В противоположность линиям электропередачи станционное оборудование подвергается вполне определенным атмосферным перенапряжениям, которые определяются импульсными напряжениями перекрытия изоляции линий электропередачи. Для полного предупреждения прямых ударов молнии в оборудование станции подходы линий на достаточной длине защищаются тросами. При наличии вентильных разрядников длина подхода 0,8 км считается достаточной.
Перекрытие изоляции на станции, если оно не ликвидируется дугогасящим аппаратом, является более серьезной аварией, чем перекрытие линейной изоляции. Новые грозовые разрядники надежно предупреждают такие перекрытия, и их характеристики хорошо согласованы с характеристиками оборудования распределительных устройств.
Практически используются два типа грозовых разрядников с максимальными рабочими напряжениями, равными 100 и 80% номинального линейного напряжения системы. Разрядники с меньшим рабочим напряжением применяются в системах с глухо заземленной нейтралью, в которых при замыканиях на землю напряжение между фазой и землей не превышает 80% линейного напряжения (см. § 10, 7, 2 этой главы). Выбор подходящего грозового разрядника не так прост, как может показаться при такой классификации. Динамические перенапряжения, которым грозовой разрядник может подвергаться при обрыве сопровождающего тока, в значительной мере определяются колебательными напряжениями, приведенными на рис. 60. Кроме того, следует учитывать и некоторые дополнительные явления, связанные с внезапными сбросами нагрузки, увеличением напряжения на конце длинных линий, увеличением скорости вращения генераторов, искажения кривой напряжения высшими гармониками (включая зубцовые гармоники). Поэтому использование грозового разрядника с пониженным рабочим напряжением может в редких случаях привести к его повреждениям, однако связанные с этим убытки будут более чем компенсированы экономией на изоляции.
Взаимное расположение грозового разрядника и станционной емкости оказывает влияние на условия грозозащиты станции, так как на шинах станции возникают колебания, обусловленные индуктивностью соединений и емкостью аппаратуры, если расстояние между грозовым разрядником и защищаемым объектом достигает нескольких сотен футов. Возникают также отражения волн на концах линии за разрядником (холостые концы и трансформаторы) [Л. 65]).
Искровые промежутки имеют худшие защитные характеристики, чем вентильные разрядники, в частности для волн с крутым фронтом. Если уменьшить длину разрядного промежутка, число его срабатываний возрастает до нежелательной величины.
Такие промежутки тем не менее широко применяются и часто устанавливаются на проходных изоляторах.
Сделанные выше замечания о выборе грозового разрядника тесно связаны с проблемой станционной изоляции. Идея тщательной координации уровней изоляции системы в настоящее время не пользуется популярностью. Наиболее существенным шагом явилось установление комитетами ΑΙΕΕ — ΕΕΙ — ΝΕΜΑ в 1941 г. [Л. 69] базисных уровней изоляции.
Табл. 10, приведенная в § 12.1, дает напряжения импульсной прочности изоляции. Проектировщики имеют возможность брать уровень изоляции на одну ступень ниже или на одну ступень выше среднего, если они чувствуют, что этого требуют специфические условия работы проектируемой системы. Другие страны в большинстве случаев придерживаются тех же правил и рекомендаций.
Установление базисных уровней изоляции должно быть рассмотрено в свете следующих фактов. Линейная изоляция определяет наивысшие амплитуды волн перенапряжений, воздействующих на станцию. Импульсные напряжения перекрытия линейных изоляторов, как показывает таблица предыдущего параграфа, значительно выше базисных импульсных уровней для станционного оборудования. Экономически целесообразно увеличивать уровень изоляции станционного оборудования до уровня линейной изоляции, особенно если должным образом учесть вероятность повреждения, принимая в расчет число возможных мест перекрытия и влияние затухания. С другой стороны, весьма важным фактором являются высокая стоимость станционных аппаратов и серьезные последствия повреждения на станции. Изоляция шин по этим причинам иногда имеет более высокий уровень чем даже уровень изоляции линий; изоляция высоковольных разъединителей на концах линий также может иметь повышенную прочность. Для большей части станционного оборудования устанавливают общий уровень; его величину связывают с защитными устройствами, ограничивающими волны перенапряжения, набегающие с линии.
На рис. 68, данном Льюисом [Л. 70], базисные импульсные уровни изоляции для широкого диапазона напряжений систем сравниваются с пробивным напряжением промежутка 100%-ных грозовых разрядников (т. е. применяемых при изолированной нейтрали). Видно, что защитными коэффициентами являются: 0,53 для 15 кВ, 0,67 — для 69 кВ, 0,71—для 115 кВ и 0,74 — для 230 кВ (при разрядных токах более 4 000 а защитное действие разрядника менее благоприятно).
Рис. 68. Импульсные уровни изоляции высоковольтного оборудования в сравнении с напряжениями пробоя грозового разрядника.
1— импульсный уровень изоляции; 2 — уровень изоляции сниженный на одну ступень; 3— пробивное напряжение разрядник» при изолированной нейтрали; 4 — пробивное напряжение разрядника при заземленной нейтрали.
