Экспериментальное исследование повышения напряжения в сети с изолированной нейтралью
Виталиюс Гвоздас, отделение электросистем, Каунасский технический университет
Повилас Валатка, отделение электросистем, Каунасский технический университет
Перевод с английского: А.В. Петров, Донецкий национальный технический университет
Тезис : Изоляционное сопротивление изолированной нейтральной сети часто подвергается воздействию импульса разряда молнии на линии электропередач. Волны повышения напряжения возникают при воздействии импульса разряда молнии. Это представляет угрозу устройствам, поскольку изоляция устройства за очень короткий промежуток времени два или более раза подвергается воздействию импульса. Экспериментальный анализ разрядов молний показал кратковременное повышение напряжения при воздействии молнии на линии электропередач, приводящее к отключению подачи энергии во время работы. Было проведено измерение характеристик перенапряжения в соответствии с изоляционным сопротивлением.
Ключевые слова : Перенапряжение в изолированной нейтральной сети, возникновение атмосферного перенапряжения, интегральная характеристика.
I. Введение
В связи с различными коммутационными или побочными эффектами напряжение в линиях электропередач при импульсных помехах может повысить максимально допустимые рабочие показатели. Такое повышение напряжения (перенапряжение) нарушает стабильную работу изоляции устройств. Уровень перенапряжения зависит от источника. Импульсные помехи линий электропередач возникают от переключения коммутации, разрыва короткой цепи, резонанса системы и ферро-магнитного резонанса. Высокий риск возникновения перенапряжения в изолированной нейтральной сети может быть вызван попаданием молнии в ближайшие башенные опоры ЛЭП. Атмосферное перенапряжение перекрывается током, проходящим через подстанционные разрядники для защиты от перенапряжения.
Уровень перенапряжения зависит от длины электропередач, конфигурации, структуры, рабочего напряжения и напряжения в сети. Максимальный уровень перенапряжения определяется экспериментально, обозначая или моделируя импульсы для моделей различных изолированных нейтральных сетей.
В этой работе проводится исследование работы трансформатора напряжения изолированной нейтральной сети мощностью 10 кВ, который подвергается воздействию однофазного сбоя и перенапряжения. Измерения проводились на четырех подстанциях мощностью 110/10 кВ. Был также проведен анализ зарегистрированных коротких импульсных помех в сети 10 кВ, которые повлияли на изоляционное сопротивление устройств. Был определен характер импульсных помех и их влияние на сопротивление трансформатора на 10 кВ.
II. Измерение предела воздействия и длительности периода перенапряжения
Характеристика использования изоляционного ресурса может определяться в соответствии с характером перенапряжения, включая длительность перенапряжения в рабочем диапазоне. Характер критических показателей перенапряжения делится на три зоны. Зоны распределены в соответствии с тестовым напряжением (Рис. 1).
Рис. 1. Определение зон перенапряжения.
Высокоамплитудная зона краткого перенапряжения находится между кратким и полным тестовым напряжением. В этой зоне перенапряжение вызывается разрядом молнии. Зона переключения и атмосферного перенапряжения находятся между полным тестовым импульсом и одноминутным напряжением частотой 50 Гц. В этой зоне перенапряжение вызвано разрядом молнии, коммутацией или ферро-резонансным феноменом. Нарушение заземления и амплитудно-частотной характеристики, а также зона коммутации находится между одноминутного напряжения частотой 50 Гц и долгим максимальным напряжением. При использовании этой электроизоляции можно достичь максимальных результатов производительности
III. Применение показателей перенапряжения
Четырехканальный счетчик напряжения был подсоединен к трансформатору напряжения с вторичной обмоткой (три канала) мощностью 10 кВ. Один канал был подключен к разомкнутому треугольнику (Рис. 2). Счетчик был включен при нулевой частоте напряжения, поскольку при любых помехах (запуск линии электропередачи, однофазный сбой, короткое замыкание и т.д.) напряжение постепенно возрастает.
Рис. 2. Схема подключения счетчика перенапряжения.
