- •Техника высоких напряжений: Изоляция и перенапряжения. Учеб. Пособие для студентов заочной формы образования. Казань: Казан. Гос. Энерг. Ун-т, 2012. - с.: ил.
- •1. Изоляция и перенапряжения или техника высоких напряжений
- •1.1. Применение высоких напряжений для передачи электрической энергии
- •1.2. Изоляция электрических установок
- •1.3. Перенапряжения, воздействующие на электроустановки
- •1.4. Работа изоляции в условиях длительного воздействия рабочего напряжения
- •2. Внешняя изоляция высоковольтного электрооборудования электроэнергетических систем
- •2.1. Общая характеристика внешней изоляции
- •2.2. Регулирование электрических полей во внешней изоляции
- •2.3. Диэлектрики, используемые во внешней изоляции
- •2.4. Назначение и типы изоляторов.
- •2.5. Электрофизические процессы в газах
- •2.6. Лавина электронов и условие самостоятельности разряда
- •2.7. Время разряда и вольт-секундные характеристики воздушных промежутков
- •2.8. Разряд в длинных воздушных промежутках
- •3. Разряд вдоль поверхности твердого диэлектрика
- •3.1. Механизм перекрытия изолятора в сухом состоянии
- •3.2. Механизм перекрытия изолятора при загрязненной поверхности и под дождем
- •3.3. Выбор изоляторов воздушных лэп и ру
- •4. Основные виды и электрические характеристики внутренней изоляции электроустановок
- •4.1. Общие свойства внутренней изоляции
- •4.2. Виды внутренней изоляции и материалы, используемые для их изготовления
- •4.3. Зависимость электрической прочности внутренней изоляции от длительности воздействия напряжения.
- •5. Кратковременная и длительная электрическая прочность внутренней изоляции электроустановок
- •5.1. Понятие “кратковременная электрическая прочность” внутренней изоляции и поведение изоляции при воздействии перенапряжений
- •5.2. Длительная электрическая прочность внутренней изоляции
- •5.3. Срок службы изоляции
- •5.4. Старение изоляции под воздействием частичных разрядов
- •5.5. Тепловое старение внутренней изоляции
- •5.6. Старение изоляции при механических нагрузках
- •5.7. Увлажнение как форма старения изоляции
- •5.8. Допустимые рабочие нагрузки на внутреннюю изоляцию
- •6. Система контроля и диагностика внутренней изоляции
- •6.1. Системы контроля качества изоляционных конструкций
- •6.2. Испытания изоляции повышенным напряжением
- •6.3. Испытания напряжением промышленной частоты
- •6.4. Измерения характеристик и испытания изоляции при повышенном напряжении
- •6.5. Профилактические испытания и диагностика изоляции оборудования высокого напряжения
- •7. Молния как источник грозовых перенапряжений, защита от прямых ударов молнии, молниеотводы
- •7.1. Физика разряда молнии
- •Общая характеристика молний
- •Электризация частиц и разделение зарядов в грозовых облаках
- •Процесс развития молнии
- •Основные электрические характеристики молнии
- •7.2. Принцип действия молниеотводов
- •7.13. Зона защиты двухстержневого молниеотвода
- •7.16. Крепление тросов на двухцепных металлических опорах вл 500 кВ
- •7.17. Двухцепные одностоечные опоры с двумя тросами
- •Вопросы для самоконтроля
- •Защитные аппараты
- •Защитные промежутки.
- •Трубчатые разрядники.
- •Вентильные разрядники.
- •Длинно-искровые разрядники.
- •Вопросы для самопроверки:
- •Молниезащита зданий и различных сооружений
- •7.6. Молниезащита в электроэнергетических системах
- •Общее и допустимое число отключений воздушных линий.
- •Применение защитных аппаратов для защиты воздушных линий.
- •Молниезащита подстанций от прямых ударов молнии.
- •Параметры импульсов грозовых перенапряжений, набегающих на подстанцию.
- •Зависимость максимального напряжения на электрооборудовании подстанций от крутизны набегающего импульса перенапряжения и от расстояния до защитного аппарата. Интервал координации изоляции.
- •Эффективность грозозащиты подстанции
- •Особенности молниезащиты подстанций и станций различного номинального напряжения
- •Вопросы для самопроверки:
- •8. Внутренние перенапряжения
- •8.1 Общая характеристика внутренних перенапряжений
- •8.2. Коммутационные перенапряжения
- •8.3. Квазистационарные перенапряжения на линиях электропередачи в симметричных режимах
- •8.4. Феррорезонансные перенапряжения при неполнофазных режимах
- •9. Влияние режима нейтрали сети на уровень перенапряжений
- •9.1. Режимы нейтрали электрических сетей
- •9.2. Резистивное заземление нейтрали
- •10. Способы защиты от перенапряжений
- •10.1. Система защиты от перенапряжений
- •10.2. Ограничители перенапряжений
- •10.3. Выбор ограничителей перенапряжений (опн) Условия надежной защиты с помощью опн
8.4. Феррорезонансные перенапряжения при неполнофазных режимах
В сетях различного назначения и разных классов напряжения практически всегда есть элементы, содержащие ферромагнитные сердечники. Поэтому в любой схеме имеется принципиальная возможность появления феррорезонансных процессов на промышленной частоте, на высших или низших гармониках. Для возникновения этих процессов необходимо наличие двух условий: токи должны быть достаточны для перехода кривых намагничивания за колено насыщения, а входное сопротивление сети, подключенной к зажимам обмотки, должно иметь емкостный характер. Активные составляющие входных сопротивлений, как подключенной сети, так и самой обмотки демпфируют феррорезонансные колебания, поэтому наиболее опасными в отношении феррорезонансных перенапряжений являются режимы холостого хода или преобладания реактивной нагрузки.
