4. Защита от грозовых и коммутационных перенапряжений с помощью опн. Коммутационные перенапряжения

Коммутационные перенапряжения

Коммутационные перенапряжения возникают при включении ненагруженной линии, при котором на квазистационарное перенапряжение за счет емкостного эффекта накладываются затухающие колебания на емкости и индуктивности линии, частота которых зависит от длины линии. Амплитуда колебательной составляющей максимальна при угле включения 90о или 270о и величина ее составляет порядка двух амплитуд установившегося режима. При совпадении частоты собственных колебаний линии с частотой сети амплитуда колебательной составляющей может достигнуть десятикратной величины вынужденной составляющей. Для снижения этого типа перенапряжений используют следующие меры:

• шунтирующие резисторы с двухступенчатым включением, сначала с резистором сопротивлением 600..1200 Ом, а затем через 10..20 мс шунтирование этого резистора;

• применение выключателей, позволяющие выбирать наиболее благо- приятный момент включения;

• использование вентильных разрядников и устройств плавного пуска (софтстартеров) для ограничения перенапряжений;

• секционирование линий на участки длиной не более 250..300 км. При автоматическом повторном включении после однофазного или двухфазного замыкания переходный процесс отличается от включения ненагруженной линии возможным наличием зарядов на неповрежденных фазах линии. Заряд на линии без реакторов стекает на землю через активные проводимости изоляторов, и в среднем для сухой погоды при задержке АПВ на 0.4 с напряжение оставшихся зарядов составляет 60-70% первоначального. В целом перенапряжения при АПВ обычно выше, чем при включении ненагруженных линий. Значительные коммутационные перенапряжения могут возникать не только при включениях, но и при отключениях ненагруженных линий и конденсаторных батарей. Значительные перенапряжения при отключении емкостного элемента могут возникнуть из-за повторных пробоев между расходящимися контактами выключателя. Пробивное напряжение межконтактного промежутка гораздо быстрее расчет у воздушных выключателей с их быстрым перемещением контактов и интенсивным дутьем, чем у масляных выключателей. При переходе тока через ноль дуга прекращается, а через полпериода из-за остающегося на емкостном элементе напряжения восстанавливающееся напряжение на контактах составит двойную амплитуду сетевого напряжения, и если оно окажется больше пробивного напряжения, то возникает повторное включение цепи. Следующий обрыв тока произойдет при прохождении тока через нулевое значение и может опять произойти повторный пробой. Коммутация представляет собой серию чередующихся отключений и включений с пробоями на максимумах напряжений и раскачиванием процесса в отключаемой цепи. Из-за больших значений возникающих перенапряжений подобного типа целесообразно применять выключатели, не дающие повторных зажиганий в процессе отключения ненагруженных линий и конденсаторных батарей. К появлению перенапряжений приводит и отключение коротких замыканий, поскольку при этом из-за селективности защиты отключается только часть линии, а оставшаяся часть представляет собой линию, на которой восстанавливается напряжение после отключения ближнего к короткому замыканию выключателя. Наличие на линии устройства продольной компенсации приводит к увеличению перенапряжений, которые могут превысить трехкратное значение амплитуды напряжения источника питания линии. Отключение ненагруженного трансформатора (и любого другого индуктивного элемента) сопровождается возникновением при срезе тока выключателем затухающих колебаний большой амплитуды в контуре индуктивность трансформатора – емкость цепи. Возникающие при этом повторные зажигания дуги в выключателе ограничивают возникающие перенапряжения, однако при большом количестве повторных зажиганий больше и перенапряжения, которые могут достигнуть четырех амплитуд рабочего напряжения и более. Разрядники, устанавливаемые на трансформаторном присоединении, ограничивают перенапряжения. Емкостная генерация в линии электропередачи приводит к повышению напряжения на уделенном от генератора ненагруженном конце линии. В сетях с изолированной нейтралью квазистационарные перенапряжения возникают при однофазных замыканиях на землю. В сетях с компенсированной нейтралью возможно большое смещение нейтрали в нормальном режиме из-за несимметрии отдельных фаз линии. Гашение электрической дуги приводит к возникновению в сети перенапряжений, определяемых скоростью спада тока при гашении дуги. При включении и отключении ненагруженных линий, при отключении конденсаторных установок и ненагруженных трансформаторов возникают коммутационные перенапряжения большой величины.

