Волновые процессы в электрических машинах

18.01.202321.01.2023 admin 0 Comments

Волновые процессы в обмотках вращающихся электрических машин

Генераторы крупных электрических станций защищают от волн набегающих на подстанцию каскадным методом (каскад защитных аппаратов). Защитные аппараты устанавливают на шинах подстанций (на каждой секции), с высокой и низкой стороны силовых трансформаторов, со стороны высокого, среднего и низкого напряжений автотрансформатора.

Генераторы небольших электростанций, работающих без трансформаторов непосредственно на напряжении потребителя (малые ГЭС, ветровые электростанции малой мощности и т.д.) защищаются от волн грозовых перенапряжений, набегающих с линий, в зависимости от их мощности.

Стержневые молниеотводы не защищают генераторы от высоких градиентов перенапряжений DU, поэтому устанавливают ОПН параллельно с емкостью. Емкость сглаживает крутизну импульсных волн.

При мощности генераторов меньше 3 кВА применяется схема
, показанная на рис. 5.8.

W£3 кВА

Рис. 5.8. Защита генераторов небольших электростанций

Если мощность генератора W³3 кВА применяют дополнительные меры: кабельная вставка (100-150 м), два трубчатых разрядника (рис.5.9).

Волновые процессы в электрических машинах. Смотреть фото Волновые процессы в электрических машинах. Смотреть картинку Волновые процессы в электрических машинах. Картинка про Волновые процессы в электрических машинах. Фото Волновые процессы в электрических машинах

Рис. 5.9. Защита генераторов небольших электростанций

Импульс, приходящий на разрядник РТ1, вызывает его срабатывание. В нем загорается дуга, и жила кабеля оказывается замкнутой накоротко с оболочкой. Как только дуга гаснет, жила отсоединяется от оболочки. За время горения дуги в разряднике РТ1 высокочастотный ток импульса вытесняется на оболочку кабеля, т.к. оболочка хорошо защищена и ток молнии стекает в землю. Если РТ1 не сработает, то сработает ОПН.

При большом значении тока ставятся токоограничивающие реакторы, мощность которых выбирается не большой (Рис. 5.10).

Рис. 5.10. Защита генераторов небольших электростанций с большими токами

Литература

1. РАО «ЕЭС России». Методические указания по применению ограничителей в электрических сетях 110-750 кВ /Разработчики: «Электросетьпроект», ВНИИЭ, «Электропроект». Исполнители: Ю.И. Лысков, Н.П. Антипова, О.Ю. Демина и др.- М.: Изд-во НТК «Электропроект», 2000.

2. РАО «ЕЭС России». Методические указания по применению ограничителей нелинейных в электрических сетях 6-35 кВ /Разработчики: «Электросетьпроект», ВНИИЭ, «Электропроект» при участии «Теплопроекта». Исполнители: Ю.И. Лысков, Н.П. Антипова, О.Ю. Демина и др.- М.: Изд-во НТК «Электропроект», 2001.

3. Правила устройства электроустановок. 7-е издание.

4. Электротехнический справочник. Под ред. профессоров МЭИ. 8-е изд. Том 3. Раздел 44. Перенапряжения в электроэнергетических системах и защита от них. – М.: Издательство МЭИ, 2004.

5. Ограничители перенапряжений в электроустановках 6-750 кВ. Методическое и справочное пособие. Под ред. М.А. Аронова.- М.: «Знак», 2001.

6. Техника высоких напряжений: Учебник для вузов / И.М. Богатенков, Ю.Н.Бочаров, Н.И. Гумерова, Г.М. Иманов и др.; Под ред Г.С. Кучинского.- СПб: Энергоатомиздат, Санкт-Петербургское отделение, 2003.

7. Лопухова Т.В., Саитбаталова Р.С., Бикбов Р.Ш. Внутренние перенапряжения в сетях 6-35 кВ. – Казань: КГЭУ, 2004.

1. Базуткин В.В., Кадомская К.П., Кучинский Г.С. Перенапряжения в электроэнергетических системах. Учебное пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1995 2. Базуткин В.В. и др. Техника высоких напряжений: Изоляция и перенапряжения в электрических системах: Учебник для вузов/ Под общ. Ред. В.П. Ларионова. М. Энергоатомиздат, 1986.

3. Техника высоких напряжений / Под общ. ред Д.В. Разевига. – М.: Энергия, 1976.

