Защита от наведенных перенапряжений

Как уже указывалось выше, наведенные пере­напряжения возникают вследствие электростатической и электро­магнитной индукции главным образом в проводах линий электро­передачи при ударе молнии в близко расположенные объекты. Они значительно более часты, чем прямые удары молнии. Пере­напряжения при этом меньше, но все же достигают десятков и сотен тысяч вольт. При этом их воздействию подвергаются практически все объекты, электрически связанные в данной установке.

Качество изоляции электрооборудования характеризуется вольт-секундными характеристиками (рис. 4.7), то есть зависи­мостью значения пробивного напряжения от времени. По оси абсцисс откладывается время в микросекундах, а по оси ординат — амплитуда импульса или волны перенапряжения (кВ или тыс. кВ), при котором происходит разрушение — пробой изоля­ции объекта. Такие характеристики снимают в лабораториях, где импульсы, аналогичные импульсам молнии, получают от спе­циальных генераторов импульсов напряжения. Поскольку длительность им­пульса молнии измеряется микросекундами, для определения времени пробоя используют безынерционные приборы — катодные осциллографы. Испытательное напряжение внешней изоляции, то есть устройств, работающих на открытом воздухе, намного превосходит номинальное, но, конечно, значительно ниже напряжения молнии. Например, изоляция понижающего трансформатора с напряжением

Рис. 4.7 - Вольт-секундные характеристики

10 кВ должна выдерживать полную волну напряжения с ампли­тудой 75 кВ, а срезанная волна, при которой происходит пробой изоляции, должна иметь высоту не менее 90 кВ.

От наведенных перенапряжений установки защищают при по­мощи грозозащитных аппаратов — разрядников. Разрядник со­стоит из воздушных искровых промежутков И, включенных на каждую фазу и соединенных с землей непосредственно или через добавочное, рабочее сопротивление R.

Размеры искровых промежутков подбирают так, что вольт-секундная характеристика разрядника 2 проходит ниже вольт-секундной характеристики защищаемого объекта. Вследствие этого пробой искрового промежутка и разряд им­пульса в землю происходят ранее достижения амплитуды им­пульса, то есть при значении напряжения, меньшем, чем про­бивное напряжение защищаемого объекта. Как видно, напряжение импульса не достигает своего амплитудного значения, и, следовательно, если разрядник подобран правильно, защищаемый объект не будет поврежден.

Кроме того, задача разрядника заключается в том, чтобы пога­сить электрическую дугу, возникшую в искровых промежутках под воздействием рабочего напряжения установки. Дело в том, что волна перенапряжения обычно движется по всем трем фазным проводам и уходит в землю через все три искровых промежутка. Воздух промежутков за это время ионизируется, становится про­водящим, и уже через них начинает идти ток к.з. от рабочего на­пряжения, образующий электрическую дугу. Если дуга не будет своевременно погашена, то сработает релейная защита и уста­новка отключится, что крайне нежелательно.

Простейший грозозащитный аппарат — это так называемый роговойразрядник, или основной воздушный искровой промежуток. Выполняют его из трех пар стержней из круглой стали диаметром 10... 12 мм, изогнутых в виде рогов (рис. 4.8).

На каждой фазе один элек­трод присоединен к проводу ли­нии, а другой — к заземленной

стальной траверсе или заземля­ющему спуску, если опора деревянная. Образующийся после про­хождения импульса сопровождающий ток к. з. вызывает между ро­гами промежутка электрическую дугу. Эта дуга под воздействием электродинамических сил и тепловых потоков воздуха движется вверх, растягивается и гаснет, если сила тока к. з. не превы­шает 300 А.

Наряду с основным искровым промежутком 1, обеспечивающим необходимую вольт-секундную характеристику разрядника, на каждой фазе предусматривается второй промежу­ток 2, значительно меньший основного. Это исключает возможность замыкания на землю линии при перекрытии основного промежутка, например, птицами.

Характеристики основных искровых промежутков на различ­ные напряжения приведены в таблице 4.1.

Основные искровые промежутки могут применяться в сель­ских электрических сетях напряжением 6... 35 кВ при малых то­ках к. з., которые они способны погасить. При отсутствии бо­лее совершенных разрядников их можно применять и при боль­ших токах к. з., так как практически все сельские сети снабжены устройствами автоматического повторного включения (АПВ) и, следовательно, обеспечивают восстановление электроснабжения в течение 1... 2 с. Следует также иметь в виду, что при токах к. з. менее 200 А трубчатые разрядники не могут погасить дугу и в этом случае являются равноценными с основными искровыми промежутками.

Таблица 4.1 – Разрядные состояния искровых промежутков

Более совершенные грозозащитные аппараты— трубчатые раз­рядники. На каждую фазу линии устанавливают один разрядник (рис. 4.9), представляющий собой трубку 2 из материала, бурно выделяющего газы при воздействии на него электрической дуги. В трубке помещены электроды 3: один в виде металлического стержня, второй в виде шайбы. Расстояние между ними образует искровой промежуток длиной 1_т. Длину его устанавливают при изготовлении разрядника в зависимости от напряжения сети. Нижний конец трубки открыт, и в нем помещается изогнутая ме­таллическая пластинка, которая выбрасывается газами при сра­батывании разрядника.

Верхний конец разрядника через искровой промежуток при­соединен к фазному проводу линии, а нижний электрод — к за­землению. Размер искрового промежутка определяют из таб­лицы 4.2. Искровой промежуток необходим для того, чтобы трубка разрядника не находилась постоянно под напряжением линии и не разрушалась токами утечки.

