Перенапряжения и их ограничение

Под перенапряжением понимают любое напряжение, превышаю­щее амплитуду наибольшего рабочего напряжения на изоляции элементов электрической сети. В зависимости от места приложения различают следующие виды перенапряжений: 1) фазные, воздей­ствующие на изоляцию токоведущих частей по отношению к земле и имеющие наибольшее практическое значение; 2) междуфазные, возникающие на изоляции между токоведущими частями раз­личных фаз; 3) внутриобмоточные, воздействующие на изоляцию между различными элементами обмотки (витками, катуш­ками) одной фазы; 4) междуконтактные, приложенные меж­ду разомкнутыми контактами одноименных фаз коммутационных аппаратов (выключателей, разъединителей).

Для рационального проектирования изоляционных конструкций необходимо знать следующие характеристики перенапряжений: 1) максимальное значение U_maxили кратность K=U_max/U_H.Р по от­ношению к амплитуде соответствующего наибольшего допустимого рабочего напряжения; 2) длительность воздействия; 3) форму кривой; 4) широту охвата элементов сети. Все перечисленные характеристики перенапряжений подвержены значительному статистическому разб­росу, так как они зависят от ряда факторов, в том числе и случайных. Например, для выбора изоляции существенное значение имеют частость или характеризующие ее математическое ожидание и дисперсия числа перенапряжений, превосходящих некоторую кратность в течение определенного интервала времени (например, за 10 лет), или Т-летний уровень перенапряжений, т. е. кратность перенапряжений, которая может быть достигнута или превзойдена в среднем один раз в Т лет (рис. 11.1).

Рис. 11. 1 Т-летние уровни внутренних перенапряжений в некоторых сетях 110-500 кВ: 1 –подстанция 110-220 кВ с четырьмя и более отходящими линиями; 2,3 – подстанции с двумя-тремя отходящими линиями и воздушными(2) или масляными(3) выключателями; 4 – подстанции 500 кВ; 5 – ЛЭП 110-220 кВ при включении; 6,7 – ЛЭП при отключении воздушными (6) или масляными(7) выключателями.

При технико-экономическом обосновании мер защиты от перена­пряжений и характеристик изоляции необходимо учитывать также статистические характеристики ущерба (математическое ожидание и дисперсию) вследствие повреждения, простоя и внеочередного ре­монта оборудования энергосистемы, а также вследствие порчи обору­дования, брака продукции, простоя рабочих, нарушения технологиче­ского процесса у потребителей электроэнергии.

Все перенапряжения подразде­ляются на внутренние и внешние (рис. 11.2).

Рис. 11.2. Основные виды перенапряжений в сетях высокого напряжения.

Первоначально исследования в этой области были направлены на обеспечение падежной экс­плуатации линий электропередачи и электрообо­рудования. Изучалась работа линейных изолято­ров, электропроводность и диэлектрические по­тери в изоляционных материалах, грозовые пе­ренапряжения и защита от них электрооборудо­вания, создавались теории пробоя изоляции. В дальнейшем с повышением номинальных на­пряжений электропередач на первый план вы­шли проблемы внутренних перенапряжений, их ограничения, координации изоляции.

Грозовые перенапряжения подразделяются на перенапряжения прямого удара молнии в электрическую установку и индуцированные перенапряжения, возникающие при ударе мол­нии в землю или в заземленные объекты побли­зости от электроустановки. При прямом ударе молнии элементы электроустановки приобрета­ют весьма высокий потенциал, достигающий нескольких мегавольт. Индуцированные перена­пряжения значительно ниже до 200—300 кВ.

В качестве основного защитного устройства еще в начале века было рекомендовано примене­ние на линиях электропередачи заземленных тросов. Однако трос в то время рассматривался, в основном как средство для снижения индуци­рованных перенапряжений, значение которых весьма преувеличивалось. Защита от прямых ударов молнии считалась практически невыпол­нимой, да и сами удары молнии в линию редким явлением.

Для защиты трансформаторов за рубежом применялись катушки индуктивности, включае­мые перед трансформатором с целью снижения крутизны фронта приходящих на подстанцию импульсов грозовых перенапряжений. В США применялись также алюминиевые и порошковые разрядники.

