Характеристики перенапряжений и их классификация

На изоляцию электрооборудования электроустановок высоких и сверхвысоких напряжений электростанций, подстанций, линий электропередачи, а также потребителей электрической энергии (электроэнергетических систем и сетей – ЭСС) в нормальных условиях работы воздействуют рабочие напряжения. В общем случае эти напряжения не остаются постоянными по своим величинам. Они могут отклоняться от своих номинальных рабочих значений под действием изменений падений напряжений на сопротивлениях элементов, в которых изменяются токи нагрузки, могут отклоняться в результате применения «ступенчатых» регуляторов напряжений на источниках и в других случаях. Поэтому при проектировании и эксплуатации ЭСС при управлении режимами их работы в качестве одной из основных задач, решается задача обеспечения условий, при которых отклонения рабочих напряжений на изоляции электрооборудования их электроустановок высоких и сверхвысоких напряжений будут находиться в границах, определенных действующими нормами. В России в настоящее время эти нормы установлены ГОСТ 1516.1-76, определяющим в зависимости от режима заземления нейтралей сетей верхние допустимые пределы рабочих напряжений частоты 50 Гц, которые неограниченно длительное время могут быть приложены к изоляции электрооборудования электроустановок соответствующих напряжений по условиям безопасности работы изоляции этих электроустановок – наибольшие допустимые рабочие напряжения ( , см. табл. 1, далее наибольшие рабочие).

Таблица 1

Номинальные и наибольшие рабочие напряжения

электроэнергетических систем и сетей

Режим нейтрали	Изолированная или заземленная через дугогасящий реактор	Заземленная нейтраль
сети, кВ
Наибольшее междуфазное напряжение сети, кВ
3,5	6,9	11,5	23,0	40,5
Наибольшее фазное напряжение сети, кВ*	2,1   3,6	4,2   7,2	7,0   12,0	14,0   24,0	23,4   40,5	72,8

В тоже время в процессе эксплуатации высоковольтных электроустановок ЭСС неизбежно возникают и разнообразные отклонения от нормальных условий их работы, например, при сбросах нагрузок генераторами, коммутациях линий электропередачи, коротких замыканиях и др. В этих случаях на изоляции электроустановок ЭСС возможны повышения напряжений сверх указанных норм – перенапряжения.

_________________________________

* В последней строке приведены допустимые в течение ограниченного времени фазные напряжения при однофазных замыканиях на землю.

Под перенапряжением понимают всякое превышение мгновенной величиной напряжения на изоляции электрооборудования электроустановки амплитуды нормированного для нее наибольшего рабочего напряжения ( ).

Перенапряжения, как правило, сопровождают возникновение в ЭСС быстро затухающих электромагнитных переходных процессов в нормальных или в аварийных режимах работы, время которых ограничивается действием релейной защиты и системной автоматики или аппаратов защиты. Поэтому, в большинстве случаев они имеют кратковременный характер: от нескольких микросекунд до десятков, сотен миллисекунд. Однако, возможны и случаи возникновения перенапряжений с длительностью до нескольких часов. Тем не менее, даже самые кратковременные перенапряжения высоких кратностей могут привести к «пробою» или «перекрытию» изоляции с последующим отключением поврежденного элемента и перерывом в электроснабжении потребителей или снижением качества электроэнергии. Поэтому целью борьбы с перенапряжениями и их последствиями является снижение экономически приемлемыми способами ожидаемого от их воздействий ущерба для ЭСС.

Следует отметить, что электромагнитные переходные процессы в ЭСС, возбуждающие в них перенапряжения, могут быть опасными и для других систем, находящихся в зоне действия электромагнитных полей электроустановок высокого напряжения. Такие явления, наряду с другими, определяют условия электромагнитной совместимости функционирования высоковольтных ЭСС с другими системами: техническими (проводной и радиосвязью; телемеханическими и вычислительными системами; низковольтными сетями электроснабжения и др.) и биосистемами (человеком, фауной и флорой). При этом их влияние может проявляться как мешающее (помехи), опасное или экологическое.

Важнейшей характеристикой воздействия перенапряжений на изоляцию является их кратность, т. е. отношение максимального мгновенного значения перенапряжения (рис. 1.1) к амплитуде наибольшего рабочего напряжения для рассматриваемой изоляционной конструкции:

, (1.1)

где – действующее значение наибольшего рабочего напряжения.

Кроме того, при выборе изоляции и средств ее защиты перенапряжения характеризуются рядом других параметров: формой кривой импульса перенапряжения, длительностью одного импульса, числом импульсов и полным временем их воздействия на изоляцию и др. Важнейшими характеристиками перенапряжений являются их повторяемость, т. е. ожидаемое число случаев их возникновения за нормированный промежуток времени, и широта охвата сети, которая определяет состав электрооборудования, одновременно подверженного воздействию перенапряжения рассматриваемого вида.

