Перенапряжения при коммутации шунтирующих реакторов 500кВ элегазовыми выключателями

Ю. А. Лавров, К. П. Кадомская, ГОУ ВПО «Новосибирский государственный технический университет» А. Г. Овсянников, О. Ю. Шиллер, НСПБ филиал ОАО «Электросетьсервис» Е. В. Львов, МЭС Сибири

Введение

При работе линий электропередачи по ним передается как активная, так и реактивная мощность. Для регулирования потоков реактивной мощности используются электрические шунтирующие реакторы (ШР). Они включаются между фазами линий и землей и компенсируют емкость линии. Необходимая мощность подключаемых реакторов зависит от длины линии и нагрузки. Реакторы являются одним из средств, позволяющих снизить коммутационные перенапряжения и повысить рабочие напряжения. Они уменьшают амплитуду вынужденной составляющей и частоту собственных колебаний при переходных режимах, снижают вероятность повторных зажиганий в выключателях при отключениях холостых линий, облегчают условия гашения дуги при КЗ на линии.
Технологические нарушения в схемах, содержащих шунтирующие реакторы, нередки. Обычно они возникают из-за повреждений изоляции реакторов или их вводов. В свою очередь, повреждения изоляции могут быть следствием воздействия на нее коммутационных перенапряжений. Например, отключение реактора может сопровождаться срезом тока в выключателе и приводить к высоким кратностям перенапряжений на изоляции ШР. При этом из-за неравномерного распределения перенапряжений по обмотке ШР могут возникнуть повышенные значения напряжений на продольной изоляции ШР и ее повреждение.
В докладе рассматривается возможность возникновения опасных коммутационных перенапряжений при включении или отключении ШР элегазовым выключателем. Работа выполнена на основе расследования аварийного отключения одной из фаз шунтирующего реактора типа РОМБС(М) 60000/500. При осмотре поврежденной фазы в верхней части обмотки было обнаружено витковое замыкание. Для выяснения возможной причины аварии были проведены компьютерные и экспериментальные исследования перенапряжений, воздействующих на изоляцию ШР при его коммутациях.

Экспериментальное исследование

Схема, в которой проводились измерения, приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема измерений перенапряжений на реакторе
В схеме в качестве верхнего плеча делителей напряжения использовались емкости основной изоляции вводов. Буферные усилители (БУ) включались для согласования сопротивления емкостного делителя с коаксиальными кабелями. Коэффициент их передачи был равен 1, входное сопротивление около 1 МОм, выходное 50 Ом, т. е. равно волновому сопротивлению кабеля, нагруженного на 50 Ом, на входе осциллографа (на схеме не показано). Выходные сигналы передавались кабелями РК-50 с буферных усилителей на уровень земли, где располагался 4-канальный цифровой осциллограф Tektronix DPO 3014.
К измерительным выводам вводов всех фаз реактора подключались дополнительные емкости Сд для снижения величин напряжений до уровня ± 5 В, приемлемого для буферного усилителя. Проверка буферного усилителя проводилась генератором прямоугольных импульсов типа Г5-54. Контролировалось напряжение на выходе усилителя. Неискажающая передача фронта импульса длительностью 60 не свидетельствовала о достаточности верхней полосы пропускания, а неискажающая передача «полки» импульса (10 мс) о достаточности нижней полосы пропускания.

Точное определение коэффициента деления производилось при измерениях установившихся напряжений на фазах реактора.
В табл. 1 приведена последовательность действий в серии экспериментальных замеров уровней перенапряжений, воздействующих на шунтирующие реакторы при его коммутации элегазовым выключателем производства ABB (тип элегазового выключателя HPB 550 Вг, привод BLG).
Таблица 1
Последовательность действий в серии экспериментов

Следует отметить, что экспериментально полученные результаты являются не заниженными по амплитуде, поскольку, как показали ранее проведенные исследования, переходные амплитудно-частотные характеристики ввода реактора практически не искажали ВЧ-сигнал.

Рис. 2. Осциллограммы перенапряжений (общий вид) при включении (а) и отключении (б) реактора в третьем опыте измерений
Из приведенных на рис. 2 осциллограмм и данных табл. 1 видно, что уровни перенапряжений на изоляции реактора при его коммутации элегазовым выключателем незначительно превышали номинальное напряжение и составляли:

1. при включении - 520 ... 550 кВ (с синхронизатором);
2. при включении - 650 кВ (без синхронизатора);
3. при отключении - 550 ... 660 кВ.

