Дуговые перенапряжения в сетях с изолированной нейтралью

Подавляющее большинство нарушений нормальной работы сетей с изолированной нейтралью связано с повреждением изоляции относительно земли, то есть с однофазным замыканием на землю. Установившееся значение тока в месте повреждения как следует из §.1.2. определяется емкостью фаз на землю. Для обеспечения максимально возможной надежности работы сети необходимо, чтобы ток замыкания был настолько мал, чтобы в течение достаточно длительного времени (времени, необходимого для поиска и устранения повреждения) можно было бы обойтись без отключения потребителей. Согласно [2] такими допустимыми токами замыкания, не требующими немедленного отключения потребителей, считаются токи 30, 20, 10 А (для сетей 6, 10, 35 кВ соответственно). В сетях генераторного напряжения и в сетях, содержащих высоковольтные электродвигатели, допустимым током однофазного замыкания считается ток 5 А. Заметим, что во многих странах безопасные величины токов замыкания существенно ниже (около 3-7 А).

Реальная картина переходного процесса дугового замыкания и гашения тока достаточно сложна,и к тому же этот процесс сопровождается возникновением значительных перенапряжений, которые сами по себе или при их наложении на переходные процессы другого вида (например, коммутационные перенапряжения при включении) могут быть опасными для изоляции оборудования сети.

Рассмотрим приближенную схему замещения сети с изолированной нейтралью (рис.4.6), в которой можно выявить все особенности переходного процесса дугового замыкания.

Рис.4.6. Схема замещения сети для анализа дуговых замыканий.

Здесь допустимо не учитывать распределенность параметров линий и продольные индуктивности кабелей и воздушных линий. Не учитываются также активные сопротивления и проводимости сети.

Предположим, что первое замыкание фазы » а » произошло в момент достижения этой фазой амплитудного напряжения (t = t₁,см. рис.13.2a). До момента замыкания фазы t = t₁— 0 (см. рис.13.2б)напряжения на емкости С в фазе «с» было , uс (1) (t₁— 0) = 0,5, а на емкости С_т соответственно равнялось и_са (t₁— 0) = √3 cos(π/2 + π/3) = 1,5 (выделенные емкости, см. рис.4.6).

Рис.4.7. Переходный процесс при дуговых замыканиях.

Начиная с момента времени t = t₁ + 0, эти емкости оказываются включенными параллельно, следовательно, произойдет мгновенное пере­распределение зарядов для выравнивания их потенциалов. Используя закон коммутации о неизменности суммарного заряда на емкостях в моменты времени

Таким образом, при возникновении замыкания в фазе » а » в момент t = t₁ (при амплитудном значении напряжения) напряжение на фазе «с» претерпевает скачок от uс (1) (t₁— 0) = 0,5 до uс (1) (t₁+0) = 0,7 (см. рис.13.2б). Далее начинается второй этап переходного процесса, связанного с перезарядом емкостей С и С_т неповрежденных фаз в колебательном процессе. При замыкании фазы » а » в момент максимума ее напряжения начальные напряже­ния на фазах » b » и » с » одинаковы: ub (1) (t₁₊0) = uс (1) (t₁+0) = 0,7 (см. рис.13.2б). становившиеся значения напряжений на этих фазах равны соответствующим линейным напряжениям: и_b (2) _уст (t)= e_ba(t), uc (2) _уст (t) = e_ca(t).

Частота колебательного переходного процесса установления нового режима, как правило, очень высока. За время установления можно считать, что вынужденные составляющие мало изменятся от своего первоначального значения и_b (2) (t1)= uc (2) (t1)= 1,5 при котором они были равны друг другу. Частота β переходного процесса может быть определена следующим образом. Предположив, что за время переходного процесса потенциалы фаз и_b и и_с остаются одинаковыми, объединим эти точки схемы (см. рис.4.6), отбросив емкость С_т между фазами » b » и «с». Тогда ветви с эдс е_b и е_с и индуктивностями L соединяются параллельно, при этом их эквивалентная индуктив­ность равна L/2 (рис.4.8а). Схема (рис.4.8а) может быть преобразована к схеме (рис.4.86), откуда сразу определяется частота свободных колебаний напряже­ния на фазе «с» (» b»).

Рис.4.8 Эквивалентные преобразования схемы замещения (рис.4.6)

иb мах = uс мах =2Е- и_нач =2·(3/2)-0,7 = 2,3

Дальнейшее развитие процесса определяется условиями гашения тока дуги и повторными пробоями места повреждения. Наиболее благоприятные условия для гашения дуги создаются в моменты времени, когда ток дуги близок к нулю. Первая возможность гашения тока дуги имеет место спустя половину периода собственных колебаний высокочастотного тока (см. рис.4.7в), момент времени t=t₂. Здесь же показан фрагмент установившегося емкостного тока замыкания на землю iу(t), имеющего существенно меньшее амплитудное значение и частоту по сравнению с высокочастотным переходным током замыкания.

Гашение дуги возвращает схему к исходному симметричному виду. При этом начальные значения напряжений на емкостях фаз относительно земли будут: иа (2) (t₂) = 0; иb (2) (t₂) = ис (2) (t₂) = и_тах = 2,3. Напряжение на нейт­рали (напряжение нулевой последовательности) после гашения тока останется постоянным (см. рис.4.7а) и равным: иа (2) + иb (2) + ис (2) 0+2,3+2,3

Протекание процесса в дальнейшем зависит от скорости восстановления электрической прочности дугового промежутка по сравнению со скоростью восстановления напряжения иа (3) (t). В частности, если пробой произойдет на максимуме напряжения (t = t₃, ω₀t₃ = 270 0 ), то это приведет к существенному возрастанию перенапряжений при вторичном зажигании дуги.