В симметричных трехфазных режимах сети имеющиеся в схеме емкостные элементы (участки воздушных и кабельных линий, батареи конденсаторов для улучшения cos φ, собственная входная емкость обмоток относительно земли) обычно оказываются зашунтированными низкоомным входным сопротивлением питающей сети, которое всегда имеет индуктивный характер, поэтому в нормальных режимах феррорезонанс маловероятен. Намного большие возможности для развития феррорезонанса возникают в несимметричных режимах, особенно - при неполнофазных включениях участков сети. Наиболее часто возникает феррорезонанс при неполнофазных режимах сети с изолированной нейтралью, когда емкость сети относительно земли оказывается соединенной последовательно с обмотками силового трансформатора или электромагнитного трансформатора напряжения, поэтому в дальнейшем ограничимся рассмотрением трех наиболее частых случаев возникновения феррорезонансных перенапряжений в электроэнергетических сетях: однофазного включения участка линии с холостым трансформатором, имеющим незаземленную нейтраль; двухфазного включения такой же линии, а также сложной аварии в сети с изолированной нейтралью - разрыва одной фазы с падением оборванного провода на землю со стороны источника питания.
Индуктивность линии может быть также присоединена к нелинейной индуктивности шунта намагничивания трансформатора. Кривая намагничивания такой объединенной индуктивности может быть построена путем графического сложения ординат кривых ψ(Iμ) трансформатора и LIμ=f(Iμ) индуктивности линии. В случае, когда параллельно шунту намагничивания трансформатора присоединена другая индуктивность L2 (например, индуктивность нагрузки или утроенная индуктивность рассеивания вторичной обмотки, соединенной в треугольник), эквивалентную им кривую намагничивания можно построить, сложив на графике абсциссы кривых ψ(Iμ)и IμL2(Iμ). Тогда в расчетной схеме остается лишь одна индуктивность эквивалентной кривой намагничивания.
Нелинейный феррорезонансный контур
При включении или отключении линий и трансформаторов возможны случаи отказа одной из фаз выключателя. Тогда возникают неполнофазные режимы однофазного или двухфазного разрыва, которые иногда могут привести к значительным перенапряжениям резонансного характера. Наиболее часто они встречаются в полублочных схемах присоединения трансформаторов на стороне высшего напряжения. Общая схема для анализа феррорезонансных процессов представлена на рис. 8.33.
Рис. 8.33. Общая схема возникновения феррорезонансных перенапряжений
В системах 6, 10, 35 кВ, работающих с изолированной нейтралью, на линиях, имеющих в конце трансформатор с малой нагрузкой или без нагрузки, несимметричные включения или отключения также могут привести к существенным перенапряжениям.
Однако не только отказ одной или двух фаз выключателя может привести к феррорезонансным перенапряжениям. В сетях 6 – 35 кВ отмечены случаи появления перенапряжений при обрывах проводов, сопровождавшихся часто падением на землю и заземлением одного из концов (рис. 8.34), перегоранием плавких предохранителей в одной или двух фазах.
Рис. 8.34. Схема сети и схема замещения при анализе феррорезонанса в сети с изолированной нейтралью при однофазном замыкании на землю
Как показали детальные исследования, возникающие перенапряжения являются следствием феррорезонанса напряжения в схеме, содержащей ёмкость одной или двух фаз линии на землю и нелинейную индуктивность трансформатора, которые оказываются при несимметричном режиме соединенными последовательно.
Если индуктивность с насыщающимся сердечником является единственным нелинейным элементом схемы, то анализ феррорезонансных перенапряжений для одной гармонической тока напряжения (например, для составляющих тока и напряжений промышленной частоты) можно провести, преобразовав внешнюю по отношению к зажимам индуктивности схему к последовательному соединению источника э.д.с, сопротивления и емкости, т. е. рассмотреть это явление в простейшей схеме колебательного контура (рис. 8.35). Без учета активного сопротивления можно записать равенство
(8.41)
напряжения UL (на индуктивности) и UC (на ёмкости) находятся в противофазе. При индуктивном режиме ( > ) ток в цепи отстает от э.д.с. Е
90˚ и поэтому можно записать
(8.42)
При ёмкостном режиме ( > ) ток в цепи опережает э.д.с. на 90˚ и поэтому можно записать
(8.43)
Учтем, что и при постоянной величине ёмкости С напряжение линейно зависит от тока I.
