ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ УСТРОЙСТВ ОПН, ДЕМПФИРУЮЩИХ RC-ЦЕПЕЙ, УПРАВЛЯЕМОЙ КОММУТАЦИИ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ КОММУТАЦИОННЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

​INVESTIGATION OF THE EFFECTIVENESS OF SURGE ARRESTERS, DAMPING RC-CIRCUITS AND CONTROLLED SWITCHING TO REDUCE SWICHING OVERVOLTAGES

Chitaev Dmitry Rinatovich,

Master's student, Department of Power Supply and Electrical Engineering, Tolyatti State University,

Russia, Tolyatti

Romanov Vladimir Sergeevich,

scientific supervisor, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Power Supply and Electrical Engineering, Tolyatti State University,

Russia, Tolyatti

АННОТАЦИЯ

Цель работы является проведение сравнительного анализа эффективности устройств защиты – нелинейных ограничителей перенапряжения (ОПН), демпфирующих RC-цепей и устройств управляемой коммутации – для снижения коммутационных перенапряжений в высоковольтных сетях. Для достижения цели была разработана математическая модель высоковольтного выключателя. Модель учитывает асинхронность срабатывания полюсов (пофазное время отключения) и симулирует дуговые процессы, возникающие при коммутации. Моделирование показало, что ни одно из устройств не является универсальным. Каждое имеет свои сильные и слабые стороны. Наибольшая эффективность в подавлении перенапряжений достигается при комплексном, комбинированном применении всех трёх методов. Оптимальная защита от коммутационных перенапряжений требует комбинированного подхода, объединяющего преимущества ОПН, RC-цепей и управляемой коммутации, а не выбора одного единственного решения.

ABSTRACT

The purpose of the work is to conduct a comparative analysis of the effectiveness of protection devices – nonlinear surge arresters, damping RC‑circuits and controlled switching devices – to reduce switching overvoltages in high–voltage networks. To achieve this goal, a mathematical model of a high-voltage circuit breaker was developed. The model takes into account the asynchronous operation of the poles (phase-by-phase shutdown time) and simulates arc processes that occur during switching. The simulation showed that none of the devices is universal. Each has its own strengths and weaknesses. The greatest effectiveness in suppressing overvoltages is achieved with the complex, combined use of all three methods. Optimal protection against switching overvoltages requires a combined approach combining the advantages of surge arresters, RC‑circuits and controlled switching, rather than choosing a single solution.

Ключевые слова: ограничитель перенапряжений нелинейный, демпфирующие RC-цепи, управляемая коммутация, коммутационные перенапряжения, токоограничивающий реактор, математическая модель, высоковольтный выключатель.

Keywords: surge arresters, damping RC-circuits, controlled switching, switching overvoltages, current limiting reactor, mathematical model, high-voltage switch.

Введение

Процесс коммутации электрической сети высоковольтными коммутационными аппаратами характеризуется возникновением ряда специфических эффектов: среза тока в момент отключения, феномена виртуального среза тока, повторные зажигания электрической дуги при размыкании и предварительные пробои при смыкании контактов. На параметры перенапряжений и импульсных токов также влияет асинхронность срабатывания отдельных полюсов коммутационного аппарата [2].

Данные явления создают риск возникновения в электрических цепи перенапряжений высокочастотного характера с крутым фронтом волны. Если силовые трансформаторы не оснащены электростатическими экранами, эти перенапряжения способны передаваться с высоковольтной стороны на низковольтную посредством емкостной связи обмоток [6].

При переходе через токоограничивающий реактор наблюдается существенное усиление высокочастотных перенапряжений. Это приводит к серьезному негативному воздействию на сам реактор и последующие в цепи оборудование – вплоть до нарушения функционирования и полного выхода из строя [3].

Для борьбы с коммутационными перенапряжениями в сетях высокого напряжения получили распространение следующие устройства: нелинейные ограничители перенапряжения, демпфирующие RC-цепи и устройства управляемой коммутации высоковольтного выключателя [4, 5, 9].

Целью данной работы является сравнительный анализ вышеуказанных устройств по параметру снижения высокочастотных коммутационных перенапряжений с крутым фронтом волны.

Исследование переходных процессов при коммутации электрической сети с различным набором устройств защит от перенапряжений

С целью учета высокочастотных явлений, сопровождающих процесс коммутации, была разработана имитационная модель высоковольтного выключателя В-500кВ в трехфазном исполнении. Данная модель продемонстрирована на рисунке 1.

1 – силовые контакты выключателя; 2 – электрическая дуга между контактами; 3 – блок задания момента времени коммутации; 4 – блок формирования команды на повторные зажигания и погасания дуги; 5 – блок формирования команды на погасание дуги при срезе тока

Рисунок 1. Имитационная модель высоковольтного выключателя В-500кВ

Для модели высоковольтного выключателя В-500кВ заданы такие параметры:

- ток среза до нулевого перехода 5 А [8];

- линейную динамику восстановления электрической прочности между контактами со скоростью 5 кВ/мкс [7];

- пороговая скорость изменения тока 27 А/мкс, при которой еще возможно погасание дуги [1];

Имитационная модель предполагает идеальное срабатывание каждого полюса выключателя в заданный интервал времени (без разброса по времени отключения полюса выключателя).