Действительно, начальное значение напряжения на фазе «с» (с учетом мгновенного перезаряда емкостей):

а вынужденная составляющая напряжения в этой точке

Отсюда максимальное перенапряжение на фазе «с»:

Здесь, как и раньше, мы предполагаем, что квазистационарное напряже­ние не изменяется во времени (колебание напряжения вокруг оси 0₃ на рис.2.2б, параллельной оси времени).

Горение заземляющих дуг зависит от большого числа факторов, главны­ми из которых являются: величина и характер квазиустановившегося тока замыкания (емкостный, индуктивный, активный) и пробивное напряжение поврежденного места после гашения дуги. На длительность горения и условия гашения оказывают существенное влияние: переходное сопротивление в месте горения дуги; вид диэлектрика, непосредственно контактирующего с дуговым каналом; интенсивность охлаждения; давление в зоне горения дуги; возмож­ность ее растяжения и др.. Большое разнообразие локальных мест однофазных повреждений в элементах электрооборудования и условий горения заземля­ющих дуг, трудно преодолимые проблемы технического анализа и учета всех влияющих факторов в условиях их статистического разброса не позволяют в настоящее время создать детерминированно-статистическую математическую модель дугового промежутка. Однако варьирование таких основных влияю­щих факторов как: время горения заземляющей дуги, пробивное напряжение поврежденного места и переходное сопротивление дают более или менее правдивую картину явления, в целом не противоречащую большому объему накопленных экспериментальных данных.

Рис.4.9. Дуговое замыкание в сети 6 кВ с изолированной нейтралью (ток однофазного замыкания на землю 5А).

Величина максимальных перенапряжений, которые могут возникать каждый полупериод промышленной частоты (при каждом зажигании дуги), зависит от пробивного напряжения ослабленного места, которое, в свою очередь, зависит от прочности промежутка и длительности горения дуги. Зажигания и гашения дуги приводят к появлению напряжения смещения нейтрали, меняющего свою полярность при замыкании в каждый полупериод (в данном расчёте напряжение на нейтрали равно — 1,2 и +1,4).

Перенапряжения в сетях с изолированной нейтралью по описанному выше механизму не возрастают бесконечно, а с течением времени имеют тенденцию к достижению некоторой предельной величины, на которую влияют активные проводимости изоляции на землю и снижение пробивного напряжения в месте повреждения из-за все большего разрушения изоляции дугой. Как правило, кратность дуговых перенапряжений в сетях с изолиро­ванной нейтралью не превышает величины 3,0-3,5 (исключение составляют сети с изолированной нейтралью при наличии токоограничивающих реакторов см. ниже).

Опасность дуговых перенапряжений определяется не столько их величиной, сколько длительностью их существования и тем, что они охватывают всю сеть, создавая возможность пробоев ослабленных мест изоляции неповрежденных фаз в других точках сети. Пробой изоляции на неповрежденной фазе ведет к возникновению двойного замыкания через землю. Двойное замыкания означает, что фаза, поврежденная на одном из присоединений, имеет связь через сопротивление грунта с поврежденной на другом присоединении. Такая ситуация зачастую ведет к протеканию по петле замыкания значительных токов, величина которых меньше уставки действия релейной защиты, но больше номинального тока оборудования. Эти токи, длительно неотключаемые защитой (либо отключаемые с большой выдержкой времени), вызывают термическое разрушение ячеек распределительных устройств и выгорание кабелей на которых существует замыкание, вызывая тем самым междуфазные короткие замыкания. Кроме того повреждаются кабели проложенные рядом с первоначально поврежденными в кабельных каналах и туннелях из-за возгорания изоляции. После такого развития аварии поврежденные присоединения отключаются действием защит от междуфазных коротких замыканий, а распределительные устройства защитами выключателей ввода, обесточивая всех потребителей имеющих питание от данной подстанции. Даже в том случае если защиты имеют достаточную чувствительность к двойным замыканиям существует опасность повреждения токоограничивающих реакторов при них, а также опасность перенапряжений, возникающих при отключении одного из поврежденных присоединений. Таким образом дуговые замыкания на землю являются серьезным фактором, снижающим надежность работы систем электроснабжения.

Источник

Перенапряжения в электрических сетях

Различают следующие характеристики перенапряжений:

максимальное значение Umax или кратность K = Umax/Uном;

широту охвата элементов сети.

Эти характеристики подвержены статистическому разбросу, так как зависят от множества факторов.

При технико-экономическом обосновании мер защиты от перенапряжений и выборе изоляции необходимо учитывать и статистические характеристики ущерба (математическое ожидание и дисперсию) вследствие простоя и внеочередного ремонта оборудования энергосистемы, а также вследствие порчи оборудования, брака продукции, нарушения технологического процесса у потребителей электроэнергии.

Основные виды перенапряжений в сетях высокого напряжения приведены на рисунке 1.

Рис. 1. Основные виды перенапряжений в сетях высокого напряжения

Внутренние перенапряжения вызываются колебаниями электромагнитной энергии, запасенной в элементах электрической цепи или поступающей в нее от генераторов. В зависимости от условий возникновения и возможной длительности воздействия на изоляцию различают стационарные, квазистационарные и коммутационные перенапряжения.

Главной причиной возникновения квазистационарных перенапряжений является емкостный эффект, обусловленный, например, односторонне питаемой от генераторов линией передач.

В некоторых случаях необходимо учитывать также возможность возникновения внутренних перенапряжений повышенной кратности при наложении нескольких коммутаций или других неблагоприятных факторов.

Для ограничения коммутационных перенапряжений в сетях 330-750 кВ, где стоимость изоляции оказывается особенно существенной, применяют мощные вентильные разрядники или реакторы. В сетях более низких классов напряжения для ограничения внутренних перенапряжений разрядники не применяются, а характеристики грозозащитных разрядников выбирают так, чтобы они не срабатывали при внутренних перенапряжениях.

