3 Внутрішні перенапруги та їх обмеження

Із зростанням номінальної напруги і дальності електропередач, а також у зв'язку з успіхами в обмеженні атмосферних перенапруг внутрішні перенапруги починають грати все більшу роль у встановленні рівнів ізоляції електричних установок. Проведені останніми роками рядом організацій в Україні і за кордоном докладні дослідження внутрішніх перенапруг різного виду дозволили виявити основні комутаційні і аварійні режими, що супроводжуються появою перенапруг. Досліджені перенапруги можна розбити на такі дві основні групи:

1. Комутаційні перенапруги, істотно пов'язані з перехідним процесом, що виникає в результаті «комутації», розуміючи під цим терміном будь-яке включення або відключення в електричній системі, викликане роботою вимикачів, короткозамикачів, запобіжників (комутаційної апаратури), а також при дугових замиканнях на землю;

2. Резонансні перенапруги, істотно пов'язані зі сталими резонансними коливаннями в системі, в симетричній або несиметричній її схемі.

У свою чергу, кожна з цих груп складається з різних видів перенапруг, класифікація і найменування яких необхідні для подальшого викладу. До групи «комутаційні перенапруги» відносять:

1) перенапруги при відключенні ємнісного навантаження ненавантажених довгих ліній і конденсаторних батарей;

2) перенапруги при включенні довгих ліній, зокрема при автоматичних повторних включеннях;

3) перенапруги при відключенні малих індуктивних струмів, зокрема при відключенні ненавантажених трансформаторів, асинхронних двигунів і реакторів. Перенапруги при включеннях і відключеннях можуть розвиватися як у симетричному режимі роботи системи, так і при несиметричних коротких замиканнях; в останньому випадку перенапруги, зазвичай, вищі;

4) перенапруги при дуговому замиканні на землю і нестійкому характері дуги в мережах з ізольованою і компенсованою нейтралями.

До групи «резонансні перенапруги» відносять:

1) резонансні перенапруги на робочій частоті, що виникають в дальніх електропередачах при симетричних і несиметричних режимах;

2) перенапруги внаслідок самозбудження обертових машин, що працюють в симетричному режимі;

3) перенапруги на вищих гармоніках в несиметричних режимах;

4) ферорезонансні перенапруги на вищих або нижчих гармоніках, обумовлені нелінійними параметрами ланцюгів із сталлю.

Наведена класифікація має умовний характер, тому що у ряді випадків, цілком реальних для електричної системи, можуть виникати перенапруги, що належать до різних груп. Так, наприклад, на резонансні перенапруги можуть накладатися перенапруги, пов'язані з перехідним процесом при комутації. Зазвичай таке накладання веде до появи найвищих за амплітудою перенапруг.

Більшість видів перенапруг має певну кратність відносно робочої напруги мережі. У системах можуть відбуватися короткочасні підвищення напруги, обумовлені скиданням навантаження, форсуванням збудження і розгоном генераторів, ємнісним ефектом довгих ліній. Важко провести чітку кількісну межу між перенапругою і підвищенням напруги, наприклад, при скиданнях навантаження. Якісно до підвищень напруги відносять такі перевищення над нормальним рівнем, які безпечні для ізоляції. Проте при накладенні на ці підвищення напруги комутаційних або резонансних процесів кратності перенапруг істотно підвищуються. Підвищення напруги впливає на вибір розрядників, призначених для обмеження комутаційних перенапруг.

Велике значення має питання про ймовірність появи тих або інших перенапруг. Ця ймовірність пов'язана, по-перше, зі статичним характером деяких процесів, наприклад, гасінням дуги у вимикачах, а по-друге, з імовірністю тих або інших перехідних процесів в системі. Завжди можна знайти такі поєднання перехідних процесів, які дають перенапруги дуже високої кратності. Проте таке поєднання малоймовірне, тому його, зазвичай, не враховують, вважаючи, що в цьому випадку можна допустити перекриття ізоляції (зовнішньої) або спрацювання розрядника з його можливим руйнуванням. В той же час і в цих малоймовірних випадках повинна бути усунута можливість пошкодження внутрішньої ізоляції машин і апаратів. Але не будь-яке накладення перехідних процесів ймовірне. Слід реально зважати на такі процеси, які викликаються однією причиною, або які є наслідком один одного. Саме на такі процеси і слід орієнтуватися при оцінюванні максимальної кратності внутрішніх перенапруг і вибиранні засобів їх обмеження. Експлуатаційний досвід підказує ці режими і ймовірність їх виникнення.

В процесі викладання матеріалу приділяється увага напрузі, що відновлюється на контактах вимикачів. Хоча ця напруга і не є перенапругою у власному сенсі цього слова, вони об'єднані як в реально протікаючому процесі, так і методикою експериментальних і аналітичних досліджень.

3.1 Аналітичні методи дослідження перенапруг

3.1.1 Системи відносних одиниць при розрахунках перенапруг в електричних системах

В розрахунках внутрішніх перенапруг, як правило, за одиницю часу береться «синхронна секунда», рівна 1/314 с.

«Синхронний час» позначається через , причому

,

де  – кругова синхронна частота, с^-1;

t – момент часу, с.

У відносних одиницях часу кругова синхронна частота . Будь-яка інша частота у відносних одиницях рівна

.

За базисну напругу  приймається максимальна фазна напруга мережі . Тому напруга, зокрема перенапруга, у відносних одиницях рівна

,

тобто, визначають кратності відносно фазної напруги; саме ця кратність і цікавить нас в розрахунках перенапруг.

Зазвичай, другою базисною електричною величиною вибирається або хвильовий опір лінії z, або номінальний струм трансформатора І_н.тр, який входить в розрахункову схему. Решта базисних електричних величин визначається з двох вибраних величин згідно з табл. 3.1.

Таблиця 3.1 – Визначення базисних електричних величин

де  Р_нат.л. – натуральна потужність (capacity, power) лінії;

Р_ном.тр. – потужність трифазного трансформатора).

У розрахунки перехідних процесів входять індуктивності L і ємності С. Оскільки в системі відносних одиниць синхронна частота , то  і , тобто, кількісне значення індуктивного опору та індуктивності, як і ємнісної провідності і ємності, збігаються.

За базисну величину потокозчеплення приймається значення  при фазній напрузі синхронної частоти на індуктивності

.

Тоді в системі відносних одиниць напруга робочої частоти буде кількісно рівна потокозчепленню . На частоті

.

Довжини ліній l (км) під час розрахунків виражаються в радіанах, тобто в розрахунки входить електрична довжина лінії:

,

де  – швидкість розповсюдження електромагнітної хвилі.

У розрахунках внутрішніх перенапруг зазвичай використовують кругову частоту . Проте в деяких режимах, наприклад, при скиданні навантаження, швидкість обертання (rotation(al) rate) роторів генераторів, особливо гідрогенераторів, може істотно зрости. Це призводить до підвищення напруги і частоти. У таких випадках за базисну частоту слід приймати не , а дійсну частоту  джерела. На цій частоті кількісно зростають х і b елементів мережі, а також зростає електрична довжина ліній.

У всіх подальших розрахунках, за деяким винятком, використовуються відносні одиниці. Для спрощення запису знак зірочки на величинах, виражених у відносних одиницях, буде опущений. Таким чином, приймається