ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ В ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ЗАГРАДИТЕЛЯХ

ИНН 5040010981
ОКОНХ 14171, ОКПО 11703970
Р/с 40702810200070000005 в ФКБ ООО
«Газэнергопромбанк» г. Раменское
К/с 30101810800000000732, БИК 044660732
СИСТЕМА КАЧЕСТВА
ИСО 9001
СЕРТИФИЦИРОВАНА
Тел (096-46) 3-66-93
Факс: (096-46) 7-96-79
Код из Москвы 246
Internet: www.ramenergy.ru
E-mail: energy-mark@scorpion.aviel.ru
ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ В
ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ЗАГРАДИТЕЛЯХ
Шляхов С.С., к.т.н., ОАО «РОСЭП», Чирков Г.С., ОАО «РОСЭП»,
Макаров А.П., АО РЭМЗ «Энергия», инженеры.
В последние годы большое внимание уделяется проблеме электромагнитной совместимости (далее ЭМС) электротехнического оборудования с
техногенной средой энергообъектов., от которой в значительной степени зависит
надежность и безопасность электроснабжения.
Электрические аппараты, находясь неограниченно долго под рабочим
напряжением промышленной частоты, должны выдерживать ограниченные во
времени воздействия импульсных перенапряжений.
Вообще говоря, переходные процессы и сопутствующие им перенапряжения
присутствуют в любой электроустановке и являются одним из основных
источников аварий в сетях высокого напряжения. Как правило, они имеют вид
затухающих колебаний, проходят через трансформаторы и автотрансформаторы в
сети других напряжений и распространяются на большие расстояния, электрически
связанных с местом возникновения.
На электрических подстанциях основным источником перенапряжений являются удары молнии, коммутации первичного оборудования и короткие замыкания.
Статистические данные среднегодовой повторяемости переходных
процессов были получены лабораторией Ленинградского политехнического
института в полевых условиях [1].
Автоматическая регистрация производилась на шинах 32-х действующих
подстанций напряжением 110-500 кВ в 8 энергосистемах. Суммарная длительность наблюдений составила 60 лет. Всего было записано 14000 осциллограмм переходных процессов. При этом интенсивность потока перенапряжений
для отдельных подстанций в 3-5 раз отличается от средней.
Последние годы характеризуются интенсивностью работ по исследованию
высокочастотных перенапряжений, которые в ряде случаев являются наиболее
опасными и определяющими при выборе уровня изоляции, например, для
комплектных распределительных устройств с элегазовой изоляцией (КРУЭ).
Большое внимание этим перенапряжениям уделяется в связи с их опасностью для
современных устройств релейной защиты и противоаварийной автоматики,
выполненных на микропроцессорных элементах.
Амплитуда и частота высокочастотных импульсов зависит от ряда факторов: схемы сети, режима работы, нагрузки, параметров установленного оборудования и др.
Резонансными свойствами на высоких частотах обладают как различные
элементы сети, (трансформаторы, реакторы, генераторы), так и совокупность
емкостей и индуктивностей основного оборудования подстанций. В ряде случаев
шины на подстанциях и провода ВЛ должны рассматриваться, как линии с
распределенными параметрами, в которых может возникать множество колебаний
с частотами, кратными или некратными частотам основной гармоники.
Импульсные высокочастотные перенапряжения часто образуются при
эксплуатационных и аварийных коммутациях ненагруженных шин подстанций и
аппаратов с небольшой емкостью на землю (трансформаторов и реакторов).
Вероятность появления таких высокочастотных перенапряжений достаточно
велика. Так по данным полевых исследований лаборатории имени А.А.Горева
ЛПИ в действующих электрических сетях установлено, что среднее годовое число
коммутаций выключателем шунтирующих реакторов равно 300.
При включении реакторов происходит переходной процесс с частотой от 18
до 300 кГц, наложенной на напряжение промышленной частоты.
