Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Физика развития высокочастотных перенапряжений при коммутации ненагруженных шин и обзор способов снижения влияния перенапряжений на изоляцию оборудования 6
1.1. Причины возникновения высокочастотных перенапряжений и механизм их генерации..6
1.2. Исследование аварийности трансформаторов тока 9
1.3. Мероприятия по защите оборудования подстанций от ВЧ перенапряжений, рекомендуемые "Методическими указаниями" 14
1.4. Цель и задачи исследования 15
Глава 2. Аппаратура для исследования и регистрации высокочастотных перенапряжений 17
2.1. Метод исследования и регистрации высокочастотных перенапряжений 17
2.2. Состав измерительной системы, её параметры и принцип работы 18
2.3. Устройство передачи цифровых данных по оптическому волокну 24
2.4. Принцип работы блока передатчика-преобразователя (ПДП) 26
2.5. Принцип работы блока приемника-преобразователя (ПМП) 34
2.6. Многоканальный источник питания (DC/DC конвертер) 35
2.7. Резистивный делитель напряжения 43
Глава 3. Экспериментальные исследования ВЧ перенапряжений на подстанциях ЦЭС ОАО "Колэнерго" 45
3.1. Методика исследования ВЧ перенапряжений на подстанциях 45
3.2. Результаты экспериментальных исследований при моделировании ВЧ перенапряжений и коммутациях холостых шин 48
3.3. Результаты экспериментальных исследований ВЧ перенапряжений при коммутациях холостых шин на подстанциях №204 и №202 49
Глава 4. Расчет высокочастотных и волновых процессов в схемах замещения подстанций с учетом влияния защитных устройств 74
4.1. Упрощенная схема замещения подстанций с продольными защитными устройствами 74
4.2. Предварительная оценка необходимых параметров защитных устройств 83
4.3. Методика расчета и анализ эффективности подавления перенапряжений в линейной постановке задачи 95
4.4. Подбор схем с постоянными параметрами, эквивалентирующих исходные частотные зависимости 105
4.5. Лабораторные экспериментальные исследования подавления высокочастотных перенапряжений 112
4.6. Методика расчета высокочастотных и волновых процессов в схемах с нелинейными параметрами 124
Глава 5. Экспериментальные исследования эффективности устройства защиты на действующей подстанции 139
5.1. Результаты лабораторных испытаний устройства защиты 139
5.2. Конструкция защитного устройства для установки на шинах подстанции №204 140
5.3. Расчет удельных нагрузок на провода, на которых установлено продольное защитное устройство (ПЗУ) 151
5.4. Расчет натяжения проводов с ПЗУ на опоры разъединителя и изолятор трансформатора тока ТТ - 330 кВ 155
5.5. Оценка устойчивости конструкции на предельных эксплуатационных и аварийных режимах работы 160
Заключение 163
Литература 166
- Мероприятия по защите оборудования подстанций от ВЧ перенапряжений, рекомендуемые "Методическими указаниями"
- Состав измерительной системы, её параметры и принцип работы
- Результаты экспериментальных исследований ВЧ перенапряжений при коммутациях холостых шин на подстанциях №204 и №202
- Предварительная оценка необходимых параметров защитных устройств
Введение к работе
Надежность высоковольтных сетей во многом определяется различного рода электромагнитными переходными процессами, которые возникают на отдельных участках и схемах сетей. Одним из факторов, снижающих надежность работы изоляции оборудования высоковольтных подстанций, являются переходные процессы, сопровождающиеся перенапряжениями, возникающими при плановых коммутациях. Одной из таких операций являются коммутации ненагруженных холостых шин подстанций под рабочим напряжением. Факторами, влияющими на изоляцию электрооборудования, являются, во первых, высокая кратность ВЧ перенапряжений, достигающая (4т-5)-иф. Во-вторых, происходит перегрев изоляции вводов трансформаторов тока и напряжения, который приводит к ее ускоренному старению, деградации и последующему разрушению. В-третьих, распространение ВЧ перенапряжений, индуктированные во вторичные цепи (цепи релейной защиты, связи, измерений), приводит к нарушению их работы.
