Тема: Выбор и расчет схемы ограничения перенапряжений

Цель: Изучение методов определения остаточного напряжения и осуществления схемы ограничения перенапряжений на подстанции.

Знания и умения, приобретаемые студентом при выполнении практического занятия: методы расчета остаточного напряжения на оборудовании подстанций, навык выбора элементов схемы защиты от перенапряжений

В результате выполнения практического занятия у студента формируются компетенции ПК-3 (способностью принимать участие в проектировании объектов профессиональной деятельности в соответствии с техническим заданием и нормативно-технической документацией, соблюдая различные технические, энергоэффективные и экологические требования).

Актуальность практического занятия обусловлена необходимостью студентов обладать навыками расчета и выбора схем защиты от перенапряжений оборудования подстанций.

Теоретическая часть

Проектирование защиты подстанций начинается с определения возможных мест установки РВ. С этой целью задаются показателем грозозащиты подстанции М (лет). По принятому М и известному удельному числу перекрытий линий n_i используя зависимость (7.1), вычисляют расчетную длину подхода L_П. Если трос на линиях подвешен только на подходах, то L_П ограничена (сверху) длиной защищенного подхода.

(11.1)

Используя зависимость (6.8), вычисляют расчетную крутизну фронта. Форма волны, набегающей на подстанцию, может приниматься весьма разнообразной. Часто в расчетах принимают косоугольную волну с крутизной фронта а_расч и амплитудой, равной 50%-ному импульсному разрядному напряжению изоляции линии на подходе.

Число приключенных линий принимается минимально возможным в летний период ремонтов. Место установки РВ выбирается из условия, чтобы волны во всех точках подстанции, в первую очередь на трансформаторах и на изоляции шин, не выходили за пределы, ограниченные кривыми выдерживаемых напряжений. Если желательно расширить зоны защиты РВ (и тем самым, например, сократить число РВ), то необходимо снизить удельное число перекрытий BЛ на подходах путем улучшения их грозозащиты.

В ориентировочных расчетах возможно использование формул (11.4) и (6.5) для определения максимальных U_CM, которые сравниваются со значениями выдерживаемого напряжения при t_Р = 2 мксек. Так как формулы выведены для простейшей и наиболее жесткой схемы на рисунке 6.1, то найденное значение l умножают на коэффициент k, который принимается равным: для подстанций с одной приключенной линией (тупиковой) k=l; с двумя линиями k=1,25; с тремя и более линиями k=1,5.

На подстанциях до 220 кв включительно разрядники обычно уста-навливают на шинах или трансформаторных присоединениях. Когда на подстанции установлены автотрансформаторы, установка РВ на AT – присоединениях обязательна, и эти РВ используются также для защиты изоляции всей подстанции. Исключение составляют гидроэлектростанции, где распределительные устройства высокого напряжения обычно удалены на большие расстояния от трансформаторов, устанавливаемых на нижнем бьефе. В этих случаях вентильные разрядники устанавливаются около каждого из трансформаторов и на шинах распределительного устройства. Вентильные разрядники подключаются к шинам через разъединители. На подстанциях с двумя выключателями на присоединение вентильные разрядники устанавливаются на каждой системе шин. При делении шин на секции вентильные разрядники устанавливаются на каждой секции.

На подстанциях 330 кВ и выше вентильные грозозащитные разрядники типа РВМГ устанавливаются на каждом трансформаторном присоединении вблизи трансформатора. Такая практика связана не только со стремлением повысить надежность грозозащиты трансформаторов, но и с условиями защиты трансформаторов от коммутационных перенапряжений, возникающих при отключении холостых трансформаторов. Другое назначение РВ состоит в следующем. При перекрытии внешней изоляции волна на подстанции срезается и возникают колебания с глубоким переходом напряжения через нулевое значение. Эти колебания приводят к высоким градиентным перенапряжениям в обмотке. Рабочее сопротивление РВ демпфирует эти колебания н тем самым снижает градиентные перенапряжения.

На подстанциях СВН возможна установка на линейных присоединениях вентильных разрядников типа РВМК для ограничения коммутационных перенапряжений на линиях. Разрядники РВМК являются комбинированными, т. е. защищают оборудование от коммутационных и грозовых перенапряжений, поэтому они повышают надежность грозозащиты подстанции.