Наибольшая частота повторяемости и максимальная амплитуда импульсов
высокочастотных перенапряжений возникают при эксплуатационных переключениях разъединителями холостых участков шин высоковольтных подстанций. Каждая такая коммутация может сопровождаться генерацией импульсов с
амплитудой, в несколько раз превышающей номинальное напряжение, и с
частотами от 50 до 1000 кГц [2], которые совпадают с рабочим диапазоном частот
высокочастотных заградителей и представляют для них большую опасность, так
как они не были рассчитаны на такие условия работы.
Высокочастотные заградители (в дальнейшем заградители) применяются при
организации высокочастотных каналов связи по проводам линий электропередачи,
с помощью которых осуществляется передача сигналов диспетчерского управления, релейной защиты и противоаварийной автоматики, обеспечивающих высокую
эффективность производства, передачи и распределения электроэнергии.
Заградители включаются в провода ВЛ и подвергаются непосредственному
воздействию электрических волн, которые могут появляться в электрических
сетях. На некоторых линиях электропередачи, например, напряжением 500 кВ
отказы ныне действующих заградителей носят систематический характер из-за
низкой стойкости к воздействию высоковольтных импульсов.
Суть проблемы заключается в том, что ЭМС заградителей недостаточно
изучена, а их традиционная защита, в частности от перенапряжений, мало
эффективна [2].
Эксплуатационная возможность заградителей в основном определяется
эффективностью устройств защиты от перенапряжений и электрической
прочностью элементов блока настройки.
Основной недостаток вентильных разрядников с искровым промежутком,
используемых ранее в качестве защитных устройств заградителей, заключается в
нестабильности их напряжения пробоя при воздействии волн перенапряжений с
крутым фронтом, возникающих, например, при коммутационных переключениях в
энергосистемах.
Кроме того, разрядники обладают низким значением рабочего тока и
рассчитаны на ограниченное число импульсных токов.
Поэтому ВЭИ совместно с ОАО "РОСЭП" разработали для отечественных
заградителей специальные защитные устройства без искровых промежутков на
базе металлооксидного высоконелинейного ограничителя перенапряжений (в
дальнейшем ОПН).
Защитный уровень импульсного напряжения ОПН мало (в пределах 10 %)
зависит от фронта волны перенапряжения, а эксплуатационный ресурс в десятки
раз превышает ресурс разрядников.
Относительно различных аспектов применения в заградителях новых средств
защиты от крутизны перенапряжений типа ОПН необходимо учитывать
следующие особенности:
1. ОПН обладает собственной емкостью, величина которой составляет от 160
до 250 пФ и зависит от частоты. Включенная на входе заградителя емкость ОПН
оказывает шунтирующее влияние на высокочастотные сигналы канала связи.
2. Защитное устройство по условиям размещения в заградителе устанавливаетя внутри реактора с мощным магнитным полем. Поэтому необходимо
принять меры по снижению вихревых токов промышленной частоты в
металлических выводных электродах ОПН.
ОПН ограничивает амплитуду перенапряжений на входе заградителей.
Однако остается возможность появления перенапряжений на элементах его блока
настройки при переходных процессах в самом заградителе.
Поэтому рассмотрим более подробно электрические процессы в заградителе,
связанные с воздействием на него двух видов высоковольтных перенапряжений:
прямоугольной импульсной волны и периодической последовательности
прямоугольных импульсов чередующейся полярности (биполярных), которые
представляют наибольшую опасность для элементов схемы заградителя.
Заградитель состоит из реактора и подключенных параллельно к нему
защитного устройства от перенапряжений и блока настройки, обеспечивающего
настройку заградителя на рабочую полосу заграждения с помощью параллельных и
последовательных LC контуров, соединенных, в основном, по двух (рис. 1) и трех
контурным схемам полосовых фильтров [3].
Наибольшую сложность в обеспечении необходимой электрической
прочности представляют высокочастотные конденсаторы блока настройки.