Для изучения методов защиты электропере­дач от перенапряжений и разработки руководя­щих указаний в 1925 г. были созданы комиссии: в Ленинграде мод руководством проф. А.А. Смурова и в Москве под председательством проф. Л.И, Сиротинского. Согласованный комиссиями проект «Руководящих указаний по борьбе с пе­ренапряжениями в электрических установках» был одобрен IX Всесоюзным электротехничес­ким съездом в 1928 г.

В Руководящих указаниях были приведены основные решения, многие из которых действу­ют и поныне: глухое заземление нейтрали в электроустановках напряжением выше 35 кВ и заземление ее через дугогасящий реактор при напряжениях 35 кВ и ниже; применение зазем­ленных тросов, но всей длине линий на метал­лических опорах и только на подходах к станци­ям и подстанциям на линиях с деревянными опо­рами. Тросы рассматривались в основном как средство борьбы с индуцированными перенапря­жениями, однако высказывалось предположе­ние, что заземленный трос играет до некоторой степени роль громоотвода, защищающего ли­нию. Рекомендовалось применение разрядни­ков, но в то же время отмечались недостатки су­ществовавших тогда иностранных разрядников.

Появление первых линий электропередачи напряжением 110 кВ поставило вопрос об их электромагнитном влиянии налипни связи и же­лезнодорожной блокировки, особенно сильном при коротких замыканиях и перенапряжениях. В 1923 г. были выпущены временные указания, а в 1925 г. — «Правила ограждения линий слабо­го тока от вредного влияния установок сильного тока». Эти, по существу, первые работы по элек­тромагнитной совместимости электроустановок продолжались в 1938—1939 гг. специально соз­данной комиссией под председательством проф. Л.И. Сиротинского. Комиссия усовершенствова­ла «Правила ограждения сооружений связи и сигнализации от вредного воздействия устано­вок сильного тока», а также разработала норма­тивы по защите устройств связи от опасного и мешающего влияния линий электропередачи напряжением 400 кВ.

В послевоенные годы проблема была переда­на в ведение связистов, и в настоящее время дей­ствуют «Правила защиты устройств проводной связи, железнодорожной сигнализации и телемеханики от опасного и мешающего влияний ли­ний электропередачи».

Анализ аварий, произошедших в 1929—1931 гг. на линиях напряжением до 110 кВ и связанных с грозовыми перенапряжениями, показал, что прямой удар молнии в линию не такое редкое яв­ление, как предполагалось раньше, и представ­ляет значительно большую опасность, чем ин­дуцированные перенапряжения.

Для исследования молнии рядом организа­ций (ВЭИ совместно с «Мосэнерго», Энерге­тическим институтом им. Г.М. Кржижановского, «Донбассэнерго» с участием ЛЭТИ и ХЭТИ) в 1932—1938 гг. была развернута сеть полевых станций и лабораторий. С 1936 г. начата массо­вая установка ферромагнитных регистраторов в энергосистемах. Регистраторы представляют собой цилиндрические стерженьки из магнитно­го материала, которые располагаются вдоль си­ловых линий магнитного поля, образуемого то­ком молнии. По остаточной намагниченности ферро регистраторе в определяется максималь­ное значение тока молнии. В результате обшир­ных измерений была получена кривая распреде­ления вероятностей амплитуд токов молнии.

С 1938 г было организовано меньшее по мас­штабам измерение максимальной крутизны фронта тока молнии.

С помощью фотокамер с быстро вращающей­ся фотопленкой (камер Бойса) было установле­но, что разряд молнии состоит из двух стадий: лидерной, характеризующейся сравнительно небольшими током и скоростью развития, и глав­ной с токами до 200 кА и скоростями развития, доходящими иногда до 0,5 скорости света.

Энергетическим институтом им. Г.М. Кржи­жановского при содействии Гидрометеослужбы была составлена карта грозовой деятельности на территории страны по данным 640 метеостан­ций, полученным за 1920—1940 гг.

В 30-е годы в ЮАР были развернуты широ­кие исследования молнии с помощью камеры Бойса. Впервые было обнаружено ступенчатое развитие лидеров, развивающихся с отрица­тельно заряженных облаков, и получены дан­ные по скоростям различных стадий и компо­нентов МОЛНИИ.

В 1935 г. начаты исследования молнии, пора­жающей небоскреб Эмпайр стоит билдинг в Нью-Йорке (высота 410 м). Обнаружены сту­пенчатые лидеры, развивающиеся вверх от зда­ния к облаку.

Параллельно в ряде лабораторий проводи­лось изучение искровых разрядов в длинных воздушных промежутках, показавшее в общих чер­тах аналогию длинной искры и молнии.

В 1930—1938 гг. в ВЭИ Л.А. Акопяном были проведены работы на моделях по исследованию защитного действия молниеотводов [5.17]. В качестве аналога молнии использовался ис­кровой разряд. В результате трудоемких опытов были определены зоны защиты стержневых и тросовых молниеотводов, причем впервые для двух и нескольких молниеотводов. Полученные результаты позволили с необходимой эффектив­ностью рассчитывать защиту линий электропе­редачи и открытых распределительных устрой­ств (ОРУ) подстанций от прямых ударов мол­нии. Более чем полувековой опыт эксплуатации молниезашитных устройств подтверждает обос­нованность и надежность рекомендаций ВЭИ.

В более поздних американских исследовани­ях 1941—1942 гг. использовалась, по существу, методика, обоснованная и принятая ВЭИ.

В 1968—1975 гг. комплексные исследования молний, поражающих Останкинскую телебаш­ню (высота 540 м), проводились Энергетическим институтом им. Г.М. Кржижановского [5.18]. Было установлено, что телебашня поражается в среднем 30 раз в год. Поражение ее нисходящи­ми молниями (облако—башня) происходит при­мерно в 8 % случаев, остальные разряды восхо­дящие (башня—облако). Около 7 % ударов пора­жают телебашню заметно ниже ее вершины. На­блюдались удары молнии в землю на небольшом расстоянии от телебашни (до 150 м). Этот эф­фект успешно объясняется с помощью развитого в последние два десятилетия электрогеометрического метода.

При ударе молнии в воздушную линию элек­тропередачи — в фазный провод или в опору (трос) с последующим перекрытием изоляции— на проводе возникает импульс грозового перена­пряжения. Эти импульсы, распространяясь по проводам, достигают подстанций и могут быть опасными для электрооборудования. Сущест­венное значение имеют при этом затухание и де­формация импульсов вследствие коронирования проводов и связанных с ним потерь энергии. Экспериментальное исследование указанных процессов было проведено в Харьковском элек­тротехническом институте на линиях напряже­нием 35 и 110 кВ с помощью генератора им­пульсных напряжений. Теоретическое исследо­вание влияния на затухание формы импульса, его амплитуды и длины пробега импульса прове­дено в 1938—1939 гг. проф. А.М- Залесским (ЛПИ). Исследование заземлителей при прохождении импульсов тока в полевых условиях и на моделях проводилось в ВЭИ, ХЭТИ и МЭИ.

Обобщение и изучение эксплуатационного опыта молниезащиты было сосредоточено в ЦНИЭЛ (теперь ВНИИЭ).

Результаты глубоких экспериментальных и теоретических исследований и обобщение опыта эксплуатации находят отражение в перио­дически выпускаемых «Руководящих указаниях по защите от перенапряжений» (1935, 1941, 1946, 1954 гг., проекты РУ 1964, 1965 и 1975 гг. последние «Руководящие указания по защите от грозовых и внутренних перенапряжений элек­трических сетей 6—1150 кВ ЁЭС России», НИИПТ, 1994г.).

К настоящему времени сложилась следую­щая практика молния-защиты электроэнергетических систем. В качестве своего рода аван­гарда выступают воздушные линии электропере­дачи, которые могут поражаться молнией доста­точно часто — десятки раз в год, в то время как ОРУ подстанций — всего один раз в несколько лет или десятилетий. В значительном числе случаев изоляция линии электропередачи не мо­жет выдержать напряжение, возникающее на ней при ударе молнии в элементы линии (тросы, про­вода, опоры), и перекрывается. Нормальный ре­жим работы на линиях напряжением 110 кВ и выше восстанавливается с помощью АПВ, на линиях напряжением 6—35 кВ — посредством компенсации емкостного тока замыкания паземлю с помощью включаемого в нейтраль дугогасящего реактора [5.19; 5.20].

