Холостой ход ВЛ

В режиме холостого хода ВЛ подключена с одной стороны к шинам питающей ПС, а с другой стороны к разведенным контактам коммутационного аппарата: разъединителя (аппарат, создающий видимый или надежный разрыв для проведения ремонтных работ) или выключателя (аппарат для отключения токов КЗ и номинальных, то есть рабочих, токов). Емкость коммутационных аппаратов мала, по сравнению с емкостью ВЛ, поэтому при расчетах установившихся режимов ею можно пренебречь. Также можно пренебречь «сопротивлением системы» – индуктивным сопротивлением обмоток трансформаторов или автотрансформаторов, питающих распределительное устройство (РУ), от которого отходит ВЛ. Таким образом, источник в режиме ХХ подключен непосредственно к ВЛ.

Параметры элементов схемы замещения ВЛ необходимо рассчитать исходя из ее длины, для чего в справочнике «Электрическая часть электростанций и подстанций» под редакцией Неклепаева Б.Н. найти погонные параметры своей линии (индуктивное сопротивление, емкостную проводимость и активное сопротивление).

2. Режим КЗ

В режиме КЗ конец ВЛ необходимо подключить к резистивному сопротивлению, величиной 0,3 Ом, этот элемент моделирует заземляющее устройство подстанции (ПС). Индуктивным сопротивлением системы при рассмотрении процессов, связанных с протеканием больших по величине токов, нельзя. Оно может быть приближенно рассчитано исходя из тока трехфазного КЗ на шинах питающей ПС (по закону Ома). Сравнить полученный ток с данными из таблицы.

Теоретические основы 4

1. Г-образная схема замещения

Г-образная схема замещения представлена на рисунке. Схема позволяет максимально учесть влияние на переходный процесс емкости ВЛ (так как холостой ход характеризуется малыми, зарядными, токами и бесконечным сопротивлением нагрузки, то превалирует влияние электрического, а не магнитного, поля, отражением которого в схеме является емкость)

2. Понятие о кратности перенапряжений

Интуитивно ясно, что напряжение в любой точке сети не может быть все время равно номинальному. Существуют допустимые отклонения. Напряжение в сети повышается, когда энергия, поступающая в сеть, начинает превосходить потребляемую конечным потребителем. В этом случае часть энергии запасается сетью, что и вызывает подъем напряжения. Это происходит ночью, когда потребители отключают свои установки, в сетях с малым количеством потребителей и в аварийных режимах, например, когда в результате аварии отключаются потребители.

Также напряжение может и понижаться, если сопротивление нагрузки мало. Это явление можно часто увидеть в городских условиях, когда при включении мощных устройств изменяется яркость ламп. Пределом данной ситуации является короткое замыкание, которое характеризуется большими по величине токами и критическим падением напряжения (до потенциала на заземляющем устройстве при стекании с него тока КЗ) в точке КЗ и близлежащей сети.

Первое явление опасно для высоковольтного оборудования, основную стоимость которого составляет стоимость изоляции, так как повышение напряжения может привести к ее перекрытию. Второе - для сетей потребителей, в котором под действием больших токов могут быть повреждены или расплавится токоведущие части, вносящие наибольший вклад в стоимость оборудования.

Нас будут интересовать высоковольтные устройства. Согласно ГОСТ для каждого класса напряжения установлено значение наибольшего рабочего напряжения U_нр, которое превышает номинальное на величину коэффициента запаса k (смотри таблицу).

Uном, кВ	Uнр, кВ	k, %

Напомним, что в энергетике, все номинальные значения соответствуют линейным напряжениям, т.е. напряжению между фазами. Фазное напряжение, воздействующее на изоляцию аппаратов, в раз меньше.

Перенапряжение – превышение мгновенным напряжением сети величины наибольшего рабочего напряжения сети.

Для высоковольтных устройств речь идет о превышении наибольшего рабочего фазного напряжения, так как аппараты выполняются в однофазном исполнении, то есть напряжение каждой фазы действует на одну изоляционную конструкцию. Например, трансформатор тока 110 кВ представляет собой три трансформатора тока – по одному на каждую фазу.

Таким образом, для сетей выше 35 кВ можно говорить о том, что наибольшее рабочее напряжение равно наибольшему фазному напряжению и может быть рассчитано по формуле:

Для сети 110 кВ:

кВ

Кратность перенапряжения в случае коммутационных и грозовых перенапряжений (импульсных воздействий) равна отношению амплитуды воздействия к допустимому напряжению, в нашем случае, к амплитуде наибольшего рабочего напряжения:

Например, если амплитуда грозового перенапряжения составила 190 кВ, то кратность перенапряжения равна:

Включение ВЛ

При включении ВЛ с нулевыми начальными условиями (напряжение на ВЛ до включения равно нулю), происходит заряд емкости ВЛ. При этом собственная частота ВЛ (схемы замещения ВЛ) не совпадает с частотой напряжения источника. В результате, напряжение в конце ВЛ, представляет собой сумму двух компонент, одна из которых описывает свободные колебания (собственная частота ВЛ), а другая вынужденные (напряжение сети с частотой 50 Гц). Естественно, что одновременное воздействие двух компонент (сумма двух синусоид напряжения) приводит к появлению перенапряжений.

