Проблема перенапряжения государства

Четыре типа перенапряжений

Существуют четыре типа перенапряжений, которые могут нарушать работу электроустановок и оборудования (потребителей):

  • атмосферные перенапряжения;
  • коммутационные перенапряжения;
  • переходные перенапряжения промышленной частоты;
  • перенапряжения, вызванные электростатическим разрядом.

Атмосферные перенапряжения

Риск молний — некоторые сведения
От 2000 до 5000 грозовых явлений образуются постоянно в атмосфере земли. Грозы сопровождаются разрядами молнии, которые представляют серьезную угрозу для людей и оборудования. Разряды молнии в атмосфере земли происходят с частотой 30-100 разрядов в секунду. Ежегодно земля испытывает около 3 миллиардов ударов молнии.

  • Каждый год во всем мире тысячи людей подвергаются ударам молнии, при этом погибает огромное число животных.
  • Кроме того, молнии являются причиной многочисленных пожаров, большинство из которых возникает на фермах (с уничтожением сооружений или их выходом из строя).
  • Молнии поражают трансформаторы, счетчики электроэнергии, бытовые электроприборы и электрические и электронные системы в жилом секторе и промышленности.
  • Высотные здания — одни из самых поражаемых молнией сооружений.
  • Стоимость устранения ущерба, наносимого молнией, крайне велика.
  • Трудно оценить последствия нарушений работы компьютерных или телекоммуникационных сетей, сбоев циклов PLC и отказов в системах управления.

Более того, потери из-за выхода машин из строя могут иметь финансовые последствия, выходящие за пределы стоимости оборудования, разрушенного молнией.

Характеристики разряда молнии
Рис. J3 содержит данные комитета по молниезащите (технический комитет 81 МЭК). Согласно этим данным 50% разрядов молнии имеют силу свыше 33 кА, а 5% — свыше 85 кА. Энергия разрядов крайне высока.

Важно определить наиболее подходящую защиту объекта. Ситуация усложняется тем, что ток молнии является импульсным током высокой частоты (ВЧ) порядка мГц.

Вероятность — выше макс. P (%) Пиковое значение тока I (кA) Скорость нарастания S (кA/мкс) Общая продолжит.T (с) Число разрядов (n)
95 7 9,1 0,001 1
50 33 24 0,01 2
5 85 65 1,1 6

Рис. J3: Характеристики разряда молнии согласно данным комитета по молниезащите

Воздействие молнии

Молнии происходят от разряда электрических зарядов, накопленных в кучевых облаках, которые образуют конденсатор с землей. Грозовые явления наносят значительный ущерб.
Молния — высокочастотное электрическое явление, вызывающее перенапряжения на всех проводящих элементах, особенно на нагрузках и проводах.

Ток молнии является электрическим током высокой частоты. Кроме значительных наводок и перенапряжения, он оказывает такое же воздействие на проводник, как любой другой ток низкой частоты:

  • Тепловой эффект: расплавление в точках воздействия молнии и тепловое действие тока приводят к пожарам.
  • Электродинамический эффект: при циркуляции токов молнии в параллельных проводниках они вызывают силы притяжения или отталкивания между проводами, приводя к разрывам или механическим деформациям (раздавливание или сплющивание проводов).
  • Эффект взрыва: молния может приводить к расширению воздуха и образованию зоны избыточного давления, расширяющейся на расстояние десятки метров. Ударная волна разрушает окна или перегородки и может отбрасывать животных или людей на несколько метров. Вместе с тем, ударная волна преобразуется в звуковую волну: гром.
  • Перенапряжения в проводниках после воздействия молнии на воздушные электрические или телефонные линии.
  • Перенапряжения, индуцированные электромагнитным излучением канала молнии, который действует как антенна в радиусе нескольких километров при прохождении по каналу сильного импульсного тока.
  • Повышение потенциала земли из-за циркуляции тока молнии в грунте. Это объясняет непрямые разряды молнии из-за образующегося шагового напряжения и связанные с этим повреждения оборудования.