В настоящей работе рассмотрены вопросы генерирования высокочастотных перенапряжений (ВЧП), возникающих при коммутациях холостых шин, их расчет, моделирование и регистрация, способы защиты от них, а также предлагаемая методика и устройства для подавления ВЧП.
В первой главе рассмотрена физика развития ВЧП при коммутациях холостых шин и выполнен обзор методов снижения ВЧП, рекомендованных, методическими указаниями в энергосистемах. Показана недостаточность рекомендуемых методов и ставится задача исследований.
Во второй главе рассмотрены аппаратные средства измерений ВЧП на подстанциях под рабочим напряжением и при моделировании ВЧП. Показано, что корректность таких измерений во многом зависит от соотношения параметров оборудования и входных и паразитных параметров измерительных цепей, при этом принятые методы дают погрешность, не позволяющую выделить полезный сигнал из наведенных ВЧ напряжений по паразитным цепям. Описаны разработанные автором методика измерений и цифровая измерительная аппаратура для измерений ВЧП при их моделировании на подстанциях и коммутациях холостых шин. Особенностью системы является полная гальваническая развязка миниатюризированного блока измерений и блока регистрации на основе ПЭВМ, которая осуществлена через оптоволоконный кабель, что решает проблемы защиты измерительной системы от наведенных ВЧ потенциалов по паразитным цепям. Высокая частота дискретизации измеряемого сигнала позволяет регистрировать и запоминать переходные процессы с частотами до нескольких МГц.
В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований ВЧП на подстанциях ЦЭС ОАО "Колэнерго" Предложен и испытан метод моделирования ВЧП на оборудовании отключенной подстанции, позволяющий уточнить распределенные и паразитные параметры всей схемы подстанции при типовых коммутациях. Моделирование позволяет уточнить значения собственных частот схемы подстанции при коммутациях и определить коэффициенты затухания переходных процессов. При моделировании ВЧП было определено, что достаточно точным методом косвенных измерений ВЧП при реальных коммутациях холостых шин под напряжением являются измерения через измерительные обкладки трансформаторов тока и вводов силовых трансформаторов. Измерения, выполненные через эти обкладки при коммутациях холостых шин, позволили рассчитать значения перенапряжений на изоляции оборудования подстанций. В диссертации приведены результаты экспериментов при моделировании ВЧП на ПС №204 и измерений ВЧП через измерительные обкладки на подстанциях №№ 202 и 204, выполнены их сопоставление и анализ.
Четвертая глава посвящена вопросам разработки методов расчета защиты оборудования подстанций от ВЧП и конструктивным решениям устройств защиты на подстанциях. Показано, что наиболее эффективным методом защиты является установка на шинах, соединяющих коммутируемый разъединитель, устройств, обеспечивающих диссипацию коммутационных ВЧ колебаний, а именно, снижение их амплитуды и увеличение затухания. Модель устройства прошла успешные лабораторные испытания, результаты которых приведены в диссертации. Показано, что амплитуда ВЧП может быть снижена вдвое, а декремент затухания - в десять раз. В главе приведена конструкция устройства подавления ВЧП.
Недостаточная изученность высокочастотных процессов как явления в теории электрических цепей с сосредоточенными параметрами, а также потребность в создании эффективных средств защиты электротехнического оборудования от высокочастотных перенапряжений определяют актуальность работы.
Работа выполнялась в рамках плановой госбюджетной работы Центра физико-технических проблем энергетики Севера Кольского научного центра РАН «Разработка стратегии сохранения технического уровня и обеспечения надежности систем передачи электроэнергии в меняющихся технико-экономических условиях Севера страны» (инв.№ 01990002845), а также ряда хоздоговорных работ с ОАО «Колэнерго».
Мероприятия по защите оборудования подстанций от ВЧ перенапряжений, рекомендуемые "Методическими указаниями"
Мероприятия по ограничению ВЧ перенапряжений и защите от них оборудования подстанций, предлагаемые "Методическими указаниями" делятся на мероприятия, выполняемые на стадии проектирования РУ 110 кВ и выше, а также на организационные и технические мероприятия на действующих подстанциях. Поскольку в работе рассматриваются задачи защиты оборудования действующих подстанций, рассмотрены рекомендованные технические и организационные на подстанциях высоковольтных сетей, находящихся в эксплуатации. К этим мероприятиям относятся: - для РУ, схемы которых имеют предпосылки возникновения ВЧ перенапряжений большой кратности, необходимо выполнить анализ ожидаемых уровней ВЧ перенапряжений при коммутациях шин согласно "Методическим указаниям"; - отрегулировать приводы ножей разъединителей на синхронность движения контактов, разность промежутков которых во время коммутации не должна превышать 10%; - минимально использовать ручные приводы разъединителей или выполнять такие коммутации максимально быстро; - не допускать недовключенное положение разъединителей с горящим дуговым разрядом; - исключить возможность срабатывания вентильных разрядников во время коммутации разъединителей согласно "Методическим указаниям"; - исключить отказы работы высокочастотных заградителей в виде пробоев изоляции и элементов настройки согласно "Методическим указаниям".
Приведенные меры не всегда снижают ВЧ перенапряжения до уровней, безопасных для оборудования подстанций. На ряде подстанций ОАО "Колэнерго", например, ПС № 204, принятые меры защиты вторичных цепей не привели к желаемым результатам. Влияние на цепи электропривода разъединителей вызывают пробои ее изоляции, что приводит к необходимости применять ручной привод. ВЧ перенапряжения вызвали на этой подстанции снижение качества изоляции ТТ-330 кВ ниже допустимого уровня и привели к необходимости их замены.
Произведенный выше краткий обзор показывает, что при эксплуатации электрических сетей энергосистем существует важная проблема, связанная с авариями и отказами высоковольтного оборудования и цепей управления, вызванных высокочастотными перенапряжениями при коммутациях участков холостых шин. Ограничение и подавление этих перенапряжений является важным фактором повышения надёжности энергоснабжения. В настоящее время отсутствует единый подход к защите сетей от высокочастотных перенапряжений. Для уменьшения влияния высокочастотных перенапряжений предложен ряд способов, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки, но в целом не полностью решает задачу. Существующий, достаточно высокий уровень аварийности в сетях, отсутствие единого подхода к решению данной проблемы определило формулировку цели и задач настоящей работы.
Целью работы является теоретическое и экспериментальное исследование высокочастотных и волновых процессов, вызванных коммутацией участков холостых шин на различных подстанциях энергосистем и разработка комплекса мероприятий по их эффективному ограничению.
Для решения поставленной цели в рамках данной диссертационной работы проведены исследования по следующим направлениям: 1. Разработка физико-математической модели развития высокочастотных переходных процессов на шинах подстанции с учетом всех основных влияющих факторов на частоты, амплитуды и длительности перенапряжений. 2. Составление развернутой схемы замещения подстанции с различными вариантами защиты от перенапряжений, учитывающей волновые процессы в шинах, входные параметры оборудования, нелинейные эффекты в защитных устройствах, поверхностной эффект в земле и проводах и др. 3. Разработка программных средств для исследования процессов в реальных электрических сетях на предмет опасных уровней возникающих ВЧ колебаний и определения оптимальных способов защиты от них. 4. Обоснование нового способа защиты оборудования подстанций энергосистемы от высокочастотных перенапряжений путем включения в силовые цепи продольного защитного устройства и разработка его физико-математической модели. 5. Анализ эффективности установки предложенного защитного устройства для подстанций класса 330 кВ. 6. Разработка комплекса технических мероприятий, позволяющих внедрить продольное защитное устройство на действующей подстанции. 7. Проведение экспериментальной проверки разработанных программных и технических средств и анализ результатов опытной эксплуатации устройства подавления высокочастотных перенапряжений на одной из ответственных подстанций 330 кВ ОАО "Колэнерго"
Из изложенного выше следует, что недостаточная изученность высокочастотных процессов, вызванных коммутацией ненагруженных шин подстанции, как явления приводящего к ухудшению надёжности энергоснабжения, а также потребность в создании эффективных средств защиты электротехнического оборудования от высокочастотных перенапряжений определяют актуальность, научную новизну и практическую ценность данной работы.
