В облаке образуется несколько изолированных друг от друга скоплений зарядов ( в нижней части облака скапливаются преимущественно заряды отрицательной полярности), молния бывает обычно многократной, т.е. состоит из нескольких единичных разрядов, развивающихся по одному и тому же пути.

Точный механизм разделения зарядов в грозовом облаке все еще остается во многом неясным. Однако наблюдения показывают, что разделение зарядов совпадает с замерзанием капель воды в облаке.

ЛЕКЦИЯ 8. МОЛНИЕЗАЩИТА ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

8.1 Допустимое число отключений воздушных линий электропередачи

Воздушная линия электропередачи (ВЛЭП) является самым протяженным элементом электрической системы. Это и наиболее распространенный элемент системы, который наиболее часто подвергается ударам молнии. Статистика аварий в энергосистемах показывает, что 75-80 % аварийных отключений ВЛЭП связаны с грозовыми отключениями.

Технико-экономический анализ показывает, что выполнить ВЛЭП абсолютно грозозащищенной нельзя. Приходится сознательно идти на то, что ВЛЭП какое-то ограниченное число раз в год будет отключаться. В задачу грозозащиты линий входит снижение до минимума числа грозовых отключений.

Допустимое число отключений линии в год определяется из условий: а) надежного электроснабжения потребителей; б) надежной работы выключателей, коммутирующих ВЛЭП и рассчитывается по формуле

(10.1)

где - число допустимых перерывов в электроснабжении по линии в год (0,1 при отсутствии резервирования и 1 при наличии резервирования); - коэффициент успешности АПВ, равный 0,8-0,9 для линий 110 кВ и выше на металлических и железобетонных опорах.

Автоматическое повторное включение (АПВ) может удержать линию в раьоте, так как случаи повреждения изоляции на опорах дугой достаточно редки. В этом случае грозовое поражение не будет сопровождаться перерывом в электроснабжении. При неуспешном АПВ произойдет полное отключение линии.

Следует отметить, что частое применение АПВ осложняет эксплуатацию выключателей, требующих в этом случае внеочередной ревизии. Исходя из этого, допускается иметь =1-4 в зависимости от типа выключателей. Для особо важных линий это число отключений должно быть уменьшено.

8.2 Ожидаемое число грозовых отключений линии

Ожидаемое число грозовых отключений линии в первую очередь определяется интенсивностью грозовой деятельности в районе прохождения трассы линии. Ориентируясь на средние цифры, принято считать, что на 1кмземной поверхности за один грозовой час приходится 0,067 удара молнии. С учетом того, что линия собирает на себя все удары с полосы шириной 6h (h- средняя высота подвеса провода или троса), число N поражений молнией линии длиной l за год равно

N=0,067 n 6h l 10, (10.2)

где n- число грозовых часов в году.

Число перекрытий изоляции ВЛЭП определяется по формуле

(10.3)

где - вероятность перекрытия изоляции линии при данном токе молнии.

Не всякое импульсное перекрытие изоляции сопровождается отключением линии, так как для отключения необходим переход импульсной дуги в силовую. Вероятность перехода зависит от многих факторов, и в инженерных расчетах ее принято определять через градиент рабочего напряжения вдоль пути перекрытия , кВ/м. Для линий на деревянных опорах с длинными воздушными промежутками вероятность перехода в импульсную дугу определяется по формуле

(10.4)

Для линий на металлических и железобетонных опорах =0,7 при напряжении линии до 220 кВ и =1,0 для номинальных напряжений 330 кВ и выше.

Умножая на коэффициент , можно подсчитать ожидаемое число грозовых отключений линии в год

(10.5)

В инженерной практике обычно используется удельное число отключений линии , т. е. число отключений линии длиной 100 км, проходящей в районе с числом грозовых часов в году - 30:

. (10.6)

Для уменьшения числа грозовых отключений линии можно: либо уменьшить вероятность перекрытия изоляции при ударах молнии, что обычно достигается на ВЛЭП с металлическими опорами подвеской тросовых молниеотводов и обеспечением малого импульсного сопротивления заземления опор и тросов, либо удлинять путь перекрытия с малым градиентом рабочего напряжения, что снижает коэффициент перехода импульсной дуги в силовую. Последнее реализуется на ВЛЭП с деревянными опорами.

8.3 Грозоупорность воздушных ЛЭП

Импульсная прочность ЛЭП значительно больше, чем импульсная прочность оборудования подстанции. 80-90% отключений приходится на электрическую прочность линий, поэтому электрическую прочность ЛЭП мы никак уменьшать не можем. Также могут пострадать обслуживающий персонал и оборудование при сильной молнии.

Число отключений линий: N_отк=N_удP_перкз

N_уд - число ударов; P_пер вероятность перекрытия; _кз - вероятность перехода импульсного перекрытия в силовую дугу.

Рассмотрим три случая поражения ЛЭП молнией.

1. Удар молнии в трос.

На ЛЭП 110 кВ с тросом, подвешенным по всей длине линии, число ударов в трос и опору почти не отличается. Для линий 500 кВ характерны следующие соотношения:

N_оп40%N_уд

N_оп60%N_уд

Напряжение на тросе в момент удара молнии:

I^к_м - ток молнии в канале молнии (I^к_м=I_м).

Вероятность того, что ток будет иметь ту или иную величину: . Зная ток молнии, мы можем рассчитать вероятность этого тока, воздействующего на оборудование.

Рассмотрим два случая:

а - пробой в месте удара;

б - пробой изоляторов.

Представим наш рисунок в виде:

Напряжение на проводе:

U_пр=k_свU_тр

k_св - коэффициент связи.

Напряжение изоляции:

U_из=U_оп-k_свU_тр

Изоляции опоры:

U_оп=I_мR_иоп U_из= I_мR_иоп-I_м100k_св=I_м(R_и-100k_св) - защитный уровень изоляции.

U_изU_50%

U_50% - импульсная электрическая прочность изоляции воздушного промежутка.