Для расчета нелинейных цепей можно использовать графоаналитический метод на основе вольтамперных характеристик. Такой метод дает ошибку, связанную с наличием высших гармоник. Однако, опыт показывает, что при определении амплитуды напряжения эта ошибка невелика. Главную роль в кривых напряжения и тока играет основная гармоника, которая и положена в основу анализа.
На (рис. 8.36) показана вольтамперная характеристика нелинейной индуктивности и проведена прямая, соответствующая зависимости Uc = f(I). Их пересечение определяет возможные режимы в цепи.
Как видно из рис. 8.37, при достаточно больших значениях ёмкости С прямые и пересекают вольтамперную характеристику в трёх точках. При меньших значениях ёмкости С (пунктирные прямые) пересечение возможно только в одной точке. Тогда говорят, что в цепи возможен только ёмкостной режим (прямая не имеет точки пересечения с ).
Устойчивые режимы в точках а и б могут существовать с одинаковой вероятностью. Отличаются они величиной UC (в точке а UC значительно больше по сравнению с напряжением UC , когда реализуется режим т.б) и фазой тока I в цепи по отношению к э.д.с. Е. При случайных возмущениях в цепи возможен переход, например, из точки б в точку а . Такой переход получил название феррорезонансного скачка, так как такое явление наблюдается только в нелинейных цепях, в частности в цепях с нелинейной индуктивностью. Одновременно при скачке происходит изменение фазы тока I , что тоже получило особое название "опрокидывание фазы".
Выясним влияние активного сопротивления схемы. При наличии активного сопротивления уравнение Кирхгофа записывается в следующем виде: , или, используя векторную диаграмму цепи, последнее уравнение можно записать иначе
. (8.44)
Откуда
. (8.45)
Первое слагаемое в (8.45) представляет собой эллипс с полуосями Е и . Сумма ординат этого эллипса и прямой дает правую часть (4-6). Точки пересечения получившейся от этой суммирования кривой с вольтамперной характеристикой катушки определяют все возможные состояния равновесия схемы (рис. 8.37) причем, одно из трех возможных решений (точка в) является неустойчивым. При малых значениях сопротивления (r << ) возможны три точки пересечения, при очень больших r (пунктир на (рис.4-3)) оказывается возможным только одно установившееся состояние, соответствующее индуктивному режиму с малым напряжением UC. Поэтому, достаточно большое по величине активное сопротивление способно ограничивать максимально возможную величину перенапряжений при феррорезонансе.
Рис. 8.35. Простейший колебательный контур с нелинейной индуктивностью
Рис. 8.36. Графоаналитический метод определения напряжения
Рис.8.37. Расчет напряжений с учетом активного сопротивления
Рис.8.38. Напряжения на фазах при однофазном замыкании на землю в сети с изолированной нейтралью
Феррорезонансные перенапряжения представляют серьезную опасность для электроустановок сетей 6-35 кВ (рис. 8.38). Эта опасность возрастает под влиянием следующих факторов: в связи с искусственным поддерживанием повышенного значения напряжения в сети в целях обеспечения компенсации потери напряжения; с увеличением количества сезонных трансформаторных нагрузок, и, следовательно, слабо нагруженных трансформаторов. Использование в магнитной системе трансформаторов 6-35 кВ материалов с улучшенными характеристиками приводит к увеличению индуктивности и шунтирующей емкости трансформаторов, а следовательно, вероятности возникновения феррорезонанса.
В сетях с изолированной нейтралью феррорезонанс может развиваться в полнофазных режимах работы сети при наличии индуктивности с насыщающимся сердечником, включенной параллельно фазной емкости сети на землю. Такой индуктивностью часто оказывается обмотка трансформатора напряжения. Однако наиболее вероятной схемой для развития феррорезонанса являются неполнофазные режимы. В зависимости от параметров резонансных контуров феррорезонансные перенапряжения могут возникать на основной частоте, высших гармониках и субгармониках. Как показывают результаты многочисленных исследований и опыт эксплуатации промышленных сетей, значительные феррорезонансные перенапряжения возникают главным образом на промышленной частоте.
В сетях 6-10 кВ наблюдались случаи очень быстрого повреждения трансформаторов напряжения (ТН) контроля изоляции. Через доли минуты после возникновения однофазного замыкания сети на землю ТН начинал дымить и выходил из строя. Такие случаи наблюдаются при обрывах и падениях проводов и других несимметричных режимах в сети. Вскрытие поврежденных ТН выявляло обугливание изоляции обмотки высокого напряжения одной из фаз. Такие повреждения возможны только при четырехкратном непрерывном перевозбуждении трансформатора, что характерно для феррорезонансных процессов.
Вопросы для самопроверки:
Что означает понятие «феррорезонанс»?
Назовите необходимые и достаточные условия возникновения феррорезонансных перенапряжений.
Задание на самостоятельную работу.
С помощью графоаналитического метода найдите максимальное значение феррорезонансных перенапряжений в сети с изолированной нейтралью при обрыве провода с падением на землю.
С помощью графоаналитического метода найдите максимальное значение феррорезонансных перенапряжений в сети с заземленной нейтралью при обрыве двух фаз без замыкания на землю.