Грозозащита зданий и промышленных сооружений - Коммутационные перенапряжения

3. Коммутационные перенапряжения

В процессе эксплуатации электрических установок коммутационные перенапряжения возникают при включениях и отключениях цепей, дуговых замыканиях на землю, резонансе участков сети на рабочей частоте или частоте высших гармоник. Для установок с напряжением 330 кВи выше перенапряжения внутреннего происхождения являются определяющими при выборе уровней изоляции. Характерны для линий с напряжением 330—500 кВкратковременные перенапряжения при переходных процессах, возникающих в результате нормальных или аварийных коммутационных процессов в системе.
Решающее влияние на уровень внутренних перенапряжений оказывают характеристики выключателей. Опытом установлено, что в сетях 110 кВ с масляными выключателями при отключении ненагруженных линий возникают многократные повторные зажигания и появляются перенапряжения, достигающие от 2,5 до 3,1 Uф . При отключении той же системы с глухозаземленной нейтралью с воздушными выключателями перенапряжения не превышают  2,5 Uф.
При отключении ненагруженных трансформаторов возможны перенапряжения более 3Uф. Эти перенапряжения из-за малой длительности могут быть приравнены к атмосферным перенапряжениям. Поэтому для защиты изоляции на подстанциях и станциях от перенапряжений служат обычные вентильные разрядники. Основной мерой защиты от внутренних перенапряжений являлся до сих пор выбор таких уровней изоляции, которые могли бы обеспечить бесперебойную работу электрических аппаратов и трансформаторов при воздействии перенапряжений, возникающих при различных переходных режимах. В настоящее время уровень внутренних перенапряжений для электропередач с напряжением 330 кВпринят 2,7 Uф при условии, что система имеет глухозаземленную нейтраль, защищена вентильными разрядниками, а выключение осуществляется воздушным или малообъемным масляным выключателями. В электропередачах с напряжением 500 кВ необходимо учитывать появление перенапряжений, связанных со специфическими особенностями передачи энергии по длинным линиям. Характерно для длинных линий то, что они имеют большую величину емкости относительно земли. Поэтому при работе их на холостом ходу и включении на полное фазовое напряжение, напряжение на разомкнутом конце значительно превышает напряжение в начале линии. Чтобы устранить такое явление, применяют шунтирующий реактор, который включают между каждым проводом линии и землей в определенных местах линии и тем самым компенсирует ее емкость.
В конструктивном отношении шунтирующий реактор представляет собой индуктивную катушку, помещенную на магнитопровод и опущенную в бак с маслом. Реактор может быть использован для отбора мощности.
Поскольку длинные линии обладают большой индуктивностью, это ведет к уменьшению передаваемой мощности. Для устранения этого явления включают в рассечку линии емкость. Такое устройство называют продольной компенсацией.
К перенапряжениям длинных линий с напряжением 500 кВотносится повышение напряжения основной частоты при одностороннем включении или отключении линии, а также перенапряжения резонансного характера. При разрыве передачи у приемного конца при однофазном замыкании перенапряжения достигают 2,6 Uф. При отключении ненагруженного участка линии при однофазном коротком замыкании и отключенном реакторе перенапряжения достигают 2,8 Uф, а на контактах выключателя 4 Uф. Опыты показали, что на линиях 400 кВперенапряжения могут изменяться в пределах от 1,6 Uфдо 3 Uф. Расчетный уровень внутренних перенапряжений для 400 кВпринимается равным 3 Uф. Этот уровень является предельным и по технико-экономическим соображениям. Для напряжений 500 кВ уровень внутренних перенапряжений снижается до величины 2,5 Uф.

Отключение линии с повторным зажиганием дуги

Если выключателем в начале линии отключить ее в тот момент, когда зарядный ток линии равен нулю, а напряжение достигает максимума, то линия даже при отключенном генераторе будет удерживать напряжение Uф. Через полпериода с момента отключения генератора напряжение на его зажимах изменит знак и достигнет отрицательного максимума. Разность потенциалов на выключателе возрастет до удвоенного значения Uф. Если к этому времени расстояние между контактами выключателя будет невелико, то оно будет пробито и на выключателе появится снова дуга. В линии в это время от генератора к ее концу направится волна с напряжением —2 Uф. Дойдя до конца, она отразится от него до —4 Uф.
Вычитая + Uф из -4Uф, получим - 3 Uф. Таким образом, линии окажется заряженной до -З Uф. Через полпериода напряжение на выключателе за счет перемены знака напряжения источника достигнет +4 Uф. Это напряжение может снова пробить промежуток в выключателе и тогда вновь появится дуга, и напряжение на линии в процесс перезарядки может возрасти до 5 Uф и т. д.

