Атмосферные и внутренние перенапряжения в воздушных сетях 0,4-35 кВ. Защита от перенапряжений

Содержание

Введение………………………………………………………..…………….....................3
1. Атмосферные перенапряжения …………………………….………………………....5
2. Внутренние перенапряжения…………………………………………………….….7
3. Характеристики грозовой деятельности и параметры молний………………...........9
4. Общая характеристика защитных мероприятий…………………………………….11
Заключение……………..………………………………………………………….……..15
Список использованной литературы……………….…………………….........……….16

Введение

Перенапряжением называют всякое превышение напряжением амплитуды
наибольшего рабочего напряжения. Длительность перенапряжения может
составлять от единиц микросекунд до нескольких часов. Воздействие
перенапряжения на изоляцию может привести к ее пробою.
К основным характеристикам перенапряжения (которые, как правило,
являются случайными величинами) относят следующие:
· максимальное значение;
· кратность перенапряжения, равная отношению максимального значения
перенапряжения к амплитуде наибольшего допустимого рабочего напряжения;
· время нарастания перенапряжения;
· длительность перенапряжения;
· число импульсов в перенапряжении;
· широта охвата сети;
· повторяемость перенапряжения.
В высоковольтных цепях главным источником внешних перенапряжений
являются разряды молнии. Наиболее опасны прямые удары молнии в оборудование
(ПУМ), при которых даже на заземленных сооружениях возникают большие
потенциалы. Индуктированные перенапряжения возникают вследствие индуктивной
и емкостной связи канала молнии с токоведущими и заземленными частями
электрической сети. Величина индуктированных перенапряжений меньше, чем при
прямых ударах молнии, и они опасны только для сетей до 35 кВ при ударе молнии
вблизи линии.
Импульсы перенапряжений распространяются на значительные расстояния от
места возникновения. Набегающие волны могут представлять опасность для
электрооборудования подстанций, электрическая прочность которого ниже, чем у
линейной изоляции.
Внутренние перенапряжения по длительности и по причине возникновения
делятся на квазистационарные и коммутационные.
Квазистационарные перенапряжения продолжаются от единиц секунд до
десятков минут и в свою очередь подразделяются на режимные, резонансные,
феррорезонансные и параметрические. Режимные перенапряжения возникают при
несимметричных коротких замыканиях на землю, а также при разгоне генератора в
случае резкого сброса нагрузки. Резонансные перенапряжения имеют место при
возникновении резонансных эффектов в линиях (при одностороннем питании
линии), в электрических цепях при наличии реакторов. Феррорезонансные
перенапряжения возникают в цепях с катушками с насыщенным магнитопроводом,
что может быть как на частоте 50 Гц, так и на высших гармониках и на
субгармониках. Особенностью феррорезонанса является скачкообразный вход в
режим резонанса (триггерный эффект).
Коммутационные перенапряжения возникают при переходных процессах и
быстрых изменениях режима работы сети (при работе коммутационных аппаратов,
при коротких замыканиях и при прочих резких изменениях режима) за счет энергии,
запасенной в емкостных и индуктивных элементах. Наиболее часто такие
перенапряжения имеют место при коммутациях линий, индуктивных элементов,
конденсаторных батарей.

1. Атмосферные перенапряжения

Атмосферные перенапряжения возникают при прямых ударах молнии в
электроустановку или при ударах молнии в непосредственной близости от нее.
Атмосферные перенапряжения представляют наибольшую опасность для
электроустановки, так как при прямых ударах  молнии  они могут достигать 1000000
В, при токе молнии — до 200кА. Они не зависят от величины номинального
напряжения электроустановки. Особенно опасны они для установок с более низким
напряжением, так как в этих установках расстояния между токоведущими частями и
уровень изоляции ниже, чем при высоких напряжениях.
Атмосферные перенапряжения подразделяют на индуктированные и от
прямого удара молнии. Первые возникают при грозовом разряде вблизи от
электроустановки, например, подстанции или линии электропередачи.
Перенапряжение образуется за счет индуктивного влияния грозового облака,
заряженного до очень высокого потенциала (несколько миллионов вольт).
При прямом ударе молнии, кроме электромагнитного действия, вызывающего
перенапряжения, отмечаются также механические повреждения, например,
расщепление деревянных стоек или траверс опор воздушных линий электропередач.
Индуктированные перенапряжения имеют величину порядка 100 кВ, что
значительно меньше перенапряжения, вызываемого прямым ударом молнии. Они
распространяются по проводам воздушной линии после разряда в виде затухающих
волн.
Разряд молнии в большинстве случаев состоит из серии отдельных импульсов,
следующих друг за другом. Весь разряд длится десятые доли секунды, а отдельные
импульсы имеют длительность в десятки микросекунд каждый. Число отдельных
импульсов при разряде молнии может быть от 1 до 40.

