Грозовые перенапряжения. Введение

ФГБОУ ВПО «КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ»

Кафедра электрических станций

Лопухова Т.В.

ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ И КООРДИНАЦИЯ ИЗОЛЯЦИИ

Казань 2012

Модуль 1

Введение

Классы напряжения, принятые в России для электроэнергетических систем, приведены в табл. В (для классов напряжения 3-750 кВ по ГОСТ 1516.3-96, для 1150 кВ – по техническим условиям). Превышение напряжения сверх наибольшего рабочего напряжения называется перенапряжением. Перенапряжения, воздействующие на изоляцию электроустановок, подразделяются на внутренние и грозовые.

Грозовые перенапряжения возникают при поражении электрической установки разрядом молнии. Причиной грозовых перенапряжений являются удары молнии в электроустановку или вблизи нее. С грозовым разрядом связано возникновение волн перенапряжений, достигающих нескольких тысяч киловольт. При отсутствии специальной защиты такие перенапряжения достаточны для перекрытия и повреждения изоляции установок любого номинального напряжения. Эти перенапряжения распространяются в электрической системе в форме волн и проникают во все элементы системы, в частности в аппаратуру и обмотки трансформаторов. Возникающие при этом переходные процессы приводят к резкому повышению напряжений, воздействующих на внутреннюю изоляцию трансформаторов и аппаратов. Поэтому защита от грозовых перенапряжений является обязательным элементом надежной работы электрической системы.

Грозовые перенапряжения имеют длительность до сотни микросекунд. Поскольку значения токов молнии подвержены статистическим разбросам, то грозовые перенапряжения являются статистическими величинами.

Физика разряда молнии, характеристики грозовых перенапряжений и способы защиты от них подробно рассматриваются в учебной дисциплине «Молниезащита».

Внутренние перенапряжения возникают при коммутациях в сети, при дуговых замыканиях на землю в сетях с изолированной и компенсированной нейтралью, а также при резонансных явлениях, возникающих на длинных линиях и в несимметричных режимах.

Источником энергии внутренних перенапряжений является запасенная в реактивных элементах системы (индуктивных и емкостных) энергия, которая обусловливает появление перенапряжений в переходных режимах при нормальных и аварийных коммутациях. Значения внутренних перенапряжений зависят от параметров электрической системы и характеристик коммутирующих аппаратов и поэтому носят статистический характер. Они могут в 3-3,5 раза превышать фазное напряжение установки. Амплитудные значения внутренних перенапряжений могут стать выше значений пробивных напряжений изоляции. Приходится применять различные способы ограничения внутренних перенапряжений.

Во внутренних перенапряжениях следует выделять резонансные и коммутационные перенапряжения. Резонансные перенапряжения возникают при определенном соотношении между индуктивностями и емкостями цепи. Они могут существовать сравнительно долго - до изменения схемы или режима. Они часто называются установившимися или квазистационарными перенапряжениями. Коммутационные перенапряжения возникают при различных коммутациях. Эти перенапряжения имеют длительность от единиц до десятков миллисекунд. Амплитуды коммутационных перенапряжений обычно превышают амплитуды резонансных перенапряжений.

К внутренним перенапряжениям также относятся кратковременные повышения напряжения промышленной частоты, обусловленные изменением режима работы электроустановки. Повышение напряжений регламентированы допустимыми значениями в зависимости от вида оборудования при заданных их длительностях в пределах от нескольких часов до долей секунды. Для них установлено также допустимое число повышений напряжения данного значения за год.

Длительные рабочие напряжения, грозовые и внутренние перенапряжения воздействуют на изоляцию электроустановок. Необходимо обеспечить надежную работу изоляции при таких воздействиях в течение всего срока службы электроустановки.

Таблица В.

Таблица номинальных и наибольших (максимальных) рабочих напряжений электрических систем

U, кВ	РЕЖИМ НЕЙТРАЛИ
и з о л и р о в а н н а я	з а з е м л е н н а я
U ном, кB	3 3
U раб. наиб., кВ	3,5	6,9	11,5		40,5							1207,5
U раб ф, кВ	2,0	4,0	6,65	13,3	23,4	72,8
U раб. наиб., U ном				1,15					1,10		1,05

В процессе эксплуатации имеют место отклонения от номинального напряжения, обусловленные падением напряжения в элементах электрической системы. При этом наибольшие рабочие напряжения в системе не должны превосходить значений, указанных в табл. 1.1.