Рис. 1 Двухконтурная схема настройки заградителя
Когда со стороны линии электропередачи или шин подстанции на входные
зажимы заградителя (рис.1) поступает волна перенапряжения, то под воздействием
перепада напряжений начинается заряд конденсатора С1, включенного параллельно
реактору L1 и конденсатора С2 в последовательном контуре блока настройки,
состоящего из конденсатора С2, индуктивности L2 и резистора RH.
Рост напряжения на конденсаторе С1 прекращается в момент достижения на
нем значения напряжения равного защитному уровню защитного устройства Рь
подключенного параллельно входу заградителя. Таким образом решается проблема
зашиты от волн перенапряжений конденсатора С1 и реактора L1.
Однако, переходный процесс продолжается в последовательном контуре
схемы блока настройки.
На рис. 2 приведена эквивалентная схема заградителя для дальнейшего
анализа переходного процесса, где е - э.д.с. источника импульсных волн.
Сначала рассмотрим более простой случай воздействия на заградитель
фронта волны прямоугольной формы большой длительности. До этого момента
токи заряда и напряжения на конденсаторе С2 малы так как в последовательном
контуре включено достаточно большое активное сопротивление RH. Поэтому для
удобства анализа принимаем нулевые начальные условия. Перепад напряжения Е
импульсной волны приравниваем значению защитного уровня ОПН.
Сопротивление ОПН составляет единицы Ом и шунтирует включенные
параллельно к нему сопротивления ВЛ и электрической подстанции, а так же
реактора L] и конденсатора d. Поэтому при дальнейшем анализе можно не
считаться с влиянием этих элементов на переходный процесс.
Рис. 2 Эквивалентная схема заградителя
Тогда напряжение на реактивных элементах Ci, \^i эквивалентной схемы
можно определить исходя из формул для расчетов переходных процессов в
цепи последовательного RLC контура. В случае прямоугольной волны имеем:
где обозначено:
- коэффициент
затухания,
, - собственная частота контура.
Из этих выражений видно, что в схеме на рис. 2 возникают
свободные колебания, характеризующиеся следующими основными
параметрами:
- период,
- добротность,
- постоянная времени, соответствует времени, на
протяжении
которого амплитуда колебаний убывает в е раз.
Из анализа выражения (1) следует, что изменение функции напряжения
Uc на конденсаторе С2 имеет апериодический при а < o k , либо
колебательный характер при а > cok относительно постоянной слагаемой Е,
равной по значению напряжения защитного уровня ОПН (рис. 3). Таким
образом, значение U c в отдельные интервалы времени превышает значение
защитного уровня ОПН. При этом в высокодобротной схеме наибольший из
максимумов напряжения, называемый выбросом, может по величине
приблизиться к удвоенному значению Е.
Рис. 3 Колебательный характер изменения напряжения на конденсаторе С 2
при переходном процессе.
Следовательно,
при
воздействии
на
заградитель
волны
перенапряжения с крутым фронтом максимальное напряжение на
конденсаторе C1 может до 2 раз превысить защитный уровень защитного
устройства.
Принимая во внимание, что у заградителей, как правило
выполняется условие — « 1, выражение (1) можно упростить. *>Р
В результате получаем окончательно:
(2)
Рис. 4 Изменение напряжения на конденсаторе С2 при воздействии импульса
длительностью т0 в схеме рис. 2
На основании выражения (2) удобно рассмотреть зависимость напряжения
на конденсаторе Ci при воздействии прямоугольных импульсов перенапряжений
различной длительности т0 с учетом влияния заднего фронта импульса.
Когда постоянная времени т мала по сравнению с длительностью импульса
т0, т. е. TO > т и o)k > а, то возникают затухающие колебания при каждом перепаде
напряжения на переднем и заднем фронтах импульса (рис.4). Выбросы
отсутствуют при а > cot. Процесс установления колебаний происходит тем
медленнее, чем выше добротность схемы.