2. Внутренние перенапряжения

Внутренние перенапряжения по длительности и по причине возникновения
делятся на квазистационарные и коммутационные.
Квазистационарные перенапряжения продолжаются от единиц секунд до
десятков минут и в свою очередь подразделяются на режимные, резонансные,
феррорезонансные и параметрические. Режимные перенапряжения возникают при
несимметричных коротких замыканиях на землю, а также при разгоне генератора в
случае резкого сброса нагрузки. Резонансные перенапряжения имеют место при
возникновении резонансных эффектов в линиях (при одностороннем питании
линии), в электрических цепях при наличии реакторов. При несимметричном
отключении фаз линий электропередачи, когда отключается только одна или две
фазы линии, возможно возникновение резонансных перенапряжений, физическая
сущность которых сводится к явлению нелинейного гармонического резонанса
(феррорезонанс). Такие случаи бывают при обрыве одного из проводов линии,
который часто сопровождается падением на землю одного из концов провода, при
перегорании плавких вставок в одной или двух фазах; при неодновременном
отключении фаз включателя, что может иметь место при пофазном управлении и
т.д. Феррорезонансные перенапряжения возникают в цепях с катушками с
насыщенным магнитопроводом, что может быть как на частоте 50 Гц, так и на
высших гармониках и на субгармониках. Особенностью феррорезонанса является
скачкообразный вход в режим резонанса (триггерный эффект)[5].
Коммутационные перенапряжения возникают при переходных процессах и
быстрых изменениях режима работы сети (при работе коммутационных аппаратов,
при коротких замыканиях и при прочих резких изменениях режима) за счет энергии,
запасенной в емкостных и индуктивных элементах. Наиболее часто такие
перенапряжения имеют место при коммутациях линий, индуктивных элементов,
конденсаторных батарей[3].
В процессе эксплуатации электрических установок коммутационные
перенапряжения возникают при включениях и отключениях цепей, дуговых
замыканиях на землю, резонансе участков сети на рабочей частоте или частоте
высших гармоник.
Решающее влияние на уровень внутренних перенапряжений оказывают
характеристики выключателей. Опытом установлено, что в сетях 35 кВ с масляными
выключателями при отключении ненагруженных линий возникают многократные
повторные зажигания и появляются перенапряжения, достигающие от 2,5 до 3,1 Uф.
При отключении той же системы с глухозаземленной нейтралью с воздушными
выключателями перенапряжения не превышают 2,5 Uф.
При отключении ненагруженных трансформаторов возможны
перенапряжения более 3Uф. Эти перенапряжения из-за малой длительности могут
быть приравнены к атмосферным перенапряжениям. Поэтому для защиты изоляции
на подстанциях и станциях от перенапряжений служат обычные вентильные
разрядники. Основной мерой защиты от внутренних перенапряжений являлся до сих
пор выбор таких уровней изоляции, которые могли бы обеспечить бесперебойную
работу электрических аппаратов и трансформаторов при воздействии
перенапряжений, возникающих при различных переходных режимах. В настоящее
время уровень внутренних перенапряжений для электропередач с напряжением 330
кВ принят 2,7 Uф при условии, что система имеет глухозаземленную нейтраль,
защищена вентильными разрядниками, а выключение осуществляется воздушным
или малообъемным масляным выключателями. В электропередачах с напряжением
500 кВ необходимо учитывать появление перенапряжений, связанных со
специфическими особенностями передачи энергии по длинным линиям. Характерно
для длинных линий то, что они имеют большую величину емкости относительно
земли. Поэтому при работе их на холостом ходу и включении на полное фазовое
напряжение, напряжение на разомкнутом конце значительно превышает напряжение
в начале линии. Чтобы устранить такое явление, применяют шунтирующий реактор,
который включают между каждым проводом линии и землей в определенных местах
линии и тем самым компенсирует ее емкость.
В конструктивном отношении шунтирующий реактор представляет собой
индуктивную катушку, помещенную на магнитопровод и опущенную в бак с
маслом. Реактор может быть использован для отбора мощности.
Поскольку длинные линии обладают большой индуктивностью, это ведет к
уменьшению передаваемой мощности. Для устранения этого явления включают в
рассечку линии емкость. Такое устройство называют продольной компенсацией.
3 Характеристики грозовой деятельности и параметры молний
Для прогноза атмосферных перенапряжений и обоснованного выбора средств
защиты необходимо иметь информацию по двум направлениям:
· о возможном количестве разрядов молнии в защищаемое оборудование или
вблизи него;
· о токах в разряде молнии.
Первый вопрос решается путем анализа многолетних метеорологических
наблюдений и использованием средних характеристик грозовой деятельности.
Второй вопрос более сложен из-за сложности прямых измерений токов в разряде
молнии, однако многочисленные исследования в этом направлении позволили
получить приемлемые статистические данные по параметрам разрядов молнии.
Молния представляет собой электрический разряд между объемным зарядом в
облаке и землей (наземные разряды) или между двумя заряженными областями
(межоблачные и внутриоблачные разряды). Молнии предшествует процесс
разделения и накопления электрических зарядов в облаках, происходящий из-за
мощных восходящих воздушных потоков и интенсивной конденсации в них
водяных паров. Восходящие потоки возникают в результате нагрева приземных
слоев воздуха, который становится легче более холодных слоев. В восходящем
потоке воздух охлаждается, и на определенной высоте его температура достигает
значения, при котором образуется насыщенный водяной пар. Конденсация
сопровождается выделением тепла, что стимулирует дальнейшее продвижение
воздушного потока вверх до высоты примерно 6 - 8 км с образованием мощного
кучевого облака.
Различают три характерные стадии развития грозового облака:
· зарождение с разрастанием облака (10 - 15 мин);
· зрелая стадия с интенсивными осадками, сопровождаемыми холодными
нисходящими потоками и резкими порывами ветра (15 - 30 мин);
· распад облака при прекращении восходящих и нисходящих потоков воздуха
и постепенном выпадении осадков (около 30 мин).
В целом грозовая деятельность определяется процессами в ряде отдельных
грозовых ячеек. При прохождении холодного атмосферного фронта с резким
понижением температуры воздуха такие процессы могут длиться до нескольких
часов.
Первоначальным пусковым механизмом электризации грозового облака
считается наличие в атмосфере электрического поля хорошей погоды из-за
заряженности конденсатора земля - ионосфера с напряженностью около 100 В/м.

