5 Комутаційні перенапруги в електричних системах

5.10 Обмеження комутаційних перенапруг

5.10.1 Шунтувальні опори у вимикачах двоступеневої дії

В даний час в практиці всіх країн намітилася тенденція до встроювання у вимикачі шунтувальних опорів . Шунтувальні опори служать для обмеження швидкостей і амплітуд відновлювальних напруг і обмеження амплітуд комутаційних перенапруг.

Дві принципові схеми виконання вимикачів з  наведено на рис. 5.17. У обох схемах відключення відбувається в такому порядку: першими розривають струм головні дугогасильні контакти 1, які шунтовані опором ; після гасіння дуги головними контактами в ланцюзі проходить залишковий струм, обмежений опором ; цей струм обривається додатковими контактами 2. Перевага першої схеми на рис. 5.17,а полягає в тому, що у включеному положенні вимикача через контакти 2 робочий струм не проходить і вони можуть виконуватися полегшеними. Недоліком цієї схеми є необхідність підтримування стисненим повітрям повної ізоляції між головними дугогасильними контактами 1 при відключеному положенні вимикача. У другій схемі (рис. 5.17,б) робочий струм проходить через допоміжні контакти 2, і це є її недоліком в порівнянні з першою схемою. Зате в другій схемі після обриву дуги на обох контактах головні контакти 1 знов змикаються, а розрив ланцюга підтримується (стиснутим повітрям) між допоміжними контактами 2.

Рисунок 5.17 Варіанти виконання вимикачів з шунтувальними

опорами

Сучасні повітряні вимикачі виконуються багатоступінчатими. Повітряні вимикачі серії ВВБ (завод Електоаппарат) мають номінальну напругу ступеня (модуля) 50-55 кВ. На кожному ступені повторюється схема, наведена на рис. 5.17,а. Шунтувальні опори можуть мати величину 100 Ом на ступінь, можливе зниження цих опорів до декількох десятків Ом.

Відключення коротких замикань. Важлива роль шунтувальних опорів  полягає в обмеженні швидкості зростання і амплітуди відновлювальної напруги  при відключенні к.з., зокрема найбільш небезпечних невіддалених коротких замикань (див. підрозділ 5.4). При розриві струму основними контактами 1 опір  демпфує коливання в контурах або знижує хвильові опори  та . Чим нижчий опір , тим більш ефективно обмежується ш.в.н. Проте, з іншого боку, чим нижчий , тим вище ш.в.н. у другому циклі при відключенні віддільника 2 і тим важча конструкція  і віддільника. Оптимальне значення   близько сотень і десятків Ом. Шунтувальні опори такого порядку ефективні також для обмеження відновлювальних і комутаційних перенапруг при розриві електропередачі в асинхронному режимі.

Відключення ненавантажених ліній. При відключенні ненавантаженої лінії роль шунтувального опору  полягає в запобіганні повторним пробоям у вимикачі шляхом обмеження амплітуди відновлювальної напруги на контактах 1 вимикача. Після обриву дуги на контактах 1 залишковий заряд на ємності лінії стікає через опір  і індуктивність мережі в землю, що призводить до зниження .

На рис. 5.18 показано сімейство кривих  в частках напруги джерела Е для типової лінії 220 кВ. Як видно з кривих, щоб домогтися амплітуди , що не перевищує Е, потрібно значення  ≤ 3 кОм.

Рисунок 5.18 Криві відновлювальної напруги на головних контактах вимикача при відключенні ненавантажених ліній в залежності від величини ; l = 200 км

Включення лінії в циклі АПВ. У підрозділі 5.3 було показано, що перенапруги при включенні лінії в циклі АПВ досягають небезпечних значень унаслідок збереження на лінії залишкових зарядів. Можна розрядити лінію через  і тим самим різко понизити перенапруги. Заряд, що стікає з лінії ємністю С зарядженої до напруги U, рівний:

 

де   інтервал увімкнення , Т = С.

Підставляючи значення Т і виконуючи інтегрування, отримаємо:

                           (5.12)

В циклі АПВ допоміжні контакти або відокремлювач (див. рис. 5.17) відключаються із запізнюванням  відносно головних контактів. Приймемо, що  = 0,15 с, С = 3 мкФ (l =300 км). Якщо прийняти  = 2Т, то згідно з формулою (5.12) за інтервал  пройде близько 90% залишкового заряду лінії. При цих співвідношеннях  = 25 кОм. Такі величини вже наближаються до значень опорів подільника для вимірювання напруги між розривами вимикача. Таким чином, найбільш небезпечні перенапруги при АПВ можуть бути ефективно обмежені навіть високоомними, а отже малопотужними шунтувальними опорами.