Для выполнения экспериментальных исследований ВЧП на действующих подстанциях энергосистем была разработана и создана методика и аппаратура для измерений ВЧП во вторичных цепях и на измерительных клеммах высоковольтных аппаратов оборудования подстанций при производстве коммутаций холостых шин разъединителями, а также в высоковольтных цепях при выполнении высоковольтных экспериментов при моделировании ВЧП с использованием источников пониженного напряжения. Разработанная измерительная аппаратура представляет собой универсальную аналогово-цифровую систему измерений.
Цифровые измерительные приборы обладают рядом достоинств: удобство и объективность отсчёта и регистрации измеряемой величины, широкий диапазон измерения при высокой разрешающей способности и точности, удобство и высокая помехоустойчивость передачи измерительной информации в управляющую вычислительную машину. Появление малогабаритных и достаточно мощных ПЭВМ привело к появлению измерительно-вычислительных комплексов (ИВК), сочетающих функции средств измерений и вычислительных устройств. В то же время, для связи измерительной части ИВК с ПЭВМ, в условиях сложной электромагнитной обстановки, все большее распространение получают волоконно-оптические линии связи (ВОЛС). Они характеризуется: высокой скоростью передачи информации; низкими оптическими потерями в световодах, что обеспечивает возможность передачи информации на большие расстояния; невосприимчивостью к электромагнитным помехам; широкой полосой пропускания передаваемых сигналов; отсутствием электромагнитных излучений в окружающее пространство; высокой диэлектрической изоляцией, обеспечивающей идеальную электрическую развязку между соединяемыми устройствами; малыми размерами и массой волоконно-оптических кабелей.
Состав измерительной системы, её параметры и принцип работы
В состав мобильной измерительной системы, структурная схема которой приведена на рис. 2.1 входят два автономных блока: измерительный (осциллографический) модуль и модуль хранения, отображения и обработки информации. Модули не имеют гальванической связи, так как соединены между собой при помощи волоконно-оптической линии. Модуль хранения, отображения и обработки информации является управляющим, то есть, режимы работы измерительного модуля определяются сигналами управления, поступающими с персонального компьютера, входящего в состав модуля обработки информации. В измерительный модуль входит: 1. Входной делитель с цепями защиты. 2. Двухканальный цифровой осциллограф с интерфейсом LPT. 3. Устройство приема и передачи цифровых данных по оптическому волокну, которое в свою очередь состоит из: - блока преобразования параллельного кода в последовательный; - блока преобразования последовательного кода в параллельный; - двух передатчиков, преобразующих электрические сигналы в оптическое излучение; - двух приёмников, преобразующих оптическое излучение в электрические сигналы. 3. Многоканальный источник питания (DC/DC конвертер), вырабатывающий необходимые напряжения для питания всех блоков измерительного модуля; 4. Аккумулятор. В состав модуля хранения, отображения и обработки информации входит: 1. Устройство приема и передачи цифровых данных по оптическому волокну, состав которого, аналогичен описанному выше. 2. Портативный компьютер (notebook) с необходимым программным обеспечением. 3. Многоканальный источник питания, вырабатывающий необходимые напряжения для питания всех блоков модуля. 4.
