Литературный обзор

    Решающее влияние на уровень внутренних перенапряжений оказывают характеристики выключателей. Опытом установлено, что в сетях 110 кВ с масляными выключателями при отключении ненагруженных линий возникают многократные повторные зажигания и появляются перенапряжения, достигающие от 2,5 до 3,1 Uф . При отключении той же системы с глухозаземленной нейтралью с воздушными выключателями перенапряжения не превышают  2,5 Uф.

    При отключении ненагруженных трансформаторов возможны перенапряжения более 3Uф. Эти перенапряжения из-за малой длительности могут быть приравнены к атмосферным перенапряжениям. Поэтому для защиты изоляции на подстанциях и станциях от перенапряжений служат обычные вентильные разрядники. Основной мерой защиты от внутренних перенапряжений являлся до сих пор выбор таких уровней изоляции, которые могли бы обеспечить бесперебойную работу электрических аппаратов и трансформаторов при воздействии перенапряжений, возникающих при различных переходных режимах. В настоящее время уровень внутренних перенапряжений для электропередач с напряжением 330 кВ принят 2,7 Uф при условии, что система имеет глухозаземленную нейтраль, защищена вентильными разрядниками, а выключение осуществляется воздушным или малообъемным масляным выключателями. В электропередачах с напряжением 500 кВ необходимо учитывать появление перенапряжений, связанных со специфическими особенностями передачи энергии по длинным линиям. Характерно для длинных линий то, что они имеют большую величину емкости относительно земли. Поэтому при работе их на холостом ходу и включении на полное фазовое напряжение, напряжение на разомкнутом конце значительно превышает напряжение в начале линии. Чтобы устранить такое явление, применяют шунтирующий реактор, который включают между каждым проводом линии и землей в определенных местах линии и тем самым компенсирует ее емкость.

    В конструктивном отношении шунтирующий реактор представляет собой индуктивную катушку, помещенную на магнитопровод и опущенную в бак с маслом. Реактор может быть использован для отбора мощности.

    Поскольку длинные линии обладают большой  индуктивностью, это ведет к уменьшению передаваемой мощности. Для устранения этого явления включают в рассечку линии емкость. Такое устройство называют продольной компенсацией.

    К перенапряжениям длинных линий  с напряжением 500 кВ относится повышение напряжения основной частоты при одностороннем включении или отключении линии, а также перенапряжения резонансного характера. При разрыве передачи у приемного конца при однофазном замыкании перенапряжения достигают 2,6 Uф. При отключении ненагруженного участка линии при однофазном коротком замыкании и отключенном реакторе перенапряжения достигают 2,8 Uф, а на контактах выключателя 4 Uф. Опыты показали, что на линиях 400 кВ перенапряжения могут изменяться в пределах от 1,6 Uф до 3 Uф. Расчетный уровень внутренних перенапряжений для 400 кВпринимается равным 3 Uф. Этот уровень является предельным и по технико-экономическим соображениям. Для напряжений 500 кВ уровень внутренних перенапряжений снижается до величины 2,5 Uф[22]. 

    Отключение  линии с повторным  зажиганием дуги.

    Если  выключателем в начале линии отключить ее в тот момент, когда зарядный ток линии равен нулю, а напряжение достигает максимума, то линия даже при отключенном генераторе будет удерживать напряжение Uф. Через полпериода с момента отключения генератора напряжение на его зажимах изменит знак и достигнет отрицательного максимума. Разность потенциалов на выключателе возрастет до удвоенного значения Uф. Если к этому времени расстояние между контактами выключателя будет невелико, то оно будет пробито и на выключателе появится снова дуга. В линии в это время от генератора к ее концу направится волна с напряжением —2 Uф. Дойдя до конца, она отразится от него до —4 Uф.

    Вычитая + Uф из -4Uф, получим - 3 Uф. Таким образом, линии окажется заряженной до -З Uф. Через полпериода напряжение на выключателе за счет перемены знака напряжения источника достигнет +4 Uф. Это напряжение может снова пробить промежуток в выключателе и тогда вновь появится дуга, и напряжение на линии в процесс перезарядки может возрасти до 5 Uф и т. Д[23],.

    Отключение  ненагруженных линий.

    Коммутация  линии разбивается на два этапа. При отключении вначале происходит отключение от нагрузки, затем –  отключение ненагруженной линии  от шин питающей подстанции. При  включении вначале производится включение ненагруженной линии  под напряжением, а затем включение под нагрузку. Данные измерения в сетях показали, что коммутационные перенапряжения на линиях возникают только при коммутациях ненагруженной линии: ее включение под напряжение или ее отключение от напряжения. Коммутации включения под нагрузку и отключения от нагрузки не сопровождаются перенапряжениями на линиях или вызывают перенапряжения  малой кратности, которое можно не учитывать.

    Как при включениях, так и при отключениях  ненагруженных линии максимальные перенапряжения имеют место на разомкнутом конце линии. В тех случаях, когда коммутация ненагруженной линии производилась выключателями без повторных пробоев дугового промежутка, наибольшие перенапряжения возникали при операции включения. Когда коммутирующий выключатель давал повторные пробои, максимальные перенапряжения могли возникать при операции отключения.

    На  рисунке 3 представлена схема ненагруженной линии. Выключатель В₃ отключает ненагруженную линию Л₁. В цепи протекает синусоидальный ток.

    Рис. 3. Схема ненагруженной линии (а) и график переходного процесса при повторном зажигании дуги в выключателе (б) 

      При обрыве этого тока (при его прохождении  через нуль) напряжение на линии  Л₁ имеет амплитудное значение U = U_y.max. После обрыва тока на линии сохраняется напряжение U₀ = U_y.max, создаваемое зарядом на емкостях линии. На контактах выключателя появляется напряжение U_в(t), вызванное разностью ЭДС источника e = E_maxcos(wt) и напряжение U_0, созданное зарядом на линии. U_в(t) = E_maxcos(wt) – U_0. Через полпериода промышленной частоты напряжение на контактах выключателя достигнет значения E_max + U₀.

      Максимальное  напряжение в переходном процессе зависит  от повторного пробоя межконтактного промежутка выключателя. Возможность  повторного пробоя определяется соотношением между кривыми возрастания электрической прочности промежутков выключателя (2) и восстанавливающегося напряжения (1) (рис. 2.). Если кривая восстанавливающегося напряжения (кривая 1) пересечет кривую роста электрической прочности промежутков выключателя U_пр(t) в точке В, то произойдет повторное зажигание дуги. Если же восстанавливающееся напряжение U_в(t) (кривая 2) растет медленно, то отключение ненагруженной линии произойдет без повторного пробоя.

Рис.4. Кривые восстанавливающейся прочности (U_пр) (1)  
и напряжения на выключателе (U_в) (2) 

    Из  опыта эксплуатации известно, что  величина перенапряжения составляет 3U_ф. При снижении уровня изоляции до 2,5U_ф при отключении ненагруженной линии указанные перенапряжения становятся опасным для изоляции[2].

    Отключение  ненагруженных трансформаторов.

    Трансформатор можно выключить воздушным или  масляным выключателями. В момент обрыва тока I0 напряжение на трансформаторе будет  изменяться колебательным путем  с частотой, определяемой индуктивностью Lтр и емкостью Стр трансформатора.

    Из-за наличия активных сопротивлений  колебания будут затухающими.

    На  генераторе при обрыве тока I₀ тоже возникают колебания, осью которых является синусоидальное напряжение источника. Эти колебания затухают в течение некоторой I₀ происходит при напряжении источника U₀ и сопровождается перенапряжением. Перенапряжения на выключателе уменьшаются с увеличением емкости системы.

    Максимальное  напряжение на трансформаторе определяется по

    формуле:                   

    Если  обрыв тока происходит при U0=0 и I0=Iмакс , то:

    Это выражение может быть получено из равенства электрической и магнитной  энергий:

    Отсюда  видно, что чем больше величины тока Iмакс  и волнового сопротивления  трансформатора [23]. 

    Перенапряжение  при автоматическом повторном включении (АПВ).

    Использование АПВ основано на том, что большинство  замыканий носит дуговой характер. Поэтому при отключении участка  линии с КЗ с двух сторон дуга может погаснуть и линия может быть снова включена через время t_АПВ (рис. 5). Цикл АПВ можно подразделить на следующие этапы:

• Отключение линии выключателем Q2, ближайшем к месту КЗ, приводящее к кратковременному режиму одностороннего питания линии;
• Отключение не поврежденных фаз линии выключателем Q1, т.е. обрыв емкостного тока при переходе его через нулевое значение, что соответствует максимуму напряжения на этих фазах;
• Повторное включение разомкнутой линии выключателем Q1;
• Замыкание выключателя Q2 и восстановление нормальной схемы электросабжения.

    Рис. 5. Схема 

    После отключения выключателя Q2 напряжения на не поврежденных фазах в начале и в конце линии отличаются друг от друга и от ЭДС источника вследствие емкостного эффекта и КЗ на поврежденной фазе (поперечная несимметрия линии).

    После отключения линии выключателем Q1 заряд на поврежденной фазе стекает в землю через дугу, а на неподвижных фазах происходит процесс выравнивания напряжения. Заряд на неповрежденных фазах линии без реакторов поперечной компенсации медленно стекает в землю через активные проводимости, которые определяются степенью загрязнения поверхности изоляторов и метеорологическими условиями. В среднем для сухой погоды при t_АПВ=0,4 с напряжение оставшихся зарядов составляет 60-70% первоначального. Максимальное перенапряжение возникает при повторном включении разомкнутой линии выключателем Q1 [2]. 

4. Аварийность в сетях высокого напряжения вследствие внутренних перенапряжений.

    Внутренние  перенапряжения являются причиной значительного  числа аварий в сетях. Наиболее частым видом опасных внутренних перенапряжений считаются перенапряжения, связанные с дуговыми замыканиями на землю. Их доля среди всех видов аварий значительна, от 34 до 80%. Такие перенапряжения часто существуют в виде переходных процессов при перемежающейся дуге и опасны для изоляции электроустановок своей продолжительностью и широтой охвата сети, электрически связанной с местом повреждения.

    Значительную  долю нарушений составляют повреждения  вследствие коммутационных и феррорезонансных перенапряжений. Наиболее часто отмечаются выходы из строя силовых трансформаторов и измерительных трансформаторов напряжения при длительных дуговых и металлических замыканиях на землю, при которых инициируется феррорезонансные явления. Внутренние перенапряжения, воздействуют на изоляцию электрооборудования, способствуют возникновению и накоплению дефектов изоляции. Ослабленная таким образом изоляция может быть повреждена умеренными грозовыми перенапряжениями или другими воздействиями, в том числе рабочим напряжением.

    В сетях средних классов напряжения наибольшую аварийность имеют электрические машины. Вместе с тем эти машины играют важную роль при генерации, передаче и распределении электроэнергии. Так, например, повреждение изоляции электродвигателей, питаемых от сетей собственных нужд и выполняющих различные технологические функции, может привести к полному сбросу нагрузки всей станции или её части. Выход из строя мощных синхронных компенсаторов в значительной степени ухудшает технико-экономические показатели работы энергосистемы и требует серьезных ремонтно-восстановительных работ.

    По  данным эксплуатации наибольшая повреждаемость имеет место среди машин в  сетях собственных нужд (СН) электростанций. Это объясняется тем, что изоляция некоторых видов электрических  машин, например ответственных электродвигателей  СН ТЭЦ и ГРЭС, работает в тяжелых условиях загрязненной и увлажненной среды, повышенной температуры, подвергается частым перегрузкам и электродинамическим воздействиям при пусках и коротких замыканиях, а в ряде случаев - повышенным вибрациям и перегревам, вследствие чего быстро изнашивается и имеет значительно меньшие запасы электрической прочности.

    Ослабление  изоляции по указанным выше причинам развивается столь быстро, что  приводит к пробоям в период между  очередными профилактическими испытаниями  при рабочем напряжении или умеренных перенапряжениях. Число случаев пробоя изоляции электродвигателей во время работы в 2,5 раза превышает таковое при профилактике, эффективность которой не может быть увеличена учащением испытаний или повышением испытательных напряжений, так как оба этих направления в сложившейся обстановке ведут не к повышению надежности, а к чрезмерному увеличению объема работ по перемотке и восстановительному ремонту электродвигателей.