Ответы на ТВН

импульсное сопротивление протяженного заземлителя. При малых длинах его, когда плотности тока велики, искровые процессы могут привести к уменьшению импульсного коэффициента до аи≤1.

Требование: Вся подстанция должна попадать в зону защиты.

24.Общая характеристика перенапряжений. Виды перенапряжений.

Перенапряжение – всякое повышение напряжения в электрической сети больше максимального рабочего Uр.макс =UH + (0,2÷0,05)UH , в зависимости от класса напряжения.

При перенапряжениях создаются тяжелые условия для работы изоляции, т. к. они могут во много раз превышать Uр.макс. Перенапряжения подразделяются:

1)на внешние (грозовые); 2)внутренние (переходные процессы в электрических сетях).

На рис. приведена классификация перенапряжений.

ПУМ – прямой удар молнии. Необходимо знать следующие характеристики перенапряжений:

1. Максимальное значение амплитуды

ний KП = Uмакс/Uр.макс. 2.Длительность воздействия перенапря-

жения.

3.Форму кривой перенапряжений (апериодическая, колебательная, высокочастотная и др.).

4.Широту охвата элементов электрической цепи.

Все перечисленные характеристики имеют стохастическую природу и имеют значительный статистический разброс, который обязательно учитывается при расчетах. Для изоляции высоковольтных устройств низких классов напряжения

(U ≤ 220 кВ) наиболее опасными являются грозовые перенапряжения. Их изоляция выдерживает коммутационные перенапряжения любой кратности.

Для изоляции высоковольтных устройств высоких и сверхвысоких классов напряжения (U > 330 кВ) наиболее опасными являются коммутационные перенапряжения.

Поэтому на низких классах напряжения ограничивают специальными устройствами только грозовые перенапряжения, а на высоких классах принудительно ограничивают и внутренние перенапряжения.

Наиболее многообразны внутренние перенапряжения. Причины возникновения внутренних перена-

пряжений очень разнообразны (отключение линии электропередач, трансформатора и другие переключения; обрывы фаз; КЗ, перекрытие и пробой изоляторов).

Внутренние перенапряжения вызываются колебаниями энергии, запасенной в элементах сети, или при изменении поступающей энергии от источников энергии (генераторы при изменении первоначальных параметров).

Элементы электрической сети: источники энергии; накопители энергии (конденсаторы, катушки индуктивности); поглотители энергии (активные сопротивления, корона, проводимость изоляции).

Внутренние перенапряжения делятся на коммутационные, квазистационарные (установившиеся), стационарные.

В зависимости от места приложения можно выделить различные типы перенапряжений.

Наибольшее практическое значение имеют фазные перенапряжения. Они воздействуют на изоляцию токоведущих частей электрооборудования от земли или заземленных конструкций. К этой изоляции нормально приложено фазное напряжение. Однако в сетях с изолированной нейтралью следует учитывать, что в процессе поиска места замыкания на землю (длительностью от минут до нескольких часов) к фазной изоляции может быть приложено линейное напряжение.

Междуфазные перенапряжения рассматриваются при выборе междуфазной изоляции, например - расстояний между проводами разных фаз на линиях и подстанциях, обмотками различных фаз трансфор-

маторов, машин, реакторов. Рабочим напряжением для этих видов изоляции является линейное напряжение.

Внутрифазные перенапряжения возникают между различными токоведущими элементами одной и той же фазы, например между соседними витками или катушками обмотки трансформатора, а также между нейтралью и землей.

Перенапряжения между контактами коммутирующих аппаратов возникают в процессе отключения участка сети или при несинхронной работе двух участков сети.

25.Грозозащита линий электропередач.

Грозовые перенапряжения возникают от прямого удара молнии, от разряда в землю вблизи линии (индуктированные перенапряжения).

Линия длиной L со средней высотой подвеса h принимает удары с площади S.

S = 2 3h L 10−3 .

Число ударов на 1 км2 на 1 грозовой час равно 0,067. Число поражений линий в год N при n ( грозовых часах в году) будет определяться как: N = 0,067 100 * 6hL 10−3

Число перекрытий изоляций линий в год: NПЕР = N PПЕРЕК

PПЕРЕК - вероятность перекрытия изоляции при ударе молнии.

Число грозовых отключений линии может быть меньше числа перекрытий изоляции. Определяющее значение имеет градиент рабочего напряжения вдоль пути перекрытия ЕСР=UРАБ / lПЕР

Вероятность перехода импульсного перекрытия в силовую дугу: η =1,5 (ЕСР − 4) 10−2 .