4. Голдобин Д.А., Кадомская К.П., Лавров Ю.А. Волновые процессы и перенапряжения в кабельных линиях высокого напряжения: Учеб. пособие / Новосиб. электротехн. ин-т.- Новосибирск, 1987.

5. Кадомская К.П. Коммутационные перенапряжения в цепях блоков генератор-трансформатор и в сетях собственных нужд электрических станций: Учеб. пособие.- Новосибирск: НЭТИ, 1983.

Источник

Волновые процессы в электрических машинах

Название: Волновые процессы в электрических машинах
Автор: Геллер Б., Веверка А.
Издательство: М.: Госэнергоиздат
Год: 1960
Формат: DjVu
Страниц: 632
Размер: 11.7 MB
Язык: Русский

Книга посвящена исследованию волновых процессов в трансформаторах и вращающихся электрических машинах. Рассматриваются теория свободных колебаний напряжения при импульсах в различных типах катушек и обмоток трансформаторов; теория волновых процессов в электрических машинах. Описываются различные схемы генераторов импульсных напряжений, делителей напряжения; рассматриваются вопросы техники импульсных испытаний и измерений и вопросы теории моделирования волновых процессов в трансформаторах. Приводится описание различных устройств и средств защиты трансформаторов и вращающихся машин от импульсных перенапряжений. В книге дается подробный критический обзор работ различных авторов по рассматриваемым вопросам.
Книга рассчитана на инженеров и научных работников, занимающихся исследованием волновых процессов или связанных с проектированием и эксплуатацией электрических машин и трансформаторов.

Изменил: Почемучка по причине: восстановлены

Источник

Волновые процессы в электрических машинах

Некоммерческое акционерное общество

АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра “Электрические станции, сети и системы ”

ВОЛНОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ

для профильной магистратуры специальности
6М071800 –Электроэнергетика (специализация Электроэнергетические системы и сети)

В конспекте лекций рассматриваются вопросы посвященные распространению волн в проводах с учетом потерь, преломлениями отражениям волн, повышение напряжения резонансного характера.

Изучаются поведение сетей при различных видах заземления нейтрали, процессы перенапряжений при отключении емкостных и малых индуктивных токов и описываются работы систем при заземлении нейтрали через катушку Петерсена.

Ил.26, табл. 2, библиогр.- 8 назв.

Рецензент: проф. Башкиров М.В.

Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества «Алматинский университет энергетики и связи» на 2012 г.

Предметом изучения курса «Волновые процессы в электрических сетях» являются вопросы возникновения внутренних и внешних (грозовых) перенапряжений, воздействующих на линии электропередачи и оборудование подстанций; распространения волн в проводах с учетом потерь, преломления и отражения волн; повышение напряжения резонансного характера.

Изучаются поведение сетей при различных видах заземления нейтрали, процессы перенапряжений при отключении емкостных и малых индуктивных токов.

Цель дисциплины – изучение магистрантами теоретических основ волновых процессов в электрических системах. Освоение методик расчета и анализа режимов работы ВЛ; проектирования, монтажа и эксплуатации электрических установок высокого напряжения связанных с работой изоляции; изучение волновых процессов в схемах; грозовых и внутренних перенапряжений, средств и способов защиты от перенапряжений.

Дисциплина базируется на изучении научных основ автоматизации, управлении диспетчеризации энергообъединений, основных проблемах эксплуатации электрических сетей и систем, средств и способов обеспечения режима устойчивости режима электрических сетей.

1 Лекция. Перенапряжения в электрических системах. Общие сведения, классификация перенапряжений

Содержание лекции: общая характеристика и основные характеристики перенапряжений, внешние и внутренние перенапряжения.

Цели лекции: изучение причин возникновения и классификации перенапряжений в электрических системах.

1.1 Общая характеристика перенапряжений

Современная объединенная энергосистема включает в себя электрические станции и подстанции, генерирующие и преобразующие электрическую энергию и электрические сети, передающие электроэнергию и распределяющие ее между потребителями. Для передачи электрической энергии от источника к потребителю требуется надежная изоляция токоведущих частей относительно земли и между собой. Различные элементы электрических сетей (генераторы, трансформаторы, коммутирующие и измерительные аппараты, воздушные и кабельные линии) и условия работы их изоляции обуславливают разнообразие используемых в них изоляционных конструкций.

Изоляция электрических сетей подвергается длительному (в течение всего срока эксплуатации) воздействию рабочего напряжения, изменение которого допускается в ограниченных пределах. Так, рабочее напряжение не должно превышать 115% от номинального напряжения для сетей до 220 кВ включительно; 110% для сетей 330 кВ, 105% для сетей 500 кВ и выше.

