УДК 622
Влияние внешних перенапряжений на работу
высоковольтных электроустановок , ,
КузГТУ
Эксплуатация электроустановок связана с отрицательным воздействием рабочего напряжения и различных перенапряжений на изоляцию электрооборудования. Рабочее напряжение оказывает непрерывное воздействие, сопровождающееся старением изоляции. Процесс длителен и достаточно стабилен, предсказать изменение свойств изоляции не составляет труда.
Перенапряжения - импульсы или волны напряжения, накладывающиеся на номинальное напряжение сети, могут во много раз превышать его значение, что недопустимо при эксплуатации электроустановок, приводит к быстрой потере изоляцией своих диэлектрических свойств, с последующим выходом из строя электроустановок, отключениям потребителей электрической энергии.
По природе происхождения перенапряжения подразделяют на внешние (грозовые) и внутренние (коммутационные, квазистационарные и стационарные).
Появление внутренних перенапряжений связано с колебаниями электромагнитной энергии, накопленной в элементах или поступающей от источника питания.
Грозовые перенапряжения являются следствием прямых или удалённых ударов молний.
Перенапряжения имеют такие характеристики, как:
- максимальное амплитудное значение напряжения;
- длительность воздействия;
- форма кривой импульсов перенапряжения;
- широта охвата элементов сети (расстояние воздействия волны перенапряжения).
Грозовые перенапряжения обладают самой большой кратностью, при этом являются самыми короткими по времени воздействия и наиболее тяжёлыми для электроустановок. Коммутационные дуговые – напротив: имеют небольшую кратность, но могут существовать часами.
Кратко затрагивая механизм возникновения молнии необходимо отметить, что грозовое облако является носителем электрических зарядов, находящихся на каплях воды, поэтому распределение заряда зависит не только от электростатического взаимодействия, но и размера капель, скорости и направления движения воздушных потоков. Вследствие данных факторов, в облаке могут длительное время существовать зоны, различные по плотности и полярности электрических зарядов. Зоны неравномерного распределения заряда создают сильное электрическое поле внутри облака и между облаком и землёй. При превышении напряжённости электрического поля электрической прочности воздуха, происходит пробой воздушного промежутка, который мы и называем ударом молнии.
Разряд молнии прорастает в виде лидера, направленного по силовым линиям электрического поля. Разряд молнии, с вероятностью 0,9, является отрицательным: возникающим из отрицательной по отношению к земле зоны облака. Лидер, прорастая по искривлённому пути, достигает земли за несколько миллисекунд. При приближении к поверхности земли, напряжённость поля между ними растёт, на земле накапливаются противоположные заряды, индуктированные зарядом лидера. Напряжённость поля, особенно в точках возвышенных объектов, достигает критического значения, на земле или наземных объектах возникают положительные стримеры с последующим развитием встречных лидеров.
В конечном итоге происходит перекрытие промежутка между нисходящим и встречным лидером. Через поражённый молнией объект протекает «ток молнии». При отрицательном ударе молнии обычно наблюдаются повторные разряды по тому же каналу. Половина ударов молнии содержит не большее двух-трёх импульсов. Длительность обычно не более 0,3 с, но может достигать 1 с.
Отметим, что ориентация разряда на тот или иной наземный объект происходит на определённой высоте лидера над землёй. Благодаря этому эффективно использование стержневых и тросовых молниеотводов для защиты от прямых ударов молнии.
Грозоупорность воздушной линии (ВЛ) характеризуется числом грозовых отключений и рассчитывается для первого импульса, так как вероятность перекрытия изоляции при воздействии последующих минимальна. Перенапряжения при последующих импульсах тока удара молнии никуда не исчезают, однако повторные разряды отличаются более коротким фронтом, меньшей длительностью и амплитудой, при обычном времени действия защит и АПВ укладываются в бестоковую паузу одного отключения.
Критические значения токов молний невелики. Перекрытие линейной изоляции ВЛ 110-330 кВ наступает при токе молнии 3-10 кА. Для ВЛ 500–1150 кВ опасны токи молнии от (15-35) кА.
