ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ НА ИЗОЛЯЦИИ СИСТЕМ С ЗАЗЕМЛЁННОЙ И ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ ПРИ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССАХ
Перенапряжения этого вида могут быть внешнего или внутреннего происхождения. Первые происходят вследствие атмосферных воздействий, тогда как последние имеют различные причины: аварийное заземление, обрыв тока, возникновение дуги и т. д.
Атмосферные перенапряжения
Прямые удары
Не существует прямой зависимости между номинальным напряжением системы и атмосферными перенапряжениями, которым система подвергается в. случае прямого удара. Максимальное напряжение, которое может возникнуть, очевидно, определяется импульсным напряжением перекрытия линейной изоляции. Имеются данные о частоте возникновения перенапряжений с различными амплитудами; на рис. 58 приведена кривая, основанная па данных 14 систем за 5-летний период [Л. 48]. Из 678 зарегистрированных волн наибольшая превышала Еф√2 21 раз (линия Wallenpaupack — Siegfried), когда она временно работала на напряжении 66 кВ с изоляцией 220 кВ.
Более важное значение имеют экспериментальные данные об амплитудах токов грозовых ударов и вероятности их возникновения, а также о величинах токов в отдельных опорах. На основании 2 700 регистраций, полученных на И линиях пяти систем с напряжениями 66—220 кВ [Л. 49], приведена кривая на рис. 59. Были зарегистрированы токи, превышающие 130 000 а. Однако не более 0,074% из зарегистрированных максимальных токов имели амплитуду свыше 100 000 а и не больше 1,36% свыше 60000 а. Непосредственные измерения токов грозовых ударов в тросах (сумма токов в обоих концах пролета) подтверждают данные рис. 59, но максимальные токи, измеренные по это му методу, несколько меньше (треугольники на рис. 59).
Из этих опытов могут быть сделаны следующие выводы:
а) В случае прямых ударов в провода большой процент перенапряжений будет превышать прочность изоляции линии электропередачи. Высокое волновое сопротивление провода вызывает чрезмерное напряжение даже при сравнительно малых токах молнии. Например, были зарегистрированы напряжения 4 500 и 5 000 кВ на линии 132 кВ с деревянными опорами.
б) В случае ударов в опору или тросы изоляция не будет перекрыта в том случае, когда произведение сопротивления заземления опоры на максимально возможный ток в опоре (скажем, 100 000 а) ниже импульсного напряжения перекрытия. Это делит высоковольтные линии передачи на два класса:
Линии на металлических опорах ниже 230 кВ и линии на деревянных опорах ниже 110 кВ рабочего напряжения, исключая случаи хорошо защищенных линий в районах с исключительно благоприятными условиями заземления. Невозможно построить такие линии абсолютно грозоупорными без чрезмерных затрат на изоляцию или уменьшения сопротивления заземления опор.
Линии на металлических опорах с напряжением 230 кВ и выше могут быть построены практически грозоупорными три условии их хорошей защиты от прямых ударов, если минимальная импульсная прочность изоляции (положительная волна 1,5/40) превосходит:
| 500 | 1 000 | 1 500 | 2 000 кВ |
при сопротивлении заземления опор не более | 5 | 10 | 15 | 20 Ом |
Из приведенного выше анализа можно сделать два вывода.
Во-первых, уровень линейной изоляции не определяется абсолютной величиной атмосферных перенапряжений, а выбирается из других соображений, которые будут вскоре изложены. В задачу эксплуатации входит применение защитных мероприятий (подвеска тросов, заземление, защитные разрядники), которые ограничивают частоту грозовых перекрытий приемлемыми значениями.
Во-вторых, способ заземления нейтрали не оказывает существенного влияния на перекрытия изоляции при разрядах молнии.
Вопрос о воздействии грозовых перенапряжений на линейную изоляцию относится также и к станционному оборудованию. Число соответствующих мероприятий различно. Защита станции от прямых ударов сводится к вопросу о правильной установке тросовых или стержневых молниеотводов. Станционное заземление обычно включает в себя тину, к которой снизу присоединяются заземляющие спуски. Сопротивление почвы должно сохраняться очень низким; при этих условиях перекрытия, вызываемые прямыми ударами в конструкцию станции, мало вероятны. В этом случае приходится считаться только с блуждающими волнами, приходящими с линии, амплитуда которых определяется напряжением перекрытия линейной изоляции. Как правило, амплитуда набегающей волны превышает напряжение перекрытия изоляции станционного оборудования, но последнее может быть защищено с помощью недорогих мероприятий. Среди них широко распространенным является применение защищенных тросами подходов к подстанции длиной порядка 0,8 км. Таким образом, напряжения поступающих на станцию волн могут быть ограничены ослабленной изоляцией ближайших участков линии.
В последующей главе (см. § 11.3, гл. 6) будет показано, что заземление нейтрали трансформатора может несколько изменять форму грозовых волн с пологими фронтами, тогда как короткие волны с отвесным фронтом остаются практически неизменными, хотя заземление нейтрали наглухо или через активное сопротивление является в общем благоприятным.
