Методи контролю внутрішної ізоляції 5 страница

. (16.9)

- тривалість фронту імпульсу.

16.4. Захист підстанцій різної номінальної напруги

На ПС до 110 кВ і ПС-150¸220 кВ, обладнаних трансформаторами з

підвищеним рівнем ізоляції, скоординованим з характеристиками РВС, місце їх встановлення повинно забезпечити захист усього обладнання мінімальним числом розрядників. Між РВС і трансформатором 220 кВ з основним рівнем ізоляції, а також автотрансформатором, трансформатором і шунтуючими реакторами 330¸750 кВ не припустимо встановлення комутаційних апаратів.

Обладнання підстанцій 330¸500 кВ треба захищати не менш ніж двома комплектами РВП, а 750¸1150 кВ – трьома комплектами,- для зниження амплітуди струму імпульса і зменшення падіння напруги на розряднику.

На відміну від ЛЕП-220 кВ, в лініях надвисокої напруги (НВН) використовують комбіновані розрядники РВМК або ОПН, що захищають від комутаційних перенапруг кінець ліній разом з компенсуючими реакторами.

При набіганні грозових імпульсів на вхід трансформаторів з ізольованою нейтраллю, в обмотках виникають коливання, що призводять до значного збільшення напруги на нейтралі, тому до неї може бути підключений РВ з номінальною напругою на клас нижчою, ніж клас ізоляції трансформатора. Якщо відстань між обладнанням і розрядником м, немає потреби обмежувати крутість набігаючого імпульсу. Це притаманно невеликим ПС (так званим комплектним 35¸220 кВ), приєднаним до транзитних ліній за допомогою відпайок. Завдання полягає у виключенні ударів блискавки поблизу РВ, які можуть пошкодити самий розрядник. Якщо лінія без троса, то необхідні два послідовно приєднаних розрядника, а ближче до підстанції проліт захистити тросом. Відпайку також необхідно захищати тросом по всій довжині (Рис.16.5).

Розподільчі пристрої 3¸10 кВ захищають від набігаючих імпульсів виносом додаткового комплекту розрядників на лінію. Дуже велика відстань між розрядниками небезпечна через можливість удару блискавки між ними, а мала – через можливість неспрацьовування розрядників, винесених на лінію. Оптимальна відстань між ними – 150¸300 м.

Рис.16.5- Варіанти схем захисту комплектних ПС розрядниками.

16.4. Ефективність захисту електрообладнання підстанцій

Ефективність захисту ПС характеризується середнім річним числом перекриття ізоляції внаслідок прориву блискавки в зону захисту , зворотних перекриттів при ударах у блискавковідвід , перекриттів від набігаючих імпульсів . Середнє число перекриттів ізоляції ПС через прорив блискавки в зону захисту:

, (16.10)

де – число ударів блискавки в підстанцію за 100 грозових годин; – число грозових годин; – імовірність перекриття ізоляції при ударі блискавки в провід (визначене по ).

Число зворотних перекриттів при ударі блискавки у блискавковідвід.:

, (16.11)

де – імовірність зворотного перекриття при ударі в блискавковідвід (визначається по ). Критичний струм визначається із рівняння потенціалу, що з’являється на порталі і 50% імпульсної розрядної напруги гірлянди:

. (16.12)

Тут l – висота кріплення гірлянди на порталі; R_i - імпульсний опір заземлення. Середнє річне число перекриттів через набігаючі імпульси:

, (16.13)

де – довжина захищеного підходу; – число повітряних ліній; – імовірність ураження проводу; – імовірність перекриття ізоляції на опорі при ударі блискавки в провід; – імовірність перекриття провід-трос при ударі блискавки в трос.

Показник грозостійкості ПС – це число років безвідмовної роботи:

(16.14)

Розрахункові значення М сучасних ПС складають сотні років, що на порядок більше середнього терміну служби електроустаткування.

16.6.Види комутаційних перенапруг.

