Особенности выбора ОПН для ограничения внутренних перенапряжений в электрических сетях напряжением 110-750 кВ

Ограничитель, выбранный по наибольшему уровню напряжения в сети в точке его установки [5], должен быть проверен на соответствие его временных допустимых повышений напряженгий квазиустановившимся перенапряжениям при различных видах коммутаций с учетом времени действия релейной защиты и противоаварийной автоматики.

Квазиустановившиеся перенапряжения, их амплитуда и длительность, определяющие выбор ограничителя, зависят от электрической схемы, в которой происходит коммутация, ее параметров, вида коммутации, места установки ОПН и т. п.

Для ОПН, устанавливаемых на шинах или трансформаторах (АТР), которые по схеме ОРУ не коммутируются вместе с линией или коммутируются с линией длиной не более 50 м, определяющими являются квазиустановившиеся перенапряжения на неповрежденных фазах при несимметричном к.з. на шинах подстанции. В этом случае амплитуда квазиустановившихся перенапряжений UyUф, а длительность определяется временем действия релейной защиты, отключающей к.з.

Для ограничителей, установленных на линии, шунтирующем реакторе на линии или на присоединенных непосредственно без выключателей к линии трансформаторах, определяющими будут квазиустановившиеся перенапряжения:

• — при трехфазном односторонненм отключении однофазного к.з. на противоположном конце линии;
• — при трехфазном одностороннем отключении линии при действии автоматики прекращения асинхронного хода;
• — при неполнофазных режимах одностороннего включения или отключения линии с подключенными к ней шунтирующими реакторами, трансформаторами, автотрансформаторами.

Длительность существования вышеуказанных перенапряжений принимается следующей:

• — для коммутации одностороннего отключения однофазного к.з. принимается длительность равная времени каскадного отключения линии по ее концам при действии первых и последних ступеней линейных и трансформаторных релейных защит, в среднем 4 с;
• — при трехфазном отключении асинхронного хода при действии второй ступени автоматики от повышения напряжения с уставкой по напряжению (1,2 1,3)Uн/ длительность принимается равной от 0,5 до 1,0 с, при действии первой ступени с уставкой — до 5 10 с;
• — при резонансных перенапряжениях, возникающих во время ОАПВ линий с реакторами, длительность перенапряжений принимается равной продолжительности бестоковой паузы 1 2 с;
• — при неполнофазных коммутациях линии с подключенными к ней трансформаторами (АТР) длительность перенапряжений принимается равной времени действия устройства резервирования отказа выключателей (УРОВ) или действия других защит.

Расчет амплитуд квазиустановившихся перенапряжений производится по методике, описанной в разделе 5 и приведенной в [1,6,7].

В схемах, где линия может коммутироваться вместе с трансформатором или АТР, необходимо учитывать возможность появления переходного резонанса на 2-й и 3-ей гармонике. Условия появления переходного резонанса:

для 2-й гармоники 1,6св2,2;

для 3-ей гармоники 2,4св, где св — частота свободных колебаний; = 314 с-1.

Причем, чем ближе значения св к двойной или тройной промышленной частоте, тем выше значения высших гармоник.

Частота свободных колебаний в зависимости от расчетных условий определяется путем построения частотных характеристик [1,7]. В частности для схемы симметричного одностороннего включения линии частотная характеристика строится по формуле где Lc — индуктивность системы, — входное сопротивление линии по прямой последовательности.

Частота свободных колебаний находится при Zэ = 0 в точке пересечения частотной характеристики с осью абсцисс.

Значение напряжения при переходном резонансе можно определить, добавляя к значению амплитуды установившихся перенапряжений Uу при несимметричных коммутациях линий длиной 75−250 км, величину 0,3. Время существования такого режима принимается равным 0,3 с, 0,5 с и 0,70,8 с соответственно для линий 110−150, 220−330 и 500−750 кВ. При симметричной коммутации аналогично определяется значения перенапряжений для длин линий 150−350 км.

Особым случаем для сетей 110 кВ является неполнофазная коммутация линии с подключенными к ней трансформаторами с разземленными нейтралями на отдельных подстанциях при сохранения эффективного заземления нейтрали сети. Эти перенапряжения возникают при отказах фазы выключателя при включениях и отключениях линии головным выключателем или при обрывах проводов фазы воздушной линии или ее отпаек. Повышения напряжения обусловлены последовательным включением индуктивных сопротивлений намагничивания фаз трансформатора и емкости оборванной фазы линии.