Счетчик начинает записывать импульсные помехи, когда напряжение в разомкнутом треугольнике превышает определенный уровень. Результат записывается с учетом первоначального состояния. Это помогает зарегистрировать исходные условия процесса. Полная запись явления отображена на Рис. 3. В процессе анализа дискретный шаг сократился. Ниже представлены детальные параметры процесса.
Рис. 3. Записанное явление.
Явления были зарегистрированы на подстанциях мощностью 10 кВ, на которых были отключены линии электропередач вследствие перенапряжения. Счетчик был подключен к изолированной нейтральной сети мощностью 10 кВ. Процесс записи длился 3 недели. Были отмечены несколько импульсных помех, вызванных разрядом молнии.
IV. Регистрация перенапряжения вызванная атмосферным перенапряжением
Были зарегистрированы импульсные помехи, вызванные атмосферным перенапряжением. При повторении перенапряжения импульсные помехи формируются спустя 0,03-0,05 сек., при чем возможно и моментальное возникновение. За одну секунду были отмечены 2-3 помехи (реже 10).
Во время экспериментальной записи явление проявлялось с первого атмосферного перенапряжения до отключения линии электропередач. Также произошло двухфазное короткое замыкание, которое перешло в трехфазное короткое замыкание после второй импульсной помехи, вызванной атмосферным перенапряжением. Многократное перенапряжение отображено на осциллограмме помех на рис.4.
Период явления длился 1,1 секунды. За время атмосферного перенапряжения 7 раз показатели тока достигали максимального значения.
Фазовые и нейтральные падения напряжения были отмечены при первом пике тока. Двухфазное замыкание произошло при перенапряжении от первого импульса (Рис. 5).
Спустя 59 сек. был зарегистрирован новый импульс (Рис. 6). Перенапряжение в этой фазе понизилось до 18 кВ, а нейтральный сдвиг профиля напряжения – до 25 кВ. После второго импульса двухфазное замыкание перешло в трехфазное замыкание. Можно отметить, что по характеру процесса при кратком замыкании электрическая дуга на втором импульсе была включена.
Рис. 4. Зарегистрированное перенапряжение, вызванное атмосферным перенапряжением.
Рис. 5. Помехи, вызванные первым импульсом от атмосферного перенапряжения.
Спустя 95 мс линии электроснабжения подверглись третьему импульсу, вызванному атмосферным перенапряжением. После третьего импульса перенапряжение достигло мощности 15 кВ, а нейтральный сдвиг профиля напряжения перенапряжение - 13 кВ. Уровень напряжения подвергся более ощутимому влиянию от этого импульса.
после атмосферного перенапряжения импульсы тока возникли через 36 мс, 111 мс, 47 мс и 38 мс (Рис. 7). Полный период воздействия атмосферного перенапряжения длится 395 мс.
Рис. 6. Помехи, вызванные вторым импульсом от атмосферного перенапряжения.
Рис. 7. Помехи, вызванные седьмым импульсом от атмосферного перенапряжения.
В результате, через одну секунды возникло короткое замыкание, электроснабжение прекратилось. Это отображено на рис. 8.
Рис. 8 Трехфазное короткое замыкание, вызванное помехами от атмосферного перенапряжения.
Во время замыкания и отключения электроснабжения уровень перенапряжения на фазе составлял 14 кВ, а нейтральный сдвиг профиля напряжения – 8 кВ. Во время таких явлений можно составить характеристику влияния интегрального перенапряжения.
V. Анализ перенапряжения, вызванного атмосферным перенапряжением
Короткие помехи во время грозовых импульсов длятся до 400 µs. Амплитуда перенапряжения постепенно спадает (Рис. 9). Фазовое напряжение после четвертого импульса приводит к перенапряжению. U, [kV]
Рис. 9. Изменения в перенапряжении, вызванном атмосферным перенапряжением на фазовых и нейтральных линиях.