В условиях эксплуатации изоляция подвергается также многократному воздействию внутренних и грозовых перенапряжений. Наряду с этим изоляция подвергается температурным и механическим воздействиям, приводящим к ухудшению ее электрических и механических свойств.

Длительное воздействие рабочего напряжения, а также многократное воздействие перенапряжений в сочетании с неблагоприятными атмосферными условиями (колебания давления, температуры, влажности воздуха; выпадение осадков; загрязнение) и механическими воздействиями могут привести к пробою или перекрытию изоляции, а также к постепенному старению изоляции и преждевременному выходу ее из строя. Кроме того, воздействие рабочего напряжения приводит к потерям энергии в изоляции электропередачи, а также к возникновению радиопомех.

Перед работниками электроэнергетики и электропромышленности стоит задача изыскать наиболее экономичные схемы, конструкции и типы оборудования для подстанций и линий электропередачи высокого напряжения. В выполнении этой задачи важную роль играет техника защиты от перенапряжений.

В нормальном режиме напряжение на изоляции оборудования не должно повышаться сверх наибольшего рабочего напряжения. Всякое превышение мгновенным значением напряжения на изоляции амплитуды наибольшего рабочего напряжения принято называть перенапряжением. В большинстве случаев перенапряжения имеют кратковременный характер, так как они возникают при быстро затухающих переходных процессах или в аварийных режимах, время существования которых ограничивается действием релейной защиты и системной автоматики. Различные виды перенапряжений имеют длительность от единиц микросекунд до нескольких часов. Даже самые кратковременные перенапряжения способны привести к пробою или перекрытию изоляции и связанной с этим необходимостью последующего отключения поврежденного элемента сети, т.е. к перерывам в электроснабжении потребителей или снижением качества электроэнергии.

В зависимости от места приложения различают следующие виды перенапряжений:

1) фазные, воздействующие на изоляцию токоведущих частей по отношению к земле и имеющие наибольшее практическое значение;

2) междуфазные, возникающие на изоляции между токоведущими частями различных фаз;

3) внутриобмоточные, воздействующие на изоляцию между различными элементами обмотки (витками, катушками) одной фазы;

4) междуконтактные, приложенные между разомкнутыми контактами одноименных фаз коммутационных аппаратов (выключателей, разъединителей).

Основными характеристиками перенапряжений являются:

1) максимальное значение или кратность по отношению к амплитуде соответствующего наибольшего допустимого рабочего напряжения;

2) длительность воздействия;

4) широта охвата элементов сети.

1.2 Внешние и внутренние перенапряжения

По причинам возникновения перенапряжения подразделяются на следующие:

· внешние – от разрядов молнии (грозовые перенапряжения) и от воздействия внешних источников;

· внутренние – возникающие при резонансных явлениях, при авариях и при коммутациях элементов электрической цепи.

Главным источником внешних перенапряжений в высоковольтных электрических сетях являются разряды молнии. Внешние перенапряжения подразделяются: на линии и на подстанции при прямом ударе молнии (ПУМ); индуктированные на линий и на изоляции электрической машины; на подстанции и электрической машине вследствие прихода волн с линии.

При ударе молнии вблизи от воздушной линии или распределительного устройства возникают индуктированные перенапряжения, обусловленные взаимной электромагнитной (индуктивной и емкостной) связью канала молнии с токоведущими и заземленными элементами сети. Они в большинстве случаев имеют меньшую величину, чем перенапряжения от прямого удара молнии, но представляют опасность для изоляции оборудования сетей с номинальным напряжением до 110 кВ включительно. Импульсы грозовых перенапряжений могут также воздействовать на изоляцию электроустановок, расположенных на значительном удалении от места удара молнии, так как грозовые волны распространяются по линиям электропередач на значительные расстояния с малым затуханием.

Набегающие по воздушным линиям на распределительные устройства грозовые волны могут представлять опасность для электрооборудования станций и подстанций, которое имеет меньшие запасы электрической прочности по сравнению с линейной изоляцией.

Грозовые перенапряжения могут передаваться через трансформатор в его нейтраль и на вторичную сторону как магнитным (по коэффициенту трансформации), так и электростатическим путем (через межобмоточные емкости). Учитывая оба механизма, грозовые перенапряжения представляют опасность и для изоляции разземляемой нейтрали трансформатора, и для изоляции вторичной обмотки трансформатора, а также оборудования к ней присоединенного.