Определение перенапряжений на емкости линии Uуф и на нейтрали трансформатора Uун при неполнофазном режиме линии 110 кВ.

1 — обобщенная зависимость Uф =f (I); 2 — зависимость напряжения на емкости линии Uфл= f (I); 3 — обобщенная зависимость Uн=f (I).

Параметры зависимостей на рис. 6.1 приведены в относительных единицах (о.е.): напряжения по отношению к номинальному фазному напряжению трансформатора; тока — по отношению к номинальному току намагничивания трансформатора (току холостого хода).

Зависимость напряжения на емкости линии рассчитывается по формуле.

где у (о) — удельная проводимость линии по нулевой последовательности, См; l — длина линии, км; Iн — номинальный ток намагничивания трансформатора, А; I — ток намагничивания, о.е.; Uфн — номинальное фазное напряжение трансформатора, кВ.

Пересечение прямой Uфл (2) с обобщенной зависимостью Uф (1) дает значение установившегося перенапряжения на линии — Uуф, а пересечение с зависимостью Uн — соответствующее перенапряжение на нейтрали трансформатора — Uун.

Эти перенапряжения могут существовать несколько часов, поэтому их длительность для дальнейших расчетов принимается равной 104 с.

Выбор номинального напряжения ОПН Перед выбором номинального напряжения ОПН для рассматриваемой электрической схемы сети и места установки ОПН определяются виды воздействующих квазиустановившихся перенапряжений на ограничитель, их значения и длительность воздействия.

Из всех полученных значений квазиустановившихся перенапряжений выбирается наибольшее Uy1 и соответствующее ему значение длительности ty1. Из всех значений длительностей перенапряжений выбирается наибольшая ty2 и соответствующее ей значение Uy2.

По зависимости Кt=f (t) для случая «с предварительным нагружением энергией» по значениям ty1 и ty2 определяются значения коэффициентов Кt1 и Kt2.

где t — длительность приложения повышенного напряжения, с; а и b — коэффициенты, зависящие от выбранного типа ограничителя.

Значения номинального (или длительно допустимого рабочего) напряжения ОПН рассчитываются как Uн1=Uy1/Kt1 и Uн2=Uy2/Kt2 .

Для наибольшего из полученных значений подбирается по каталогу или таблицам ближайшее большее значение номинального напряжения выбранного типа ОПН Uн и соответствующее ему наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение Uнро.

После выбора номинального напряжения устанавливается достаточность параметров выбранного ОПН по условиям работы в квазиустановившихся режимах, для чего определяются временно допустимые длительности tвдi для всех действующих на данный ОПН квазиустановившихся перенапряжений.

Значения tвдi определяются по зависимостям Кt=f (t) для случая «с предварительным нагружением», если ограничитель имеет энергоемкость не более 5 кДж/кВUн, и для случая «без предварительного нагружения», если энергоемкость ограничителя не менее 6 кДж/кВUн, приняв Кt=Uy/Uн или Кt=Uy/Uнро.

В случаях, когда коммутационные перенапряжения во время переходных процессов Uк приблизительно равны квазиустановившимся Uy (резонансные схемы возбуждения высших гармоник, самовозбуждение генераторов, неполнофазные режимы включения и отключения воздушных линий с шунтирующими реакторами и т. п.), расчет tвдi производится по зависимости Кt=f (t) «без предварительного нагружения».

При Uy>1,5 или возможности длительного существования квазиустановившегося режима соответствие выбранного ОПН эксплуатационным условиям по величине временно допустимой длительности проверяется по формуле.

где tвдi — допустимое время текущего воздействия напряжения на наиболее нагруженный элемент ограничителя; tai и tbi — нормируемая допустимая длительность текущего воздействия по зависимостям, А и В Кt=f (t); Wкфз — энергоемкость ОПН производства Корниловского фарфорового завода для рассматриваемого класса напряжения сети; Wопн — энергоемкость ОПН, произведенного другой фирмой.

Если в течение 2−3 часов подряд возможно несколько коммутаций и появлений квазиустановившихся перенапряжений (происходит ускоренное сокращение ресурса ОПН), то производится пересчет временно допустимой длительности текущего воздействия перенапряжения с учетом всех предыдущих срабатываний ОПН от 1 до m, имевших место в течение этих 2−3- часов:

Выбранное значение номинального напряжения ОПН считается удовлетворительным, если tдопi > tyi.