china.msk.ru

Тема 2. Коммутационные перенапряжения

2.1. Общие положения

Основной характеристикой внутренних перенапряжений (Uвн макс ) является их кратность по отношению к амплитудному значению номинального фазного напряжения (Uфm)

Перенапряжения при различного рода коммутациях могут быть обусловлены повышением напряжения установившегося режима и повышением напряжения во время переходного процесса. Повышение напряжения в установившемся режиме (Uуст) характеризуется кратностью установившегося (квазистационарного) перенапряжения

Повышение напряжения в переходном режиме по отношению к установившемуся характеризуется ударным коэффициентом

Расчеты переходных процессов чаще всего ведутся в системе относительных единиц.

В качестве базовых значений принимают угловую частоту источника w, номинальное фазное напряжение Uф и волновое сопротивление линии Z. Тогда базовая мощность окажется равной натуральной мощности линии .

Все остальные расчетные значения выражаются по отношению к базовым.

Относительные сопротивления сосредоточенных индуктивностей и емкостей ;.

В расчет переходных процессов входят индуктивности L и емкости C. В системе относительных единиц частота источника (синхронная частота) , поэтомуи, т.е. численное значение индуктивного сопротивления и индуктивности, как и емкостной проводимости и емкости совпадают.

Всякая иная угловая частота, отличная от синхронной частоты, в относительных единицах равна .

Индуктивное сопротивление и емкостная проводимость линии длиной в относительных единицах выражаются следующим образом

;

где и- индуктивность и емкость линии на единицу длины;- длина линии, км; с – скорость света.

Произведение wt называют волновой длиной линии, выраженной в радианах.

2.2. Перенапряжения при включении разомкнутой линии

Одной из самых простых и распространенных операций является включение ненагруженной линии, которое сопровождается перенапряжениями сравнительно небольшой кратности. Этот процесс можно рассмотреть на схеме рис.2.1, где линия подключена к источнику синусоидального напряжения e(t)=Emsin(wt + j), имеющего индуктивность Ls.

Рис.2.1. Включение разомкнутой линии под напряжение

Линии электропередачи являются элементами с распределенными параметрами, имеющими в переходном процессе бесконечное множество собственных частот колебаний, и напряжение в конце линии может быть найдено по формуле

где Umуст – амплитуда вынужденной составляющей напряжения;Umк– амплитуды свободных составляющих напряжения;wк– угловые частоты свободных составляющих;dк– коэффициенты затухания.

Расчет по этой формуле довольно сложен и с известной степенью приближения задача может быть решена более просто.

Большей частью волны коммутационного происхождения имеют положительный фронт и в этом случае линия может быть замещена простыми Т (l=200¸300 км) или П (l=300¸400 км) -образными схемами. В частности, приведенная на рис.2.1 схема может быть представлена в виде рис.2.2.

Если длина линии не превышает 400 км, то допустимо расчет коммутационных перенапряжений выполнить применительно к простому колебательному контуру, к которому приводится рассматриваемая линия (рис.2.3).

Рис.2.2. Т-образная схема замещения линии

Рис.2.3. Упрощенная схема замещения линии

Для Т-образной схемы замещения линии Lэ=Ls+ 0,5Lol и Сэ=Соl, где Loи Со индуктивность и емкость линии на единицу длины.

Для П-образной схемы замещения линии

; ,

где Xs – индуктивное сопротивление источника; Xл, bл – реактивные сопротивление и проводимость линии.

Для схемы рис.2.3 напряжение в конце линии совпадает с напряжением на емкости и содержит составляющую вынужденного режима и первую свободную составляющую

где ;w- частота источника;- частота свободных колебаний;- коэффициент затухания.

Амплитуда вынужденной составляющей .

Амплитуда свободных колебаний

Ударный коэффициент .