Вероятность перекрытия изоляции: P(I_м=I_защ)=10^-Iм/60

Т.к. расстояние маленькое (l_пр/2), то искажение волны не будет и она вернется.

Величина трапециевидной волны определяется не амплитудой, а крутизной.

U_атр=u_мz_тр/2

U_пр= U_атрk_св

U_извозд=U_тр-U_пр=U_атр(1-k_св) - напряжение изоляции воздушного промежутка.

Далее найдя U_{извозд50%} мы можем определить а_мP(а_м) Р_пери.

2. Удар молнии в опору.

70% всех ударов приходится в опору.

U_оп=I_мR_м

При ударе молнии в хорошо заземленный объект (опора), величина тока молнии, протекающего на опоре, не изменяется.

Мы имеем хорошо заземленный объект, если R_зп30Ом - заземление промышленной частоты, поэтому сопротивление опор выполняется не более 30 Ом.

R_и=_иR_п

_и - импульсный коэффициент. Для опор _и1.

U_пр=U_оп

- коэффициент связи. Он зависит от того сколько у нас тросов: если один, то =0,3; если два, то =0,15.

U_из=U_оп-U_тр= I_мR_и(1-)

P(I_м)=Р_пер

Для упрощенного расчета пренебрегаем и считают: I_м=U_50%/R_и.

3. Удар мимо троса.

Этот случай очень редкий, т.к. вероятность прорыва через трос очень маленькая и равняется:

S - расстояние между тросами и верхним проводом по горизонтали.

h - расстояние между тросами и верхним проводом по вертикали.

D=1.

Вероятность отключения:

Р_откл=РР_перкз

Р=0,036 - для линий 220 кВ на одинарных железобетонных опорах с высотой опоры 24м. При этом =32⁰.

Вероятность перекрытия: Р_пер=Р(I_м).

Для 220 кВ: I_з=1000/3003,3кА

Р_пер=10^-3,3/60

Т.о. Р_откл оказывается очень маленькой величиной.

Рассмотрим более современный подход к расчетам.

1. Удар молнии в трос.

Число ударов в трос (прямой удар в трос)

N_пумтрР_тр=N_тр

Схема замещения будет выглядеть следующим образом:

1 - при R_зим0,05z_тр

2 - при R_зим0,2z_тр

Волновое сопротивление канало-молнии:

Напряжение на тросе:

Выражением можно пренебречь, если R_зим<<z_тр

Е_прср500 кВ/м

Перекрытие происходит в том случае, если:

- условие перекрытия.

Этот случай рассматривается для линий с тросами напряжением свыше 110 кВ.

При условии- маленькая вероятность перекрытия.

2. Удар в опору.

Число аварийных отключений при ударе в опору:

N_авоп=N^*_пумР_опР_перопг(1-Р_апв),

где _г - вероятность перехода в грозовую дугу.

В этом случае схема замещения примет вид:



L_оп= L^*_опh_оп

Удельная индуктивность опоры:

L^*_оп=0,5 мкГн/м - для 2-х стоечной опоры;

L^*_оп=0,6 мкГн/м - для 1 стоечной опоры;

L^*_оп=0,7 мкГн/м - для деревянной опоры с 2-мя токоотводами.

Коэффициент ответвления тока молнии в опору:

, при R_зим=10-20 Ом =0,8-0,9

Напряжение на опоре: U_оп=I_м R_зим+а_мL_оп+а_мМ_оп-м

Взаимная индукция между опорой и каналом тока молнии:

М_оп-м=М*_оп-мh_оп М*_оп-м=0,2 мкГн/м

Если R_зим<<, то перекрытие изоляции возможно на фронте волны.

1 - на заземлении опоры;

2 - напряжение на вершине опоры;

3 - суммарное напряжение волны.

_г=0,7 для U220 кВ

=0,1 для U330 кВ

Коэффициент перехода в дугу для воздушных промежутков:

U_{наибраб} - наибольшее рабочее напряжение.

Вероятностная зависимость между а_м и I_м:

Удар мимо троса.

Сначала определим N^*_уд.

Далее определяем N^*_удР_ab

Р_ab=Р_прорР_перг(1-_апв)

U_кр1200 кВ.

Схема замещения имеет вид:

U_пр=I_мz_э

Эквивалентное входное сопротивление схемы относительно точки удара молнии:

Перекрытие произойдет если:

U_50%<U_прI_м

Р_пер=Р(I_мI_зу)

Кроме всех этих случаев рассматривается еще один.

4. Индуктирование перенапряжения в линии

k_э, k_м - коэффициенты, учитывающие магнитную и электростатическую составляющие канала линии.

Число отключений индуктивного удара:

D_и - число грозовых часов в году на тросе линии.

N^*_уд=6 D_и10⁶ м²/год

n_{отклинд}=n^*_индг(1-_апв)

8.4 Показатели качества грозозащиты ВЛ

1. Уровень грозоупорности.

Он определяется критическим током молнии, при котором еще не происходит импульсного перекрытия изоляции.

2. Кривая опасных токов молнии.

Это показатель опасных сочетаний крутизны а_м и тока I_м.

3. Показатель надежности грозозащиты.

Величина статическая и определяется числом лет между грозовыми отключениями на 100 км и 100 грозовых часов.

3. Технико-экономический показатель грозозащиты.

Производится проверка соответствия минимума приведенных годовых затрат на грозозащиту, а с другой стороны минимум затрат на возмещение ущерба, вызванного грозовыми отключениями линий.

В стоимость мероприятий по грозощите входят:

а. Осмотр троса.

б. Контроль за состоянием изоляции.

в. Измерение сопротивления опор.

Если в результате грозовых отключений потребитель остается надолго без электричества он может предъявить очень большой счет за ущерб.

8.5 Основные средства молниезащиты ВЛ

1. Защита ЛЭП тросами.

Защита ЛЭП 110 кВ выполняется на металлических и ж/б опорах.

