Лекции по электроснабжению.

Тема:

Перенапряжения и защита от них.

Содержание:

	Перенапряжения и защита от них……………………………………………………….
	Характер движения волны по проводам линии...............................................................
	Защита электроустановок от прямого удара молнии………………………………….. линии………………………………………………………….
	Защита от наведённых перенапряжений………………………………………………..
	Защита сельских электрических установок от атмосферных перенапряжений……...

ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ И ЗАЩИТА ОТ НИХ

При нормальных режимах напряжение в электрических установках близко к номинальному и не превышает его более чем на 10%. Однако бывают кратковременные повышения напряжения, которые называют перенапряжениями. По причине возникновения их разделяют на коммутационные (внутренние) и атмосферные (внешние).

Следствием перенапряжений моет быть пробой изоляции электроустановок и последующим коротким замыканием и отключением ЭП. Поэтому необходимо изучение эти явлений с целью предотвращения и воздействия на атмосферу.

Внутренние перенапряжения возникают в электроустановкахпри любойкоммутационной операции – включения или отключения. Они физически связаны с перераспределением запасов энергии в электрическом и магнитном поле.Наибольшие значения перенапряжений получаются при отключении токов, сдвинутых относительно напряжений на (отклонение токов к.з. вблизи станции, зарядных токов ненагруженных ВЛ). Коммутационные перенапряжения в сельских сетях напряжением до 110 кв не представляют существенной опасности для правильно выбранной изоляции электроустановок и мы их рассматривать не будем.

Основным видом перенапряжений от которых следует защищать сельские ЭУ – перенапряжения, вызванные атмосферными явлениями и в первую очередь грозой. Причина грозы – грозовое облако – мельчайшие капли воды. Круговорот воды в природе. Когда идёт восхождение воды, капли электризуются из–за трения о слой атмосферы и приобретают “-“ заряд, т.е нижняя часть облака заряжена “-“. В свою очередь земли – вторая обкладка огромного конденсатора – заряжен положительно. Напряжённость поля составляет в среднем 10 кВ/м, однако, там где на земле есть остроконечные предметы, напряжённость увеличивается и может даже наблюдаться свечение из-за так называемого коронного разряда.

Если напряжённость электрического поля >25÷30 кВ/см (эл. критерии воздуха), то может образовываться молния (линейная, шаровая, четочная и т.п.) Для повреждения оборудования опасны линейные молнии. Почти половина молний - это кратковременные повторные разряды (три-четыре с интервалом от тысячных до сотых долей секунд.). Каждый разряд состоит из предразрядного процесса и собственно разряда. Предразрядныйпроцесс – ступенчатый пробой воздуха, называемый «лидером». Скорость передвижения «лидера» около 1000 км/с. Когда «лидер» достигнет земли или встречного «лидера» от земли к облаку, по образовавшемуся каналу устремляется главный разряд со скоростью150 тыс. км/с. Длина молнии – огромная искра от сотен до тысяч метров, а иногда и десятки километров. Ток молнии достигает 30-40 кА. Температура канала в воздухе 20000^° С. Воздух быстро расширяется и как бы взрывается, что и вызывает ослепительный световой импульс и раскаты грома

Кривая зависимости U=f(t) разряда молнии имеет форму апериодического импульса или волны напряжения (см. рис. 1).

РИС. 1

За время t₁ оно быстро возрастает до U_max- амплитуды перенапряжения, а затем относительно медленно уменьшается. Время t₁-фронт волны, время t₂ – длина волны U= =0,5U_max_. Для усреднения характеристики импульса молнии определяют t₁ =1,67 ВА, а t₂ = ОС, причём прямые проводят через 0,3U_max и 0,9U_max. Фронт волны t₁ =1,2 мкс, а

t₂ =50 мкс. Хотя U_max_. =10000÷10⁹ В и мощность огромна, количество выделенной энергии незначительно, вследствие малого времени действия молнии (десятки микросекунд). Суммарный заряд Q. переносимый молнией, равен ~ 20÷100 КЛ. На земном шаре каждую секунду ударяет около 100 молний.

