книги из ГПНТБ / Техника высоких напряжений учеб. пособие

РАЗДЕЛ ТРЕТИЙ

ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ

ГЛАВА X. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ

ВЛИНИЯХ БЕЗ ПОТЕРЬ

§10Л. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПЕРЕНАПРЯЖЕНИИ И ЗАЩИТЫ ОТ НИХ

а. Общие сведения

Под перенапряжением понимают любое напряжение, превышаю­ щее амплитуду наибольшего рабочего напряжения на изоляции элементов электрической сети. В зависимости от места приложения различают следующие виды перенапряжений: 1) ф а з н ы е , воздействующие на изоляцию токоведущих частей по отношению к земле и

изоляцию между различными элементами обмотки (витками, катуш­ ками) одной фазы; 4) м е ж д у к о н т а к т н ы е , приложенные меж­ ду разомкнутыми контактами одноименных фаз коммутационных аппаратов (выключателей, разъединителей).

Для рационального проектирования изоляционных конструкций необходимо знать следующие характеристики перенапряжений: 1) максимальное значение Umax или кратность K = U max/UH. рт по от­ ношению к амплитуде соответствующего наибольшего допустимого, рабочего напряжения; 2) длительность воздействия; 3) форму кривой; 4) широту охвата элементов сети. Все перечисленные характеристики перенапряжений подвержены значительному статистическому разб­ росу, так как они зависят от ряда факторов, в том числе и случайных. Например, для выбора изоляции существенное значение имеют частость или характеризующие ее математическое ожидание и диспер-. сия числа перенапряжений, превосходящих некоторую кратность в течение определенного интервала времени (например, за 10 лет), или Т-летний уровень перенапряжений, т. е. кратность перенапряжений^ которая может быть достигнута или превзойдена в среднем один раз в Т лет (рис. 10.1).

При технико-экономическом обосновании мер защиты от перена­ пряжений и характеристик изоляции необходимо учитывать также

201;

статистические характеристики ущерба (математическое ожидание и дисперсию) вследствие повреждения, простоя и внеочередного ре­ монта оборудования энергосистемы, а также вследствие порчи обору­ дования, брака продукции, простоя рабочих, нарушения технологиче­ ского процесса у потребителей

электроэнергии.

Все перенапряжения подразде­ ляются на внутренние и внешние (рис. 10.2).

ренапряжения возникают в резуль­ тате внезапных изменений схемы или параметров сети — коммутаций в широком смысле слова. Типичными коммутациями являются плано­ вые и аварийные отключения и включения линий, трансформаторов и других элементов сети, а также замыкания на землю и между фа­ зами. При включении элементов электрической сети (проводов линии или обмоток трансформаторов и реакторов) или отключении (напри­ мер, при разрыве электропередачи) возникает переходный процесс от предшествующего к новому установившемуся состоянию. Вследст­ вие малых потерь и высокой добротности контуров, состоящих из индуктивностей и емкостей проводов линии или обмоток трансфор­ маторов и реакторов, переходные процессы при коммутациях имеют колебательный характер и могут привести к возникновению значи­ тельных перенапряжений, особенно при ненулевых начальных усло­ виях (например, при АПВ линий).

Вышеуказанные потери при напряжении ниже коронного весьма малы и обусловлены сопротивлениями проводов, земли, обмоток гене­ раторов и трансформаторов и утечками по изоляции. При возникнове­ нии короны потери значительно возрастают и оказывают заметное дем­ пфирующее действие на первые максимумы колебаний коммутацион­ ных перенапряжений.

Отключение емкостных токов электрических цепей может сопро­ вождаться повторными зажиганиями дуги в выключателе и много­ кратными переходными процессами и перенапряжениями, а отклю-

202

203

ченне малых индуктивных токов холостого хода трансформаторов —■ принудительным обрывом дуги в выключателе и колебательным пере­ ходом энергии магнитного поля трансформатора в энергию электри­ ческого поля его параллельных емкостей. При дуговом замыкании на землю в сети с изолированной нейтралью также наблюдаются много­ кратные зажигания и погасания дуги и возникновение соответствую­ щих дуговых перенапряжений.