Допускается сооружение ЛЭП 110 кВ и выше в следующих случаях:

а) в районах с числом грозовых часов в году менее 20 (пустыни, полупустыни, тундры). В РТ 30 грозовых часов;

б) на отдельных участках линии с токопроводящими грунтами;

в) на участках трассы с расчетной толщиной стенки гололеда более 20 мм;

г) линии на деревянных опорах тросом не защищаются. Защищаются только на подходах к подстанции;

д) на линиях 35, 10 кВ из-за маленькой электрической прочности, а также увеличивается вероятность числа ударов.

2. Заземление опор в соответствии с ПУЭ.

R_зим30 Ом.

На подходах к подстанции R_зим10 Ом.

3. Автоматическое повторное включение.

АПВ предотвращает перерыв в электроснабжении из-за грозовых перенапряжений.

Но рассчитывать только на АПВ нельзя, т.к. слишком частое срабатывание выключателей влечет за собой сокращение межремонтного периода и увеличение эксплутационных расходов на ремонт выключателей.

4. Увеличение числа изоляторов в гирлянде ведет к увеличению U_50%.

Это делается на тех участках линии, которые наиболее подвержены ударам молнии.

5. Применение РТ или ПЗ на участках с ослабленной изоляцией.

Если устанавливают РТ, то надо знать его параметры, т.к. меньшее значение тока не погасит дугу, а большее значение вызовет взрыв РТ.

Защитный промежуток ПЗ выглядит так:

6. Соблюдение нормированных изоляционных расстояний по воздуху при пересечении ВЛ между собой и с линиями связи.

ЛЕКЦИЯ 9. ГРОЗОЗАЩИТА ПОДСТАНЦИЙ ОТ ВОЛН ГРОЗОВЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ, НАБЕГАЮЩИХ С ЛИНИЙ

9.1 Импульсы грозовых перенапряжений, набегающие на подстанцию

Импульсы напряжения, образующиеся при ударах молнии в линию, набегают на подстанцию, где возникает опасность перекрытия или даже пробоя изоляции, уровень которой ниже уровня линейной изоляции по экономическим соображениям.

Волны, набегающие с линии на подстанцию, возникают при прямых ударах в провода линии без тросов, при обратных перекрытиях с троса или опоры или прорывах молнии мимо троса линии с тросами. Максимальные значения импульсных волн, набегающих на подстанцию, не могут превышать импульсного разрядного напряжения изоляции линии относительно земли. Если на линии возникнет волна с более высоким максимальным значением, то на при своем распространении по линии будет вызывать перекрытие изоляции опор до тех пор, пока заземления опор, на которых произошло перекрытие, не снизят максимальное значение волны до разрядного напряжения линейной изоляции. Подстанции защищаются от набегающих грозовых импульсов вентильными разрядниками (РВ) и ограничителями перенапряжений (ОПН).

Импульсы грозовых перенапряжений, набегающие на подстанцию, могут иметь разную форму. Полные импульсы, близкие по форме к импульсам тока молнии, возникают при ударах в провода линии, если их амплитуда ниже импульсного разрядного напряжения изоляции линии. Если амплитуда тока молнии выше критического значения и при ударе в провод происходит перекрытие линейной изоляции, то образуется срезанный импульс грозового перенапряжения. Максимальное напряжение срезанного импульса определяется вольт-секундной характеристикой изоляции линии. На линиях с номинальным напряжением до 330 кВ срезанные импульсы возникают примерно в 90% случаев. На линиях напряжением 500 кВ и выше , имеющих значительно большие импульсные разрядные напряжения изоляции, доля срезанных импульсов снижается до 50%. Импульсы с очень крутым (практически вертикальным) фронтом возникают при ударах молнии в опору или трос с последующим перекрытием линейной изоляции. Длительность таких импульсов мала и составляет 6-15 мкс, что объясняется отводом части тока молнии через тросы в другие опоры. Индуктированные импульсы напряжения, возникающие при ударах молнии вблизи линии могут иметь разную длительность. На линиях 6-35 кВ они могут вызвать перекрытия изоляции, и тогда их длительность уменьшается.

Распространяющийся по линии импульс напряжения деформируется и затухает. Основной причиной деформации и затухания являются импульсная корона, возникающая на проводах под действием высоких напряжений бегущей волны, и сопротивление земли, поскольку ток импульса замыкается через землю. Импульсы грозового происхождения преимущественно отрицательной полярности.

Для образования чехла импульсной короны необходима энергия, которая отбирается на фронте импульса. На осциллограмме можно увидеть, что на фронте импульса образуется ступенька при напряжении возникновения импульсной короны. Образование импульсной короны ведет как бы к возрастанию емкости провода, в результате чего заряд на проводе растет не пропорционально напряжению, а в квадратичной зависимости от него. Происходит удлинение фронта импульсной волны. Если импульс короткий или срезанный, то импульсная корона приводит не только к удлинению фронта, но и к понижению амплитуды. В случае полных импульсов влияние импульсной короны сказывается в основном на удлинении фронта и в значительно меньшей степени - на снижении амплитуды. Снижение амплитуды происходит за счет активных потерь при возврате тока волны по земле и может быть рассчитано по формуле

 (1)

где - амплитуда импульса напряжения в месте удара молнии; - удаление расчетной точки от места удара, км; - коэффициент, равный 0,07 км для линий напряжением 110 кВ и выше.

Удлинение фронта полного импульса под действием импульсной короны при прохождении им расстояния 1 км можно рассчитать по эмпирической формуле

(2)

где U - амплитуда полного импульса, кВ; h - средняя высота подвеса проводов, м; K - коэффициент, равный 160; 1,1; 1,45; 1,55 при числе проводов в фазе соответственно 1,2,3,4 и более.

В инженерных расчетах допустимо применение приближенного подхода, состоящего в следующем: принимается, что в месте удара молнии образуется импульс напряжения бесконечной длительности с вертикальным фронтом и амплитудой, равной линейной изоляции. Снижением амплитуды импульса пренебрегают, а удлинение фронта волны в результате действия импульсной короны подсчитывают по формуле ( 2).

