Перенапряжения

Перенапряжения — это кратковременные превышения напря­жения, опасные для изоляции. Они могут возникать при оператив­ных переключениях электрических цепей, нарушениях нормальной работы электроустановок в результате возникновения замыканий линии на землю, грозовых разрядах, ударов молний в линию или вблизи нее и ряде других случаев. Перенапряжения разделяются на внутренние и атмосферные.

Классификация и природа возникновения перенапряжений

Внутренние перенапряжения

Внутренние перенапряжения возникают в электроустановках в процессе их эксплуатации при включении и отключении цепей, дуговых замыканиях на землю, резонансе участков пени на рабочей частоте и на частоте высших гармоник. Чаще всего коммутационные перенапряжения возникают в результате действия противоаварийной автоматики и релейной защиты. Источником внутренних перенапряжений является э.д.с. генераторов.

Аварийные или нормальные коммутации сопровождаются колебательными процессами или резонансными явлениями. Всякая электросистема обладает колебательными свойствами, но в нормальном режиме работы они проявиться не могут. Колебательные свойства электрических систем, которые вызывают перенапряжения, возникают при нарушении баланса вырабатываемой и поглощаемой энергии. Причиной этого является внезапное отключение активной нагрузки или сосредоточенных и распределенных сопротивлений — элементов электрической цепи, способных поглощать

энергию. Любая электрическая система содержит элементы, спо­собные накапливать энергию — индуктивности и емкости линий, генераторов, трансформаторов, реакторов, конденсаторных бата­рей и др. (рис. 1.1).

На рис. 1.1 а приведена упрощенная однофазная схема, иллю­стрирующая один из случаев возникновения перенапряжений. В этой схеме L_и — индуктивность источника; L_л и С_л — индук­тивность и емкость линии; Lc — индуктивность приемной систе­мы; Z_н = R_н + wL_н — комплексное сопротивление нагрузки. При замкнутом выключателе В2 емкостное сопротивление зашунтировано сопротивлением нагрузки Rн. При разомкнутом выключа­теле схема содержит в основном только реактивные элементы и превращается в колебательный контур Lл—Сл. Любое внезапное возмущение в этой схеме (например, включение ненагруженной линии или повышение напряжения в схеме) приведет к возникно­вению колебаний напряжения на емкости Сл, т.е. к перенапря­жениям. Эти перенапряжения будут обусловлены емкостным эффектом.

Режим одностороннего питания при отключенном выключате­ле В2 может осуществиться при включении ненагруженной линии выключателем В1, и может продолжаться до тех пор, пока на разомкнутом конце не будет выполнена синхронизация. При аварий­ных и послеаварийных коммутациях режим одностороннего пита­ния возникает при неодновременном срабатывании выключателей на разных концах линии, а также при включении их в режиме рассинхронизации.

Процесс коммутации в электрической системе, например вклю­чение разомкнутой линии толчком, можно разбить на несколько этапов (рис. 1.1,б). До тех пор пока регуляторы возбуждения генераторов в силу инерционности не изменят возбуждение генерато­ров, их э.д.с. можно считать неизменными (области I и II). Первая

стадия (область I) характеризуется переходным процессом, продол­жительность которого порядка нескольких полупериодов промышленной частоты 50 Гц. После затухания свободных колебаний на­ступает вторая стадия (область II), которая условно может быть названа «установившимся режимом». Если установившееся напря­жение выше длительно допустимого напряжения системы, то бла­годаря действию регуляторов напряжения установившееся напря­жение постепенно уменьшается (область III), пока не установится новый стационарный режим (область IV).

В другом случае, если в какой-либо установке происходит за­мыкание фазы на землю в момент прохождения напряжения на этой фазе через нуль, то напряжения на других фазах будут возрастать от значения 0,5U_ф до значения 1,5U_ф (рис. 1.2, а, б). Процесс уста­новления нового напряжения происходит с колебаниями. Макси­мальное значение напряжения на неповрежденных фазах в пере­ходном процессе, т.е. перенапряжение, может достигать значения 2,5Uф. Это значение может быть описано уравнением

u_{а max} = u_пер = u_у +( u_у -u_н) = = 1,5U_ф + (1,5U_ф - 0,5U_ф) =2,5U_ф, (1.1)

где u_у — устанавливающееся на неповрежденной фазе напряжение;

u_н — начальное напряжение на этой фазе.