Коммутационные перенапряжения

Резкое изменение установившегося режима работы электрической сети приводит к переходным процессам. Как правило, это волны перенапряжения высокой частоты (их частота изменяется от нескольких десятков до нескольких сотен кГц).

Причины коммутационных перенапряжений:

  • Отключения устройствами защиты (плавкий предохранитель, выключатель) и отключения или включения аппаратуры управления (реле, контактор и т.д.).
  • Перенапряжения от индуктивных цепей из-за пуска или останова двигателей или отключения понижающих трансформаторов подстанций.
  • Перенапряжения от емкостных цепей при подсоединении блоков конденсаторов к сети.
  • Все устройства, имеющие в своем составе катушку, конденсатор или трансформатор на входе питания: реле, контакторы, телевизоры, принтеры, компьютеры, электропечи, фильтры и т.д.

Переходные перенапряжения промышленной частоты

(см. рис. J4)

Такие перенапряжения имеют такую же частоту, как сеть (50, 60 или 400 Гц):

  • Перенапряжения из-за повреждения изоляции фаза/корпус или фаза/земля в сети с заземленной непосредственно или через сопротивление нейтралью или из-за разрыва нейтрального проводника. При этом однофазные устройства получают напряжение 400 В.
  • Перенапряжения из-за пробоя кабеля. Например, при падении кабеля высокого напряжения на низковольтную линию.
  • Образование дуги при срабатывании защитного искрового разрядника высокого или среднего напряжения вызывает повышение потенциала земли, что приводит к появлению перенапряжений.

Рис. J4: Переходное перенапряжение промышленной частоты

Перенапряжения из-за электрического разряда

В сухой среде электрические заряды накапливаются и создают очень сильное электростатическое поле. Например, человек, идущий по ковру в изолирующей обуви, становится электрически заряженным до напряжения нескольких киловольт. Если человек проходит около проводящей конструкции, возникает электрический разряд в несколько ампер с очень коротким временем нарастания (несколько наносекунд). Если конструкция включает в себя чувствительное электронное устройство, например, компьютер, его компоненты или монтажные платы могут быть повреждены.

Защита от волн атмосферных перенапряжений

Перенапряжения в системах электроснабжения. Молниезащита

Общие положения

В процессе эксплуатации электроустановок появляются напряжения, опасные для изоляции. Появление таких напряжений связано с перенапряжениями.

Под перенапряжением понимают любые повышения напряжения до величины, опасной для изоляции электроустановок, рассчитанной на рабочее напряжение.

Для обеспечения надежной работы электроустановок возможно применение изоляции, удовлетворяющей всем видам перенапряжений, однако это приводит к неоправданному удорожанию электроустановок. В связи с этим при проектировании и эксплуатации электроустановок необходимо предусмотреть ряд мер, позволяющих защитить их от перенапряжений. Для этого необходимо знать природу и возможные уровни перенапряжений.

В зависимости от причины возникновения перенапряжения можно разделить на внутренние и внешние.

К внутренним перенапряжениям относятся режимные, коммутационные и дуговые.

Режимные перенапряжения возникают в результате изменения режима работы электроустановки, например, при резких изменениях нагрузки, отключении токов короткого замыкания и др., что сопровождается выделением энергии, запасенной в электроустановке. Величина этой энергии определяет кратность перенапряжения, определяемую отношением амплитуд перенапряжения к рабочему напряжению.

Коммутационные перенапряжения возникают при нормальной эксплуатации линий в случае включения разомкнутой на конце линии, отключении работающих вхолостую трансформаторов, асинхронных электродвигателей, линий большой емкости.

Дуговые перенапряжения могут возникнуть в сетях напряжением выше 1 кВ при однофазных замыканиях на землю через перемежающуюся дугу в сетях с изолированной нейтралью; при резонансных явлениях. Величина их превышает в 4–4,5 раза номинальное напряжение. Наибольшую кратность по отношению к номинальному напряжению имеют перенапряжения, вызванные однофазными замыканиями на землю через дугу, для ограничения которых применяют компенсацию емкостного тока замыкания на землю с помощью дугогасящих реакторов.