9.2 Защитные аппараты и устройства

Одним из таких аппаратов является вентильный разрядник (РВ), у которого разрядное напряжение искрового промежутка и остающееся напряжение при токах координации не менее чем на 10% ниже гарантированной прочности защищаемой изоляции при полном импульсе.

П р и н ц и п д е й с т в и я в е н т и л ь н о г о р а з р я д н и к а заключается в том, что при воздействии на него импульса грозового перенапряжения пробивается искровой промежуток (один из основных элементов РВ) и через разрядник проходит импульсный ток, создающий падение напряжения на сопротивлении разрядника. Благодаря нелинейной вольт-амперной характеристике материала, из которого выполнено сопротивление, это напряжение мало меняется при существенном изменении импульсного тока и незначительно отличается от импульсного пробивного напряжения искрового промежутка разрядника Uпр. Это весьма существенно, так как диапазон возможных импульсных токов молнии довольно большой, они могут достигать десятков килоампер.

Одной из основных характеристик разрядника является остающееся напряжение разрядника Uост , т. е. напряжение при определенном токе (5-14 kA для разных номинальных напряжений), который называется током координации. После окончания процесса ограничения перенапряжения через разрядник продолжает проходить ток, определяемый рабочим напряжением промышленной частоты. Этот ток называется сопровождающим током. Сопротивление нелинейного резистора разрядника резко возрастает при малых по сравнению с перенапряжениями рабочих напряжениях, сопровождающий ток существенно ограничивается , и при переходе тока через нулевое значение дуга в искровом промежутке гаснет.

Наибольшее напряжение промышленной частоты на РВ, при котором надежно обрывается сопровождающий ток, называется напряжением гашения Uгаш, а соответствующий сопровождающий ток - током гашения Iгаш . Гашение сопровождающего тока может осуществляться в условиях однофазного замыкания на землю, поэтому в качестве напряжения гашения принимается напряжение на здоровых фазах при однофазном замыкании на землю:

Uгаш =КзUном, (4)

где Кз - коэффициент, зависящий от способа заземления нейтрали; Uном - номинальное линейное напряжение. Коэффициент для установок с заземленной нейтралью равен 0,8, а для установок с изолированной нейтралью 1,1.

Для того чтобы защита с помощью вентильных разрядников была эффективной, необходимо выполнить два условия: ограничить ток через разрядник величиной тока координации (от 5 до 14 кА в зависимости от номинального напряжения и типа разрядника); ограничить крутизну волны, набегающей на разрядник. Если ток, проходящий через разрядник, превысит ток координации, то остающееся напряжение разрядника окажется выше нормированного и интервал между остающимся напряжением разрядника и электрической прочностью изоляции уменьшится.

Ток через разрядник можно определить как

(3)

где z - волновое сопротивление провода линии; uр - напряжение на разряднике; uпад - амплитуда набегающей волны.

При одном и том же токе молнии доля тока, ответвляющегося в разрядник, растет с уменьшением номинального напряжения, так как сопротивление разрядника при этом падает. Таким образом, близкие удары особенно опасны при относительно невысоких номинальных напряжениях.

При некотором удалении места удара от шин подстанции в пределах 1-2 км максимум тока через разрядник достигается после многократных отражений от сопротивления в точке удара и сопротивления разрядника, т. е. в течение времени, соизмеримого с длительностью волны; вследствие этого к моменту максимума тока мгновенное значение тока молнии падает по сравнению с его максимальным значением. Ток через разрядник при прочих равных условиях уменьшается с увеличением расстояния между местом удара и шинами подстанции.

Следовательно, для того чтобы ограничить ток через РВ и тем самым обеспечить его успешную работу, необходимо исключить

прямые удары в провода линии вблизи подстанции или во всяком случае резко уменьшить вероятность таких ударов. С этой целью участки линий длиной 1-3 км. примыкающие к подстанциям (подходы), должны защищаться от прямых ударов молнии тросовыми молниеотводами. Если линия защищена тросами по всей длине, то на подходах обеспечиваются малые углы защиты тросов и низкие сопротивления заземления опор. Такие подходы называются защищенными.

Наличие защищенного подхода позволяет ограничивать вероятность набегания на подстанцию волн с большими крутизнами, это особенно важно для подстанций высокого напряжения, имеющих большие размеры, в силу чего часть аппаратов удалена от разрядников на расстояния, которые могут достигать несколько метров. При падении на подстанцию волны с крутым фронтом в отдаленных от разрядника точках подстанции возникают высокочастотные затухающие колебания относительно остающегося напряжения разрядника, максимальное значение которых тем больше, чем больше крутизна набегающей волны и расстояние от разрядника до защищаемой аппаратуры.

Разрядники разделены на 4 группы. IV группа - это разрядники серий РВП и РВО на напряжения 3-10 кВ. Нелинейные резисторы комплектуются из вилитовых дисков, искровой промежуток набирается из элементов, состоящих из двух латунных электродов, разделенных миканитовой шайбой.

К III группе относятся разрядники серий РВС (15-220 кВ).Вилитовые диски диаметром 100 мм.

II группа - разрядники серии РВМ (3-35 кВ) и РВМГ - 110-500 кВ. Применяются искровые промежутки с магнитным гашением и вилитовые диски диаметром 150мм, что увеличило их пропускную способность.

I группа - это разрядники РВТ (токоограничивающий) и РВРД ( c растягивающейся дугой). Комплектуются из тервитовых дисков и токоограничивающих искровых промежутков.

Комбинированные разрядники серии РВМК предназначены для ограничения как грозовых, так и внутренних перенапряжений в системах 330-750 кВ.

Н е л и н е й н ы е о г р а н и ч и т е л и п е р е н а п р я ж е н и й (ОПН). Разработанные резисторы на основе окиси цинка обладают значительно большей нелинейностью, чем резисторы на основе карборунда, что позволило создать новый тип защитного аппарата без искровых промежутков. Применительно к ОПН отсутствует понятие напряжения гашения. Высокая нелинейность обусловливает прохождение при рабочем напряжении через нелинейные резисторы тока порядка долей миллиамперметра на одну параллельную колонку. Это позволяет подключать ОПН непосредственно к сети.

