Файл: Методическое пособие по курсу Изоляция и перенапряжения для студентов, обучающихся по направлению Электроэнергетика.pdf

19
сования нового соединения необходимо щелкнуть левой кнопкой мыши по требуемому конечному узлу. Для отмены добавления нового соединения во время его рисования можно воспользоваться пунктом «
Отменить со-
единение
» контекстного меню, доступного по нажатию правой кнопки мыши, или клавишей
Esc
Для удаления элементов или соединений из схемы необходимо снача- ла выделить их, а затем нажать клавишу
Delete
. Для копирования элемен- тов и соединений также необходимо сначала выделить их, а затем восполь- зоваться кнопкой «
Копировать
»
Панели инструментов
или комбинацией клавиш
Ctrl + C
. Для удаления объектов из схемы и помещения их в буфер для последующей вставки можно воспользоваться кнопкой «
Вырезать
»
Панели инструментов
или комбинацией клавиш
Ctrl + X
. Вставка скопи- рованных (или «вырезанных») ранее объектов выполняется с помощью кнопки «
Вставить
»
Панели инструментов
или нажатием комбинации клавиш
Ctrl + V
Для масштабирования схемы и быстрой навигации по ней можно вос- пользоваться кнопками «
Увеличить
», «
Уменьшить
», «
Показать все
» и
«
Перетащить
» в
Панели инструментов
или в контекстном меню, дос- тупном по нажатию правой кнопки мыши. Для удобства работы с про- граммой эти режимы масштабирования также доступны с помощью колеса мыши. Так, увеличение и уменьшение схемы производится при прокрутке колеса мыши. При нажатии на колесо мыши и удерживании его в нажатом состоянии возможно перемещение схемы. В свою очередь, автоматическое масштабирование «
Показать все
», позволяющее отобразить на экране це- ликом всю схему, осуществляется двойным щелчком по колесу мыши.
Измерение напряжений и токов в расчетной модели выполняется с помощью блоков
Вольтметр
и
Амперметр
. Для вывода измеренных зна- чений напряжений и токов на экран используется блок вывода
Осцилло-
граф
, в котором вывод расчетных осциллограмм выполняется в отдельном окне, открывающемся по двойному щелчку мыши на блоке осциллографа.
На одном осциллографе можно вывести несколько осциллограмм одно- временно, их число определяется количеством входов (входных портов) осциллографа. Для того, чтобы изменить число входов (по умолчанию ос- циллограф имеет один входной порт), необходимо воспользоваться диало- гом «
Осциллограф
», который вызывается с помощью пункта «
Свойства
» контекстного меню для выделенного осциллографа. Кроме того, с помо- щью этого диалога можно задать обозначения осей
X
и
Y
, а также числовые множители, которые используются для масштабирования сигналов при их отображении. Так, например, по умолчанию осциллограф выводит напря- жение в вольтах, а время – в миллисекундах. В случае, если необходимо вывести напряжение в киловольтах, можно воспользоваться кнопкой «
Па-
раметры осей Y подграфиков
» диалога «
Осциллограф
» и в появившемся

20
диалоге «
Параметры отображения осей Y осциллографа
» задать для всех входных портов множитель 0,001. В свою очередь, для отображения вре- менных интервалов в микросекундах необходимо воспользоваться кноп- кой «
Параметры осей X подграфиков
» диалога «
Осциллограф
» и затем в появившемся диалоге «
Параметры отображения осей X осциллографа
» задать множитель по оси
X
, равный 1е6.
Запуск схемы на расчет осуществляется по нажатию кнопки «
Расчет
» в
Панели инструментов
или функциональной клавиши
F5
Указания по составлению схемы и выполнению расчетов
Блоки, используемые в этой лабораторной работе, сведены в табл. 3.
По завершении сборки расчетной схемы перед ее запуском на счет не- обходимо задать параметры расчета (пункт «
Параметры расчета
» в меню
«
Расчет
» программы). Шаг расчета следует принять равным 0,001 мкс, а время счета – 20 мкс.
Для определения максимальных напряжений на электрооборудовании следует по окончании расчета открыть осциллограмму напряжения двой- ным щелком мыши по блоку
Осциллограф
. Далее, дважды щелкнув мы- шью по расчетной осциллограмме, открыть диалоговое окно «
Свойства
кривой
». В появившемся диалоге на закладке «
Информация
» максималь- ное расчетное значение напряжения отображается в поле «
Максимальное
значение координаты Y
».
Для удобства обработки результатов для каждого пункта задания в программе имеется табличная форма, вызываемая путем нажатия кнопки с номером пункта задания в
Панели инструментов
. Найденные значения максимальных напряжений следует ввести в таблицу и, по окончании ее заполнения, нажать кнопку «
Построить график
».
По итогам выполнения работы, полученные табличные формы и гра- фики целесообразно сохранить путем их копирования и вставки в доступ- ный на компьютере текстовый редактор
WordPad
. Для копирования в бу- фер обмена табличных форм можно воспользоваться комбинацией клавиш
Alt + Print Screen
. Графики можно скопировать в буфер обмена или сохра- нить в файл с помощью меню
Правка
окна графопостроителя
XYGraph
(пункты «
Копировать рисунок
» и «
Сохранить рисунок
» соответственно).

21
Таблица 3
Элементы расчетной модели, используемые в лабораторной работе
Элемент
Описание
Источник косоугольного импульса, моделирующий набега- ние с линии электромагнитной волны.
Параметры:
– амплитудное значение напряжения, кВ;
– крутизна фронта, кВ/мкс.
Местонахождение блока в библиотеке элементов: Источ-
ники  Неуправляемые.
Активное сопротивление для представления волновых со- противлений воздушных линий.
Местонахождение блока в библиотеке элементов: Эле-
менты  RLC-цепи.
Емкость для представления входных емкостей электрообо- рудования: трансформаторов, выключателей, разъедините- лей.
Местонахождение блока в библиотеке элементов: Эле-
менты  RLC–цепи.
Линия с распределенными параметрами, предназначенная для моделирования ошиновок.
Параметры:
– длина, км;
– волновое сопротивление, Ом;
– скорость распространения, м/с.
Местонахождение блока в библиотеке элементов: Эле-
менты  Линии.
Нелинейный ограничитель перенапряжений (ОПН).
Параметры ОПН задаются таблицей импульсных токов
(кА) и соответствующих им остающихся напряжений (кВ).
Местонахождение блока в библиотеке элементов: Эле-
менты  Ограничители перенапряжений.
Аналоговый заземлитель.
Местонахождение блока в библиотеке элементов: Кон-
некторы  Заземлители.
Вольтметр.
Местонахождение блока в библиотеке элементов: Изме-
рители  Непрерывные.
Цифровой осциллограф.
Местонахождение блока в библиотеке элементов: Изме-
рители  Блоки вывода.

22
Приложение 1
Механизм формирования набегающих волн
Можно выделить три основных случая прямого поражения молнией
ВЛ с тросами (рис. П1.1):
1) удар молнии в фазный провод при прорыве сквозь тросовую защи- ту (или при отсутствии таковой);
2) удар молнии в вершину опоры;
3) удар молнии в молниезащитный трос.
В первом случае на фазном проводе сразу формируются две электро- магнитные волны, движущиеся в противоположные стороны по волновым каналам линии. Рассматривая задачу приближенно в однофазной поста- новке можно принять для линии волновое сопротивление прямой последо- вательности
Z
с
. Тогда напряжение бегущей по линии волны можно оце- нить приближенно следующим образом:
 
 
м в
2
c
i t
u t
Z

Так как ток молнии достигает своего амплитудного значения (десятки килоампер) за время порядка нескольких микросекунд, то на ближайшей к точке удара молнии гирлянде изоляторов напряжение начинает быстро нарас- тать. Гирлянда изоляторов обладает импульсной электрической прочностью, которая имеет статистический разброс. В расчетах импульсную прочность
Рис. П1.1. Расчетные случаи поражения ВЛ молнией