Компенсация емкостного тока замыкания должна применяться в следующих случаях: в сетях напряжением 35 кВ при токах замыкания на землю более 10 А; в сетях напряжением 15 – 20 кВ при токах более 15 А; в сетях напряжением 6 – 10 кВ при токах замыкания на землю соответственно 30 и 20 А.

Остальные причины возникновения перенапряжений определяют относительно небольшую кратность и при соответствующем выборе изоляции не представляют опасности для электроустановок. Поэтому электрооборудование напряжением до 220 кВ не требует специальных мер по ограничению внутренних перенапряжений.

Опасной категорией перенапряжений являются внешние воздействия на электрическую систему, обусловленные разрядами молнии, это так называемые грозовые перенапряжения. В отличие от коммутационных они не зависят от величины рабочего напряжения электроустановки. Различают два вида внешних перенапряжений – индуктированные и прямого удара молнии.

Прямой удар молнии проявляется в непосредственном контакте канала молнии с объектом и сопровождается протеканием через него тока молнии. Помимо этого встречаются вторичные проявления молнии, при которых происходит наведение потенциалов на металлические элементы конструкций, в незамкнутых металлических контурах за счет близких разрядов молнии и создания опасного искрения внутри защищаемого объекта.

Прямые и близкие удары молнии создают опасность искрения за счет заноса высокого потенциала в защищаемое здание или сооружение с протяженными металлическими конструкциями (эстакадами, кабелями, трубопроводами).

Процесс образования грозового разряда обусловлен накоплением электрических зарядов в грозовом облаке, образованием канала молнии и протеканием грозового разряда после образования канала. Образование же электрических зарядов связано со сложным процессом термодинамических и аэродинамических явлений, вызывающих восходящие воздушные потоки, в которых конденсируются молекулы воздуха и пара, образуя водяные капли с поляризацией электрических зарядов.

Молния представляет собой электрический разряд в атмосфере между облаком и землей. Нижняя часть облака обычно несет отрицательные заряды и образует с землей своеобразный конденсатор (рис. 11.1, а).

Индуктированные перенапряжения на проводах электропередачи возникают при ударе молнии в землю или при ударе в защитный трос или землю. На рис. 11.1, б, в показан процесс накопления зарядов и образования волн индуктированного перенапряжения в проводах линии при ударе в защитный трос. Амплитуда таких перенапряжений составляет 400 – 500 кВ, что представляется опасным для изоляции электроустановок и линий напряжением до 35 кВ на металлических и железобетонных опорах. Уровень изоляции таких линий можно повысить, увеличив число подвесных изоляторов в гирлянде. Отдельно стоящие металлические опоры напряжением 35 кВ и места с ослабленной изоляцией линий с деревянными опорами защищают трубчатыми разрядниками.

Перенапряжения, обусловленные прямым ударом молнии, достигают нескольких миллионов вольт и оказываются опасными для линий всех рабочих напряжений. При прямом ударе весь заряд через пораженный участок стекает в землю и величина перенапряжения зависит от сопротивления сте-канию тока.

Рис. 11.1 Распределение зарядов при стержневом (а) и тросовом (б) молниеотводе и распространение волны перенапряжения вдоль провода (в)

Измерения показывают, что токи молнии изменяются в пределах от 10 до 250 кА. Скорость изменения тока молнии (крутизна кривой) различна. При расчетах максимальная амплитуда тока прямого удара молнии принимается 200 кА при крутизне фронта волны тока 50 кА/мкс.

Защита электроустановок, производственных, жилых и общественных зданий и сооружений осуществляется комплексом защитных устройств и мероприятий, предназначенных для обеспечения безопасности людей, предохранения зданий, сооружений, оборудования и материалов от всевозможных взрывов, загораний и разрушений, возникающих при разрядах молнии. Этот комплекс защитных устройств и мероприятий получил название мол-ниезащита.

Следует иметь в виду, что перекрытие изоляции воздушных линий сопровождается срабатыванием зашиты и отключением. Однако длительность отключения и повторного включения столь мала, что не отражается на работе электроустановок. Повторное включение производится устройствами АПВ.