9.3 Принципы защиты электрооборудования от набегающих импульсов грозовых перенапряжений

Основными аппаратами защиты электрооборудования подстанций от набегающих импульсов служат вентильные разрядники и ограничители перенапряжений.

Для того чтобы вентильный разрядник обеспечивал защиту оборудования, импульсный ток через разрядник не должен превышать тока координации. Если он превысит ток координации, то напряжение на разряднике окажется выше нормированного, что может представить опасность для изолции оборудования. В отдельных случаях при больших токах (десятки килоампер) и многократных воздействиях защитный аппарат может выйти из строя и даже разрушиться.

При близких от подстанции ударах в провод ток молнии распределяется обратно пропорционально сопротивлениям заземления опоры R и вентильного разрядника , при этом ток через разрядник

(1)

Сопротивление разрядника РВМГ-110 при токе координации =10 кА составляет

Ом. (2)

Тогда при токе молнии = 60 кА (Р=0,1) и сопротивлении заземления опоры R=10 Ом ток в разряднике будет равен 15 кА, что недопустимо.

Таким образом, прямые удары молнии в провода линии вблизи подстанции необходимо исключить. Для этого участки линии длиной 1-3 км, примыкающие к подстанциям, во всех случаях защищаются тросовыми молниеотводами. Такие участки линии получилиназвание защищенных подходов к подстанциям. Удаленные удары молнии в провод могут привести к появлению в разряднике тока, не превышающего (- 50%-ное импульсное разрядное напряжение линейной изоляции; -волновое сопротивление провода). Например, в системе 110 кВ кА что меньше тока координации.

На подстанциях вентильный разрядник или ОПН и защищаемое оборудование находятся друг от друга на некотором расстоянии по ошиновке поэтому на оборудовании напряжение будет несколько выше чем чем на разряднике.

При грозовых импульсах частота переходного процесса в оборудовании подстанции очень велика поэтому при анализе перенапряжений в расчетных схемах оборудование представляется входными емкостями по отношению к земле (рис.1а).

Q Т

1 l l 2

F F

а) б)

1. Схемы подстанции: а) схема замещения; б) расчетная схема

Пусть набегающий на подстанцию импульс имеет косоугольный фронт с крутизной а :

(3)

Для упрощения анализа примем, что =0, тогда через время равное l/v,, импульс напряжения придет в точку 2 и отразится от нее с тем же знаком. Отраженный импульс еще через время l/v вернется в точку 1 и наложится на падающий импульс. Под действием суммарного напряжения в момент времени в соответствии с вольт-секундной характеристикой произойдет пробой искровых промежутков РВ и напряжение в точке 1 снизится.

ЛЕКЦИЯ 10. ВНУТРЕННИЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

10.1 Общая характеристика внутренних перенапряжений

Нежелательные эффекты от воздействия перенапряжений могут возникать также в других системах, находящихся в зоне действия электромагнитных полей сети высокого напряжения. Совокупность этих эффектов составляет экологическое влияние на биосферу (людей, фауну, флору), а также мешающее и опасное влияние на техносферу (устройства проводной и радиосвязи, телемеханические устройства, счетно-решающую электронную технику, низковольтные сети электроснабжения и т. п.). Именно эти влияния определяют условия электромагнитной совместимости функционирования электрической сети и других систем.

Важнейшей характеристикой перенапряжений на изоляции является их кратность, т. е. отношение максимального значения напряжения U _макс к амплитуде наибольшего рабочего напряжения на данной изоляционной конструкции 2 U _{ном.раб}.:

К = U_макс/ 2U _{ном.раб}. ( 1 )

Следует отметить, что при измерении кратности перенапряжений или при ее расчете U_max обычно относят не к величине 2U_{ном раб,} а к фактической амплитуде рабочего напряжения, имеющего место непосредственно перед появлением перенапряжения или установившегося после него. Это не противоречит данному выше определению кратности по формуле (1), поскольку предполагается, что величина Umax пропорциональна рабочему напряжению и при повышении напряжения до наибольшего рабочего значения величина кратности не изменится.

Перенапряжения, кроме того, характеризуются рядом других параметров, которые учитываются при выборе электрической изоляции и средств ее защиты от перенапряжений.

Повторяемость определяется ожидаемым числом случаев возникновения перенапряжений за данный промежуток времени.

Форма кривой перенапряжения характеризуется длиной фронта, длительностью, числом импульсов и временем существования данного перенапряжения.

Широта охвата сети определяет число изоляционных конструкций, на которые одновременно воздействует данное перенапряжение.

Важное значение имеют также статистические характеристики ущерба в случае повреждения изоляции.

Все перечисленные параметры перенапряжений являются, как правило, случайными величинами, что определяет необходимость статистического под- хода к их исследованию и обоснованию требований к электрической прочности изоляции и характеристикам защитных устройств.

10.2 Классификация внутренних перенапряжений

В зависимости от места приложения можно выделить различные типы перенапряжений. Наибольшее практическое значение имеют фазные перенапряжения. Они воздействуют на изоляцию токоведущих частей электрооборудования от земли или заземленных конструкций. К этой изоляции нормально приложено фазное напряжение. Однако в сетях с изолированной нейтралью следует учитывать, что в процессе поиска места замыкания на землю (длительностью от минут до нескольких часов) к фазной изоляции может быть приложено линейное напряжение.

Междуфазные перенапряжения рассматриваются при выборе междуфазной изоляции, например - расстояний между проводами разных фаз на линиях и подстанциях, обмотками различных фаз трансформаторов, машин, реакторов. Рабочим напряжением для этих видов изоляции является линейное напряжение.

Внутрифазные перенапряжения возникают между различными токоведущими элементами одной и той же фазы, например между соседними витками или катушками обмотки трансформатора, а также между нейтралью и землей.