Для обеспечения надежной работы сети необходимо осуществить ее эффективную и экономичную грозозащиту. Защита от прямых ударов молнии осуществляется с помощью высоких вертикальных стержневых молниеотводов и грозозащитных тросов над проводами ВЛ свыше 110 кВ.

Защита от волн, приходящих с линии, осуществляется вентильными и трубчатыми разрядниками на подстанциях усиленной грозозащитой подходов к подстанциям линий всех классов напряжений. Необходимо обеспечивать особо надежную грозозащиту вращающихся машин с помощью специальных разрядников, конденсаторов, реакторов, кабельных вставок и усиленной грозозащитой подхода воздушной линии.

Применение заземления нейтрали сети через дугогасящую катушку, АПВ и резервирования линий, тщательная профилактика изоляции, разрядников и заземления значительно повышают надежность работы линий.

Необходимо отметить, что электрическая прочность изоляции уменьшается при увеличении длительности воздействия напряжения. В связи с этим одинаковые по амплитуде внутренние и внешние перенапряжения представляют неодинаковую опасность для изоляции. Таким образом, уровень изоляции нельзя характеризовать одной величиной выдерживаемого напряжения.

Проблема координации изоляции является одной из главных проблем. Такое положение связано с тем, что использование того или иного номинального напряжения определяется, в конечном счете, соотношением между затратами на изоляцию и на токопроводящие элементы в системе.

В настоящее время координация изоляции в системе до 220 кВ проводится по атмосферным перенапряжениям, а свыше 220 кВ координация должна проводится с учетом внутренних перенапряжений.

Сущность координации изоляции по атмосферным перенапряжениям заключается в координации (согласовании) импульсных характеристик изоляции с характеристиками вентильных разрядников, как основного аппарата по ограничению атмосферных перенапряжений. В соответствии с исследованиями принята стандартная волна испытательного напряжения.

При координации по внутренним перенапряжениям, в силу большего многообразия форм развития внутренних перенапряжений, нельзя ориентироваться на применение одного защитного устройства. Необходимая, краткость должна обеспечиваться схемой сети: шунтирующих реакторов, применением выключателей без повторных зажиганий, применением специальных разрядников.

Для внутренних перенапряжений до последнего времени еще не была проведена нормализация волн для испытания изоляции. В настоящее время накоплен большой материал, и соответствующая нормализация испытательных волн будет вероятно проведена в ближайшем будущем.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Что такое перенапряжение в сети?

Перенапряжение электрической сети представляет серьезную угрозу для любого электрооборудования, включая бытовую технику. Проблема заключается в том, что ввиду природы этого эффекта полностью исключить его проявление невозможно. В связи с этим было разработано несколько решений для защиты электрооборудования, позволяющих минимизировать негативные последствия повышения напряжения. Подробная информация по этой теме представлена ниже.

Что такое перенапряжение в сети и в чем его опасность?

Под данным термином подразумевается повышение напряжения в электросетях или линиях электропередач сверх установленной нормы. Она ограничена 5,0% и 10,0% (допустимое и предельно допустимое отклонение, соответственно). В ГОСТ 13109 91, где описаны нормы, которым должно соответствовать качество электроэнергии дается более детальное определение этому эффекту. Нормативный документ дает описания двум вариантам проявления высокого напряжения:

Перенапряжения опасны тем, что могут не только вывести из строя подключенные к сети приборы, а и разрушить изоляцию электрооборудования. В последнем случае создается угроза для человеческой жизни и повышается риск возникновения аварийной ситуации. Повреждение изоляции электроустановок довольно часто становится причиной пожара.

Пожар, вызванный перенапряжением

В связи с этим, при выборе изоляции необходимо руководствоваться соответствующими нормами, подробную информацию об этом можно найти на страницах нашего сайта.

Разновидности и классификация перенапряжений в сети

В зависимости от факторов, вызвавших повышение уровня напряжения, отклонения принято разделять на следующие виды перенапряжений:

Рассмотрим отдельно различные виды внешних и внутренних перенапряжений, начнем с первых.

Грозовое

Данный вид перенапряжения вызывают грозовые разряды, пришедшиеся на ЛЭП. В результате наблюдаются резкие броски напряжения в линии, при этом норма может быть превышена на порядок и более. Время длительности грозовых импульсов редко приближается к 10,0 мс. Несмотря на столь короткое время величина электрического разряда настолько высока, что подключенное к сети электрооборудование выходит из строя вне зависимости от уровня изоляции.

Ресивер, сгоревший под воздействием импульсных токов

К данному виду также относятся индуктированные перенапряжения, они возникают в том случае, когда разряды молнии приходятся на землю возле ЛЭП. Это вызывает резкий рост интенсивности электромагнитных полей, и, как следствие, образование импульсных токов.

Техногенное

В большинстве случаев данный фактор связан с КЗ между сторонним источником электричества и ВЛ. Характерный пример такой аварии – обрыв контактного провода городского электротранспорта и последующее его попадание на ВЛ, осуществляющей питание жилых домов или других объектов. Результатом этого будет выход из строя электрооборудования, подключенного к сети, где произошла авария.

Существуют и другие техногенные факторы, к таковым даже можно отнести ЭМИ, вызванный ядерным взрывом.

Теперь перейдем к краткому описанию внутренних разновидностей перенапряжения.

Коммутационное

Под данным термином подразумеваются переходные процессы, вызванные резкими изменениями в режимах работы энергосистемы. Такой эффект может вызвать срабатывание коммутационных аппаратов, увеличение индуктивных нагрузок и т.д. Основные причины будут рассмотрены отдельно.

Для данного вида отклонений свойственна высокая частота импульсов напряжения, что касается амплитуды, то она может измеряться в киловольтах. На характер процессов влияют как параметры электросети, так и скорость работы коммутационного оборудования.