Если т0 = х, то при t > т0 имеет место наложения свободных колебаний,
возникающих на переднем и заднем фронтах импульса.
Максимальное возрастание амплитуды суммарных колебаний происходит
при длительности импульса равной половине периода свободного колебания
,которое равно:
При дальнейшем сокращении длительности импульса
колебаний будет убывать.
амплитуда
Важно отметить, что у импульсов чередующейся полярности перепад
напряжения составляет 2Е и при воздействии на заградитель таких импульсов
происходит соответственно увеличение значения выброса амплитуды перенапряжения на элементах С2 и L2 при переходном процессе.
Когда на заградитель воздействует периодическая последовательность одно
либо биполярных импульсов высокочастотных перенапряжений, то защитное
устройство F ограничивает их амплитуду до уровня остающегося напряжения на
ОПН. Таким образом, на входе блока настройки образуется последовательность
одно либо двуполярных импульсов по форме близких к прямоугольным.
В этом случае определение напряжений на конденсаторе С2 двухконтурной
схемы заградителя при переходном процессе можно осуществить методом
разложения частотного спектра периодического сигнала прямоугольной формы в
гармонический ряд Фурье.
Периодическая последовательность биполярных прямоугольных импульсов
одинаковой длительности (рис.5) довольно часто встречается в практике и может
быть представлена в следующем виде:
Из последнего выражения следует, что представленная на рис. 5 импульсная
последовательность содержит лишь нечетные гармоники, а амплитуда гармоник
убывает по закону:
где п - номер гармоники, a k = 1, 2, 3...
При этом амплитуда основной синусоиды превышает ординату и составляет
1.27Е. Амплитуда высших гармоник сравнительно быстро убывает: величина
амплитуд третей гармоники составляет 33%, а пятой - 20% от амплитуды основной гармоники.
На рис. 6. показаны амплитуды первых двух гармоник.
Из анализа выражения для периодической последовательности биполярных
прямоугольных импульсов и графического построения основной и третьей гармоники вытекает, что гармоники низших порядков, в основном, формируют значение амплитуд импульса, а гармоники высших порядков играют основную роль в
образовании крутизны импульсов на фронтах. Тогда отдельно взятая первая
гармоника в достаточной мере дает представление о выбросе напряжения при
переходном процессе от воздействия рассматриваемой функции.
Рис. 5. Последовательность знакопеременных прямоугольных импульсов
одинаковой длительности
Рис. 6. Графики первой (а) и суммы первых двух гармоник (б) прямоугольного
импульса
Следовательно, дальнейший анализ можно проводить исходя из воздействия на контур RLC переменного синусоидального напряжения основной
гармоники с неизменной амплитудой равной 1.27Е.
В случае, когда частота этого напряжения совпадает с ч астотой
собственных колебаний контура, функция огибающей амплитуды колебаний
напряжения на конденсаторе С2 будет изменяется по закону:
Следовательно, амплитуда колебаний на конденсаторе при резонансе не
сразу достигает своих больших значений; она возрастает по показательному закону
от нуля до предельных значений в установившемся режиме. По большей части это
происходит после многих периодов (рис. 7).
Процесс установления колебаний считают закончившимся, если огибающая
колебаний отличается от ее установившегося значения не более чем на 5%. Для
этого необходимо время
; согласно которому
соответственно
Время установления колебаний тем больше, чем выше добротность схемы. В
установившемся режиме величина амплитуды напряжения на конденсаторе С2
будет максимальна. Она равна:
(3)
Такое значение амплитуды напряжения будет и на индуктивности L2.
Начиная с момента прекращения действия синусоидального напряжения,
происходит убывание амплитуды напряжения на конденсаторе по закону e~at.