Аккумулятор. Основу измерительного модуля составляет двухканальный цифровой запоминающий осциллограф Velleman PCS64i, имеющий следующие основные технические характеристики и возможности, определяющие параметры измерительной системы в целом: - два независимых канала; - входной импеданс 1 МОм / 30 пФ; - полоса пропускания 0-13 МГц; - максимальное входное напряжение 100 В (AC+DC); - вертикальное разрешение 8 бит; - частота дискретизации 32 МГц в реальном времени, 64 МГц в периодическом режиме; - погрешность измерений не более 2,5 %; - объем памяти 4 кБ на канал; - режим самописца; - коэффициент вертикального отклонения 10 мВ/дел - 5 В/дел с шагом 1-2-5; - коэффициент развертки 100 нс/дел...Ю0 мс/дел в нормальном режиме (до2000 с/дел в режиме самописца; - регулируемый уровень запуска; - синхронизация по переднему или заднему фронту импульса от канала 1 или 2; - режим запоминающего осциллографа (запись однократного сигнала); - запись предыстории; - курсорные измерения; - режим X-Y; - суммирование/вычитание каналов; - напряжение питания/ток потребления 9В/0,8А; Цифровой осциллограф работает под управлением персонального компьютера, обмен данными с которым происходит через параллельный порт LPT. В разработанной системе связь измерительного модуля с модулем управления осуществляется через ВОЛС. Протокол обмена информацией между осциллографом и компьютером предусматривает 15-разрядную интерфейсную шину, в которой 10 разрядов используется для сигналов управления и синхронизации, поступающих от компьютера к осциллографу, а 5 разрядов предназначены для передачи данных в обратном направлении. Таким образом, при разработке системы, стояла задача преобразования десятиразрядного параллельного кода в последовательный формат, передачи пакета данных по оптической линии связи и обратного преобразования из последовательного кода в параллельный. Аналогичные преобразования необходимо проводить и для 5-разрядного кода данных. При этом, для синхронной работы системы, полное время цикла, от момента выдачи компьютером управляющего кода на LPT порт до приема соответствующего слова данных, должно быть меньше периода тактовой частоты протокола обмена информацией между осциллографом и компьютером. С учетом вышеизложенного, при разработке системы, в ходе математического моделирования и экспериментов на действующем макете, была определена оптимальная конфигурация устройства приема и передачи данных по оптическому волокну (см. структурную схему).
Для передачи данных по ВОЛС в одну сторону используется два оптических канала: канал передачи последовательного кода в формате Манчестер 2 и канал передачи импульса синхронизации (см. описание устройства передачи цифровых данных по оптическому волокну). Таким образом, в системе для двустороннего обмена информацией между измерительным и управляющим модулями используется ВОЛС, состоящая из четырех оптических каналов (световодов). Входной делитель позволяет задавать следующие параметры измерительных каналов системы: - режим высокоомного входа (RBX= 1 МОм); - режим согласованного входа (RBX= 50 Ом) с различными коэффициентами деления (1/1,1/2,1/5,1/10); Во входной делитель также входят цепи защиты от перенапряжений. Питание измерительного модуля осуществляется от гальванического источника -необслуживаемой гелевой аккумуляторной батареи напряжением 12В и емкостью 12 А Ч. (применяется в источниках бесперебойного питания). Уровни напряжений, необходимые для питания осциллографа (+10В) и устройства приема и передачи данных по оптическому волокну (-10,-5,+5,+10 В) вырабатывает импульсный блок питания (DC/DC конвертер). Блок питания имеет защиту от короткого замыкания в нагрузке и от переполюсовки, а также, схему индикации разряда аккумуляторной батареи. Все компоненты измерительного модуля, включая автономный источник питания, размещены в герметичном металлическом корпусе, обеспечивающем электромагнитное экранирование аппаратуры. Все блоки имеют электрический контакт с корпусом в одной общей точке. На внешнюю поверхность модуля выведены: - два разъема СР-50; - четыре оптических разъема; - разъемы для подключения зарядного устройства и внешнего источника питания; - тумблер включения питания и переключатели входного делителя; Все разъемы и органы управления размещены в защитных нишах.