Защитное действие разрядников является удовлетворительным, поэтому можно считать, что применение грозовых разрядников делает проблему изоляции распределительных устройств независимой от проблемы изоляции линий электропередачи.
В диапазоне напряжений вплоть до 100 кВ часто могут применяться 100%-ные грозовые разрядники независимо от способа заземления нейтрали. Структура таких систем (иногда также отсутствие защитных тросов), как правило, не дает уверенности, что при аварийных условиях напряжение на землю неповрежденного провода не будет превышать 0,8 линейного. Это указывает на нецелесообразность уменьшения уровня изоляции систем с напряжением 115 кВ.
Было признано целесообразным снизить уровень изоляции распределительных устройств с глухо заземленной нейтралью, работающих при напряжении 115 кВ и выше, на одну ступень (пунктирная линия на рис. 68), что связано с возможностью использовать 80%-ные вентильные разрядники. Такая политика имеет своих сторонников, но не является общим мнением [Л. 64 и 65]; другие убеждают, что в системах, работающих при напряжениях 115, 138 и 161 кВ, даже с глухим заземлением нейтрали и грозовыми разрядниками, снижение базисного уровня изоляции нецелесообразно. Установлено, что многие системы, принадлежащие к этой группе, имеют отношение больше 3,0 и что конфигурация таких систем допускает выделение участков с изолированной нейтралью при размыкании некоторых линейных выключателей. Следовательно, в некоторых частях системы нельзя применять разрядники, предназначенные для работы с заземленной нейтралью.
Вопрос о расстояниях по поверхности пролетов (скользящие разряды) должен быть также внимательно рассмотрен, так как имеются сомнения, может ли внешняя фарфоровая изоляция, используемая в установках 115, 138 и 161 кВ, быть выбрана в согласовании с низшим уровнем изоляции, даже если нейтрали глухо заземлены. Рекомендовано, чтобы изоляция распределительных устройств этих номинальных напряжений имела импульсную прочность, согласованную со 100%-ными грозовыми разрядниками, независимо от способа заземления нейтрали.
Для выключателей важное значение имеет еще одна сторона проблемы.
Даже если будет принято решение снизить изоляцию относительно земли, это нельзя сделать путем простого выбора выключателя на более низкий класс напряжения, так как работа выключателя зависит от номинального напряжения сети. Это положение является до некоторой степени спорным (за исключением случая отключения коротких замыканий, питаемых от двух источников напряжения с противоположными фазами, который может иметь место в связи с возрастающим применением повторного включения). В системах с неэффективно заземленной нейтралью должен быть рассмотрен случай замыкания на землю в двух разных точках системы. Выключатель, который срабатывает первым, имеет на одном из своих полюсов восстанавливающееся напряжение, равное полному линейному, хотя и при уменьшенном токе. Однако Клем и его сотрудники [Л. 64] полагают, что выключатели, предназначенные для использования в системах с глухо заземленной нейтралью вплоть до 161 кВ, должны быть способными выключать 87% номинальной мощности при полном линейном напряжении. С другой стороны, известно, что в любой системе восстанавливающееся напряжение при отключении трехфазного короткого замыкания без земли на фазе, отключающейся первой, достигает 87% линейного напряжения. Таким образом, выключатели не имеют необходимого запаса для снижения уровня изоляции на одну ступень. Упомянем еще об износе контактов выключателя, который оказывается наименьшим при резонансном заземлении нейтрали.
В качестве примера новых тенденций в области изоляции можно привести опыт сети 230 кВ Бонневильской электрической системы (США), в которой с самого начала был использован уровень изоляции 196 кВ для распределительных устройств, шин и проходных изоляторов трансформаторов [Л. 71].
Системы, работающие с напряжениями выше 230 кВ, образуют свою собственную группу, особенности которой частично также относятся к системам 230 кВ. В таких системах обычно осуществляется глухое заземление нейтралей всех трансформаторов. Отношение обычно меньше единицы. Грозовые разрядники могут быть выбраны 75%-ного типа, что соответствует уровню импульсной прочности 825 кВ. Благоприятными особенностями сверхвысоковольтных систем являются практически полное отсутствие опасных грозовых волн и ограничение коммутационных перенапряжений. С другой стороны, имеют место специфические явления, возникающие при внезапном сбросе нагрузки на конце очень длинных линий, усиленные наличием реактивности источников питания.
Суммируя, можно сказать, что во всех системах, кроме систем сверхвысокого напряжения (которые практически грозоупорны), уровень импульсной прочности изоляции распределительных устройств определяется волнами, набегающими с линии, и, следовательно, уровень изоляции не зависит от способа заземления нейтрали. Применение грозовых разрядников восстанавливает свободу выбора уровня изоляции распределительного устройства и при этом дает преимущества систем с глухо заземленной нейтралью. Возможность снижения уровня изоляции распределительных устройств, однако, не является внутренним свойством таких систем; эта возможность тесно связана с наличием грозовых разрядников определенного типа, установленных в непосредственной близости от защищаемой аппаратуры.