Электростатическое

Возникает по причине накопления электростатики в сухой среде. Данный процесс приводит к образованию сильного электростатического поля, разряд которого кратковременно повышает напряжение электросети. Спрогнозировать проявление данного эффекта не представляется возможным.

Импульсное

Помимо грозовых разрядов и коммутационных процессов броски напряжения могут быть вызваны электромагнитными помехами, а также другими причинами, относящимися к квазистационарным.

Квазистационарное

Длительность данного вида отклонений может варьироваться от нескольких миллисекунд до часа и более, это зависит от причин, вызвавших перенапряжение. Данного тип перенапряжения может быть: резонансным, параметрическим, режимным и феррорезонансным. Краткое описание этих подвидов, а также вызывающих их причин будет приведено в следующем разделе.

Основные причины

Поскольку внешние факторы воздействия были уже рассмотрены, сразу перейдем к внутренним причинам, вызывающим повышение напряжения, начнем по порядку. Коммутационные факторы:

Пример типового коммутационного отклонения напряжения отмечен синим цветом на представленном ниже графике.

Квазистационарные отклонения могут быть вызваны следующими факторами:

В том случае, когда линия работает в неполнофазном режиме и к ней подключен трансформатор, у которого заземленная нейтраль, имеется большая вероятность образования резонансного контура. Взаимодействие произойдет между индуктивностью трансформаторной установки и межфазной емкостью также станет причиной высокой кратности перенапряжения.

При неполнофазном режиме работы системы эффект феррорезонанса возможен в контурах, где имеется индуктивность образованная соединенными последовательно трансформаторами.

Устройства для защиты от перенапряжения в сети

Организация защиты электросетей многоквартирных домов от воздействия внешних факторов как природных, так и техногенных возлагается на компании, предоставляющие услуги электроснабжения. Молниезащита, а также другие устройства защиты входят в обязательное оборудование подстанций любого уровня.

Совсем по иному обстоят дела в тех случаях, когда частные дома запитаны от ВЛ. В такой ситуации организовать защиту от больших внешних токов, возникающих от грозовых разрядов, нужно самостоятельно. Для этой цели используются специальные устройства – ограничители перенапряжений. Схема их подключения представлена ниже.

Пример подключения ОПН

Обратим внимание, что ОПН были созданы для защиты от коммутационных и грозовых импульсов, обеспечить защиту от других негативных факторов, вызывающих повышение фазного напряжения они не в состоянии.

Для ограничения влияния коммутационных и квазистационарных процессов понадобится комплексная защита. Ее можно организовать на базе реле напряжения и стабилизатора для всего дома. Реле должно соответствовать суммарной мощности нагрузки и устанавливаться на вводе. Диапазон срабатывания (нижняя и верхняя граница) можно выставить самостоятельно с учетом особенностей линии.

Реле напряжение в электрощитке

Когда напряжение на вводе выйдет за установленный порог, реле сработает и отключит питание, после нормализации ситуации домашняя сеть будет снова подключена.

Для устранения помех и восстановления приемлемого качества электричества следует установить стабилизатор напряжения на весь дом или квартиру. При выборе устройства необходимо учитывать максимальную суммарную мощность нагрузки. Если в доме имеются приборы, для которых качество напряжения некритично (бойлер, электропечь и т.д.), то их можно подключить минуя стабилизатор.

Источник

Чем опасны дуговые перенапряжения

Изоляция электрических установок постоянно находится под воздействием рабочего напряжения. В процессе эксплуатации возможны повышения напряжения сверх рабочего. Причин появления импульсов повышенного напряжения на электроустановке несколько. Для защиты изоляции электроустановок от перенапряжений необходимо знать природу их возникновения.

После изучения модуля № 5 вы будете знать:

-причины появления перенапряжений на электроустановках;

-способы защиты электроустановок от перенапряжений;

-принцип работы защитных аппаратов.

-выбирать аппараты и устройства для защиты электрических линий, трансформаторных подстанций от перенапряжений;

-выполнять расчеты по определению зоны защиты молниеотводов.

Под перенапряжениями понимаются опасные для изоляции электроустановок повышения напряжения. Перенапряжения, возникающие в электроустановках можно разделить на два класса.

Внутренние или коммутационные перенапряжения, связанные с нормальным режимом работы электроустановки. Коммутационные перенапряжения возникают при коммутациях цепей в нормальных эксплуатационных условиях, а также при ликвидации аварийных режимов и повреждений в электрической системе.

Внешние или атмосферные перенапряжения, связанные с воздействием на электроустановку молнии или наведенных ею волн перенапряжений.

Грозовые перенапряжения возникают при прямом ударе молнии в электроустановку (перенапряжения прямого попадания), а также при ударе молнии в землю или в предметы и объекты, находящиеся вблизи электроустановки (индуктированные перенапряжения).

Надежная работа электроустановок обеспечивается только, если прочность их изоляции превышает возможные максимальные уровни напряжений на изоляции в длительных рабочих режимах и при перенапряжениях. Прочность изоляции характеризуется величинами пробивного напряжения при воздействии на изоляцию напряжений промышленной частоты и импульсных напряжений.

Уровень внутренних перенапряжений может быть снижен путем надлежащего выбора режима заземления нейтралей, применением в выключателях сопротивлений, шунтирующих контактов. Для сельских электрических сетей напряжением до 110 кВ при правильно выбранной изоляции электроустановок коммутационные перенапряжения не представляют существенной опасности.

От грозовых перенапряжений, а также от маловероятных максимально возможных внутренних перенапряжений все электроустановки должны иметь специальную защиту.

Молния представляет собой электрический разряд между облаком и землей или между облаками. Молнии предшествует процесс разделения и накопления электрических зарядов в грозовых облаках, происходящий в результате возникновения в облаках мощных восходящих воздушных потоков и интенсивной конденсации в них водяных паров.