Если частоты вынужденных и собственных колебаний контура мало
отличаются друг от друга, то огибающая амплитуды колебаний напряжений на
конденсаторе €2 нарастает не монотонно, а с пульсациями. Частота пульсаций,
называемых биениями, равна разности этих двух частот. Так как собственные
колебания со временем затухают, то биения постепенно уменьшаются и
полностью исчезают. При этом максимальная амплитуда в первом периоде
биений может в 2 раза превосходить установившиеся значения.
Практически значение добротности в последовательном RLC контуре блока
настройки заградителя может достигать 5. Тогда на основании вышесказанного,
выброс амплитуды напряжения на конденсаторе Ci при переходном процессе в
случае резонанса может превышать защитный уровень ОПН в 6,35 раза.
В качестве иллюстрации на рис. 7 приведены зависимости изменения
напряжения на конденсаторе С2 и резисторе RH блока настройки двухконтурной
схемы заградителя с индуктивностью реактора 0,5 мГн, заграждающим
сопротивлением 500 Ом в рабочей полосе частот от 32 до 40 кГц и добротностью
контура равной 4., Они были получены методом математического моделирования
на компьютере при воздействии периодической последовательности прямоугольных биполярных импульсов с частотой равной резонансной частоте контура.
Из рассмотренных кривых видно, что максимальное напряжение на
конденсаторе d в 5 раз превышает значение амплитуды импульса на входе блока
настройки равной защитному уровню ОПН, (рис. 1). Таким образом
подтверждается опасность появления на элементах последовательного контура
блока настройки перенапряжений, значительно превышающих напряжения на
конденсаторе С\ и реакторе Lb включенных на входе заградителя.
Рис. 7 Зависимость напряжений на элементах Сг и RH блока настройки
заградителя (рис. 1):
1 - напряжение на Сг, 2- напряжение на RH; 3 - напряжение на входе блока
настройки.
Это обстоятельство обусловливает необходимость повышения требований к уровню
изоляции и электрической прочности элементов блока настройки заградителя,
исходя из максимально возможных значений напряжений на них в условиях
переходных процессов, а не по напряжению срабатывания защитного устройства
как это было принято в ранее разработанных заградителях.
Нахождение точного аналитического выражения для определения напряжений на элементах схемы заградителя в трехконтурной схеме настройки при
воздействии сложных периодических сигналов становится чрезмерно
трудоёмким. Поэтому для анализа перенапряжений на конденсаторах
трехконтурной схемы были использованы математические методы моделирования
переходных процессов, которые позволяют достаточной точностью произвести
серию однотипных импульсов и определить результаты их воздействия на
различные элементы схемы. Результаты расчетов затем были подтверждены
измерениями на макетах электрических схем заградителей.
Таким образом, установлено, что в условиях возникновения резонанса максимальная амплитуда напряжений на реактивных элементах блока настройки
трехконтурной схемы настройки может быть существенно больше (до 1,5), чем в
двухконтурной схеме широко используемой в зарубежных конструкциях
заградителей.
Заградители должны стабильно работать в течение всего срока службы на
открытом воздухе в условиях наружной установки, так как их контроль, ремонт и
эксплуатация затруднены необходимостью отключений ВЛ.
Важными составными частями заградителя являются конденсаторы и
резисторы блока настройки. Они должны обеспечивать: постоянное значения
емкости и сопротивления после воздействия перенапряжений; высокую стабильность при климатических воздействиях и в течение срока службы; высокие
требования по электрической прочности при перенапряжениях; необходимую
реактивную мощность на частоте до 1 МГц и необходимую наработку для
обеспечения надежности изделий в течение всего срока службы.
Поэтому ранее применяемые в отечественных заградителях низкочастотные
конденсаторы типа К75 с недостаточной температурной стабильностью, а так же
объёмные резисторы типа ТВО, у которых изменение номинального значения их
сопротивления в пределах рабочих температур достигает 12 %, а в течение срока
службы 30%, не могут обеспечить эксплуатационную надежность заградителя
вследствие расстройки колебательных контуров заградителя и изменения его
заграждающего сопротивления.
