Перенапряжения в электрических сетях

Лекция 3.

ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ

Общая характеристика перенапряжений

Перенапряжением называют всякое превышение напряжением амплитуды наибольшего рабочего напряжения.

Наибольшее рабочее напряжение (линейное) определяется соотношением

,

где значение коэффициента k_p принимают равным следующим значениям.

Класс напряжения Uном, кВ	3-20	35-220		500-1150
kp	1,2	1,15	1,10	1,05

Основные характеристики перенапряжения (которые, как правило, являются случайными величинами):

1. Максимальное значение амплитуды напряжения при перенапряжении U_макс или кратность перенапряжений

Длительность воздействия перенапряжения.

Форма кривой перенапряжений (апериодическая, колебательная, высокочастотная и др.).

Широта охвата элементов электрической цепи.

Внешние перенапряжения – от разрядов молнии (атмосферные перенапряжения) и от воздействия внешних источников;

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 возникают при несимметричных коротких замыканиях на землю, при разгоне генератора в случае резкого сброса нагрузки, при возникновении резонансных эффектов в линиях (при одностороннем питании линии), в электрических цепях при наличии реакторов, а также в цепях с катушками с насыщенным магнитопроводом, как на частоте 50 Гц, так и на высших гармониках.

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.

Для изоляции высоковольтных устройств низких классов напряжения (U ≤ 220 кВ) наиболее опасными являются грозовые перенапряжения. Их изоляция выдерживает коммутационные перенапряжения любой кратности, поэтому на низких классах напряжения ограничивают специальными устройствами только грозовые перенапряжения.

Для изоляции высоковольтных устройств высоких и сверхвысоких классов напряжения (U ≥ 330 кВ) наиболее опасными являются коммутационные перенапряжения. В связи с этим для линий класса U > 330 кВ осуществляется принудительное ограничение перенапряжений

Uном, кВ
Кратность перенапряжений	2,7	2,5	2,2	1,8

К этим средствам относят разрядники и нелинейные ограничители перенапряжений.

Трубчатые разрядники.

Недостатки: нестабильные характеристики, наличие зоны выхлопа и крутая вольт-секундная характеристика.

Срабатывание таких разрядников вызывает резкий спад напряжения, возникновение переходных процессов и опасных перенапряжений на продольной изоляции высоковольтных устройств (трансформаторы, генераторы, реакторы и т. д.).

Крутая вольт-секундная характеристика (ВСХ), т. к. форма электрического поля резконеоднородная, не позволяет осуществлять защиту объектов в области коротких времен воздействия напряжения (грозовые перенапряжения):

.

Вольт-секундная характеристика защищаемой изоляции (1),

искрового промежутка с резконеоднородным полем (2)

и однородным полем (3).

Вентильные разрядники РВ имеют пологую ВСХ.

Ø Номинальное напряжение: - до 500 кВ.

Ø Объект защиты: - линейная и подстанционная изоляция.

Ø Ограничиваемые перенапряжения: атмосферные, коммутационные

Ø Материал резисторов: -вилит, тервит.

Ø Недостатки: нестабильные характеристики, малая нелинейность резисторов.

ИП –искровые промежутки; РС – рабочие сопротивления

И подстанций

Для прогноза количества ударов молнии в защищаемый объект используют метеорологическую характеристику интенсивности грозовой деятельности – число часов с грозой в год в данной местности T_Г – и среднее число ударов молнии в 1 км² поверхности земли за 100 грозочасов, равное

.

Возвышенные объекты стягивают на себя удары молний с площади большей, чем их собственная площадь. Число прямых ударов в здания высотой H или в открытые распределительные устройства с молниеотводами высотой H в течение года вычисляется с увеличением горизонтальных размеров объекта A и B (в метрах) на 3.5H во все стороны:

Для линий электропередачи используют удельный показатель N*_ПУМ , равный числу прямых ударов молнии на 100 км длины за 100 грозочасов. Считается, что линия собирает разряды с расстояния 3h_ср в обе стороны:

Средняя высота подвеса провода h_ср, м, определяется через высоту подвеса троса или верхнего провода на опоре h_оп, м, и стрелу провеса провода f, м, следующим образом:

Если линия имеет длину l, км, и расположена в местности с числом грозочасов в год T_Г, то ожидаемое число прямых ударов молнии в линию за год можно оценить по следующей формуле:

Линии длиной до 1000 км (ВЛ 500 кВ) поражаются молнией не менее 200 раз в грозовой сезон. Поэтому для ВЛ защита с помощью тросовых молниеотводов приобретает основное значение.

Основные принципы защиты оборудования подстанций:

• защита от прямых ударов молнии стержневыми молниеотводами;

• защита оборудования от волн, приходящих с линии, с помощью РВ или ОПН;

• защита подходов линий от прямых ударов молнии.

Для успешной защиты оборудования от волн, набегающих с линии, разрядник должен иметь пробивное и остающееся напряжение ниже допустимого на защищаемом объекте на некоторую величину, называемую интервалом координации, который должен составлять не менее 15% уровня допустимого напряжения.

Для уменьшения остающегося напряжения на рабочем сопротивлении разрядника все линии, подходящие и отходящие от подстанции, оборудуются тросовой защитой длиной 2–3 км – защитные подходы

Наличие кабельной вставки на входе такой подстанции обычно не обеспечивает достаточной грозоупорности подстанции из-за неизбежных многократных отражений волн в кабельной линии. Поэтому в месте соединения воздушной линии с кабельной устанавливают вентильный или трубчатый разрядник для ограничения приходящей волны. Вентильный разрядник в конце кабеля устанавливается из-за возможности повреждения кабельной муфты из-за удвоения волны при отключенном выключателе.

Грозозащита подстанций, кроме защиты от прямых ударов молнии, должна включать в себя и защиту от перекрытий при ударах молнии в заземленные конструкции подстанций, т. е. от обратных перекрытий с заземленных элементов на токоведущие части оборудования.

Для выполнения этого требования необходимо сопротивление заземления подстанции делать малым. Для напряжения выше 1000 В сопротивление заземления подстанции Rз ≈ 0,5 Ом. Уменьшение Rз – наиболее эффективный путь защиты от обратных перекрытий.

Лекция 3.

ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