На трансформаторных и линейных присоединениях вентильные разрядники всех типов присоединяются к ошиновке без разъединителей. Ревизия РВ совмещается с ревизией всего присоединения.

На свободной, т. е. отключенной выключателем, стороне автотрансформатора могут появиться опасные для его изоляции перенапряжения, связанные с переходом волн между обмотками. Поэтому вентильные разрядники должны устанавливаться на всех автотрансформаторно-связанных обмотках, как это показано на рисунке 11.1. Разрядники приключаются без разъединителя со стороны автотрансформатора (до выключателя и разъединителя). Для защиты от перехода волн расстояние от РВ до трансформатора не имеет значения (в пределах, возможных на подстанции). Это объясняется больший периодом развития колебаний в обмотках. Эти же разрядники одновременно служат для защиты изоляции всей подстанции.

Рисунок 11.1 – Защита обмоток автотрансформаторов от перехода волн.

При большем числе автотрансформаторов на подстанции требуется соответственно и большее число разрядников для их защиты. Поэтому целесообразен индивидуальный подход к защите автотрансформаторов.

Рассмотрим этот вопрос подробнее. Предположим, что автотрансформатор не имеет специальной защиты и РВ установлены на шинах подстанции. Пусть волна перенапряжения, приходящая с линии ВН (или СН), создала на разряднике ВН (или СН) остаточное напряжение U_0ВН (или U_0СН). Полагаем обмотку другой ступени напряжения — соответственно СН или ВН — отключенной от шин и определим напряжение U_ВН (или U_СН) на отключенной обмотке, возникающее в результате перехода волн между обмотками. Обозначим коэффициент перехода волны с обмотки ВН на обмотку СН через а_СН, а с обмотки СН на обмотку ВН через а_ВН. Тогда с учетом фазных напряжений U_ФВН и (U_ФСН справедливы следующие формулы:

(11.2)

где k_т – коэффициент трансформации. Знак плюс или минус выбирается в зависимости от знака выражения в круглых скобках таким, при котором U_CH или U_BH максимально.

Величины напряжений U_CH и U_BH должны быть сопоставлены с импульсными испытательными напряжениями при полной волне как для внутренней изоляции трансформаторов (испытание без возбуждения), так и для внешней. Если U_CH или U_BH оказываются меньшими U_ИСП > то в установке РВ специально для защиты обмотки СН (или ВН) от перехода волн нет необходимости. Этот вывод, однако, не касается обмоток, которые необходимо защищать от коммутационных перенапряжений.

Автотрансформаторная схема соединения обмоток принципиально позволяет выполнять схему защиты, показанную на рисунке 7.2,а. В этой схеме разрядники РВ2 и РВ1 выбираются на напряжения, соответствующие СН и разности ВН и СН. Так, например, для автотрансформатора 750/330 кВ требуются разрядники РВМГ-420 и РВМГ-330.

Рисунок 11.2 – Защита обмоток автотрансформаторов совмещенными вентильными разрядниками. а – схема включения РВ; б – схема расчета напряжения U

Использование совмещенной схемы защиты связано, однако, со сле- дущей особенностью. В случае короткого замыкания (вызванного грозовым перенапряжением) на стороне СН на разрядник PB1 действует напряжение рабочей частоты, определяемое схемой на рисунок 11.2, б. Если внешнее реактивное сопротивление x_s мало, то это напряжение приближается к полному напряжению ВН, на которое разрядник РВХ не рассчитан. В электропередачах 750—1 000 кВ реактивное сопротивление линии обычно значительно превышает реактивное сопротивление автотрансформатора и напряжение на РВ1 не превышает его номинального значения (ВН-СН).

Применение схемы на рисунке 11.2 позволяет снизить стоимость защиты и выравнивает кривую первоначального распределения напряжения в обмотках СВН.

В целях снижения токов короткого замыкания часть трансформаторов в сетях с эффективно заземленной нейтралью (сети 110–220 кВ) может иметь разземленную нейтраль. Падение волн по всем трем фазам ведет к появлению перенапряжений в нейтрали, достигающих 170 – 190% амплитуды волн U₀ на линейных вводах.