В настоящее время в электрических сетях Российской Федерации и странах
СНГ находится в эксплуатации несколько десятков тысяч высокочастотных
заградителей, 90 % из которых физически и морально устарели и требуется их
срочная замена.
Исходя из вышеизложенного, Раменским заводом «Энергия» совместно
с ОАО «РОСЭП» и ВЭИ освоено промышленное производство элементов
настройки нового поколения типов ЭНЗ-600-0,25; ЭНЗ-630-0,5; ЭНЗ-1250-0,5;
ЭНЗ-2000-0,5 для заградителей на рабочие токи соответственно 600, 630,
1250, и 2000 А, в которых повышена электрическая прочность и уровень
изоляции, применены О1Ш и высокочастотные конденсаторы с повышенной
стабильностью. Они соответствуют требованиям стандарта МЭК (публикация
№ 353), успешно прошли испытания в НИЦ ВВА «Бескудниково», приняты
межведомственной комиссией под представительством ОАО РАО «ЕЭС
России » и являются конкурентоспособными с зарубежными аналогами.
В настоящее время ведётся разработка новых блоков настройки для
заградителей на рабочий ток 2000А с индуктивностью 1 мГн.
Основные технические данные заградителей с новыми элементами
настройки приведены в таблице 1.
При техническом перевооружении высокочастотных каналов релейной
защиты, противоаварийной автоматики и связи должны применятся
современные заградители, адаптированные в части принципов и технических
характеристик к условиям отечественных электрических сетей с учетом
воздействия возможных перенапряжений.
Таблица 1
№
Данные
1 Номинальное значение
индуктивности реактора,
мГн
2 Минимальное заграждающее сопротивление в
полосе заграждения, Ом
3 Диапазон рабочих частот, кГц
4 Номинальный ток, А
5 Ток термической стойкости в течение 1 с, кА
6 Ток электродинамической стойкости, кА
7 Число витков реактора
8 Масса с элементом настройки и разрядником, кг
ВЗ-630-0,5
0,5
ВЗ-1250-0,5
0,5
ВЗ-2000-0,5
0,5
ВЗ-2000-1,0
1,0
640
640
470
440
36-1000
36-1000
24-1000
24-1000
630
16
1250
31,5
2000
40
2000
40
41
80
100
100
29,5
168
28,5
393
29,5
648
34,5
1050
Выводы
1.
Основной причиной нарушения нормальной работы заградителей в процессе
эксплуатации является воздействие волн перенапряжений, возникающих в
электрических сетях.
2.
В качестве защитных устройств заградителей необходимо использовать
ОПН, которые должны быть адаптированы для работы в условиях магнитных
полей реактора.
3.
Перенапряжения в последовательном контуре блока настройки заградителя
могут в несколько раз превышать напряжение защитного уровня защитного
уровня ОПН.
4.
Необходимые уровни изоляции и электрической прочности элементов блока
настройки заградителя должны определяться исходя из максимально
возможных значений напряжения в нем при переходных процессах.
5.
В качестве элементной базы блока настройки должны применяться резисторы
и высокочастотные конденсаторы, обеспечивающие стабильность загражда
ющего сопротивления заградителя в течении всего срока эксплуатации.
Источники информации
1 Половой И.О., Михаилов Ю.А., Халилов Ф.Х. Внутренние перенапряжения на
электрооборудование высокого и сверхвысокого напряжения - Л-. Энергоатомиздат, 1990,- 152с.
2. Методические указания по ограничению высокочастотных коммутационных
перенапряжений и защите от них электротехнического оборудования в
распределительных устройствах 110 кВ и выше. М.: служба передового опыта
ОРГРЭС, 1998-26с.
3. Микуцкий Г.В. Высокочастотные заградители и устройства присоединения
для каналов высокочастотной связи.- М.: Энергоатомиздат, 1984, вып.З, - 188с.