При прямом ударе молнии в провод ВЛ 110 кВ почти всегда происходит перекрытие изоляции. Для линий 500-1150 кВ опасными являются 30-40% аналогичных ситуаций. Даже высокая импульсная прочность линейной изоляции ВЛ 500-1150 кВ не может обеспечить грозоупорность линии при прямом ударе молнии в провод.
Вероятность прорыва молнии на провода зависит от высоты опоры, числа и расположения тросов относительно проводов ВЛ: углом защиты, высотой троса над проводом. Чем выше трос относительно проводов и меньше угол защиты и высота опоры, тем выше эффективность тросового молниеотвода.
Распределение ударов молнии между опорой и тросом зависит от соотношения высоты опоры и длины пролёта. Уменьшение длины пролёта увеличивает число ударов молнии в опору (ударов с повышенной вероятностью обратного перекрытия).
В качестве основных средств грозозащиты ВЛ используются:
- тросовые молниеотводы;
- повышение импульсной прочности изоляции;
- снижение сопротивления заземляющих устройств опор;
- использование защитных аппаратов (к примеру, ОПН).
Внутренняя изоляция дорогостоящего подстанционного оборудования более чувствительна к влиянию грозовых перенапряжений. Поэтому эффективность защиты от грозовых перенапряжений должна быть значительно выше применяемой для защиты ВЛ.
Грозовые перенапряжения на подстанционном оборудовании возникают при ударах молнии в подстанцию (ПС) и при поражениях ВЛ и приходе по ним на ПС и распределительные устройства (РУ) волн грозовых перенапряжений.
Для оценки эффективности грозозащиты применяется такой же качественный, но более жёсткий количественный критерий, что и для ВЛ.
Защита от грозовых перенапряжений РУ и ПС осуществляется, согласно п. 4.2.133 ПУЭ, системой стержневых и тросовых молниеотводов (от прямых ударов молнии). От набегающих волн с отходящих линий –молниеотводами от прямых ударов молнии на определенной длине этих линий защитными аппаратами, устанавливаемыми на подходах и в РУ (ОПН, РВ, защитные искровые промежутки и прочие).
Наиболее современными и совершенными аппаратами защиты являются нелинейные ограничители перенапряжения (ОПН).
Защита ПС от набегающих волн основана на использовании защитного подхода и выборе соответствующих аппаратов защиты, числа и места их установки на ПС с тем условием, чтобы обеспечить такое снижение воздействующих волн перенапряжений, при котором не будут превышены допустимые значения для наиболее ответственного и дорогостоящего подстанционного оборудования.
Места размещения ОПН в РУ определены ПУЭ. В типовых схемах ОПН устанавливается ближе к силовому трансформатору, как наиболее ответственному и дорогому оборудованию.
Согласно ПУЭ, для обустройства защитных подходов к ПС или РУ, может использоваться установка на подходах ВЛ, присоединённых к РУ, грозозащитных тросов, выбор наиболее оптимального положения тросов, проведение мероприятий по уменьшению сопротивлений заземляющих устройств, использование защитных аппаратов.
Вопрос обеспечения надёжности электроснабжения не теряет своей актуальности. При этом большую долю технологических нарушений занимают грозовые отключения. Защита от грозовых перенапряжений является одной из наиболее сложных технико-экономических задач, полностью решить которую, в настоящее время, не представляется возможным в следствии малоизученности теоретической части и несовершенстве доступных технологий. На практике, минимизировать влияние атмосферных перенапряжений возможно только путём построения комплексной защитной системы, в соответствии с требованиями НТД.
Список литературы
1. Правила устройства электроустановок; 7 изд. – М.: НТЦПБ 2012. – 584 с.
2. Кадомская в электрических сетях различного назначения и защита от них: Учебник / , , . – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. – 368 с.
3. Костенко надёжности грозозащиты подстанций. / , , . – Л.: «Наука», 1981. – 128 с.
4. Перенапряжения в электрических системах и защита от них / , , . – СПб.: Энергоатомиздат, 1995. – 51 с.
5. Техника высоких напряжений. Под общ. ред. . СПб.: Энергоатомиздат, 2003. – 608 с.
6. , Карасюк методические принципы оценки грозоупорности воздушных линий электропередачи высших классов напряжения // Научный вестник НГТУ. – 1998. – №2(5). – с 9-32.
