В процессе эксплуатации электрических сетей возможно образование таких схем, когда оказываются включенными последовательно емкости и нелинейные индуктивности. Как правило, такие схемы возникают в неполнофазных и несимметричных режимах. При определенных соотношениях между параметрами элементов этого контура возможно возникновение и длительное существование феррорезонансных перенапряжений высокой кратности, часто сопровождающихся сверхтоками в обмотках трансформатора.
Пример такой схемы приведен на рис. 1.11, где видно, что обмотка фазы "Ь" трансформатора с одной стороны включена последовательно с емкостью С2 на землю, с другой — к нейтрали трансформатора, где из-за его неполнофазного включения появляется напряжение, что и образует последовательный потенциально опасный для развития феррорезонансных перенапряжений контур.
Рис. 1.11. Схема замещения трехфазной сети при включении двумя фазами трансформатора на холостом ходу.
Рис. 1.12. Феррорезонансные перенапряжения при неполнофазном подключении ненагруженного трансформатора напряжением 10 кВ; мощностью 1000 кВА; 1 у =1,6%; и=5,5% и емкостью кабельного присоединения трансформатора — 0,1 мкФ. Трансформатор с изолированной нейтралью (а); с нейтралью, заземленной через резистор 4000 Ом (б).
Величина емкости С2 имеет существенное значение при определении возможности возникновения феррорезонанса: в данном случае она должна быть такой, чтобы емкостный ток был по крайней мере одного порядка с током холостого хода трансформатора. Меньшую роль играют: емкость С, (слева от выключателя) и мощность питающей системы.
Пример расчета переходного процесса возникновения феррорезонансных перенапряжений, рассчитанного для схемы рис. 1.11 и связанного с разрывом одной из фаз ненагруженного трансформатора, приведен на рис. 1.12,а. Схема типична для городской разветвленной кабельной сети (представленной на рис. 1.11 емкостью С,), где имеется возможность неполнофазного подключения отдельных присоединений с емкостью С, и малонагруженным трансформатором.
Как видно из рис. 1.12,а, переходный процесс размыкания одной фазы трансформатора (например, при перегорании плавкой вставки предохранителя) вызывает длительно существующие перенапряжения высокой кратности (в примере 4,5 о.е.). Наличие однофазного замыкания в сети не имеет принципиального значения: феррорезонансные перенапряжения возникают и в том, и в другом случаях. В качестве эффективного мероприятия по подавлению этих перенапряжений (рис. 1.12,6) может служить высокоомный резистор, включенный в нейтраль трансформатора со стороны обмотки ВН (естественно, в том случае, если схема соединения обмоток ВН — звезда с выведенной нейтралью). Заметим, что при моделировании магнитной системы трансформатора здесь необходимо учитывать возможность замыкания магнитного потока нулевой последовательности вне магнитопровода трансформатора, что выполнено с помощью "воздушных" стержней, включенных параллельно ферромагнитным стержням трансформатора.
Эквивалентирование подобных трехфазных схем к более простым с целью проведения упрощенных аналитических расчетов, в частности, содержащим одну нелинейную индуктивность с последующим анализом установившегося режима, дает тем более грубое приближение к действительным процессам, чем больше степень насыщения.
Рис. 1.13. Однофазное замыкание в сети 10 кВ при наличии измерительного трансформатора напряжения. Емкостный ток замыкания в сети 5 А. Сеть с изолированной нейтралью (а); сеть с нейтралью, заземленной через высокоомный резистор 1200 Ом (б).
Но даже в этом случае какой-либо аналитический анализ переходных процессов практически исключен. Поэтому единственным достоверным способом расчетов феррорезонансных явлений в трехфазных сетях остается прямой расчет переходного процесса с помощью компьютерных программ.
Феррорезонансные явления в сетях 6-10 кВ опасны не только из-за возможности возникновения значительных перенапряжений, но часто приводят к повреждению трансформаторов из-за длительного протекания по их обмоткам токов, существенно превышающих номинальные. Обычно эта проблема актуальна для маломощных измерительных трансформаторов и трансформаторов контроля изоляции. Наиболее часто такие сверхтоки сопровождают процессы возникновения и ликвидации однофазных замыканий на землю, при отсутствии продольной несимметрии в сети. Так на рис. 1.13,а показан переходный процесс в сети, возникающий после кратковременного (длительностью в несколько мсек) однофазного замыкания в сети. После самоликвидации замыкания возникает длительный переходный процесс, связанный с затуханием остаточного напряжения на нейтрали и повышенных значений индукций в стержнях, которые, в свою очередь, приводят к кратковременному насыщению стали и возникновению импульсов токов (в примере >2 А), многократно превышающих номинальные токи трансформатора. При длительно протекающих замыканиях на землю (в режиме перемежающейся дуги) повышенные токи могут привести к термическому разрушению изоляции обмотки и повреждению трансформатора. Наиболее целесообразным способом, предотвращающим подобные процессы, является высокоомное заземление нейтрали в какой-либо одной точке сети (рис. 1.13,6). Высокоомный резистор, выбранный по (1.1), оказывается достаточным для того, чтобы с рассмотренным феррорезонансным явлением можно было бы не считаться. Как уже было сказано в п. 1.3, исключение феррорезонансных перенапряжений является необходимым условием применения ОПН.
