Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электрические аппараты. Электрическая дуга. Учебное пособие
.pdf
6.5. ВОССТАНОВЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ НА ВЫКЛЮЧАТЕЛЕ
ZпZ
ПРИ ОТКЛЮЧЕНИИ КОНТУРА С ДЛИННЫМИ ЛИНИЯМИ
При рассмотрении процессов восстановления напряжения на выключателе при отключении контура с длинными (порядка 50 км и более)
линиями можно пренебречь эффектом отражения волн от разомкнутого
или замкнутого конца исходя из следующих соображений. Время, необходимое для возвращения отраженных волн к месту установки выключателя, может достигать несколько сотен микросекунд, в течение
которых термодинамические процессы восстановления электрической прочности в дугогасящем промежутке выключателя полностью закончатся;
электрическая прочность дугового промежутка приобретает значение
«холодной» прочности. Вследствие этого некоторое повышение напряжения на выключателе, обусловленное эффектом отражения волн, не
может оказать решающего влияния на исход отключения.
Для оценки влияния длинных линий на процесс восстановления
напряжения на выключателе рассмотрим два специфических случая
[1, 8, 9]:
1) короткое замыкание имеет место на конце длинной линии, кото-
рая находится за выключателем (рис. 22, а));
2) короткое замыкание имеет место непосредственно за выключате-
лем, параллельно которому к шинам подстанции подключены одна или
нескольких длинных линий (рис. 22, б)).
1
l
В
а
б
Тр
В
а
б
а б
Рис. 22. Схемы отключения цепей с длинными линиями:
а – короткое замыкание в конце линии за выключателем; б – короткое замыкание
непосредственно за выключателем при наличии параллельных длинных линий
91
1. Короткое замыкание имеет место в конце длинной линии за
L
выключателем
(рис. 22, а). Мгновенное значение напряжения
мышленной частоты будет распределено между индуктивностью
нии, находящейся до выключателя, и индуктивностью
LLl
U
0
22
линии
про-
L
ли-
1
[1, 8].
Так же как и в схеме двухчастотного контура восстановления напряжения, составляющие падений напряжений в цепи определятся выражениями (рис. 23):
L
UU
01 0
LLl
UU U
02 0 0
22
LL LLl
12 12
1
LL
12
;
,
U
где
– падение напряжения на участке цепи до выключателя;
01
падение напряжения в линии;
L
– индуктивное сопротивление 1 км ли-
2
U
02
–
нии.
Мгновенное начальное значение падения напряжения на линии
при токе короткого замыкания
I
численно равно
КЗ
2UILl
02 КЗ 2
. (68)
U
02
Оставшийся на линии после прохода тока через нуль потенциал, распределяясь по прямой вдоль всей длины линии, снижается до нуля в
конце линии.
U
0
Рис. 23. Распределение напряжений
L
1
С
С
1
В
а
б
1
Ll
22
l
в цепи с длинной линией
U
01
U
02
92
Время, в течение которого потенциал в точке б (начало линии) до-
стигнет нуля, равно
l
v
где
– скорость распространения электромагнитной волны по воз-
э.в
душной линии, равная
tv
2
300 000км с
,
э.в
[1, 9].
Потенциал на выключателе (в точке б) со стороны линии будет изменяться во времени:
UU U
02 02
б
t
11
tl
2
tv
э.в
.
При этом напряжение на выключателе со стороны питающей сети
(точка а) будет нарастать от величины
напряжения
по закону
0
UUU
,
а
()1eхр cos
002 0
U
U
до
02
()
0
tt
с частотой колебания
UU U
здесь
002 01
;
1
С
;
– эквивалентная емкость пред-
0
L С
11
1
включенной цепи.
Таким образом, восстанавливающееся напряжение на выключателе,
определяемое разностью потенциалов, будет изменяться во времени:
tv
()
t
UUU UU tU
аб
в 002 0 02
()(1eхр cos ) 1
э.в
.
l
Средняя скорость восстановления напряжения на выключателе за
первую 1/4 периода собственных колебаний напряжения со стороны
сети составит
93
v
э.в
6
(69)
где
dU
в
dt l
f
01
1
L С
2
11
410 Вмкс,
Uf U
01 01 02
ср
.
2. Короткое замыкание имеет место непосредственно за выклю-
Z
L
R
Z
чателем
в начале линии, но к шинам подстанции кроме отключаемой
линии параллельно выключателю подключены одна или несколько (n)
длинных линий (рис. 22, б). Если к шинам подстанции одновременно
подключено n длинных линий, волновое сопротивление каждой из ко-
торых составляет
500 ОмZ
1
, то общее волновое сопротивление со-
ставит [9, 10]
Z
500
Z
п
1
пп
.
Так как в рассматриваемых процессах волновое сопротивление ведет себя так же, как и активное, то выключатель оказывается зашунтирован активным сопротивлением, величина которого равна вели-
чине
(рис. 24).
п
Таким образом, пренебрегая активным сопротивлением цепи R даже
в случае одной длинной линии, подключенной параллельно выключателю, имеет место неравенство
111
L С
4
Z С
22
n
,
которое является критерием апериодичности процесса восстановления
напряжения.
В
С
Рис. 24. Приведенная схема восста-
навливающегося напряжения при па раллельных линиях
п
Восстановление напряжения во времени можно вычислить по уравнению (46), учитывая, что применительно к данному случаю сопротивления L и C представляют собой приведенные значения индуктивности
и емкости питающей сети без учета параметров линий.
94
Так, например, при длине линии
волны составит
100 км
, что будет соответствовать времени, за кото-
50 кмl
длина двойного пробега
рое отраженная волна может возвратиться к выключателю:
225010
l
t
пр
v
э.в
300 000
6
330 мкс.
Однако если длина линии более 30…50 км, повышение напряжения
на выключателе произойдет тогда, когда электрическая прочность в дугогасительном устройстве практически восстановится, достигнув величины холодной прочности.
Под холодной прочностью понимают пробивное напряжение, которое определяется прочностью деионизированного промежутка, расстояние между контактами которого еще не достигает конечной своей величины [1, 4].
6.6. ВОССТАНОВЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ НА ВЫКЛЮЧАТЕЛЕ
ПРИ НЕУДАЛЕННЫХ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЯХ
Принципиальная схема для режима неудаленного короткого замыкания показана на рис. 25 [1]. В случае отключения короткого замыкания, возникающего на воздушной линии в относительно небольшом
удалении (порядка 2…5 км) от выключателя, создаются тяжелые условия для работы выключателя. Это обусловлено сочетанием высокой
начальной скорости восстановления напряжения с высокой мощностью
короткого замыкания и местом
возникновения короткого замыкания.
Тр
l
а
б
Рис. 25. Неудаленное короткое
замыкание на линии за выключателем
Установленные взаимные связи между характером нарастания восстанавливающейся электрической прочности воздушного промежутка
95
выключателя и нарастание восстанавливающегося напряжения на нем
непосредственно за переходом через нуль позволили получить следующие количественные соотношения.
l
Если индуктивность длины участка линии
ста замыкания (рис. 25), равной
1 км
, обозначить
от выключателя до ме-
L
, то так же как и
2
в случае длинной линии, выражение для амплитуды падения напряже-
l
ния на участке длиной
примет вид
,
где
22UILILl
02 КЗ 2 КЗ 2
I
– действующее значение тока короткого замыкания; – угло-
КЗ
вая частота напряжения сети.
1 кмl
При удалении короткого замыкания на длину линии
2Т
резке времени
волна успевает совершить несколько пробегов по
на от-
участку линии, вследствие чего процесс изменения потенциала
в точке б (рис. 25) от
U
02
до
U
при отсутствии затухания (линия
02
без потерь) будет носить пилообразный характер. При этом время одного цикла перезаряда линии при собственных колебаниях составит
4l
v
где
– скорость движения электромагнитной волны по линии, опре-
э.в
деляемая параметрами
Т
L
индуктивности и
2
,
v
э.в
С
емкости длины линии,
2
равной 1 км,
1
LC
22
.
[10].
Для воздушной линии
э.в
v
э.в
300 000 км сv
При допущении, что потенциал в точке а (со стороны сети) за
2Т
время
остается равным
гося напряжения при
U
, значение пика восстанавливающе-
02
2t Т
достигает величины двойной амплитуды:
UUU U
вмакс 202
()2
абt Т
96
.
Учитывая, что падение напряжения на линии от тока короткого за-
Z
мыкания в момент перехода тока через нуль, как и в случае длинной
линии, амплитуда первоначального пика составит
22UILl
вмакс КЗ 2
. (70)
Скорость восстановления напряжения на первом подъеме (от
2)t Т
до
где
Для воздушных линий
с
составит:
22
dU
в
dt Т
210 ВмксIZ
– волновое сопротивление линии
в.л
50 Гцf
выражение для скорости восстановления напряжения (71)
ILl
КЗ 2
2
КЗ в.л
L
C
500 ОмZ
в.л
Z
в.л
2
ILv
КЗ 2 э.в
6
2
.
2
, (71)
и для промышленной частоты
примет вид
dU
в
0, 22 Вмкс
dt
I
КЗ
. (72)
6.7. МГНОВЕННОЕ ЗНАЧЕНИЕ ВОЗВРАЩАЮЩЕГОСЯ
НАПРЯЖЕНИЯ В МОМЕНТ ПЕРЕХОДА ЧЕРЕЗ НУЛЬ
0t
При определении восстанавливающегося напряжения, а также ско-
рости изменения возвращающегося напряжения в расчетных выражениях неоднократно применялась величина
U
мгновенного значения
0
напряжения промышленной частоты в момент перехода тока через нуль.
Это значение напряжения принято называть возвращающимся напряжением, представляющим собой то значение напряжения, которое в переходном процессе стремится установиться на разомкнутом промежутке.
В начальной стадии этого переходного процесса, как правило, пола-
U
гают, что
– величина постоянная.
0
97
Величина
U
возвращающегося напряжения прежде всего зависит
0
от угла сдвига фаз между током и напряжением
может быть учтено синусом угла(
(sin ) :
, влияние которого
2sinUUk
0 ннcх
k
где
– коэффициент схемы.
cх
Во многих случаях при коротких замыканиях сдвиг угла
90
током и источником ЭДС близок к
0 н cх
k
Коэффициент схемы
ется 1 до
3, зависит от рода короткого замыкания, наличия заземле-
, численное значение которого варьиру-
cх
, а
2UUk
,
sin 1
.
между
, следовательно,
ния в схеме, места замыкания и т. д.
На рис. 26 изображена трехфазная система с заземлением нейтрали
и показаны три случая: однополюсное замыкание на землю (рис. 26, а),
двухполюсное замыкание без земли (в месте замыкания) (рис. 26, б)
и трехполюсное замыкание без земли (рис. 26, в) [1, 4].
а б
в г
Рис. 26. Виды коротких замыканий за выключателем в трехфазной цепи
98
Под замыканием без земли следует понимать короткое замыкание,
которое электрически не соединяется с землей, т. е. замыкание на землю
в месте повреждения не имеет места.
При замыкании одной фазы на землю (рис. 26, а) возникает короткое
замыкание на землю, которое будет отключаться одним полюсом (фазой) выключателя. Возвращающееся напряжение при однополюсном за
мыкании на землю при
1k
будет равно амплитуде фазового напря-
cх
жения
UUk U
22
0 ф cхф
. (73)
m
В случае двухполюсного замыкания без земли (в месте замыкания),
рис. 26, б, в его отключении задействованы два полюса выключателя,
которые соединены последовательно. Таким образом, на один полюс
будет приложено половина амплитуды линейного напряжения, определяющего величину возвращающегося напряжения:
-
k
где
cх
UU Uk
3
0,866
– коэффициент схемы при двухполюсном корот-
22
0 ффcх
2
3
. (74)
2
ком замыкании без земли.
При отключении трехфазного короткого замыкания для систем с заземленной нейтралью мгновенное значение (первой рвущей фазой)
(рис. 26, в) возвращающегося напряжения принято считать равным
1, 3 1, 3 2
UU U
0 фф
m
. (75)
На практике обычно в воздушных линиях перекрытие фаз наиболее
вероятно на опорах, и возникающая при этом дуга, как правило, замкнет
провода на землю. Поэтому при заземлении места перекрытия и при
наличии заземления в нейтрали трехфазное короткое замыкание распадается на три однофазных с возвращающимся напряжением в каждой
фазе, равным
2UU
0 ф
. (76)
При трехфазном (трехполюсном) коротком замыкании, если в месте короткого замыкания не образуется заземление, режим работы
выключателя утяжеляется. Так, при трехфазном коротком замыкании
99
для систем без заземленной нейтрали место короткого замыкания
электрически не соединяется с землей (рис. 26, г), тогда на первом
полюсе (фазе) выключателя, рвущем дугу, возникает напряжение
1, 5 2UU
0 ф
, (77)
где
1, 5k
cх
– коэффициент схемы при трехфазном отключении на пер-
вой рвущей фазе.
Соотношение (77) поясняет рис. 27. Предположим, что в фазе 1 ток
проходит через нуль, а напряжение равно амплитуде –
2mUU
фф
В фазе 1 при проходе тока через нуль дуга гаснет, и на зажимах выключателя а и б (рис. 27) восстанавливается напряжение, величина которого
равна разности потенциалов в точках а и б. При этом со стороны зажима
выключателя а возникает потенциал
2 U
, а со стороны зажима вы-
ф
ключателя б через горящие дуги в фазах 2 и 3 и через место замыкания
2
передается потенциал фаз 2 и 3, равный
U
.
ф
2
Следовательно, разность потенциалов между точками а и б, представляющая собой возвращающееся напряжение для первой рвущей (гасящей) фазы трехфазного замыкания
UU U U U U
0 АБ ф ф ф
21,52
2
2
.
Случай трехфазного короткого замыкания без земли при отсутствии
заземленной нейтрали представляет собой явление весьма редкое.
U
фm
U
фm
1
U
ф
m
2
1
3
UU
0 ф
2
1, 5
m
1
2
3
.
Рис. 27. Величина возвращающегося
напряжения на первой рвущей
фазе выключателя
Рис. 28. Отключение двойного
замыкания на землю одним
полюсом выключателя
100
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]