Електричні мережі високої напруги містять сконцентровані та розподілені ємності та реактивності, тому мають коливальні властивості, завдяки запасеної електричної та магнітної енергії. Причина виникнення коливань полягає в плановій або аварійній комутації електричних мереж. Найбільш розповсюдженими випадками комутацій є відключення ненавантажених ліній, відключення ліній при асинхронному ході генератора, автоматичне повторне включення та ряд інших. Кожна комутація призводить до виникнення перехідних процесів, які супроводжуються виникненням перенапружень. Можливі перенапруження і при нестійкому горінні дуги при однофазному КЗ в мережі з ізольованою нейтраллю. Комутаційні перенапруги поділяються на:

-фазні, що діють на ізоляцію відносно землі;

-міжфазні, що діють на ізоляцію різних фаз;

-між контактні.

При проектуванні ізоляції конструкцій необхідно враховувати такі дані:

-кратність перенапруг: к = U_max/ U_{найб.роб}.;

-форму кривої перенапруги, яка визначає тривалість дії напруги на ізоляцію;

- тип електрообладнання, на яке діє перенапруга.

Оскільки ці характеристики мають статистичний розкид, то необхідно визначати імовірність появи перенапруг на протязі певного відрізку часу. Техніко-економічне обґрунтування захисту від перенапруг базується на оцінці статистичних характеристик можливої шкоди (математичне очікування, дисперсія) від дії перенапруги. Імовірність появи комутаційного імпульсу перенапруги є випадковим явищем і описується законом Пуассона:

P_τ(1)=λ∙τ∙e^-λτ, (16.15)

де Р_τ - імовірність появи одної перенапруги за період часу (0, τ);

λ= lim[P_t,_Δt(1)/Δt] – інтенсивність потоку, Δt – інтервал часу. Річне число появи перенапруг з кратністю k дорівнює:

N_k1≈1,58∙N₁∙exp[-A(k–k’)]. (16.16)

Тут N₁ – число перенапружень з кратністю k ≥ 1,15 за рік; А – параметр розподілу. Цей вираз дає змогу розраховувати імовірність пробою ізоляції з врахуванням варіації її розрядної напруги при комутаційних перенапругах. Для ПС-500 кВ річне число появи перенапруг з кратністю k = 1,15 дорівнює 130.

16.7. Природа виникнення комутаційних перенапруг:

- перенапруги при відключенні конденсаторів і ненавантажених ЛЕП;

- перенапруги при відключенні ненавантажених трансформаторів;

- перенапруги при неповнофазних режимах;

- перенапруги при почергових замиканнях на землю (нестійка дуга);

- перенапруги ферорезонансні;

-перенапруги при відключенні великих струмів (після КЗ);

-перенапруги при АПВ.

При ввімкненні блочних схем: трансформатор – ЛЕП без вимикача на стороні лінії перехідний процес супроводжується появою вільних складових коливань магнітного потоку трансформатора, співпадіння яких з вимушеною складовою, коливань призводить через ½ періоду промислової частоти до насичення магнітного потоку і появи висших гармонік. Оскільки вільна складова магнітного потоку затухає повільно (десятки періодів частоти 50 Гц), - перехідний процес достатньо тривалий і супроводжується значними перенапругами. Це явище, яке є небезпечним для ізоляції, вентильних розрядників і ОПН, називають перехідним резонансом.

Розглянемо перенапруги, що виникають при включенні розімкненої лінії (рис.16.6).

Рис.16.6- Еквівалентна схема розімкненої лінії.