Отключение ненагруженных трансформаторов

Трансформатор можно выключить воздушным или масляным выключателями. В момент обрыва тока I0 напряжение на трансформаторе будет изменяться колебательным путем с частотой, определяемой индуктивностью Lтр и емкостью Стр трансформатора.
Из-за наличия активных сопротивлений колебания будут затухающими.
На генераторе при обрыве тока I0 тоже возникают колебания, осью которых является синусоидальное напряжение источника. Эти колебания затухают в течение некоторой I0 происходит при напряжении источника U0и сопровождается перенапряжением. Перенапряжения на выключателе уменьшаются с увеличением емкости системы.
Максимальное напряжение на трансформаторе определяется по
формуле:

Если обрыв тока происходит при U0=0 и I0=Iмакс , то:
 
Это выражение может быть получено из равенства электрической и магнитной энергий:

Отсюда видно, что чем больше величины тока Iмакс  и волнового сопротивления трансформатора
Резонансные перенапряжения
Резонансные перенапряжения возникают в цепях при наличии продольной емкостной компенсации на линиях передач. В этих случаях частота собственных колебаний должна быть близкой к частоте источника. Условием резонанса является равенство емкостного и индуктивного сопротивлений в режиме короткого замыкания. При наличии в цепи индуктивности с железом, включенной последовательно с емкостью, может возникнуть феррорезонанс. Для этой цепи зависимости напряжений от тока


И
.


Рис. 4  Изменение напряжений на индуктивноти с железом и емкости в зависимости от тока

При достижении в цепи тока I , напряжение Uиз точки а скачкообразно переходит в точку b. Такое явление называется опрокидыванием и связано с повышением напряжений как на индуктивности, так и на емкости. На емкости образуется напряжение большей величины. Если в цепи имеется активное сопротивление, то перенапряжения значительно снижаются. Явление ферро-резонанса может возникать при обрыве провода и заземления одного из концов с неодновременным включением или отключением проводов.
Опрокидывание фазы напряжения может иметь место в тех случаях, когда в нейтраль трансформатора включена индуктивность большой величины.
Напряжение на нейтрали

где   — фазное напряжение сети;

С — емкость провода  относительно земли; L— индуктивность катушки, включенной в нейтраль. Из  этого следует , что при напряжении на нейтрали достигает фазового. Если то напряжение на нейтрали может увеличиться до чрезвычайно большой величины. Перенапряжения возникают в системах с изолированной нейтралью при металлическом замыкании и перемежающимися замыканиями на землю.
Система с изолированной нейтралью — это такая система, в которой нейтраль не имеет глухого соединения с землей. При нормальном режиме работы и полной симметрии напряжение на нейтрали равно нулю. Основными причинами замыкания на землю являются: перекрытия или пробой линейной и других видов изоляции под воздействием атмосферных перенапряжений, обрыв проводов, набросы и пр. При глухом замыкании на землю напряжение на неисправной фазе снижается до нуля; на исправных фазах напряжение возрастает до линейного и на нейтрали — до фазного. Замыкание на землю может иметь перемежающий характер: дуга замыкания на землю периодически гаснет и восстанавливается. При перемежающейся дуге в системе возникают перенапряжения около 3— 3,5 Uф.
Перенапряжения дугового замыкания на землю охватывают всю систему. Поэтому в местах со слабой изоляцией могут происходить их пробои. В воздушных сетях при сильных ветрах и длительном горении дуга может перекинуться на соседние провода и повести к межфазному короткому замыканию.
Ток замыкания на землю в трехфазной линии можно определить по формуле

где С0 — емкость фазы линии на единицу длины по отношению к земле. Приближенно ток замыкания можно определить по формуле

Где U – линейное напряжение в сети, кВ;
К=300-400 – коэффициент.

