5 Комутаційні перенапруги в електричних системах

5.7 Перенапруги при відключенні ненавантажених трансформаторів та реакторів

Відключення індуктивних навантажень – ненавантаженого трансформатора чи реактора – веде до появи на них і на вимикачі перенапруг, пов’язаних з обривом (чи «зрізом») вимикачем індуктивного струму до його природного переходу через нульове значення. Магнітна енергія, що при цьому вивільняється в індуктивності, переходить в електричну енергію ємності, що підключається паралельно індуктивності; з цією енергією і пов’язане виникнення перенапруги на ємності. Зріз струму зумовлений інтенсивною деіонізацією проміжку в вимикачі, у результаті якої різко падає провідність дуги ще до переходу струму через нульове значення. Пониження провідності призводить до зниження потужності, що надходить в дугу, і її тепловий баланс порушується. Паралельно дуговому проміжку завжди є якась ємність; падіння напруги дуги призводить до переходу струму в ємнісну провідність, внаслідок чого струм в дузі ще більше падає, дуга отримує нестійкий характер і гасне, якщо тільки напруга, яка відновлюється, не виявиться достатньою для повторного запалення.

Механізм утворення перенапруг можна прослідкувати за схемою на рис. 5.12,а. В цій схемі трансформатор в режимі холостого ходу представлений еквівалентною схемою  де  – індуктивність намагнічування трансформатора, С – ємність обмотки, яка відключається,  – провідність, еквівалентна втратам в міді і сталі.

Рисунок 5.12 – Схема для розрахунку перенапруг, що виникають при зрізі малого індуктивного струму на контактах вимикача (а), і параметри зрізу  та (б)

Власна частота коливань  потужних трансформаторів порядку сотень герц; декремент загасання коливань буде рівним приблизно 0,1; характеристичний опір  коливатиметься в межах десятків кілоом.

Зріз струму вимикачем звичайно відбувається на спадній частині кривої індуктивного струму  так, як це показано на рис. 5.12. В момент комутації початковий струм в індуктивності , а початкова напруга на ємності буде рівною . Після обриву струму виникають коливання, в ході яких напруга на трансформаторі виражається формулою:

.                (5.8)

Максимальна напруга на трансформаторі буде рівною (втратами нехтуємо):

,                          (5.9)

причому звичайно перший член під коренем значно перевищує другий. Звідси випливає, що перенапруги приблизно пропорційні струму зрізу і_зр, а також характеристичному опору кола . Для кожного типу вимикача можна приблизно вказати максимальний струм зрізу і_зр.

Крива напруги и_тр згідно з формулою (5.8) називається очікуваною напругою; такі напруги можливі, якщо крива відновлюваної ізоляції вимикача и_тр йде вище кривої відновлювальної напруги на вимикачі . При використанні вимикача з подібною характеристикою перенапруги на трансформаторах і вимикачах можуть досягати надзвичайно великих значень. В дійсності стійкість дугового проміжку звичайно обмежує напруга , що призводить до утворення серії повторних запалювань та гасінь дуги, в результаті яких розсіюється енергія, що була накопичена в , та знижуються перенапруги. На рис. 5.13 показана стилізована осцилограма відключення малого індуктивного струму і_зр1, вимикач створив «зріз» та напруга и_в1 наростає у відповідності з кривою очікуваної напруги. Внаслідок невеликого розходження контактів вимикача ізоляція проміжку ще невелика і відбувається повторне запалювання на фронті відновлювальної напруги. Це призводить до високочастотного розряджання ємності С на коло джерела. Внаслідок малого значення індуктивності джерела  це коливання має високу частоту. Коли в процесі коливального розряду накопичена в ємності С енергія в значній мірі розсіється в опорах  та дузі і малий струм в дузі буде, в основному, визначатися е.р.с. джерела, дуга між контактами знову гаситься. Напруга на ємності С та на контактах вимикача знову починає наростати, але вже по кривій з меншою крутизною та меншою очікуваною амплітудою.

Рисунок 5.13 – Стилізована осцилограма напруги та струму у вимикачі при відключенні ненавантаженого трансформатора з рядом (1, 2,..., n) зрізів та повторних запалювань дуги у вимикачі

Процес повторних запалювань та обривів дуги продовжується до тих пір, поки крива напруги, що відновлюється з амплітудою , вже не буде перетинати криву ізоляції проміжку . Як видно з рис. 5.13, чим повільніше наростає остання крива, тим більше повторних запалювань та гасінь дуги відбувається, тим більше розсіюється енергія, що була накопичена у індуктивності  і тим менша амплітуда перенапруг на ємності С та на контактах вимикача.