Защита от волн атмосферных перенапряжений

Применение молниеотводов не исключает поражения изоляции. Набегающие волны перенапряжений доходят до подстанции и могут стать причиной пробоя изоляции электрооборудования. Волны перенапряжения, появившиеся в результате грозового разряда в проводах линии или наведенные грозовыми разрядами, распространяются примерно со скоростью света. Они характеризуются определенной амплитудой и крутизной волны. Для ограничения перенапряжений на подходах к подстанции и на самой подстанции устанавливаются разрядники, включаемые между фазой и землей.

Основным элементом разрядника является искровой промежуток, электрическая прочность которого значительно ниже электрической прочности изоляции электрооборудования в самом слабом ее месте.

Зависимость времени пробоя искрового промежутка разрядника от приложенного напряжения называется вольт-секундной характеристикой. Расположение вольт-секундной характеристики (ее крутизна) определяется конструктивными особенностями искровых промежутков (формой, размерами, расстоянием между ними).

Для надежного снижения волны перенапряжения вольт-секундная характеристика искрового промежутка разрядника должна быть ниже вольт-секундной характеристики защищаемой изоляции (рис. 11.10).

Если вольт-секундная характеристика разрядника будет крутой (см. рис. 11.10, пунктирная линия) и пересечет вольт-секундную характеристику изоляции, то изоляция не будет защищена разрядником при малых продол-жительностях разряда.

Характер работы искровых промежутков разрядников при набегании волн перенапряжений, превышающих их импульсное пробивное напряжение, показан на рис. 11.11. Когда напряжение набегающей волны перенапряжения достигнет значения импульсного пробивного напряжения искрового промежутка, последний пробивается и напряжение волны снижается из-за изменения волнового сопротивления участка сети. Дальнейшее изменение волны на разряднике и величина остаточного напряжения на разряднике определяются падением напряжения на разряднике при протекании по нему импульсного тока. Пробой обычно проходит во всех трех фазах и при срабатывании разрядника вслед за импульсным током протекает сопровождающий его ток промышленной частоты. Максимальное остаточное напряжения должно быть меньше разрядного напряжения защищаемой изоляции.

Рис. 11.10 Вольт-секундная характеристика разрядника 1 и защитной изолинии 2 Рис. 11.11 Кривая деформации волны перенапряжения разрядником

Если разрядник установлен в конце линии, то распространяющаяся вдоль линии волна, встречает на своем пути разрядник, перекрывает искровой промежуток и переходит с линии с волновым сопротивлением ZB на сопротивление разрядника R. Поскольку сопротивление изменяется, происходит частичное отражение волны. Для точки присоединения разрядника характерно следующее соотношение токов и напряжений:

(11.6)

где и – напряжение и ток набегающей волны; и – то же отраженной волны; и – напряжение и ток проходящей волны. Выразив токи через напряжение и волновое сопротивление, получим

откуда

(11.7)

Таким образом, величина напряжения волны, которую пропускает раз рядник, зависит от напряжения набегающей волны и сопротивления разрядника. Разрядники изготавливаются двух типов – трубчатые и вентильные. Пробивное напряжение трубчатых разрядников для линий напряжением 6–10 кВ составляет 40–60 кВ, для линий напряжением 35 кВ – 100–120 кВ. При пробое промежутка внутри трубки образуется дуга, высокая температура которой воздействует на стенки разрядника, которые, разлагаясь, выделяют большое количество газа. Газы, вырываясь из трубки под большим давлением, деионизируют дугу, и она гаснет. Время гашения дуги составляет один–два полупериода, т.е. за это время релейная защита не сработает. Разрядники устанавливаются под углом 10–15° во избежании скопления влаги внутри трубки.

Поскольку возможен пробой разрядников в нескольких фазах одновременно, выбор их производят по токам короткого замыкания.

Трубчатые разрядники применяют на линиях выше 1 кВ с деревянными опорами для защиты отдельных металлических или железобетонных опор и других мест с ослабленной изоляцией, а также пересечений линий различного характера и назначения.

На ВЛ напряжением до 1 кВ защита от перенапряжений осуществляется путем заземления крючьев и штырей фазных проводов, штырей и арматуры железобетонных опор.

