ХАРАКТЕРИСТИКИ КОММУТАЦИОННЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

В связи с усложнением структуры сельских электрических сетей 10-35 кВ и модернизацией аппаратной базы на основе современных коммутационных и защитных устройств особую актуальность приобретает задача анализа внутренних перенапряжений в сети в различных режимах ее работы. Результаты анализа имеют большое значение при решении задач выбора системы ограничения перенапряжений, обоснования уровней изоляции оборудования, отстройки устройств релейной защиты.

Электрические сети представляют собой наиболее повреждаемый элемент электроэнергетической системы [1]. Причиной повышенной аварийности электрических сетей являются атмосферные и внутренние перенапряжения.

Ранее считалось, что для электрических сетей 6-35 кВ основное значение имели атмосферные перенапряжения. В настоящее время особую актуальность приобретают внутренние перенапряжения в связи с оснащением электрического оборудования устройствами, выполненными на современной элементной базе, которые имеют пониженный запас электрической прочности изоляции.

Для сетей номинального напряжения 220 кВ и выше также возрастает роль внутренних перенапряжений, поскольку увеличивается их кратность по отношению к номинальному напряжению и приближается к аналогичному показателю для атмосферных перенапряжений. Поэтому для обоснованного выбора уровней изоляции в электрических сетях любого класса напряжения необходимо иметь достоверную информацию о внутренних перенапряжениях [5].

Можно выделить несколько типов внутренних перенапряжений.

Перенапряжения  первого типа возникают при проведении либо плановых коммутаций по сборке или разборке штатных электрических схем, либо при возникновении замыкания одной или нескольких фаз сети на землю с проведением последующих аварийных коммутаций, направленных на предотвращение или ликвидацию короткого замыкания. Этот тип перенапряжений называют коммутационными перенапряжениями.

Второй тип перенапряжений носит название дуговых, поскольку возникает при дуговых замыканиях в сетях с изолированной или компенсированной нейтралью.

К третьему типу относятся феррорезонансные перенапряжения, сопровождающие специфические режимы, связанные с наличием в электрических сетях нелинейных силовых и измерительных трансформаторов.

Коммутационные перенапряжения носят кратковременный характер, в то время как дуговые и феррорезонансные имеют большую продолжительность по времени [4]. 

Система защиты от коммутационных перенапряжений построена на использовании как аппаратных средств, так и противоаварийной автоматики. Под аппаратными средствами понимаются вентильные разрядники, ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН), предвключаемые и шунтирующие активные сопротивления, которыми оснащаются выключатели. К средствам противоаварийной автоматики и релейной защиты относится автоматическое повторное включение (АПВ), дополненное в отличие от традиционного АПВ автоматикой, реализующей оптимальную последовательность порядка включения фаз линии электропередачи после ликвидации аварии в сети.

Для распределительных электрических сетей 6-35 кВ, а также питающих сетей напряжением 110-220 кВ используются преимущественно вентильные разрядники, установленные на подходах к подстанциям и у силовых трансформаторов.

В сетях высокого напряжения совместное использование разрядников и предвключаемых сопротивлений позволило удовлетворительно решить задачу ограничения коммутационных перенапряжений [6, 12, 16]. Внедрение ОПН с улучшенными характеристиками по сравнению с разрядниками позволяет значительно повысить эффективность уже имеющихся систем ограничения перенапряжений, т.е. увеличить надежность системы электроснабжения потребителей, повысить ресурс предвключаемых и шунтирующих сопротивлений выключателя.

Дополнительное снижение уровней перенапряжений в электрических сетях достигается за счет модернизации автоматики ликвидации коротких замыканий. Как известно, АПВ предполагает отключение релейной защитой аварийной линии электропередачи, выдержку в таком состоянии схемы в течение времени, достаточном для самоликвидации дуги переменного тока, возникающей между поврежденной фазой или фазами и землей, и последующее включение линии. Сигнал на включение фаз линии подается одновременно на все выключатели. При этом возникают существенные кратности перенапряжения, представляющие опасность для линейной и подстанционной изоляции, и приводящие к быстрому расходованию ресурса разрядников и ОПН. Модернизация АПВ предполагает формирование определенного порядка чередования включения фаз, при котором возникают перенапряжения с минимальной кратностью.

Наиболее простым для технической реализации представляется «программированное включение» электропередачи при двухстороннем ее питании от систем различной мощности. К минимальным перенапряжениям приведет включение линии в первую очередь со стороны системы большей мощности, т.е. характеризующейся меньшей величиной эквивалентного реактивного сопротивления. Сигнал на подключение второго конца линии выдается с задержкой времени, достаточной для затухания переходного процесса, вызванного первой коммутацией [3].