Для гашения дуг однополюсного замыкания на землю приме¬няют дугогасящие катушки и дугогасящие трансформаторы. Дугогасящую катушку включают между нейтральной точкой трансфор¬матора и землей (рис. ).
При замыкании провода на землю на нейтрали устанавливается фазное напряжение. Поэтому ток, протекающий через катушку,

Рис.5 Включение дугогасящей катушки в нейтраль трансформатора и распределение токов при замыкании одной фазы на землю

Мощность катушки определяется из выражения:
.
Заземление нейтрали через индуктивную катушку применяется при токах замыкания на землю более 10 А в сетях 35 кВи более 30 А — в сетях 5—10 кВ. При меньших токах дуга гаснет самопроизвольно.   
Степень расстройки будет:

Если отношение токов  больше пуля, то и моет место недокомпенсация, а если меньше нуля, то будет перекомпенсация. И наконец, когда , то достигается полная компенсация.

В несимметричных системах при наличии катушки в нейтрали трансформатора при рабочем режиме в ней создаются напряжения. При расстройке катушки напряжение на нейтрали снижается. Чтобы уменьшить несиммстрию в системе, выполняют транспозицию проводов. Дугогасящая катушка имеет стальной магнитопровод с воздушными зазорами с тем, чтобы устанавливать необходимую вольт-амперную характеристику катушки для регулирования тока. Если нейтраль силового трансформатора недоступна, то в качестве дугогасящего аппарата применяют трансформатор.
Гашение дуги с помощью трансформатора осуществляется так же, как и дугогасящей катушкой: в месте замыкания на землю ток доводится до нуля, т. е. ток в катушке становится равным емкостному току. Магнитопровод дугогасящего трансформатора состоит из четырех стержней, на трех из них расположены обмотки высокого и низкого напряжений. Первичные обмотки соединяют звездой, а вторичные — в разомкнутый треугольник, на зажимы которого включают регулирующую индуктивную катушку. При замыкании на землю по фазам первичной обмотки будут протекать токи одинакового направления (токи нулевой последовательности), которые создадут магнитные потоки, направленные в одну сторону. Эти магнитные потоки будут замыкаться через четвертый стержень магнитопровода. Во вторичной обмотке возникает индуктированная э.д.с., под действием которой появляется ток в регулируемой индуктивной катушке. Этот ток будет компенсировать емкостный ток замыкания на землю в первичной обмотке. При рабочем режиме во вторичной обмотке дугогасящего трансформатора ток не протекает, так как сумма э.д.с. в ней равна нулю.
4. Защита электрических установок от перенапряжений
Искровые и трубчатые разрядники
Разрядники служат для ограничения перенапряжений, воздействующих на станционную, подстанционную и линейную изоляцию. Для защиты от атмосферных перенапряжении применяют защитный искровой промежуток, трубчатый разрядник и вентильный разрядник. Для защиты от внутренних перенапряжений применяют вентильные разрядники, разрядники с воздушным дутьем, разрядники с магнитным гашением дуги.
Устройство защитных аппаратов основано на принципе перехода электрической энергии в магнитную, в связи с чем уменьшается напряжение.

Защитные искровые промежутки

Защитные промежутки устанавливаются в тех случаях, когда в системе имеется АПВ и для данной точки системы нет трубчатых разрядников, удовлетворяющих диапазону гашения дуги сопровождающего тока. Кроме того, защитные промежутки применяются в системах, где стоимость установки вентильных разрядников не оправдывается величиной ущерба, нанесенного от отключений, вызываемых грозовым разрядом.
Нужно отметить, что искровые промежутки при их срабатывании могут вызвать аварию в системе. При очень большой крутизне фронта волны они не могут обеспечить достаточно надежной защиты. Надежность защиты в этом случае может быть обеспечена заземленными тросами.
Конструкция защитного промежутка должна обеспечить стабильность разрядного расстояния, предотвратить возможность преобразования дуги при срабатывании защитного промежутка на другие элементы установки, а также термическое повреждение изолятора, параллельно которому установлен защитный промежуток, и обгорание электродов за нормальное время работы промежутка. Для напряжений 110—220 кВнаиболее рациональной конструкцией защитного промежутка является защитная арматура на горизонтальной (натяжной) гирлянде с соответствующим снижением разрядного расстояния. Защитным промежуткам, в сетях 3—35 кВс изолированной нейтралью или с компенсацией емкостного тока замыкания на землю, целесообразно придавать форму рогов, что способствует самопогасанию дуги при однофазных перекрытиях.
Электрические характеристики защитных промежутков приведены в табл. 2.
С целью предотвращения коротких замыканий при закорачивании защитных промежутков, например птицами, на напряжение 3—35 кВв их заземляющие спуски вводятся (на расстоянии 1,5— 3 м от основных промежутков) дополнительные искровые промежутки с определенными разрядными расстояниями (табл. 3).
Так как емкость заземляющего спуска между обоими промежутками велика, то наличие вспомогательного промежутка практически не влияет на вольт-секундные характеристики защитных промежутков. Чтобы легче обнаружить обгорание электродов при работе промежутков, их покрывают светлой краской.