Внутренняя и внешняя изоляция нейтрали такого трансформатора может выполняться на тот же класс напряжения, что и изоляция линейного конца обмотки, или на сниженный класс напряжения. В настоящее время трехфазные трансформаторы выпускаются только со сниженной изоляцией нейтрали. Во всех случаях защита нейтрали осуществляется вентильным разрядником на номинальное напряжение, соответствующее классу изоляции нейтрали. Для защиты пониженной изоляции нейтрали трансформаторов 110 кВ обычно устанавливаются разрядники 2ХРВС-20, трансформаторов 220 кВ — разрядники РВС-110.

Во время коммутационных операций неодновременность включения и отключения фаз трансформаторного выключателя или разъединителя может повести к срабатыванию разрядника в нейтрали и кратковременному воздействию на него фазного напряжения сети. Разрядник в нейтрали должен гасить дугу сопровождающего тока при этом напряжении. Разрядники 2ХРВС-20 и РВС-110 обычно удовлетворяют этому условию.

В сетях с изолированной нейтралью 35 кВ выведенная нейтраль трансформаторов защищается разрядником, рассчитанным на максимальное напряжение рабочей частоты на линейном конце, поделенное на 1,73. Установка разрядника обязательна при включении в нейтраль дугогасящей катушки.

В настоящее время в электрических сетях широко применяется ре-гулирование напряжения под нагрузкой. С этой целью в нейтрали трансформаторов и автотрансформаторов включаются регулировочные трансформаторы, обычно по схеме на рисунке 7.3, с реверсивным регулированием напряжения в пределах ±10% (или несколько выше). Для защиты изоляции регулировочного трансформатора между концом и началом обмотки каждой фазы включается разрядник, рассчитанный на максимальное рабочее напряжение, соответственно равное или большее 0,1 U_РАБ разрядника, установленного на линейном выводе трансформатора.

Рисунок 11.3 – Защита регулировочного автотрансформатора. 1 — главный трансформатор; 2 — регулировочный автотрансформатор; 3 — возбуждающая обмотка.

Обычно устанавливаются также разрядники на нейтральных выводах основного трансформатора (на рисунке 11.3 показаны пунктиром). Однако эти разрядники оказываются «шунтированными» разрядниками на выводах вольтодобавочного трансформатора и поэтому играют роль резервной защиты.

Опасные перенапряжения могут возникать в регулировочных обмотках вольтодобавочных трансформаторов. Схема такого трансформатора приведена на рисунке 11.4. Волна с амплитудой U₀, набегающая со стороны высокого напряжения, ложится полностью на вольтодобавочную обмотку 1 – 2; вывод 2, присоединенный к линии, сохраняет низкий потенциал. Волна в обмотке 1 – 2 возбуждает в регулировочной обмотке 1'–2' напряжение, примерно равное k_TU₀, где k_T — коэффициент трансформации. Значение k_T близко к единице. Напряжение k_TU₀ в свою очередь возбуждает между концами 3–4 автотрансформатора напряжение k_T1k_TU₀. Коэффициент трансформации k_T1 >1 и достигает максимума при сближении регулировочных контактов. Таким образом, на изоляцию регулировочной обмотки воздействует напряжение, превышающее амплитуду волны на стороне высокого напряжения, между тем как регулировочная обмотка выполняется с пониженным классом изоляции. Защита такой обмотки должна осуществляться вентильным разрядником.

Рисунок 11.4 – Защита обмоток вольтдобавочного трансформатора

Типы разрядников для защиты регулировочных и вольтодобавочных трансформаторов и места присоединения РВ указываются заводами — поставщиками трансформаторов.

В некоторых случаях обмотки НН в высоковольтных трансформаторах остаются постоянно или длительно неприсоединенными к другим элементам сети, иначе говоря, свободными. Свободные обмотки НН часто встречаются в автотрансформаторах, где эти обмотки играют роль компенсационных (рисунок 11.5,а). В блоковой схеме на рисунке 11.5,б при выводе одного из генераторов в капитальный ремонт его трансформаторная обмотка НН остается длительно свободной. Встречаются и другие аналогичные случаи.

При воздействии грозовых волн со стороны ВН (или СН) возникает переход волн на обмотку НН. Опасен обычно емкостный переход волн. В эксплуатации наблюдались случаи перекрытия внешней изоляции НН вследствие этих переходов. Опасные переходы волн наблюдались не только при грозовых перенапряжениях, но и при коммутациях, например включениях трансформатора на стороне ВН.

