техника_высоких_напряжений

Задавая приходящие на подстанцию волны различной амплитуды (Um) и сравнивая перенапряжения возникающие на оборудовании, с соответствующим уровнем изоляции (Uдоп), можно для каждой волны с длиной фронта tФi определить соответствующую ей амплитуду волны (Umi), дающую предельно допустимые перенапряжения (рис. 6.4, б). Зависимость Umi = f(tФi), разделяющую все волны на опасные и безопасные, для рассматриваемой точки подстанции называют кривой опасных волн (рис. 6.5, кривая 1).

U, кВ

3 1

U кр А

2

tкр

t, мкс

Рис. 6.5. К определению длины опасной зоны (защищаемого подхода): 1 – кривая опасных волн; 2 – вольт-cекундная характеристика (ВСХ) ли-

нейной изоляции; 3 – падающие волны

Однако с линии на подстанцию не могут прийти волны с амплитудой, превышающей импульсную прочность линейной изоляции (они вызовут перекрытие изоляции на линии), поэтому область опасных параметров волн будет ограничена сверху вольтсекундной характеристикой изоляции ВЛ (рис. 6.5, кривая 2). Эту характеристику можно построить по формуле

			15
	U	разр(t) 340kконkElразр 1			,	(6.2)
			t 9,5

где l разр – длина разрядного пути по гирлянде изоляторов, равная произведению числа изолятров nиз на строительную высоту изолятора Hиз, м; kкон – коэффициент, учитывающий конструкцию изолятора (отношение длины пути утечки изолятора Lу к его строительной высоте Hиз); kЕ – коэффициент, учитывающий снижение градиента разрядного напряжения с увеличением длины гирлянды lразр.

Методика определения коэффициентов kЕ и kкон изложена в (1), упрощенно можно принять kкон=kЕ=1.

41

Итак, возможные для подстанции волны лежат ниже ВСХ линейной изоляции, а опасные – выше кривой опасных волн. Возможные и опасные параметры приходящих грозовых волн, находятся в заштрихованной области А

(рис. 6.5).

Параметры точки пересечения этих кривых (Uкр и tкр) определяют критическую крутизну aкр приходящей с ВЛ грозовой волны при достижении и превышении которой волны являются опасными для рассматриваемой схемы.

В месте удара молнии в провод линии электропередачи волна перенапряжения имеет практически прямоугольный фронт. При движении волны по линии происходит деформация (сглаживание) ее фронта под действием импульсной короны. Поэтому, для любой подстанции существует участок ВЛ на котором происходит сглаживание фронта волны до безопасной крутизны aкр. Этот участок называют “опасной зоной” lоз или “длиной защищаемого подхода”:

				lоз		tкрhср			,	(6.3)
						0,5h	8U
								кр
						ср
где hср	(hоп		2	f ) – средняя высота подвеса провода над землей, м;
		3

hоп – высота опоры, f – стрела провеса провода (табл. П3-1); Uкр, tкр – координаты, определяемые с помощью рис. 6.5, в МВ и мкс.

Очевидно, что опасные для изоляции оборудования подстанции волны с фронтом более коротким, чем tкp , могут возникнуть лишь в результате редких случаев прямых ударов молнии или обратных перекрытий на проводах в пределах опасной зоны защищенного подхода lоз.

Расчетная величина lоз не должна превышать рекомендуемые значения, приведенные в табл. П3-5.

Среднее число опасных грозовых перенапряжений от набегающих волн, т.е. перенапряжений превышающих допустимые значения, за год эксплуатации подстанции оценивают по формуле

	Nнв	4hср Nгч lоз nВЛ (P		4hоп	Pоп ) 10 4 ,	(6.4)
				Lпрол

где Nгч – число грозовых часов в году; nВЛ - число отходящих линий;

P – вероятность прорыва молнии в провод мимо грозозащитного троса; hоп –

высота опоры – в м; Lпрол – длина пролета линии – в м; Pоп – вероятность об-

ратного перекрытия линейной изоляции при ударе молнии в опору; (hср – в м, lоз – в км).