Результаты экспериментальных исследований ВЧ перенапряжений при коммутациях холостых шин на подстанциях №204 и №202
На подстанции №204 по приведенной методике были выполнены измерения ВЧ перенапряжений через измерительные вводы на ТТ-2 фазы В при производстве коммутаций линейным разъединителем, вблизи которого находится ТТ-2. Кроме этого были выполнены измерения наведённых ВЧ напряжений на вторичные цепи: системы питания, привода разъединителя фазы В, который неоднократно выходил из строя по причине пробоя изоляции силовых цепей при производстве коммутации разъединителя. На рис 3.18 приведены результаты измерений через ПИН при многократных коммутациях разъединителя (первый пробой промежутка разъединителя при сведении его контактов). Сравнение осциллограмм трёх коммутаций показывают их хорошую повторяемость. Показано, что амплитуда перенапряжения на шинах может достигать 450 кВ. Поскольку наибольшая амплитуда перенапряжений возникает при последнем пробое при разведении контактов разъединителя, можно допустить что максимальное значение перенапряжений на п/с №204 может достигать 800 кВ. Результаты измерений во вторичных цепях привода разъединителя фазы В приведены на рис. 3.19 -3.20. Измерения проведены на фазах А и В сети 0,4 кВ с защитными фильтрами и без них (защитные фильтры установлены службой РЗА). Из осциллограмм следует что величины перенапряжений достигают 10 кВ, что является причиной пробоев изоляции аппаратов привода и срабатывания их защиты. Измерения на подстанции №202 выполнялись в мае 2003 года. ВЧ перенапряжения при коммутации холостых шин измерялись через емкостные измерительные обкладки трансформаторов тока и вводов автотрансформаторов 330 кВ.
Однолинейная схема подстанции и точки измерений приведены на рис. 3.21 и 3.22. Опыты включали в себя измерения при поочерёдном отключении системы шин (1 с.ш. и 2 с.ш.), как показано на приведённых схемах. Осциллограммы перенапряжений при отключённой 1 с.ш. и коммутациях 1Р-400 фазы С приведены на рис. 3.23. Осциллограммы перенапряжений при отключённой 1 с.ш. и коммутациях ЗР-399 фазы С приведены на рис. 3.24. Осциллограммы перенапряжений при отключённой 2 с.ш. и коммутациях 2Р-400 фазы С приведены на рис. 3.25. Осциллограммы перенапряжений при отключённой 2 с.ш. и коммутациях 4Р-399 фазы С приведены на рис. 3.26. Сравнение осциллограмм ВЧ перенапряжений на подстанциях №204 и №202 показывает следующее. 1. Амплитуды перенапряжений в критических точках, а именно непосредственно вблизи места коммутации на п/с №204 более чем в два раза выше чем на п/с №202. Тоже самое наблюдается в остальных точках измерения. 2. Частота первой гармоники ВЧ перенапряжений на п/с №204 в два раза больше чем на п/с №202. Изложенное в предыдущем разделе показывает, что основными факторами, определяющими развитие высокочастотных процессов при коммутациях участков шин разъединителями, являются следующие элементы схемы замещения подстанции: 1. Суммарная емкость и индуктивность заряженного участка шин и оборудования, установленного между выключателем и разъединителем; 2. Разность напряжений между этим участком шин и остальной подстанцией в момент искрового пробоя промежутка между расходящимися (сходящимися) ножами разъединителя; 3. Наличие системы отрезков линий, в которых необходимо учитывать влияние волновых процессов; 4. Наличие дискретных емкостей, замещающих входные сопротивления подстанционного оборудования; 5. Наличие отходящих линий (возможно с заградителями). Кроме того, для правильного расчета затухания высокочастотного процесса необходим учет потерь в схеме замещения. С целью выявления влияния основных параметров рассмотрим простейшую схему, отражающую все перечисленные особенности. Схема представлена на рис. 4.1. Коммутируемый участок состоит из элементов с сосредоточенными параметрами. Емкость С\ является суммарной емкостью части выключателя, разъединителя и ТТ, также ошиновки подстанции между выключателем и ТТ. Для целей настоящего раздела Q можно грубо оценить величиной - 1 нФ на фазу. Индуктивность эквивалентной петли тока по ошиновке с возвратом по земле (L\) является трудно рассчитываемым параметром. По очень приближенной оценке можно предположить, что она находится в пределах (20- 50)-10 6 Гн. Еще более неопределенным является оценка активного сопротивления, эквивалентирующего потери в контуре и искре после пробоя промежутка между ножами разъединителя. Пока положим R\ на порядок меньше волнового сопротивления шин. Пусть /?] находится в пределах (Н50) Ом. При этих условиях характеристическое сопротивление контура Z = М- =(14(И-235) Ом. По этому собственный режим работы контура при любом Ri (из заданного диапазона изменения) будет колебательным. Однако при нагрузке на волновое сопротивление шин остальной подстанции (см. ниже) режим разряда емкости становится апериодическим, а процесс формирования высокочастотных колебаний полностью определяется многократным отражением и преломлением волн в ошиновке.
