Общая характеристика перенапряжений

Перенапряжением называют всякое превышение напряжением амплитуды наибольшего рабочего напряжения. Длительность перенапряжения может составлять от единиц микросекунд до нескольких часов. Воздействие перенапряжения на изоляцию может привести к ее пробою.

К основным характеристикам перенапряжения (которые, как правило, являются случайными величинами) относят следующие:

- максимальное значение;

- кратность перенапряжения, равная отношению максимального значения перенапряжения к амплитуде наибольшего допустимого рабочего напряжения;

- время нарастания перенапряжения;

- длительность перенапряжения;

- число импульсов в перенапряжении;

- широта охвата сети;

- повторяемость перенапряжения.

Наибольшее рабочее напряжение (линейное) определяется соотношением , где значение коэффициента k_p принимают равным следующим значениям.

- импульс напряжения - резкое изменение напряжения в точке электрической сети, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня за промежуток времени до нескольких миллисекунд;

- временное перенапряжение - повышение напряжения в точке электрической сети выше 1,1Uном продолжительностью более 10 мс, возникающее в системах электроснабжения при коммутациях или коротких замыканиях;

коэффициент временного перенапряжения - величина, равная отношению максимального значения огибающей амплитудных значений напряжения за время существования временного перенапряжения к амплитуде номинального напряжения сети.

По месту приложения напряжения различают:

- фазные перенапряжения;

- междуфазные перенапряжения;

- внутрифазные перенапряжения например, между витками катушки трансформатора, между нейтралью и землей);

- между контактами коммутационных аппаратов.

По причинам возникновения перенапряжения подразделяются на следующие:

- внешние - от разрядов молнии (атмосферные перенапряжения) и от воздействия внешних источников;

- внутренние - возникающие при резонансных явлениях, при авариях и при коммутациях элементов электрической цепи.

В высоковольтных цепях главным источником внешних перенапряжений являются разряды молнии. Наиболее опасны прямые удары молнии в оборудование (ПУМ), при которых даже на заземленных сооружениях возникают большие потенциалы.

Индуктированные перенапряжения возникают вследствие индуктивной и емкостной связи канала молнии с токоведущими и заземленными частями электрической сети. Величина индуктированных перенапряжений меньше, чем при прямых ударах молнии, и они опасны только для сетей до 35 кВ при ударе молнии вблизи линии.

Импульсы перенапряжений распространяются на значительные расстояния от места возникновения. Набегающие волны могут представлять опасность для электрооборудования подстанций, электрическая прочность которого ниже, чем у линейной изоляции.

Коммутационные перенапряжения возникают при переходных процессах и быстрых изменениях режима работы сети (при работе коммутационных аппаратов, при коротких замыканиях и при прочих резких изменениях режима) за счет энергии, запасенной в емкостных и индуктивных элементах.

Наиболее часто такие перенапряжения имеют место при коммутациях линий, индуктивных элементов, конденсаторных батарей.

12.2. Общая характеристика защитных мероприятий

Все мероприятия по защите от перенапряжений делятся на две группы:

- превентивные меры снижения перенапряжений;

- защита оборудования с помощью защитных средств.

Коммутационные средства защиты от перенапряжений срабатывают и соединяют защищаемую цепь с заземлением в случае, когда перенапряжение в точке их установки превышает некоторую критическую величину. К этим средствам относят разрядники, шунтирующие реакторы с искровым соединением и нелинейные ограничители перенапряжений.

Надежность защиты в значительной степени определяется состоянием заземления опор воздушных линий и металлических корпусов оборудования подстанций. Заземление и вне его роли защиты от перенапряжений является весьма ответственным элементом сетей высокого напряжения. Различают три основных типа заземлений: -рабочее заземление, используемое для создания необходимого распределения напряжений и токов в нормальных и аварийных режимах работы сети; -защитное заземление, служащее для защиты персонала от напряжения, возникающего на корпусах оборудования при повреждениях изоляции или вследствие влияний; -грозозащитное заземление, предназначенное для защиты от внешних перенапряжений.

Заземление разрядников, молниеотводов и тросов способствует уменьшению вероятности перекрытия изоляции при грозовых разрядах..

Основной характеристикой заземляющего устройства является его сопротивление, определяемое как отношение потенциала на зажиме заземлителя к току, стекающему через заземлитель.

Потенциал определяется по отношению к удаленной точке земли. Сопротивление заземлителя зависит от конструкции и размеров, удельного сопротивления земли, а также от величины и формы стекающего с него тока. Различают сопротивления на частоте 50 Гц и на грозовых импульсах, эти сопротивления могут значительно различаться.

Импульсное сопротивление заземлителя определяют при протекании импульсного тока, по форме совпадающего со стандартным грозовым импульсом.

Сопротивление заземлителя на частоте 50 Гц и импульсное сопротивление связывают друг с другом импульсным коэффициентом заземлителя : .

При стекании с заземлителя больших токов вблизи металлических частей заземлителя плотность тока велика, также велика напряженность электрического поля , где < - удельное сопротивление земли. В этой области происходит локальная ионизация грунта со снижением в месте ионизации, что приводит к снижению импульсного сопротивления и .

При большой протяженности заземлителя (десятки метров) при импульсных токах сказывается влияние его индуктивности и может быть .

Этот эффект иллюстрируется схемой замещения заземлителя, рис. 12.1.

Рис. 12.1. Схема замещения протяженного заземлителя

Емкостные токи в грунте при импульсе с фронтом в несколько микросекунд при удельном сопротивлении земли менее 1000 Ом*м существенно меньше токов проводимости, поэтому на схеме рис. 12.1 емкостные элементы отсутствуют.

Заземлитель становится протяженным, если при времени фронта импульса 3..5 мкс длина заземлителя превышает 10 м. В этом случае на фронте импульса включается только ближняя к вводу часть заземлителя, и лишь на спаде волны тока подключаются удаленные участки заземлителя.

12.3. Характеристики грозовой деятельности и параметры молний

Для прогноза атмосферных перенапряжений и обоснованного выбора средств защиты необходимо иметь информацию по двум направлениям:

- о возможном количестве разрядов молнии в защищаемое оборудование или вблизи него;

- о токах в разряде молнии.

Молния представляет собой электрический разряд между объемным зарядом в облаке и землей (наземные разряды) или между двумя заряженными областями (межоблачные и внутриоблачные разряды). Молнии предшествует процесс разделения и накопления электрических зарядов в облаках, происходящий из-за мощных восходящих воздушных потоков и интенсивной конденсации в них водяных паров.

Восходящие потоки возникают в результате нагрева приземных слоев воздуха, который становится легче более холодных слоев. В восходящем потоке воздух охлаждается, и на определенной высоте его температура достигает значения, при котором образуется насыщенный водяной пар.

Конденсация сопровождается выделением тепла, что стимулирует дальнейшее продвижение воздушного потока вверх до высоты примерно 6 - 8 км с образованием мощного кучевого облака.

Различают три характерные стадии развития грозового облака:

- зарождение с разрастанием облака (10 - 15 мин);

- зрелая стадия с интенсивными осадками, сопровождаемыми холодными нисходящими потоками и резкими порывами ветра (15 - 30 мин);

- распад облака при прекращении восходящих и нисходящих потоков воздуха и постепенном выпадении осадков (около 30 мин).

В целом грозовая деятельность определяется процессами в ряде отдельных грозовых ячеек. При прохождении холодного атмосферного фронта с резким понижением температуры воздуха такие процессы могут длиться до нескольких часов.

Первоначальным пусковым механизмом электризации грозового облака считается наличие в атмосфере электрического поля хорошей погоды из-за заряженности конденсатора земля - ионосфера (рис.12.2) с напряженностью около 100 В/м.

Рис. 12.2. Электрическое поле в атмосфере при хорошей погоде

Капельки воды в облаке в электрическом поле атмосферы становятся электрическими диполями, у которых положительный заряд находится внизу.

Перемещающиеся вниз капельки отталкивают положительные ионы и захватывают отрицательные, приобретая избыточный отрицательный заряд; аналогично движущиеся вверх капельки становятся положительными. Движущиеся вверх капельки замерзают при температуре существенно ниже 0^оС (при резком переохлаждении замерзание происходит при температуре около -18^оС). Капелька при резком замерзании лопается, распадаясь на мелкие льдинки, которые уносят положительный заряд на высоту 10 - 12 км.

В итоге грозовое облако представляет собой диполь с зарядом в среднем 25 Кл. Центр отрицательного заряда расположен на высоте около 5 км над землей (рис. 12.3), и большая часть наземных молний (около 90%) переносит на землю отрицательный заряд, подзаряжая конденсатор земля - ионосфера. В средних широтах

Земли разряды на землю составляют 30..40% всех молний, остальные разряды - межоблачные и внутриоблачные.

Рис. 12.3. Образование заряженных областей в грозовом облаке

Перед разрядом молнии потенциал центральной части отрицательного заряда составляет 50..100 МВ и средняя напряженность поля под облаком невелика, всего 100..200 В/см, однако вблизи центра заряда напряженность поля достигает 20..24 кВ/см, что достаточно для начала ионизации. Развитие наземного разряда молнии, как правило, начинается от облака, ответвления канала при этом направлены вниз. Восходящие молнии наблюдаются только на очень высоких объектах или в горной местности.

Разряд молнии состоит из нескольких стадий. Вначале от центра отрицательного заряда по направлению к земле начинает скачками-ступенями развиваться канал ионизации - ступенчатый лидер. Средняя скорость продвижения ступенчатого лидера составляет 150..300 км/с. При приближении лидера к земле или к возвышенному объекту от последнего начинает развиваться встречный лидер высотой примерно 10 м или более.

При соединении двух лидеров ток резко возрастает до значений в десятки и сотни килоампер, канал ионизации сильно нагревается и зона с большим током со скоростью 0.05 - 0.5 от скорости света распространяется обратно к облаку. Эта стадия называется главным разрядом или обратным ударом.

Главный разряд отводит на землю заряд из канала лидера и его чехла за время от 20 до 200 мкс. Время нарастания тока в канале главного разряда составляет 5..10 мкс. Таких главных разрядов в одном ударе молнии несколько, в среднем два или три, а общая длительность удара молнии составляет десятые доли секунды ( в среднем 0.3 с). Последующие главные разряды имеют длительность фронта порядка 1 мкс.

В промежутках между главными разрядами могут протекать слабо меняющиеся во времени токи величиной в сотни ампер, на которые, тем не менее, приходится основная доля перемещаемого молнией заряда.

Степень опасности удара молнии определяется прежде всего максимальным значением тока I_м в канале. Величина падения напряжения на индуктивных элементах и величины индуктированных перенапряжений зависят от скорости нарастания тока молнии на фронте волны. Это наиболее важные параметры тока; кроме того, интеграл определяет нагрев металлических частей, а оплавление металлических частей дугой зависит от величины перенесенного заряда.

Обнаружено, что амплитуда тока главного разряда практически не зависит от сопротивления заземления в месте удара, так что молнию можно считать источником тока.

В приближенных расчетах используют усредненные распределения I_м и a без учета их различия в первом и последующем импульсах:

- вероятность того, что амплитуда тока в ударе молнии превысит заданное значение I_м в килоамперах (этот подход практически удобнее, чем обычное определение вероятности как доли всех реализаций при значениях случайной величины, меньших заданной);

- вероятность превышения крутизной тока заданного значения a, кА/мкс.

Между амплитудой и крутизной тока существует слабая положительная связь, однако при расчетах их обычно полагают статистически независимыми случайными величинами. В горных районах при тех же вероятностях величины I_м и a примерно вдвое меньше.

Для линий электропередачи используют удельный показатель , равный числу прямых ударов молнии на 100 км длины за 100 грозочасов. Считается, что линия собирает разряды с расстояния 3 h_ср в обе стороны:

.

Средняя высота подвеса провода h_ср, м, определяется через высоту подвеса троса или верхнего провода на опоре h_оп, м, и стрелу провеса провода f, м, следующим образом:

.

Если линия имеет длину l, км, и расположена в местности с числом грозочасов в год T_Г, то ожидаемое число прямых ударов молнии в линию за год можно оценить по следующей формуле:

.

РЕЗЮМЕ

На изоляцию электрооборудования воздействуют перенапряжения, появляющиеся в результате коммутационных процессов в сети, незапланированного режима сети или из-за разрядов молнии. Эти перенапряжения могут привести к повреждению изоляции.

Очень существенную роль в защите от перенапряжений играют заземления, поведение которых при грозовых перенапряжениях характеризуется величиной импульсного сопротивления.

Источником грозовых перенапряжений служат разряды молнии, характеризуемые числом часов с грозой в году, количеством разрядов молнии на 1 км² за 100 грозовых часов и статистическими характеристиками тока в канале молнии и крутизны тока в канале молнии.

Контрольные вопросы

1. Что называют перенапряжением?

2. Приведите классификацию перенапряжений.

3. Какие существуют средства для защиты от перенапряжений?

4. Дайте определение понятий <сопротивление заземлителя>, <импульсное сопротивление заземлителя>, <коэффициент импульса>.

5. Каковы характеристики грозовой деятельности и разрядов молнии, используемые при разработке защитных мероприятий?