Расчетная схема, позволяющая исследовать распространение перенапряжений с высоковольтной сторону на сторону низкого напряжения изображена на рисунке 2.

Рисунок 2. Расчетная схема для исследования перенапряжений

Параметры расчетной схемы:

- катушечная емкость реактора С_к = 0,13 нФ/6 = 0,02166 нФ;

- катушечная индуктивность реактора L_к = 2,862 мГн/6 = 0,477 мГн;

- емкости реактора на землю для цепочной П-схемы замещения для фаз А, В, С, С_{з ф.А} = (0,1 нФ/12), С_{з ф.В} = (0,14 нФ/12), С_{з ф.С} = (0,12 нФ/12);

- индуктивность ошиновки 13,8 кВ L_{ошиновки} = 19 мкГн;

- параметры ошиновки 500 кВ включаемого силового трансформатора RLC_{ошиновки} = 0,23 Ом / 0,739 мГн / 0,00345 мкФ;

- суммарная емкость ошиновки 500 кВ С_{ошиновки_сум} = 0,5 мкФ;

- межобмоточная емкость ТГ С_ВН-НН = 2,4 нФ;

- емкость обмотки ТГ на землю С_НН = 9 нФ;

- емкость обмотки ВН ТБ на землю по измерениям С_зТБ = 0,337 нФ;

- емкость между выводами реактора фаз А-В, В-С, С-А, С_А-В = 0,09 нФ, С_В‑С = 0,094 нФ, С_С-А = 0,075 нФ;

- сопротивление заземления R_з = var(0,1-100) Ом;

- параметры RL_{системы}: U_л = 500 кВ, f = 50 Гц, R_c = 0,2 Ом, L_с = 0,043 Гн;

- параметры ТГ: S_н = 135 МВА, U₁ = 525 кВ, U₂ = 13,8 кВ, R_µ = 1,06∙10³ о.е., R₁ = R₂ = 1,87∙10^‑3 о.е., L₁ = L₂ = 6,04∙10^-2 о.е., L_µ = 3,06∙10² о.е.;

- параметры ТБ: S_н = 630 кВА, U₁ = 13,8 кВ, U₂ = 0,4 кВ, R_µ = 4,06∙10² о.е., L_µ = 4,26∙10² о.е., R₁ = R₂ = 5,40∙10^‑3 о.е., L₁ = L₂ = 2,95∙10^-2 о.е.;

- параметры RC_{цепочка} = 2000 Ом / 0,3 мкФ, ОПН класса 15 кВ;

- параметры асинхронного двигателя МНУ: P_н = 110 кВт, U_н = 0,4 кВ.

Отсутствие электростатических экранов в конструкции трансформаторов ТГ является причиной наличия емкостной связи C_вн-нн между обмотками разных напряжений.

Токоограничивающий реактор L_к1-к6 моделируется в расчетной схеме как линия с распределенными параметрами. Для этого его конструкция представляется в виде последовательной цепи ячеек с сосредоточенными параметрами.

Результаты моделирования представлены на рисунках 3-8. Сравнение результатов моделирования схем с различными устройствами защит от перенапряжений представлены в таблице 1.

(А)

(Б)                                                                (В)

А – фазные токи на высоковольтном выключателе В-500кВ, Б – фазные напряжения и фазные токи на низкой стороне силового трансформатора ТГ, В – линейные перенапряжения за токоограничивающим реактором L_к1-к6.

Рисунок 3. Результаты моделирования при коммутации электрической сети без устройств защит от перенапряжений

(А)

(Б)

(В)

А – фазные токи на высоковольтном выключателе В-500кВ, Б – фазные напряжения и фазные токи на низкой стороне силового трансформатора ТГ, В – линейные перенапряжения за токоограничивающим реактором L_к1-к6.

Рисунок 4. Результаты моделирования при коммутации электрической сети с набором устройств защит от перенапряжений: ОПН-1, ОПН-2

(А)

(Б)

(В)

А – фазные токи на высоковольтном выключателе В-500кВ, Б – фазные напряжения и фазные токи на низкой стороне силового трансформатора ТГ, В – линейные перенапряжения за токоограничивающим реактором L_к1-к6.

Рисунок 5. Результаты моделирования при коммутации электрической сети с набором устройств защит от перенапряжений: RC-цепь

(А)

(Б)

(В)

А – фазные токи на высоковольтном выключателе В-500кВ, Б – фазные напряжения и фазные токи на низкой стороне силового трансформатора ТГ, В – линейные перенапряжения за токоограничивающим реактором L_к1-к6.

Рисунок 6. Результаты моделирования при коммутации электрической сети с набором устройств защит от перенапряжений: упр. ком. (±2,0 мс)

 (А)

(Б)

(В)

А – фазные токи на высоковольтном выключателе В-500кВ, Б – фазные напряжения и фазные токи на низкой стороне силового трансформатора ТГ, В – линейные перенапряжения за токоограничивающим реактором L_к1-к6.

Рисунок 7. Результаты моделирования при коммутации электрической сети с набором устройств защит от перенапряжений: ОПН-1, ОПН-2, RC-цепь

 (А)

(Б)

(В)

А – фазные токи на высоковольтном выключателе В-500кВ, Б – фазные напряжения и фазные токи на низкой стороне силового трансформатора ТГ, В – линейные перенапряжения за токоограничивающим реактором L_к1-к6.

Рисунок 8. Результаты моделирования при коммутации электрической сети с набором устройств защит от перенапряжений: упр. ком. (±2,0 мc), ОПН-1, ОПН-2, RC-цепь

Таблица 1.

Сводная таблица результатов моделирования

Заключение

Прохождение коммутационных перенапряжений через токоограничивающий реактор приводит к их значительному усилению. Был проведен сравнительный анализ различных устройств защиты для подавления этих перенапряжений.

Наиболее эффективным средством ограничения является ОПН (ограничитель перенапряжений нелинейный). Поскольку ОПН установлены как до реактора (со стороны НН трансформатора ТГ), так и после него (со стороны ВН трансформатора ТБ), они совместно ограничивают перенапряжения до своего двукратного защитного уровня (защитный уровень ОПН класса 15 кВ составляет 35 кВ), формируя междуфазную защиту.

RC-цепь показала результаты несколько хуже. Хотя она эффективно гасит высокочастотные составляющие переходного процесса, ее применение приводит к значительной неравномерности перенапряжений по фазам.

Метод управляемой коммутации наиболее эффективно снижает общий уровень перенапряжений в сети. Однако, если использовать его отдельно без других защитных устройств, наблюдается резкий рост перенапряжений непосредственно за токоограничивающим реактором. Дополнительным преимуществом управляемой коммутации является эффективное подавление бросков тока.

Каждое из рассмотренных средств защиты имеет свои преимущества и недостатки. Наивысшая эффективность в снижении перенапряжений достигается при комбинированном применении всех указанных методов.

Список литературы:

1. Аверьянова С.А., Акатнов Н.И., Тонконогов Е.Н. Моделирование теплообмена при взаимодействии потока газа с электрической дугой отключения в высоковольтных элегазовых выключателях // Труды Четвертой Российской национальной конференции по теплообмену, Москва, октябрь, 2006 – 33-36 с.
2. Базавлук А.А., Сарин Л.И., Михайловский Г.Г., Наумкин И.Е., Гоголюк В.В. Перенапряжения при коммутациях вакуумных выключателей // Энергоэксперт. – 2011. – № 2. – С. 27-32.
3. Волков М.С., Гусев Ю.П. Оценка влияния характеристик токоограничивающего реактора на переходные восстанавливающиеся напряжения на контактах высоковольтного выключателя при отключении токов короткого замыкания [Электронный ресурс] : Электронный научно-технический журнал «Наука и образование», 2013. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/otsenka-vliyaniya-harakteristik-tokoogranichivayusc hego-reaktora-na-perehodnye-vosstanavlivayuschiesya-napryazheniya-na-kontaktah.
4. Евдокунина Г.А., Таджибаева. Защита сетей 6-35 кВ от перенапряжений // Под ред. Халилова Ф.Х., А.И. - Санкт-Петербург. -Энергоатомиздат. -2002. -270 с.
5. Емельянов Н.И., Ильиных М.В., Кириленко М.Л. Экспериментальные исследования и моделирование коммутационных перенапряжений и средств защиты присоединений с трансформаторами 6-35 кВ [Электронный ресурс] : Релейная защита и автоматизация, 2021, стр. 58-69. URL: https://pnpbolid.com/publikacii/stati.
6. Ниту М.С., Николае И.Д., Николае М.С., Мирча П. М. Перенапряжения, передаваемые в обмотках трансформатора при ударе молнии – аналитический метод определения и экспериментальных измерений [Электронный ресурс] : международный рецензируемый журнал открытого доступа «Прикладные науки», май, 2025 – 16 с. URL: https://doi.org/10.3390/app15115861.
7. Номинальные параметры элегазовых выключателей высокого напряжения [Электронный ресурс] // Сайт научных публикаций poznayka.org. URL: https://poznayka.org/s102965t2.html.
8. Рекомендации по эксплуатации и выбору выключателей, работающих в цепи шунтирующих реакторов / РД 153-34.3-47.501-2001 : утв. Департаментом электрических сетей РАО «ЕЭС России» 06.07.2001. - М.: Изд-во СПО ОРГРЭС, 2001. – 8 с.
9. Суд Д. Снижение коммутационных напряжений в высоковольтных линиях электропередачи [Электронный ресурс] : Международный журнал научных и инженерных исследований, Том 4, выпуск 6, июнь, 2013 – С. 64-68. URL: https://studylib.net/doc/18187445/reduction-of-switching-over-voltages-in-h.v. -transmission...