Защитное устройство, включенное между коммутируемым участком и остальной подстанцией, здесь обозначено прямоугольником (ПЗУ), подробно описано ниже. Пока только отметим, что в работе рассматривались различные варианты выполнения защитных устройств. Три из них схематично показаны на рис. 4.2. Остальная подстанция представлена в упрощенной схеме одной однородной линией длиной /, с комплексным волновым сопротивлением 2Л. Линия нагружена на RC- звено с сосредоточенными емкостью (С2) и активным сопротивлением (R2). Емкость эвивалентирует все входные емкости оборудования подстанции. Активное сопротивление эквивалентирует волновое сопротивление отходящей (питающей) линии. При необходимости, последовательно с R2 в схеме замещения можно включить эквивалентную схему заградителя. При максимальной простоте схемы она позволяет моделировать основные расчетные случаи при анализе физики развития высокочастотных перенапряжений, а именно: короткое замыкание в конце, холостой ход, случай согласованной нагрузки, различные режимы накопления и последующей отдачи энергии емкостями оборудования. Поскольку в следующих разделах рассматривается методика расчета частотным методом, основанном на определении распределения напряжения в схеме рис. 4.1 на любой заданной частоте, то имеет смысл ввести в рассмотрение частотнозависимые параметры линии, моделирующей ошиновку.
Предварительная оценка необходимых параметров защитных устройств
Приведенные в предыдущем разделы и формулы показывают наиболее простой путь установки защиты. Действительно на высоких частотах сопротивление круглого провода растет пропорционально арх . Казалось бы естественной попытка увеличить удельной сопротивление материала проводника настолько, чтобы на основной частоте переходного процесса (например 500 кГц) можно было бы осуществить относительно высокоомную вставку (например длиной 10 м) с суммарным сопротивлением сравнимым с волновым (например 50 Ом). Тогда прямое применение формулы (4,5) даст расчетное значение сопротивления на частоте 50 Гц в VI О4 =100 раз, то есть 0.5 Ом. Для каждой из составляющих расщепленной фазы 330 кВ получим 1 Ом. При плотности экономической рабочего тока 1 А/мм и провода АС-300 (сечении по алюминию 300 мм ) получаем, что рабочий ток в проводе составит 300 А, падение напряжения составит 300 В, а в устройстве будет выделяться мощность 90 кВт или 9 кВт/м. Уже эти цифры не допустимы.
Кроме того следует учесть тот факт, что формула (4.5) применима только в условиях вытеснения тока в тонкий слой у поверхности проводника, то есть при условии, что эквивалентная глубина проникновения поля в металл будет много меньше радиуса провода. Для стандартных проводов из меди и алюминия на частотах выше 100 кГц это условие соблюдается. При использовании материала с более низкой проводимостью глубина проникновения поля в первом приближении растет также пропорционально рх .
С увеличением р\ поверхностный эффект в цилиндрическом проводе радиусом 1 см начинает сказываться на все более высоких частотах и получить уменьшение сопротивления в 100 раз при переходе от высоких частот к 50 Гц не удается. Можно увеличить радиус провода до 10 см и более. При этом увеличится периметр поперечного сечения провода, что увеличивает общую площадь скин-слоя. Но скин-эффект в таком проводе будет начинаться раньше. Поэтому необходимое снижение сопротивления и в этом случае не будет достигнуто. Эти соображения подтверждают расчеты по точной формуле (4.4). Таким образом получить практически реализуемую защиту от высокочастотных перенапряжений путем применения однородных проводов с повышенным сопротивлением материала не возможно.