42

Вероятности P

и Pоп определяют из формул

н (10)

hтр

lgPоп

U

lgP

3,95 ,

,

(6.5)

75

hтр (pR g)

где – угол защиты (20–25

); h

h ;

U

(10)

– пятидесятипроцентное

тр

оп

н

импульсное разрядное напряжение гирлянды, определяемое по вольтсекундной характеристике при t = 10 мкс, в кВ; R – сопротивление заземления опор (10–15 Ом); р и g – коэффициенты, определяемые из табл. П-3.1 приложения.

Грозозащиту подстанций и ОРУ от набегающих волн оценивают по lоз , Nнв , а также по величине обратной Nнв , характеризующей среднюю повторяемость опасных перенапряжений, возникающих на подстанции или ОРУ в целом, (в годах):

Tнв		1	.	(6.6)
		Nнв

Описание установки

Моделирование и расчеты переходных процессов при воздействии на подстанцию грозовых волн проводятся с помощью программы Simulinк, входящей в состав программного комплекса Matlab 7.0.1. Simulinк обеспечивает блочное имитационное моделирование электротехнических и математических объектов. Моделирование с использованием Simulink реализует принцип визуального программирования, в соответствии с которым, пользователь из библиотеки стандартных блоков создает на экране исследуемую модель и осуществляет расчеты.

Порядок выполнения работы

1.Для заданной преподавателем схемы распределительного устройства составить полную схему замещения аналогичную рис. 6.2.

2.Упростить схему замещения и рассчитать параметры эквивалентной

схемы.

3.Собрать эквивалентную схему подстанции на рабочем столе компьютерного редактора Simulinк.

4.Подавая волны различной крутизны, подобрать соответствующие амплитуды волн, при которых напряжение на изоляции оборудования (на линейном разъединителе и трансформаторе) достигало бы критической величины Uдоп (табл. П3-4), как это показано на рис. 6.4, б. По полученным критическим параметрам волн построить кривую опасных параметров.

43

5.На том же графике построить вольт-секундную характеристику линейной изоляции рассчитанную по формуле (6.2) и определить параметры точки пересечения Uкр и tкр.

6.Произвести расчет длины опасной зоны на подходе линии к подстанции по формуле (6.3).

7.Рассчитать среднюю повторяемость опасных перенапряжений на подстанции по формуле (6.6).

8.Оценить уровень грозозащиты подстанции по полученным значениям lоз и Tнв, сравнив их с нормативными (табл. П3-5).

Контрольные вопросы

1.Чем обуславливается различие напряжений на вентильном разряднике

изащищаемом оборудовании при воздействии грозовых волн?

2.Что такое кривая опасных волн?

3.Какова роль длины опасной зоны в схеме грозозащиты подстанций? Как влияет импульсная корона на параметры грозовых волн, набегающих на подстанцию?

4.Какие мероприятия можно предложить для увеличения уровня грозоупорности подстанций?

5.Объяснить работу вентильного разрядника и нелинейного ограничителя перенапряжений.

Литература

1.Руководство по защите электрических сетей 6-1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений / Под ред. Н.Н. Тиходеева.-2-ое издание.- СанктПетербург: ПЭИПК Минтопэнерго РФ, 1999.-353 .

2.Техника высоких напряжений / Под ред. В. П. Ларионова. - М.; Энерго-

атомиздат, 1986, § 22.4, 24.2, 24.3, 24.5-24.7.

3.Техника высоких напряжений / Под ред. Д. В. Разевига. - М.; Энергия. 197б, § 18.3-18. 5.

44

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 7 ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ НЕЙТРАЛЕЙ В

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ

Цель работы: изучить на трехфазной модели влияние различных режимов нейтралей трансформаторов на условия работы электрической сети.

Общие сведения

Выбор способа работы нейтрали зависит от ряда факторов, главные из которых: возможность создания более экономичной изоляции оборудования и эффективность ликвидации однофазных замыканий на землю, представляюших собой наиболее распространенный вид нарушений нормальной работы электрической сети.