Розімкнена лінія довжиною l з внутрішньою індуктивністю L₀ і джерелом синусоїдальної напруги Е(t) приєднується до навантаження. Внаслідок перехідних процесів в лінії виникають вимушені та вільні коливання. Амплітуди вільних коливань утворюють знакозмінній ряд, члени якого зменшуються зі збільшенням номера гармоніки. При t = 0:

А_уст – А₁ + А₂ – А₃ + …= 0, (16.17)

де А_уст – амплітуда вимушеної складової, А₁,А₂,А₃ – амплітуди гармонік вільних складових коливань. Звідси А₁ > А_уст, тобто амплітуда першої вільної гармоніки більша за вимушену складову. В момент часу t = π/ω максимальна величина вимушеної і перших двох вільних складових співпадають:

U_max ≈ A_уст + А₁ + А_2. (16.18)

При цьому ударний коефіцієнт, що характеризує величину перенапруги:

К_уд = (U_max/A_уст) ≈ (А_уст + А₁ + А₂)/А_уст = [1 + (А₁ + А₂)/А_уст] > 2. (16.19)

Максимальна напруга на кінці лінії U_max визначається кутом включення φ і частотою вільних ω₁ і особистих ω коливань, які визначають амплітуду вільних коливань А_i. Звідки при ω₁/ω > 1 амплітуда вільних складових максимальна при кутах включення 90˚ або 270˚. Це означає, що чим більше кут включення відрізняється від 90˚, тим менша амплітуда особистих коливань. При ω₁/ω≤1 амплітуда вільних коливань максимальна при куті включення 0 або 180˚. Це можливо при включенні в ЛЕП послідовно ємностей для компенсації індуктивного опору лінії (ППК – пристрій поздовжньої компенсації), який зменшує К_уд поблизу максимуму.

У мережах з ізольованою нейтраллю перенапруги виникають при однофазному замиканні на землю (ОДЗ) та нестійкому горінні дуги і супроводжуються зміщенням нейтрали системи, що може бути спричинено остаточними зарядами ємностей лінії при погасанні дуги. При цьому максимальна напруга U_max досягає 3,1∙ U_фазне і можливі масові випадки перекриття ізоляції на здорових фазах.

Електричні мережі містять велику кількість реактивних елементів – ємностей та індуктивностей, що утворюють цілий ряд коливальних контурів і, накопичивши електричну й магнітну енергію, можуть призводити до виникнення резонансних явищ при відключеннях навантаження лінії. Таки перенапруги називають резонансними і найбільш небезпечні серед них – ферорезонансні, що виникають при насиченні магнітопроводів трансформаторів та електричних машин. Їх небезпека полягає як у високих амплітудах перенапруг (3,8-4,2) U_ф, так і тривалості дії на ізоляцію, яка дорівнює часу існування неповнофазного режиму і може призводити до пошкодження РВ, ОПН і трансформаторів напруги. АПВ використовують для ефективного гасінні дуги шляхом відключення пошкодженої ділянки лінії з обох сторін від місця КЗ. Максимальні перенапруги виникають при повторному включенні розімкненої лінії і обумовлені ємнісним ефектом та великим значенням ударного коефіцієнта.

16.8. Обмеження комутаційних перенапруг.

Комутаційні перенапруги можуть перевищувати рівні ізоляції електроустановок 330 -500кВ (2,5U_ф) і 750кВ (2,1U_ф), тому використовують їх примусове обмеження такими заходами:

- обмеженням числа режимів (при яких можуть виникати перенапруги),- за допомогою схемних рішень;

- обмеження амплітуд встановлених перенапруг, що призводить до зниження амплітуд перехідного процесу;

- обмеження амплітуд комутаційних перенапруг за допомогою РВ, ОПН або вмонтованих у вимикачі шунтуючих резисторів;

- підбір таких початкових значень перехідного процесу, при яких амплітуди вільних коливань мають мінімальні величини (наприклад, прискорення стікання заряду з лінії в паузу АПВ), або керування моментом включення вимикача;

- підключення лінії спочатку до більш потужної шини;

- попереднє (до комутації лінії) підключення реакторів поперечної компенсації на вищій та середній напругах.

Для зниження амплітуд комутаційних перенапруг встановлюють при включенні ліній знижені коефіцієнти трансформації силових трансформаторів. Обмеження амплітуд комутаційних перенапруг відбувається або за рахунок розсіювання енергії вільних коливань в нелінійних резисторах РВ, що включені між фазою та землею, або за допомогою резисторів, вбудованих в вимикачах. Дія шунтуючих резисторів полягає у демпфіруванні вільних коливань напруги при включенні ненавантажених ліній і зменшенні остаточного заряду в лінії при її відключенні або АПВ.