4. Общая характеристика защитных мероприятий
Все мероприятия по защите от перенапряжений делятся на две группы:
· превентивные меры снижения перенапряжений;
· защита оборудования с помощью коммутационных защитных средств.
Превентивные меры - это предотвращение возникновения перенапряжений
или ограничение их величины в месте их возникновения. К таким мерам относятся
следующие меры:
· применение выключателей с шунтирующими резисторами;
· применение выключателей без повторных зажиганий дуги между контактами
при их разведении;
· применение грозозащитных тросов и молниеотводов;
· заземление опор линий электропередачи;
· емкостная защита изоляции обмоток трансформаторов и реакторов;
· применение емкостных элементов для снижения перенапряжений.
Коммутационные средства защиты от перенапряжений срабатывают и
соединяют защищаемую цепь с заземлением в случае, когда перенапряжение в точке
их установки превышает некоторую критическую величину. К этим средствам
относят разрядники, шунтирующие реакторы с искровым соединением и
нелинейные ограничители перенапряжений.
Надежность защиты в значительной степени определяется состоянием
заземления опор воздушных линий и металлических корпусов оборудования
подстанций. Заземление и вне его роли защиты от перенапряжений является весьма
ответственным элементом сетей высокого напряжения. Различают три основных
типа заземлений:
· рабочее заземление, используемое для создания необходимого
распределения напряжений и токов в нормальных и аварийных режимах работы
сети;
· защитное заземление, служащее для защиты персонала от напряжения,
возникающего на корпусах оборудования при повреждениях изоляции или
вследствие влияний;
· грозозащитное заземление, предназначенное для защиты от внешних
перенапряжений.
Заземление разрядников, молниеотводов и тросов способствует уменьшению
вероятности перекрытия изоляции при грозовых разрядах. Функции рабочего,
защитного и грозозащитного заземлений часто возлагают на одно устройство.
Основной характеристикой заземляющего устройства является его
сопротивление, определяемое как отношение потенциала на зажиме заземлителя к
току, стекающему через заземлитель. Потенциал определяется по отношению к
удаленной точке земли. Сопротивление заземлителя зависит от конструкции и
размеров, удельного сопротивления земли, а также от величины и формы
стекающего с него тока. Различают сопротивления на частоте 50 Гц и на грозовых
импульсах, эти сопротивления могут значительно различаться. Импульсное
сопротивление заземлителя определяют при протекании импульсного тока, по
форме совпадающего со стандартным грозовым импульсом.
Сопротивление заземлителя на частоте 50 Гц и импульсное сопротивление
связывают друг с другом импульсным коэффициентом заземлителя . При стекании с
заземлителя больших токов вблизи металлических частей заземлителя плотность
тока велика, также велика напряженность электрического поля , где - удельное
сопротивление земли. В этой области происходит локальная ионизация грунта со
снижением в месте ионизации, что приводит к снижению импульсного
сопротивления.
Для отвода токов разряда молнии в землю молниеотводы присоединяются к
заземляющему устройству (заземлителю) на подстанции и на каждой опоре линии.
Заземлители выполняют из стальных труб, прутков или уголков, вбиваемых в
землю. Сопротивление заземлителей опор линий электропередачи должно быть не
более 30 Ом, сопротивление заземляющего устройства подстанции — не более 0,5
Ом.
Защита зданий, закрытых подстанций, распределительных устройств от
прямых ударов молнии выполняется заземлением молниеприемной сетки,
железобетонных несущих конструкций кровли или металлического покрытия
кровли. При отсутствии металлических покрытий на крыше здания устанавливают
