Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Необходимость исследования перенапряжений и разработки системы защиты от них элетрических сетей предприятий цветной металлургии 13
1.1. Общее о предприятиях цветной металлургии 14
1.2. Характеристики изоляции сетей предприятий цветной металлургии 19
1.3. Допустимые кратности перенапряжений 22
1.4. Аварийность электрооборудования 24
1.5. Выводы и постановка задачи диссертационной работы 30
2. Исследование коммутационных перенапряжений на зажимах двигателя и защита от них 33
2.1. Разработка расчетной схемы 33
2.2. Перенапряжения при включении электродвигателей 43
2.2.1. Влияние нагрузки на шинах на кратность перенапряжений 47
2.2.2. Влияние момента включения на кратность перенапряжений 53
2.2.3. Влияние мощности двигателя на кратность перенапряжений .57
2.2.4. Влияние компенсации реактивной мощности на шинах на кратность перенапряжений 58
2.3. Перенапряжения при отключении электродвигателей 60
2.3.1. Влияние нагрузки на шинах на кратность перенапряжений 64
2.3.2. Перенапряжения при отключении двигателя вакуумным выключателем 66
2.3.3. Влияние мощности двигателя на кратность перенапряжений при отключении вакуумным выключателем 68
2.3.4. Влияние запаздывания фаз контактов вакуумного выключателя 71
2.3.5. Влияние компенсации реактивной мощности в сети на кратность перенапряжений при отключении двигателя вакуумным выключателем 74
2.4. Отключение пусковых токов 76
2.5. Дуговые перенапряжения 79
2.6. Защита от перенапряжений 83
2.7. Выводы по второй главе 90
3. Перенапряжения на зажимах ненагруженых трансформаторов при коммутациях и защита от них 93
3.1.Разработка расчетной схемы 93
3.2. Перенапряжения при включении ненагруженных трансформаторов 96
3.2.1. Влияние нагрузки на шинах на кратность перенапряжений 98
3.2.2. Влияние длины питающего трансформатор кабеля на кратность перенапряжений 101
3.2.3. Влияние момента включения выключателя на кратность перенапряжений 102
3.2.4. Влияние мощности трансформатора на кратность перенапряжений 106
3.3. Отключение ненагруженных трансформаторов 108
3.3.1. Влияние нагрузки на шинах на кратность перенапряжений 109
3.3.2. Отключение ненагруженного трансформатора вакуумным выключателем 111
3.3.3. Влияние длины питающего трансформатор кабеля на кратность перенапряжений при отключении вакуумным выключателем 113
3.3.4. Влияние мощности трансформатора на кратность перенапряжений при отключении вакуумным выключателем 114
3.4. Перенапряжения при коммутациях ненагруженных трансформаторов напряжением 110 кВ 115
3.4.1. Перенапряжения при коммутациях ненагруженных высоковольтных линий ПОкВ 118
3.4.2. Перенапряжения при коммутациях ненагруженного трансформатора ПОкВ 123
3.4.3. Перенапряжения при коммутациях ненагруженного трансформатора 110 кВ выключателем, установленным со стороны узловой ПС 125
3.5. Защита от перенапряжений 127
3.5.1. Защита трансформаторов средних классов напряжения 127
3.5.2. Защита трансформатора ПО кВ 131
3.6. Выводы по третьей главе 133
4. Анализ грозозащиты подстанций 35-220 кв глубокого ввода 136
4.1. Методика исследования грозовых перенапряжений, набегающих с линий 136
4.2. Грозозащита подстанций 35 - 220 кВ 142
4.3. Результаты анализа грозозащиты подстанций при установке на них нелинейных ограничителей перенапряжений 162
4.3.1. Проходная подстанция 35 кВ 162
4.3.2. Проходная подстанция 110 кВ по схеме «мостик» 163
4.3.3. Проходная подстанция 150 кВ по схеме «мостик» 164
4.3.4. Проходная подстанция 110 кВ по схеме «четырёхугольник» 164
4.3.5. Проходная подстанция 150 кВ по схеме «четырёхугольник».. 165
4.3.6. Проходная подстанция 220 кВ по схеме «мостик» 165
4.3.7. Проходная подстанция 220 кВ по схеме «четырёхугольник».. 166
4.4. Выводы по четвертой главе 167
5. Исследование перехода грозовой волны на сторону питания электродвигателей металлургических заводов и комбинатов 168
5.1.Максимальные грозовые перенапряжения при прорыве молнии в фазный провод 169
5.1.1. Случай без перекрытия гирлянды изоляторов 169
5.1.2. Случай с перекрытием гирлянды изоляторов 177
5.2. Воздействие грозовых перенапряжений при ударе молнии в опору линии без тросов 184
5.3. Воздействие грозовых перенапряжений на линию с грозозащитным тросом 188
5.3.1.Удар молнии в опору 188
5.3.2.Удар молнии в трос 192
5.3.3. Кривая опасных токов 195
5.4. Грозовые перенапряжения на стороне среднего напряжения 6 кВ. 198
5.4.1. Без учета нагрузки на шинах 198
5.4.2. Влияние двигательной нагрузки 200
5.5. Выводы по пятой главе 201
Заключение 203
Список литературы
- Характеристики изоляции сетей предприятий цветной металлургии
- Влияние компенсации реактивной мощности на шинах на кратность перенапряжений
- Влияние нагрузки на шинах на кратность перенапряжений
- Результаты анализа грозозащиты подстанций при установке на них нелинейных ограничителей перенапряжений
Введение к работе
В экономике страны важнейшая роль принадлежит цветной металлургии, которая во многом определяет технический прогресс государства. Российская Федерация занимает одно из первых мест в мире по производству всех основных цветных, редких и благородных металлов.
