книги из ГПНТБ / Геллер Б. Импульсные процессы в электрических машинах

Кабельные вставки также нуждаются в защитной зоне на воз­ душной линии, присоединенной к ним, в особенности если кабель присоединен непосредственно к трансформатору. Кроме того, на концах кабельных вставок должны быть установлены грозовые раз­ рядники. Импульсный защитный уровень последних должен быть очень низок; наиболее целесообразно устанавливать его равным по­ ловине импульсного выдерживаемого напряжения изоляции, так как набегающие волны вследствие отражения на трансформаторе возра­ стают почти вдвое. В длинных кабелях напряжение может также снизиться из-за затухания в кабеле, так что в этом случае доста­ точно защиты соответствующим искровым промежутком.

При воздействии на трансформатор крутых волн возможен про­ цесс, приводящий к повреждению низковольтных обмоток. В первый момент падения крутой волны имеет место емкостное распределение напряжения между. обмотками и между обмотками и землей, в ре­ зультате чего большая часть приложенного напряжения может воз­ действовать на низковольтную обмотку. Если коэффициент транс­ формации очень высок, как, например, в случае генераторного трансформатора, это напряжение может превысить импульсное вы­ держиваемое напряжение низковольтной обмотки и вызвать пробой изоляции. Поэтому следует принимать меры к предотвращению воз­ никновения очень крутых волн вблизи трансформатора.

1-2. Коммутационные перенапряжения

Коммутационные перенапряжения возникают из-за внезапных изменений условий в системе, вызываемых преднамеренными или не­ преднамеренными коммутационными операциями. Они пропорцио­ нальны рабочему напряжению, а именно его мгновенной величине непосредственно перед коммутацией, когда происходит изменение емкостной нагрузки. В этом отношении коммутационные перенапря­ жения значительно отличаются от атмосферных, амплитуда которых зависит больше от конструкции воздушной линии, чем от напряже­ ния системы. Это одна из причин, по которой с ростом напряжения системы увеличивается относительная важность коммутационных перенапряжений по сравнению с атмосферными. Коммутационное перенапряжение возникает на зажимах выключателей, установлен­ ных на подстанциях, и в случае малой крутизны фронта напряжения его амплитуда медленно снижается по мере передвижения по линии. Таким образом, значительная часть системы передачи может одно­ временно подвергнуться перенапряжениям почти одинаковой вели­ чины.

В системах с изолированной нейтралью емкостная нагрузка обычно изменяется при замыканиях на землю, при включениях ранее отключенных установок и при повторных зажиганиях во время про­ цесса отключения. Каждый из этих коммутационных процессов вы­ зывает скачкообразный подъем напряжения. Если пренебречь зату­ ханием, то первая амплитуда перенапряжения дает скачок, равный величине отключаемого напряжения, достигая в результате его двой­ ного значения. При коммутациях, сопровождающихся обратными зажиганиями, могут возникать более высокие перенапряжения из-за зарядов, остающихся на отключаемой емкости. Этим объясняется возникшая в последнее время тенденция к коммутациям без повтор­ ных зажиганий. Другим коммутационным процессом, также сопро-

10

П р и м е ч а н и е . Каждой "величине импульсного уровня соответствуют две ве­ личины испытательного напряжения промышленной частоты.

вождающимся повторным зажиганием, является повторное включение холостой линии после короткого трехфазного отключения, при ко­ тором на неповрежденных проводах линий остается заряд противо­ положного знака к моменту повторного включения рабочего напря­ жения. Если в этом случае поврежденный провод заземлен, то мож­

энергосистемы) [Л. 1-5]. Однако практически долговременные по­ вреждения линии довольно редки. Дополнительное повышение на­ пряжения может возникнуть в случае, если рабочее напряжение превзойдет максимально допустимую величину из-за сброса нагруз­ ки или эффекта Ферранти. Перенапряжения, возникающие в линиях сверхвысокого напряжения в результате коммутации емкостных це­ пей, могут быть ограничены с помощью выключателя с сопротивле­

