"Новости Электротехники" Теория применения ОПН для ограничения перенапряжений

< Предыдущая ] [ Следующая >

Журнал №6(12) 2001

Теория применения ОПН для ограничения перенапряжений

При коммутации вакуумными выключателями индуктивных токов (например, при отключении мало нагруженных трансформаторов и пусковых токов электродвигателей) возникают перенапряжения, вызванные срезом тока до его перехода через нуль, а также повторными пробоями межконтактного промежутка, обусловленными высокой скоростью нарастания напряжения на размыкаемых контактах выключателя.
В процессе отключения в межконтактном промежутке выключателя возникает вакуумная дуга, горящая в парах металла контактов. Вследствие высокой скорости нарастания электрической прочности межконтактного промежутка в вакууме в процессе размыкания контактов дуга гаснет до перехода тока промышленной частоты через нуль, т. е. происходит срез тока. В результате такого среза тока энергия, запасенная в индуктивных элементах фидера (например, в индуктивности электродвигателя и питающего его кабеля), вызывает повышение напряжения в образующемся колебательном контуре L - С, которое может привести к пробою изоляции электрооборудования.

Георгий Александров, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Электрические и электронные аппараты», Санкт-Петербургский государственный технический университет

Расчет величины перенапряжения

Для того чтобы оценить возможные величины перенапряжений, возникающих в различных конкретных случаях применения вакуумных выключателей, рассмотрим процесс отключения вакуумным выключателем фидера, питающего двигатель через кабель (рис.1). Эквивалентная схема такого присоединения приведена на рис.2, где кабель заменен его эквивалентной Т - схемой, а двигатель - его индуктивным и активным сопротивлением.
Пусть обрыв тока произошел в момент времени, предшествующий переходу тока через нуль на время t. При этом энергия, запасенная в элементах присоединения (кабеле и двигателе), равна:

(1)

где Um и Im – амплитуды напряжения и тока в предшествующем отключению режиме, w -угловая частота сети.
В предшествующем отключению режиме связь между током и напряжением в точке 1 определяется простым соотношением:

(2)

поскольку R/w(Lд + LК ) очень мало.
С учетом (2) соотношение (1) может быть переписано в виде:

(3)

где собственная частота колебательного контура, образовавшегося в момент времени t отключения выключателя,

(4)

Далее необходимо определить величины LK и Lд. Связь между индуктивностью LK и емкостью С кабеля определяется соотношением:

(5)

где L_K.0 и С₀ - индуктивность и емкость кабеля на единицу его длины, V - скорость распространения электромагнитной волны вдоль кабеля, приблизительно равная скорости света 3*10⁸ м/с.

Следовательно,

(6)

(7)

Где l - длина кабеля. Индуктивное сопротивление двигателя в номинальном режиме его работы можно определить через его номинальную мощность и номинальное напряжение:

(8)

Следовательно, согласно (4), (7), (8)

(9)

(10)

Кабель 6 кВ имеет погонную емкость примерно С₀ = 0,4-0,58 мкФ/км при сечении жилы 50 - 240 мм². При длине кабеля = 50 - 500 м и мощности двигателя Р = 500 - 5000 кВт результаты расчетов отношения w₀/w при угле среза 5° приведены на рис.3.

Как видно, при увеличении мощности двигателя отношение w₀/w значительно увеличивается, а при увеличении длины кабеля - существенно уменьшается. При этом возможное отношение частот ограничивается диапазоном 15<w₀/w <85.При таком соотношении частот w₀/w первый максимум напряжения может быть оценен без учета рассеяния энергии в активном сопротивлении колебательного контура. Запасенная колебательным контуром энергия согласно (3) в момент перехода тока колебательного контура через нуль равна энергии в емкости С:

(11)

откуда отношение максимума перенапряжений к амплитуде номинального напряжения фидера равно:

(12)

При w_t= 5° в момент обрыва тока согласно (9) получаем:

Защиту электрооборудования от перенапряжений обеспечит ОПН

Из приведенных данных следует, что срез тока вакуумными выключателями может привести к весьма высоким перенапряжениям, недопустимым для изоляции двигателей и кабелей.

Рис. 1. Схема фидера, питающего асинхронный двигатель: 1 - шины н/ст, 2 - вакуумный выключатель, 3 - кабель, 4 - двигатель.

Рис. 2. Однолинейная эквивалентная схема фидера: С - емкость кабеля, L и R -индуктивность и активное сопротивление двигателя.

Рис. 3. Зависимости относительных значений собственных частот колебательного контура, образующегося после среза тока, от длины питающего кабеля при различных мощностях двигателя: Р=500 кВт (1); 1000 кВт (2); 2000 кВт (3); 5000 кВт (4).

При отключении вакуумными выключателями пусковых токов перенапряжения могут быть еще больше, поскольку при этом индуктивность двигателя в 5-7 раз меньше и соответственно собственные частоты могут быть в 2,2 - 2,6 раза больше. Поэтому, как правило, необходимо обеспечить защиту изоляции от таких перенапряжений. Иными словами, эти перенапряжения должны быть ограничены.
Наиболее совершенным способом ограничения таких перенапряжений, обеспечивающим надежную защиту изоляции двигателей и кабелей, является установка нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН) с уровнем ограничения коммутационных перенапряжений (1,8-2)U_ном.
ОПН должны подключаться между фазой и землей со стороны коммутируемого присоединения непосредственно у защищаемого объекта или в начале кабеля в ячейке КРУ. Такое расположение ОПН рекомендуется при длине кабеля не больше 50 м. При большей длине кабеля более целесообразно устанавливать ОПН непосредственно на зажимах защищаемого объекта.
Для обеспечения надежной работы ограничителей в таких условиях они должны иметь достаточную энергоемкость, чтобы не быть поврежденными при однофазных дуговых замыканиях на землю в режиме с перемещающейся дугой. Приведенные в таблице ОПН отвечают этим требованиям.

Основные характеристики ОПН

Наименование параметров	Значение параметров
1. Класс напряжения, кВ	3	6	10	15	20	24	35
2. Наибольшее длительно допустимое напряжение на ограничителе, кВ	3,6	7,2	12	17,5	24	26,5	40,5
3. Номинальный разрядный ток, кА	5-10	5-10	5-10	5-10	5-10	5-10	5-10
4. Остающееся напряжение при грозовых импульсах тока 10 кА, не более, кВ	12,6	25,1	41,5	60,4	83	91,4	138
5. Расчетный ток коммутационных перенапряжений (максимальное значение), А	300/400	300/400	300/400	300/400	300/400	300/400	300/400
6. Остающееся напряжение при расчетном токе коммутационных перенапряжений, кВ	8,8	17,6	29,2	42,7	58,6	65	74,1
7. Длина пути тока утечки, м	0,11	0,225	0,37	0,56	0,745	0,822	1,26