Волна перенапряжения перекрывает наружный и внутренний промежутки и уходит в землю. Сопровождающий ток к.з. создает внутри трубки электрическую дугу, которая, воздействуя высо­кой температурой на газогенерирующий материал трубки, вызы­вает бурное выделение газов. В трубке создается высокое давле­ние до 7 Па, которое выдувает ионизированные газы и гасит дугу

Таблица 4.2 – Размеры наружных искровых промежутков

с хлопком, напоминающим выстрел. Дуга гасится в течение 1... 3 периодов тока частотой 50 Гц.

Трубку изготовляют из фибры либо, что более удобно, из винипласта. В первом случае фибровую трубку помещают в бакелитовую. Винипластовая трубка не требует защиты.

В маркировке трубчатых разрядников указывают рабочее напряжение сети, в которой их устанавливают, и верхний и нижний пределы токов к. з. в месте установки, при которых разрядники могут работать.

Если ток к.з. в месте установки превысит верхний предел, то давление в трубке разрядника станет недопустимо большим и трубку разорвет, а дуга будет продолжать гореть. При токе, меньшем допустимого, наоборот, давление в трубке будет недостаточно, дуга не погаснет и сожжет разрядник.

В сельских сетях стандартные разрядники обычно нужно проверять только на соответствие их нижнему пределу сопровождаю­щего тока короткого замыкания. После многократных срабатываний при увеличении диаметра трубки разрядника на 20... 25 % дальше применять разрядник нельзя из-за снижения дав­ления газов во время образования дуги.

Монтируют трубчатые разрядники открытым концом вниз под углом к горизонту 15... 20, чтобы влага не проникала в трубку. Выхлопные зоны их не должны пересекаться во избежание перекрытия между фазами.

Наиболее совершенны вентильные разрядники. В герметическом фарфоровом корпусе помещаются один или несколько единичных искровых промежутков и дисковых рабочих сопротивлений, число которых увеличивается с повышением номинального напряжения сети.

Единичный искровой промежуток образуется между двумя латунными электродами диаметром 5 и 7,5 см, разделенными кольцом из слюды-миканита толщиной 0,5... 1,0 мм. Внутренняя часть кольца и образует воздушный искровой промежуток. Наличие миканита — материала с высокой диэлектрической проницаемостью — создает в зоне соприкосновения его с латунью высокую концентрацию силовых линий электрического поля, вследствие чего импульсное перенапряжение вызывает свечение, активизирующее межэлектродное пространство. Этим обеспечивается его пробой при пологой вольт-секундной характеристике. Гаше­ние искровым промежутком сопровождающего тока частотой 50 Гц происходит при первом прохождении током нулевого значения, то есть за время до 0,01 с. При этом сила тока через промежуток ограничивается рабочим сопротивлением до значения 100 А.

Рабочее сопротивление разрядника выполняют из вилита. Поэтому вентильные разрядники часто называют также вилитовыми. Этот материал состоит из зерен электротехнического карборунда, скрепленных жидким стеклом в диски диаметром 10... 13 см и толщиной 2 см. Вилитовые диски представляют собой активные сопротивления с большой степенью нелинейности, то есть с повышением приложенного напряжения их сопротивление резко снижается. Следовательно, при действии импульса перенапряжения сопротивление невелико и падение напряжения на нем незначительно. Для рабочего напряжения сети после прохождения импульса сопротивление возрастает, ограничивая сопровождающий ток к. з. значением менее 100 А. Этот ток легко разрывается искровым промежутком. Гашение дуги происходит без звукового и светового эффектов, защищаемый объект остается неповрежденным. На рисунке 4.9 показан вентильный разрядник для сетей напряжением 0,38 кВ. Он состоит из одного искрового промежутка 3 и одного вилитового диска 5, помещенных в фарфоровый корпус 4 и сжатых для лучшего контакта спиральной пружиной 2. Зажимом 1 разрядник присоединен к фазному проводу сети, а зажимом 6 — к заземлению.

На рисунке 4.10 приведен вентильный разрядник на напряжение 35 кВ. Он имеет по нескольку искровых промежутков и дисков.

Вентильные разрядники в сетях напряжением 0,38 кВ подвесного типа подвешивают на фазных проводах либо закрепляют на вводах. Разрядники на 10 кВ крепят на конструкциях хомутами или устанавливают на полках, а в сетях напряжением 20... 35 кВ устанавливают вертикально на специальных конструкциях и присоединяют к шинам верхним болтом. Разрядники на 10 кВ можно присоединять к шинам как верхним, так и нижним болтами. Сопротивление заземляющего устройства разрядников всех типов должно быть не более 10 Ом при удельном сопротивлений грунта ρ < 100 Ом·м, 15 Ом при ρ = 100... 500 Ом·м и 20 Омпри ρ = 500... 1000 Ом·м. На электрических станциях и подстан­циях заземление для защиты от атмосферных перенапряжений обычно объединяют с рабочим и защитным. Строго говоря, актив­ное сопротивление заземления для защиты от атмосферных перенапряжений, называемое импульсным, отличается от сопротивления заземлителя переменному току частотой 50 Гц, но для заземлителей сельских электроустановок оно меньше этого сопротивления. Поэтому, если измеренное током 50 Гц сопротивление заземлителя удовлетворяет нормам, тотем более оно будет удовлетво­рять импульсному сопротивлению.

Рекомендуемая литература

1. Техника высоких напряжений. Под ред. М.В. Костенко. Учебное пособие для вузов. М., « Высшая школа », 1973.

2. Техника высоких напряжений. Под ред. В.П. Ларионова-М.: Энергоиздат, 1982.

Контрольные задания для СРС (тема 4) [1,2,3]

1 Изучить методику расчета грозозащиты

2 Внутренние перенапряжения и защита от них

3 Феррорезонансные перенапряжения