Импульсные перенапряжения (рис. 1.1), кроме того, характеризуются длиной фронта импульса и длительностью импульса до полуспада .

Рис. 1.1. Определение параметров импульса перенапряжения

Перечисленные параметры являются, как правило, случайными величинами, зависящими от большого числа факторов, что определяет необходимость в статистическом подходе к их исследованию с целью обоснования требований к электрической прочности изоляции и характеристик защитных устройств. Особенно существенное значение при этом имеет повторяемость перенапряжений, превосходящих заданную кратность, в течение определенного интервала времени (например, в течение года), или Т-летний уровень перенапряжений, т. е. такая кратность перенапряжений, которая может быть достигнута или превзойдена в среднем 1 раз в Т лет.

Важное значение имеют также статистические характеристики ущербов от повреждений изоляции под действием тех или иных видов перенапряжений, приведших к простым или внеочередным ремонтам электрооборудования ЭСС, а также порче оборудования, браку продукции и нарушению технологических процессов у потребителей. Эти характеристики, соответственно, определяют технико-экономические требования к мерам по защите от перенапряжений.

В настоящее время классификацию перенапряжений, возбуждаемых в ЭСС и электроустановках принято осуществлять, прежде всего, в зависимости от места и от причины их возникновения.

В зависимости от места возникновения различают: фазные, междуфазные, внутрифазные перенапряжения и перенапряжения между контактами коммутационных аппаратов (выключателей).

Наибольшее практическое значение имеют фазные перенапряжения. Они воздействуют на изоляцию токоведущих частей электрооборудования относительно земли или заземляющих конструкций.

Междуфазные перенапряжения рассматриваются при выборе междуфазной изоляции.

Внутрифазные перенапряжения возникают на изоляции между различными токоведущими элементами одной и той же фазы, например, между соседними витками или катушками обмоток трансформаторов, а также между их нейтралями и землей.

Перенапряжения между контактами коммутирующих аппаратов могут возникать в процессе отключений участков сетей, а при несинхронной работе ЭСС, участков с несинхронно работающими генераторами.

В зависимости от причин возникновения, как уже отмечалось выше, различают две группы перенапряжений: внешние и внутренние. Внешние перенапряжения возникают при грозовых разрядах и воздействиях других внешних по отношению к рассматриваемой сети, электроустановке источников энергии (источников электромагнитных импульсов – ЭМИ). Внутренние перенапряжения развиваются за счет энергий, подключенных к сетям генераторов, и энергий магнитных и электрических полей реактивных элементов этих сетей (собственно, их индуктивных L и емкостных С элементов).

Главным источником внешних перенапряжений в ЭЭС являются грозовые разряды. Причем, наиболее опасные из них возникают при прямых ударах молний (ПУМ) в токоведущие элементы электрических сетей. Однако, и удары молний в заземленные элементы конструкций сетей могут приводить к возникновению на них кратковременных перенапряжений, которые могут вызвать обратные перекрытия с заземленных элементов на токоведущие.

Индуктированные перенапряжения на изоляции элементов сетей (в том числе грозовые, ЭМИ) возникают вследствие взаимных электромагнитных (индуктивных и емкостных) связей между источниками ЭМИ и токоведущими и заземленными элементами сети. Они в большинстве случаев имеют меньшую величину, но могут представлять опасность, например, для сетей 3…35 кВ, в частности, при ударе молнии вблизи линий электропередачи.

Импульсные грозовые перенапряжения могут воздействовать и на изоляцию электроустановок, расположенных на значительном удалении от места удара молнии, так как волны перенапряжений распространяются по линиям электропередачи на значительные расстояния с малым затуханием их амплитуды. Особенную опасность такие набегающие волны могут представлять для изоляции электрооборудования станций и подстанций, которая имеет меньшие запасы по электрической прочности, чем изоляция линий электропередачи.

Внутренние перенапряжения в ЭСС чаще всего возникают в результате нарушений энергетических балансов между электромагнитными полями элементов ЭСС, генерирующих, поглощающих и запасающих энергию. Поэтому они возникают, большей частью, тогда, когда значительная часть элементов, способных поглощать энергию, отключается. Например, при оперативных, аварийных и послеаварийных коммутациях в ЭСС таких, как: включениях и отключениях ненагруженных линий электропередачи, отключениях ненагруженных трансформаторов и реакторов, отключениях коротких замыканий, разрывах электропередач при выпадении ЭСС из синхронизма, повторных включениях и др. Они также могут возникать вследствие развития в ЭСС различного рода резонансных процессов, а также при разрывах и повторных зажиганиях горящих электрических дуг.

