Захист від перенапруг в електроустановках

Розрізняють два види перенапруг в електричних установках: внутрішні та атмосферні. Внутрішні перенапруги бувають комутаційними, що виникають за різних комутацій, та резонансними, зумовленими ємністю та індуктивністю мереж і елементів систем електропостачання. Внутрішні перенапруги виникають у результаті комутацій як нормальних (увімкнен-ня та вимкнення ненавантажених ліній, трансформаторів, електродвигунів, конденсаторних батарей, реакторів), так і післяаварійних (дугові замикання на землю в системах з ізольованою нейтраллю, відключення короткого за-микання, АПВ). Ці перенапруги порівняно короткочасно діють на ізоляцію, але їх значення в кілька разів можуть перевищувати номінальну напругу.

Атмосферні перенапруги виникають як у результаті розрядів блиска-вки на землю, так і бути індукованими, зумовленими близькими розряда-ми блискавки. Цей вид перенапруги виникає значно частіше, ніж прямі розряди на електроустановку. Хвилі перенапруги, що виникають в стру-моведучих частинах, поширюються зі швидкостями, які можна порівняти зі швидкістю світла. Вони проникають в обмотки трансформаторів, ма-шин, діють на ізоляцію ліній, апаратів. Час дії атмосферних перенапруг становить від одиниць до сотих мільйонів часток секунди. Значення цих перенапруг за браком спеціальних заходів захисту може досягати мільйонів вольтів.

Небезпека хвиль перенапруги для електрообладнання може характе-ризуватись такими показниками, як амплітуда Umax (рис. 4.28), довжина хвилі τхв, довжина фронту τф, середня крутизна на фронті Umax /τф.

Захист від зовнішніх перенапруг.Для захисту електроустановок від атмосферних перенапруг, крім стрижневих та тросових блискавковідво-дів, використовують трубчасті та вентильні розрядники, захисні проміж-ки, обмежувачі напруги, захисні конденсатори. Трубчастий розрядник складається з ізоляційної труби, покритої всередині матеріалами, які ви-діляють під дією дуги велику кількість дугогасівного газу.

Трубчасті розрядники використовують для захисту ліній і підстан-цій. Вибирають їх за номінальною напругою мережі. Розрядники переві-ряються за максимально та мінімально допустимими струмами короткого замикання:

КаІ ≤ Imax доп;

І∞ > Imin доп,

де І – найбільше початкове значення періодичної складової струму коро-ткого замикання; Ка – коефіцієнт, що враховує аперіодичну складову струму короткого замикання (Ка = 1,3...1,5); І∞ – найбільше значення ста-лого струму короткого замикання; Іmax доп – номінальний максимально до-пустимий струм короткого замикання розрядника; Іmin доп – номінальний мінімально допустимий струм короткого замикання розрядника.

У разі невиконання першої умови можливе руйнування розрядника від дії короткого замикання, за невиконання другої – не відключення роз-ряду через мале газоутворення в розряднику.

Захисні проміжки використовують як координаційні для обмеження максимального значення для набіжної хвилі та струму через вентильні розрядники за разових перенапруг.

Основними апаратами захисту трансформаторів електричних при-строїв та іншого електрообладнання підстанції є вентильні розрядники, що складаються з послідовно ввімкнених дискових розрядних проміжків та нелінійних керамічних резисторів варисторного типу. Вольт-амперну ха-рактеристику можна виразити так:

і = bUα

або

U = сі1/α,

де і – струм, що проходить через резистор; U – напруга на резисторі; b та с – коефіцієнти пропорційності, які визначаються матеріалом та розмірами ре-зистора; α – показник степеня, що визначається матеріалом резистора.

Після пробою розрядних проміжків та виникнення струму короткого замикання напруга на розряднику практично стабілізується на безпечно-му для захищуваної ізоляції рівні до повного поглинання імпульсу пере-напруги. Після цього струм у розряднику зменшується до значення, за якого дуга в розряднику становиться нестійкою і гасне при переході струму через нуль.

Схеми захисту підстанції від набіжних хвиль показано на рис. 4.29 та 4.30. У всіх випадках на шини вмикають вентильні розрядники FV3 по комплекту на кожну секцію шин. Лінії напруги 35 кВ і вище захищені тро-сами по всій довжині, спеціального захисту підходу від перенапруги не потребують (рис. 4.29). Якщо лінія не має блискавкозахисного троса по всій довжині (див. рис. 4.29), то її захищають троси на підході до підстан-ції. Довжину підходу 1під припускають рівною 1–2 км за напруги 35 кВ та 1–3 км за напруги 110–220 кВ. Трос на кожному опорі заземлюється (опір не вище 10–20 Ом).

Для обмеження амплітуди хвилі, що рухається до підстанції, до без-печного для для вентильного розрядника значення встановлюють трубчастий розрадник FV1. Розрядник FV2 є резервним і захищає ізоляцію вимикача Q2 у разі падіння хвилі за його відімкненого стану, коли хвиля відбивається з подвійною амплітудою. На лініях, виконаних на металевих чи за-лізобетонних опорах, розрядники FV1 та FV2 не встановлюються. Обмеження перенапруги виконується за рахунок низької імпульсної міцності ізоляції на таких опора

Рис. 4.29. Схема захисту підстанції від набіжних хвиль

Рис. 4.30. Схема захисту підстанції від набіжних хвиль у випадку, коли лінія не має блискавкозахисного троса по всій лінії

Розподільні установки та підстанції напругою до 20 кВ мають різни-цю захисту від атмосферних перенапружень порівняно з електроустанов-ками більш високої напруги (рис. 4.30). Повітряні лінії напругою до 20 кВ мають невелику висоту і на підході до підстанції зазвичай екрануються спорудами. Тому ці лінії мають низьку вразливість ударами блис-кавки і не захищаються на підході тросовими блискавковідводами. На пі-дході до підстанції ліній з дерев’яними опорами трубчастий розрядник FV1 встановлюється на відстані 200–300 м від підстанції. Розрядник FV2 ставиться для захисту розімкненого вимикача Q2. На лініях з металевими та залізобетонними опорами розрядники не встановлюють, а заземлюють опори на ділянці підходу в 200–300 м.

Захист від внутрішніх перенапруг.Для захисту електроустановок від внутрішніх перенапруг використовують схемні рішення та засоби об-меження сталих перенапруг перехідного режиму.

У першому випадку передбачають зниження коефіцієнта трансфор-мації, обмеження кількості працюючих генераторів та їх ЕРС, використо-вують шунтувальні реактори та ін. До засобів та способів захисту від пе-ренапруги перехідного режиму належать комутаційні вентильні розряд-ники, пристрої, що керують моментом комутації, вимикачі, які запобіга-ють виникненню значних перенапруг.

В установках з напругою до 220 кВ мають бути обмеженими перена-пруги в разі вимкнення незавантажених трансформаторів та ліній при АПВ. Перенапруги в разі відключення незавантажених трансформаторів мають велику амплітуду, але невелику тривалість. Від цих перенапруг за-хищають блискавкозахисні розрядники, пропускна здатність яких доста-тня для розсіювання енергії, що виділяється за цих перенапруг.