Переходный процесс быстро затухает, его продолжительность составляет всего несколько периодов. После этого действует дли­тельное повышение напряжения. На неповрежденных фазах устанав­ливается напряжение, равное междуфазовому напряжению √3 U_ф.

Величины и длительность таких перенапряжений зависят от но­минального напряжения установки, фазы коммутации, параметров

электрической цепи, характеристик и типов выключателей, нали­чия разрядников и поэтому носят статический характер.

Опытами установлено, что в сетях напряжением 110 кВ при от­ключении ненагруженных линий масляными выключателями мо­гут возникать повторные многократные зажигания дуги в выклю­чателе и перенапряжения, достигающие (2,5 - 3,1)U_ф; при использовании быстродействующих выключателей тока перенапряжения не превышают 2,5 U_ф. В настоящее время на линиях напряжением 110 кВ применяются масляные выключатели, имеющие собствен­ное время отключения 0,035 с, поэтому многократного зажигания дуги в них не происходит. При отключении ненагруженных транс­форматоров возможны перенапряжения больше 3 U_ф. В линиях элек­тропередач напряжением 500 кВ и выше необходимо учесть появ­ление перенапряжений, которые связаны со спецификой передачи энергии по протяженным линиям. Характерным для подобных воздушных линий является то, что они имеют большую емкость по отношению к земле, и на разомкнутом конце холостой линии на­пряжение будет значительно превышать напряжение в начале ли­нии. Высокие значения перенапряжений наблюдаются в аварийных режимах при разрыве линий электропередачи.

Величины внутренних перенапряжений характеризуются крат­ностью перенапряжений.

Кратность перенапряжений — это отношение амплитуды пере­напряжения к действующему значению наибольшего фазового рабочего напряжения. Кратность внутренних перенапряжений уменьшается при увеличении номинального напряжения электроустановки, применении ряда мероприятий по ограничению внутренних перенапряжений и, в первую очередь, новейших конструкций ог­раничителей перенапряжений, вентильных разрядников. Например, такие мероприятия позволили снизить кратность внутренних пе­ренапряжений до 2,5U_ф в электроустановках напряжением более 500 кВ.

Вероятность перекрытия изоляции электропередачи напряжением 330 кВ и выше при прямом ударе молнии в опоры и тросы зна­чительно меньше, чем у линий напряжением 35, 110 и 220 кВ. По­этому для установок напряжением 330 кВ и выше перенапряжения внутреннего происхождения являются определяющими при выбо­ре уровней изоляции.

Атмосферные перенапряжения

Атмосферные перенапряжения возникают в результате воздей­ствия грозового разряда на электроэнергетические установки или удара молнии.

Атмосферные перенапряжения в зависимости от характера воз­действия делятся на индуктированные и перенапряжения прямого удара молнии. Индуктированные перенапряжения возникают в ус­тановках при разряде молнии вблизи них.

Атмосферные перенапряжения возникают сравнительно часто и могут достигать при отсутствии специальных защитных средств и мероприятий нескольких миллионов вольт, вызывая перекрытие и повреждение изоляции установок. Чаще имеют место индукти­рованные перенапряжения, так как электроэнергетические установ­ки достаточно надежно защищены от прямых ударов молнии.

Природа атмосферных перенапряжений. Основные параметры молнии

Молния — электрический разряд, источником которого являет­ся грозовое облако. Молнии поражают людей и животных, вызы­вают пожары и повреждают сооружения. В установках высокого напряжения наиболее часто поражению молнии подвергаются ли­нии электропередачи вследствие своей большой протяженности. При этом возникают перенапряжения, которые в воздушных лини­ях электропередач превосходят все их другие виды. Как же проис­ходит развитие этого явления?

