Распределение напряжения в установившемся режиме зависит от способа заземления нейтрали. При заземлённой нейтрали в силу однородности обмотки установившееся распределение напряжения определяется наклонной прямой. При изолированной нейтрали в установившемся режиме вся обмотка принимает одинаковый потенциал относительно земли и uуст(х) представляет собой горизонтальную прямую линию.
Таким образом, в обоих случаях нетрудно определить сумму амплитуд отдельных гармоник в любой точке обмотки. В процессе развития собственных колебаний напряжение будет превосходить установившееся, стремясь к нему по мере затухания этих колебаний. Максимальное значение напряжения в каждой точке обмотки приближённо равно:
.
При изолированной нейтрали наибольшее напряжение наблюдается на конце обмотки и может в 1,5 ÷ 1,8 раза превышать напряжение в начале (при бесконечно длинном импульсе с вертикальным фронтом). При заземлённой нейтрали наибольшее напряжение возникает в конце первой трети обмотки и составляет (1.2 ÷ 1.3) U0. Следовательно, в обоих случаях на главную изоляцию может воздействовать напряжение, существенно превышающее напряжение источника.
Начальное распределение напряжения по обмотке
Задача 5
Условие
Рассчитать ток однофазного замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью и выполненной из участков воздушной и кабельной линий. Обосновать необходимость подключения дугогасящего реактора. Определить, следует ли подключать дугогасящий реактор, и если это необходимо выполнить, то определить мощность и тип реактора. Линии характеризуются номинальным напряжением , суммарной длиной воздушных и кабельных линий и соответственно, удельным током замыкания на землю и .
Дано:
, , , ,
Теория:
Компенсация тока замыкания на землю.
Одним из наиболее распространённых средств уменьшения (компенсации) тока замыкания на землю является включение в нейтраль регулируемого реактора (рис.5.1.), который называют так же дугогасящей катушкой, катушкой Петерсена, настроенной индуктивностью.
При равенстве частичных ёмкостей относительно земли для всех фаз потенциал нейтрали в нормальном режиме равен нулю и ток фаз в катушке отсутствует. При однофазном замыкании на землю на нейтрали появляется напряжение нулевой последовательности, равное , и в катушке возникает ток.
- суммарная индуктивность;
- активное сопротивление
, , причём . Через место замыкания на землю проходят ток катушки и ток замыкания на землю, который складывается из ёмкостного тока линий и активной составляющей , обусловленной утечками по изоляторам и потерям на корону в воздушных линиях, диэлектрическими потерями в кабельных линиях.
Общий ток через место замыкания (остаточный ток ) равен:
На рис. 5.2. приведены зависимость остаточного тока от индуктивного тока катушки и векторные диаграммы для типичных случаев. Область слева от точки минимума, где - точкой компенсации, или идеальной настройкой, точка - точкой компенсации или идеальной настройки, а область - область перекомпенсации. Минимальное значение тока при идеальной настройке определяется его активной составляющей, а так же высшими гармоническими, которые могут появится, благодаря небольшому отклонению характеристики катушки от линейной и наличию высших гармоник в кривой ЭДС источника.
В условиях эксплуатации не всегда можно добиться точной настройки, но при небольших отклонениях абсолютная величина некомпенсированного тока мало отличается от активной составляющей, поскольку активная и реактивная составляющая складываются в квадратуре.
Ограничение тока через дуговой промежуток облегчает условия деионизации дуги и повышает вероятность её быстрого гашения.
Ограничения скорости восстановления напряжения на дуговом промежутке. Первое зажигание дуги в сети с катушкой происходит так же, как и в сети с изолированной нейтралью, т.е. сопровождается колебательным процессом, частота и амплитуда которого мало зависят от наличия катушки вследствие её большого индуктивного сопротивления для токов высокой частоты. По этой же причине катушка не влияет на высокочастотную составляющую переходного процесса, который возникает после попытки гашения дуги при переходе через нуль тока высокочастотных колебаний.