Для защиты свободных обмоток НН на их выводах устанавливаются вентильные разрядники (рисунок 11.5). Если свободные обмотки соединены в звезду, нейтраль звезды, кроме того, заземляется.

Рисунок 11.5 – Защита отключенных (свободных) обмоток НН. а - автотрансформаторов; б – повышающих трансформаторов сдвоенных блоков.

Задания

1. Определить необходимость установки РВ для защиты обмоток автотрансформатора 220/110 кВ с коэффициентами а_сн=0,6 и а_вн=2,5. Номинальное напряжение обмоток трансформатора 230 и 121 кв. На шинах подстанции установлены разрядники типа РВМГ.

Решение.

Остаточное напряжение РВМГ-220 и РВМГ-110 составляет 570 и 295 кВ, соответсвенно. Подставляем в формулы (11.2) численные значения (k_Т =1,9; U_ФВН=188 кВ U_ФСН=99 кВ)

кВ (11.3 )

Сравниваем эти значения с импульсными испытательными напряжениями классов 110 и 220 кВ. Наименьшие значения имеют U_ИСП внешней изоляции: для класса 110 кВ—460 кВ, для класса 220 кВ—900 кВ. Для обеих ступеней воздействующие напряжения оказываются меньшими U_ИСП , поэтому возможен отказ от установки РВ на выводах автотрансформатора. Этот вывод несправедлив для атмосферных условий, существенно отличных от нормальных, например при большой высоте над уровнем моря.

2. Определить схему защиты от перенапряжений трехобмоточного автотрансформатора автотрансформатора 330/110/10 кВ с коэффициентами а_сн=0,6 и а_вн=2,5. Номинальное напряжение обмоток трансформатора 330 кВ и 115 кВ и 10,5 кВ. На шинах подстанции установлены разрядники типа РВМГ. Обмотка низшего напряжения не используется.

Контрольные вопросы

1. Каковы причины возникновения перенапряжений при коммутациях линий, конденсаторов, реакторов и трансформаторов?

2. Что называют координацией изоляции?

3. Каковы принципы защиты изоляции искровыми промежутками и роговыми разрядниками?

4. Каковы принципы защиты изоляции трубчатыми и вентильными разрядниками и ОПН?

5. Как выполняется защита от перенапряжений изоляции линий электропередачи?

6. Как выполняется защита от перенапряжений изоляции контактной сети?

7. Как выполняется защита от перенапряжений изоляции оборудования подстанций?

Список литературы, рекомендуемый к использованию по данной теме

Основная литература

1. Электроснабжение сельского хозяйства: учебник / т. Б. Лещинская, и. В. Наумов ; [ред. Г. В. Лихачёва]. - М. : Колос, 2008. - 655 с. – ISBN 978-5-9532-0560-3.

2. Расчет электрических полей устройств высокого напряжения : учеб. пособие / И. П. Белоедова, Ю. В. Елисеев, Е. С. Колечицкий и др. ; ред. Е. С. Колечицкий. - М.: ИД МЭИ, 2008. - 248 с. – ISBN 978-5-383-00072-4

Дополнительная литература

3. Техника высоких напряжений : учебник для вузов / под ред. Д. В. Разевига. – 2-е изд., пер. и доп. – М. : Энергия, 1976. – 488 с.

4. Техника высоких напряжений(изоляция и перенапряжение в электрических установках) : учебник для техникумов / В. П. Ларионов, В. В. Базуткин, Ю. Г. Сергеев ; под ред. В. П. Ларионова. – М. : Энергоиздат, 1982. – 296 с.

Учебное пособие

практикум по дисциплине

«Техника высоких напряжений»

Направление подготовки 140400.62 Электроэнергетика и электротехника

Профиль подготовки

«Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем»,

«Электроснабжение»,

«Электроэнергетические системы и сети»

Составители: Данилов М.И.

Романенко И.Г.

Ястребов С.С.

Редакторы:

_____________ Подписано в печать

Формат 60x84 1/16. Усл. п. л. – . Уч.-изд. л. – .

Бумага газетная. Печать офсетная. Заказ Тираж экз.

ГОУВПО «Северо-Кавказский федеральный университет»

355028, г. Ставрополь, пр. Кулакова, 2

Издательство ГОУ ВПО Северо-Кавказский федеральный университет

Отпечатано в типографии СКФУ