23
гирлянды принимают равной 50%-ному разрядному напряжению
U
50%
–
максимальному значению стандартного грозового импульса напряжения
(1,2/50 мкс), при котором разряд наступает в 50% всех случаев подачи напря- жения. Как только напряжение на гирлянде изоляторов превысит ее импульс- ную прочность, произойдет перекрытие гирлянды, и большая часть тока сте- чет в землю по заземлителю опоры. В сторону подстанции отправится волна, ограниченная по амплитуде импульсной прочностью гирлянды
U
50%
При ударе молнии в опору напряжение на фазном проводе ВЛ сначала определяется только составляющими, индуктированными электромагнит- ным полем канала молнии. Большая часть тока молнии протекает по опоре, создавая падение напряжения на индуктивности опоры
L
оп и на импульс- ном сопротивлении ее заземлителя
R
оп
. Если ток молнии и крутизна его фронта окажутся достаточно большими, то разность потенциалов между вершиной опоры и фазным проводом превысит импульсную прочность гирлянды изоляторов, что приведет к
обратному перекрытию
. При этом на фазном проводе практически мгновенно появится напряжение и по ли- нии в сторону подстанции отправится волна с отвесным фронтом.
При ударе молнии в трос ток молнии растекается между соседними опо- рами. При этом возможно возникновение как обратного перекрытия гирлян- ды изоляторов на опоре, так и пробоя воздушного промежутка «молниеза- щитный трос-фазный провод». В обоих случаях на фазном проводе ВЛ фор- мируются волны с отвесным фронтом, движущиеся в сторону подстанции.
Во всех трех случаях грозового поражения ВЛ от места перекрытия в сторону подстанции движется электромагнитная волна, амплитуда которой может быть принята равной
U
50%
. Если эта волна образовалась в результате обратного перекрытия, то ее начальная длительность фронта
τ
ф,0
может быть в расчетах принята равной нулю.
Приложение 2

Принцип работы и характеристики вентильных разрядников и ОПН
Простейшим устройством защиты от грозовых перенапряжений явля- ется искровой промежуток (ИП), пробивное напряжение которого скоорди- нировано с электрической прочностью защищаемого электрооборудования.
Вольт-секундная характеристика ИП должна быть ниже электрической прочности изоляции оборудования во всем диапазоне длительностей фронта воздействующих напряжений. Поскольку ИП устанавливается параллельно оборудованию, то его пробой шунтирует защищаемый объект, исключая возможность повреждения изоляции. По окончании воздействия импульса грозовых перенапряжений разряд в ИП под действием рабочего напряжения

24
сети переходит в силовую электрическую дугу, тем самым образуя устойчи- вое замыкание. Поэтому необходимо обеспечить гашение дуги.
В устройствах, получивших название
вентильных разрядников
(РВ), гашение дуги сопровождающего тока обеспечивается включением после- довательно с ИП нелинейного резистора (НР), вольт-амперная характери- стика которого показана на рис. П2.1. При напряжении, соответствующем пробивному напряжению ИП, сопротивление НР мало, а падение напряже- ния на нем не превышает допустимого напряжения защищаемого электро- оборудования. При снижении напряжения до рабочего сопротивление НР резко возрастает, ограничивая ток через ИП.
Как следствие, при про- хождении тока промышлен- ной частоты через нулевое значение дуга в ИП гаснет и восстанавливается нормаль- ный режим работы. Назначе- ние ИП при этом сводится к защите НР от токов про- мышленной частоты, которые при длительном протекании через него приводят к его термическому разрушению.
Падение напряжения на нелинейном резисторе РВ при протекании через него импульсного тока называется
остающимся напряже-
нием
U
ост
. Значения
U
ост при различных значениях импульсных токов приве- дены для типовых конструкций РВ в табл. П2.1. Наибольшее значение
U
ост
, возникающее на РВ в ходе переходного процесса, должно быть меньше до- пустимого напряжения электрооборудования на величину координационного интервала Δ
U
к
, составляющего 20 – 50 % от допустимого в зависимости от класса напряжения сети (меньшие значения соответствуют большему номи- нальному напряжению). Выбор значения
U
ост осуществляется при опреде- ленном значении импульсного тока, называемого
током координации I
к
Ток координации должен быть достаточно большим, чтобы при воз- действии набегающих волн протекающие через РВ токи не превышали зна- чение
I
к
. В этом случае значения
U
ост будут удовлетворять координацион- ному интервалу. С другой стороны, ток координации должен быть меньше тока термической стойкости РВ, который в зависимости от конструкции разрядника и материала резисторов находится в диапазоне 5 ÷ 14 кА.
Столь малые значения тока термической стойкости создают предпо- сылки для выхода их из строя при ближних ударах молнии, когда ток мол- нии растекается между заземлителем опоры и РВ. К недостаткам вентиль-
Рис. П2.1. Вольт-амперная характеристика РВ
U
нрс
– наибольшее рабочее напряжение сети;
U
ост
– остающееся напряжение при токе координации I
к