Наиболее тяжёлые последствия имеют место при прямом ударе молнии в поражаемый объект. Это, прежде всего воздействие амплитуды волны, которая достигает миллионов «В» и практически пробивает любую изоляцию. Электрические и электромагнитные поля, связанные с главным разрядом молнии индуктируют напряжение на проводах ЛЭП, проходящих вблизи места удара. Этот индуктированный импульс или волна распространяется со скоростью, близкой к скорости света по всем электрически связанным ЛЭП, и приводит к повреждении в местах с наиболее слабой изоляцией, иногда за несколько километров от места удара молнии.

Характер движения волны

по проводам линии

Не будем учитывать R линии то. ЛЭП обладает только L и C.Волна имеет прямоугольную форму, т.е её фронт равен нулю, а длин равна ∞. В этом идеализированном случае скорость движения волны по проводам (R=0)

- индуктивность и ёмкость на 1 км длины ЛЭП.

V – по ВЛ близка к скорости света ≈ 300 м/мкс. В кабелях в 2 раза ниже 150 – 160 м/мкс.

Волна напряжения и волна тока в каждый момент времени связаны величиной, которую называют волновым сопротивлением линии:

ВЛ имеют волновое сопротивление ~ 400 Ом, а кабельные - 3÷40 Ом.

Если волна напряжением U₁, двигаясь по линии с волновым сопротивлением (см. рис 2), подходит к точке А, где волновое сопротивление линии меняется на , то её называют падающей волной.

РИС. 2

При переходе через точку А её электромагнитное поле изменяется, часть энергии направляется обратно в лини с , а другая часть проникает в линию с волновым сопротивлением . Таким образом, падающая волна U₁, разделится на две волны – преломлённую , которая движется в том же направлении, и отражённую , движущуюся в обратном направлении. Для точки А можно записать равенство:

Кроме того, для всех трёх волн :

Знак «-» показывает, что магнитное поле падающей и отражённой волн имеют различные знаки в связи с противоположным направлением их движения.

Найдём:

Складывая уравнения: получим:

Где - коэффициент преломления.

Теперь подставим найденное значение в уравнение :

Где - коэффициент отражения

Соответственно можно получить для токов:

Некоторые крайние случаи:

1. Пусть линия в конце замкнута накоротко, т.е , тогда , а , т.е волна напряжения полностью отражается, меняя только знак. Следует отметить, что при огромных скоростях нарастания импульса перенапряжения он ведёт себя, как сверх высокая частота, поэтому и следовательно включённый в конце линии конденсатор,( а к.з. – это ёмкость) резко снижает амплитуду волны.

2. При разомкнутой линии . Тогда , а . Напряжение в конце линии равно 2U падающей волны, а напряжение отражённой опять же равно напряжению падающей. Опять же велика и следовательно при разомкнутой линии – нагрузка это индуктивность, тогда и в пределе удваивает значение перенапряжения падающей волны. Так как в конце ЛЭП включена обмотка трансформатора, то необходимо учитывать двукратное увеличение амплитуды падающей волны и обеспечивать надёжную защиту трансформатора от пробоя изоляции.

В реальных условиях с импульсом обычной формы и при наличии в ЛЭП активного сопротивления и особенно потерь на корону, т.е на излучение приведённые коэффициентами и , а также амплитуда падающей волны могут быть существенно ниже и определяются конкретно для заданных условий. Волновые процессы в обмотке трансформатора и вращающихся машин отличаются от процессов в ЛЭП значительной сложностью. Поэтому в большинстве случаев их определят экспериментально и часто оценивают только качественно.

Защита электроустановок от прямого удара молнии

Наиболее опасный вид поражений от атмосферных перенапряжений- прямой удар молнии в тот или иной объект. Токи протекающие в землю при возникновении удара молнии, замыкаются по пути наименьшего сопротивления. Поэтому для защиты сооружений от прямых ударов молнии применяются специальные устройства: стержневые молниеотводы – для сосредоточенных объектов; тросовые молниеотводы – для объектов, имеющих значительную протяжённость.

Стержневой молниеотвод: необходимо обеспечивать не только достаточное его превышение над объектом защиты, но и его надлежащее заземление.

РИС. 3

Состоит ( см.рис 3) из молниеприёмника – 1, спуска – 2, соединяющего молниеприёмник с заземлителем и заземлителя или противовеса – 3, предназначенного для улучшения проводимости между спуском и землёй.

РИС. 4

Основной характеристикой молниеотвода является зона вокруг него, защищённая от поражения грозовым разрядом (см. рис. 4).

