Перенапряжения при отключении больших токов

Отключение линий при коротких замыканиях, когда происходит изменение напряжения от нуля (при коротком замыкании) до максимального значения (при его отключении), сопровождается перенапряжениями достигающими 2Uф и более.

Отключение симметричных к.з. Рассмотрим упрощенную (однофазную) схему, представленную на рис. 2.13,а. При возникновении к.з. вследствие селективной работы сначала срабатывает выключатель В2 и некоторое время разомкнутая линия оказывается присоединенной к источнику питания. Преходной режим обусловлен несоответствием между начальным режимом (наличие к.з. в конце линии) и конечным режимом (разомкнутая линия). Распределение напряжения вдоль линии показано на рис. 2.13,б кривые 1 и 2. Переходной процесс рассчитывается по формулам аналогичным, применяемым для расчета переходного процесса при включении разомкнутой ненагруженной линии под напряжение. Напряжение в конце линии.

.

и.

zc — волновое сопротивление линии; .

Поскольку включение разомкнутой линии и одностороннее отключение к.з. приводят к одной и той же схеме замещения, составляющие установившегося режима и частоты собственных колебаний в обоих случаях одинаковы, но свободные составляющие различны. Математический анализ показывает, что все составляющие Uk при отключении к.з. имеют одинаковый знак, тогда как при включении ненагруженной линии знаки Uk чередуются. Из начальных условий (U (l) = 0 при t = 0) следует, что U (l, 0)=Uуст U1 U2 U3 … U, т. е. U1< Uуст.

Схема замещения а) и распределение напряжения вдоль линии б).

1 и 2 начальное и конечное распределение напряжения соответственно Таким образом, при одностороннем отключении к.з. амплитуда первой свободной составляющей в конце линии меньше, чем амплитуда вынужденной составляющей, в то время как при включении линии это соотношение обратное. Это означает, что при самых неблагоприятных условиях и без учета затухания ударный коэффициент при отключении к.з. не может быть больше двух.

Сравнение амплитуд свободных составляющих и ударных коэффициентов (без учета затухания) при включении ненагруженной линии длиной 500 км к источнику с индуктивностью 0,29 и при одностороннем отключении к.з. приведено в табл.2.1.

Значения амплитуд свободных колебаний и ударных коэффициентов.

Различие в переходных процессах при включении ненагруженной линии и при отключении к.з. обусловлено тем, что в первом случае емкость линии не заряжена, т. е. вся линия имеет нулевые начальные условия, а во втором случае емкость линии заряжена до некоторого начального напряжения, рис. 2.13,б. Это обстоятельство уменьшает относительные амплитуды свободных колебаний при отключении к.з. по сравнению с режимом включения линии.

Если линия снабжена устройством продольной компенсации (УПК), то прохождение тока к.з. через емкость УПК вызывает значительное падение напряжения на ней, Uc рис.

Схема замещения ВЛ с УПК а) и распределение напряжения вдоль ВЛ б) 1 и 2 начальное и конечное распределение напряжения вдоль ВЛ соответственно При наличии реакторов за УПК отключение к.з. приводит к колебательному разряду емкости через реакторы, т. е. к появлению субгармоники, амплитуда которой зависит от начального заряда на емкости и, как правило, выше, чем при включении. Уравнение переходного процесса приобретает вид.

.

При отсутствии реакторов за УПК вместо субгармоники появляется постоянная составляющая (о=0).

Напряжение, приложенное к емкости при к.з., растет с увеличением степени компенсации и мощности источника и зависит от места к.з. Оно достигает наибольшего значения при к.з. непосредственно за УПК. Распределение напряжения для такого случая показано на рис. 2.14,б (кривая 2). Падение напряжения на емкости противоположно по фазе э.д.с. источника. Значительное напряжение на емкости Uc приводит к появлению в переходном процессе большой постоянной с оставляющей Uo=Uc или приблизительно такой же субгармоники.

В начальный момент после отключения к.з. (t=0).

0 = Uуст + Uo (U1 + U2 + U3 +…+ U).

Если пренебречь высшими гармониками, что приводит к преувеличенным значениям U1, то U1 = Uуст + Uo = Uуст + Uc, т. е. амплитуда свободных колебаний приблизительно равна разности между напряжением в конце разомкнутой линии и напряжением на емкости при к.з. (рис. 2.14). Таким образом, максимальное напряжение переходного процесса до и после УПК приблизительно равно (без учета затухания):

до УПК Uмакс = Uуст + U1 = 2Uуст + Uc;

после УПК Uмакс = Uуст + U1 + Uo = 2Uуст + Uc.