Значительно более эффективным является применение различных конструкций из проводников с двумя существенно различными проводимостями. Простейшая модель такой системы приведена на рис. 4.2а. Центральный проводник, в роли которого могут быть использованы существующие на подстанциях алюминиевые провода, окружается системой тонких проводов из материала с высоким удельным сопротивлением. Длина такой системы может варьироваться от единиц до нескольких десятков метров. Тонкие провода фиксируются относительно центрального провода любой реализуемой конструкцией из проводящих или изоляционных элементов. В последнем случае по концам все проводники, включая центральный наглухо соединяются. Для расщепленной фазы такая конструкция выполняется на каждой из составляющих. На низких частотах весь ток течет, как и обычно, по центральному проводу. На высоких частотах ток вытесняется в систему тонких проводов. Влиянием скин-эффекта в них можно пренебречь. Тогда при условии полного вытеснения тока сопротивление системы можно оценить как сопротивление всех, включенных параллельно тонких проводов на постоянном токе. Казалось бы, подбирая удельное сопротивление материала проводников, их число и длину можно получить любое эквивалентное сопротивление системы на высоких частотах при сохранении практически нулевых потерь на промышленной частоте. В рамках настоящей работы был разработан алгоритм расчета токораспределения в такой системе и выполнены расчеты ее эффективности. К сожалению получен практически отрицательный результат, который качественно объясняется следующим. При относительно хорошо проводящих дополнительных проводниках их суммарное сопротивление недостаточно для поставленных целей даже при использовании все ошиновки подстанции. При увеличении удельного сопротивления достигается некоторый оптимум при котором активное сопротивление системы на заданной частоте достигает максимума. При дальнейшем увеличении удельного сопротивления тонких проводов ток не вытесняется в них. Процессы в системе постепенно приближаются к обычному скин-эффекту в одиночном центральном проводе. Максимальное значение сопротивления системы зависит от числа тонких проводов, сечения каждого из них, радиуса окружности на которой они . расположены и частоты для которой необходимо получить наибольшее затухание. Все эти параметры варьировались в расчетах в широких пределах. Получено, что для частоты 1 Мгц в такой системе нельзя получить эквивалентное сопротивление выше 1 Ом/м. Поэтому для достижения общего сопротивления 100 Ом и более на частотах в сотни килогерц необходимо применение защитных устройств длиной в сотни метров, что практически не возможно.
Из общих соображений ясно, что эффект вытеснения можно резко усилить путем применения фиксирующих конструкций из ферромагнитного материала. При этом по мере роста частоты будет быстро расти индуктивное сопротивление внутреннего проводника и при прочих равных условиях ток будет вытесняться в тонкие проводники со значительно большим удельным сопротивлением. Здесь возникают новые задачи, связанные как с методическими проблемами решения нелинейной задачи расчета поля в сложном неоднородном сечении, так и с возможной неэффективностью такой системы из-за насыщения ферромагнетиков при протекании в центральном проводнике высокочастотных токов с амплитудами в сотни ампер. Прямое решение такой задачи, насколько известно авторам отчета в настоящее время отсутствует.
В работе был принят следующий поэтапный путь решения: а) конструкция системы из основного центрального и ряда тонких проводников в поперечном сечении упрощена и сведена к двухпроводной коаксиальной системе; б) рассмотрены варианты с обычной изоляцией различной толщины между внутренним и внешним проводами и ферромагнитным материалом при постоянном значении магнитной проницаемости; в) в линейной постановке задачи, частотным методом выполнен анализ эффективности защитных устройств с ферромагнетиком, результаты этих расчетов использованы далее в качестве эталонных; г) путем многовариантных расчетов обоснована структура и определены постоянные параметры простых схем замещения защитных устройств, с достаточной для практики точностью воспроизводящие эталонные переходные процессы; д) разработан алгоритм расчета переходного процесса в схеме замещения подстанции с учетом нелинейных характеристик ферромагнитного слоя между внутренним м вешним проводником; е) обоснован обратный переход от коаксиальной системы к отдельным проводам с существенно различными удельными параметрами; ж) с помощью расчетов и лабораторных экспериментов с насыщающимися ферритовыми кольцами показана эффективность и принципиальная физическая реализуемость предлагаемого способа защиты.
Похожие диссертации на Теоретические и экспериментальные исследования высокочастотных перенапряжений на высоковольтных подстанциях энергосистем и разработка защитных мероприятий