Важнейшим направлением развития отрасли на современном этапе является решение задачи повышения надежности. От безотказной работы основного и вспомогательного технологического оборудования металлургических заводов и комбинатов в большой степени зависит безаварийность и эксплуатационная гибкость работы систем в целом.
Сети среднего класса напряжения относятся к распределительным и являются наиболее массовыми и протяженными. От сетей класса напряжения 110-750 кВ они отличаются большим разнообразием схемных решений и используемого оборудования, как металлургических заводов и комбинатов, так и иного потребителя. От надежности сетей 6-35 кВ зависит бесперебойность электроснабжения. В случаях отказов в сетях 6-35 кВ на производствах с непрерывным циклом возможно возникновение катастрофических ущербов в виде массового брака продукции и повреждения дорогостоящего технологического оборудования.
В настоящее время более 80% высоковольтного электрооборудования исчерпало свой ресурс, поэтому электромагнитные возмущения могут привести к повреждению изоляции. Анализ опыта эксплуатации электрических сетей предприятий цветной металлургии, указывает на большую аварийность, в том числе аварийность, связанную с внутренними (дуговыми, коммутационными) перенапряжениями, а в ряде случаев импульсными (грозовыми) перенапряжениями. Сложившаяся ситуация выливается в актуальную проблему и требует всестороннего исследования предельных кратностей перенапряжений при указанных электромагнитных переходных процессах.
Исследование перенапряжений - один из основополагающих факторов выполнения защиты сетей предприятий цветной металлургии. Разработка
эффективных и контролируемых методов исследования перенапряжений с использованием современных вычислительных машин является в настоящее время ключевым звеном создания нового представления о выполнении защиты электрических сетей предприятий цветной металлургии.
Перспективным устройством, которое может использоваться для защиты сетей описываемой отрасли, являются нелинейные ограничители перенапряжений. Большое разнообразие подобных аппаратов российского и зарубежного исполнения, доказывает, что для выбора защитного устройства требуется как можно большее представление о вызвавшем перенапряжения переходном процессе.
В периодической печати и технической литературе некоторым аспектам проблемы перенапряжений уделено большое внимание, в то время как отдельные из них не освещены совсем.
Проблеме коммутационных перенапряжений в сетях с изолированной нейтралью посвящено большое количество работ. Ряд публикаций [20,37,49,95] посвящен коммутационным перенапряжениям при наличии неблагоприятных сочетаний параметров элементов сети. В них аргументируется физическая сущность явления и возможность повышенных крайностей перенапряжений в некоторых схемах сетей. Перенапряжения при коммутациях высоковольтных электродвигателей рассмотрены [9, 10]. Где, при моделировании переходного процесса отключения электродвигателей напряжение имеет форму восстановления вокруг нуля. При такой форме переходного процесса не учитывается наведенная в роторе двигателя электродвижущая сила (ЭДС). При учете ЭДС напряжение переходного процесса восстанавливается вокруг синусоиды напряжения. Из чего можно заключить, что при моделировании и исследовании коммутационных переходных процессов на зажимах электродвигателей не была смоделирована реальная картина переходного процесса и выводы о возможных кратностях перенапряжений сомнительны. В приведенных работах рассматриваются также перенапряжения на электродвигателях, связанные со срезом тока до естественного перехода через ноль и повторными зажиганиями в выключателях. Несмот-
7 ря на четкое обозначение причины перенапряжений в этих работах, существует
неопределенность в некоторых вопросах, например, в вопросе влияния параметров схемы на кратность перенапряжений.
Основные теории дуговых перенапряжений изложены в таких работах, как [84, 85]. В [84] дано определение физики дуговых перенапряжений, однако анализ в них проводился в упрощенных схемах без учета реальных конфигураций сетей.