Общее число грозовых отключений линий: N = 0,4 hСР 10−3 * h L РПЕРЕК η . Существует 2 метода уменьшения числа грозовых отключений:

1)Уменьшение вероятности перекрытия изоляции;

2)Уменьшение вероятности перехода импульсного перехода в силовую дугу.

Первый способ реализуется путем надежного заземления тросов. Второй путем удлинения пути перекрытия за счет использования деревянных опор.

26.Грозозащита станций и подстанций.

Эффективность защиты подстанции характеризуется средним годовым числом перекрытий изоляции вследствие прорывов молнии в зону зашиты β1, обратных перекрытий при ударах в молниеотводы β2 и перекрытий в результате опасных перенапряжений, возникающих при набегании на подстанцию импульсов по воздушным линиямβ3.

β1, β2, β3 – число опасных случаев в год.

Расчетное число лет безаварийной работы подстанций будет равно:

Для ограничения тока через вентильный разрядник необходимо уменьшить вероятность ударов молнии. Для этого участки линии длиной l1- 3 км, т.к. называемые подходы к подстанции должны защищаться тросовыми либо отдельно стоящими стержневыми молнииотводами.

Если линия защищена тросами по всей длине, то это указывает на выполнение высоких требований грозозащит подстанции.

Требования надежной защиты подстанции :

•Низкие сопротивления заземлителя опор ;

•Малые углы защиты тросов (α) .

Такие подходы называют защищенными.

Наличие такого подхода ограничивает вероятность набегания на подстанцию волн с большими значениями крутизны фронта.

А) Для деревянных опор

В) Для металлических опор

На деревянных опорах трос подвешивается только в пределах защищенного подхода. На деревянных опорах спуски от тросов к заземлителям располагаются на стойках, что снижает прочность изоляции. РТ2для защиты линейного выключателя когда он разомкнут а линия находится под напряжением.

27.Волновые процессы в линиях, преломление и отражение волн в узловых точках.

Волновые процессы в линиях

При прямом ударе молнии (ПУМ) в линию или вблизи нее (в землю) возникают электромагнитные волны, распространяющиеся вдоль провода ЛЭП. Атмосферные перенапряжения на линиях и подстанциях определяются движением и преломлением этих волн. Поэтому анализ волновых процессов при расчетах устройств грозозащиты имеет принципиально важное значение.

Волна распространяется вдоль линии в воздухе со скоростью υ =С / µε =C =300 м/мкс– скорость све-

та (µ – относительная магнитная проницаемость среды; ε – диэлектрическая проницаемость среды). Для воздуха µ0 = 1;ε = 1.

Для кабельных линий µ = 1;ε ≈ 4. Следовательно, в кабелях υ ≈ 0,5С. Напряжение и ток волны связаны

Волновое сопротивление единичного провода воздушной линии Z = 400…450 Ом. Кабельные линии имеют Z = 50…100 Ом.

В общем случае волновой процесс в линиях определяется четырьмя основными параметрами: емкостью С, индуктивностью L, активным сопротивлением провода r и активной проводимостью диэлектрика g.

Преломление и отражение волн в узловых точках

Узловой точкой линии называют такую точку, в которой скачком изменяется соотношение между электрическим и магнитным полем, т. е. изменяется волновое сопротивление линии ZЛ.

Для расчета преломленных и отраженных волн в узловых точках используют эквивалентную схему замещения линии с распределенными параметрами на линию с сосредоточенными параметрами по правилу Петерсена (см. рис. 4.9).

Рис. 4.9. Эквивалентная схема замещения длинной линии по правилу Петерсена для расчета преломленных и отраженных волн в узловой точке А: Uпад – падающая волна напряжения;Z1 – волновое сопротивление длинной линии, по которой падает волна напряжения;Z2 – волновое сопротивление длинной линии после точки неоднородности; А – узловая точка (место неоднородности);UA – напряжение в узловой точке.

Рассмотрим несколько примеров отражения и преломления волн в узловых точках при бесконечной длине падающей волны с прямоугольным фронтом.

Рассмотрим несколько примеров отражения и преломления волн в узловых точках при бесконечной длине падающей волны с прямоугольным фронтом.

1. Конец линии (точка А) разомкнут,Z2 =∞:

Падающая волна напряжения отражается полностью с тем же знаком, и в точке А, на конце линии, напряжение удваивается.

Падающая волна тока отражается от разомкнутого конца полностью с обратным знаком, и ток в линии равен нулю.