Из приведенных формул видно, что максимальное напряжение в конце линии определяется в основном углом включения jи частотой свободных колебанийw1.

Для ВЛ с Uном£330 кВ обычноw1/w>1, при этом максимальные напряжения в конце линии будут иметь место приj@90°или 270°. На рис.2.4 представлены кривые переходного процесса дляw1/w=2(характерно для ВЛ 220, 330 кВ) иj=90°.

Рис.2.4. Переходной процесс при включении линии с w1/w=2и приj=90°

Как видно из рис.2.4, наибольшее перенапряжение достигается при втором максимуме.

На ВЛ с Uном³500 кВ для увеличения пропускной способности и компенсации индуктивности последовательно с линией включают емкость (УПК). Это приводит к отношениюw1/w<1, при котором максимальные перенапряжения будут иметь место при углах включенияj=0°или 180°. На рис.2.5 показан переходной процесс при включении ВЛ сw1/w=0,5иj= 0.

Рис.2.5. Переходной процесс при включении линии с w1/w=0,5 иj= 0

При этом максимальные перенапряжения возникают на третьем максимуме кривой Uперех(wt).

На рис.2.4 и 2.5 в переходных процессах учтены только первые гармоники свободных составляющих напряжения.

На рис.2.6 показаны зависимости ударного коэффициента от угла включения линии и частоты свободных колебаний w1.

Рис.2.6. Зависимости ударного коэффициента от угла включения и частоты свободных колебаний

- w1= 1,25; 2 -w1= 2; 3 -w1= 3;

4- w1 = 4; 5 -w1= 7

Из рис.2.6 видно, что чем ближе частота свободных колебаний к основной частоте, тем Кудниже при угле включения близком к 90°. Исключение составляет частотаw1= 3, когда приj= 90°максимумы вынужденной и свободной составляющих не совпадают. Кроме того с уменьшениемw1позднее наступает совпадение максимумовUmустиUmсви следовательно максимум переходного процесса. В этом случае большое влияние на значение максимального перенапряжения оказывает коэффициент затуханияd. Вычисление значения этого коэффициента является сложной задачей. По данным измерений на ВЛ 500 кВ среднее значениеd@30 с-1, что соответствует уменьшениюUmсвза период Т=0,02 с на 45%.

Кривые Куд=f(j), полученные для линии, идут выше аналогичных кривых, рассчитанных для эквивалентного колебательного контура, за счет высших гармоник и превышения амплитуды колебаний первой собственной частоты над амплитудой вынужденной составляющей. При больших мощностях источника и длине линий это различие увеличивается. Наличие реакторов поперечной компенсации увеличивает Куд, а продольная компенсация выравнивает кривую Куд=f(j), уменьшая Кудвблизи максимума и увеличивая вблизи нулевого значения ЭДС, что объясняется влиянием субгармонических составляющих напряжения свободных колебаний.

В эксплуатации возможен случай, когда w1=w, при этом выполняются условия резонанса на промышленной частоте. Тогда напряжение в конце ненагруженной линии

Колебания идут с постепенно нарастающей амплитудой, которая в пределе достигает значений установившегося напряжения во много раз превосходящего ЭДС источника .

При длине линий до 100-150 км (ВЛ 110-220 кВ) перенапряжения достигают максимального значения вблизи амплитуды установившегося напряжения, поэтому приближенно , где;

; x,b– реактивные сопротивление и проводимость линии; Т1– период собственных колебаний.

Включение блока трансформатор-линия без выключателя со стороны линии, рис.2.7 сопровождается появлением свободной составляющей магнитного потока трансформатора.

Рис.2.7. Включение блока трансформатор-линия

Совпадение свободной составляющей магнитного потока с вынужденной приводит через полпериода промышленной частоты к насыщению магнитной цепи и к появлению высших гармоник. Свободная составляющая магнитного потока затухает медленно (десятки периодов промышленной частоты) и переходной процесс получается затяжным, характеризуемым значительными перенапряжениями. Это явление получившее название переходного резонанса представляет опасность как для изоляции высоковольтного оборудования, так и для вентильных разрядников и особенно ОПН.

studfiles.net

4. Защита от грозовых и коммутационных перенапряжений с помощью опн.