При анализе коммутационных перенапряжений, вообще говоря, должны учитываться переходные процессы в статорных цепях и в контурах ротора электрических машин. Однако вследствие большой разницы в декрементах колебаний в этих контурах обычно рассмат­ ривают различные стадии процесса. Первая стадия, определяющая коммутационные перенапряжения, заканчивается одновременно с за­ туханием переходных составляющих в статорных цепях совместно с внешней электрической цепью, т. е. обычно через несколько периодов промышленной частоты. После этого устанавливается вторая стадия — квазистационарный режим, определяющий вынужденную составляю­ щую напряжения первой стадии и квазнстационарные перена­ пряжения. Длительность второй стадии не превышает долей секунды. При рассмотрении перенапряжений в первых двух стадиях машины могут учитываться упрощенно — путем их замещения сверхпереход­ ными пли переходными э. д. с. и реактивностями. Во время третьей стадии процесса необходимо учитывать эффект регулирования первич­ ных двигателей и возбуждения генераторов, а также затухание пере­ ходных токов в контурах роторов машин. Кроме того, в это время могут срабатывать релейная защита и коммутационные аппараты. Длительность третьей стадии достигает нескольких секунд.

Основной причиной возникновения значительных квазистационарных перенапряжений является емкостный эффект, обусловленный, например, наличием линии передачи, односторонне питаемой от генераторов системы. Несимметричные режимы линии, возникающие, например, при замыкании одной фазы на землю, обрыве провода, отказе одной или двух фаз выключателя, могут привести к дополни­ тельному повышению напряжения основной частоты или явиться причиной появления значительных, перенапряжений на какой-либо высшей гармонической — кратной частоте э. д. с. генераторов. Источ­ ником высших или низших гармонических и соответствующих феррорезонансных перенапряжений может явиться также какой-либо эле­ мент системы с существенно нелинейными характеристиками, напри­ мер трансформатор с насыщенным магнитопроводом. При наличии источника механической энергии, периодически изменяющего пара­ метр цепи (например, индуктивность генератора) в такт с частотой соб­ ственных колебаний электрической цепи, может возникнуть парамет­ рический резонанс.

При определении стационарных перенапряжений существенное 8начение имеет регулирование возбуждения электрических машин, благодаря которому напряжение на шинах станции не превышает наибольшего рабочего. Наличие регулирования существенно ограни­ чивает стационарные перенапряжения, которые, как правило, оказы­

204

ваются меньше квазистационарных и не имеют существенного практи­ ческого значения. В некоторых случаях, особенно при анализе конкретных аварий в сетях, когда требуется правильно выявить и устранить причины их возникновения, необходимо учитывать также возможность возникновения внутренних перенапряжений повышенной кратности при сравнительно редком случайном наложении двух или нескольких коммутаций или других неблагоприятных факторов.

В связи с изложенным важно хорошо изучить типичные случаи перенапряжений и отчетливо понимать физический смысл различных режимов и переходных процессов в сложных электрических сетях. Инженер должен уметь выявить главные факторы и проанализировать переходные процессы в основных контурах, а затем учесть влияние второстепенных факторов, вносящих свои поправки в амплитуды и формы кривых перенапряжений.

Большинство внутренних перенапряжений связано со сравнитель­ но большими запасами электромагнитной энергии в элементах элект­ рической сети. Запасы энергии и кратности перенапряжений заметно возрастают с увеличением длины участков линии и рабочего напряже­ ния. Поэтому для ограничения коммутационных перенапряжений в сетях высших классов напряжения (3304-750 кв), где стоимость изоля­ ции оказывается особенно существенной, приходится применять мощ­ ные вентильные коммутационные разрядники, реакторы и др. В сетях более низких классов напряжения для' ограничения внутренних пере­ напряжений разрядники не применяются, а характеристики грозо­ защитных разрядников выбирают так, чтобы они не работали при внутренних перенапряжениях.

в. Общая характеристика грозовых перенапряжений и грозозащиты

Грозовые перенапряжения являются частным случаем внешних перенапряжений, которые могут возникать вследствие воздействия внешних э. д. с. (см. рис. 10.2). Для сетей высокого напряжения прак­ тическое значение имеют только грозовые разряды в виде «линейной молнии», которые и обусловливают грозовые перенапряжения. Осталь­ ные виды внешних перенапряжений не опасны для сетей высокого напряжения Г

Наибольшие грозовые перенапряжения возникают при прямом ударе молнии (ПУМ) в линию и подстанцию. Ток молнии имеет малую длительность (ІЧ-100 мксек), но в отдельных случаях может дости­ гать и даже превышать-100 ка. В месте удара возникает кратковре­ менное (импульсное) напряжение в миллионы вольт, т. е. выше им­ пульсной прочности изоляции электропередач даже наивысших клас­ сов напряжения.

Вследствие электромагнитной индукции близкий удар молнии соз­ дает также индуктированное перенапряжение, которое обычно при-

1 Однако электромагнитное поле линий высокого напряжения может созда­ вать опасные внешние перенапряжения на линиях связи.

205

водит к некоторому дополнительному увеличению напряжения на изоляции. От места удара молнии вдоль линии со скоростью света и малым искажением и затуханием распространяются электромагнитные волны. Дойдя до подстанции или электрической машины, эти волны могут вызвать опасные перенапряжения на их изоляции.