Волны перенапряжений, возникающие на линии, набегают на подстанцию, где они воздействуют на изоляцию трансформаторов, аппаратов и ошиновки. Изучение атмосферных перенапряжений на линиях и подстанциях основывается на теории волновых процессов в линиях и в схемах, содержащих линии.

Внутренние перенапряжения в зависимости от длительности воздействия на изоляцию подразделяются на квазистационарные и коммутационные.

Квазистационарные перенапряжения возникают при временных с точки зрения эксплуатации режимах работы и неблагоприятных сочетаниях параметров сети и могут продолжаться до тех пор, пока не изменится схема или режим сети. Длительность таких перенапряжений (от секунд до десятков минут) ограничивается действием релейной защиты или оперативного персонала. Квазистационарные перенапряжения условно делят на режимные, резонансные, феррорезонансные.

Режимные перенапряжения наблюдаются при неблагоприятных сочетаниях действующих в сети электродвижущих сил. К ним можно отнести перенапряжения при несимметричном коротком замыкании (или просто замыкании) на землю, а также при перевозбуждении и разгоне генератора, которые возникают в случае внезапного сброса нагрузки.

Резонансные перенапряжения имеют место при приближении одной из собственных частот колебаний отдельных участков сети к частоте вынуждающей э.д.с (как правило, частота 50 Гц). Они развиваются в контурах, содержащих емкость и ненасыщенную индуктивность – например, при одностороннем питании линии электропередачи 110-750 кВ большой протяженности; в неполнофазных режимах воздушной линии 500-750 кВ с присоединенными к ней шунтирующими реакторами, в сетях 6-35 кВ при недокомпенсации индуктивностью ДГР емкости сети.

Феррорезонансные перенапряжения могут развиваться в контурах, содержащих емкость и индуктивность с насыщенным магнитопроводом. Такие перенапряжения наблюдаются как на промышленной частоте, так и на высших и низших гармониках.

Нередко феррорезонансные процессы имеют место при неполнофазном питании силовых трансформаторов, которое может быть вызвано: перегоранием плавких вставок высоковольтных предохранителей в одной или двух фазах, неполнофазными коммутациями разъединителей или выключателей, обрывами проводов (или шлейфов на опорах) воздушных линий. Возникновение феррорезонансных процессов возможно и в схемах с измерительными трансформаторами напряжения (ТН) электромагнитного типа. Этот вид перенапряжений представляет опасность, главным образом, только для электромагнитных трансформаторов напряжения. В качестве примера можно привести феррорезонанс на сборных шинах РУ 110-750 кВ с электромагнитными ТН и воздушными выключателями, шунтированными емкостными делителями напряжения.

Коммутационные перенапряжения возникают при всевозможных быстрых изменениях режимов работы сети. Они происходят вследствие работы коммутационных аппаратов (включение и отключение элементов сети), пробоях изоляции, а также при резком изменении параметров нелинейных элементов. Наибольшее значение среди них имеют перенапряжения при коммутациях воздушных линий электропередачи, кабелей, двигателей, индуктивных элементов сети (трансформаторов, реакторов), конденсаторных батарей.

2 Лекция. Воздействие грозовых перенапряжений на изоляцию воздушных линий и электрооборудование открытых распределительных устройств. Молния и ее воздействия.

Содержание лекции: развитие грозового разряда, электрические характеристики молнии, характеристики грозовой деятельности.

Цели лекции: изучение процесса электризации облаков, определение электрических характеристик молнии, определение среднего числа грозовых часов в год и среднего числа ударов молнии п_уд.

2.1 Молния. Развитие грозового разряда

Молния представляет собой электрический разряд между облаком и землей или между облаками. Процесс электризации облаков выглядит следующим образом. Капли воды, достигшие области отрицательных температур, замерзают. Замерзание начинается с поверхности капли, которая покрывается корочкой льда. Имеющиеся в воде положительные ионы под действием разности температур перемещаются к поверхностному слою капли и заряжают его положительно, в то время как жидкой сердцевине капли сообщается при этом избыточный отрицательный заряд. Когда замерзает сердцевина капли, то вследствие ее расширения ранее замерзший поверхностный слой лопается и его положительно заряженные осколки уносятся потоком воздуха в верхние части облака. Таким образом, нижняя часть грозового облака оказывается заряженной отрицательно, а вершина –положительно.