11.1.2. Индуктированные волны
Перенапряжения, индуктированные на проводах линии при близких ударах молнии.
Рис. 59. Кривые вероятности токов молнии. Кружочки и треугольники указывают токи соответственно при ударах в вершину молниеотводов и тросы.
не достигают величин, которые возможны при прямых ударах. Индуктированные волны имеют одинаковый знак (преимущественно положительный) на всех трех проводах приблизительно равной величины, поэтому индуктированные волны в большей мере, чем волны прямого удара, могут приводить к колебаниям напряжения на изолированной нейтрали трансформаторов.
Величина перенапряжений при близких грозовых разрядах зависит в первую очередь от амплитуды тока молнии и расстояния линии от канала разряда. Скорость распада поля облака играет малую роль; предполагая, что связанные заряды на проводах освобождаются мгновенно, можно получить верхний предел перенапряжений. При отсутствии троса напряжение провода определяется произведением напряженности поля облака перед разрядом на высоту провода над землей. Напряженности часто достигают величины 2 кВ/м, но редко превосходят 12 кВ/м. Если размеры заряженной части облака не чрезмерно велики, напряженность уменьшается пропорционально увеличению расстояния от места удара. В линий 220 кВ индуктированные напряжения могли бы достичь величин предела (2 000 кВ), но по ряду причин такие перенапряжения не достигаются. В основном это происходит из-за защитного действия тросов; корона также ограничивает величины перенапряжений. Поэтому индуктированные перенапряжения на крайнем проводе линии 220 кВ не должны превышать 1 000 кВ. Вагнер и Мак Канн на основании изучения механизма индуктированных ударов [Л. 50] предложили диаграмму, которая позволяет оценивать индуктированные
Рис. 60. Перенапряжения, вызванные внезапным замыканием на землю. Амплитудные значения в зависимости от —Х0/Х1. Верхние кривые: С1=С0; нижние кривые: С1= 2С0.
напряжения. Если I обозначает ток молнии в килоамперах, А — расстояние в метрах между проводом и каналом молнии, h—высота провода в метрах, то перенапряжение в киловольтах для линий без троса может быть грубо определено из выражения 25 Ih/A. Даже для больших значений I и h и малой величины A предсказанная величина максимального напряжения не часто превосходит 1 000 кВ. Очень существенное снижение вносит применение заземляющих проводов (табл. 34).
Величина индуктированных перенапряжений зависит от способа заземления системы. Имеется косвенная связь с рабочим напряжением через высоту провода. Согласно современным представлениям [Л. 51] изоляция защищенных линий; в особенности с напряжением выше 33 кВ, не подвергается опасности от индуктированных перенапряжений. Станционное оборудование также достаточно защищено, но нейтраль незаземленных трансформаторов испытывает перенапряжения, которые требуют внимания.
Дуговые заземления
Перенапряжения этого вида являются наиболее существенными из возможных при заземлении. Ими объяснялись многие аварии, которые часто случались в системах с изолированной нейтралью. Много теоретических и экспериментальных работ было посвящено их анализу; § 4 гл. 3 включает эту проблему. Попытки экспериментально воспроизвести явления, которые имеют место при дуговых замыканиях на землю, не подтвердили возможности образования больших перенапряжений. Но, конечно, вероятность повторных зажиганий дуги с интервалами времени, обеспечивающими максимальный кумулятивный эффект, должна быть небольшой.
Результаты изучения [Л. 53] на модели сети переменного тока представлены графиками на рис. 61. Кривые, изображенные сплошными линиями, относятся к системам, заземленным через индуктивное сопротивление, пунктирные кривые—к системам, заземленным через активное сопротивление. Можно видеть, что глухое и резонансное заземления (875 Ом индуктивного сопротивления в исследуемой системе) одинаково способствует сохранению низких величин перенапряжений. Заземление через малое индуктивное сопротивление с точки зрения перенапряжения мало чем отличается от случая изолированной нейтрали. Заземление через активное сопротивление ограничивает перенапряжения при дуговых заземлениях, однако если величина активного сопротивления начинает превосходить емкостное сопротивление системы, условия постепенно приближаются к незаземленной нейтрали.
В настоящее время не следует придавать слишком большого значения проблеме дуговых замыканий как критерию для оценки различных способов заземления. Важно только то, что нейтраль системы не должна быть незаземленной. Если соблюдать определенные элементарные правила, то перенапряжения при дуговых замыканиях исключаются каким-либо стандартным способом заземления нейтрали. Системы с незаземленной нейтралью с этой точки зрения уязвимы и их чувствительность к многократным повреждениям должна быть отмечена.
Рис. 61. Перенапряжения, вызванные дуговыми замыканиями на землю. Результаты исследования на модели: — заземление через индуктивное сопротивление; - - - - заземление через активное сопротивление.