Защита от перенапряжений выполняется в соответствии с требованиями Правил устройства электроустановок (ПУЭ) и включает в себя:

защиту от прямых ударов молнии воздушных линий электропередачи (ВЛЭП), станций и подстанций (ПС) с помощью молниеотводов;

защиту электрооборудования станций и подстанций от импульсных грозовых перенапряжений, набегающих с ВЛЭП, с помощью защитных аппаратов (ЗА) – нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН) и вентильных разрядников (РВ);

защиту от внутренних перенапряжений с помощью защитных аппаратов, резисторов, встроенных в выключатели, шунтирующих реакторов, а также с помощью различных способов заземления нейтрали (компенсированная или резистивно заземленная нейтраль).

Взаимное согласование значений воздействующих напряжений, характеристик защитной аппаратуры и электрических характеристик изоляции, обеспечивающее надежную работу и экономичность электрической установки называется координацией изоляции и представляет собой главную технико-экономическую задачу проектирования электроустановки. При этом может быть допущена некоторая достаточно малая экономически оправданная вероятность повреждения изоляции или перерыва в электроснабжении потребителей.

При решении задач координации изоляции необходимо учитывать статистические закономерности характеристик, как изоляции, так и воздействующих на нее напряжений и перенапряжений.

Нежелательные последствия пробоя воздуха – это возможность возникновения устойчивой дуги. На линиях электропередачи дуговое замыкание на землю или между проводами приводит к отключению линии на время, необходимое для восстановления изоляции.

Возможность ликвидации дуговых замыканий на землю, представляющих собой наиболее распространенный вид нарушений нормальной работы сети, зависит от способа заземления нейтрали.

При работе сети с изолированной нейтралью через место однофазного замыкания на землю проходит емкостный ток неповрежденных фаз (ток однофазного замыкания на землю – ОЗЗ). В сетях небольшой протяженности, имеющих небольшие емкостные токи, дуга гаснет при первом прохождении тока через нулевое значение и нормальная схема электроснабжения восстанавливается без отключения поврежденного участка. Таким образом, большинство однофазных замыканий на землю оказываются неопасными. Повышение протяженности сети вызывает увеличение емкостных токов, что приводит к затяжному горению дуги, развитию колебаний из-за ее неустойчивого характера, возможности переброски дуги на другие фазы.

Для облегчения условий гашения дуги в нейтрали трансформаторов включаются реакторы с большой индуктивностью (дугогасящие реакторы). При однофазном замыкании на землю индуктивный ток реактора компенсирует емкостный ток, в результате чего ток замыкания на землю резко уменьшается. Это приводит к ликвидации дуги и восстановлению нормальных условий работы. Эти сети не отключаются при однофазных замыканиях на землю, поэтому в них возможны повышения напряжения на неповрежденных фазах до линейного.

В сетях с заземленной нейтралью ток однофазного короткого замыкания (КЗ) приводит в действие релейную защиту, вызывающую селективное повреждение отключенного участка. Благодаря быстрому отключению дуга не успевает переброситься на другие фазы или причинить повреждение изоляции. Линия может быть вновь включена в работу через доли секунды, что используется в системах автоматического повторного включения (АПВ).

Поскольку изоляция постоянно находится под рабочим напряжением, а также испытывает механические, тепловые и другие воздействия, она постепенно теряет свои первоначальные свойства, и ее электрическая прочность снижается – изоляция подвергается старению. Необходимо, чтобы в течение всего срока службы, на который рассчитана установка, так называемая длительная прочность изоляции не снизилась бы до величины наибольшего рабочего напряжения установки.

Испытательные напряжения изоляции электрооборудования, по которым осуществляется координация изоляции, нормированы в ГОСТ 1516.3- 96. Изоляция испытывается следующими напряжениями:

полным и срезанным грозовым импульсом;

коммутационным импульсом;

кратковременным (одноминутным) напряжением частотой 50 Гц;

переменным напряжением частотой 50 ГЦ при плавном подъеме;

длительным переменным напряжением частотой 50 Гц с измерением характеристик изоляции, в частности, интенсивности частичных разрядов.

1. КЛАССИФИКАЦИЯ ВНУТРЕННИХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ И ИХ ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