Перенапряжения между контактами коммутирующих аппаратов возникают в процессе отключения участка сети или при несинхронной работе двух участков сети.

Внутренние перенапряжения возникают в электрических системах в результате коммутаций.

Коммутации могут быть оперативными (плановыми), например:

а) включение и отключение ненагруженных линий;

б) отключение ненагруженных трансформаторов и реакторов поперечной компенсации;

в) отключение конденсаторных батарей.

Однако чаще внутренние перенапряжения возникают при аварийных коммутациях в результате действия релейной защиты или противоаварийной автоматики.

К аварийным коммутациям можно отнести:

а) отключение выключателями короткого замыкания;

б) автоматическое повторное включение линий;

в) внезапный сброс нагрузки и др.

Внутренние перенапряжения обычно проявляются в виде колебаний. Всякая электрическая система обладает колебательными свойствами, однако в нормальном режиме работы эти колебательные свойства обычно не проявляются. Колебательные свойства электрической системы, могущие вызвать появление перенапряжений, проявляются при нарушении баланса между генерируемой и поглощаемой энергией. Причиной нарушения баланса может явиться внезапное отключение элементов, способных поглощать энергию (активной нагрузки, сосредоточенных и распределенных сопротивлений и проводимостей схемы).

Если параметры колебательного контура соответствуют резонансным или близки к ним, то возникают резонансные перенапряжения - перенапряжения установившегося режима. В системе с элементами, имеющими линейные характеристики может возникнуть линейный резонанс. Если же элементы электрической сети имеют нелинейный характер (ненагруженные трансформаторы, реакторы), то возникает нелинейный феррорезонанс. Резонансным перенапряжениям предшествует переходный режим - коммутационные перенапряжения. В том случае, если условия в колебательном контуре электрической сети далеки от резонансных, то внутренние перенапряжения при коммутациях имеют только переходный характер, т.е. являются коммутационными.

Внутренние перенапряжения характеризуются: кратностью

, (1)

формой кривой перенапряжения, позволяющей определить воздействия на изоляцию и составом оборудования электрической сети, подверженного действия данного вида перенапряжения.

Ударный коэффициент перенапряжений:

,

коэффициент установившегося режима:

 k_пер = k_уд k_уст.

Перечисленные характеристики имеют большой статистический разброс, так как их значения зависят от большого числа факторов, в том числе имеющих случайный характер.

Амплитуда допустимых перенапряжений на изоляции высоковольтных электрических машин определяется по следующей формуле:

U =U, (2)

где U - номинальное напряжение, U - допустимое напряжение.

Допустимая кратность перенапряжений на изоляции машин составляет не более 2,6 - 2,9 по отношению к номинальному фазному напряжению и 2,2 - 2,4 по отношению к максимальному фазному рабочему напряжению.

UU, (3 )

где - коэффициент импульса при внутренних перенапряжениях для класса напряжений 6 - 35 ;

k - коэффициент кумулятивности.

Ниже приведена таблица 1 допустимых кратностей внутренних перенапряжений для электрооборудования напряжением 6 - 35 кВ с нормальной изоляцией.

Величины, числено характеризующие внутренние перенапряжения, оказываются зависимыми от ряда случайных обстоятельств: от схемы сети, ее режима, ее параметров, от наличия средств борьбы с перенапряжениями и эффективности этих средств, а также от некоторых других факторов. Поэтому количественные характеристики внутренних перенапряжений оказываются величинами случайными, требующими при их рассмотрении привлечении методов математической статистики.

Можно найти такие сочетания переходных процессов, которые дают перенапряжения очень высокой кратности. Однако если такое сочетание весьма маловероятно, то его обычно не принимают в расчет, считая, что в этом случае можно допустить перекрытие внешней изоляции или срабатывание защитного аппарата (вентильного разрядника, ограничителя перенапряжения) с его возможным разрушением. В то же время и в этих очень маловероятных случаях должна быть исключена возможность повреждения внутренней изоляции машин и аппаратов. Но не всякое наложение переходных процессов маловероятно. Следует реально считаться с такими процессами, которые являются следствием друг друга. Именно на такие процессы и следует ориентироваться при оценке возможной кратности внутренних перенапряжений и выборе средств их ограничения.

Таблица 1 Допустимые кратности внутренних перенапряжений

U кВ	6,0	6,6	10	11	13,8	15	35	110-150	220-330	500	750
U кВ	29,5	29,5	41,5	41,5	53	53
k(фаз)	7,5	7,1	6,2	6,0	6,0	5,2
k	4,3	4,1	3,6	3,5	3,5	3,0	4	3,5	3,0	2,5	2,1

Обобщение опыта эксплуатации для случаев повреждения оборудования из-за возникновения внутренних перенапряжений позволило В.С.Полякову сформулировать три условия, сочетание которых необходимо, чтобы возникали перенапряжения.

Первое условие - параметры сети (емкость и индуктивность элементов) должны иметь характеристики, изменение которых способно привести к образованию резонансного контура в схеме нулевой последовательности. Как правило, это сети с током однофазного замыкания на землю до 10 А. Это означает, что не в каждой сети возможно возникновение перенапряжений, и подтверждается практикой. Повреждения, как правило, происходят, повторяясь на одних и тех же участках сети, в то время как на других участках сети таких повреждений не отмечается.

Второе условие - на этих участках сети внутренние перенапряжения возникают, если в контуре нулевой последовательности затухание значительно меньше критического. Это затухание вносится нагрузкой понижающих трансформаторов и электродвигателей, поэтому повреждения электрооборудования происходят в режиме, когда нагрузка в сети не превышает 30 мощности понижающих трансформаторов или электродвигателей, то - есть сеть работает в ненагруженном режиме. При этом возбуждение перенапряжений облегчается за счет высокого уровня напряжения при работе сети в ненагруженном режиме.

Третье условие - определенный характер начального события. Феррорезонансные перенапряжения возникают при неполнофазных режимах питания понижающих трансформаторов и электродвигателей, а дуговые перенапряжения - при определенном характере дуги (однополупериодическая или апериодическая) однофазного замыкания на землю. При металлическом замыкании или непрерывно горящей дуге перенапряжений не возникает.