Для схем, в которых линия может коммутироваться вместе с трансформатором или АТР должны выполняться условия:

для обслуживаемых подстанций tдопm > Tдоп = 3600 с;

для необслуживаемых подстанций tдоп m > Tдоп = 11 000 с.

Определение защитного уровня ОПН при коммутационных перенапряжениях Остающееся напряжение на ОПН при расчетном токе должно быть не менее чем на 15−20% ниже испытательного напряжения коммутационным импульсом Uки защищаемого оборудования: Uост ки (0,80,85)Uки.

Испытательное напряжение коммутационным импульсом нормируется ГОСТ 1516.3−96 для электрооборудования напряжением 330 кВ и выше.

Для оборудования 110−220 кВ нормируется одноминутное испытательное напряжение промышленной частоты U1мин, для которого Uки =1,71U1мин.

Расчетный ток коммутационных перенапряжений Iрк зависит от вида и величины неограниченных перенапряжений. В зависимости от интенсивности переходных процессов и требуемой надежности защиты его значение принимается равным 500 или 1000 А.

При необходимости статистической координации изоляции с 2% вероятностью (для случаев трехфазного АПВ после неуспешного повторного включения; отключения асинхронного хода на конце длинной линии, передающей большие мощности) значение остающегося напряжения определяется из решения системы уравнений:

Где Uк — неограниченное коммутационное перенапряжение в сети, принимаемое равным при отсутствии расчетов 3,5Uф для воздушных линий и 3Uф — для кабельных; Ккн = 1,21,3 — коэффициент несимметрии, учитывающий неодновременность срабатывания ОПН в различных фазах; Z — волновое сопротивление линии по прямой последовательности; Ip — разрядный ток через ОПН; 0,05 — коэффициент нелинейности ОПН; С — постоянная, определяемая по нормируемым значениям Iрн и Uост кн:

Решение получается графоаналитическим путем: по уравнению (1) строится вольтамперная характеристика ОПН или ее часть в диапазоне токов выше и ниже Iрн и напряжений в области U ост кн, затем строится прямая (2). Точка пересечения этих зависимостей дает значения Uост к и Ip при заданном Uк. Все расчеты выполняются в амплитудных значениях напряжения и тока.

Если выбранный ОПН не удовлетворяет условиям защиты от коммутационных перенапряжений, то выбирают другой с тем же значением Uн, но большего класса энергоемкости или увеличивают количество подключенных ограничителей.

Особенности выбора ОПН по условиям работы в распредустройствах электростанций При выборе ОПН для работы в распредустройствах электростанций расчетным видом перенапряжений является случай однофазного к.з. на шинах или вблизи них на отходящих линиях. При этом под воздействием АРВ и форсировки возбуждения резко возрастает тток возбуждения ротора и, соответственно, внутренняя э.д.с. генератора, напряжение на выводах трансформаторов и шин ОРУ до (1,11,2)Uф.

Длительность существования этих перенапряжений определяется временем отключения к.з. линейными или трансформаторными выключателями, их резервированием под действим УРОВ, а также временем гашения поля генераторов.

При наличии на станции выделяемых (в ходе коммутаций или действия противоаварийной автоматики) блоков, работающих на малонагруженную линию длиной 150−350 км, возможно возникновение переходного резонанса на 2-й или 3-ей гармонике. В это случае рекомендуется применение ОПН повышенных классов энергоемкости.

Переходный феррорезонанс Переходный феррорезонанс возможен только в односторонне питаемых блочных или полублочных передачах, где ВЛ коммутируется вместе с невозбужденным или недовозбужденным при разрыве передачи вследствие отключения внешнего к.з. силовым трансформатором. Такие коммутации имеют место при плановом включении, ТАПВ, отключении внешнего к.з., а также при подключении к линии невозбужденного трансформатора.

Физическая природа этого вида перенапряжений следующая. В любой из перечисленных коммутаций в магнитной цепи трансформатора начинается переходной процесс установления нового режима. Исходное состояние магнитной цепи скачком измениться не может, поэтому в потокосцеплении, кроме основной гармоники 1(t)cost, должна появиться свободная затухающая апериодическая составляющая о (t). Наличие в потокосцеплении апериодической составляющей приводит к появлению в токе намагничивания, кроме основной как нечетных, так и четных составляющих, которые будут существовать, пока апериодическая составляющая не затухнет.