Вустановках номинальным напряжением 110 кВ и выше экономически целесообразно применять глухое заземление нейтрали. В этом случае достигается существенное сокращение размеров изоляции, а короткие замыкания ликвидируются с помощью автоматического повторного включения (АПВ). Недостатком глухого заземления нейтрали трансформаторов являются большие токи однофазного замыкания на землю. Это требует быстрого отключения короткого замыкания и приводит к удорожанию коммутационной аппаратуры.

Установки номинальным напряжением 6 – 35 кВ выполняются с изолированной нейтралью. В этом случае токи однофазного замыкания на землю обычно не превышают 30 А, что позволяет не отключать поврежденную фазу в течение длительного времени. При этом, дуговое замыкание, вызванное ударом молнии в провод, как правило, самоликвидируется. Возможность не отключать дуговые замыкания на землю существенно повышает надежность работы сетей.

Всетях 6–35 кВ эффективным способом ликвидации замыканий является компенсация однофазного тока в месте его замыкания с помощью дугогасящего реактора, включаемого в нейтраль трансформатора. Вследствие компенсации тока и прекращения поступления энергии дуга в месте замыкания не может поддерживаться и быстро гаснет.

Если в сетях 6,10,35 кВ токи однофазного замыкания превышают 30, 20 и 10 А соответственно, то самопогасание дуги на линии затрудняется. Для обеспечения условий гашения дуги, в нейтрали трансформаторов включаются реакторы с большой индуктивностью дугогасящие реакторы (ДГР). При однофазном замыкании на землю индуктивный ток реактора компенсирует емкостной ток, в результате чего ток замыкания на землю резко уменьшается.

Основной недостаток сетей с изолированной нейтралью и заземленной через ДГР, – значительные затраты на фазную изоляцию. Усиление фазной изоляции необходимо из-за повышения напряжения на здоровых фазах до ли-

нейного значения 3 UФ при однофазном замыкании на землю.

45

Проанализируем режимы сети с изолированной нейтралью и нейтралью, заземленной через ДГР (рис. 7.1).

Рис.7.1. Схема заземления для сети с ДГР

Выражение для тока замыкания на землю при СА =СВ =СС= Сф имеет вид

Iз(i1)			Eфi		,	(7.1)
		1
		j

3 Cф (KL 1)

где i = A, В, C; КL – степень компенсации емкостного тока на землю:

	KL			1	.	(7.2)
			3 2	СФ LN

В сети с изолированной нейтралью (КL = 0) и при сопротивлении дуги примерно равном нулю (металлическое замыкание), ток замыкания на землю имеет емкостный характер и опережает Ei на 90° (рис. 7.2).

46

	UN
U(1)С	UС	I(1)ЗА

UA

U(1)В UВ

UN

Рис. 7.2. Векторная диаграмма токов и напряжений при замыкании на землю фазы "А"

Значение этого тока замыкания можно определить по формуле:

IЗ(1i)

j3 СФEi

IC ,

(7.3)

При заземлении нейтрали через ДГР

ZN j LN

(1)

I

I

, а I

(1)

/

(1)

/

j L ,

I

31

C

N

N

U

N

Z

N

U

N

N

тогда

при3 С

1

,

L

Ф

т.е. при КL =1

N

(1)

Ei

1

I

j 3CФ Ei

jEi (3 CФ

) 0.

Зi

LN

j LN

Из этого выражения видно, что для полной компенсации емкостного тока замыкания необходима настройка дугогасящего реактора в резонанс с ем-

костью сети (3 С		1	). Однако точная настройка ДГР в резонанс с емкостью
Ф		L
		N

сети приводит к появлению напряжения смещения нейтрали в нормальных режимах работы сети. Напряжение смещения нейтрали при ДГР определяется следующим образом:

UN		EA j CA	EB	j CB EC j CC			.	(7.4)
		j (CA	CB	CC )	1
					j LN

47

Если емкости сети СА, СВ, СС хотя бы незначительно отличаются друг от друга, то числитель в формуле (7.4) не будет равен нулю. А при точной настройке ДГР в резонанс, знаменатель стремится к 0, что приведет к существенному повышению напряжения в нейтрали UN, а как следствие, к “перекосу” фазных напряжений.