4.1. Общие положения.

В настоящее время основным защитным аппаратом от грозовых и коммутационных перенапряжений является нелинейный ограничитель перенапряжений (ОПН).

Отсутствие искровых промежутков и высокая нелинейность варисторов ОПН приводит к тому, что ОПН ограничивает все виды перенапряжений от которых разрядник отстроен высоким пробивным напряжением. Поэтому ОПН должен надежно работать как при рабочем напряжении, так и при различного вида повышений напряжений. Отсюда следует, что важнейшими характеристиками ОПН, которые обеспечивают его надежную работу в эксплуатации являются следующие:

наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение, которое недолжно быть ниже наибольшего рабочего напряжения сети,
характеристика «напряжение-время», т.е. характеристика, нормирующая допустимые повышения напряжения и их длительность,
энергоемкость, т.е. нормируемая энергия, которую ОПН способен рассеить в любых эксплуатационных режимах без нарушения его термической устойчивости.

Как основной защитный аппарат, ОПН должен ограничить грозовые и коммутационные перенапряжения при нормируемых токах. Защитный уровень грозовых перенапряжений соответствует напряжению на ОПН при номинальном разрядном токе (напряжение на импульсе тока 8/20 мкс). Для ОПН класса 110-220 кВ амплитуда номинального разрядного тока составляет 10 кА, для 330-500 кВ амплитуда номинального разрядного тока составляет 20 кА.

Защитный уровень ОПН при коммутационном перенапряжении нормируется при токе 30/60 мкс с амплитудой 500 А для ОПН класса 110-220 кВ и 1000 А для ОПН классов 330-500 кВ. Защитный уровень при грозовых и коммутационных перенапряжениях должен быть на 15-20% ниже испытательных напряжений защищаемого оборудования.

В настоящее время на энергетическом рынке России имеется большой выбор ограничителей перенапряжений как отечественного, так и зарубежного производства. На один класс напряжения имеется несколько вариантов типов ограничителей с различными значениями наибольшего рабочего напряжения, защитными характеристиками, пропускной способностью и т.п. Это позволяет подобрать наиболее оптимальные параметры ограничителя в зависимости от схемы сети и ее параметров.

4.2. Место установки ОПН.

Защита электрооборудования от грозовых и коммутационных перенапряжений должна соответствовать рекомендациям гл.4.2. ПУЭ.

4.2.1. Места установки ОПН определяются функциональным назначением соответствующего ограничителя:

в цепи трансформатора, автотрансформатора или шунтирующего реактора – для защиты от грозовых и коммутационных перенапряжений при их включении или отключении;
на линии за линейным выключателем – для защиты электрооборудования, подключаемого к ВЛ за линейным выключателем, от коммутационных перенапряжений и набегающих с ВЛ на РУ волн грозовых перенапряжений.

4.3. Выбор основных параметров ОПН

К основным параметрам ОПН относятся:

наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение (Uнр),
номинальное напряжение (Uн),
номинальный разрядный ток (Iн)
защитный уровень при грозовых и коммутационных перенапряжениях,
характеристика «напряжение-время», т.е. характеристика, нормирующая допустимые повышения напряжения и их длительность,
пропускная способность, энергоемкость, т.е. нормируемая энергия, которую ОПН способен рассеить в любых эксплуатационных режимах без нарушения его термической устойчивости.

4.3.1. Наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение ОПН должно быть не ниже наибольшего рабочего фазного напряжения сети нормируемого ГОСТ 721.

Для повышения надежности работы ОПН Uнр ограничителя выбирают не менее, чем на 2-5% выше наибольшего уровня напряжения сети в точке установки ОПН.

При устойчивом существовании в нормальных режимах работы в месте установки ОПН высших гармоник Uнр выбирают на 10% выше наибольшего рабочего напряжения сети.

4.3.2. Номинальное напряжение ОПН принимают равным 1,25 Uнр.

4.3.3. Номинальный разрядный ток (Iн) в соответствии с рекомендациями МЭК 60099-5 сдует принимать 10 и 20 кА соответственно для классов напряжения 110-220 кВ и 330 кВ и выше.

4.3.4. Защитный уровень ОПН при грозовых и коммутационных перенапряжениях с учетом удаленности ОПН от защищаемого оборудования должен быть не менее чем на 15-20% ниже испытательных напряжений защищаемого электрооборудования.

4.3.5. Расчетная величина повышения напряжения в месте установки ОПН в нормальных и аварийных режимах с учетом работы релейной защиты и автоматики следует сопоставить с характеристикой «напряжение-время». Если расчетные повышения напряжения превышают нормированные для ОПН, то следует выбрать ОПН с более высоким значением наибольшего рабочего длительно допустимого напряжения.

Расчетными режимами для определения повышений напряжений являются следующие:

повышение напряжения в режиме одностороннего включения ВЛ.
повышение напряжения при одно- и двухфазных КЗ,
повышения напряжения при включении блока линия-трансформатор,
повышения напряжения при отключении системы шин с электромагнитными трансформаторами напряжения типа НКФ выключателями, имеющими шунтирующие емкости,
повышение напряжения при неполнофазных коммутациях,
повышения напряжения на отключенной в цикле ОАПВ фазе после погасания дуги подпитки.

4.4. Дополнительные требования к выбору параметров ОПН.

4.4.1. Требования к климатическим условиям эксплуатации. Ограничители наружной установки должны работать в районах с умеренным или (и) холодным климатом в условиях, предусмотренных для климатического исполнения У или (и) ХЛ с указанием категории размещения по ГОСТ 15150 и должны удовлетворять в части воздействия климатических факторов требованиям ГОСТ 15150 и ГОСТ 15543.1.

Ограничители должны быть предназначены для эксплуатации на высоте не более 1000 м над уровнем моря.

Ограничители должны допускать смену температур в диапазоне, указанном в ГОСТ 15150 для соответствующего исполнения аппарата, т.е. от -60оС до +45оС.

4.4.2. Изоляция ограничителей, изготовленная с применением органических (полимерных) материалов, должна быть трекинг-эрозионностойкой и стойкой к проникновению влаги.

Длина пути утечки внешней изоляции ограничителя должна обеспечивать работу в условиях соответствующих степени загрязнения II-IV - не ниже требований ГОСТ 9920.

4.4.3. Уровень частичных разрядов при напряжении 1,05Uнр должен быть не выше 10 пКл.

4.4.4. Ограничители наружной установки и опорного исполнения должны выдерживать механическую нагрузку от тяжения проводов в горизонтальном направлении (табл.4.4.1.) и ветровых и гололедно-ветровых нагрузок для следующих случаев:

при гололеде с толщиной стенки льда до 20 мм и ветра со скоростью 15 м/с
при ветре со скоростью 40 м/с и отсутствии гололеда.

Значения механических нагрузок от тяжения проводов в горизонтальном

направлении.

Таблица 4.4.1.

Наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение, кВ	Механическая нагрузка от тяжения проводов в горизонтальном направлении, Н, не менее
73-156	500
210-333	1000
455-475	1500

4.4.5. Ограничители должны быть взрывобезопасны. Изготовитель должен указать максимальное действующее значение установившегося большого и малого (800А) тока КЗ, который ограничитель должен выдерживать без опасного взрывного разрушения. Токи КЗ в месте установки ОПН должны быть не более нормированных токов предохранительного устройства для ОПН.

4.4.6. Ограничители с полимерной внешней изоляции должны быть пожаробезопасны.

4.5. Выбор параметров ОПН, устанавливаемого взамен вентильного

разрядника.

Ниже приведены рекомендации, которые позволяют выбрать основные параметры нелинейных ограничителей перенапряжений, устанавливаемых взамен вентильных разрядников на то же самое место, где ранее были установлены вентильные разрядники. В этом случае сохраняется расстояние между защищаемым объектом и защитным аппаратом, которое нормируется ПУЭ. Поскольку ограничитель имеет защитные характеристики ниже, чем вентильные разрядники, то такой подход обеспечивает более надежную защиту объекта.

