Защита от перенапряжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вопрос 1. Опишите основные закономерности распространения электромагнитных волн в обмотках трансформаторов и электрических машин

Волны грозового (и коммутационного) характера, набегающие по линии электропередачи на подстанцию, приводят к возникновению импульсных напряжений, воздействующих на обмотку трансформатора (двигателя, генератора и др.). Характер пробоев изоляции обмоток указывает на важную роль волновых процессов.

В трансформаторе под действием импульса напряжения возникает сложный электромагнитный процесс, приводящий к перенапряжениям между катушками (витками) -- продольная изоляция, и между обмотками и заземленными частями -- главная изоляция.

Суммарная длина проводов в обмотках трансформаторов высокого напряжения достигает нескольких километров (длинная линия).

При воздействии импульсного напряжения в обмотке возникают волновые процессы, имеющие некоторую аналогию с процессами в линиях электропередачи. Однако схема замещения обмотки трансформатора, даже без учета активного сопротивления и проводимости, значительно сложнее схемы замещения линии. Из-за того, что провод обмотки навивается вокруг магнитопровода, появляются два дополнительных параметра схемы замещения: емкость между соседними витками или катушками К (продольная емкость) и взаимная индуктивность М(х) каждого витка со всеми остальными витками обмотки. Величины L, C, K - средние значения индуктивности, емкости относительно заземленных элементов и соседних обмоток и продольной емкости на единицу длины обмотки.

Электромагнитный переходный процесс в трансформаторе зависит от ряда факторов:

-- схемы соединения обмоток;

-- режима нейтрали (заземлена или изолирована);

-- конструкции обмоток;

-- падения волны по одной, двум, трем фазам ЛЭП.

При падении электромагнитной волны на одну из обмоток трансформатора электромагнитные процессы в ней возбуждают высокие потенциалы в другой обмотке. Возможны 2 вида передачи ВН.

1. Емкостная передача потенциала в трансформаторах

Обычно в высоковольтных трансформаторах емкость на землю обмотки высокого напряжения много меньше, чем емкость на землю обмотки низкого напряжения, т.е. C11 << C22

При емкостной передаче электромагнитной волны между обмотками трансформатора коэффициент трансформации не играет роли и зависит от C11/C22. Значительные потенциалы могут быть на обмотке 2 (НН), только когда С22 мало.

2. Электромагнитная передача напряжения в трансформаторах.

Если фазы ВН присоединены к ВЛ, то рост потенциала будет незначителен как в начале, так и в середине обмотки.

Если фазы АВС отсоединены от ВЛ, то

UA =UB =UC ?Uпад kтр ,

где kтр -- коэффициент трансформации.

Это опасный режим и для внутренней и для внешней изоляции трансформатора. Следовательно, нужна установка защитных аппаратов от перенапряжений на выводах трансформатора.

Распространение волн в обмотках вращающихся машин

Максимальное распределенное напряжение в обмотке электрических машин возникает вследствие попадания электромагнитных волн при грозовой деятельности или коммутационных импульсов во время дугового замыкания на землю или несинхронного включения или отключения генератора в сети. Вращающиеся машины включаются на воздушную сеть не только через трансформатор, но и непосредственно, т.е. без трансформатора связи. В обоих случаях опасным для изоляции обмотки машины и главной, и межвитковой является появление волны перенапряжения на вводе большой амплитуды с крутым фронтом. Максимальные напряжения возникают в обмотке машины, работающей с изолированной нейтралью. В этом случае образуются отраженные волны, которые накладываются на напряжение падающей волны и поднимают его почти во всех точках обмотки. Волновые процессы в обмотках машин могут быть уподоблены волновым процессам в проводе линии электропередачи с некоторым волновым сопротивлением, т.к. межвитковая емкость в обмотке машин мала и уменьшается со снижением числа витков в катушке. Величины волновых сопротивлений в обмотке машин колеблются в широких пределах (от 200 до 1000 Ом). Индуктивность обмотки пропорциональна квадрату числа витков, а волновое сопротивление - первой степени числа витков, причем волновое сопротивление зависит от номинального напряжения машины и ее мощности. В машинах более высоких напряжений толщина слоя изоляции больше, что ведет к уменьшению емкости машины и, следовательно, к увеличению волнового сопротивления. Увеличение мощности машины влечет за собой увеличение размеров проводников обмотки, что требует больших размеров паза. В этом случае возрастает емкость, снижается индуктивность обмотки и, следовательно, снижается волновое сопротивление.

Скорость распространения электромагнитной волны в обмотках машин неравномерна. Значительно меньшую скорость волна имеет в пазовой части обмотки (большая индуктивность) и большую - в лобовой части. Средняя скорость распространения волны в обмотке машины равна около 1/5 скорости света в воздухе, причем в начале обмотки она выше среднего значения и в пазу доходит до 1/2 скорости света.

При изолированной нейтрали максимальное распределенное напряжение на обмотке машины достигает 170 % напряжения падающей волны.

При заземленной нейтрали Umax во всех точках обмотки не превышает амплитуды падающей волны, а включение в нейтраль сопротивления до 200 Ом снижает на обмотке максимальное распределенное напряжение до 80 % амплитуды падающей волны.

Вопрос 2. Опишите устройство тросовых молниеотводов на линиях разного номинального напряжения. Защитная зона тросового молниеотвода, защитный угол

Устройство, воспринимающее прямой удар молнии с целью защиты сооружений и электрического оборудования, называется молниеотводом.