Исследования и экспериментальные данные по коммутационным перенапряжениям, вызванным отключением ненагруженных трансформаторов, приведены в [47,76, 77, 117, 118]. В работах есть неопределенность в некоторых вопросах, например, что при коммутации перенапряжения определяются параметрами сети и величиной тока среза. Объем экспериментальных данных по коммутациям трансформаторов вакуумными выключателями невелик [117, 118] и не позволяет судить о каких-либо особенностях в их применении. Моделирование процессов коммутаций трансформаторов среднего класса напряжения приводится в [9], однако в работе нет систематизации исследований и их объем невелик. В рассмотренной литературе нет исследования возможного применения вакуумных выключателей для сетей высокого класса напряжения 110-750 кВ, однако, в ближайшее время предполагается их использование.
Исследование влияний грозовых перенапряжений на защитные аппараты, а также рекомендации по их выбору приведены в [21, 30, 33, 105]. В работах нет исследования грозовых перенапряжений при использовании защитных аппаратов для основных типовых схем подстанций («мостик», «четырехугольник») применяемых для металлургических заводов и комбинатов 35-220 кВ, а также не рассмотрен вопрос перехода грозовой волны на сторону среднего напряжения питания электродвигателей.
Выбор темы диссертации стимулирован возникновением большого числа неохваченных задач в области исследования перенапряжений, в том числе с использованием современных методик. В настоящее время с использованием новейших программных продуктов, исследование перена-
8 пряжений может показать новые не затронутые ранее возможности.
Помимо большого прикладного значения проведенных в работе исследований для различных отраслей промышленности, использование новых методов является инструментом подтверждения фундаментальных исследований.
Таким образом, актуальность темы диссертации определяется как потребностями исследований в области изучения перенапряжений, в том числе связанными с разработкой новых методов исследования, так и многочисленными практически важными применениями результатов полученных исследований, в частности для разработки защиты сетей предприятий цветной металлургии. «
Целью являлось продвижение вперед в разрешении части существующих проблем, вызванных перенапряжениями в сетях среднего и высокого классов напряжения металлургических заводов и комбинатов. В первую очередь, это касалось решения ряда модельных задач исследования перенапряжений, реализованных в составлении расчетных схем, моделирующих возникающие в сетях переходные процессы, сопровождающиеся значительным повышением напряжения.
В соответствии с целью сформулированы следующие задачи работы: разработка расчетных схем и адаптация их к современным пакетам схематического моделирования для исследования переходных процессов, возникающих при электромагнитных возмущениях в сетях средних и высоких классов напряжения предприятий цветной металлургии; расчет кратностей перенапряжений на изоляции электрооборудования (электродвигателей, трансформаторов и д.р.) среднего и высокого класса напряжения, а также высоковольтных линий ПО кВ отрасли; анализ полученных результатов, в том числе при использовании для защиты сетей описываемой отрасли нелинейных ограничителей перенапряжений; анализ грозовых перенапряжений на подстанциях глубокого ввода 35 - 220 кВ и расчет показателя надежности
9 (числа лет безаварийной работы); анализ грозовых перенапряжений на стороне питания двигателя.
Научная новизна и практическая значимость работы: комплекс решенных в диссертации задач при их методическом единстве является несомненным шагом вперед в решении проблемы защиты от перенапряжений сетей предприятий цветной металлургии.
Научная новизна заключаются в следующем: впервые на базе существующих пакетов схематического моделирования разработана методика составления расчетных схем для исследования перенапряжений металлургических заводов и комбинатов; впервые для сетей средних классов напряжения рассмотрена полная трехфазная модель системы электроснабжения предприятий цветной металлургии; впервые при исследовании перенапряжений уточнено влияние параметров элементов расчетных схем, таких как нагрузка на шинах, момент замыкания контактов выключателя, мощность объекта, режим заземления нейтрали, длина питающего кабеля (для сетей средних классов напряжения); впервые при исследовании коммутационных перенапряжений на зажимах двигателя учтены механические характеристики двигателя, и как доказательство правильности выполнения модели, совпадение рабочих характеристик (тока номинальной нагрузки, кратность пусковых токов, скорости вращения ротора) со справочными данными.
Практическая ценность данной работы заключается в том, что в ней проведено полное и систематическое исследование перенапряжений в сетях отрасли. Анализ полученных теоретических результатов исследований может быть использован для повышения надежности основного и вспомогательного технологического оборудования металлургических заводов и комбинатов, так как позволяет смоделировать варианты защиты от возникающих перенапряжений.
Работа состоит из пяти глав и заключения.
Первая глава содержит обоснование необходимости исследования перенапряжений в сетях среднего и высокого классов напряжения металлургических заводов и комбинатов.