По мере концентрации в нижней части облака отрицательных зарядов увеличивается напряженность электрического поля, и когда она достигает критического значения (20-24 кВ/см), происходит ионизация воздуха и в сторону земли начинает развиваться разряд.

На начальной стадии, называемой лидерной, молния представляет собой относительно медленно (со скоростью в среднем 1,5-10 5 м/с) развивающийся слабо светящийся канал (лидер). Заряды облака и лидера индуктируют на поверхности земли и на расположенных на ней объектах заряды другого знака. По мере приближения лидера к земле индуктированный заряд и напряженность электрического поля на вершинах возвышающихся над поверхностью земли объектов возрастают, и с них могут начать развиваться встречные лидеры, имеющие заряды, по знаку обратные заряду лидера. Ток в лидерной стадии молнии имеет порядок десятков и сотен ампер.

Когда канал развивающегося от облака лидера приближается к земле или к одному из встречных лидеров, то между ними на расстоянии 25-100 м возникает высокая напряженность электрического поля, среднее значение которой 10 кВ/см. Этот промежуток пробивается за несколько микросекунд, и в нем выделяется энергия порядка 0,5-5 МДж, которая расходуется на нагрев и термоионизацию. Проводимость этой части канала резко возрастает, и зона повышенной напряженности перемещается по направлению к облаку. Этот процесс, называемый главным разрядом, сопровождается сильным свечением канала разряда. Ток в канале за 5-10 мкс достигает десятков и даже сотен килоампер, а затем за время 25-200 мкс спадает до половины амплитудного значения. В течение этого очень короткого времени канал разряда разогревается до температуры 20-30 тыс. °С.

При нагревании канал разряда быстро расширяется, что вызывает распространение в окружающем воздухе ударной волны, имеющей на своем фронте высокое давление и воспринимаемой как гром. Во время главного разряда происходит нейтрализация зарядов лидера. Нарастание тока главного разряда (фронт импульса тока) соответствует нейтрализации зарядов в лидерном канале, а спад тока – нейтрализации зарядов в зоне ионизации лидера.

В завершающей (финальной) стадии молнии по каналу в течение десятков миллисекунд проходит ток порядка десятков и сотен ампер. В это время нейтрализуются заряды облака. Часто на ток финальной стадии накладываются импульсы тока повторных разрядов, во время которых разряжаются на землю скопления зарядов, расположенные в разных местах по высоте грозового облака. Яркие вспышки канала при повторных разрядах воспринимаются как мерцание молнии.

В большинстве случаев молния состоит из двух-трех отдельных разрядов, однако наблюдались молнии и с несколькими десятками компонентов. Такая многокомпонентная молния может длиться до 1 с. Чаще всего длительность удара молнии не превышает 0,1 с.

2.2 Электрические характеристики молнии

Полярность. Установлено, что независимо от географической широты регистрируются разряды из положительного и отрицательного грозового облака. Однако в большинстве случаев подавляющее число разрядов все же происходит из отрицательной полярности. Так, в 83 % случаев в нашей стране, в 63 % – в США и в 93 % – в Швеции из облака к земле переносится отрицательный заряд.

Число импульсов. В разряде молнии за время его существования возможно от 2 до 42 импульсов. Если частота их следования составляет 18-22 импульсов в 1 с, то человеческий глаз наблюдает разряд молнии в виде мерцания.

Амплитуда и крутизна. Ток молнии изменяется по экспоненциальному закону, когда он протекает по сопротивлению молниеотвода. Его амплитуду и крутизну отмечают регистраторы во всех грозовых районах мира, чтобы правильно определить средства грозозащиты в электрических системах и на сооружениях. С этой целью даются характеристики (см.рисунок 1) вероятностей распределения токов молнии и ее крутизны, возможен расчет токов и крутизны молнии на равнинной поверхности Земли:

Источник

Волновые процессы в обмотках вращающихся электрических машин

Волновые процессы в обмотках автотрансформаторов

Повреждение изоляции автотрансформаторов волнами грозовых перенапряжений, набегающих с линий электропередачи недопустимо из-за большой стоимости автотрансформаторов.

Защитные аппараты устанавливаются у АТ со всех трех сторон – высокого, среднего и низкого напряжения.

Распределение напряжения по обмотке автотрансформаторов

Установка защитного аппарата со стороны НН необходима в случае, если обмотка может оказаться ненагруженной. Между обмотками, имеющими трансформаторную связь, также существует емкостная связь и за счет этого происходит емкостная трансформация импульса в обмотку НН со стороны ВН (СН).