2. Линия в конце (точка А) закорочена,Z2 = 0 .

Падающая волна напряжения отражается полностью от короткозамкнутого конца линии с обратным знаком, напряжение в точке А равно нулю, а волна тока отражается с тем же знаком – удваивается. 3. Линия в конце (точка А) согласована, т. е. Z1 =Z2 =Z.

Нетрудно видеть, что в этом случае падающие волны напряжения и тока не испытывают отражений и преломлений при падении на согласованное Z.

Отсюда αUпад =Uпад + βUпад , где α-β=1. Определим границы изменения α и β.

1.Предположим, что Z2 = 0, тогда из выражения (4.9) α = 0. При Z2=∞ α = 2. Следовательно,α изменяется в диапазоне 0≤ α ≤ 2.

2.Предположим, что Z2 = 0, тогда из выражения (4.10) β =–1.При Z2=∞ β = 1. Следовательно,β изменяется в диапазоне –1≤ β ≤ +1.

28.Общая характеристика внутренних перенапряжений.

Наиболее многообразны внутренние перенапряжения. Причины возникновения внутренних перена-

пряжений очень разнообразны (отключение линии электропередач, трансформатора и другие переключения; обрывы фаз; КЗ, перекрытие и пробой изоляторов).

Внутренние перенапряжения вызываются колебаниями энергии, запасенной в элементах сети, или при изменении поступающей энергии от источников энергии (генераторы при изменении первоначальных параметров).

Элементы электрической сети: источники энергии; накопители энергии (конденсаторы, катушки индуктивности); поглотители энергии (активные сопротивления, корона, проводимость изоляции).

Внутренние перенапряжения делятся на коммутационные, квазистационарные (установившиеся), стационарные.

1) Важнейшей характеристикой перенапряжений на изоляции является их кратность, т. е. отношение максимального значения напряжения U макс к амплитуде наибольшего рабочего напряжения на данной

изоляционной конструкции √2 U ном.раб.: К = Uмакс/√ 2U ном.раб. (1)

Следует отметить, что при измерении кратности перенапряжений или при ее расчете Umax обычно отно-

сят не к величине √2Uном раб, а к фактической амплитуде рабочего напряжения, имеющего место непосредственно перед появлением перенапряжения или установившегося после него. Это не противоречит данному выше определению кратности по формуле (1), поскольку предполагается, что величина Umax пропорциональна рабочему напряжению и при повышении напряжения до наибольшего рабочего значения величина кратности не изменится.

Перенапряжения, кроме того, характеризуются рядом других параметров, которые учитываются при выборе электрической изоляции и средств ее защиты от перенапряжений.

2)Повторяемость определяется ожидаемым числом случаев возникновения перенапряжений за данный промежуток времени.

3)Форма кривой перенапряжения характеризуется длиной фронта, длительностью, числом импульсов и временем существования данного перенапряжения.

4)Широта охвата сети определяет число изоляционных конструкций, на которые одновременно воздействует данное перенапряжение.

Важное значение имеют также статистические характеристики ущерба в случае повреждения изоляции. Все перечисленные параметры перенапряжений являются, как правило, случайными величинами, что определяет необходимость статистического подхода к их исследованию и обоснованию требований к электрической прочности изоляции и характеристикам защитных устройств.

Условно развитие перенапряжения графически представлено на рис. 4.2.

I стадия – переходный процесс (коммутационные перенапряжения). Длится несколько периодов.

II стадия – условно установившееся состояние (квазистационарная). Переходный процесс закончился, но параметры цепи другие, поэтому установилось высокое напряжение, а регуляторы напряжения на генераторах еще не успели сработать.

III стадия – работа регуляторов напряжения у генераторов. Снижение напряжения до нового установившегося рабочего напряжения.

Увеличение длины и класса напряжения линии приводит к увеличению энергии в элементах сети и, как следствие, к увеличению кратности перенапряжений. В связи с этим для линий класса U > 330 кВ осуществляется принудительное ограничение перенапряжений до уровней:

30 кВ – Кп = 2,7; 500 кВ – Кп = 2,5; 750 кВ – Кп = 2,2; 1150 кВ – Кп = 1,8.

29.Установившиеся перенапряжения при коротком замыкании.