Сдвиг профиля напряжения на нейтральной линии было довольно значительным. Во время первого импульса нейтральный сдвиг профиля напряжения достигает 30 кВ на начале линии и значительно снижается, поскольку при разряде молнии однофазный сбой переходят в трехфазное замыкание.
VI. Интегральная характеристика влияния перенапряжения
Для отображения изоляционного потребления во время перенапряжения необходимо отметить уровень и длительность перенапряжения.
Характеристика перенапряжения во время однофазного сбоя в изолированной нейтральной сети мощностью 10 кВ представлена на рис. 14.
Рис. 14. Однофазный сбой в изолированной нейтральной сети мощностью 10 кВ.
Интегральная характеристика влияния перенапряжения во время этого сбоя представлена на рис. 15.
Рис. 15. Интегральная характеристика влияния перенапряжения при однофазном сбое в изолированной нейтральной сети мощностью 10 кВ.
Интегральная характеристика влияния перенапряжения во время многократного перенапряжения, зарегистрированного осциллограммой на Рис. 4, представлена на Рис.16.
Рис. 16. Интегральная характеристика помех при перенапряжении, вызванном атмосферным перенапряжением.
Анализ характеристик перенапряжения показывает, какой тип перенапряжения более частотный в сети. На этом основании могут проводиться настройки рабочих параметров оборудования, и могут проводиться наладочные и ремонтные работы.
Интегральная характеристика показала:
1. Максимальная продолжительность зарегистрирована при сбое заземления. Длительность составила 3 сек. Максимальная амплитуда при этом процессе достигла 13,4 кВ. Превышение максимального уровня напряжения длилось 0,94 сек. Зона перенапряжения составила 1,3 кВ.
2. Максимальное амплитудное напряжение было отмечено во время удара молнии. Длительность – 0,1 сек. Максимальная амплитуда при этом процессе достигла 20,5 кВ. Превышение максимального уровня напряжения длилось 0,07 сек. Зона перенапряжения составила 0,126 кВ.
3. Анализ данных показал, что данные можно сгруппировать по оценкам перенапряжения (см. Рис. 1).
Используя проанализированные характеристики перенапряжения можно вычислить уровень изоляционного потребления. Это помогает определить оптимальные рабочие параметры для применяемого оборудования.
VII. Заключение
1. Длительность и уровень перенапряжения можно определить с помощью специального оборудования.
2. при анализе помех, вызванных перенапряжением, было выявлено, что что возникновение перенапряжения вызвано атмосферным перенапряжением в сети при повторении импульсов тока, что приводит к трехфазному короткому замыканию.
3. Самый высокий сдвиг профиля напряжения был отмечен при ударе молнии по линиям электропередач 10 кВ. Самый высокий сдвиг профиля напряжения составил 3.11 Umf во время первого импульса, а во время второго импульса – 2,55 Umf.
4. Используя интегральную характеристику перенапряжения. выведенную при анализе можно определить оптимальные рабочие параметры для применяемого оборудования.
Ссылки
[1] Baublys J., Gudzius S., Jankauskas P., Markevicius L., Morkvenas A. Z. Apsauga nuo zaibo,. MTD Energetika ISBN 9986-858-28-3: Vilnius, 2006.
[2] Gudzius, Saulius; Markevicius L, Andronis M., Alfonsas N., Algimantas S., Stanioniene R., The Analysis of the Integral Characteristics of the Overvoltage Effect Duration, Proceedings of XVI International Conference on Electromagnetic Disturbances, ISSN 1822-3249: p. 72-77. EMD 2006: September 27-29, 2006
[3] Daunoras, J. Gudzius S. Markevicius L., Andronis M., Alfonsas N., Stanioniene R., Monitoring system of high voltage equipment conditions, Proceedings of 18 International Conference on Electromagnetic Disturbances, ISSN 1822-3249: p. 19-22. EMD 2008: September 25-26, 2008,
[4] Gudzius, S. Markevicius L. Andronis M., Electromagnetic transient processes recognition model in insulated neutral net, Proceedings of XVI International Conference on Electromagnetic Disturbances, ISSN 1822-324. EMD2006: September 27-29, 2006