Гармонические составляющие тока намагничивания вызывают на элементах цепи падения напряжения, что по своему действию эквивалентно введению в систему продольных э.д.с. соответствующей частоты, поэтому, если одна или несколько частот свободных колебаний электропередачи, коммутируемой в блоке с невозбужденным трансформатором, близка к частоте какой-либо гармонической в токе намагничивания, возникнут резонансные повышения напряжения соответствующей частоты. Эти перенапряжения будут существовать до тех пор, пока не завершится переходной процесс установления нового режима магнитной цепи или, что-то же самое, пока не затухнет апериодическая составляющая потокосцепления.

Величина и время существования перенапряжений при явлениях переходного феррорезонанса зависят от значения первой собственной частоты электропередачи и активных потерь в системе, задаваемых, в первую очередь, активными нагрузками. Такие факторы, как мощность трансформатора, тип выключателя (пофазный или общий привод), характер заземления нейтралей обмоток высокого напряжения трансформатора, играют второстепенную роль.

Схемы, в которых возможен переходной феррорезонанс, качественно делятся на две группы: слабо демпфированные с наибольшими перенапряжениями и демпфированные с малыми перенапряжениями. Степень демпфирования определяется структурой питающего источника, наличием нагрузки на трансформаторах промежуточных подстанций и, в меньшей степени, активным сопротивлением проводов.

Принципиальные схемы источника питания.

1 — коммутируемый выключатель; 2 — коммутируемая ВЛ По структуре источника питания к демпфированным схемам относится схема на рис. 3.8,а (схема типа «сборные шины»), к слабо демпфированным — источники питания с выделенным понижающим трансформатором (схема на рис. 3.8,б) или в виде блока генератор-трансформатор (схнма на рис. 3.8,в). В слабо демпфированных схемах длительность перенапряжений переходного феррорезонанса составляет 1 1,5 с; в демпфированных — уменьшается до 0,2 0,3 с. В схемах с проходными и отпаечными подстанциями на коммутируемой линии нагрузка на их понижающих трансформаторах дает заметный демпфирующий эффект даже при значениях, соответствующих минимуму суточного графика нагрузки.

Перенапряжения при переходном резонансе на частотах 100 и 200 Гц подвержены большим разбросам, так как определяются большим числом как независимых, так и связанных между собой случайных величин. Сюда относятся случайно меняющиеся от коммутации к коммутации и от одной электропередачи к другой угол включения выключателя, годовые колебания предвключенной индуктивности питающего источника, график передачи мощности по ВЛ, амплитуда основной составляющей потока в точке подключения трансформатора и др.

Сопоставление уровней максимальных перенапряжений при переходном феррорезонансе с допустимыми воздействиями показывает, что защита необходима в слабо демпфированных схемах для электропередач 110 — 500 кВ если определяемая по номограмме [1] наименьшая из частот собственных колебаний электропередачи к, и в передачах 750 кВ, если их собственная частота к.

Наименьшая из частот собственных колебаний коммутируемой блочной (полублочной) электропередачи определяется по расчетной схеме вида «источник э.д.с. — предвключенная реактивность — линия с распределенными параметрами». При этом понижающие трансформаторы промежуточных подстанций на виличину к/ практически не влияют и поэтому учитываться не должны. Значение эквивалентного индуктивного сопротивления питающего источника Хс должнл определяться с замещением генераторов переходной реактивностью Х’d.

Способы защиты от перенапряжений при явлениях переходного феррорезонанса:

эксплуатационными инструкциями запретить как коммутации линии в блоке с невозбужденным трансформатором (АТР), так и подключение к линии невозбужденного трансформатора или АТР. При необходимости подобных коммутаций трансформатор (или АТР) должен быть предварительно возбужден со стороны обмоток НН или СН, если в этих сетях есть генерирующие источники, либо нагружен местной нагрузкой;

на стороне низшего напряжения трансформатора или АТР, коммутируемого в блоке с ВЛ, устанавливается реактор, сигнал на кратковременное подключение которого подается одновременно (или с небольшим упреждением) с командой на включение или отключение выключателей блочной электропередачи. При АПВ подключение реактора осуществляется от действия устройств АПВ. Сигнал на отключение реактора подается от появления тока в обмотке реактора с выдержкой времени t X/60R, где Х и R — активное и реактивное сопротивления реактора.