При возникновении на линии однофазного короткого замыкания на неповрежденных фазах установившиеся перенапряжения не превышают 1,3UФ, что допустимо с учетом кратковременности этого режима. Так как выключатели срабатывают неодновременно, то в течение секунды существует режим одностороннего питания. Режим связан с перенапряжениями на здоровых ( неповрежденных) фазах. На повышение напряжения от ёмкостного эффекта накладывается дополнительное повышение от несимметрии.

Ток однофазного замыкания на землю определяется как,

Токи различных последовательностей при этом равны:

Напряжение в каждой из фаз может быть представлено как сумма четырех составляющих:

-составляющей напряжения симметричного режима, существовавшей до КЗ;

-аварийной составляющей прямой последовательности

-составляющем обратной последовательности

- составляющей нулевой последовательности

Для точек, удаленных от шин генераторного напряжения . Обозначим:

Если сопротивление всех последовательностей принять реактивным, то m>1.

Для сетей с изолированной нейтралью m →∞. Для них Uгаш=1,1 Uном.

Для систем с заземленной нейтралью применяют 80% разрядники, то есть Uгаш=0,8 Uном. . Это позволяет уменьшить сопротивление нелинейного резистора и остаточное напряжение на разряднике.

30.Перенапряжения при отключении емкостей и ненагруженных линий.

Значительные коммутационные перенапряжения могут возникать не только при включениях, но и при отключениях недогруженных линий и конденсаторных батареи.

Рассмотрим отключение сосредоточенной емкости, например батареи конденсаторов С, от источника

(рис. 27.12, а).

При отключении после начала расхождения контактов выключателя между ними некоторое время продолжает горсть дуга. Допустим, что емкостный ток достаточно велик, так что дуга гаснет только в момент естественного перехода тока через нуль.

ω1 >>ω , UC =UФ . ω1 - частота колебаний зависящая от параметров схемы LC.ω- частота источника.

Если ёмкостный ток большой, то среза тока в выключателе не произойдет и дуга погаснет при прохождении тока через ноль. Напряжение при этом проходит максимальное значение.

Обрыв тока происходит когда напряжение максимально источника ЭДС .

А) После обрыва тока напряжение на ёмкости не меняется

и сохраняет величину uC = −UФ . Разность ЭДС

e(t) −uC = −UФ cosωt − (−UФ )=UФ (1 − cosωt).

Это есть восстанавливающееся напряжение на выключателе. Через полпериода напряжение достигает значения

2UФ . Если 2UФ больше электрической прочности промежутка, то произойдет повторное зажигание дуги. В схеме возникают высокочастотные колебания, которые накладываются на напряжение 50 Гц. uC =UФ cosωt − 2UФ cosω1t .

Ток через выключатель равен: iB =C dudtC = −UФωC sinωt + 2UФω1C sinωt .

Так как ω1 >>ω то амплитуда свободной составляющей тока значительно превышает амплитуду вы-

нужденной составляющей. Через полпериода собственных колебаний. t = T1 = π , напряжение дости-

2 ω1

гает максимум. Umax =UФ + 2UФ =3UФ .

Суммарный ток определяется свободной составляющей и при переходе через ноль дуга гаснет, а напряжение на емкости остается равным 3UФ.

Таким образом, происходит нарастание напряжения при новом погасании и зажигании дуги за счет накопления заряда на емкости.

Б) При отключении ненагруженных линий.

Схема представляет собой многочастотный колебательный контур. При повторных зажиганиях будут возникать свободные составляющие, которые увеличивают напряжение в конце линии. Для коротких линий после повторного зажигания линия

мгновенно приобретает потенциал U0 равное ЭДС источника. Для протяженных линий остающееся напряжение на линии после отключения U0 больше чем ЭДС источника.

После первого обрыва дуги на линии остаётся заряд Q. Заряд равномерно распределяется вдоль из-за колебательного переходного процесса. После затухания процесса во всех точках линии устанавливается потенциал U0. При этом напряжение на шинах после отключения равно ЭДС источника. Если имеются реакторы, то после обрыва дуги ёмкость линии будет разряжаться на реактор и будут возникать зату-

хающие колебания с частотойω2 <ω .

Преимущество установки реактора:

1) Уменьшает величину восстанавливающего напряжения (между главными контактами выключателя); 2) Снижает скорость нарастания восста-

навливающего напряжения.

31.Перенапряжения при отключении индуктивностей.