Любое неравенство напряжений подключаемых друг к другу участков сети приводит к переходному процессу, в результате которого, напряжения сравниваются. Таким образом, чем больше различие между напряжениями, тем длительнее и более выраженно проходит этот процесс. Это объясняется тем, что разница напряжений ∆ U вызывает соответствующих ток ∆ I, который по мере уменьшения ∆ U также снижается. Чем больше ∆ U, тем больше величина тока переходного процесса.

Наибольшие перенапряжения при этом появляются в начале процесса. Этот промежуток мал, по сравнению с периодом вынужденных колебаний источника напряжения (0,02 с для 50 Гц). Поэтому для оценки перенапряжений возможно использовать приближение о квазистационарности режима, то есть принять, что вместо синусоидального напряжения источника, на ВЛ воздействует источник постоянного напряжения величиной, равной напряжению синусоидального источника в момент коммутации. Правомерность такого приближения Вы оцените в работе.

Активное сопротивление проводов описывает потери энергии на нагрев проводов (отвод энергии из схемы). Если вынужденная компонента напряжения постоянно поддерживается энергией от сети, то свободная компонента начинает затухать. Таким образом, активное сопротивление приводит к уменьшению длительности переходного процесса, и, соответственно, уменьшению времени воздействия на изоляцию перенапряжений. Но для оценки максимальной кратности перенапряжений это не важно, так как до момента их появления потери на активном сопротивлении еще не являются существенными.

С точки зрения проектирования наиболее интересна именно максимальная кратность перенапряжений. Так как

Теоретические основы 5

Как было указано в предыдущих работах, понятие "длинная линия" связано с параметрами воздействия. Прежде всего это фронт воздействующего импульса. Для прямоугольного импульса (прямоугольный скачок) линия длиной в десятки метров будет считаться длинной. Такая ситуация будет иметь место и для импульсов с фронтами от 0,1 мкс до 10 мкс. При скорости распространения волн в воздушной линии, равной скорости света, для линии длиной 300 м при фронте волны 1 мкс напряжение на первых микросекундах будет различным. Аналогично и ток. Соответственно в этом случае линия будет считаться длинной.

Ситуации такого рода возникают при ударах молний (грозовые перенапряжения), при коммутациях в схемах подстанций и различных потребителей (коммутационные перенапряжения), особенно при использовании современных выключателей.

При выполнении предыдущих работ для моделирования линий использовалась П-образная схема замещения. Длинную линию можно моделировать последовательностью таких схем. Поскольку мы рассматриваем линии без потерь, то по результату в конце линии можно будет судить о погрешности моделирования. Для того, чтобы напряжение в конце линии равнялось напряжению в начале, необходимо нагрузить линию на активное сопротивление, равное волновому. Это будет согласованный режим.

Второй способ моделирования линий без потерь заключается в задании волнового сопротивления линии и скорости распространения волн в ней. Для известной длины линии это позволяет определить момент прихода напряжения в конец линии. Такой способ моделирования заключается в перемещении волн с определенной скоростью без изменения их величины. Волновое сопротивление - коэффициент равный соотношению между волной напряжения и волной тока. Оно определяет процессы преломления и отражения волн по концам линии при соответствующей нагрузке. Этому вопросу будет посвящена следующая работа.

Таким образом, для задания параметров линий необходимо иметь информацию о её параметрах: погонной индуктивности и погонной ёмкости. Кроме того необходимо знать волновое сопротивление и скорость распространения, которая для кабельных и некоторых других типов линий будет отличаться от скорости света в вакууме. Скорость распространения волны напряжения определяется диэлектрической и магнитной проницаемостями среды - в которой она распространяется. Для ВЛ – это воздух. Для КЛ – изоляция с диэлектрической проницаемостью большей 1, то есть скорость распространения меньше скорости света. В таблице даны выражения, для определения эти параметры для ВЛ и коаксиальных линий, какими являются КЛ.

Параметр	ВЛ	КЛ ; 2£ e £10
Индуктивность L^*, мкГн/м
Емкость С^*, пФ/м
Волновое сопротивление Z в, Ом

Теоретические основы6

В предыдущей работе были проанализированы различные модели длинных линий и заданы выражения для определения их параметров. Процесс распространения волн в длинных линиях и законы, определяющие их поведение в точках неоднородностей, такие же, как и для других волновых процессов, которые знакомы из курса физики.