В сети с изолированной нейтралью напряжение смещения нейтрали остаётся постоянным, а напряжение на повреждённой фазе возрастает, изменясь с частотой сети, что может привести к повторному зажиганию дуги. В сети с дугогасящей катушкой в нейтрали напряжение с частотой источника восстанавливается медленно, поскольку фазное напряжение источника восстанавливается медленно, поскольку фазное напряжение источника и состовляющая свободных колебаний противоположны по фазе. Если дуга не зажигается под влиянием пика гашения непосредственно после обрыва тока высокочастотных колебаний, то вероятность её последующего зажигания при воздействии восстанавливающегося напряжения промышленной частоты уменьшается.
При заземлении нейтрали через дугогасящую катушку возможны повышения напряжения не только при замыкании на землю, но и при нормальном режиме, если сеть обладает хотя бы небольшой несимметрией . Напряжение на изолированной нейтрали равно:
- проводимости фаз относительно земли.
В нормальномрежиме возможно незначительное смещение нейтрали, так как при любом встречающимся на практике расположении проводов воздушных линий их ёмкости относительно земли неодинаковы. В частности, при горизонтальном расположении проводов ёмкость средней фазы приблизительно на 10% ниже, чем ёмкости крайних фаз.
При идеальной настройке смещение нейтрали достигает наибольшего значения . Например, при и смещение нейтрали при точной настройке достигает . Одновременно искажается и векторная диаграмма напряжений относительно земли; на одной фазе напряжение падает до , а на других фазах поднимается почти до повышения напряжения не представляют опасности для изоляции, однако они не допустимы из-за увеличения потерь на корону, влияние на линии слабого тока. Отклонение от условий настройки в пределах 0,1 уменьшает смещение нейтрали до , но это недостаточно. Поэтому в сети с дугогасящей катушкой в нейтрали необходимо особенно тщательно выполнять транспозицию.
Решение.
Ток замыкания на землю определяется из соотношения
,
где – удельный ток замыкания на землю в воздушной линии, А/км;
– длина воздушной линии, км.
– удельный ток замыкания на землю кабельной линии, А/км;
– длина кабельной линии, км.
Линии 6 кВ выполнены с изолированной нейтралью. В незаземлённых сетях ток однофазного замыкания на землю относительно мал. Однако при продолжительном протекании этого тока в месте замыкания выделяется значительная энергия, увеличивающая повреждение, что может привести к переходу замыкания на землю в междуфазное КЗ. Поэтому на основании многолетнего опыта эксплуатации незаземлённых сетей установлены допустимые (критические) значения токов замыкания на землю, при которых ещё возможно сохранение в работе повреждённого участка сети в течение нескольких часов, необходимых для отыскания и отключения места повреждения без нарушения электроснабжения.
Так как полученное значение тока превышает допустимый ток замыкания на землю 30 А в сетях 6 кВ [2, стр. 460], в нейтраль трансформатора системы необходимо включить дугогасящий реактор.
Выбор дугогасящего реактора выполняется в следующем порядке:
1) определяют максимальный ёмкостной ток замыкания на землю IC, который равен
,
где – ёмкостной ток;
– ток ёмкостной асимметрии;
– активный ток.
Ток ёмкостной асимметрии составляет не более 2% ёмкостного тока, соответствующего максимальному потенциалу нейтрали UN = Uф, а активный ток не превышает 6% указанного значения ёмкостного тока. Поэтому можно принять
.
определяют суммарную мощность реакторов из условия полной компенсации ёмкостного тока замыкания на землю (резонансная настройка)
кВА;
2) определяют число реакторов. Если ёмкостной ток превышает 50 А, то исходя из соображений гибкости и надёжности компенсации рекомендуется применять не менее двух реакторов;
3) выбирают место включения реакторов. Реакторы рекомендуется устанавливать на узловых подстанциях сети. В этом случае вероятность сохранения в работе реактора при аварийных отключениях в сети максимальна.