Пространство вблизи молниеотвода, в пределах которого маловероятно ( ) поражение защищаемого объекта называется зоной защиты молниеотвода. Величина радиуса действия молниеотвода, при котором разряды концентрируются на нём, называется радиусом защитной зоны молниеотвода, а превышение его над защищаемым объектом – активной высотой .

Отношение - называется коэффициентом защиты. При высоте одиночных молниеотводов м, - определяется по следующей эмпирической формуле:

- высота защищаемого объекта.

- активная высота н- провода

При высоте молниеотвода м

Двойной стержневой молниеотвод имеет зону защиты

РИС. 5

Согласно руководящих указаний по защите РУ 3 – 220 кВ :

Зоны защиты трёх и более стержневых молниеотводов значительно превышает сумму зон одиночного отвода

РИС. 6

Размеры определяют по специальным кривым (см. рис. 7) в зависимости от и высоты молниеотвода . Радиус находят такие, как и для одиночного молниеотвода.

РИС. 7

Необходимое условие защищённости всей площади на уровне для молниеотводов м можно записать так:

Тросовый молниеотвод

Для защиты протяжённых объектов, главным образом проводов ВЛ кВ и выше применяют тросовые молниеотводы – стальные тросы, проложенные на тех же опорах, но выше основных проводов.

Зона защиты одиночного тросового молниеотвода (см. рис. 8), подвешенного горизонтально – это две параллельные линии расположенные на расстоянии от вертикали троса - - радиус защиты – условно как в молниеотводе.

РИС. 8

При м

Величина зависит от вероятности прорыва молнии в зону защиты. Для вероятности 1 прорыва из 100 (0,01) : =1,21; если , то =0,6

Для защиты объекта между двумя тросами:

РИС. 9

: если , то =5

, то =3

Для защиты объекта между двумя тросами необходимо соблюсти условие:

определяющее превышение молниеотводами над защищаемым объектом.

Защита от наведённых перенапряжений

Наведённые перенапряжения возникают вследствие электрической и электромагнитной индукции чаще всего в проводах ВЛ при ударе молнии в близко расположенные объекты. Они достаточно частые явления. Перенапряжение при этом меньше, при прямом разряде молнии, но всё же достигает десятков и сотен тысяч вольт.

Качество изоляции электрооборудования характеризуется вольт – секундными характеристиками (см. рис. 10) –зависимость пробивного U времени.

РИС. 10

1 – В-С характеристика изоляции защищаемого объекта;

2 – В-С характеристика разрядника .

Такие характеристики снимают в лабораториях ТВН.

От наведённых перенапряжений электроустановки защищают с помощью грозозащитных аппаратов – разрядников (см. рис. 11).

РИС. 11

R – рабочее сопротивление; И – искровые промежутки.

Разрядник состоит из воздушных искровых промежутков И, включённых на каждую фазу и соединённых с землёй непосредственно или через добавочное R (рабочее).

Искровые промежутки подбирают т.о., чтобы В-С характеристика разрядника (2) проходила бы ниже В-С характеристики защищаемого объекта. Вследствие этого пробой промежутка и разряд импульса в землю происходит ранее достижения U пробивного для изоляции значения.

К простейшим грозозащитным аппаратам относят так называемый роговой разрядник, или основной воздушный искровой промежуток (см. рис. 12).

Он выполнен из трёх пар стержней из круглой стали, диаметром 10-12 мм, изогнутых в виде рогов.

На каждой фазе один электрод присоединён к проводу линии, а другой – к заземлённой стальной траверсе, или заземлённому спуску, если опора деревянная. Образующийся после прохождения импульса ток к.з. вызывает между рогами промежутка электрическую

Дугу. Если сила тока к.з не превышает 300 А, то дуга гаснет за счёт тепловых потоков воздуха.

РИС. 12

S₁ и S₂ – разрядные расстояния

Наряду с искровым промежутком (1) обеспечивающим необходимую вольт-секундную характеристику на каждой фазе предусмотрен второй промежуток (2) значительно меньше основного. Его назначение - исключить к.з. при перекрытии первого, скажем птицами, или смог или ещё что - либо.

Искровые промежутки используют в сельских сетях 6-35 кВ при малых токах к.з. При отсутствии более совершенных разрядников их используют и при больших токах к.з, так как практически все сельские сети снабжены АПВ и, следовательно, обеспечивают восстановление схемы включения через 1-2 сек.

Более совершенные грозозащитные аппараты – трубчатые разрядники. (см. рис 13).

РИС. 13

1-металлический колпачок; 2- трубка из газогенерирующего диэлектрика;

3- электрод; 4- металлический колпачок с выхлопным отверстием;

l_вн- длина искрового промежутка

На каждую фазу линии устанавливают один разрядник, 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, другой – шайбы. Расстояние между ними – искровой промежуток длиной l_вн. Его устанавливают при изготовлении разрядника в зависимости от напряжения сети. Нижний конец трубки открыт. В нём помещается изогнутая металлическая пластинка. Она выбрасывается газами, показывая срабатывание разрядника.

Разрядник, через искровой промежуток присоединённых к фазному проводу линии,

Нижний электрод к заземлению. Искровой промежуток необходим для того, чтобы трубка разрядника не находилась всё время под напряжением. Его размер зависит от уровня U, чем выше U, тем больше зазор от 10-15 мм для 6 кВ, до 60-120 мм для 35 кВ.

Волна перенапряжений перекрывает наружный и внутренний промежуток и уходит в землю. Ток к.з. создаёт внутри трубки электрическую дугу. Она воздействует при t°C↑ на газогенерирующий материал и вызывает бурное выделение газов. В трубке образуется высокое давление до 7 Па, которое выдувает ионизированные газы и гасит дугу схлопком, как выстрел. Трубку изготавливают из фибры или винипласта.

В маркировке трубчатых разрядников указывают рабочее U, верхний и нижний пределы токов к.з. в месте установки при которых они могут работать. Если ток к.з. в месте установки больше верхнего предела, то трубка может взорваться, при этом дуга не погаснет. При токе меньше допустимого, наоборот давление будет недостаточным, дуга не погаснет и сожжёт разрядник. В сельских сетях стандартные разрядники обычно нужно проверять только на соответствие с нижним пределом. Монтируют трубчатые разрядники открытым концом вниз под углом к горизонту 15-20°, чтобы влага не проникла в трубку.

Наиболее совершенны вентильные разрядники. (см рис 14).

РИС. 14

1- зажим к сети и 6- зажим к заземлителю; 2- пружина;

3- искровой промежуток; 4- фарфоровый корпус;

5- вилитовый диск.

В герметический фарфоровый корпус помещают один или несколько единичных искровых промежутков и дисковых рабочих сопротивлений, число которых увеличивается с повышением U сети.

Искровой промежуток образуется между двумя латунными электродами диаметром 5 и 7,5 см, разделёнными кольцом из слюды-миканита толщиной 0,5-1,0 мм. Рабочее сопротивление разрядника выполняется из вилита.(часто вентильные разрядники называют вилитовыми). Вилитовые диски диаметром 10-13 см и толщиной 2 см представляют собой активные сопротивления с большой степенью нелинейности, т.е с повышением U их R резко снижается. Следовательно, при действии импульса перенапряжения R невелико и падение U на нём незначительно. Для рабочего напряжения сети после прохождения импульса R возрастает, ограничивая ток к.з. значением менее 100 А. Этот ток легко разрывается искровым промежутком. Дуга гасится без звукового и светового эффектов Защищаемый объект остаётся неповреждённым.

Вентильный разрядник для сети 0,38 кВ состоит из одного искрового промежутка (3) и одного вилитового диска (5), помещённых в фарфоровый корпус (4) и сжатых для лучшего контакта спиральной пружиной (2).

В сетях 0,38 кВ вентильные разрядники подвешивают на фазовых проводах. В сетях 10 кВ их закрепляют на специальных полках и крепят хомутами. В сетях 20-35 кВ устанавливают вертикально на специальных конструкциях.

Сопротивление заземляющего устройства разрядников всех типов должно быть не более 10 Ом при удельном сопротивлении грунта ρ≤100 Ом·м; 150 Ом при ρ=150 -500 Ом·м; и 20 Ом при ρ=500 -1000 Ом·м. ОПН – ограничитель перенапряжения.

Защита сельских электрических установок

от атмосферных перенапряжений.