В соответствие с Правилами техники эксплуатации электроустановок, ДГР должны иметь резонансную настройку, но при этом требуются мероприятия по выравниванию емкостей фаз, с целью ограничения UN в нормальном режиме до 15% фазного напряжения. Наличие постоянно существующей несимметрии емкостей при ДГР настроенной в резонанс, может привести к большим значениям UN особенно в случае обрыва провода или неодновременного размыкания контактов в выключателе.

С увеличением номинального напряжения сети возрастают емкостные токи замыкания на землю (7.3), что приводит к необходимости их быстрого отключения. Поэтому, начиная со 110 кВ и выше, выгодней выполнять нейтраль заземленной, с целью ограничения затрат на изоляцию. Токи однофазного замыкания при этом возрастают (токи короткого замыкания), т.к. они определяются сопротивлением заземления нейтрали. Напряжение в нейтрали в режиме однофазного замыкания на землю остается практически равным нулю, поэтому и напряжения на здоровых фазах незначительно отличаются от UФ ном.

Описание испытательной установки

Экспериментальная часть работы проводится на модели трехфазной системы (рис. 7.3). Напряжение питания стенда 220 В при частоте 50 Гц, напряжение на модели 25 В. Емкости СА , СВ , СС , представляет собой емкости проводов линии электропередачи, подключают к соответствующим фазам и изменяют в диапазоне 0,25–21,75 мкФ. Для компенсации емкостного тока предусмотрена катушка, которую включают между нейтралью трансформатора и землей. Катушка имеет отпайки, позволяющие менять индуктивность от 0, 2 до 1, 5 Гн, согласно табл. 7.2.

Для выполнения необходимых измерений на стендe установлены вольтметры и амперметры.

48

Рис.7.3. Принципиальная схема лабораторной установки

Порядок выполнения работы

1.Собрать схему сети на рабочем столе программы Electronic Workbench

иизмерить напряжения фаз, напряжение в нейтрали в нормальном режиме трехфазной модели при емкостях СА = СВ = СС = 4–8 мкФ (по указанию преподавателя).

2.Измерить ток замыкания на землю в фазе "А", напряжение в нейтрали

UN на здоровых фазах UB(1),UC(1) при СА = СВ = СС = 4–8 мкФ для режимов глухозаземленной нейтрали и заземленной через ДГР. Результаты измерений занести в таблицу 7.1.

3.Собрать аналогичную схему сети на модели и провести такие же измерения только при изолированной нейтрали трансформатора.

4.Рассчитать токи замыкания в сети с изолированной нейтралью при заданных значениях фазных емкостей по (7.3) и сравнить с данными измерений. По результатам опыта построить векторную диаграмму токов и напряжений при замыкании на землю фазы "А".

5.Включить в нейтраль трансформатора дугогасящий реактор и измерить ток замыкания на землю и ток в катушке при различных значениях ее индуктивности. Данные измерений занести в табл. 7.2. По результатам измерения по-

строить зависимость I3(1) f (KL )

6. Нарушив симметрию емкостей в пределах 10-20% при отсутствии замыкания на землю), определить UN ,UA,UB ,UC при различных значениях LN.. Данные измерений занести в табл. 7.3. Построить зависимости

UN f (KL ),UA f (KL ),UB f (KL ),UC f (KL ).

49

Таблица 7.1

Результаты расчетов и измерений

№,	Режим	Режим	Са,	Св,	Сс,	UN,	Uа,	Uв,	Uс,	I з, A
п\п	работы	сети	мкФ	мкФ	мкФ	B	B	В	В
										Изме-	Рас-
	нейтрали									рен-	чет-
										ный	ный
	Глухоза-	Нормаль-
1	земленная	ный
		Аварийный
	Заземлен-	Нормаль-
2	ная через	ный
	ДГР	Аварийный
		Нормаль-
3	Изолиро-	ный
	ванная	Аварийный

Таблица 7.2

Данные измерений при заземлении нейтрали через ДГР

№
от-	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16
пай
ки
LN,Г	0.34	0.42	0.43	0.48	0.63	0.68	0.75	0.90	0.95	1.20	1.38	1.45	1.50
н
IK,
A
IЗ,
A
KL

50