Разные виды внутренних перенапряжений отличаются друг от друга своей кратностью, формой, частотой повторяемости и длительностью воздействия на изоляцию. Вероятность возникновения того или иного вида перенапряжений зависит от состава сети, и по данным отечественных и зарубежных исследований, в сетях собственных нужд (СН) мощных электростанций и крупных промышленных предприятий, чаще всего возникновение перенапряжений связано с неполнофазными режимами.



10.3 Коммутационные перенапряжения

Коммутационные перенапряжения в литературе часто называют перенапряжениями переходного режима. Они существуют сравнительно малое время, но по сравнению с грозовыми перенапряжениями в сотни раз больше.

_ф=100-300 мкс, _и=1000-3000 мкс

Если прочная изоляция выдержала сильное кратковременное воздействие испытательного напряжения, то она выдержит и большую часть воздействующих коммутационных перенапряжений (координация изоляции).

Источником внутренних перенапряжений являются генераторы самой системы. Так как мощность генераторов нормирована, то и перенапряжения не могут иметь бесконечно большую величину.

Кратность перенапряжений: составляет обычно от 2 до 3,5.

Любая система имеет индуктивные (L) и емкостные (C) элементы.

L: трансформаторы, генераторы, реакторы, синхронные компенсаторы, двигатели.

С: проводники (ЛЭП), емкость ошиновки подстанции, емкость всех изоляционных конструкций, специальные батареи конденсаторов, которые используются для улучшения качества электроэнергии.

В нормальном режиме в энергосистеме такого контура образоваться не может.

В колебательном контуре происходят волновые процессы при R 0; Х_L Х_С.

Если условие резонанса не выполняются, то резонансных перенапряжений не будет, а если выполняются, резонансные перенапряжения будут больше коммутационных. Условие R0 выполняется только при отсутствии нагрузки.

С_мф - междуфазная емкость. С_мф имеет значения на порядок ниже, чем С.

Рассмотрим следующие виды перенапряжений:

1) Коммутационные перенапряжения при включении:

- ненагруженной ЛЭП (в этом случае потребитель не пострадает, но можно повредить коммутационное оборудование).

2) Коммутационные перенапряжения при отключении:

- ненагруженной ЛЭ (оставшаяся энергия распределяется между L и С и начинается волновой процесс);

- ненагруженных трансформаторов и реакторов (оставшаяся в аппарате энергия вызывает волновой процесс в обмотке).

3) Коммутационные перенапряжения при АПВ.

4) Дуговые перенапряжения (они существуют в сетях с изолированной нейтралью). Длительность дуговых перенапряжений соизмерима с длительностью перемежающейся дуги.

Перенапряжения при включении ненагруженной линии.

ЭДС на шинах до включения линии: E_maxsin(t+)=E_ш.

где _k - декремент затухания на k-ой частоте, ,

где С₀ - скорость света, =314 1/с, _k - k-ый корень уравнения ,

,

- угол между током и напряжением в момент коммутации.

Угол коммутации на определенной частоте:

.

На каждой частоте затухание происходит со своей характеристикой.

Если происходит КЗ и действует АПВ, на линии остается остаточный заряд. За время бестоковой паузы (? t) заряд разрядится не успевает и при включении имеет большую величину.

При АПВ и наличии остаточного тока напряжение на конце будет рассчитываться по следующей формуле:

Пока контакты выключателя не замкнуты, происходят стримерные разряды с частотой _k и только после замыкания устанавливается дуга с = 50Гц.

U₀ берется с учетом знака остаточного заряда на линии.

При увеличении паузы АПВ происходит уменьшение остаточного заряда и уменьшение уровня перенапряжения.

tапв, с	0,2	0,4	0,6	0,8	1,0
U0/Emax	в хорошую погоду	1,1	0,9	0,8	0,7	0,65
	в плохую погоду	0,5	0,25	0,1	0,05	0,01

В плохую погоду перенапряжения меньше за счет быстрого стекания заряда по изоляторам.

Коэффициент внутренних перенапряжений



Берутся среднеарифметические параметры - математическое ожидание и среднеквадратичное отклонение _k.

_k - среднеквадратичное отклонение распределение амплитуды.

Ударный коэффициент равен или больше 1.

Отключение короткого замыкания (К..З.)в цикле АПВ

Рассмотрим наиболее неблагоприятную с точки зрения развития событий ситуацию:

1) К.З. отключается Q2; 2) отключается Q1.

Напряжение в точке после размыкания контактов U (x)=U _н (x) - U (x).

U (x) изменяется в точке после размыкания контактов; U _н (l) = 0.



₁,

так как - частота источника, а ₁ первая гармоника собственных колебаний в колебательном контуре. ₁ всегда больше , так как * имеет большую величину, но не может быть бесконечно велика.

U

k_уд1, k_уд2 - ударные коэффициенты при U_max1 и U_max2. t

_уд = 1,75 (k _уд1 - k _уд2)

При оценке перенапряжений при 3-х фазном АПВ нужно учитывать следующие соображения.

1) Если на ЛЭП, на которой имеются электромагнитные трансформаторы напряжения и нет реакторов, на время паузы АПВ включаются низкоомные резисторы, ускоряющие стекание заряда с проводов ЛЭП, то значения и _уд при успешном АПВ те же, что и при оперативном включении ненагруженной ЛЭП.

= 1,61; _уд = 0,183

2) Если на ЛЭП отсутствуют средства по ускорению стекания заряда с неповрежденных фаз, то тогда мы можем условно считать, что начальное значение напряжения остаточного заряда статистически не зависит от паузы АПВ (? t). Мы считаем в этом случае, что начальное значение остаточного напряжения согласуется с нормальным законом распределения.

U₀ = 0,75U_{ф 0} = 0,16 = 1,69 _уд = var.