Трубчатые разрядники

Трубчатые разрядники применяются для защиты линейной изоляции от повреждений при воздействии на нее атмосферных перенапряжений. Разрядники включаются между линейным проводом и землей через внешний искровой промежуток. Внешний промежуток необходим для предохранения изоляции разрядника от повреждений током утечки. Чтобы не повредить линейный провод от дуги, на него делают        намотку. Разрядник должен срабатывать только при опасных для изоляции перенапряжениях, что достигается точным соблюдением установленной длины внешнего и внутреннего искровых промежутков. При срабатывании разрядника появляется дуга, которая поддерживается рабочим напряжением промышленной частоты внутри изоляционного цилиндра. Под воздействием дуги внутри цилиндра создается высокая температура. Она приводит к разложению материала и появлению большого количества нейтральных газов, которые в свою очередь приводят к деионизации внутреннего искрового промежутка. За счет большого давления образуется газовое продольное дутье и все газы из цилиндра удаляются с сильным звуком, напоминающим выстрел. Разрядник выбирается по номинальному напряжению, разрядным характеристикам, по диапазону отключаемых токов. Верхний предел отключаемого разрядника сопровождающего тока должен быть не менее максимального эффективного значения тока короткого замыкания в одной точке сети (с учетом апериодической составляющей), а нижний предел — не больше минимального возможного в данной точке сети значения тока короткого замыкания (без учета апериодической составляющей).                                                                                    

                                                                                                                              Таблица 2

                                                                                                                              Таблица 3

Рис.6 Трубчатые разрядники типа РТФ (а) и РТВ (б):

(а) 1-фибровая трубка; 2-бакелитовая трубка; 3-резервуар; 4-корусная гайка; 5-наконечник; 6-пластинчатый электрод; 7-стержневой электрод; 8-ушко для крепления
электрода внешнего промежутка; 9-указатель срабатывания; 10-хомутик для крепления разрядника; 11-прокладка; 12-дополнительный электрод;  (б) 1-дугогасящая трубка из винилпластика; 2-стержневой электрод; 3-металические наконечники; 4-центрирующие «усики»; 5-пластинчатый электрод; 6-электрод внешнего промежутка; 7-указатель работы; 8-табличка с техническими данными; 9-наконечник из тугоплавкого сплава.

Для снижения вольт-секундных характеристик разрядников на 3—35 кВ можно параллельно фибробакелитовому РТФ (рис.6, а) или винипластовому РТВ (рис.6, б) разрядникам вводить дополнительную емкость, например штыревой изолятор.
При установке трубчатых разрядников на деревянных опорах заземление должно быть как правило общим для всех трех фаз, а при наличии троса — присоединяется к заземляющим спускам. Для ограничения верхнего предела токов
Короткого замыкания допускается раздельное заземление фаз.

