Электрические перенапряжения в сети электроснабжения при отключении короткого замыкания

УДК 621.311

В. И. Яковлев, В. В. Ярошевич

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ В СЕТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРИ ОТКЛЮЧЕНИИ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

Аннотация

Рассматривается сеть электроснабжения при отключении короткого замыкания. Выделяются два электрических контура, позволяющие изучить основные частотные характеристики перенапряжений сети при коротких замыканиях. Анализируются результаты расчётов и компьютерного моделирования при сопоставлении с экспериментальными исследованиями. Для проведения многократных и безаварийных экспериментов по отключению коротких замыканий применяется разработанное имитационное щитовое оборудование. При этом сохраняются реальные параметры моделируемой сети. Приводится характеристика мероприятий по снижению перенапряжений.

Ключевые слова:

короткое замыкание, перенапряжения, переходные процессы.

V. I. Yakovlev, V. V. Yaroshevich

ELECTRICAL OVERVOLTAGES OCCURRING AFTER A SHORT CIRCUIT DISCONNECTION IN THE POWER SUPPLY NETWORK

Abstract

An electrical network after the short circuit disconnection has been investigated. There are two electrical circuits allowing to explore the basic frequency response of network overvoltages at short circuits. Calculation results and computer simulation of transients have been compared to experimental research. For repeatable, trouble-free conduction of the experiments with short circuit disconnection the simulation switchboard was used. In the experiments, the real network parameters were kept. The procedures for reducing overvoltages, are presented.

Keywords:

short circuit, overvoltage, transients.

Постановка задачи. Исследование перенапряжений при коротких замыканиях сопряжено с возникновением возможной аварии в электрической сети, что мешает выявить характерные особенности. К тому же проведение исследований в одной электрической сети может кардинальным образом отличаться от исследований в другой электрической сети, что происходит из-за разнообразных электрических параметров, влияющих на характер перенапряжений. Расчётные методики и моделирующие программы требуют учёта физических процессов возникновения и погасания электрической дуги.

Поэтому возникает необходимость разработки имитационного щита для многократного проведения экспериментов при коротких замыканиях.

Основные допущения. Рассматривается отключение однофазного короткого замыкания (КЗ) на конечном приёмнике, так как вероятность различных видов КЗ характеризуется следующими величинами: трехфазное - 5 %; двухфазное на землю - 30 %; однофазное - 65 %. Ток короткого замыкания в поврежденном участке не вызывает переходных процессов в других ветвях.

Приведение системы электроснабжения к электрической схеме замещения. Пунктиром на рис.1 выделены два контура с током, возникающих при срабатывании автомата, отключающего КЗ на конечном электроприёмнике.

Для определения основных элементов, участвующих в формировании параметров перенапряжения, составляется схема петли «фаза - ноль» со всеми сопротивлениями.

Рис. 1. Схема электроснабжения в нормальном режиме

В соответствии с контурами, показанными на рис.1, получаем электрическую цепь на рис.2, которая при отключении однофазного КЗ распадается на две цепи. Обозначим Ьь Яь С параметрами системы электроснабжения от трансформаторной подстанции до коммутационного аппарата, отключающего ток короткого замыкания; Ь2, Я2, С2 - параметрами отключаемого закороченного участка.

Рис. 2. Электрическая схема при КЗ

Расчёт переходного процесса без учёта дуги. В заданный момент времени размыкания напряжение в начале коммутационного процесса

определяется как: и = ите^. Соответственно, ток в индуктивности

и напряжение на емкости для каждой части цепи, возникшей после отключения при произвольном угле у, составляют:

Х0

Расчеты для левой и правой частей цепи проводятся аналогично, поэтому дальше приведем выражения для левой части цепи (рис.2), в которой после отключения продолжает действовать источник напряжения.

Для левой части цепи установившийся ток и напряжение на емкости представляются следующим образом:

w(t) = Kt lsin (rot + arg (tust));

UCust(t) = \UCust |sin (rot + arg (JCust)).