Капли воды, достигшие области отрицательных температур, замерзают. Замерзание начинается с поверхности капли, которая покрывается корочкой льда. Выделяющееся при этом тепло поддерживает температуру внутри капли около 0 °С. 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. Это один из основных процессов электризации грозовых облаков, и поэтому в большинстве случаев (до 90 %) молнии бывают отрицательными, т. е. переносят на землю отрицательный заряд.

В средних широтах землю поражают 30 – 40 % общего числа молний, остальные 60 – 70 % составляют разряды между облаками или между разноименно заряженными частями облаков.

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

При нагревании канал разряда быстро расширяется, что вызывает распространение в окружающем воздухе ударной волны, имеющей на своем фронте высокое давление и воспринимаемой нами 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 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.

Если высота объекта составляет сотни метров, то напряженность электрического поля на его вершине может достигнуть критического значения раньше, чем напряженность поля в облаке. В таких случаях развитие молнии начинается не с облака, а с вершины объекта. Большинство разрядов, поражающих Останкинскую телебашню, начинается развитием лидера с ее вершины (540 м над поверхностью земли). Такие молнии не имеют резко выраженной главной стадии, поскольку их лидеры приходят в соприкосновение с малопроводящим облаком, заряды в котором расположены на частичках льда или воды и отделены друг от друга воздухом. Лидеры повторных разрядов в этих случаях всегда развиваются от облака к земле, и повторные компоненты не отличаются от нисходящих от облака молний.

Защитное действие молниеотвода характеризуется его зоной защиты, т. е. пространством вблизи молниеотвода, вероятность попадания молнии в которое не превышает определенного достаточно малого значения.

Молниеотводы по типу молниеприемников разделяются на стержневые и тросовые. Стержневые молниеотводы выполняются в виде вертикально установленных стержней (мачт), соединенных с заземлителем, а тросовые – в виде горизонтально подвешенных проводов. По опорам, к которым крепится трос, прокладываются токоотводы, соединяющие трос с заземлителем.

Зоны защиты молниеотводов определяются по эмпирическим формулам, которые первоначально были получены на основе обширных лабораторных исследований для молниеотводов высотой менее 30 м. Надежность их подтверждена длительным опытом эксплуатации. Они вошли как составная часть в ряд нормативных документов [36]. В последующем установленные зоны защиты были распространены на молниеотводы высотой до 100 м, с поправкой учитывающей снижение эффективности молниеотводов высотой больше 30 м вследствие боковых ударов молнии, поражающих молниеотводы в точках ниже его вершины. В настоящее время нормированы зоны защиты молниеотводов высотой до 150 м [36].

В таблице 5.1 приведены расчетные формулы для молниеотводов высотой до 150 м с расчетной надежностью защиты 0,999.

Расчет зоны защиты одиночного стержневого молниеотвода

Стандартные зоны защиты одиночного тросового молниеотводавысотой h ограничены симметричными двускатными поверхностями, образующими в вертикальном сечении равнобедренный треугольник с вершиной на высоте h 0 2r 0 (рис.5.2).

В таблице 5.1 приведены расчетные формулы для одиночных тросовых молниеотводов высотой до 150 м с расчетной надежностью защиты 0,999. Здесь и далее под h понимается минимальная высота троса над уровнем земли (с учетом провеса).

Расчет зоны защиты одиночного тросового молниеотвода

Стандартные зоны защиты двойного стержневого молниеотводаприведены на рис. 5.3

Входящие в него предельные расстояния L max и L вычисляются по эмпирическим формулам табл.5.3

Размеры горизонтальных сечений зоны вычисляются по следующим формулам, общим для всех уровней надежности защиты:

максимальная полуширина зоны r x в горизонтальном сечении на высоте h x :

длина горизонтального сечения I x на высоте h x ³ h c :

причем при h x c × Ix=L/2;

ширина горизонтального сечения в центре между молниеотводами 2r cx на высоте h x £ h c :

Расчет параметров зоны защиты двойного стержневого молниеотвода

Входящие в него предельные расстояния L max и L c вычисляются по эмпирическим формулам табл.5.4.

Расчет параметров зоны защиты двойного тросового молниеотвода

Длина горизонтального сечения зоны защиты на высоте h x определяется по формулам:

Принцип действия защитного аппарата состоит в том, что он предотвращает появление на электроустановке импульсов перенапряжений, опасных для ее изоляции, и не препятствует работе электроустановки при рабочем напряжении.

Простейшим защитным устройством является искровой промежуток, включенный параллельно изоляционной конструкции. Для предупреждения перекрытия или пробоя изоляции вольт-секундная характеристика защитного искрового промежутка ПЗ с учетом разброса должна в идеальном случае лежать ниже вольт-секундной характеристики защищаемой изоляции (рис. 5.5). При выполнении этого требования появление опасных для изоляции электроустановок перенапряжений невозможно, так как при набегании импульса напряжения Uпад происходит пробой ПЗ с последующим резким падением (“срезом”) напряжения. Вслед за импульсным током через защитный промежуток по ионизированному пути устремляется ток, обусловленный напряжением промышленной частоты, — сопровождающий ток. Если электроустановка работает в сети с заземленной нейтралью или если пробой ПЗ произошел в двух или трех фазах, то дуга сопровождающего тока может не погаснуть и импульсный пробой переходит в устойчивое короткое замыкание, которое вызывает аварийное отключение эле ктроустановки. Чтобы этого избежать, следует обеспечить гашение дуги сопровождающего тока.

Защитные аппараты, обеспечивающие не только защиту изоляции от перенапряжений, но и гашение дуги сопровождающего тока в течение времени меньшего, чем время действия релейной защиты, получили название защитных разрядников.