Различают стержневые и тросовые молниеотводы, первые выполняют в виде вертикальных стержней ( мачт), а вторые - в виде проводов, горизонтально подвешенных на опорах ЛЭП. В устройство молниеотвода входит: молние-приёмник - верхняя часть стержня или провод-трос; спуск - металлическая часть мачты или опора ЛЭП; заземлитель - устройство, выполняемое в земле под молниеотводом для растекания тока молнии в землю.

Тросовые молниеотводы прокладываются над рабочим проводом в виде стального провода по опорам ЛЭП. Если опоры деревянные, то в качестве спуска используется стальная шина не менее 16 мм, соединяющая трос с заземлителем опоры. Защитное действие опоры проявляется в ориентировании лидера разряда молнии на некоторой высоте. Это зона 100%-ного поражения молниеотвода по рис. 1

Во время лидерной стадии на вершине молниеотвода скапливаются заряды, которые резко увеличивают напряженность электрического поля на пути между лидером и вершиной молниеотвода, что предопределяет удар молнии в молниеотвод, а не в объект, который находится поблизости и более низкий.

Зона 100% поражаемости молниеотвода h - высота молниеотвода; ha - молниеприемник; hx_- высота защищаемого объекта; R- радиус параболоида зоны ориентирования разряда молнии

Зоны защиты тросовых молниеотводов

Для одного тросового молниеотвода вертикальное сечение зоны защиты строится также, как и для стержневого, а числовые коэффициенты находятся по рис.2.а. Внешняя зона защиты двух параллельных тросов на ЛЭП по рис. 2.б, расположенных на расстоянии а, определяется как для одиночного троса. Дуга окружности проходит через три точки: через два троса и через середину промежутка на высоте

h0 = h - а / 4 р.

Условие защиты среднего провода при горизонтальном расположении проводов и двух тросов в пролете

a<4p(h-hx) = 4p(hip-hnp)

осуществляется всегда со значительным запасом.

Экранирующее действие тросов принято характеризовать углом защиты а. Чем меньше а, тем меньше вероятность прорыва молнии сквозь тросовую защиту:

lgPm = ( a hon / 90) - 4

где hon - высота опоры.

Угол защиты одного троса на ЛЭП 35 - 220 кВ 28° - 35 0, а для ЛЭП 500 кВ и выше с двумя тросами не более 23°.

Зоны защиты одного а) и двух б) тросовых молниеотводов

Одиночный тросовый молниеотвод

Защитная зона одиночного тросового молниеотвода ограничена двускатными симметричными поверхностями. В вертикальном сечении образуют треугольник с равными боковыми сторонами. Вершина треугольника находится на высоте h0 < h, основание треугольника длиной 2 * r0 располагается на уровне земли.

Одиночный тросовый молниеотвод. Зона защиты

Приведенная ниже формула годится для молниеотводов высотой менее 150 метров. Полуширина rх зоны защиты требуемой надежности на высоте hx от поверхности земли определяется выражением:

Двойной стержневой молниеотвод

Если расстояние между стержнями молние-приемника не превышает какого-то критического значения Lmax, то молниеотвод называют двойным. Иначе конструкции рассматривают как два обособленных молниеотвода. Вертикальное и горизонтальное сечение стандартной зоны защиты такого молниеотвода с заданной высотой и расстоянием между стержнями можно увидеть на рисунке.

Двойной стержневой молниеотвод. Зона защиты

Для построения внешней области воздействия двойного молниеотвода, которые представляют собой полуконусы с параметрами h0 и r0, используют формулы для одиночных молниеотводов.

Габариты внутренней области вычисляются с использованием параметров h0 и hc (максимальная высота зоны действия молниеотвода прямо около него и минимальная высота зоны между молниеотводами соответственно). Если расстояние между стержнями молниеотвода меньше Lc, то высота зоны защиты не уменьшается (h0 = hc).

Для расстояний Lc < L > Lmax высота hc определяется по следующему выражению:

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

Максимальная полуширина зоны rх в горизонтальном сечении на высоте hx:

Длина горизонтального сечения Lx на высоте hx > hc:

Ширина горизонтального сечения в центре между молниеотводами 2rcx на высоте hx < hc:

Двойной тросовый молниеотвод

Если расстояние между тросами не превышает определенной величины, то тросовый молниеотвод считается двойным (по аналогии со стержневым молниеотводом). Иначе молниеотводы рассматриваются по отдельности.

На рисунке представлены вертикальное и горизонтальное сечение зон защиты. Высота - h, расстояние между тросами - L.

Форма внешних зон защиты - односкатные поверхности. Определение внешних зон защиты происходит по формулам одиночных молниеотводов.

Двойной тросовый молниеотвод. Зона защиты

Формулы для зон защиты имеют следующий вид:

Высота hc определяется по выражению (для высоты молниеотвода, не превыщающую 150 м.):

Длина горизонтального сечения зоны защиты на высоте hx определяется по формулам:

Вопрос 3. Как защитить подстанцию 330 кВ, находящуюся в районе со среднегодовой продолжительностью гроз Tср=50 ч/год, от волн перенапряжений, если к подстанции подходят три воздушные линии на ж/б опорах? На ПС установлено два трансформатора по 200 МВ А.Удельное эквивалентное сопротивление грунта 400 ОМ. м. Приведите схему.

электромагнитный обмотка трансформатор перенапряжение