Переходный процесс описывается следующими уравнениями:

iL - ic

0 ; RiL + L^ + ^ í icdt = Um sm (rot + у).

Из однородного уравнения рассчитываются корни:

= 0.

1 -1

R + pL1 1/ pC1

Для решения уравнений переходного процесса сначала определяются начальные условия для зависимых переменных, какими являются г'с ; /Ц ; и с ; гс, где штрихом обозначается производная соответствующей переменной. Независимыми переменными являются /I и ис .Система уравнений

для определения зависимых переменных /с ; ; ис ; /с получается при ^ = 0 из уравнений переходного процесса с добавлением как продифференцированного уравнения гь — гс = 0, так и уравнения связи с 1 и/(г) — гс(г) = о, ив матричном виде имеет вид:

" 0 0 0 —1

0 — Ц 0 0

—110 0

0 0 с —1

iC

iL

uC

iC

ÍL 0

Um sin у - RjL 0 + uc 0 0 0

Решения для токов iL (t), ic (t) и напряжения uc (t) будут соответственно:

iL (t)= 4^Plt + ^2^P2t + iLust (t); ic (t) = BiePlt + B2eP2t + icust (t);

uc (t) = Ciep1 + C2ep2 + ucust (t).

Система уравнений для определения постоянных интегрирования Л] - С2 имеет вид:

1 1 0 0 0 0 " " а' к 0 - ^

0 0 1 1 0 0 Л i с

0 0 0 0 1 1 в ис

р1 Р2 0 0 0 0 в2 ^(0) ^ |1' шТ со8 [ ()]

0 0 Р1 Р2 0 0 С i ¿(0) -ю|/ , со8 [ ^ ()]

0 0 0 0 Р1 Р2 _ С 2 и ¿

Перенапряжения при отключении КЗ с погасанием электрической дуги между контактами коммутационного аппарата при токе 20 А приведены на рис.3.

Рис. 3. Расчетные перенапряжения цепи до коммутационного аппарата

Таким образом, перенапряжения до и после коммутационного аппарата отличаются между собой по частоте и амплитуде.

Моделирование процесса отключения короткого замыкания в среде SimPowerSystems. Для моделирования перенапряжений с учётом процессов в дуге рассматривается следующая модель, представленная на рис.4.

На рисунке 4 отображены следующие элементы: 1 - коммутационный аппарат, отключающий КЗ на линии; 2 (Ш, L1, С1) - эквивалентные параметры электрической сети до коммутационного аппарата; 3 (К2, L2, С2) - электрическая цепь после коммутационного аппарата, отключающего ток короткого замыкания; 4 - таймер на размыкание цепи в необходимый промежуток времени при прохождении тока через необходимые значения; 5 - осциллограф для регистрации перенапряжений; 6 - блок имитации тока короткого замыкания.

Рис. 4. Модель в среде SimPowerSystems

Частота перенапряжений после коммутационного аппарата достигает 772 кГц, что значительно больше частоты 33 кГц до коммутационного аппарата (рис.5). Такая разница по частоте может быть объяснена различными электрическими параметрами каждой части цепи, возникающими после срабатывания выключателя. Отсюда будут вытекать предложения по снижению перенапряжений за счет изменения параметров схемы.

Рис. 5. Модельные перенапряжения (а и б) и их спектральный состав (в и г). £/пер1, £/пер2 - перенапряжения соответственно до и после коммутационного

аппарата

Эксперимент в реальной системе электроснабжения. Электрическая схема и стенд для проведения опытов показаны на рис.ба, б.

Для регистрации коротких импульсов в качестве измерительного устройства использован двухканальный цифровой запоминающий осциллограф типа BM8021. Для более детальной проработки осциллограмм применен быстродействующий внешний модуль ввода - вывода на шину USB 2.0, каким является аналого-цифровой преобразователь типа АЦП L-CardE20-10 с частотой пропускания аналогового сигнала 10 МГц.

На одной из групп экспериментального щита выполнялось преднамеренное КЗ. Точка КЗ выбрана в непосредственной близости с коммутационным аппаратом. Поэтому перенапряжение после погасания дуги будет иметь лишь составляющую, определяемую параметрами электрической сети.

При проведении эксперимента цифровой запоминающий осциллограф типа ВМ 8021 зафиксировал импульсное перенапряжение амплитудой 6.2 кВ. Такие импульсы возникают как в начале, так и в конце переходного процесса. Первый импульс напряжения можно связать с начальным разведением контактов и «взрывом» мостика из жидкого металла при образовании электрической дуги [1]. Второй импульс напряжения вызван преждевременным погасанием дуги между контактами коммутационного аппарата.

Рис. 6. Экспериментальный стенд для регистрации перенапряжений

в действующей электрической сети при отключении КЗ: 1 - экспериментальный щит; 2 - силовой распределительный щит; 3 - регистратор возникающих переходных процессов; 4 - персональный компьютер

В результате изменения времени развертки удалось зарегистрировать процессы дугообразования при расхождении контактов.

На рисунке 7 показана осциллограмма перенапряжений на коммутационном аппарате при отключении КЗ, где обозначено: 1 - перенапряжение при образовании дуги амплитудой 5.35 кВ; 2 - перенапряжение амплитудой 0.39 кВ после погасания дуги.

Рис. 7. Перенапряжения при отключении КЗ в реальной сети: а - развертка 24 мс/дел.; б - развертка 800 мкс/дел.; в - развертка 3.7 мкс/дел.;

г - развертка 94 мкс/дел.

Эксперимент с помощью имитационного щита. На рис.8а показана принципиальная схема имитационного щита, с помощью которого безаварийно создаются и исследуются реальные перенапряжения при отключениях токов коротких замыканий. На рис.8б, в, г, д - перенапряжения.

На рисунке 8а обозначены: 1 - разделительный трансформатор; 2 - отключение КЗ; 3 - магнитный пускатель; 4 - магазин емкостей емкостью С - Сш (от 400 pФ до 10 мкФ) с переключателем; 5 - трансформатор тока; 6 - E20-10 (модуль быстродействующего аналого-цифрового преобразования, обеспечивающий непрерывный сбор 16-битных данных с частотой до 10 МГц); 7 - блок подготовки выполнения КЗ; 8 - источник бесперебойного питания; 9 - компьютер.

Рис. 8. Перенапряжения при отключении КЗ на имитационной установке: б - горизонтальная развертка 24 мс/дел.; в - горизонтальная развертка 800 мкс/дел.; г - перенапряжение при образовании дуги

Короткое замыкание во вторичной цепи разделительного трансформатора (1) осуществляется с помощью мощного магнитного пускателя (3). Управление пускателем выполняется кнопками 8Ь1 и 8Ь2. Магнитный пускатель замыкает вторичную цепь, далее происходит ее автоматическое отключение при помощи коммутационного аппарата (2) с установкой С 6А, при этом образуется перенапряжение, необходимое для дальнейших исследований.

Перенапряжения, получаемые на имитационной установке, идентичны перенапряжениям, возникающим в реальной системе электроснабжения при отключении КЗ. Так, перенапряжение, возникающее при образовании электрической дуги на рис.7в, имеет амплитуду 5.35 кВ, частоту 1.06 МГЦ, а перенапряжение на рис.8 в имеет параметры 5.12 кВ и частоту 1.09 МГц.

Перенапряжение, возникающее после погасания дуги, в реальной системе электроснабжения имеет амплитуду 0.490 кВ и частоту 41.6 кГц. На имитационной установке частоту перенапряжения после погасания дуги можно изменять в широких пределах от 6.2 кГц до 1.4 МГц путем подключаемых емкостей, получая, таким образом, перенапряжения, характерные для различных систем электроснабжения.

Мероприятия по ограничению перенапряжений. Воздействуя на параметры цепи, можно влиять на снижение перенапряжений. Так, ток, проходящий по аварийному участку на момент размыкания, будет определять энергию, запасенную в индуктивности и емкости цепи. Из равенства энергий:

1 с и2 =1Ц  12

2 2

следует перенапряжение на конденсаторе [2]:

и='#.

При ёмкости в цепи С = 10 мкФ, индуктивности Ь = 0.1 Гн и внезапном

отключении тока I = 10 А перенапряжение составит 1 кВ.

Действительно, проведенное моделирование показывает:

- применение трансформатора подстанции с соединением вторичной обмотки по схеме «треугольник - зигзаг с нулем» вместо соединения «звезда - звезда с нулем» заметно уменьшает (почти в 1.8 раза) амплитуду перенапряжений между контактами коммутационного аппарата. Это связано с уменьшением почти в 3.4 раза индуктивной составляющей части цепи, находящейся до коммутационного аппарата.

- увеличение электрической емкости подключением конденсатора на отходящую линию от распределительного щита уменьшает перенапряжения на 30%.

- использование высоконелинейного ОПН позволяет снизить амплитуду перенапряжения в среднем до значения 0.4 кВ.

Выводы

1. Экспериментальные данные, полученные в реальной цепи и с помощью разработанного имитационного щита, позволили выявить характерные перенапряжения при отключении КЗ. Существенные амплитуды перенапряжений возникают в начале отключения (свыше 5 кВ) и в конце погасания дуги (до 0.5 кВ).

Моделирование с учётом дуги и расчёт переходного процесса позволяют исследовать частотные характеристики отключаемых цепей и не позволяют обнаружить всплески как в начале, так и в конце отключения КЗ.

2. Основными причинами возникновения высоковольтных перенапряжений являются: увеличение индуктивной составляющей как Ь\, так и Ь2, уменьшение суммарной емкости как всей системы в целом Сь так и емкости С2 отключаемого участка.

3. Перенапряжения в двух цепях, образующихся после отключения КЗ, имеют различные частоты, что обусловлено наличием двух контуров, разделяемых коммутационным аппаратом.

Литература

1. Месяц Г. А. Импульсная энергетика и электроника. М.: Наука, 2004. 704 с.

2. Рюденберг Р. Переходные процессы в электроэнергетических системах. М.: Изд-во иностранной лит, 1955. 716 с.

Сведения об авторах Яковлев Валерий Иванович,

старший научный сотрудник, профессор кафедры ТВН, Электроизоляционная

и кабельная техника Санкт-Петербургского политехнического университета

Петра Великого (ФГАОУ ВО «СПбПУ), д. т. н.

Россия, 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29,

эл. почта: valeryak@mail.ru

Ярошевич Вера Васильевна,

научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН. Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А, эл. почта: yaroshevich_vera@mail.ru

УДК 621.315.17

Я. Э. Еремич, С. А. Пашичева, Ф. Х. Халилов, А. С. Карпов ЗАЩИТА НЕЙТРАЛИ ТРАНСФОРМАТОРОВ 6-35 кВ Аннотация

В сетях 6-35 кВ у ряда силовых трансформаторов нейтраль выводится из бака для подключения дугогасящих реакторов (ДГР) для компенсации емкостных токов однофазного замыкания на землю. Для защиты нейтрали и ДГР обычно применяются вентильные разрядники (РВ). Опыт эксплуатации показывает, что часто происходит разрушение этих РВ. Приводятся результаты исследования перенапряжений в нейтрали и характеристики защитных аппаратов для установки в нейтрали.

Ключевые слова:

силовой трансформатор, нейтраль, вентильный разрядник, нелинейный ограничитель перенапряжений.

Y. E. Eremich, S. A. Pashicheva, F. Kh. Khalilov, A. S. Karpov 6-35 KV TRANSFORMERS NEUTRAL PROTECTION

Abstract

A number of 6-35 kV transformers have directly available neutral for connection of arc suppression coils (ASC) and compensation of single-phase ground fault capacitive currents. Generally, valve arresters are used for neutral and ASC protection. According to operating experience, valve arresters break down often. The results of studies of overvoltages in the neutral and characteristics of its protective equipment are presented in the article.

Keywords:

рower transformer, neutral, valve arrester, metal oxide arrester.