Примером отключения малых индуктивных токов является отключение от шин высокого напряжения ненагруженного трансформатора. При работе выключателя происходит так называемый «срез» тока, когда он обрывается в выключателе не при нулевом значении, а при значении I0 (рис. 27.20,а), которое зависит от амплитуды Imax тока, протекающего через выключатель (рис. 27.20,6). При небольших значениях Imах обрыв тока в выключателе может произойти даже в момент максимума протекающего тока, поэтому в области очень малых амплитуд ток среза I0 растет пропорционально Imах. Область насыщения соответствует максимальным значениям I0, определяемым конкретным типом выключателя. При очень больших амплитудах проходящего через выключатель тока явление среза отсутствует из – за образования сильно ионизированного дугового канала.

Рассмотрим срез тока в выключателе схемы рис. 27.21, а , которая соответствует отключению ненагруженного трансформатора выключателем Q. Емкость С в схеме обычно включает в себя входную емкость трансформатора и емкость шин до точки подключения выключателя. Индуктивность L соответствует индуктивности намагничивания трансформатора и может достигать очень больших значений (десятков генри).

Считаем, что произошёл срез тока в момент времени t0 со значением I0. Мгновенное напряжение на ём-

кости u0.

В момент обрыва тока мгновенное значение напряжения на емкости равно U0. В отключаемой части це-

учитывать затухание процесса, то в контуре LC возникают незатухающие колебания, которые описываются уравнением. uC (t)=U0 cosω1t +ω1LI0 sinω1t =U0 cosω1t + I0

где ω1 =1LC – собственная частота колебаний контура.

2

Максимальное напряжение на отключенной цепи Umax = U02 + I0 CL можно найти, используя

Напряжение на отключаемой индуктивности не достигает значения Umax из-за повторных зажиганий дуги в выключателе.

Напряжение между контактами выключателя U AB это разность UB −U A . Это напряжение значитель-

но возрастает до значения, большего номинального. Первый срез тока происходит в момент t0 и напряжение начинает возрастать по кривой. Восстанавливающаяся прочность межконтактного промежутка в течение первого полупериода свободных колебаний отключаемого контура, который обычно составляет менее 0,1 периода напряжения источни-

ка, еще мала, поэтому повторные пробои в выключателе неизбежны.

Процесс повторных пробоев в выключателе можно упрощенно проиллюстрировать с помощью рис.27.22.

После пробоя напряжение между контактами выключателя снижается почти до нуля, напряжение UL до величины напряжения источника. В выключателе появляется ток, который резко возрастает. Далее, происходит новый срез тока при меньшем мгновенном значении. При этом, амплитуда ожидаемого оказывается также меньшей, но превосходит

значения U ПР + Е происходят новые зажигания

дуги. Процесс длится до тех пор пока максимум ожидаемого напряжения не станет не станет меньше востанавливающейся

–пробивное напряжение между полностью разошедшимися контактами выключателя.

32.Перенапряжения при автоматическом повторном включении.

Использование АПВ основано на том, что большинство замыканий носит дуговой характер. Поэтому при отключении участка линии с КЗ с двух сторон дуга может погаснуть и линия может быть снова включена через время tапв (рис. 27.9). Цикл АПВ можно подразделить на следующие этапы:

1)отключение линии выключателем Q2, ближайшим к месту КЗ, приводящее к кратковременному режиму одностороннего питания линии;

2)отключение неповрежденных фаз линии выключателем Q1, т. е. обрыв емкостного тока при переходе его через нулевое значение, что соответствует максимуму напряжения на этих фазах;

3)повторное включение разомкнутой линии выключателем Q1;

4)замыкание выключателя Q2 и восстановление нормальной схемы электроснабжения.

После отключения выключателя Q2 напряжения на неповрежденных фазах в начале и в конце линии отличаются друг от друга и от ЭДС источника вследствие емкостного эффекта и КЗ на поврежденной фазе (поперечная несимметрия линии).

После отключения Q1 заряд на поврежденной фазе стекает в землю через дугу. На неповрежденных фазах наступает высокочастотный колебательный процесс выравнивания напряжений вдоль линии. Поскольку ёмкости на протяжении линии имеют неодинаковый заряд, то после затухания процесса заряд

распределяется вдоль линии, и по всей длине устанавливается одинаковое напряжение . Это напряжение зависит от длины линии, мощности источника, коэффициента несимметрии и от интервала между срабатыванием выключателей Q1 и Q2. Во время паузы при АПВ заряд стекает в землю через активные проводимости. Поэтому кривая 2 снижается. К концу паузы напряжение становится равным

. – это коэффициент, характеризующий снижение напряжения во время бестоковой

паузы. – статистическая величина и зависит от места КЗ и погодных условий и состояния поверхности изолятора.