Вентильные разрядники

Если трубчатые разрядники в основном служат для защиты линейной изоляции, то вентильные разрядники применяются только для защиты подстанционной или станционной изоляции.
Чтобы защитить подстанционную изоляцию, необходимо скоординировать вольт-секундную характеристику защищаемой изоляции с вольт-секундной характеристикой вентильного разрядника. Вольт-секундная характеристика изоляции должна быть расположена выше по отношению к вольт-секундной характеристике разрядника примерно на 20—25%.
Основные элементы вентильного разрядника — искровой промежуток и рабочее сопротивление.
Искровой промежуток служит для среза величины напряжения импульсной волны, опасной для изоляции. Для уменьшения коэффициента импульса разрядника его искровые промежутки шунтируются сопротивлением и емкостью. Искровые промежутки должны обладать пологой вольт-секундной характеристикой и гасить дугу сопровождающего тока. Для выполнения последнего требования искровые промежутки изготовляются многократными. Промежуток состоит из двух латунных электродов, разделенных миканитовой прокладкой. Электрическое поле между ними близко к однородному, величина коэффициента импульса около единицы. Единичный промежуток гасит дугу сопровождающего тока около 80— 100 А макс, при напряжении на промежутке 1—1,5 кВ деист.
Материалом рабочего сопротивления являются зерна карборунда, скрепленные изолирующей связкой. Материал с керамической связкой получил название тирита, материал со связкой из жидкого стекла — вилита. Зерна карборунда могут соприкасаться друг с другом небольшой частью поверхности кристалла. Сопротивление этого материала является нелинейным. Причины нелинейности карборунда следующие: при приложении возрастающего напряжения между зернами карборунда с их острых граней возникает автоэлектронная эмиссия, которая ведет к увеличению площади сечения сопротивления; происходит частичный пробой оксидных пленок карборунда при сильных электрических полях и увеличивается проводимость. Нагрев мест соприкосновения между зернами карборунда ведет к облегчению электронной эмиссии, возрастанию проводимости в переходных слоях и частичному их пробою. При низких напряжениях ток идет через контактные поверхности с запирающими слоями-, а при высоких напряжениях происходит перекрытие зазоров. Вентильные свойства вилитовых сопротивлений выявляются вольт-амперной характеристикой, которая выражается формулой

Где С – постоянная, зависящая от удельного сопротивления и материала и габаритных размеров, кВ/м,
коэффициент вентильности,  зависящий от структуры, температуры обжига и др.
Если придавать коэффициенту вентильности

Рис.7

Вольт-амперная характеристика при разных величинах вентильности

Коэффициент вентильности для своевременных вилитовых сопротивлений составляет 0,18—0,25. Определяются коэффициенты а и С следующим образом: строится вольт-амперная характеристика для одного диска, на ней берутся произвольно две точки с напряжениями U1и U2 и соответственно токами I1и I2.  Для всего разрядника на соответствующее номинальное напряжение постоянная С0 рассчитывается по формуле:

Для всего разрядника на соответствующее номинальное напряжение постоянная С0 рассчитывается по формуле:

Где Uн – номинальное напряжение, кВ;


- коэффициент вентильности.
Зная постоянные для одного диска и всего разрядника, определяем количество дисков п в разряднике:

 Таблица 4. Основные характеристики вилитовых разрядников

Можно определить С и  другим путем. Прологарифмируем выражение и получим:

Затем строим график  из которого находим при пересечении наклонной прямой к оси абсцисс величину С и tgβ=α. В таблице 4 приведены характеристики вилитовых разрядников для защиты сетей на различные напряжения и электрических машин.
Для защиты электрических установок на напряжения 500 кВ применяют комбинированные разрядники, у которых материалом для рабочих дисков служит тервит, обладающий большой теплостойкостью по сравнению с вилитом.
Принципиальная электрическая схема комбинированного разрядника показана на рис. 11-67.
Когда в системе возникают перенапряжения внутреннего происхождения, происходит пробой искровых промежутков  и включаются рабочие диски 2 и 3.

Рис.8 Электрическая схема замещения комбинированного разрядника на 500 кВ

При грозовых перенапряжениях происходит пробой искровых промежутков 1 и 4 и включаются рабочие диски 2, а рабочие диски 3 шунтируются искровыми промежутками 4.
На рис.8 (а, б, в) представлены разрядники РВП на 6 кВ, РВС на 30 кВ и РВС на 110 кВ.

Разрядники для защиты от внутренних перенапряжений

Разрядники служат для защиты изоляции электрических установок от коммутационных перенапряжений. Перенапряжения возникают при аварийных режимах, сопровождающихся разрывом линии электропередачи, при сбросе (рис.7). Электрическая схема нагрузки и разрыве передачи при наличии несимметричного короткого замыкания, при отключении короткого замыкания за емкостью для продольной компенсации. Разрядники для защиты от указанных перенапряжений должны ограничивать их до 2,5 Uф. Они отличаются от разрядников для защиты от атмосферных перенапряжений тем, что рабочие сопротивления дисков обладают большой пропускной способностью, а разрядные промежутки имеют лучшие дугогасящие свойства. В качестве рабочих сопротивлений используют терзитовые диски диаметром 150 мм и высотой 50 мм с низкими сопротивлениями. Сопротивления должны выдерживать воздействия коммутационных перенапряжений эквивалентной синусоидальной волны с временем 310:3—810~8 сек и волн с частотой 130 и 50 Гц.
Коэффициент нелинейности у таких сопротивлений около 0.
Разрядные промежутки должны обрывать токи 1—2 кАпри наличии воздушного дутья.
В ВЭИ получены опытные образцы разрядника для ограничения внутренних перенапряжений со следующими характеристиками:
Длительное допустимое напряжение на
Разряднике………………………………………….   1,7Uф
Пробивное напряжение при 50 Гц……………..    2,5 Uф
Остающееся напряжение при токе 1А………….   2,5 Uф
Пропускная способность в течение 0,01сек…… -2 кА.
Для защиты устройств продольной компенсации служит разрядник (схема 9).

Рис. 9  Вилитовые разрядники серий РВП-6 кв (а); РВС—30 кв (б);
РВС—110  кв (в)
(а)       1 — фарфоровый чехол; 2— подвесной ботг; 3— колпак; 4— ушко; 5— спи
ральная пружина; 6— вилитовые   диски; 7—внутренняя   диафрагма;  8— нару-
жная диафрагма; Ч— уплотнения; 10—11— заливка компаундом; 12— резиновая
пробка;   13—   винт; 14 — пружина;   15— хомут; 16   и 17— гайки, окрашенные в
красный цвет; 18— единичные промежутки.
(б)       1—  искровые     промежутки;      2— вилитовые    диски;     3—   фарфоровый чехол; (в) разрядник Для защиты сетей с заземленной  нейтралью

Работа схемы сводится к следующему: при превышении напряжения на емкости С пробивается искровой промежуток х, запального разрядника. Электрод b в это время будет находиться под потенциалом, равным электроду а1. Тогда все напряжение, имеющееся на емкости, прокладывается между электродами b и а2, и этот промежуток пробивается. Пробой промежутка закорачивает делитель состоящий из r  и С2, вследствие чего все напряжение придется на промежуток а1 и b, который немедленно пробьется и погасит дугу в запальном разряднике. В данном случае основной разрядник имеет два последовательно включенных промежутка, но может иметь и больше. Электроды разрядника выполняются из графита, что обеспечивает достаточную термическую устойчивость.

Рис.11 схема включения емкости для продольной компенсации и

Для защиты устройств продольной компенсации служит также разрядник с гашением дуги при помощи воздушного дутья (схема рис.10). Разрядник работает в следующей последовательности: вначале пробивается искровой промежуток х3, так как он установлен на половинное напряжение на емкости С. Пробой приводит к тому, что все напряжение приложится к сопротивлению г2, а следовательно, и к разряднику Р2, который тотчас же пробивается. С появлением пробоя напряжение приложится к сопротивлению г3. Под действием этого напряжения через дугу в промежутке х3 сработает основной разрядник Рг. После этого все устройство продольной компенсации окажется зашунтированным через два последовательно включенных основных разрядника, и дуга в искровом промежутке х3 погаснет. Процесс пробоя разрядников почти мгновенен, так как индуктивность цепи невелика. Через определенный промежуток времени контакты в разрядниках автоматически размыкаются и устанавливается исходное положение. Для защиты конденсаторов в устройствах продольной компенсации от токов короткого замыкания применяют специальные групповые разрядники. Чтобы уменьшить величины разрядных токов конденсаторов продольной компенсации, в разрядную цепь включают успокаивающее устройство из индуктивности и активного сопротивления. Активное сопротивление преобразует энергию, накопленную в конденсаторах, в джоулево тепло. Индуктивность служит для пропускания основной части тока короткого замыкания и рабочего тока линии электропередачи.