Поскольку повышать электрическую проч­ность линейной изоляции, увеличивая длину гир­лянд и воздушных изоляционных промежутков, нецелесообразно, то снижение вероятности пере­крытия изоляции при ударах молнии в опору производится путем уменьшения сопротивления заземления опор, а снижение вероятности удара молнии в провода — путем надлежащего подвеса защитных тросов. Установлено, что защитный угол троса должен составлять 20—30°. На лини­ях СВН и УВН, имеющих очень высокие разряд­ные напряжения гирлянд изоляторов, основной причиной грозовых отключений (до 70 %) явля­ются пробои воздушного промежутка трос— фазный провод при ударах молнии в трос в сред­ней части пролета (В.П. Ларионов, МЭИ).

Особую озабоченность вызывает так назы­ваемая опасная зона — участок линии перед под­станцией длиной 1—3 км. При ударах молнии в эту зону появляющиеся на проводах грозовые импульсы имеют недостаточную длину пробега до электрооборудования подстанции, поэтому

они слабо деформируются, прежде всего, мало снижается крутизна их фронта, и они могут представлять опасность для оборудования. По этой причине в пределах опасной зоны сни­жаются по возможности сопротивления заземле­ния опор, и уменьшается защитный угол тросов.

На линиях с деревянными опорами защит­ный трос подвешивается только в пределах опас­ной зоны. При этом разрядное напряжение изо­ляции на первой подтросовой опоре оказывается практически вдвое ниже, чем на линии, и именно на этой опоре могут часто возникать перекрытия изоляции. Защита последней осуществляется трубчатыми разрядниками (РТ). С помощью РТ производится также защита ослабленных точек линии (например, изоляции переходных метал­лических опор на линиях е деревянными опора­ми), а также пролетов пересечения линий разно­го номинального напряжения.

Защита электрооборудования подстанций от набегающих с линий импульсов грозовых пе­ренапряжений осуществляется с помощью нели­нейных ограничителей перенапряжений (ОПН) или вентильных разрядников (РВ). Оптимальная установка защитных аппаратов на территории подстанции рассчитывается с помощью анализа­торов молниезащиты, разработанных впервые в ЛПИ, или с помощью ЭВМ.

Защита ОРУ подстанций от прямых ударов молнии производится, как правило, с помощью стержневых молниеотводов.

Внутренние перенапряжения в начале века считались синонимом коммутационных перена­пряжений связанных с плановыми (включение, отключение ненагруженных линий и трансфор­маторов) и аварийными коммутациями (несим­метричные короткие замыкания, перемежаю­щаяся дуга при однофазных замыканиях на зем­лю в системах с изолированной нейтралью).

Для ликвидации перекрытий линейной изо­ляции, возникавших при коммутационных пере­напряжениях, использовались разные подходы. В США большинство электроустановок работа­ло с заземленной нейтралью, поэтому возникаю­щий при перекрытии ток короткого замыкания на землю селективно отключался выключателем. В Германии сооружались сети с малыми токами замыкания на землю. В этом случае для ликвида­ции перекрытий изоляции между нейтралью трансформатора и землей включается катушка индуктивности (катушка Петерсена). При замы­кании одного из проводов на землю на ней воз­никает фазное напряжение и через нее проходит индуктивный ток, компенсирующий емкостный ток замыкания на землю, что при соответствующем индуктивном сопротивлении катушки (дугогасящего реактора, как он называется в настоя­щее время) приводит к быстрому погасанию электрической дуги в месте замыкания и восста­новлению прочности линейной изоляции.

В нашей стране электроустановки напряже­нием до 35 кВ работают с дугогасящим реакто­ром в нейтрали. Большинство опубликованных в 30-е годы работ посвящены анализу работы дугогасящих реакторов в сетях напряжением 35 кВ и ниже.

Рост номинальных напряжений вызвал ин­терес к коммутационным перенапряжениям в электроустановках напряжением 110 кВ и вы­ше, работающих с заземленной нейтралью, по­скольку стало труднее создавать достаточный запас электрической прочности изоляции. В 1938—1939 гг, ВЭИ приступил к исследова­нию перенапряжений, возникающих при от­ключении ненагруженных линий. Работы велись как на моделях, так и в сетях напряжением 110, 154 и 220 кВ «Мосчнсрго» и «Днепрэнерго».

Новый всплеск исследований внутренних пе­ренапряжений связан с проектированием и соз­данием двухцепной электропередачи длиной 1000 км между Волжской гидроэлектростанцией в районе Жигулей и центром европейской части России. Особенностью этой электропередачи, которая была включена в работу при напряже­нии 400 кП и вскоре после пуска переведена на напряжение 500 кВ, было отсутствие, по крайней мере, в начальный период эксплуатации, промежуточных подстанций, что породило ряд сложных проблем и привело к появлению еще одного вида (наряду с коммутационными) внут­ренних перенапряжений — резонансных.