Трубчатые разрядники устанавливаются на подходах ВЛ к подстанциям, распределительным устройствам для защиты оборудования от набегающих волн перенапряжения.

Квазистационарные перенапряжения

12

Классификация и характеристика внутренних перенапряжений сетей 6-35 кВ

Основной особенностью сетей 6-35 кВ является изолированный или резонансно заземленный режим работы нейтрали. Именно это обстоятельство вызывает появление значительных уровней перенапряжений в данных сетях. В большинстве случаев сети работают с изолированной нейтралью. Если величина емкостного тока сети превышает нормированные значения: 30 А для сетей 6 кВ, 20 А для сетей 10 кВ и 10 А сетей 35 кВ, нейтраль электрической сети заземляется через дугогасящий реактор. Сети с изолированной и резонансно заземленной нейтралью могут длительно работать с однофазным замыканием на землю (ОЗЗ). При ОЗЗ линейные напряжения в сети не искажаются, что позволяет не отключать поврежденный участок сети и тем самым не отключать потребителей электрической энергии. В месте замыкания горит дуга. В большинстве случаев она носит неустойчивый характер, что приводит к возникновению коммутационных перенапряжений.

В последнее время все большее распространение получает заземление нейтрали через резистор. Величина резистора подбирается таким образом, чтобы величина активного тока замыкания на землю была соизмерима с емкостной составляющей, обусловленной емкостью сети. Для сетей с небольшими емкостными токами величина резистора, как правило, более 100 Ом. Это заземление называется высокоомным резистивным заземлением. Наличие активного сопротивления в нейтрали сети приводит к стеканию избыточного заряда, накапливаемого на фазных емкостях сети в результате неустойчивого горения дуги. Смещение нейтрали сети в этом случае значительно меньше, а значит меньше и перенапряжения при ОЗЗ.

Внутренние перенапряжения сетей 6-35 кВ подразделяются на два вида:

квазистационарные перенапряжения, которые возникают при неблагоприятных сочетаниях реактивных элементов сети и ЭДС источников питания. Эти перенапряжения имеют длительный характер и существуют до тех пор, пока не исчезнет причина их возникновения;

коммутационные перенапряжения, которые возникают при различных коммутациях электрической цепи. В реальных условиях под ними понимают все плановые и аварийные коммутации.

Квазистационарные перенапряжения

Резонансное смещение нейтрали в сети с дугогасящим реактором

Нормальная работа сети с изолированной нейтралью характеризуется наличием на нейтрали некоторого напряжения, называемого напряжением несимметрии. Это напряжение возникает при наличии несимметрии в емкостях отдельных фаз сети или при различной величине проводимостей фаз, обусловленных, например, неодинаковой степенью загрязнения.

Например, в сети с изолированной нейтралью у ВЛ 35 кВ на П-образных деревянных опорах с горизонтальным расположением проводов при междуфазном расстоянии 3 метра емкости крайних фаз относительно земли на 10% больше емкости среднего провода. В этом случае может произойти смещение нейтрали примерно на 0,7 кВ.

Для сетей, заземленных через дугогасящую катушку, емкостной ток несимметрии протекает через индуктивность катушки. В этом случае может происходить резонансное смещение нейтрали, значительно превышающее обычное смещение.

Повышения напряжения в сетях 6-35 кВ при неполнофазных режимах работы сети

Резонансные повышения напряжения могут возникать не только при естественной несимметрии емкостей фаз, но и при значительной несимметрии емкостей, вызванной обрывом проводов и неполнофазными включениями линий. Предел повышения напряжения определяется насыщением магнитопровода дугогасящего реактора.

В сети без дугогасящего реактора нарушение симметрии сети, вызываемое обрывом проводов с заземлением и без заземления, неодновременным включением и отключением фаз возможны перенапряжения, обусловленные так называемым «опрокидыванием» фазы трансформатора. Перенапряжения на емкости линии при этом явлении могут достигать 4Uф. Явление опрокидывания возникает лишь на линиях определенной длины и слабо загруженных трансформаторах.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *