Виды перенапряжений
Грозовые (атмосферные) перенапряжения возникают при прямом ударе молнии в линию электропередачи либо индуцируются в проводах линии при близких разрядах молнии на землю или заземленные объекты. Они имеют сравнительно малую длительность (единицы и десятки микросекунд, реже сотни микросекунд) и большие максимальные токи (обычно токи молнии не достигают 50 к А, а максимальные зарегистрированные токи молнии превышают 200 кА), Высокие скорости нарастания грозовых перенапряжений (крутизна фронта волн), возникающих на изоляции электрооборудования, и их максимальные значения представляют собой непосредственную опасность для изоляции даже при специальных мероприятиях по их ограничению (тросовая защита, молниеотводы, устройство заземлений с малым сопротивлением).
Коммутационные (внутренние) перенапряжения возникают при коммутациях в электросистеме, как плановых, так и аварийных, в результате резонансных явлений в системе и обусловлены перераспределением в ней электромагнитной и электростатической энергии. Коммутационные перенапряжения могут сопровождать включение и отключение линий, включение и отключение нагруженных и ненагруженных трансформаторов, реакторов, замыкания на землю и повторные зажигания дуги при неуспешных отключениях и пр. Максимальные значения и длительности коммутационных перенапряжений обусловливаются параметрами сети в данный момент времени. Эти перенапряжения принято характеризовать кратностью, т. е. отношением максимального перенапряжения к амплитуде наибольшего рабочего фазного напряжения сети. В современных сетях (с учетом специальных мер по ограничению перенапряжений) кратность коммутационных перенапряжений лежит в пределах от 1,5 до 3.
Для облегчения изоляции АВН принимаются меры к снижению кратности коммутационных перенапряжений. Так, в действующих в сетях с напряжением 330 и 500 кВ перенапряжения ограничиваются уровнем 2,7; а в сети 750 кВ — уровнем 2,1. р.ф. В проектируемых сетях 1150 кВ кратность перенапряжений принимается не превышающей 1,8. Длительность коммутационных перенапряжений составляет несколько сотых долей секунды.
АВН
Защита изоляции электрооборудования станций и подстанций, а также линий электропередач от грозовых и коммутационных перенапряжений осуществляется специальными АВН, которые называются разрядниками и ограничителями. Простейшим разрядником является искровой промежуток в воздухе, например между двумя иглами, одна из которых присоединена к проводу линии электропередачи, а другая заземлена. Расстояние между иглами выбирается таким, чтобы электрическая прочность промежутка оказалась меньше электрической прочности защищаемой изоляции. При подходе волны перенапряжения к искровому промежутку (ИП) он будет пробит, и волна перенапряжения уйдет в землю. Однако после ухода волны перенапряжения в землю электрическая дуга, возникшая между иглами, не погаснет, а будет поддерживаться напряжением сети, к которой подключен этот ИП. Ток, проходящий через ИП, называемый сопровождающим током, по существу, является током к. з. Этот ток должен быть прерван возможно быстрее тем или иным специальным устройством.
При перенапряжениях перекрытие или пробой изоляции не может произойти мгновенно, так как для ионизации ИП необходимо некоторое время. Это время, т. е. время от подхода волны перенапряжения к ИП (от начала увеличения импульсного напряжения) до пробоя ИП, называется предразрядным временем. Предразрядное время находится в пределах от нескольких микросекунд до нескольких десятков микросекунд. Оно зависит от формы и полярности волны перенапряжения, рода изоляции и т. д. При положительной полярности волны предразрядное время несколько меньше, чем при отрицательной.
Зависимость максимального разрядного напряжения от предразрядного времени, определенная при воздействии на ИП импульсов с линейным фронтом, но различного уровня, называется вольт-секундной характеристикой разрядника. При многократном пробое ИП пробивные напряжения несколько отличаются друг от друга, т. е. имеется разброс пробивного напряжения и, следовательно, вольт-секундная характеристика определяется некоторой зоной пробивных напряжений, характеризуемых верхней и нижней огибающими. Иногда она характеризуется средней линией в данной зоне. Вольт-секундная характеристика ИП должна быть возможно более пологой, чтобы пробивные напряжения как при малом предразрядном времени (менее 2 мкс), так и при большом были примерно одинаковы.
Рис. 11. Вентильные разрядники.
Этим обеспечивается защитное действие разрядника при перенапряжениях любой длительности. Практически вольт-секундные характеристики ИП отличаются от идеальных.
Для обеспечения надежной защиты изоляции электрооборудования верхняя огибающая вольт- секундной характеристики разрядника должна быть расположена ниже нижней огибающей вольт-секундной характеристики защищаемой изоляции с определенным запасом.
Принцип действия аппаратов для защиты от перенапряжений. Разрядники по своему устройству разделяются на трубчатые и вентильные.
Трубчатый разрядник (ТР) представляет собой фибровую трубку, внутри которой находятся два электрода., образующие ИП. По концам трубки закреплены металлические колпачки. Один из них имеет в центре отверстие. ТР включается между проводом линии и землей параллельно защищаемой изоляции через дополнительный внешний искровой промежуток. Последний предохраняет фибру от постоянного воздействия высокого напряжения.