10 В эксплуатации на изоляцию электрооборудования и кабелей
среднего и высокого напряжения предприятий цветной металлургии, кроме длительного рабочего напряжения, также воздействуют кратковременные внутренние и внешние перенапряжения. Эти перенапряжения с учётом условий работы изоляции (высокая температура, повышенная загрязнённость, частые пуски и остановки, реверс электроприводов и др.) приводят к повышенному повреждению электрооборудования и кабелей. В условиях использования электрооборудования, исчерпавшего свой ресурс, электромагнитные возмущения могут привести к серьёзному повреждению изоляции.
Опасность тех или иных перенапряжений для изоляции определяется запасами её электрической прочности. Достоверных сведений о характеристиках электрической прочности внутренней изоляции получить не возможно. Поэтому они косвенно характеризуются нормированными (ГОСТ 1516.3-96) испытательными напряжениями грозовых импульсов и нормированным испытательным напряжением промышленной частоты.
Приведены величины опасных для электрооборудования кратностей перенапряжений, превышение которых требует применения защиты.
В заключении первой главы определены поставленные диссертационной работой задачи.
Во второй главе проведено исследование коммутационных перенапряжений, возникающих на зажимах электродвигателя, а также проведено исследование дуговых перенапряжений в сетях средних классов напряжения.
Разработан ряд расчетных схем для выполнения исследований возникающих при электромагнитных возмущениях в сетях средних классов напряжения при коммутациях электродвигателей предприятий цветной металлургии. Выполнена адаптация расчетных схем к вычислительной машине, с использованием современных пакетов схематического моделирования. При моделирование процессов учитывались не только электрические, но и механические характеристики электродвигателя. При моделирование процесса
отключения двигателя учитывалась электродвижущая сила, наведенная в роторе машины. Рассмотрены влияния на кратность перенапряжений при коммутациях: момента замыкания (размыкания) контактов, нагрузки на шинах, длины питающего кабеля, мощности электродвигателя, режима заземление нейтрали, среза тока вакуумным выключателем (при отключении). На базе выполненных расчетных схем разработана методика моделирования переходных процессов в зависимости от изменений параметров элементов питающей электродвигатель системы.
В третьей главе проведено исследование коммутационных перенапряжений, возникающих на зажимах ненагруженных трансформаторов среднего и высокого класса напряжения, а также исследование перенапряжений вызванных коммутациями ненагруженных высоковольтных линий. Для выполнения исследований разработан ряд расчетных схем реализованных в пакете схематического моделирования.
При моделировании процессов включения и отключения ненагружен-ного трансформатора на напряжении 6 кВ рассмотрено, как влияет нагрузка на шинах, длина питающего трансформатор кабеля, момент включения, мощность трансформатора, режим заземление нейтрали.
При исследовании коммутационный перенапряжений высоковольтных трансформаторов ПО кВ смоделированы переходные процессы при его отключении вакуумным выключателем, который может быть использован для коммутаций в ближайшее время.
В четвертой главе проведен анализ грозозащиты подстанций глубокого ввода 35 - 220 кВ.
Для анализа повреждаемости электрооборудования 35 - 220 кВ произведен расчет показателя надёжности для наиболее распространенных типовых схем подстанций глубокого ввода (мостик, четырехугольник), представляющий собой число лет безаварийной работы при грозовых ситуациях или число лет, в течение которых будет иметь место хотя бы одно грозовое повреждение.
12 В пятой главе проведено исследование грозовых воздействий,
при переходе грозовой волны на сторону питания двигателя для тупиковой
подстанции.
В заключении приводятся основные результаты работы.
Характеристики изоляции сетей предприятий цветной металлургии
Опасность тех или иных перенапряжений для изоляции определяется её запасами электрической прочности.
В сетях высокого напряжения изоляцию испытывают импульсными воздействиями, причём они отражают характеристики изоляции при грозовых перенапряжениях с основными частотами в несколько десятков или сотен кГц, коммутационными воздействиями и одноминутным испытательным напряжением.
Сети 6-35 кВ состоят из воздушных и кабельных линий и соответствующих распредустройств. Электрооборудование сетей 6 - 35 кВ включает в себя коммутационные аппараты, измерительные трансформаторы тока и напряжения, силовые трансформаторы, генераторы, двигатели, синхронные компенсаторы, токоограничивающие и дугогасящие реакторы, конденсаторные батареи, устройства защиты от грозовых и коммутационных перенапряжений.
Сети средних классов напряжения предприятий цветной металлургии в большинстве случаев работают с изолированной или резонансно заземленной (заземленной через дугогасящий реактор) нейтралью. В ряде случаев, например, в сетях собственных нужд и генераторных сетях собственных электростанций находит применение заземление нейтрали трансформаторов и генераторов через резистор (резистивное заземление нейтрали).