25
ных разрядников также следует отнести статистический разброс разрядных напряжений ИП и необходимость согласования вольт-секундных характе- ристик ИП и защищаемой изоляции.
В настоящее время на смену РВ пришли ОПН (ограничители перена- пряжений нелинейные). Нелинейный резистор ОПН состоит из варисто- ров, выполненных на основе оксида цинка (ZnO). Вольт-амперные харак- теристики варисторов обладают столь высокой нелинейностью, что ОПН способны находиться под рабочим напряжением без потери термической устойчивости. Поэтому ограничители могут в большинстве случаев экс- плуатироваться без искрового промежутка, что удешевляет конструкцию и улучшает их защитные свойства.
Подробное изложение конструктивных особенностей и характеристик
РВ и ОПН содержится в [1]. Значения
U
ост при различных значениях им- пульсных токов приведены для типовых конструкций ОПН в табл. П2.2.
Таблица П2.1. Электрические характеристики РВ 110 кВ
Тип разрядника
Напряжение, кВ наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение пробивное импульсное пробивное при временах
1,5–20 мкс остающееся при им- пульсном токе с длительностью фронта 8 мкс и ам- плитудой, А
3000 5000 10000
действующее значение амплитудное значение
РВМГ-110 100 170
–
195 260 245 265 295
РВС-110 100 200
–
250 285 315 335 367
Таблица П2.2. Электрические характеристики ОПН 110 кВ
Тип
ОПН
Напряжение, кВ наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение остающееся при импульсном токе 8/20 мкс с амплитудой, А
500 5000 10000 20000
действующее значение амплитудное значение
ОПН-П-110/73/10/650 73 188 230 249 280
ОПН-П-110/80/10/650 80 206 252 274 308
ОПН-П-110/88/10/650 88 216 264 287 322
ОПН-П-110/73/10/900 73 180 208 224 237
ОПН-П-110/80/10/900 80 198 229 247 271

26
ОПН-П-110/88/10/900 88 218 252 272 299
Приложение 3
Волновые процессы при набегании электромагнитной волны
на узел неоднородности
Процессы, протекающие на подстанции при воздействии набегающих с линии волн, кратковременны. Их длительность составляет десятки мик- росекунд, а максимальные перенапряжения возникают в течение несколь- ких микросекунд переходного процесса. Длительности фронта воздейст- вующих напряжений оказываются соизмеримыми с временами пробега волн по участкам ошиновки распределительного устройства, что приводит к необходимости учета волнового характера процессов при качественном анализе и в численном моделировании.
Если предположить, что электромагнитная волна распространяется только по одному волновому каналу линии электропередачи (с параметра- ми прямой последовательности), то задачу расчета волнового переходного процесса на подстанции можно решать в однофазной постановке. На рис.
П3.1,
а
показан случай набегания волны напряжением
u
пад по однопровод- ной линии с волновым сопротивлением
Z
c
. Электрооборудование подстан- ции на рисунке показано двухполюсником, подключенным к линии в точке
А
В соответствии с общим решением волновых уравнений линии [2] на- пряжение в каждой ее точке (и, в частности, в точке
А
) представляет собой сумму двух волн, движущихся в противоположных направлениях, – па- дающей
u
пад и отраженной
u
отр
: пад отр
A
u
u
u


(П3.1)
Ток, протекающий через точку
А
, определяется разностью двух волн:
а)
б)
Рис. П3.1. Набегание волны на узел неоднородности
а – поясняющая схема; б – расчетная схема замещения