фазного напряжения или 1,8-кратного значения линейного напряже­

При отключении ненагруженных трансформаторов, реактивных катушек и всех индуктивных токов перенапряжения возникают в тех случаях, когда в процессе отключения ток обрывается прежде, чем он достигнет своего естественного перехода через нуль. Перенапря­ жения эти, возникающие, как правило, в отключаемых цепях, про­ порциональны произведению обрываемого тока на волновое сопро­ тивление линии. Защита обеспечивается обычно параллельно вклю­ ченным защитным устройством, ограничивающим напряжение, так как энергия, которую необходимо погасить, не слишком велика. Пеоенапряжения могут возникнуть на стороне питания, если величина индуктивности этого участка имеет тот же порядок, что и индук­ тивность отключаемой зоны.

И

резонанса колебаний, возникающих в нелинейной цепи, содержащей железо, с колебаниями напряжения промышленной частоты. Эти яв­ ления, как правило, связаны с колебаниями напряжения на участке сети, которые затем должны быть снижены путем применения рас­ стройки или с помощью демпфирования. Таким образом, эти перена­

и 500 кВ и систем, спроектированных для работы при более высоких

в какой степени коммутационные перенапряжения должны заменить грозовые перенапряжения в качестве основы эффективной коорди­

12

нуто в результате теоретического изучения и обширных полевых ис­ пытаний изоляции и защитных устройств всеми типами перенапря­ жений, возникающих в этих системах. В табл. 1-1 представлены стан­ дартизованные МЭК уровни изоляции, полученные на основе суще­

.оборудования и знания возникающих перенапряжений довольно огра­ ничены. Поэтому должны быть тщательно изучены характер и ве­ личины напряжений, которым подвергается изоляция при рассматри­ ваемых перенапряжениях.

Коммутационные перенапряжения могут изменяться в очень широком диапазоне по формам и величинам в зависимости от кон­ струкции и условий эксплуатации систем. При внезапном подключе­ нии линии к шинам подстанции могут возникать движущиеся вдоль линии перенапряжения с длительностью фронта волны менее 1 мкс. Большая часть коммутаций приводит к перенапряжениям очень сложной формы. Частоты этих колебаний могут изменяться от ме­ гагерц до нескольких десятков герц.

1-3. Электрическая прочность;

защита от перенапряжений

Координация изоляции требует, чтобы электрическая прочность изоляции высоковольтных аппаратов была выше напряжения сраба­ тывания защитного устройства от перенапряжений на определенную величину, называемую защитным интервалом. Это требование долж­ но выполняться для перенапряжений любого типа. Стандартная ме­

напряжения электрооборудования различаются при воздействиях им­ пульсов положительной и отрицательной полярности, а также зави­ сят от амплитуды или крутизны фронта и, в меньшей степени, от длительности спада падающей волны. Напряжение перекрытия внеш­ ней изоляции, такой, например, как вводов у трансформаторов, и пробивное напряжение воздушных промежутков подвержены стати­ стическим изменениям. Напряжение перекрытия зависит также от высоты установки над уровнем моря (атмосферного давления) и от степени загрязнения поверхности изолятора, а также, в меньшей степени, от наличия дождя.

Поведение внутренней изоляции высоковольтного оборудования при импульсах характеризует его вольт-секундная характеристика. Д л я целей координации изоляции высоковольтное оборудование ха­

1 При подготовке перевода табл. 1-2 дополнена уровнями изо­ ляции согласно Публикации 71 МЭК, 1967 г. — Прим. ред.

f 13

Глава вторая

ИМПУЛЬСНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ОДНОСЛОЙНОЙ ОБМОТКЕ

2-1. Общие соображения

Обмотка трансформатора подвергается как внутрен­ ним (коммутационным), так и внешним (атмосферным) перенапряжениям. Внутренние перенапряжения возни­ кают при внезапном изменении параметров системы, внешние перенапряжения — при действии атмосферных разрядов.