4) выбирают трансформаторы для подключения реакторов. Для подключения дугогасящих реакторов на подстанциях применяют нейтрали трансформаторов СН или нейтрали трансформаторов, предназначенных для этой цели.
Выбираем реактор; типа РЗДСОМ – 380/10. Пределы регулирования у выбранных реакторов 25 – 50 А.
Задача 6
Условие:
Рассчитать годовое число грозовых отключений воздушной линии электропередачи, проходящей по территории Молдовы.
Линия характеризуется номинальным напряжением , типом, высотой и сопротивлением заземления опор, защитным углом , числом тросов .
Дано:
, тип опоры – металлические, , , , .
Теория:
Грозовые отключения воздушных линий с тросами могут происходить по следующим причинам:
1. Удар молнии в трос в середине пролёта и перекрытие воздушного промежутка трос-провод;
2. Прорыв молнии через тросовую защиту, т.е. поражение провода;
3. Удар молнии в опору и обратное перекрытие изоляции с опоры на провод.
Решение.
Для оценки грозоупорности воздушных линий электропередачи различного номинального напряжения и технического исполнения введено понятие удельного числа отключений линии длиной 100 км за 100 грозовых часов в году.
· Удельное число отключений линий с тросами вычисляется по формуле
,
где – средняя высота подвеса тросов, м;
– высота опоры, м;
– длина пролёта, м;
– вероятность прорыва молнии через тросовую защиту:
· Вероятность прорыва молнии через тросовую защиту:
;
· При ударе молнии в один из проводов на соседней фазе наводится потенциал и её перекрытие произойдёт, если критический ток
,
где Iкр – ток молнии в поражённом проводе, кА;
U50% – импульсная прочность гирлянды [4, стр. 39],
при n = 2, - импульсная прочность гирлянды (рассчитанной на 220кВ), z – волновое сопротивление провода (z = 300 Ом);
для ВЛ на металлических и железобетонных опорах
· Вероятность появления тока величиной или большего, при котором изоляция перекрывается
.
– вероятность перекрытия изоляции на опоре при ударе молнии
в провод;
· Находим Ртр – вероятность пробоя промежутка трос – провод при ударе молнии в трос в середине пролёта; она оценивается по формуле
(при ударе молнии в трос напряжение между тросом и проводом зависит только от крутизны тока а и не зависит от его амплитуды; расстояние между тросом и проводом S принимается равным 0,02 · lпр = 0,02 · 300 = 6 м).
· Находим Роп – вероятность перекрытия изоляции при ударе в опору;
,
;
при n = 2, δ = 0.15.
η1 – вероятность образования устойчивой дуги при перекрытии изоляции
опоры, для линий до 220 кВ η1 = 0.7.
η2 – вероятность образования устойчивой дуги при пробое воздушной
изоляции в пролёте:
,
где ЕСР – средняя напряжённость.
Подставляя полученные значения, определяем удельное число отключений линии
Число отключений линий равно 15,88 раза для линии длиной 100 км за 100 грозовых часов в году.
Литература
1. Базуткин В.В., Ларионов В.П., Пинталь Ю.С. Техника высоких напряжений. Изоляция и перенапряжения в электрических системах.
Под ред. В.П. Ларионова (3-е издание). М.: Энергоатомиздат, 1986.
2. Дмоховская Л.Ф., Ларионов В.П., Пинталь Ю.С. и др. Техника высоких напряжений. /Под ред. Д.В. Разевига (2-е издание). М.: Энергия, 1976.
3. Васильев А.А., Крючков И.П., Наяшкова Е.Ф., Околович М.Н. Электрическая часть станций и подстанций. /Под ред. А.А. Васильева (2-е издание). М.: Энергоатомиздат, 1990.
4. Процук Ю., Терзи И.З. Техника высоких напряжений. Сборник задач с решениями. /,Под ред. Стратан И. К.: ТУМ. 2004.