Включення ненавантажених ліній. Перенапруги при включенні ліній досягають небезпечних значень на лініях 330-1150 кВ внаслідок знижених рівнів ізоляції на цих лініях і великих довжин ліній. Тому останніми роками стали приділяти увагу зниженню  при включенні ліній (мається на увазі включення без залишкових зарядів на лінії в циклі АПВ). З цією метою було запропоновано виконувати вимикачі з  двосторонньої дії. У цій конструкції  запобігає виникненню небезпечних перенапруг як при відключенні, так і при включенні ліній. У схемі вимикача (рис. 5.17,а) для цього необхідно, щоб процес включення протікав в такій послідовності: спочатку замикаються допоміжні контакти 2 з , а потім головні контакти 1. У схемі на рис. 5.17,б операція включення повинна відбуватися в такій послідовності: спочатку розмикаються головні контакти, потім замикаються допоміжні контакти 2, після чого знов замикаються контакти 1. В обох схемах при включенні контактів 2 ємності С заряджають через опір . Чим вищий опір , тим нижча  цій комутації. Проте з підвищенням  росте  при замиканні головних контактів 1 і шунтуванні .

Вплив  на перенапруги при включенні лінії ілюструється рис. 5.19, на якому наведені криві, обчислені для повторного включення лінії вимикачами з  і без нього. В обох випадках передбачалося, що напруга, яка залишається на лінії до моменту повторного включення, . Фактично, якщо вимикач забезпечений шунтувальним опором, то  буде суттєво нижча, що додатково знижує перенапругу.

Оптимальні значення , що забезпечують мінімальні перенапруги при включенні лінії, складають 500-1000 Ом при довжинах ліній  відповідно 400-200 км.

 

.

Рисунок 5.19 Криві напруги на лінії довжиною 340 км при її АПВ вимикачем. Напруга, що залишається на лінії до моменту АПВ, прийнята рівною 1: тривалість введення  на включення 4 мс;

1 без ; 2 з  = 400 Ом

Відключення ненавантажених трансформаторів. Шунтувальні опори можуть служити також для обмеження перенапруг при відключенні малих індуктивних струмів. У першому циклі відключення (розрив головних контактів) паралельно шляху проходження струму ізр, що обривається, включений опір . У цьому циклі перенапруга на контактах вимикача не перевищить . В другому циклі відключення роль  полягає в обмеженні струму і згладжуванні коливань при виникненні повторних запалювань. Цій умові відповідає нерівність . Відповідно значення характеристичних опорів трансформаторів  повинно бути декілька десятків кОм.

З викладеного видно, що складно вибрати , який задовольняє всі вимоги. Для обмеження ш.в.н. при к.з. і перенапругах при включенні ліній необхідні низькоомні . Такі ж  запобігають повторним пробоям при відключенні ненавантажених ліній. Для обмеження перенапруг при відключенні малих індуктивних струмів необхідні високоомні . Такі ж  можна використовувати для обмеження перенапруг при АПВ.

Із зростанням номінальної напруги росте число розривів  у вимикачі, і якщо   шунтувальний опір одного розриву, то =. З іншого боку, з ростом номінальної напруги знижується хвильовий опір лінії, збільшується їх довжина і ємність і, відповідно, дещо знижується необхідне значення . Тому значення  має знижуватися пропорційно номінальній напрузі вимикача. Виконання цієї умови приводить до пропорційного зростання потужності опору  з ростом  і неуніфікованому виконанню цих опорів для вимикачів різної номінальної напруги. Тому завод-виробник часто виготовляє вимикачі з незмінним, що приводить до погіршення захисної дії шунтувального опору у вимикачах високої номінальної напруги.

Ефективним засобом поліпшення захисної дії шунтувальних опорів є використання для їх виготовлення матеріалів з нелінійною вольт-амперною характеристикою виду . Шунтування вимикача такими опорами тим ефективніше, чим нижче коефіцієнт вентильності α. Основна складність повязана з конструюванням нелінійних опорів, полягає в необхідності забезпечити для них високу пропускну здатність.