стержневые молниеотводы. Открытые РУ и подстанции защищают стержневыми
молниеотводами, устанавливаемыми на опорах РУ. Подходы воздушных линий
напряжением 35 кВ защищают тросовыми молниеотводами на протяжении 1... 4 км.
Требования к молниезащите и конструкции ее устройств приведены в ПУЭ.
Наличие молниезащиты воздушных линий и подстанций не предотвращает
возникновение атмосферных перенапряжений при разрядах молнии вблизи
подстанций и линий. Поэтому грозозащита воздушных линий, подстанций и РУ
предусматривает установку на линиях, не защищенных тросами по всей длине,
трубчатых разрядников, установку в РУ вентильных разрядников, применение на
изоляторах защитных промежутков.
Коммутационные средства защиты от перенапряжений, как правило, содержат
в себе коммутирующие элементы, например искровые промежутки. Они
срабатывают, когда перенапряжение в точке их установки превысит некоторую
критическую величину. Это приводит к изменению схемы или параметров сети.
Перенапряжение на изоляции ограничивается до допустимых пределов, а
вероятность возникновения перенапряжений высокой кратности существенно
уменьшается. К коммутационным средствам защиты можно отнести также и
нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН). В этих аппаратах отсутствуют
искровые промежутки и высоко нелинейные резисторы подключены к сети
постоянно. Однако при повышении напряжения на ОПН сверх наибольшего
рабочего резко уменьшается их сопротивление, что эквивалентно срабатыванию
искровых промежутков.
Как отмечалось, меры защиты от перенапряжений могут быть направлены на
уменьшение последствий перекрытия или пробоя изоляции. Однако главное
значение имеют мероприятия предусматривающие снижение уровня
перенапряжений и, тем самым, вероятность пробоя или перекрытия изоляции. В
ряде случаев, эти меры снижают вынужденную составляющую перенапряжений на
изоляции. К ним можно отнести применение шунтирующих реакторов, синхронных
компенсаторов и батарей продольной компенсации, секционирование длинных
линий, применение регуляторов сильного действия. Снижение вынужденной
составляющей напряжения при коммутационных перенапряжениях обеспечивается
также глухим заземлением нейтрали в сетях 110 кВ и выше, установкой
пониженных коэффициентов трансформации трансформаторов перед оперативными
коммутациями линий, ограничением минимальной мощности питающей системы, а
также программированием оптимальной очередности действия релейной защиты
при аварийных включениях и отключениях линий.
В то же время ряд мер и средств защиты предназначены для ограничения
переходной составляющей коммутационных перенапряжений. К ним относятся
меры, обеспечивающие более благоприятные начальные условия коммутаций
(например, снижение начального заряда при включении в цикле АПВ на линиях с
установленными измерительными трансформаторами напряжения или
выключателями с шунтирующими сопротивлениями), коммутации линии
выключателями при оптимальной фазе э. д. с. Заземление нейтрали через
дугогасящий реактор снижает вероятность возникновения дуговых перенапряжений.
Демпферные обмотки в генераторах предотвращают возможность появления
опасных перенапряжений на высших гармониках при несимметричных к. з. на
линиях.
Для защиты оборудования от прямых ударов молнии применяются
молниеотводы на подстанциях и грозозащитные тросы на линиях. Уменьшение
вероятности опасных грозовых перенапряжений при ударах молнии в молниеотводы
и другие заземленные элементы линий и подстанций достигается соединением их с
землей при обеспечении достаточно малого импульсного сопротивления
заземления. Защита изоляции от волн, набегающих по линиям, осуществляется с
помощью разрядников и нелинейных ограничителей перенапряжений[5].