Из чего следует, что Куд > 2.

Влияние УПК на перенапряжения возрастает с увеличением степени компенсации и мощности источника, так как оба эти фактора приводят к увеличению тока к.з. и падению напряжения на конденсаторах УПК. Однако напряжение при к.з. ограничено уставкой разрядника защищающего УПК, т. е. значением примерно (0,751,0)Uф. Если напряжение на емкости окажется выше уставки, то сработает разрядник, что приведет к разряду емкости и снижению перенапряжений.

Отключение однофазного к.з. является одной из наиболее частых коммутаций, происходящих в эксплуатации. Возникающие при этом перенапряжения обусловлены неодновременной работой выключателей по концам линии, в силу чего линия кратковременно оказывается запитанной с одного конца. Амплитуда перенапряжений в переходном процессе зависит от разности мгновенных значений установившегося напряжения на неповрежденных фазах до и после отключения. На векторной диаграмме рис. показаны вектора напряжений и токов на неповрежденных фазах.

Векторная диаграмма токов и напряжений (а), кривые напряжения в месте к.з. (б), в) схема ЕА, ЕВ, ЕС — симметричная звезда э.д.с. источника; UC, UB — напряжения на здоровых фазах до отключения выключателя, отключаемого первым (В2, рис. 2.15,в); 2 — угол, на который эти напряжения отстают от соответствующих векторов э.д.с. Угол 2 в основном определяется передаваемой мощностью в нормальном режиме и длиной линии. Его значение может приближаться к 60.

При к.з. вблизи выключателя В2 напряжения на неповрежденных фазах UB и UC мало изменяются, так как до отключения В2 отношение сопротивления нулевой последовательности к сопротивлению прямой Хо/Х1 относительно места к.з. мало, т. е. Хо/Х1 1. Токи в неповрежденных фазах определяются в основном активной нагрузкой и отстают от соответствующих напряжений на небольшой угол 1.

После отключения В2 составляющие прямой последовательности на здоровых фазах (пренебрегая активными потерями) совпадают по фазе с э.д.с. источника, векторы напряжения UB и UC сдвигаются на угол 3, который зависит от отношения Хо/Х1 и не превышает 30.

При переходе тока IС через нуль, рис. 2.15,б, (аналогично и для фазы В) происходит отключение тока в этой фазе. Амплитуда переходного процесса зависит от угла сдвига между напряжениями UC и UC =12 323. Угол 2 зависит от передаваемой мощности, длины линии, степени поперечной и продольной компенсации и может приближаться к 60 — 70. Тогда угол может приближаться к 90. Но даже в этом случае ударный коэффициент меньше, чем при включении разомкнутой линии в максимум э.д.с. Обычно в рассматриваемом случае Куд=1,41,6.

Несмотря на небольшие значения ударного коэффициента кратность перенапряжений может быть весьма большой вследствие большого значения Uуст из-за несимметрии фаз. Поэтому отключение однофазного к.з. является одной из основных расчетных операций для электропередач СВН, определяющих выбор средств защиты от перенапряжений.

Отключение линии в режиме асинхронного хода.

Схема линии (а), начальное и конечное распределение напряжения вдоль линии (угол между э.д.с. 180) (б) При нарушении устойчивости параллельной работы электропередача может перейти в асинхронный режим и отключение произойдет в тот момент, когда угол между э.д.с. по концам передачи близок к 180, а величина э.д.с. за счет действия регуляторов повысится на 20 — 30%. Такой режим близок к режиму к.з., так как по линии проходит большой индуктивный ток. Распределение напряжения для этого случая показано на рис. 2.16,б (кривая Uнач).

При неодновременном срабатывании выключателей по концам линии она на короткое время попадает в режим одностороннего питания, в котором напряжения существенно повышаются (кривая Uкон). Учитывая различные знаки установившегося и начального напряжений и повышенные значения э.д.с. источника, при отключении асинхронного хода можно ожидать Куд>2 и максимальных перенапряжений (3 — 3,5)Uф. Однако перенапряжения такого рода возникают чрезвычайно редко.