Для оценки перенапряжения при однофазном АПВ в электропередачи:

= 1,5 _уд = 0,12

Если линия длинная и имеется устройство поперечной компенсации, это приводит к перенапряжениям, возникающим на поврежденных фазах, как во время протекания тока к.з., так и после отключения к.з.

ЛЕКЦИЯ 11. ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ УСТАНОВИВШЕГОСЯ РЕЖИМА (РЕЗОНАНСНЫЕ)

Установившиеся перенапряжения имеют частоту, совпадающую с частотой сети. Эти перенапряжения в литературе называют резонансными. Их длительность может достигать несколько секунд. Иногда резонанс возникает на гармониках напряжения.

Бороться с резонансными перенапряжениями очень сложно, так как из-за их длительного воздействия выделяется большое количество энергии и не один защитный аппарат (в том числе ограничитель перенапряжений) не выдерживает этого.

На линиях 330 кВ и выше являются опасными перенапряжения за счет емкостного эффекта линии. Они возникают только в ненагруженных линиях в результате каких-то коммутаций. Такие перенапряжения ограничивают реакторами.

При изолированной нейтрали напряжение на здоровых фазах при перенапряжении увеличивается в раз (1,7), а при заземленной нейтрали в 1,4 раза.

В 60 годах стали развиваться линии высокого и сверхвысокого напряжения. Происходило становление единой энергетической системы. Проводились очень большие исследования работы этих линий.

11.1 Перенапряжения в длинных линиях за счет емкостного эффекта

Схему замещения длинной линии можно представить в следующем виде:

x=jL ; b=jC

Обозначим характеристики этого состояния.

С увеличением длины линии емкость и индуктивность увеличиваются, при этом x_L и x_C уменьшаются.

Если x_L = x_C выполняется условие резонанса.

Когда строим кривую, мы рассматриваем идеальный случай, т.е. нет активных потерь и короны, а этого быть никак не может.

Если напряжение поднимется выше U_рабmax, то мощность на проводе по всей его длине может быть соизмерима с мощностью системы.

Местная корона - это несколько процентов потерь, всегда присутствует на ЛЭП. Корона - это дополнительная емкостная проводимость и активные потери. Коронирование можно представить так, что каждая ячейка дополняется активной проводимостью и емкостью.

В силу этого кривая будет иметь вид:

Чем больше мощность системы, тем больше ее индуктивное сопротивление. Если мощность, передавая по ЛЭП соизмерима с мощностью системы, то x_и0. Длительность таких резонансных перенапряжений десятки и сотни секунд. Для изоляции подстанции это очень большое время.

На длинных линиях делают такую защиту, чтобы она расстроила резонансный контур, допустим, поставив реактор, напряжение в конце линии будет маленькое.

Функция реакторов - ограничение перенапряжений, возникающих за счет емкостного эффекта. При этом уменьшается динамическая устойчивость линии, что тоже не очень хорошо. Для увеличения устойчивости стали использовать подключение реактора при повышении напряжения на линии через специальное реле и искровой промежуток.

Разрядники и ОПН в этом случае не помогут, т.к. они снижают уровень грозовых и коммутационных перенапряжений.

11.2 Феррорезонансные перенапряжения

Они возникают, если выполняются условия: 1) наличие нелинейной индуктивности L; 2) несимметричный режим; 3) r0.

Контур, в котором возникают феррорезонансные перенапряжения можно представить в виде:

Феррорезонансные перенапряжения в сетях с глухозаземленной нейтралью

При КЗ феррорезонанса не возникает, т.к. появляются большие активные потери.

Представим, что произошел обрыв провода без падения на землю (допустим вблизи подстанции).



У

U_э=0,5U_ф

Можно попасть в тот и другой режим, т.е. происходит самопроизвольное смещение нейтрали, т.е. происходит феррорезонансный скачок. Такие резкие скачки опасны для межвитковой изоляции.

Очень часто причиной феррорезонансных перенапряжений становятся ненагруженные трансформаторы напряжения (ТН).

Феррорезонансные перенапряжения в сетях с изолированной нейтралью

U_э=1,5U_ф - наиболее распространенный случай в сетях с изолированной нейтралью, так что разрядники и ОПН в этом случае не помогут. Поэтому либо вообще не допускать такого случая (программные мероприятия), либо добавить активное сопротивление. Реле нужно в тех случаях, когда нельзя работать без разомкнутого трансформатора.

В настоящее время добавляют в нейтраль резистор, и характеристика принимает вид:



ЛЕКЦИЯ 12. СПОСОБЫ ОГРАНИЧЕНИЯ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

12.1 Система защиты от перенапряжений

1. Ограничение перенапряжений;

2. Исключение возможности перенапряжений:

А) Схемные мероприятия (в том числе сопротивление в нейтрали);

Б) Оперативные мероприятия.

Возможно исключить коммутационные мероприятия при плановых коммутациях и АПВ.

а и б - ограничения резонансных мероприятий.

12.2 Основные средства ограничения перенапряжений

А. Защитные аппараты (ПЗ, РТ, РВ, ОПН)

Принцип действия - отвести в землю энергию перенапряжений.

Б. Применение резисторов.

Благодаря способам А мы можем ограничить грозовые, аварийные коммутационные перенапряжения (в том числе дуговые), а способы Б ограничивают резонансные перенапряжения.

В. Выключатели 2-х ступенчатого действия.

Существует способ защиты от перенапряжения управление моментом коммутации выключателя (при этом свободные колебания могут быть исключены), отслеживание угла сдвига между I и U, скорости дионизации среды. Для этого должна быть очень точная механика, как самого выключателя, так и его привода.

Мероприятия 2 ограничены регламентом, схема должна оставаться функциональной.

Применение резисторов тоже не всегда возможно. Для глубокого ограничения перенапряжений (грозовых и коммутационных) используют коммутационные аппараты (ОПН).

1) кз;

2) откл. Q2;

3) откл. Q1;

4) t_апп;

5) Q1 на ВЛ, при этом на ЛЭП остается остаточный заряд U₀, поэтому снижение этой величины это выключатель 2-хступенчотого действия.