В соответствии с условиями эксплуатации изоляция электрооборудования подразделяется на внешнюю и внутреннюю. Внешней изоляцией называется внешняя часть изоляционной конструкции, где изолирующей средой является атмосферный воздух или сочетание поверхности твердого диэлектрика с атмосферным воздухом.
Внутренней изоляцией называется внутренняя часть изоляционной конструкции, где изолирующей средой является жидкий, твердый или газообразный диэлектрик или их комбинация, не подвергающаяся непосредственному воздействию внешних условий.
Отличительной особенностью внешней изоляции является ее свойство восстанавливать свои параметры после разряда или пробоя, что дает возможность достаточно достоверно определить ее электрическую прочность.
Достоверных сведений о характеристиках электрической прочности внутренней изоляции получить невозможно. Поэтому они косвенно характеризуются нормированными (ГОСТ 1516.3-96) испытательными напряжениями грозовых импульсов и нормированным испытательным напряжением промышленной частоты. Для электрооборудования 6-35 кВ допустимая кратность (выдерживаемый уровень) коммутационных перенапряжений по отношению к фазному значению наибольшего рабочего напряжения определяется по выражению: U и.р. где /исп.вн.- нормированное одноминутное испытательное напряжение промышленной частоты главной изоляции электрооборудования, кВ, (действующее значение);
Ки - коэффициент импульса, учитывающий повышение разрядного напряжения изоляции при более коротком коммутационном импульсе по сравнению с испытательным напряжением. Ки=1,3 для главной изоляции трансформаторов;. Ки=1,1 -для аппаратов;
Кк - коэффициент кумулятивности, учитывающий снижение электрической прочности в условиях эксплуатации при многократных воздействиях перенапряжений и возможность старения изоляции. Кк=0,9 для главной изоляции трансформаторов. Кк=1,0 - для аппаратов; /н.р. - наибольшее рабочее напряжение сети (действующее значение).
Допустимая кратность грозовых перенапряжений оценивается по формуле: К- доп .гр . V исп .гр ПГ , V " V и.р. где /исп.гр. - испытательное напряжение грозовым импульсом по ГОСТ 1516.3-96. Допустимое импульсное напряжение на изоляции трансформаторов 35 - 220 кВ при грозовых перенапряжениях определено из соотношения: U =\\-Ш - ном где UnB - нормированное испытательное напряжение грозовых импульсов трансформаторов по ГОСТ 1516.3-96; UH0M - номинальное напряжение (класс напряжения) трансформаторов.
Статорные обмотки электрических машин имеют меньший уровень изоляции. Особенностью статорной изоляции является то, что ее коэф фициент импульса примерно равен единице. Если в сетях установлены высоковольтные электрические машины в виде синхронных компенсаторов, генераторов и электродвигателей, то Кдоп определяется как: л/Г и к = и don .вн . исп ,6в И . р,6в . где испытательное напряжение электрических двигателей: - ДЛЯ НОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ С/„сп.дв. =2-С/„ом+1
Влияние компенсации реактивной мощности на шинах на кратность перенапряжений
Источником опасных воздействий, сопровождающих процесс отключения, является срез тока в вакуумной камере до его естественного перехода через нулевое значение. При этом магнитная энергия, запасенная в индуктивности нагрузки, в колебательном режиме переходит в энергию собственной емкости нагрузки и кабеля присоединения. Кратность возникающих перенапряжений зависит от соотношения индуктивности и емкости отключаемого присоединения, а также величины тока среза.
После среза тока промышленной частоты напряжение в отключаемой фазе на стороне секции шин остается практически неизменным за счет большого числа присоединений и примерно равным амплитудному значению фазного рабочего напряжения. Напряжение на полюсе отключаемой фазы выключателя со стороны присоединения изменяется в соответствии с переходным процессом, вызванным перезарядом емкости присоединения.
Используя расчетную схему рис. 2.36., рассмотрим процесс отключения двигателя при размыкании контактов выключателя Qa в момент, когда ток порядка 5 А. Кривые напряжения и тока такого процесса показаны на рисунке 2.38, из которого видно, что амплитуда номинального тока составляет 81 А - соответствует справочным данным [5]. Срезаемый вакуумным выключателем ток фазы А составил 5,2 А, а срезы токов 4,6 А и 5,3 А соответствуют фазам В и С. Кратность перенапряжений переходного процесса такого отключения - 2,2, что означает, что эти перенапряжения также не опасны для двигателей.
Рис. 2.40. Кривые напряжения и тока при отключении двигателя 200 кВт. Из рис. 2.40. видно, что номинальный ток равен 35,142 А (действующее значени тока при номинальной нагрузке двигателя мощностью 200 кВт Лшм=25,5 А [5], амплитуда тока 36 А), максимальное напряжение фазы С при отключении двигателя составило 13,97 кВ, т.е. кратность - 2,9. Период переходного процесса - 0,47 мс.
Кривые напряжений и токов при аналогичном отключении двигателей для мощностей 400, 630 и 1000 кВт (см. приложение 1, рис.3, рис.4, рис.5 соответственно). Как показали расчеты, у более мощных двигателей сокращается период колебания переходного процесса (для двигателя мощностью 400 кВт - Т=0,3 мс, для 630 кВт - Т=0,26 мс, для 1000 кВт - Т=0,22 мс). Амплитудные значения токов при номинальной нагрузке для 400 кВт - 65 А, для 630 кВт -97 А, для 1000 кВт - 149 А соответствуют справочным [5].
Максимальная кратность перенапряжений переходного процесса возникающая при отключении двигателя со срезом тока в нормальном режиме работы выключателя (рис.2.37.) - 2,2. Из рис. 2.42 вытекает, что при запаздывании двух фаз кратность увеличивается до 2,3. При запаздывании одной фазы (рис. 2.43.) кратность - 2,6.
Кривые напряжения и тока при отключении двигателя с запаздывании одной фазы выключателя на полпериода и несрабатывании другой, показаны на рис. 2.44. Здесь максимальная кратность перенапряжений К=2,$. Расчеты показывают, что при «аварийных» режимах отключения двигателя кратность перенапряжений может увеличиться на 15-20 % по сравнению с отключением при нормальной работе.
Рассмотрим, какие кратности перенапряжений получатся при отключении менее мощного двигателя 200 кВт при запаздывании одной из фаз на полпериода по сравнению с другими (расчетная схема рис.2.41.). Кривые напряжения и тока такого процесса представлены на рис. 2.45, на котором срез тока выключателя порядка 5А.
Кривые напряжения и тока при отключении двигателя мощностью 200 кВт с запаздыванием одной из фаз выключателя. При таком срезе тока кратность перенапряжения на зажимах двигателя достигает 3,5 (фаза В), что опасно для изоляции двигателей.
Влияние компенсации реактивной мощности в сети на кратность перенапряжений при отключении двигателя вакуумным вы км ючателем. Расчетная схема для исследования перенапряжений при отключении двигателя с компенсацией реактивной мощности, показана на рис. 2.46, где емкость компенсирующего устройства на шинах мощностью 5 Мвар -1,32 мФ (2.29), аналогично п. 2.2.4.
Кривые напряжений и тока при отключении двигателей вакуумным выключателем, при срезе тока порядка 5 А, с компенсацией реактивной мощности на шинах устройством, мощностью 5 Мвар, показаны на рис. 2.47, из которого видно, что кратность перенапряжений К=2,\2. 74.T03m.S33SK Рис. 2.47. Кривые напряжения и тока при отключении двигателя с компенсацией реактивной мощности на шинах.
Зависимость кратности перенапряжений от мощности компенсирующего устройства показана в табл. 2.11., из которой видно, что мощность компенсирующего устройства не влияет на кратность перенапряжений при отключении двигателя.
Принцип действия асинхронной машины основан на электромагнитном взаимодействии вращающегося магнитного поля статора с токами, наведенными этим полем в роторе. Поскольку наведение ЭДС в роторе в момент пуска двигателя можно принять равным нулю, то при исследовании перенапряжений на зажимах двигателя можно воспользоваться расчетной схемой рис. 2.13. (см. п. 2.2.1), изменив в ней значение ЭДС источника таким образом, чтобы амплитудное значение тока статора для двигателя мощностью 500 Вт соответствовало 460 А (см. п.2.1.)
Кривые напряжений и тока при отключении пусковых токов двигателя вакуумным выключателем, показаны: на рис. 2.48. - при срезе тока порядка 5 А; на рис. 2.49. - при срезе тока порядка 10 А.
Влияние нагрузки на шинах на кратность перенапряжений
Расчетная схема включения ненагруженного трансформатора с номинальной нагрузкой на шинах представлена на рис.3.7., где номинальная нагрузка на шинах представлена, аналогично п.2.2.1.
Кривые напряжения при аналогичном замыкании контактов выключателя, показаны на рис.3.8,а, а формы кривых в диапазоне трех первых периодов переходного процесса на рис.3.8,6. кой и питающим кабелем; б) формы кривых в диапазоне трех первых периодов.
Кратность перенапряжений переходного процесса с учетом номинальной нагрузки на шинах равна 2, что говорит о том, что номинальная нагрузка не оказывает влияния на кратность перенапряжений при включении трансформатора.
Кривые напряжения при аналогичном замыкании контактов выключателя с дугогасящим реактором в нейтрали, индуктивность которой составляет 1,4 Гн (2.27) представлены на рис.3.9.(а), формы кривых в диапазоне трех первых периодов переходного процесса - на рис.3.9.(б). . Кривые напряжения: а) при включении трансформатора с дугогасящим реактором в нейтрали; б) формы кривых в диапазоне трех первых периодов. Здесь максимальная кратность перенапряжений - 2,2. Кривые напряжения при включении трансформатора с дугогасящей катушкой в нейтрали шунтируемой резистором - 436 Ом (2.28), показаны на рис.3.10,а, формы кривых в диапазоне трех первых периодов переходного процесса на рис.3.10,6.
Кривые напряжения: а) при включении трансформатора с дугогасящим реактором в нейтрали шунтируемой резистором; б) формы кривых в диапазоне трех пер вых периодов. Здесь максимальная кратность перенапряжений - 2. Можно отметить, что режим заземления нейтрали не влияет на кратность перенапряжений при включении.
Влияние длины питающего трансформатор кабеля на кратность перенапряжений.
С использованием расчетной схемы рис 3.7 рассмотрим, как влияет длина питающего кабеля на кратность перенапряжений. Формы кривых напряжений в диапазоне трех первых периодов переходного процесса при включении ненагруженного трансформатора, при длинах кабеля 10, 50, 100 и 300 м см. приложение 1, рис. 6. Расчеты показывают, что период колебаний переходного процесса составил 0,5 мкс для 10 метров, 2,1 мкс для 50 метров, 4,15 мкс для 100 м и 12,14 мкс для 300 м. Это показывает, что с увеличением длины питающего кабеля увеличивается период колебаний переходного процесса, происходит искажение формы кривой напряжения волновыми процессами в кабеле.
Кратности перенапряжений в зависимости от длины кабеля (с учетом табл. 2.1.) при номинальной нагрузке на шинах, представлены в табл. 3.2.
Как видно из таблицы 3.2., при больших длинах кабеля кратность перенапряжений увеличивается до 45 % по сравнению с меньшими длинами кабеля (10 м). Кратность, равная 2,94, также не опасна для трансформатора, как с нормальной изоляции (см. таб. 1.1), так и с облегченной (таб. 1.2).
Влияние момента включения выключателя на кратность перенапряжений.
Произведем замыкание контактов выключателя в моменты, соответствующие точкам на кривой напряжения фазы А, как показано на рис. 3.11. При этом длину питающего кабеля в расчетной схеме примем равной 100 м.
Рис. 3.11.Точки кривой напряжений при включении трансформатора. Здесь точки 1, 3 и 5 соответствуют максимуму напряжений фаз С, А и В. Точки 2 и 4 - близки к прохождению нулевого значения напряжений фаз С и В. Значения полученных при одновременном замыкании контактов напряжений различных фаз при временах включения, соответствующих значению времени в точках 1 - 5, представлены в табл. 3.3. Таблица 3.3. Значения напряжений при различном времени замыкании контактов выключателя, кВ. \Врем. 31,998мс 33,611 мс 35,443 мс 37,286 мс 38,722 мс А 4,7 8,3 9,8 8,2 5 В 5,1 -0,37 -4,7 -8,8 -9,8 С -9,8 -8,7 -4,9 0,61 4,8
Как видно из табл. 2.3, наибольшие значения напряжений - 9,8 кВ получаются при одновременном замыкании контактов в максимумах фаз, т.е. в точках 1, 3, 5. Кратность перенапряжений при замыканиях контактов в этих точках равна 2. В точках 2 и 4, близких к прохождению через нулевое зна 103 чения напряжения одной из фаз, максимальная кратность перенапряжений -1,8.
В момент включения трансформатора в редких случаях может произойти несрабатывание или запаздывание одной или двух фаз выключателя. Рассмотрим, как влияет на кратность перенапряжений «аварийное» срабатывание фаз выключателя,
Кривые напряжения при замыкании на максимуме напряжения фазы А контактов выключателя (время 35,443 мс), с замыканием контактов двух оставшихся фаз на максимуме напряжения одной из них (время 42,123 мс), показаны на рис. 3.12. «им дам лтчм чэку) і адм -сим T(S»C )
Результаты анализа грозозащиты подстанций при установке на них нелинейных ограничителей перенапряжений
Если на ПС глубокого ввода на напряжении 110 кВ перед трансформатором установлен отделитель, то коммутации трансформатора производят выключателем, установленным со стороны узловой ПС [5].
Кривые напряжения и тока, рассчитанные в схеме рис. 3.24: при включении ненагруженного трансформатора на максимуме напряжения питания выключателем Ql (Q2 - включен) показаны на рис. 3.31.а.; при отключении его вакуумным выключателем со срезом тока порядка 5 А - на рис. 3.31.6.; напряжения при включении ненагруженного трансформатора в диапазоне трех первых периодов переходного процесса показаны - рис. 3.31.в. Длина ВЛ1 - 100 км, длина ВЛ2 - 300 км.
На рис. 3.31. кратность перенапряжения при включении составила К=2, при отключении перенапряжений практически нет. В этом случае возникшая кратность при включении определяется в основном переходными процессами при включении ВЛ. При отключении из-за оставшегося напряжения линии время переходного процесса при отключении ненагруженного трансформатора значительно увеличивается.
Можно отметить, что переходные процессы в линии шунтируют переходные процессы трансформатора при коммутациях.
Для проведения анализа защиты от коммутационных перенапряжений на зажимах трансформаторов рассмотрим работу защиты для случая коммутации, дающего наибольшие перенапряжения. Например, в случае отключения трансформатора с нагрузкой на шинах и питающим кабелем длиной 10 м, которое может привести к кратностям перенапряжений порядка К=5 (см. табл. 3.6).
Для защиты от перенапряжений применим нелинейный ограничитель перенапряжений (ОПН), вольтамперная характеристика приводится в п. 2.6. (рис. 2.55 и табл. 2.12). Для моделирования ОПН 6 кВ в диапазоне коммутационных импульсов исходя из наибольшего линейного амплитудного значения напряжения, инлд=7,2 кВ, зависимость рабочего остающегося линейного напряжения U = U -Л- инАд от тока в заданном диапазоне, показана в табл. 2.13 (см. п. 2.6). Вольтамперная характеристика ОПН 6 кВ, выполненная с помощью диодов, у которых с характеристики обратного пробивного напряжения 5F=13 кВ и объемного сопротивления RS=5 Ом, показана на рис. 2.57. Расчетная схема с установленными вблизи тавнформатора ОПН, представлена на рис. 3.32.
Сети 6-35 кВ, работающие с изолированной нейтралью или с компенсацией емкостного тока замыкания на землю, могут продолжать работать с замыканием на землю в течении нескольких часов, однако при использование автоматического отключения замыкания на землю, может позволить применить ОГШ с более низким рабочим напряжением. Исходя из наибольшего линейного амплитудного значения напряжения, 1/,,. =7,2 кВ, зависимость остающегося фазного напряжения может быть выражена U = Ш и в диапазоне коммутационных импульсов, показана в табл. 2.14. ВАХ выполненная в схеме рис. 2.56., в модели диодов D1 и D2 которой заданы характеристики обратного пробивного напряжения BV=7,9 кВ и объемного сопротивления RS=Q,6 Ом, показана на рис. 2.63.
Кривые напряжения при одновременном размыкании контактов, выполненные в расчетной схеме рис. 3.32., показаны на рис. 3.36, из которого видно, что ОПН полностью ограничивает перенапряжения до безопасного уровня, максимальная кратность перенапряжений составит- 1,6. Кривые напряжения при аналогичном размыкании контактов, выполненные в расчетной схеме рис. 3.34, аналогичны рис. 3.35, т.е. ОПН не оказывает влияния на переходный процесс.
Итак, при установки ОПН непосредственно перед трансформатором, ОПН полностью ограничивает перенапряжения при коммутациях, при установке ОПН на шине, ОПН не работает. При использовании в сети автоматических отключений замыканий на землю можно использовать ОПН с лучшим уровнем защиты, который также полностью ограничивает перенапряжения при установке его непосредственно перед выключателем и не оказывает влияния на переходный процесс отключения при установке его на шине (после силового трансформатора ПОкВ).
Защита трансформатора ПО кВ. Рассмотрим работу защиты, например, в случае отключения нена-груженного трансформатора ПО кВ при срезе токе порядка 10 А, возникающие при этом опасные для изоляции трансформатора перенапряжения, достигают - 4,9. Воль амперная характеристика в относительных единицах по напря жению приведена в табл. 2.12. Для моделирования ОПН ПО кВ при расче тах коммутационных импульсов перенапряжений воспользуемся частью табл. 2.12. между 1 А и 1 кА. Исходя из наибольшего линейного амплитуд ного значения напряжения, С/Н.д.д= 126 кВ, зависимость рабочего остающе гося фазного напряжения U= /R от тока в заДанном диапазоне, показана в табл. ЗЛО.
Похожие диссертации на Исследование перенапряжений и разработка системы защиты от них в сетях среднего и высокого классов напряжения металлургических заводов и комбинатов