При подходе волны перенапряжения в ТР оба ИП пробиваются, и внутри разрядника возникает электрическая дуга, поддерживаемая рабочим напряжением сети. Под действием высокой температуры дуги с поверхности фибровой трубки выделяется большое количество газов, повышающих давление в полости ТР до 10— 15 МПа. В результате возникает интенсивное газовое дутье изнутри трубки через ее открытый конец наружу, гасящее дугу сопровождающего тока.
Вентильные разрядники (ВР). Принципиальная схема такого РВ приведена на рис. 11. Его основными рабочими частями являются искровой промежуток (ИП), включенный последовательно с нелинейным рабочим резистором (НРР), сопротивление которого изменяется нелинейно при изменении тока. НРР разрядника (прежнее название рабочее последовательное сопротивление) находится на потенциале земли и отделен от сети искровым промежутком. При прохождении импульса перенапряжения, превышающего пробивное напряжение искрового промежутка, последний пробивается. Падение напряжения, возникающее на рабочем резисторе разрядника, обусловленное импульсным током (с определенным максимальным значением и длительностью фронта) и называемое остающимся напряжением, оказывается приложенным к защищаемой изоляции. После прохождения импульса перенапряжения из-за горящей в искровом промежутке дуги ток, поддерживаемый напряжением промышленной частоты (т. е. сопровождающий ток), должен быть прерван для обеспечения нормальной работы сети. Этими двумя режимами обусловлен выбор материала и сопротивления НРР.
Сопротивление НРР имеет падающую характеристику. При больших токах, вызываемых перенапряжениями, сопротивление НРР очень мало и не создает падения напряжения, опасного для защищаемой изоляции. После исчезновения перенапряжения сопровождающий ток сильно уменьшается из-за многократно возросшего сопротивления НРР и прерывается искровыми промежутками ВР.
ОПН представляют собой высоконелинейное сопротивление, подключенное между сетью и землей. ОПН не имеют ИП, и, следовательно, их НРР постоянно находится под рабочим напряжением сети и обтекается током проводимости.
Основные характеристики. Класс напряжения — номинальное напряжение сети, в которой устанавливается разрядник. Для ТР и ОПН (а также всех других АВН) класс напряжения и номинальное напряжение — одно и то же. В вентильных разрядниках класс напряжения является дополнительным параметром, связанным с номинальным напряжением разрядника.
Номинальное напряжение (напряжение гашения) ВР — наибольшее допустимое действующее значение напряжения промышленной частоты, при котором в рабочем режиме гарантируется надежная работа ВР.
Импульсное пробивное напряжение разрядника наибольшее импульсное напряжение на разряднике, при котором происходит пробой его ИП.
Пробивное напряжение разрядника при частоте 50 Гц — амплитуда напряжения частоты 50 Гц, плавно нарастающего до пробоя ИП, деленная на >/£.
Остающееся напряжение — наибольшее напряжение при импульсном токе с данным максимальным значением и длительностью фронта. Остающееся напряжение изменяется при изменении температуры окружающей среды, а именно уменьшается при повышении температуры и увеличивается при понижении. Это обусловлено зависимостью удельного сопротивления НРР от температуры.
Напряжение переключения ВР комбинированного типа в режиме работы при атмосферных перенапряжениях — это напряжение на ВР, при котором происходит пробой части искровых промежутков и шунтирование ими части НРР.
Номинальный разрядный ток — максимальное значение грозового тока, имеющего форму волны 8/20 мкс.
Расчетный сопровождающий ток — максимальное значение тока, который согласно расчету проходит через ВР после пробоя его ИП при приложении к нему полупериода напряжения частоты 50 Гц, равного номинальному напряжению ВР.
Коэффициент импульса ku (разрядника, искрового промежутка) — отношение пробивного напряжения этого устройства при импульсном воздействии напряжения определенной длительности Unр.имп к амплитуде пробивного напряжения этого
устройства при воздействии напряжения частоты 50 Гц, т. е.
Понятие ки относится к воздействию напряжения определенной длительности. Его можно отнести также к некоторому диапазону времени, если в этих пределах практически постоянно.
Для единичного ИП ки зависит от конструкции и при малом предразрядном времени (0,2—1 mкс) значительно превышает единицу для всех конструкций (до 1,3 и выше), а при большом (2— 20 мкс) остается почти постоянным, несколько превышая единицу (1,05-1,1).
Вольт-амперная характеристика — зависимость падения напряжения на НРР при различном токе в нем. В ВР с токоограничивающими ИП вольт-амперная характеристика определяется суммой падений напряжения на НРР и ИП.
Защитный коэффициент (защитное отношение) — отношение остающегося напряжения при импульсном токе с данным максимальным значением и длительностью фронта к номинальному напряжению ВР или к наибольшему рабочему напряжению ОПН, умноженному на корень из 2. В вентильных разрядниках 1,6:2,8. Чем меньше Кзащ и больше ток, при котором оно определено, тем лучшим защитным действием обладает разрядник. Защитное отношение изменяется при изменении температуры окружающей среды, а именно при повышении температуры уменьшается на 4—6 %, а при понижении — повышается.
Защитный уровень разрядника характеризуется перенапряжением, которое срезается разрядником. Его принято выражать в относительных единицах, т. е. характеризовать кратностью перенапряжений. Чем меньше защитный уровень энергосистемы, тем легче изоляция и габариты АВН и линии.