Заключение

Характеристики перенапряжений являются предметом тщательного изучения,
прежде всего потому, что они определяют запасы электрической прочности
изоляции, необходимые для достижения достаточной эксплуатационной надежности
электрической сети. Ограничения технико-экономического характера не позволяют
выбрать изоляцию, способную выстоять во всех без исключения случаях
воздействия перенапряжений. Наоборот, наивысшие технико-экономические
показатели электрооборудования достигаются при наличии некоторого риска его
отказа при наиболее суровых перенапряжениях, которые могут быть признаны
достаточно редкими.
В настоящее время проблема уточнения характеристик перенапряжений
сохраняет свою актуальность в силу ряда причин. Во-первых, по мере роста
мощности энергосистем происходит постоянное ужесточение требований к
надежности и экономичности электрооборудования, включая и его изоляцию, что
повышает уровень требований к точности оценки опасных воздействий. Во-вторых,
разработка и применение новых устройств для снижения перенапряжений:
нелинейных ограничителей перенапряжений, управляемых реакторов,
усовершенствование коммутационной аппаратуры - ставят вопрос о пересмотре
существующих уровней изоляции с учетом характеристик реальных воздействий. В-
третьих, данные о перенапряжениях нужны при обосновании требований к самим
упомянутым устройствам для ограничения перенапряжения. С особой остротой
вопрос об уточнении воздействий на изоляцию встает при разработке новых
высоковольтных конструкций: закрытых распределительных устройств высокого и
сверхвысокого напряжения с элегазовой изоляцией; линий с пропускной
способностью, повышенной за счет снижения прочности изолирующих
промежутков; криогенных турбогенераторов и другого современного оборудования.