Земля окружена на высоте около 80 км ионосферой — слоем со значительным преобладанием положительных ионов, сама земля заряжена отрицательно. В ясную безветренную погоду напряжен­ность электрического поля около поверхности земли составляет Ез = 130 В/м. Это позволяет определить отрицательный заряд всей Земли, который составляет 586 кКл.

Для возникновения грозового разряда необходимо, чтобы на­пряженность электрического поля в некоторой области достигла нескольких киловольт на сантиметр. Если это происходит внутри облака, то возникает внутриоблачный разряд или разряд на землю (нисходящая молния). Если напряженность поля сильно искажается

у поверхности земли (высокая башня), то возникает молния, раз­вивающаяся от земли к облаку (восходящая молния). Так как мол­ния может начаться у положительно или отрицательно заряжен­ных центров грозовых ячеек или высоких предметов на поверхности земли, то возможны четыре типа молний (рис. 1.3). Если разветвления канала направлены к земле, то имеет место разряд от облака на землю — нисходящая молния (см. рис. 1.3, а, б). Обрат­ное направление разветвлений свидетельствует о восходящей мол­нии (см. рис. 1.3, в, г).

Рассмотрим грозовой разряд, развивающийся от облака по на­правлению к земле, так как в большинстве случаев наблюдаются разряды из отрицательно заряженных облаков. Существует несколько версий образования противоположно заряженного облака по от­ношению к земле. По одной из них, согласно теории Вильсона, при

падении нейтральной водяной капли в облаке на ней индуктируются заряды: вверху — отрицательный, внизу — положительный. Круп­ные капли при своем падении подхватывают отрицательные ионы (нижней своей частью) и сами заряжаются отрицательно; положи­тельные ионы отталкиваются нижней частью капельки, а вверху ка­пельки такие ионы ее не настигают, так как они движутся медлен­нее, чем падает капелька (рис. 1.4). Падающие отрицательно заря­женные крупные капли заряжают низ облака отрицательно. Мелкие капельки, поляризованные в электрическом поле Земли и подхва­ченные потоком воздуха, своей верхней частью захватывают поло­жительные ионы и заряжаются положительно. Перенесенные в верхнюю

Рис. 1.4. Электризация водных капель в облаке по Вильсону.

часть облака, они заряжают его положительно. В большинстве случа­ев молнии бывают отрицательными, т.е. переносят на землю отрицатель­ный заряд. Наиболее часто поврежде­ния электроустановок происходят в результате воздействия так называе­мой линейчатой молнии, прозванной так за форму разряда. Как правило,

разряд развивается ступенчато.

В процессе растущей поляризации напряженность электрического поля в какой-нибудь точке заряженного облака достигает критической величины (примерно 20—25 кВ/см в зависимости от высоты его расположения). Происходит ударная ионизация воздуха, и по на­правлению к земле развивается слабо светящийся канал, движущий­ся со скоростью 1,5-10⁵ м/с. По пути первого канала, называемого лидер-пилот, со скоростью 10⁷ м/с прорастает лидер разряда, кото­рый представляет собой канал высокой проводимости. После пау­зы, длящейся 30—90 мкс, наступает новое прорастание лидера. Каждая ступень лидера имеет длину около 50 м. Заряд зоны иони­зации лидера такого же знака, что и облако. Этот процесс индук­тирует на поверхности Земли или на ориентируемом объекте поло­жительный заряд. По мере роста напряженности электрического поля между облаком и вышеназванным объектом со стороны пос­леднего по направлению к облаку может начать развиваться встреч­ный лидер, имеющий противоположный по знаку заряд. В момент соединения лидеров, движущихся навстречу друг другу, или в тот момент, когда лидер облака достигает ориентированной поверх­ности, начинается главная стадия разряда. На этой стадии проис­ходит процесс нейтрализации зарядов, направленный от земли к облаку. Скорость этого процесса достигает 15*10⁸м/с, сопровож­дается сильным свечением, по каналу в течение короткого проме­жутка времени (около 50 мкс) протекает большой ток, который разогревает канал до температуры примерно 30 000 °С. В большин­стве случаев длительность разряда молнии составляет 0,1 с, хотя наблюдаются разряды, значительно превышающие ее. Это проис­ходит, когда по одному и тому же каналу протекает несколько раз­рядов, накопленных в разных по высоте местах облака. Таких ком­понентов бывает в среднем два-три, хотя в гористой местности их может быть до десяти; подобная молния многократна и длится по времени до одной секунды.