ВЫВОДЫ
Токи среза современных вакуумных и элегазовых выключателей примерно сопоставимы, а, следовательно, максимальные перенапряжения, создаваемые ими в процессе отключения малых токов ненагруженных трансформаторов не могут отличаться в значительной степени.
Объем экспериментальных данных по скорости восстановления диэлектрической прочности межконтактного промежутка элегазовых выключателей после отключения ими малых индуктивных и емкостных токов явно недостаточен (по сравнению с таковым для вакуумных выключателей). Некоторая уверенность есть только в том, что она ниже, чем у вакуумных выключателей. Неизвестна также способность элегазовых выключателей гасить высокочастотные токи, сопровождающие переходный процесс отключения малых индуктивных токов нагрузки при повторных зажиганиях дуги в выключателе. Поэтому можно предположить, что, как правило, процесс отключения малых индуктивных токов элегазовыми выключателями будет сопровождаться меньшим числом повторных зажиганий, чем это имеет место в подобном случае при работе вакуумного выключателя.
Вследствие более высокой скорости восстановления диэлектрической прочности межконтактного промежутка вакуумные выключатели имеют несомненное преимущество перед элегазовыми при отключении ими ненагруженных линий (воздушных и кабельных) и мощных конденсаторных батарей.
Для изоляции высоковольтных двигателей, с очень малой вероятностью может быть опасной коммутация отключения заторможенного электродвигателя, при которой возникают повторные зажигания дуги в выключателе. С большей вероятностью опасные воздействия на изоляцию электродвигателей (не зависящие от типа выключателя) имеют место при коммутации включения (нормальный пуск, автоматический ввод резерва, автоматическое повторное включение), а также при срезе напряжения, вызванном однофазными, двойными и многофазными пробоями изоляции в сети.
Принудительное ограничение перенапряжений, воздействующих на изоляцию высоковольтных электродвигателей необходимо при использовании выключателей любого типа: элегазовых, вакуумных и даже маломасляных. Наиболее совершенными аппаратами, которые могут применяться для этой цели, являются ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН).
- Правила устройства электроустановок. М.: Энергоатомиздат, 1986 г.
- Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей. Издание 15-е, Москва, 1996г.
- IEEE Recommended Practice for Grounding of Industrial and Commercial Power Systems. (IEE std 142-1991), Published by the IEEE inc., NJ, 1992.
- Gary N. Wang, William M. Moffart, Laslie J. Vegh, Frank J. Veicht. High-resistance grounding and selective ground fault protection for a major industrial facility. IEEE Trans, on IA, vol. IA-20, №4, 1984.
- Васюра Ю. Ф., Гамилко В. А.; Евдокунин Г. А., Утегулов Н. И. Защита от перенапряжений в сетях 6-10 кВ. Электротехника, № 5/6, 1994.
- Методы расчета на ЭВМ электромагнитных переходных процессов в ферромагнитных устройствах с произвольной структурой магнитной и электрической цепей / Г. А. Евдокунин, Е. В. Коршунов, В. А. Сеппинг, я. я. Ярвик // Электротехника, 1991, № 2.
- Бики М. А., Бродовой Е. Н., Брянцев А. М., Лейтес Л. В., Лурье А. И., Чижевский Ю. Л. Электромагнитные процессы в мощных управляемых реакторах. Электричество, № 6, 1994, с. 1-10.
- Interruption of small inductive currents: Chapter 3, Part A. Electra, № 75, 1981, p. 16-17.
- Капо, T. Hakamada, Y. Kurosawa. Switchig surge phenomena in induction motor windings and their endurance. Hitachi Review, vol 24, № 5, 1975, p. 225-232.
- N. Ueno, H. Toya, Y. Murai. Monte-Carlo simulation of overvoltage generation in the inductive current interruption by vacuum interrupters. IEEE Trans, on PAS, Vol.'PAS-103, № 3, March 1984, p. 498-504.
- E. Colombo, G. Costa, 1. Piccarreta. Results of an investigation on the overvoltages due to a vacuum circuit breaker when switching an H.V. motor. IEEE Trans, on Power Delivery, Vol. 3, № 1, Jan 1988, p. 205-213.
- S.H.Telander, M.R.Wilhelm, K.B.Stump. Surge limiters for vacuum circuit breaker switchgear. IEEE Transaction on Power Delivery, Vol.2, № 1, January 1987.
- A.N.Greenwood, D.R.Kurtz, J.C.Sofianek. A guide to the application of vacuum circuit breakers. IEEE Transaction on Power Application and Systems, Vol. 90, № 3, 1971.
- K.Yokokura, S.Masuda, H.Nishikava. Multiple restriking voltage effect in a vacuum circuit breaker on motor insulation. "IEEE Trans, on PAS", Vol. PAS-100, № 4, April 1981.