Атмосферные перенапряжения возникают либо при непосредственном ударе молнии в провод, либо благо­ даря действию электростатической индукции і . Значения их в отличие от внутренних перенапряжений не зависят от рабочего напряжения установки. Они ограничены лишь грозовыми разрядниками и координирующими искровыми промежутками и могут достигать значений, опасных как для изоляции обмотки относительно земли (корпуса), так и для продольной изоляции.

В связи с развитием электрификации атмосферные перенапряжения как источник повреждений привлекают внимание электротехников, которые исследуют эти во­ просы как теоретически, так и экспериментально. Боль­ шим достижением явилось примение электронного осцил­ лографа, благодаря которому стало возможным экспе­

в трансформаторах чрезвычайно затруднительно, внача­ ле будет рассмотрено наиболе простое устройство — однослойная обмотка, с тем чтобы потом перейти к им­ пульсным явлениям в трансформаторах, используя при этом результаты исследований, полученные для обмотки.

При импульсных напряжениях обмотка ведет себя как система емкостей и индуктивностей. В начале про­ цесса преобладает действие емкостей, в конце решаю­ щим фактором является магнитное поле. Переход от на-

1 Согласно последним работам в области атмосферных перена­ пряжений индуктированные перенапряжения обусловлены не только электростатической, но и электромагнитной индукцией. — Прим. ред.

15

чального состояния к конечному происходит путем сво­ бодных колебаний всей системы.

Прежде всего рассмотрим изменение напряжения на обмотке при воздействии импульса. Вследствие того, что ток в обмотке не может появляться мгновенно из-за ее индуктивности, обмотка ведет себя в первый момент как конденсатор с емкостью Сэ. Если на обмотку, находя­ щуюся в конце длинной линии, падает прямоугольная волна, то напряжение на ее выводах

приходящей с линии; t — время. Так как входная емкость

время достигает значения 2U (так, например, для вре­ мени ^ = 0,15 мкс u = 0,95-2U). Это означает, что при на­ чальном распределении напряжение на выводах обмотки можно считать равным 2U.

Напряжение на зажимах обмотки при переходном процессе может быть также приблизительно определено, если рассматривать обмотку как линию с волновым со­

16

распределения, стадию свободных колебаний и стадию квазистационарного (псевдоконечного) распределения напряжения, свободные колебания анализировались ис­ ходя из теории распределения по обмотке стоячих волн. Это представление исходило из теории переходных про­ цессов в двухпроводной линии, основаной на концепции стоячих волн в отличие от теории, основанной на концеп­ ции бегущих волн.

В теории Вагнера не рассматривалась взаимоиндук­ ция между витками в обмотке. Уже Блюм и Бояджан (Blume, Boyajian) [Л. 2-2] сделали попытку учесть вли­ яние взаимной индуктивности. Подробный анализ влия­ ния взаимной индуктивности был дан Пиреном (Pirenne)

добавляя емкостные связи между витками. Схема заме­ щения обмотки по Вагнеру изображена на рис. 2-1.

Если отсчитывать длину в осевом направлении от на­ чала обмотки к ее концу и обозначить: и — напряжение

Cdx

ЧИТАЛЬНОГО ААЛ

Каждому возможному значению пространственной частоты а в уравнении (2-9) соответствует определенное значение временной частоты ю. С возрастанием а вре­ менная частота со приближается к критическому значе­ нию

Эта граничная частота является наибольшей времен­ ной частотой колебаний в обмотке и соответствует соб­ ственной частоте витка обмотки с индуктивностью L и емкостью К.

Значение а получим из (2-8):

Каждому значению ы соответствуют два значения а. Таким образом, решение (2-6) может быть представ­ лено в виде суммы свободных гармонических состав­

ляющих:

то, решив его, определим скорость бегущей волны:

Это означает, что скорость бегущей волны в обмотке является функцией пространственной длины волны; чем короче пространственная длина, тем меньше ее скорость. Граничная скорость пространственной волны равна ну-