенным к запорному слою, сопротивление которого намного выше, чем зерен карборунда.

По мере повышения напряженности электрического поля в запорном слое возникает электронная проводимость и его сопротивление уменьшается на несколько порядков. В этот момент величина последовательного нелинейного сопротивления резко снижается и определяется во много раз меньшим со­ противлением зерен карборунда.

Свойства последовательных нелинейных сопротивлений измеряются коэф­ фициентом нелинейности а, характеризующим при постоянном параметре С зависимость между напряжением на последовательном нелинейном сопротив­ лении разрядника Up и протекающим через него током / р. Вольт-амперная

Следует различать два принципиально различных случая протекания то­ ка через разрядник. Перекрытие на линии, вызванное прямым ударом молнии, и последующий пробой искрового промежутка сопровождаются протеканием через разрядник импульсного тока, величина которого определяется парамет­ рами прямого удара молнии и может достигать 10—15 кА. В процессе гро­ зового перекрытия, продолжающегося десятки микросекунд, появляется не­ большой по величине сопровождающий ток промышленной частоты, ограни­ чиваемый резко возрастающим по величине последовательным нелинейным сопротивлением разрядника. При переходе через нулевое значение сопровож­

дающий ток обрывается искровыми промежутками, после чего переходный процесс заканчивается.

В процессе ограничения коммутационных перенапряжений величина про­ текающего через разрядник тока зависит от амплитуды перенапряжений, от уровня, до которого перенапряжения должны быть ограничены, и от волно­ вого сопротивления линии. Очевидно, что чем ниже уровень, до которого должны быть ограничены перенапряжения, тем больше токовая'нагрузка раз­ рядника.

После пробоя искрового промежутка возникает переходный процесс раз­ ряда емкости линии и аппаратов распределительного устройства через раз­ рядник.

Результаты проведенных расчетов показали, что при коммутационных перенапряжениях ток, протекающий через разрядник, после пробоя искровых промежутков составляет 1—2 кА, а длительность этого процесса — от одного до четырех полупериодов промышленной частоты. Следовательно, при комму­ тационных перенапряжениях разрядник должен иметь значительно более вы­ сокую пропускную способность, чем в грозовом режиме.

По терминологии, принятой в СССР, номинальным напряжением разряд­ ника называется номинальное напряжение сети, для работы в которой он предназначен.

Напряжение промышленной частоты, приложенное к разряднику в мо­ мент его срабатывания, является исходным параметром, определяющим ус­ ловия гашения дуги при протекании тока через разрядник.

Наибольшее напряжение промышленной частоты, при котором обрывается протекающий через разрядник сопровождающий ток и гарантируется надеж­ ное гашение дуги, называется наибольшим допустимым напряжением на раз­ ряднике или напряжением гашения в грозовом режиме.

В режиме ограничения коммутационных перенапряжений напряжением гашения принято считать амплитудное значение наибольшего гарантируемого

напряжения промышленной частоты на разряднике, деленное на У 2, кото­

рое после срабатывания разрядника не вызывает повторного пробоя проме­ жутка. В связи с тем, что разрядник наиболее часто работает в аварийном режиме, его напряжение гашения должно быть выше фазного напряжения ли­ нии электропередачи. Прямой удар молнии в линию сопровождается повтор­ ными разрядами, которые следуют по ранее ионизированному каналу. С уче­ том этого обстоятельства в качестве расчетного случая при определении ве­ личины напряжения гашения в грозовом режиме принимается, что разрядник должен ограничивать перенапряжения, возникающие на неповрежденных фа­ зах при повторном перекрытии линии и наличии несимметричного короткого замыкания, которое является следствием первого удара молнии.

Напряжение на неповрежденных фазах зависит от величины сопротивле­ ния заземления в точке короткого замыкания и отношения реактивных сопро­ тивлений нулевой и прямой последовательностей в месте присоединения раз­ рядника, которое в свою очередь определяется режимом заземления нейтрали электросети. Эффективность заземления нейтрали характеризуется коэффици­ ентом заземления, который рассчитывается по формулам (10-34) и (10-35) для заданной схемы электросети в местах установки разрядников или другого электрооборудования.

Как уже отмечалось, в сетях сверхвысокого напряжения нейтрали всех трансформаторов и автотрансформаторов заземляются наглухо. Следователь­ но, напряжение на неповрежденных фазах не может быть значительно выше фазного напряжения, а коэффициент заземления нейтрали, как правило, ока­ зывается не больше чем 1,3—1,4. Поэтому напряжение гашения грозовых раз­ рядников принимается равным 1,4 С/ф.

В процессе ограничения коммутационных перенапряжений разрядник ока­ зывается присоединенным к концу линии с односторонним питанием. В связи с этим длительные повышения напряжения на открытом конце длинной ли­ нии могут быть значительно выше, чем в грозовом режиме. С учетом изло­ женных соображений напряжение гашения разрядников, предназначенных для ограничения коммутационных перенапряжений, принимается равным 1,9 £/ф.