В местах включения сосредоточенной нагрузки волны напряжения и тока претерпевают отражение по различным законам. Наиболее характерными видами нагрузок являются короткое замыкание, когда сопротивление составляет единицы Ом, холостой ход - ненагруженная линия, согласованная нагрузка, когда линия нагружена на сопротивление, равное волновому (Z _В), а также различные промежуточные ситуации. Причем, если при отсутствии нагрузки напряжение в конце линии удваивается, т.к. волна напряжения отражается с тем же знаком, то ток будет равен нулю, волна тока отражается с противоположным знаком. При коротком замыкании ситуация обратная: волна напряжения отражается с обратным знаком, напряжение в конце линии близко нулевому, зато волна тока отражается с тем же знаком, т.е. ток в конце линии удваивается. При включении на согласованную нагрузку отражение отсутствует, напряжение и ток равны соответствующим значениям падающих волн.

При переходе от одной линии к другой, например от воздушной к кабельной, и наоборот, волны будут преломляться и отражаться, также по аналогичным законам. Причем в роли нагрузки выступает следующая линия, характеризующаяся своим волновым сопротивлением. Соответственно при переходе то воздушной линии к кабельной преломленная волна напряжения будет уменьшаться, т.к. отражение будет происходить с обратным знаком. Напряжение в месте сопряжения линий будет равно отраженной волне, т.е. будет ниже падающей. Волна тока, прошедшая в кабельную линию будет возрастать, т.к. отражение будет происходить с тем же знаком. При переходе волны с кабельной линии в воздушную имеем обратную картину. Такие ситуации характерны при развитии перенапряжений на ошиновке подстанций, в длинных линиях, в испытательных комплексах, в электрофизических устройствах. Кроме того в длинных линиях необходимо учитывать отражения волн с обоих концов. Только при достаточно большой длине линии, когда отражение от ее конца в рассматриваемый промежуток времени не успевает повлиять на напряжение в ее начале, можно это отражение не учитывать. такие линии объявляются полубесконечными.

Разумеется на практике ситуации гораздо сложнее, поскольку в реальных линиях имеются потери, но настоящая работа позволяет проанализировать основные закономерности построения схем с длинными линиями и развития перенапряжений в них.

Теоретические основы 7

В энергосистеме помимо номинального рабочего режима имеют место различные перенапряжения. Некоторые из них вызываются действиями, производимыми операторами, в первую очередь коммутациями, т.е. включениями и отключениями. Это коммутационные перенапряжения. Существует также перенапряжения, вызываемые внешними воздействиями, например, ударами молний. Это внешние или грозовые перенапряжения. Эти перенапряжения наиболее опасны для всего высоковольтного оборудования и линий электропередачи.

Для снижения перенапряжений для безопасного уровня применяются защитные аппараты, в первую очередь нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН). Принцип действия ОПН заключается в использовании специальных материалов - оксидов цинка, которые при увеличении тока, проходящего через них, снижают свое сопротивление. Если в обычных ситуациях напряжение линейно зависит от тока: , то в ограничителях мы имеем дело с нелинейными зависимостями: . Эти зависимости называются вольт-амперными характеристиками (ВАХ).

На всех электростанциях и подстанциях (распределительных устройствах - РУ) используются ОПН, которые прежде всего служат для защиты наиболее дорогостоящего оборудования - силовых трансформаторов. Упрощенная расчетная схема подстанции изображена на рис. 1. Здесь все оборудование моделируется входными емкостями на землю, которые заменяют силовые трансформаторы, измерительные трансформаторы, выключатели и пр. оборудование. Это оборудование соединено отрезками воздушных линий, далее мы называем это ошиновкой. Таким образом схема любого распределительного устройства состоит из емкостей, соединенных отрезками линий. При ударах молнии в ВЛ, приходящую на подстанцию, появляется волна тока и соответственно волна напряжения. В расчетной схеме вместо ВЛ включено активное сопротивление, равное ее волновому сопротивлению. Воздействие - источник импульса с заданным фронтом (для упрощения спад импульса не учитываем, т.к., как правило, длина волны более чем на порядок больше фронта). Для того, чтобы адекватно отображать набегающую волну напряжения, необходимо в источнике задавать ее удвоенную амплитуду (это правило эквивалентного генератора).

Обычно импульсы молнии оцениваются по амплитуде тока. На практике используется термин "ток молнии". Амплитуда тока молнии в природе изменяется в пределах 0,5...250 кА. Если пересчитать это на параметры набегающих волн напряжения (через волновое сопротивление линии), получим величины от нескольких сотен кВ до десятков МВ. Но, конечно, молнии с большими токами встречаются гораздо реже.