Для обеспечения надежной работы сети необходимо осуществить ее эффективную и экономичную грозозащиту. Защита от ПУМ осуществ­ ляется с помощью высоких вертикальных стержневых молниеотводов на подстанциях всех классов напряжения и грозозащитных тросов над проводами линий 2204-750 кв, а также ответственных линий 110 кв. Защита от перекрытий между молниеотводом, тросом или опорой и проводом достигается путем заземления каждой опоры с тросом и молниеотвода по кратчайшим путям с малым импульсным сопротив­ лением заземления. Защита от волн, приходящих по линии, осуществ­ ляется путем установки специальных вентильных и трубчатых разряд­ ников на подстанциях и усиленной грозозащиты подхода к подстанции линий всех классов напряжения; при этом обеспечивается сглаживание фронта волны вследствие импульсной короны на подходе. Желатель­ но, чтобы электрическая машина была отделена от воздушной линии трансформатором. В противном случае необходимо обеспечить особо надежную грозозащиту машины с помощью специальных разрядни­ ков, конденсаторов, реакторов, кабельных вставок и усиленной гро­ зозащиты подхода воздушной линии.

Использование изоляционных свойств дерева в сетях 6-М 10 квг применение заземления нейтрали через дугогасящую катушку и изолированной нейтрали в сетях 64-35 кв значительно снижают веро­ ятность перехода импульсного перекрытия в устойчивую электричес­ кую дугу и тем самым улучшают бесперебойность и повышают надеж­ ность электроснабжения потребителя. Надежность работы линий значительно повышается также за счет широкого применения автома­ тического повторного включения (АПВ) линий, резервирования,, тщательной профилактики изоляции, разрядников и заземлений.

§ 10.2. ВОЛНОВЫЕ ПРОЦЕССЫ НА ЛИНИИ БЕЗ ПОТЕРЬ

а. Телеграфные уравнения «-проводной линии

Внезапное изменение напряжения в одной точке линии передается в соседние точки этой линии не мгновенно, а В виде электромагнитной волны, распространяющейся в диэлектрике (вбздухе) вдоль проводов, линии со скоростью

ѵ= 1 /У [х0е0=с= 300 мімксек.

Волны возникают при включении или отключении источника высо­ кого напряжения, коротком замыкании на линии, ударе молнии в линию и при других изменениях условий непосредственной электри­

206

ческой связи линии с источниками высокого напряжения. Такие волны могут возникать также вследствие воздействия на линию электромаг­ нитного поля источника, не имеющего непосредственного электриче­ ского контакта с линией, например при ударе молнии в землю рядом с линией или при коротком замыкании на соседней линии. Строго говоря, условия распространения этих волн следует определять из решения дифференциальных уравнений электромагнитного поля (урав­ нений Максвелла), удовлетворив при этом граничные условия для каждой составляющей Е и Н на поверхностях раздела всех сред (про­ вод— воздух, воздух — земля). Однако такой путь требует весьма трудоемких численных расчетов.

Линии высокого напряжения имеют большие диаметры и малое сопротивление проводов, а также весьма совершенную изоляцию про­ водов относительно земли. Провода таких линий располагают на ■сравнительно большой высоте над поверхностью земли, что значитель­ но уменьшает влияние провеса проводов, рельефа и неоднородной структуры земли и снижает потери. Поэтому при напряжении ниже коронного при небольших длинах пробега волн даже со сравнительно крутым фронтом можно в первом приближении не учитывать потери. При этом волновые процессы в и-проводной линии без потерь при нулевых начальных условиях определяются из решения телеграфных уравнений вида:

фициент взаимоиндукции между k-м и t-м (кф і) проводами и коэф­

статической индукции; коэффициенты ßAlопределяются из решения системы уравнений с потенциальными коэффициентами Максвелла

207

Рис. 10.3. Поперечные размеры /г-про- воднои линии

б. Решение телеграфных уравнении линии без потерь

Qk = Qx2,ke~ix.

Для определения постоянной распространения у проще всего ис­ ключить из уравнений (10.1), (10.2), (10.4) заряды и напряжения. Из (10.2) имеем

Подставив это значение Qk в (10.4) и продифференцировав резуль­ тат, получим

208

При этом системы уравнений (10.9) и соответственно (10.1), (10.2),

где wki — (ahi/c) = cMki = 6 0 N hi = 60 ln (Dki/clki)— взаимное ( k ^ i ) и

Для перехода к оригиналам воспользуемся теоремой запазды­

Если t a x изменяются таким образом, что аргумент х — і — х/с = const,

209-