Дальнейшее совершенствование «программированного включения» электропередачи заключается во введении задержки включения каждой фазы по отношению ко включению предыдущей фазы на время, достаточное для затухания переходного процесса. Каждое включение фазы происходит в практически установившемся режиме, что существенно снижает уровни коммутационных перенапряжений. Отметим, что «программированное включение» применимо и к плановой коммутации включения линии электропередачи.

Дополнительные возможности ограничения перенапряжений открываются и при однофазном автоматическом повторном включении (ОАПВ). ОАПВ позволяет расширить возможности управления коммутацией в области выбора момента включения выключателя, отвечающего минимуму биений напряжения в бестоковой паузе на его контактах [2].

Таким образом, современные системы ограничения перенапряжений, основанные на совместном использовании как аппаратных средств, так и средств противоаварийной автоматики, позволяют эффективно ограничить коммутационные перенапряжения до допустимых уровней.

Феррорезонансные явления представляются наиболее опасными для сельских электрических сетей 6-35 кВ, поскольку они сопряжены, как правило, с высокими значениями токов, длительно существующих в этих режимах и разрушающих электрическую изоляцию аппаратов в результате термического воздействия.

Меры ограничения коммутационных перенапряжений, принятые в сетях этого класса напряжений, не могут предотвратить феррорезонанс, поэтому необходимы специальные меры борьбы с ним. В настоящее время вся защита от подобных перенапряжений сводится к перечню схемных мероприятий, позволяющих исключить возможность появления в процессе оперативного переключения электрических схем, предрасположенных к развитию феррорезонансных явлений. Но подобное мероприятие не может исключить ошибки персонала или аварийные ситуации, приводящие к опасным схемам.

Более надежным средством подавления феррорезонанса является оснащение трансформаторов напряжения активными сопротивлениями, включенными во вторичные обмотки. Величина активного сопротивления лежит в пределах от 25 до 6,25 Ом. Но необходимость выполнения переключений во время процесса на вторичной обмотке для изменения величины этого сопротивления является существенным недостатком данного способа.

Предложение по установке дополнительного сопротивления в первичную обмотку трансформатора напряжения номиналом от 2000 до 8000 Ом представляется слишком дорогостоящим мероприятием.

В связи с отсутствием в настоящее время надежных средств ограничения феррорезонансных перенапряжений проблема их разработки приобретает несомненную актуальность.

Физическая картина развития феррорезонансных явлений в сетях с электромагнитным трансформатором напряжения подробно изложена в литературе [2,3]. Основные ее положения сводятся к следующему.

Возможны два механизма возбуждения феррорезонансных колебаний.

К первому типу относится случай самовозбуждения колебаний токов и напряжений в электрической сети, содержащей параллельно или последовательно включенные между собой емкость шин или линии [13] и нелинейную индуктивность трансформатора. Эти элементы образуют колебательный контур, настроенный на некоторый ряд частот, поскольку индуктивность изменяется по величине в зависимости от напряжения и тока. Процесс возникновения колебаний некоторой частоты можно объяснить с помощью сведения нелинейной индуктивности к линейному элементу с переменными параметрами. Величина индуктивности изменяется с частотой в два раза большей, чем частота приложенного напряжения. Следовательно, при возникновении колебаний напряжения даже небольшой амплитуды с частотой nω и изменении параметров с частотой 2nω в электрической сети могут сложиться условия для длительного существования nω-гармонической составляющей тока и напряжения.

Качественно условия существования n-ой гармоники выглядят следующим образом:

- осуществлено глубокое насыщение трансформатора;

- настройка в резонанс линейной части схемы на частоту меньше nω, для чего входное сопротивление схемы должно иметь емкостной характер;

- схема должна иметь малые потери.

Ко второму типу механизма развития феррорезонансных колебаний относится появление его как результат переходного процесса, связанного с какой-либо коммутацией, например, возникновение и исчезновение замыкания фазы линии на землю. При коммутации в сети перенапряжения достигают существенных величин, что приводит к дополнительному насыщению магнитной системы трансформатора и, следовательно, возникновению предпосылок к настройке колебательного контура на одну из частот изменения индуктивности трансформатора. При выполнении условий существования n-ой гармоники в электрической цепи могут возникать и длительно существовать высшие четные и нечетные гармоники, а также некоторые субгармоники.

Аналитический расчет переходного процесса в трехфазных нелинейных схемах является весьма сложной задачей, поэтому вычислительные эксперименты целесообразно проводить с использованием современных программных комплексов.  

Система ограничения перенапряжений основана на замене вентильных разрядников на ОПН, установленных на шинах подстанции [3].

В нормальном режиме работы сети ОПН имеет высокое сопротивление, разрывающее вторичную обмотку трансформатора напряжения. В случае возникновения феррорезонансных перенапряжений ОПН за счет своей нелинейной характеристики уменьшает сопротивление, что приводит к ограничению перенапряжений.