Список использованной литературы

1. Внутренние перенапряжения на электрооборудовании высокого и
сверхвысокого напряжения / И. Ф. Половой, Ю. А. Михайлов, Ф. Х. Халилов. — 2-е
изд., перераб. и доп. — Л. : Энергоатомиздат, 1990. — 152 с. : ил. — Библиогр.: с.
148-150.
2. Техника высоких напряжений; Изоляция и перенапряжения в электрических
системах : учебное пособие / В. В. Базуткин, В. П. Ларионов, Ю. С. Пинталь. — 3-е
изд., перераб. и доп. — М. : Энергия, 1986. — 464 с.
3. Перенапряжения в электрических сетях различного назначения и защита от
них : учебник / К. П. Кадомская, Ю. А. Лавров, А. А. Рейхердт. — Новосибирск :
Изд-во НГТУ, 2006. — 368 с. : ил. — (Учебники НГТУ) .
4. Внутренние перенапряжения в сетях 6-35кВ / И. М. Зархи, В. Н. Мешков, Ф.
Х. Халилов. — Л. : Наука : Ленингр. отд-ние, 1986. — 128,[1] с. : ил. ; 22 см. —
Библиогр.: с. 124-128 (85 назв.).
5. Защита сетей 6-35 кВ от перенапряжений. Ф.Х Халилов, Г.А. Евдокунин,
В.С. Поляков, Г.В. Подпоркин, А.И. Таджибаев.
6. Системы защиты электрических сетей от перенапряжений на основе
схемно-режимных мер : диссертация на соискание ученой степени кандидата
технических наук / И. А. Ефремов ; Новосибирский государственный технический
университет. — Новосибирск, 1997. — 379 л.
7. Исследование и разработка требований к защитным и коммутационным
аппаратам блоков электрических станций : диссертация на соискание ученой
степени кандидата технических наук / В. А. Хныков ; Новосибирский
государственный технический университет. — Новосибирск, 2001. — 93 л. : ил. —
Библиогр.: с. 92-93.
8. Перенапряжения в сетях 6-35 кВ / Ф.А.Гиндуллин, В.Г.Гольдштейн,
А.А.Дульзон, Ф.Х.Халилов. — М. : Энергоатомиздат, 1989. — 192 с.
9. Техника высоких напряжений; Изоляция и перенапряжения в электрических
установках : учебник для техникумов / В. П. Ларионов, В. В. Базуткин, Ю. Г.
Сергеев ; Под ред. В. П. Ларионова. — М. : Энергоиздат, 1982. — 296 с. : ил. —
Библиогр.: с. 292.
10. Инженерные расчеты внутренних перенапряжений в электропередачах / Л.
Ф. Дмоховская. — М. : Энергия, 1972. — 288 с. : ил. — Библиогр.: с. 284-285.
11. Исследование и разработка комплекса мер, повышающих надежность
эксплуатации изоляции сетей собственных нужд электрических станций и
высоковольтного электрооборудования компрессорных станций : диссертация на
соискание ученой степени кандидата технических наук : Спец. 05.14.12 / Р. В.
Копылов ; Новосибирский государственный технический университет; Науч. рук. К.
П. Кадомская. — Защищена в 2003 г. — Новосибирск, 2003. — 127 л.
12. Перенапряжения и координация изоляции : переводы докладов
международной конференции по большим электрическим системам (СИГРЭ 76) /
под ред. А. К. Лоханина. — М. : Энергия, 1979. — 128 с. : ил. — (Энергетика за
рубежом) .
13. Перенапряжения и защита от них в воздушных и кабельных
электропередачах высокого напряжения / М. В. Костенко [и др.] ; Академия наук
СССР (АН СССР), Отделение физико-технических проблем энергетики (ОФТПЭ) ;
Ленинградский политехнический институт им. М. И. Калинина (ЛПИ) ; под ред. Н.
Н. Тиходеева. — Л. : Наука : Ленингр. отд-ние, 1988. — 301,[1] с. : ил. ; 22 см. —
Библиогр.: с. 295-298 (79 назв.). — Предм. указ.: с. 299-300.
14. Вопросы ограничения перенапряжений в сетях 6-35 кв / Л. М. Рыбаков, Ф.
Х. Халилов. — Красноярск : Изд-во Краснояр. ун-та, 1991. — 152 с.