Конструктивно защитные промежутки выполняются в виде стержневых электродов, создающих резконеоднородное поле. Для таких электродов характерно значительное возрастание разрядного напряжения при малых временах, что не всегда позволяет осуществлять координацию вольт-секундных характеристик изоляции и защитных промежутков во всем диапазоне предразрядных времен. Как видно из рис. 5.5 при малых временах изоляция может оказаться незащищенной.

Переход импульсного тока при пробое ПЗ в устойчивую дугу может сопровождаться аварийным отключением электроустановки или участка электрической сети. Для повышения надежности электроснабжения желательно ПЗ устанавливать лишь на тех участках сети, которые оборудованы устройствами автоматического повторного включения (АПВ).

Для уменьшения числа срабатываний и, следовательно, числа отключений целесообразно выбирать длину защитных промежутков наибольшей допустимой по условиям защиты изоляции.

Простота и дешевизна стержневых промежутков определяют их широкое применение, особенно в сетях низших классов напряжения. На линиях электропередачи высокого и сверхвысокого напряжений принимаются специальные меры по ограничению внутренних перенапряжений, поэтому стержневые промежутки могут на них применяться в качестве координирующих, т е. для ограничения максимального значения набегающего на подстанцию импульса напряжения и тока через вентильные разрядники при грозовых перенапряжениях

При воздействии на РТ импульса грозового перенапряжения оба промежутка пробиваются (перекрытие по внешней поверхности не может произойти, поскольку разрядное расстояние по этой поверхности много больше длины внутреннего промежутка) и происходит ограничение импульса напряжения. По каналам разряда пробитых промежутков проходит сопровождающий ток рабочей частоты. Под действием высокой температуры канала дуги переменного тока в трубке происходит интенсивное выделение газа. Давление в трубке увеличивается. Газы, устремляясь к открытому концу трубки, создают продольное дутье, в результате чего дуга гасится при первом же прохождении тока через нулевое значение. Срабатывание разрядника сопровождается выхлопом раскаленных газов и звуком, напоминающим выстрел.

Для успешного гашения дуги сопровождающего тока необходимо достаточно интенсивное генерирование газа в трубке, которое зависит от проходящего тока. Поэтому имеется нижний предел токов, которые надежно отключаются трубчатым разрядником. При больших токах слишком интенсивное газообразование может привести к чрезмерному повышению давления и разрыву трубки или срыву наконечников. Поэтому для трубчатых разрядников устанавливается также верхний предел отключаемых токов, при котором гашение дуги еще не может сопровождаться механическим повреждением разрядника. Значения верхнего и нижнего пределов отключаемых токов зависят от размеров внутреннего канала разрядника. Уменьшение длины внутреннего промежутка, а также увеличение диаметра канала разрядника приводят к смещению обоих пределов отключаемых токов в сторону больших значений. Наоборот, при увеличении длины внутреннего промежутка или уменьшении диаметра канала оба предела отключаемых токов смещаются в сторону меньших значений.

При установке РТ в сети необходимо проверить соответствие токов замыкания в точке установки диапазону отключаемых разрядником токов. Наибольший возможный полный ток однофазного или трехфазного КЗ в сетях 110 кВ и выше должен быть ниже верхнего предела токов, отключаемых трубчатым разрядником, а наименьший установившийся ток замыкания — выше нижнего предела.

Трубчатые разрядники типа РТФ имеют фибробакелитовую трубку, разрядники типа РТВ или РТВУ – трубки из винипласта. Для повышения механической прочности фибровая трубка обматывается сверху бакелизированной бумагой и покрывается влагостойким лаком. Винипласт негигроскопичен и сохраняет свои изолирующие свойства при работе на открытом воздухе. Благодаря более высокой механической прочности винипласта по отношению к ударным нагрузкам разрядники типа РТВ имеют более высокий верхний предел отключаемых токов

В маркировке трубчатых разрядников указываются номинальное напряжение и пределы отключаемых токов. Например, марка РТФ 110/0,8 – 5 означает: разрядник трубчатый фибробакелитовый на напряжение 110 кВ с пределами отключаемых токов 0,8 – 5 кА (действующее значение). В результате многократной работы разрядника внутренний канал дугогасящей трубки разрабатывается. При возрастании внутреннего диаметра трубки на 20 – 25 % трубчатый разрядник перестает соответствовать заводской маркировке по отключаемым токам и подлежит замене или перемаркировке.

Поскольку работа трубчатого разрядника сопровождается выхлопом сильно ионизированных газов, расположение их на опоре должно быть таким, чтобы выхлопные газы не вызывали междуфазных перекрытий или перекрытий на землю. Для этого в зону выхлопа не должны попадать токоведущие части других фаз, заземленные конструкции, а также зоны выхлопов разрядников, защищающих другие фазы

Крутая вольт-секундная характеристика и наличие зоны выхлопа не позволяют использовать трубчатые разрядники для защиты подстанционного оборудования. Основное их применение – это защита линейных подходов к подстанциям, электрооборудования маломощных подстанций 6 – 10 кВ и участков пересечения линий различного номинального напряжения.

Для защиты изоляции электрооборудования подстанций применяются вентильные разрядники (РВ) и нелинейные ограничители напряжения (ОПН). В соответствии с защитными характеристиками этих аппаратов устанавливаются уровни изоляции трансформаторов и аппаратов подстанций.

Вслед за импульсным током через РВ проходит сопровождающий ток промышленной частоты. Сопротивление нелинейного резистора при рабочем напряжении резко возрастает, сопровождающий ток существенно ограничивается, и при переходе его через нулевое значение дуга в искровом промежутке гаснет.

Нелинейные резисторы РВ выполняются в виде дисков, состоящих из карборундового порошка и связующего материала. В зависимости от технологии изготовления получают диски из вилита или тервита. В качестве связки используется жидкое стекло. Вилитовые диски спекаются при сравнительно низкой температуре (около 300°С). Тервитовые диски при изготовлении обжигаются при температуре выше 1000°С, и часть запорных слоев из окиси кремния разрушается. При этом возрастает пропускная способность (до 1500 А вместо 300 А для вилита), однако уменьшается степень нелинейности материала.