Ефективним захистом від перенапруг є підключення паралельно контактам високовольтних вимикачів відносно землі ОПН, які суттєво обмежують число повторних запалювань дуги і, тим самим, виключають можливість віртуальних зрізів струму. Крім того, ОПН обмежує перенапруги при обриві струму. Так, при відключенні пускового струму електродвигунів 630 кВт з кабелем 250 м, відключення відбулось з 5-ю повторними пробоями, а без ОПН – з 11. Використання ОПН можливо і для обмеження дугових перенапруг, що підтверджено експериментально при таких умовах:

- включення та відключення холодного електродвигуна;

- відключення та включення при ОДЗ зі сторони живлючої мережі;

- неповнофазні комутації електродвигуна з кабелем;

- штучне збудження дугового замикання на землю;

- відключення та миттєве включення;

- включення та миттєве відключення.

ОПН суттєво обмежує перенапруги з рівнем 2U_фмах і струмами I_мах≤ 100А, при τ_і = 100 мкс.

Запитання для самоконтролю

1.Які методи захисту підстанцій від набігаючих перенапруг?

2.Як визначити довжину захищеного підходу до підстанції?

3. Назвіть загальні причини виникнення комутаційних перенапруг.

4.Наведіть класифікацію комутаційних перенапруг.

5.Як визначити імовірність появи комутаційної перенапруги?

6.Назвіть види комутаційних перенапруг та їх характеристики.

7.В чому причина появи перехідного резонансу?

8.Механізм виникнення перенапруг при комутації розімкнутої лінії.

9.Який зміст поняття «ударний коефіцієнт» при комутації лінії?

10.У чому причина виникнення ферорезонансних перенапруг?

11.Які існують методи обмеження комутаційних перенапруг?

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1.Базуткин В.В., Ларионов Ю.С. Техника высоких напряжений –М.: Энергоатомиздат, 1996. -464 с.

2.Защита сетей 6-35 кВ от перенапруг. Под ред. Халилова Ф.Х. Энергоатомиздат, С-Пб, 2002, 270 с.

3.Руководство по защите электрических сетей 6-1150 кВ от грозових и комутационных перенапряжений. Минтопэнерго РФ,- СПб, 1999.- 353 с.

4.Техника высоких напряжений (теоретические и практические основы применения). Пер. с нем. под ред. Ларионова. –М.: Энергия, 1986.- 456 с.

5.Техника высоких напряжений. (под ред. Г.С.Кучинского).-СПб.:

Энергомашиздат, 2003, 256 с.

6. ГКД 34.20.302 Норми випробування електрообладнання.- Київ- 2004,217с.

ДОДАТКОВА ЛІТЕРАТУРА

6. Перенапряжения и молниезащита. Учебное пособие для слушателей системы повышения квалификации и перепідготовки кадров.(под ред. В.П.Горелова), Новосиб. акад. водн. трансп., 2002, 234 с.

7. Горелов С.В.,Татьянченко Л.Н., Хомутов С.О. Изоляция и перенапряжения в системах электроснабжения: Учебн. Пособие,: Барнаул: Узд-во АлтГТУ, 2002, 324 с.

8. Кучинский Г.С., Кизеветтер В.Е., Пинталь Ю.С. Изоляция установок високого напряжения.М.: Энергоатомиздат, 1987.-368 с.

9.Чунихин А.А., Жаворонков М.А. Апараты високого напряженияУчеб.пособие для вузов.-М.: Энергоатомиздат, 1985.- 432 с.

10.Неклепаев Б.Н., Крючков И.П. Электрическая часть станций и подстанций. –М.: Энергоатомиздат, 1989.- 604 с.

11.ГКД 34.35.512 Средства защиты от перенапряжения в электроустаноках 6-750 кВ. Киев, 2004.-134с.