Интенсивность грозовой деятельности в различных климатиче­ских районах различается очень сильно. Количество гроз в тече­ние года минимально в северных районах страны и постепенно уве­личивается к югу, где повышенная влажность воздуха и высокая температура способствуют образованию грозовых облаков. Одна­ко это правило соблюдается не всегда. Существуют очаги грозо­вой деятельности и в средних широтах, где создаются благоприят­ные условия для формирования местных гроз. Интенсивность по­добной деятельности в данной местности характеризуется общей продолжительностью гроз в часах и показывает, что число ударов молнии в землю зависит от нее.

Число грозовых дней или часов в году определяется на основа­нии многолетних наблюдений метеостанций, а их обобщение по­зволяет составить карты грозовой деятельности, на которые нано­сятся изокеранические линии — линии равной продолжительнос­ти гроз (рис. 1.5).

Наибольшее число гроз наблюдается на о. Ява — в среднем 220 грозовых дней в году, в Центральной Африке — до 150, в Южной Мексике — около 140. В России грозы редки на севере (например, в Карелии примерно 10), в средней полосе — примерно 20—25, в Сибири — 10—15. Грозы в гористых местностях наиболее часты. Карты грозовой деятельности позволяют в полной мере оценить картину ожидаемых атмосферных явлений, прогнозировать часто­ту поражения молнией различных объектов и используются при разработке мероприятий по построению грозозащиты линий и элек­троустановок.

Молния представляет собой источник тока. Ток молнии имеет форму импульса (рис. 1.6). Его параметрами являются: максималь­ное значение Iм, длительность фронта t_ф длительность импульса t_и. Основной количественной характеристикой молнии является ток, протекающий через пораженный объект, который характеризует­ся максимальным значением I_м. Длительность фронта волны — это расстояние, которое определяется проекцией на горизонталь­ную плоскость касательной, проведенной к кривой тока молнии от

момента нарастания тока до его максимального значения. Длитель­ность импульса — это время от момента нарастания тока молнии до того момента, когда во время спада его величина достигнет по­ловины максимального значения. Для тока молнии характерны дли­на фронта волны до 10 мкс и длительность импульса до 100 мкс. Это значит, что ток быстро увеличивается до своего максимально­го значения и затем медленно уменьшается. Максимальные значе­ния тока молнии могут достигать величины до 200 кА.

При прямом ударе молнии в линию электропередачи, ее токе в 100 кА и волновом сопротивлении провода 300 Ом на линии воз­никает напряжение 15000 кВ. Подобные напряжения изоляция воз­душных линий и других электроустановок выдержать не может. В таких случаях вероятно возникновение перекрытия гирлянды изо­ляторов по воздуху, сопровождаемое устойчивым дуговым разря­дом, который в свою очередь поддерживается напряжением источ­ника. Кроме этого хорошо известно, что удары молнии в наземные объекты часто приводят к пожарам и механическим разрушениям. При прохождении тока молнии выделяется определенное количе­ство тепла в проводнике, нагревающее последний. Температура, до которой нагревается проводник, зависит от его сечения, длины, удельной плотности, теплоемкости, сопротивления. На основании опытных данных установлено, что при наиболее интенсивных раз­рядах стальной проводник сечением 50 мм² в течение 1 с нагревает­ся до нескольких сотен градусов.

При прохождении тока молнии по системе проводников между ними возникают механические силы, которые даже при наиболь­ших токах молнии недостаточны для деформации опор линий элек­тропередачи или молниеотводов.

Известно, что ток молнии проходит по путям с наибольшей про­водимостью, которые образуются при увлажнении кирпичных зда­ний, деревянных опор и других объектов, обладающих большим сопротивлением. За счет нагревания и испарения влаги током мол­нии внутри объекта происходит резкое увеличение давления, кото­рое и приводит к его разрушению. Поэтому защита от атмосферных перенапряжений является обязательной для надежной работы элек­троустановок.