ождение больших импульсных токов вызывает остаточные явления в материале нелинейного резистора, поэтому РВ имеет определенную пропускную способность, характеризующуюся гарантированным числом импульсов тока с заданными параметрами, которое может выдержать резистор. Энергия импульса тока зависит от его амплитуды и длительности. Для грозовых напряжений характерны очень большие токи малой длительности. При внутренних перенапряжениях, наоборот, наблюдаются большие длительности (2 мс и более) и относительно небольшие амплитуды тока. Поэтому пропускную способность разрядников принято характеризовать максимальным значением импульса тока 20/40 мкс и током прямоугольной формы длительностью 2 мс (в некоторых случаях максимальным значением импульса тока 3/8 мс). Эти воздействия разрядники должны выдерживать не менее 20 раз.

На искровые промежутки РВ возлагается подключение нелинейного резистора при перенапряжениях и его отключение при прохождении сопровождающего тока.

Простейший единичный промежуток состоит из двух латунных электродов, разделенных миканитовой шайбой. Электрическое поле между электродами близко к однородному. В воздушных прослойках между поверхностью электродов и миканитом в силу разности диэлектрических проницаемостей воздуха и миканита возникает ионизация, в результате чего межэлектродное пространство снабжается начальными электронами. Пробой промежутка происходит при коэффициенте импульса, близком к единице.

Гашение сопровождающего тока многократным ИП основано на нестабильности горения короткой дуги в промежутке с холодными электродами. После погасания дуги происходит относительно медленное восстановление электрической прочности.

Разрядники разделены на четыре группы. Наилучшими защитными свойствами обладают РВ группы I, имеющие наименьшие значения остающегося напряжения. Далее следуют разрядники II, III и IV групп.

К IV группе относятся разрядники серий РВП (под-станционный) и РВО (облегченный, для защиты сельских сетей) на напряжения 6 – 10 кВ. Нелинейные резисторы этих разрядников комплектуются из вилитовых дисков, искровой промежуток набирается из элементов. Широко распространенные разрядники серий РВС (станционный) относятся к III группе. Они применяются для защиты электрооборудования напряжением 15— 220 кВ. Разрядники этой серии на высшие классы напряжения комплектуются из стандартных элементов на более низкие напряжения. Стандартный элемент, например, на 35 кВ (РВС-35) содержит 32 единичных искровых промежутка и 11 вилитовых дисков диаметром 100мм и высотой 60 мм. Контакт между дисками осуществляется посредством металлизации их поверхностей. Комплект искровых промежутков и вилитовых дисков помещается в герметизированный фарфоровый чехол. Герметизация необходима для предохранения вилита от действия влаги и для обеспечения стабильности разрядных характеристик искровых промежутков.

Магнитно-вентильные разрядники на напряжения 6 – 35 кВ составляют серию РВМ (магнитный), а на напряжения 110 – 500 кВ – серию РВМГ (магнитный, грозовой). Они относятся ко II группе. В разрядниках этих серий применены искровые промежутки с магнитным гашением и вилитовые диски диаметром 150 мм, что увеличило их пропускную способность.

К I группе относятся разрядники серий РВТ (токоогра-ничивающий) и РВРД (с растягивающейся дугой). Разрядники этих серий комплектуются из тервитовых дисков и токоограничивающих искровых промежутков. Защитное отношение этих разрядников существенно ниже, чем разрядников серии РВМ. Разрядники на 6 – 10 кВ, предназначенные для защиты вращающихся машин, имеют остающееся напряжение при токе 3 кА и импульсное пробивное напряжение не выше испытательных напряжений изоляции машин. Высокая пропускная способность тервита позволяет использовать эти разрядники для ограничения внутренних перенапряжений.

Комбинированные вентильные разрядники серии РВМК предназначены для ограничения как грозовых, так и внутренних перенапряжений в системах 330 – 750 кВ.

Основной недостаток вентильных разрядников связан с тем, что резисторы на основе карборунда обладают сравнительно невысокой нелинейностью. Снижение защитного отношения РВ достигается ценой значительного усложнения искровых промежутков, которые в разрядниках I группы принимают на себя часть напряжений гашения.

Выпускаемые в нашей стране и за рубежом резисторы на основе окиси цинка обладают значительно большей нелинейностью, чем резисторы на основе карборунда. Это позволило создать новый тип защитного аппарата – нелинейный ограничитель перенапряжений (ОПН). Преимуществами ОПН являются возможность глубокого ограничения перенапряжений, в том числе междуфазных, малые габариты, позволяющие использовать их в качестве опорных изоляционных колонн, большая пропускная способность.

Ограничители комплектуются в виде параллельно соединенных колонок из дисков диаметром 28 и высотой 8 мм. Торцы дисков металлизированы и обеспечивают контакт между дисками. В соответствии с пропускной способностью число параллельных колонок резисторов в ОПН варьируется от четырех в ограничителе перенапряжения на 110 кВ до 30 в ограничителе на 750 кВ.

Коэффициент нелинейности резисторов ОПН в области ограничения коммутационных перенапряжений имеет значение 0,03—0,05. При ограничении грозовых перенапряжений, когда токи, протекающие через ОПН, достигают значений нескольких килоампер, коэффициент нелинейности возрастает до 0,07 – 0,1. Такая высокая нелинейность обусловливает прохождение при рабочем напряжении или резонансных перенапряжениях через нелинейные резисторы тока порядка долей миллиампера на одну параллельную колонку. Это позволяет исключить искровой промежуток и подключать резистор ОПН непосредственно к сети.