4.5.1. Испытательное напряжение современного оборудования координируется с остающимся напряжением вентильного разрядника РВМГ при токе 5 кА. Поэтому, устанавливаемый вместо вентильного разрядника ОПН должен иметь остающееся напряжение при грозовом импульсе тока с амплитудой 5 кА не выше, чем у вентильного разрядника при том же токе.

4.5.2. Необходимо сопоставить возможные в эксплуатации повышения напряжения с допустимой для ограничителя такого напряжения.

В зависимости от места установки ограничителя и схемы подстанции возможны различные повышения напряжения как по величине, так и по длительности. Ограничители при замене вентильных разрядников могут быть установлены либо в ячейке трансформатора до коммутационного аппарата, либо на шинах ПС.

При установке ограничителя в ячейке трансформатора в нормальных, ремонтных или аварийных режимах возможны:

временные повышения напряжения (UВР) в случае коммутации блока линия трансформатор,
повышения напряжения на здоровых фазах при однофазном К.З. на землю.

Коммутация блока линия-трансформатор возможна при схеме ПС “мостик” или “четырехугольник”. При двойной системе шин с большим числом отходящих линий коммутация блока линия-трансформатор практически невозможна.

Если схема ПС допускает возможность коммутации блока линия- трансформатор, то необходимо провести расчеты по определению величины (UВР) и длительности (tВР) временных перенапряжений и сопоставить их с допустимыми для ограничителя величинами. Если при длительности временных перенапряжений tВР величина допустимого повышения напряжения Ut оказывается ниже величины расчетных временных перенапряжений, то следует выбрать ограничитель с более высоким наибольшим рабочим длительно допустимым напряжением (UН.Р) в UВР/Ut раз.

Повышение напряжения на здоровых фазах при однофазных К.З. и время ликвидации его релейной защитой также должно быть сопоставлено с характеристикой напряжение-время ОПН. Если время отключения К.З. релейной защитой превышает время, допустимое для ОПН для повышения напряжения на здоровых фазах в этом режиме, то необходимо выбрать ограничитель с большим значением UН.Р.

4.5.3. Если на ПС используются как вентильные разрядники, так и ОПН, то ОПН подвергаются большому числу токовых грозовых воздействий, чем вентильные разрядники, поскольку ОПН имеет более низкий защитный уровень, чем вентильный разрядник, и не имеет искрового промежутка. Однако ОПН имеют большой номинальный разрядный ток и пропускную способность, чем РВ

Неравномерность в распределении токов между разноименными защитными аппаратами на ПС определяется расстояниями защитного аппарата до ВЛ, по которой приходит грозовая волна, а также от расстояния между защитными аппаратами.

Неравномерность в распределении токов между защитными аппаратами 110-220 кВ проявляется при расстояниях по ошиновке менее 25 м, что ниже реальных и нормированных ПУЭ расстояний для РВ. Поэтому в РУ 110-500 кВ возможна защита от перенапряжений различными типами защитных аппаратов (РВ и ОПН) без снижения надежности работы, как самого защитного аппарата, так и защищаемого оборудования

4.6. Основные рекомендуемые параметры ОПН.

В табл.4.6.1 приведены основные параметры ОПН, на которые необходимо ориентироваться при замене вентильных разрядников на ОПН в РУ 110-750 кВ.

Таблица 4.6.1

Класс напряжения, кВ	110	220	330	500	750
Наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение, кВ	73, 78, 83, 88	100, 105,110	210, 220, 230	303,313, 323, 333	455,465475
Номинальный разрядный ток, кА	10	10	10, 20	20	20
Напряжение на импульсе тока 8/20 мкс с амплитудой 5 кА, кВ, не более	265	515	725	1070	-
Пропускная способность на прямоугольном импульсе тока длительностью 2000 мкс, А, не менее	500	500	700	1200	1700

studfiles.net