Сельские электрические сети отличаются от промышленных, мощных сетей значительным числом потребителей второй и третьей категорий, требованиями к надёжности электроснабжения, широким применением проводов небольших сечений, и следовательно, небольшими токами к.з. При большой протяжённости сельских ЛЭП повышается вероятность атмосферных перенапряжений в них, поэтому надо внимательно подходить к защите сельских сетей от грозовых перенапряжений.

Минимальное расстояние между крюками или штырями изоляторов соседних фаз при деревянных опорах выбирают, исходя из следующих соотношений

Рабочее напряжение линии, кВ		6…10
Расстояние, м	0,5	1,0	2,0	3,0

Большое значение для для надёжного электроснабжения при отключениях из-за атмосферных перенапряжений имеет АПВ, которое необходимо применять на U 10-35 кВ.

ЛЭП до 110 кВ на деревянных опорах и ЛЭП с любыми опорами до 35 кВ не рекомендуется защищать тросовыми молниеотводами. Однако, если в ЛЭП имеются опоры ж/б или металлические (вставки, переходы через препятствия и т.п.), то рекомендуется защищать их трубчатыми разрядниками, а при малых токах к.з.- воздушными искровыми промежутками. Пересечение электрических линий или линий связи надо делать как можно больше к самой высокой опоре. Как правило необходимо ставить на опорах пересекающихся линий защитные искровые промежутки с сопротивлением заземления не более 15 Ом, а на ЛЭП 110-220 кВ – трубчатые разрядники.

Трансформаторные подстанции или пункты U 10/0,38 кВ молниеотводами не защищают, а применяют вентильные и трубчатые разрядники U=10 кВ.

На рис.15 приведены вольт – секундные характеристики изоляции оборудования и разрядников.

РИС. 15

Кривая 1- изоляция ВЛ.; 2- трубчатый разрядник; 3- к изоляции понижающего трансформатора; 4- вентильный разрядник и трубчатый разрядник для ВЛ, но не может защищать от пробоя изоляции трансформатор. С той целью для защиты трансформатора должен быть применён вентильный разрядник.

РИС. 16

На рис. 16 - Для тупиковых ТП на вводе размещают вентильные разрядники FV

РИС. 17

На рис. 17 - На проходных ТП вентильные разрядники устанавливают на шинах ВН, кроме того на вводе со стороны питания для защиты разомкнутых разъединителей помещают трубчатый разрядник FV2

РИС. 18

На рис. 18 - Если ТП подключена через кабельную вставку < 50 м, то разрядник FV1 размещают так, чтобы параллельно их искровым промежуткам были включены штыревые изоляторы. Их ёмкость шунтирует искровой промежуток разрядника и уменьшает его импульсное пробивное напряжение. Заземление разрядника и оболочки кабеля с муфтой делают общим.

ТП с напряжением 35-110 кВ и низшим 10 кВ должны быть защищены от прямых ударов молнии. Защита не требуется для ТП 20-35 кВ с трансформаторами мощностью < 1600 кВА.

. РИС. 19

На рис. 19 - ТП с ВН 35-110 кВ защищают следующим образом. При помощи трансформаторов >1600 кВА ВЛ должны быть защищены тросами на подходах ЛЭП (1-6 км от ТП), если они выполнены на деревянных опорах. В начале защищённого тросом подхода на линии устанавливают трубчатые разрядники FV1 и FV3. На питающей линии устанавливают также трубчатые разрядники FV2 у входа линии. Изоляцию оборудования подстанции защищают вентильными разрядниками FV4, которые устанавливают не далее 10 м. от трансформатора. К тому же контуру заземления присоединяют разрядники FV2

РИС. 20

На рис. 20 – Не требуется защищать тросом подходы ВЛ напряжением 35 кВ к двухтрансформаторной подстанции при мощности S трансформатора до 1000 кВ·А, а так же к однотрансформаторной подстанции при наличии резервного питания со стороны 10 кВ.

РИС. 21

На рис. 21 – Защиту подстанции напряжением 35÷110 кВ мощностью S до 40 МВ·А, присоединяемых к ответвлениям до 3 км не защищённых тросами по всей длине, выполняют по упрощённым схемам (рис. 21). При длине свыше 500 м устанавливать трубчатые разрядники FV1 не требуется.

ВЛ 0,38 кВ в городах и населённых пунктах высотной застройки в грозозащите не нуждаются.