Применительно к ОПН отсутствует понятие напряжения гашения. Однако длительное воздействие резонансных перенапряжений, связанных с прохождением через ОПН больших токов, может нарушить тепловую устойчивость аппарата и привести к аварии. В связи с этим для ОПН установлены допустимые длительности приложения повышенных напряжений, которые должны быть скоординированы с действием релейных защит. Схема включения ОПН приведена на рис.5.8.

Основными аппаратами защиты электрооборудования подстанций от набегающих импульсов служат вентильные разрядники и ограничители перенапряжений.

Для того чтобы вентильный разрядник обеспечивал защиту оборудования, импульсный ток через разрядник не должен превышать тока координации. Если он превысит ток координации, то напряжение на разряднике окажется выше нормированного, что может представить опасность для изоляции оборудования. В отдельных случаях при больших токах (десятки килоампер) и многократных воздействиях защитный аппарат может выйти из строя и даже разрушиться.

одстанции ударах в провод ток молнии распределяется обратно пропорционально сопротивлениям заземления опоры и вентильного разрядника, при этом ток через разрядник может превысить допустимые пределы, поэтому прямые удары молнии в провода линии вблизи подстанции необходимо исключить. Для этого участки линии длиной 1 – 3 км, примыкающие к подстанциям, во всех случаях защищаются тросовыми молниеотводами. Такие участки линии получили название защищенных подходов к подстанциям.

На рис. 5.9 показана схема защищенного подхода, когда подходящая к подстанции линия выполнена на деревянных опорах. Трос подвешивается только в пределах защищенного подхода. Так как на деревянных опорах от тросов к заземлителям прокладываются по стойкам токоотводящие спуски, прочность изоляции опоры относительно земли существенно снижается. В этом случае первая подтросовая опора является местом с ослабленной изоляцией и для того чтобы не ухудшить грозоупорность линии, в начале защищенного подхода на каждой фазе устанавливают трубчатые разрядники РТ1. В конце подхода иногда устанавливают второй комплект трубчатых разрядников РТ2, которые служат для защиты разомкнутого линейного выключателя.

Если линия выполнена на металлических или железобетонных опорах и защищена тросами по всей длине, то трубчатые разрядники на подходе не устанавливаются. Однако на примыкающих к подстанции участках линии особенно тщательно выполняются требования молниезащиты: снижаются сопротивления заземления опор и уменьшаются углы защиты тросов. Целью этих мероприятий является уменьшение вероятностей прорыва молнии через тросовую защиту и обратных перекрытий при ударах в опоры в пределах защищенного подхода к подстанции.

На подстанциях 110 кВ включительно и на подстанциях 150 – 220 кВ, где установлены трансформаторы с повышенным уровнем изоляции, скоординированным с характеристиками разрядника РВС, место установки вентильных разрядников или ОПН выбирается таким образом, чтобы обеспечить защиту всего оборудования минимальным числом разрядников (по одному комплекту на каждую систему шин). При этом допускается наличие коммутационных аппаратов между разрядниками и трансформаторами, поскольку уровень изоляции трансформаторов выше возможной кратности большинства коммутационных перенапряжений.

Между вентильными разрядниками и трансформаторами 220 кВ с основным уровнем изоляции, а также автотрансформаторами, трансформаторами и шунтирующими реакторами 330 – 750 кВ установка коммутационных аппаратов не допускается, так как в этих случаях на разрядники возлагается задача ограничения коммутационных перенапряжений.

В линиях СВН в отличие от линий номинального напряжения до 220 кВ включительно применяют защиту от коммутационных перенапряжений с помощью комбинированных вентильных разрядников РВМК или ограничителей перенапряжений ОПН. Разрядники РВМК и ОПН защищают конец линии вместе с компенсирующими реакторами и устанавливаются обычно в ячейке реактора. Если расчеты показывают, что защита от внутренних перенапряжений не требуется, то разрядники РВМК или ОПН могут быть заменены разрядниками для защиты от грозовых перенапряжений.

При возникновении грозовых импульсов на вводах трансформатора с изолированной или разземленной (с целью уменьшения токов короткого замыкания) нейтралью в его обмотках развиваются колебания, которые могут привести к значительному повышению напряжения на нейтрали. Для защиты изоляции нейтрали от таких перенапряжений в нейтраль может быть включен вентильный разрядник с номинальным напряжением на класс ниже, чем класс трансформатора.

Если аппараты находятся от разрядника на небольшом расстоянии (Рис. 5.10 Упрощенные схемы защиты комплектных подстанций, присоединенных с помощью отпаек к транзитным линиям без тросов:
а – расстояние от трансформатора до линии 5 – 10 м; б – то же 50 – 200 м; в – то же более 200 м

Еще более просто выполняется защита от набегающих волн в распределительных устройствах 6 – 10 кВ. Воздушные линии такого номинального напряжения реже поражаются молнией, так как имеют небольшую высоту и часто проходят по застроенной местности, что обеспечивает их хорошее экранирование от поражений молнией. Эффективной мерой в этом случае может служить вынос дополнительного комплекта разрядников на линию (рис. 5.11).

Подключение дополнительных разрядников на подстанции рядом с основными может оказаться недостаточно эффективным, поскольку даже небольшое различие в их вольт-амперных характеристиках приводит к резко неравномерному распределению токов между разрядниками. Чтобы дополнительные разрядники работали эффективно, их подключают обычно за один – два пролета до подстанции. Индуктивность этого участка линии создает подъем напряжения на первом по ходу волны разряднике, что повышает надежность его срабатывания. При выборе расстояния между разрядниками следует учитывать, что чрезмерно большое расстояние увеличивает опасность разряда молнии в пролеты линии между разрядниками, а при небольших расстояниях возрастает опасность отказа срабатывания разрядника, вынесенного на линию. Оптимальные условия расстановки соответствуют удалению разрядников друг от друга на расстояние 150 – 300 м.

Источник