Высоковольтные аппараты при изготовлении рассчитываются на определенные допустимые значения грозовых импульсов - U _Д, однако без помощи защитных аппаратов в таких ситуациях не обойтись. В настоящей работе нужно будет проанализировать перенапряжения на силовом трансформаторе - емкости С₃, при отсутствии и при наличии ОПН.

Теоретические основы 8

Однопроводная ВЛ является упрощением, дающим возможность понять основные процессы, происходящие при передаче электроэнергии. В реальных энергосистемах используются многопроводные линии электропередачи.

Трехфазные системы переменного напряжения частотой 50 и 60 Гц используют, соответственно, линии с тремя фазными проводниками. Системы постоянного тока могут быть одно- и двух- полюсными, с нулевым проводом (проводами) или без них (встречается редко).

Рассмотрим системы переменного напряжения. Во-первых, они являются наиболее распространенными в мире, а во-вторых, в отличие от систем постоянного тока они являются источником и передатчиком реактивной мощности.

На ВЛ напряжением 110 и 220 кВ, как правило, применяется нерасщепленный фазный проводник. На ВЛ 330 кВ и выше, фазный проводник имеет несколько составляющих (расщепленный). Чем выше класс напряжения, тем на большее число проводов расщеплена фаза. Это связано с ограничением потерь на коронный разряд и ограничением радиопомех. Кроме того, расщепление фазы увеличивает натуральную мощность ВЛ (пропускную способность).

ВЛ, с конструктивной точки зрения, могут иметь разное количество цепей. Одна цепь – три фазных проводника (то есть полная система, идущая от подстанции до подстанции, которую нельзя разделить). Если ВЛ многоцепная, то на опоре, соответственно, размещается несколько цепей. Например, в случае двухцепной ВЛ, на опоре размещены 6 фазных проводников.

Заметим, что с точки зрения диспетчерского управления (а не конструктивной, описанной выше) каждая цепь – отдельная ВЛ, имеющая свое наименование и номер. Соответственно, на электрической схеме энергосистемы, каждая цепь показывается отдельно. Таким образом, существует некоторое различие в трактовке понятия «воздушная линия».

На ВЛ классом напряжения 110 кВ и выше, как правило, для защиты от прямых ударов молнии в фазный провод, применяются грозозащитные тросы, которые крепятся на тросостойках в верхней части опоры и периодически заземляются путем соединения с металлическими частями опоры.

На ВЛ встречается 2 вида опор: специальные и промежуточные. Специальные опоры: анкерные-угловые (повороты ВЛ), транспозиционные (опоры, на которых все фазные проводники изменяют свое положение, например, верхний становится нижним, средний – верхним, а нижний – средним т.п.), переходные (повышенной высоты для перехода рек, ущелий и т.п.), анкерные (переходы через ж.д., другие ВЛ и т.п.)

С точки зрения конструктивного исполнения промежуточные опоры ВЛ бывают: железобетонными, башенными, многогранными, композитными, портальными, V-образными, Y-образными и т.п.

Рассмотрим электрические параметры ВЛ. На ВЛ имеются следующие проводники: фазные провода, грозозащитный трос, грунт. Ток течет по проводам к потребителю, а обратно через землю и грозозащитный трос. Активное погонное сопротивление каждого из них определяется поперечным сечением и проводимостью. У грунта проводимость значительно хуже, однако площадь поперечного сечения, по которой протекает ток, значительно больше.

Погонная емкость и индуктивность каждого фазного проводника определяется, соответственно, их параметрами и положением относительно грунта и троса (собственные индуктивность и емкость) и положением относительно других фазных проводников, имеющих заряд и ток (взаимные емкость и индуктивность). Через взаимные емкости заряд на одних фазных проводниках влияет на заряд на других.

В стандартных конструкциях ВЛ фазные проводники расположены на разных высотах относительно грунта, таким образом, собственная емкость проводников оказывается не одинаковой. Также различны и взаимные емкости. При вертикальном расположении проводников на опоре емкость на землю будет большей у нижнего.

Различие в параметрах фазных проводников влияют на симметричность напряжения на конце ВЛ. То есть симметричная система напряжений вначале ВЛ на конце ВЛ создает несимметричную систему. Чтобы этого избежать на ВЛ периодически делают транспозицию проводов, то есть при сохранении конструкций промежуточных опор на разных участках ВЛ размещают фазные проводники по-разному. Эта мера усредняет емкости фазных проводников.

Увеличение количества цепей и применение грозозащитных тросов приводит к увеличению емкости фазного проводника.

Дата добавления: 2015-11-26