Следует отметить, что физическая природа внутренних перенапряжений, как правило, не зависит от номинальных напряжений сетей. В электроустановках с различными номинальными напряжениями возможны одни и те же коммутации и сопутствующие им процессы, однако, количественная сторона явлений и соотношения между возможными амплитудами перенапряжений и уровнями изоляции электрооборудования для электроустановок с различными номинальными напряжениями различны. Роль внутренних перенапряжений возрастает с увеличением номинальных напряжений, применяемых в электроустановках, а для электроустановок сверхвысоких напряжений (500–1500 кВ) они становятся определяющими как при решении вопросов координации изоляции, так и при решении вопросов защиты электрооборудования от перенапряжений.

Внутренние перенапряжения в зависимости от длительности воздействия на изоляцию принято подразделять на стационарные (режимные), квазистационарные и коммутационные.

Квазистационарные перенапряжения возникают при временных с точки зрения эксплуатации режимах работы электроустановок и неблагоприятных сочетаниях их параметров и могут продолжаться до тех пор, пока не изменится схема или режим работы электроустановки. Длительность таких перенапряжений – от секунд до десятков минут – ограничивается действием релейных защит и автоматики или оперативного персонала.

Квазистационарные перенапряжения подразделяют на режимные, резонансные, феррорезонансные и параметрические.

Режимные перенапряжения, как правило, сопровождают неблагоприятные сочетания действующих в рассматриваемой электроустановке электродвижущих сил. К ним можно отнести перенапряжения при ошибочной фазировке трансформаторов, при несимметричных коротких замыканиях на землю, а также при перевозбуждении и разгоне генераторов, возникающих вследствие внезапного «сброса» их нагрузки.

Резонансные перенапряжения могут возникать при приближении одной из собственных частот электромагнитных колебаний отдельных участков электроустановки к частоте вынуждающей их ЭДС. Они могут возникнуть, например, при одностороннем питании линии электропередачи за счет так называемого емкостного эффекта линии. Условия резонанса могут сложиться при неполнофазных режимах работы линий электропередачи с присоединенными к ним трансформаторами или реакторами с заземленными нейтралями. Резонансный контур может быть образован междуфазными емкостными проводимостями линий и индуктивными сопротивлениями трансформаторов и реакторов на землю. Резонансные перенапряжения могут возникнуть также в нейтрали и на фазах сети с дугогасящим реактором в нейтрали вследствие резонанса в контуре, состоящем из индуктивности реактора и емкостных проводимостей сети на землю.

Феррорезонансные перенапряжения могут развиваться в контурах, содержащих индуктивности с насыщающимися магнитопроводами и последовательными с ними емкостными проводимостями. Такие перенапряжения могут наблюдаться как на промышленной частоте, так и на высших гармониках. В нормальных режимах работы электроустановок феррорезонанс маловероятен. Намного большие возможности для его развития возникают в несимметричных режимах, особенно – при неполнофазных включениях участков сети. Наиболее часто условия для возникновения феррорезонанса складываются в неполнофазных режимах работы сетей с изолированной нейтралью, когда емкостные проводимости на землю этих сетей оказываются соединенными последовательно с обмотками силовых трансформаторов или электромагнитных трансформаторов напряжения. Чаще всего феррорезонансные перенапряжения возникают: при однофазном включении участков линий электропередачи с ненагруженными трансформаторами, имеющими незаземленную нейтраль; двухфазном включении таких же линий; а также сложных авариях в сетях с изолированной нейтралью, например, разрывах одной фазы линий электропередачи с падением оборванного провода на землю со стороны источника питания.

Параметрические перенапряжения в ЭСС могут возникать в связи с созданием в них резонансных условий в эксплуатационных схемах с элементами с принудительно изменяющимися индуктивностями, например, генераторами с явнополюсным ротором (параметрический резонанс) или трансформаторами с нелинейной насыщающейся характеристикой намагничивания сердечника (автопараметрический резонанс).

Коммутационными перенапряжениями могут сопровождаться различные быстрые изменения режимов работы сети. Они возникают вследствие работы коммутационных аппаратов, включающих и отключающих элементы сетей и электроустановок, при пробоях изоляции (в том числе при повторных зажиганиях дуги), а также при резком изменении параметров нелинейных элементов. Наибольшее значение среди них имеют перенапряжения при коммутациях линий электропередачи, индуктивных элементов сети, конденсаторных батарей, а также при дуговых замыканиях на землю в сетях с изолированной нейтралью.