Моделирование

Чтобы установить, какие перенапряжения воздействуют на изоляцию реактора при коммутациях в различных режимах и для определения наиболее тяжелого режима, было выполнено моделирование этих процессов в программе «МАЭС».

Схема модели, разработанная для анализа коммутаций реактора, приведена на рис. 3.

Рис. 3. Смоделированная схема сети

Адекватность представленной модели была проверена посредством сравнения расчетных кривых с данными полевых испытаний. В табл. 2 приведены наиболее значимые характеристики колебаний: частота, фронт, амплитуда перенапряжений.
Таблица 2

Сравнение характеристик осциллограмм

Сравнение результатов, приведенных в табл. 2, позволяет сделать вывод, что модель адекватна реальной схеме.
Коммутационные перенапряжения при включении реактора обусловлены колебательными переходами от начальных к установившимся распределениям напряжения при включении фаз выключателя.
Перенапряжения при коммутации реактора существенно зависят от момента его включения. При включении реактора в момент максимума напряжения на шинах 500 кВ возникает опасность перекрытия витковой изоляции (особенно в ослабленном месте).
В табл. 3 сведены данные, полученные при выполнении численных экспериментов, моделирующих наиболее характерные случаи включения шунтирующих реакторов:

1. - включение фаз реактора при нулевом напряжении на фазе А;
2. - то же, но разброс в срабатывании полюсов выключателя 1 мс;
3. - включение фаз реактора при максимальном напряжении на фазе А;

Рис. 4. Осциллограммы напряжений при включении фаз реактора в моменты нулевых значений напряжения
Рис. 5. Осциллограммы напряжений при одновременном включении фаз реактора в максимуме напряжения на фазе А

1. - то же, но разброс в срабатывании полюсов выключателя 1 мс.

Таблица 3
Включение фаз реактора

На рис. 4 приведены расчетные осциллограммы напряжений при включении каждой фазы реактора идеально в момент перехода через ноль каждого из фазных напряжений. На рис. 5 показаны осциллограммы для случая, когда включение происходит при максимальном напряжении на фазе А, при этом все полюса выключателя срабатывают одновременно.
Согласно ГОСТ 1516.3 [1] испытательное напряжение изоляции шунтирующего реактора коммутационным импульсом составляет 1050 кВ. Даже в наиболее тяжелом из рассмотренных случаев перенапряжения меньше этой величины в ~ 1,3 раза. Отметим, однако, что в данном случае на изоляцию ШР воздействует не одиночный коммутационный импульс, а серия импульсов с более крутым фронтом и частотой порядка 12-13 кГц.
Перенапряжения, возникающие при отключении шунтирующего реактора, в большой мере зависят от конструкции дугогасительной камеры выключателя, определяющей как величину тока среза в выключателе, так и возможность повторных зажиганий дуги, если напряжение на контактах выключателя в процессе его отключения превышает величину электрической прочности между расходящимися контактами. Кроме того, величина среза тока зависит от момента отключения ШР. Так, применение синхронизатора позволяет размыкать контакты выключателя в момент времени, когда напряжение на отключаемой фазе проходит через свое максимальное значение (v|.< ~ 0), что дает практически нулевой ток среза /СР ~ 0. Поэтому опасных перенапряжений при отключении фазы реактора наблюдаться не будет.
Производители не указывают величину выключателей в документации, значение тока среза для дугогасительных камер. Различные авторы при исследовании элегазовых выключателей показывают, что ток среза лежит в пределах 3-10 А.
В качестве объектов для исследования были выбраны следующие характерные случаи отключения реактора:

1. - размыкание контактов выключателя происходит при максимальном значении напряжения на каждой фазе;
2. - размыкание контактов происходит одновременно, при максимальном напряжении на фазе А;
3. - размыкание контактов одновременно в ноле напряжения на фазе А; опыт № 4 - размыкание контактов одновременно в ноле напряжения на фазе А с разбросом в срабатывании полюсов выключателя;
4. - отключение в нуле напряжения на фазе А со значением тока среза 1, 3, 7 и 10 А.