Форма кривої напруги на трансформаторі при її відключенні з повторними запалюваннями показана рис. 5.14. Відповідно до зрізів та запалювань дуги у вимикачі крива напруги на трансформаторі набуває пилкоподібну складову відносно низької частоти – порядку сотень або тисяч герц (низькочастотна складова ). При кожному запалюванні дуги, крім того, відбувається високочастотний процес перезаряджання ємності С через малу індуктивність мережі . Частота цих коливань доходить до десятків і сотень кілогерц (високочастотна складова ), і коливання зазвичай важко помітити на осцилограмах. Найбільші перенапруги на трансформаторі виникають при повторному запалюванні дуги в момент максимальної різниці напруг мережі  і на трансформаторі  (момент  на кривій рис. 5.14). Таке повторне запалювання призводить до дій на трансформатор небезпечних зрізаних хвиль ΔU.

Рисунок 5.14 – Стилізована осцилограма напруги на трансформаторі та на шинах при відключенні ненавантаженого трансформатора

На рис. 5.15 наведені криві розподілу перенапруг, отримані в дослідах відключення ненавантаженого трансформатора 110 кВ, 20 МВА повітряним вимикачем з інтенсивним обривом дуги (крива 1) і масляним вимикачем з багатократним запалюванням дугового проміжку (крива 2). Високі перенапруги, що виникають при відключенні повітряним вимикачем, показують, що цей тип повітряного вимикача не забезпечує достатньо «м’якого» гасіння малих індуктивних струмів.

Рисунок 5.15 – Криві розподілу перенапруг при відключенні холостого ходу трансформатора 110 кВ, 20 МВА

До сучасних вимикачів висунуті вимоги не допускати повторних зрізів струму, що призводять до дуже значних комутаційних перенапруг. Зниженню останніх сприяє також використання в сучасних трансформаторах магнітопроводів із холоднокатаної сталі. Такі трансформатори мають малий струм намагнічування ; цей фактор призводить до зменшення накопиченої в трансформаторі магнітної енергії. Звичайно перенапруги при відключенні трансформаторів і реакторів мають кратність 2,0 – 2,5.

Більш високі перенапруги виникають при відключенні трансформатора через малий проміжок часу після включення, коли через вимикач проходить великий струм включення. Через це таку комутацію слід вважати небезпечною для ізоляції трансформатора і не допускати в експлуатації.

Ефективним засобом обмеження перенапруг при відключеннях ненавантажених трансформаторів і реакторів служать блискавкозахисні вентильні розрядники, включені на виводах цих трансформаторів. Пробиваючись, РВ розсіюють енергію, що накопичується на ємності трансформатора С, і обмежують  до величин, безпечних для ізоляції. Пропускна здатність звичайних блискавкозахисних РВ достатня для розсіювання цієї енергії.

При відключенні асинхронних двигунів високої напруги (3 кВ і вище) виникають перенапруги, природа яких така ж, як і при відключенні трансформаторів. При відключенні двигунів, що обертаються з номінальною швидкістю, перенапруги не перевищують . При відключенні загальмованого двигуна перенапруги значно зростають, досягаючи при відключенні повітряним вимикачем 4,5 Такі високі перенапруги пов’язані з різким зростанням індуктивного струму, що споживається загальмованим двигуном. В проміжних випадках, тобто при обертанні двигуна з пониженою швидкістю, перенапруги, очевидно, також будуть мати проміжні значення. Відключення повністю або частково загальмованих двигунів можливі на практиці в результаті перевантаження при відновленні напруги в мережі після відключення короткого замикання.

Приклад 5.3 Розрахувати максимально можливу перенапругу при відключенні на стороні 110 кВ ненавантаженого трансформатора Р = 90 МВА, = 110 кВ, . Ємність обмотки 110 кВ, С = 2000 пФ. Струм зрізу трансформатора  = 10 A_макс.

Індуктивність обмотки буде рівною:

 Гн.

Характеристичний опір:

 Ом.

Амплітуда струму намагнічування:

.

Оскільки знаходиться максимально можлива перенапруга, приймаємо, що зріз відбувається на максимумі струму, тобто i_зр = 6,7 А, = 0, звідки випливає:

 кВ.

Отримане значення  повністю недопустиме для обмотки 110 кВ. Практично величина  буде обмежена пробоями міжконтактного проміжку вимикача і спрацюванням вентильного розрядника на затискачах трансформатора.