Значительная длина линий и наличие ком­пенсирующих устройств вызвали возникновение перенапряжений, которые отсутствуют в линиях меньшего напряжения. Ненагруженная линия большой длины, включенная последовательно с линейной индуктивностью, является источни­ком перенапряжений, обусловленных резонан­сом на основной гармонике. А наличие в системе нелинейных элементов (трансформаторов, реак­торов поперечной компенсации) вместе с кон­денсаторами продольной компенсации создает возможность возникновения перенапряжений при нелинейных резонансах, как на основной, так и на высших и низших гармониках. В результате интенсивных и всесторонних исследований, проведенных институтом «Энергосеты Проект», ВЭИ, ВНИИЭ, НИИПТ. МЭИ, возникшие про­блемы были решены, и электропередача Жигули—Центр успешно работает, как и другая по­добная передача Волжская ГЭС—Центр [5.21].

Результаты проведенных в 50-е годы исследо­ваний явились хорошей базой для последующих работ по электропередачам 750 и 1150 кВ [5.22].

В настоящее время сложились следующие ме­тоды 01раничения внутренних перенапряжений.

Основным средством ограничения устано­вившихся (вынужденных) перенапряжений яв­ляется установка компенсирующих реакторов на длинных линиях напряжением 500 кВ и выше. Чтобы исключить потери реактивной мощности в нормальном режиме работы линии (на прием­ном конце линии реактор не нужен), применяет­ся искровое (безынерционное) подключение ре­акторов. Помимо этого могут быть использова­ны и другие схемные мероприятия: снижение ко­эффициентов трансформации повышающих трансформаторов; включение линии с конца, примыкающего к шинам более мощной энерго­системы. Применение блочных схем без вы­ключателей на стороне высшего напряжения ис­ключает режимы, при которых к шинам системы присоединена разомкнутая линия.

Ограничение коммутационных перенапря­жений (свободная составляющая) осуществляет­ся с помощью применения ОПН или коммутаци­онных РВ, выключателей с предвключенными сопротивлениями, управления фазой замыкания контактов выключателя. Вынос электромагнит­ных трансформаторов напряжения на линию (без реакторов) уменьшает вероятность повтор­ных зажиганий дуги в выключателях, что спо­собствует снижению перенапряжений при от­ключении ненагруженных линий и АПВ.

Коронный разряд на проводах воздушных ли­ний электропередачи оказывает значительное влияние на развитие перенапряжений. В квазистационарных условиях (линейный резонанс) при коронировании проводов увеличивается ем­кость линии, вследствие чего сокращается ее волновая длина, и максимум перенапряжения смещается в сторону длин, меньших четверти длины волны (1500 км). Одновременно вследст­вие потерь энергии на коронирование сущест­венно уменьшаются перенапряжения.

Потери энергии при импульсной короне способствуют снижению крутизны фронта им­пульсов грозовых перенапряжений, набегающих, но линии на подстанцию, и, как уже от­мечалось, уменьшают риск повреждения элек­трооборудования.

Изучение коронного разряда на проводах воздушных линий началось в первые десятиле­тия XX в. Американским исследователем Ф.В. Пиком были впервые предложены форму­лы для расчетов начальных напряжений корон­ного разряда, характеристик зажигания короны, потерь энергии на корону. Как уже указывалось в § 5.3, в 1910г. В.Ф. Миткевичсм была выдвинута идея расщепления проводов фаз для подавления коронного разряда на линиях электропередачи, намного опережавшая потребности элек­тротехники того времени. Идея эта была реали­зована четыре десятилетия спустя на линиях СВН и получила признание во всем мире.

Значительный вклад в теорию коронного разряда и решение практических проблем, связан­ных с коронированием проводов воздушных линий переменного и постоянного напряжения, внес В.И. Попков [5.23].

В результате исследований, проведенных на линиях электропередачи и опытных пролетах, разработаны и успешно применяются при проектировании электропередач методы расчета по­терь энергии на корону, акустических и радиопо­мех. Характеристики коронного разряда учиты­ваются при расчетах квазистационарных перенапряжений, а также при определении деформации ' и затухания грозовых импульсов.

Дата добавления: 2014-12-25