В опытах 1 4 срез тока в выключателе был запрещен.
Результаты численных экспериментов сведены в табл. 4. На рис. 6 приведены осциллограммы напряжений, полученные по результатам опыта № 4, на рис. 7 - осциллограммы напряжений на контактах выключателя.
Таблица 4
Отключение реактора

Окончание табл. 4

Рис. 6. Осциллограммы перенапряжений при размыкании контактов одновременно в нуле напряжения на фазе А с разбросом в срабатывании полюсов выключателя

Рис. 7. Осциллограммы напряжений на контактах выключателя
В опытах 1-4 получены одинаковые результаты из-за того, что в модели размыкание цепи происходило при переходе тока через ноль.
Частота колебаний при отключении реактора оказалась значительно меньшей, чем при включении, и составила 950-960 Гц, что примерно соответствует расчетному значению.
Оценка основной частоты собственных колебаний при коммутациях шунтирующих реакторов может быть произведена в первом приближении как=1,07 кГц. Расчетные данные оказались несколько завышенными, так как в расчетах не были учтены емкость и индуктивность ошиновки.
Фронт волны полученных колебаний составил Гф = 350 мкс (как для напряжения на реакторе, так и для напряжения на контактах выключателя).
В наиболее тяжелом случае, при токе среза 10 А, расчетное значение напряжения на контактах выключателя достигало величины 976 кВ. Завод-изготовитель гарантирует номинальный уровень выдерживаемого напряжения коммутационного импульса между контактами 900 (+450) кВ для выключателя марки HPL550B2 по стандартам МЭК. В скобках указано напряжение промышленной частоты на одном из полюсов. По требованиям ГОСТ Р 52565-2006 [3] испытательное напряжение коммутационного импульса между контактами составляет 1660 кВ. Кроме того, параметры воздействующих колебаний значительно отличаются от параметров стандартного коммутационного импульса - 250/25- 00 мкс (по стандартам МЭК) или 100/1000 (по ГОСТ).
Величина восстанавливающегося напряжения на контактах выключателя примерно в 2 раза меньше, чем СВЭП данного выключателя. Все это делает вероятность повторных пробоев межконтактного промежутка крайне низкой.
Численное моделирование показало, что ни при включении, ни при отключении на изоляцию реактора не воздействуют перенапряжения, превышающие уровень испытательных воздействий. Однако зарегистрированные колебания значительно отличаются от стандартного коммутационного импульса - 100/1000 мкс. Например, при включении реактора на его обмотки воздействуют колебания с фронтом 30 мкс и частотой 12,5 кГц, следовательно, неверно полагать, что по своему воздействию на изоляцию данное колебание будет таким же, что и стандартный импульс. Применение устройства для управляемой коммутации позволяет снизить величину действующего на изоляцию перенапряжения в 1,2-1,3 раза по сравнению с наиболее тяжелым режимом.
Таким образом, эксперимент и численное моделирование показали, что в данной схеме возникновение коммутационных перенапряжений значительной величины маловероятно.

Дальнейшее направление исследований

Данное исследование вызвало новые вопросы. Например, остается неясным можно ли применять нормативы, прописанные в ГОСТ для коммутационного импульса, при воздействии на изоляцию импульсов с отличными частотно-временными характеристиками.
Измерение перенапряжений относительно внешних выводов реактора не дает представления о процессах, происходящих внутри обмотки. Так, например, в [3] показано, что при воздействии высокочастотных колебаний может возникнуть резонанс внутри обмотки, обусловленный собственными и взаимными емкостями и индуктивностями отдельных витков. При измерениях авторы [3] получали почти четырехкратное превышение напряжения внутри обмотки по отношению к напряжению на выводах.
Рассмотрение процессов, происходящих внутри обмотки, является довольно трудной задачей, так как получить доступ к обмотке оборудования, находящегося в эксплуатации, невозможно. Получить требуемые параметры расчетным путем довольно сложно, во-первых, из-за отсутствия точных данных о геометрии обмоток и изоляционной системе и, во-вторых, из-за сложности самих расчетов.

1. ГОСТ 1516.3-96 (2003). Электрооборудование переменного тока на напряжения от 1 до 750 кВ.
2. ГОСТ Р 52565-2006. Выключатели переменного тока на напряжения от 3 до 750 кВ. Общие технические условия.
3. Morkowski М., Furgal J. Terminal based recognition of resonance over-voltages in transformer windings // Proc. of the 16-th Intern, symp. on High Voltage engineering, Innes House, Johannesburg, 2009. Paper Al.