292

Пробивным напряжением разрядника при промышленной частоте назы­ вается нарастающая до момента пробоя искровых промежутков наибольшая

величина напряжения промышленной частоты, деленная на Y 2- Величина

пробивного напряжения выбирается в зависимости от расчетной кратности коммутационных перенапряжений, принятых для сетей того или иного номи­ нального напряжения.

Для того чтобы обеспечить надежную работу разрядника, искровые про­ межутки должны иметь пологую вольт-секундную характеристику и гасить дугу при первом прохождении тока через нулевое значение.

Импульсное пробивное напряжение разрядника, также относящееся к чис­ лу его основных нормированных характеристик, характеризует наибольшую величину импульсного напряжения на разряднике в момент перед пробоем его искровых промежутков. В соответствии с изложенным номинальным раз­ рядным током разрядника называется амплитудное значение импульсного то­

тока, который по расчету должен протекать через рязрядник при приложении к нему полупериода напряжения промышленной частоты, равного наиболь­ шему допустимому напряжению.

Остающимся напряжением принято называть наибольшую величину на­ пряженияна разряднике при протекании через него импульсного тока или тока коммутационного перенапряжения с нормированными амплитудой и дли­ ной фронта. Остающееся напряжение на разряднике при нормированном токе коммутационного перенапряжения, как правило, ниже пробивного напряже­ ния при промышленной частоте или близко к нему. Поэтому при воздействии коммутационных перенапряжений перепад напряжений между разрядником и защищаемой изоляцией отсутствует.

Способность рабочих сопротивлений ограничивать протекающие через раз­ рядник токи характеризуется защитным коэффициентом, который определя­

При неизменном напряжении гашения снижение остающегося напряже­ ния приводит к уменьшению защитного коэффициента и одновременно позво­ ляет в большей степени ограничить перенапряжения, воздействующие на изо­ ляцию трансформаторов и аппаратов.

Величина защитного коэффициента непосредственно зависит от вольтамперной характеристики нелинейных последовательных сопротивлений и конструіщии искровых промежутков. Уменьшение остающегося напряжения мо­ жет быть достигнуто увеличением нелинейности последовательных сопротив­ лений.

Дугогасящее действие искрового промежутка разрядника характеризуется

Для достижения высоких значений напряжения гашения пробивное на­ пряжение искровых промежутков стремятся приблизить к уровню защищаемой изоляции.

Снижение пробивного напряжения разрядника дает возможность в боль­ шей степени ограничивать внутренние перенапряжения в тех точках электро­

293

сети, где могут иметь место повы­ шенные значения вынужденной со­ ставляющей и где, следовательно, необходимо обеспечить повышенное напряжение гашения.

В настоящее время в СССР для электропередач сверхвысокого напря­ жения изготовляются магнитно-вен- тилыше разрядники серий РВМГ и РВМ с нелинейными сопротивления­ ми, имеющими пропускную способ­ ность, достаточную для ограничения не только грозовых перенапряжений, но и некоторых видов коммутацион­ ных перенапряжений с токами отно­ сительно небольшой величины, и ком­ бинированные магнитно-вентильные разрядники серии РВМК, специаль­ но предназначенные для защиты от грозовых и коммутационных перена­ пряжений.

Магнитно-вентильные разрядники (серий РВМГ и РВМ). В магнитно­ вентильном разряднике гашение дуги сопровождающего тока достигается за счет перемещения ее с помощью магнитного поля, создаваемого по­ стоянными магнитами.

Единичный искровой промежуток магнитно-вентильного разрядника со­ стоит из двух круглых, концентриче­ ски расположенных медных электро­ дов. Внутренний электрод представля­ ет собой диск, наружный электрод— кольцо. Щель между электродами пронизывается магнитным полем, создаваемым постоянными магнита­ ми, выполненными из оксиднобарие­ вого феррита и расположенными так, чтобы направление их полей совпа­ дало. Дуга образуется в щели между электродами и под действием магнит­ ного поля вращается с большой ско­ ростью, интенсивно охлаждаясь.

Основным преимуществом проме­ жутка с вращающейся дугой являет­ ся быстрое нарастание его восстанав­

ливающейся прочности и термическая устойчивость к протеканию больших то­ ков. Пробивное напряжение единичного промежутка составляет 36—40 кВ. Применение магнитных промежутков, обладающих высокой дугогасящей спо­ собностью, позволило снизить пробивное и остающееся напряжения вентиль­ ного разрядника.

Разрядник в зависимости от класса напряжения комплектуется из раз­ личного числа одинаковых элементов. Каждый элемент выполняется в виде фарфорового полого цилиндра с ребрами на внешней поверхности.

Внутри показанного на рис. 10-13 элемента, в средней части, размещается блок, содержащий 20 единичных искровых промежутков с вращающейся ду­ гой, а в верхней и нижней частях — колонки последовательных нелинейных сопротивлений, каждая из которых составлена из пяти вилитовых дисков диа­ метром 130 мм и высотой 60 мм. Защитный коэффициент разрядников серии

294