Литературный обзор

Содержание

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

    Номинальным напряжением изоляции оборудования электрической сети определяется его  оптимальное рабочее напряжение в процессе эксплуатации. Работа сети неизбежно сопровождается постоянными колебаниями рабочего напряжения, вызванными изменениями нагрузки, схемы питания сети, числа работающих генераторов и т.п. В случае коротких замыканий, внезапных разрывов цепи, отключение нагрузки и других неблагоприятных режимов возможны большие отклонения воздействующего на изоляцию напряжения от заданного нормальным режимом значения. На напряжение промышленной частоты могут накладываться кратковременные импульсы, вызванные переходными процессами в сети или внешними воздействиями, такими, как влияние соседних цепей либо грозовые разряды. Любое превышение этих напряжений принято называть перенапряжением электрической стойкости изоляции или просто перенапряжением. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Глава 1. Литературный обзор. 

1. Классификация перенапряжений

    Перенапряжение, любое увеличение (повышение) напряжения, в какой-либо части установки или линии электропередачи, достигающее величины, опасной для состояния изоляции установки[1][2][3]. При перенапряжениях создаются тяжелые условия для работы изоляции, т.к. они могут во много раз превышать максимальное рабочее напряжение. Перенапряжение представляет также опасность для людей, находящихся во время перенапряжения в непосредственной близости от установки или линии[4].

    Перенапряжения  подразделяются на:

1. Внешние (грозовые)
2. Внутренние (коммутационные и квазистационарные)

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

1. Максимальное значение амплитуды напряжения при перенапряжении или кратность перенапряжений (равная отношению максимального значения перенапряжения к амплитуде наибольшего допустимого рабочего напряжения).
2. Длительность воздействия перенапряжения.
3. Форма кривой перенапряжений (апериодическая, колебательная, высокочастотная и др.).
4. Широта охвата элементов электрической цепи.

    Все перечисленные характеристики имеют  стохастическую природу и имеют  значительный статический разброс, который обязательно учитывается  при расчетах. Для изоляции высоковольтных устройств низких и средних классов напряжения (U≤220 кВ) наиболее опасными являются грозовые перенапряжения. Их изоляция выдерживает коммутационные перенапряжения любой кратности.

    Для изоляции высоковольтных устройств  высоких и сверхвысоких классов  напряжения (U≥330 кВ) наиболее опасными являются коммутационные перенапряжения.

    Поэтому на низких классах напряжения ограничивают специальными устройствами только грозовые перенапряжения, а на высоких классах  принудительно ограничивают и внутренние перенапряжения[18]. 

2. Грозовые (внешние) перенапряжения и защита от них

    Главную опасность в электрических установках напряжением 1 ...220 кВ представляют возникающие  при грозовых разрядах атмосферные  перенапряжения.

     Процесс атмосферного перенапряжения упрощенно можно представить  следующим образом. Нижняя часть грозового облака (обычно заряженная отрицательно) и земля образуют своего рода конденсатор с обкладками облако — земля (рис. 1). По мере накопления отрицательных зарядов облака и положительных зарядов земли растет напряженность электрического поля между ними. Когда напряженность в каком-нибудь месте достигает критического значения (25...30 кВ/см), воздух ионизируется и начинается развитие разряда с облака на землю.                                                             Рис.1.

    Перед моментом разряда в проводах линии электропередачи возникает электрический ток, обусловленный притягиванием положительных зарядов с дальних участков линии к месту расположения облака. После разряда молнии электрическое поле исчезает вследствие нейтрализации зарядов облака и земли, накопившиеся в линии заряды больше не удерживаются электрическим полем и начинают растекаться к обоим концам линии. Так возникают две электромагнитные волны индуктированного перенапряжения, движущиеся по линии в противоположных направлениях со скоростью света[13].

    Прямой  удар молнии в линию электропередачи  при этом не обязателен. Но если он происходит, то также приводит к образованию  двух волн перенапряжения, идущих вдоль  линии в противоположные стороны. В данной ситуации перенапряжение особенно велико, амплитуда тока молнии достигает в среднем 25 кА, а в одном случае из ста — 200 кА. Между проводами и землей возникает напряжение, определяемое по эмпирической формуле U = 100/м.

    Если  это напряжение превышает электрическую  прочность изоляции в какой-либо точке линии или на подстанции, то происходит перекрытие изоляции, ее пробой и короткое замыкание.

    Электрические установки на подстанциях защищают от прямых ударов молнии вертикальными  стержневыми молниеотводами, а линии  — горизонтальными молниеотводами. Вертикальный стержневой молниеотвод представляет собой высокий столб с проложенным вдоль него стальным проводом, который соединен с заземлителем. Горизонтальный молниеотвод представляет собой провод, расположенный над фазными проводами линии на тех же опорах. Чем выше над защищаемым объектом расположен молниеотвод, тем больше его защитная зона, в которой молниеотвод как бы перехватывает молнию и отводит ее в землю.

    Для защиты объектов, занимающих большую  площадь (например, открытых подстанций), применяют два или четыре вертикальных молниеотвода. Площадь защитной зоны группы из двух и особенно из четырех молниеотводов значительно больше, чем сумма площадей защитных зон двух или четырех одиночных молниеотводов. Необходимое условие защищенности всей площади четырьмя молниеотводами:

- Защитная зона вертикального молниеотвода имеет вид конуса с радиусом г_х па высоте h_x (рис. 2). Значение г_х определяют по формуле D=9h_a, где D - расстояние между молниеотводами по диагонали.

    

    Рис. 2. Защитная зона молниеотвода:

    1 — защищаемый  объект; 2 — молниеотвод 

    Тросовые  молниеотводы защищают линию на всей протяженности тросов.

    Для отвода токов разряда молнии в  землю молниеотводы присоединяются к заземляющему устройству (заземлителю) на подстанции и на каждой опоре  линии. Заземлители выполняют из стальных труб, прутков или уголков, вбиваемых в землю. Сопротивление заземлителей опор линий электропередачи должно быть не более 30 Ом, сопротивление заземляющего устройства подстанции — не более 0,5 Ом.

    Защита  зданий, закрытых подстанций, распределительных устройств от прямых ударов молнии выполняется заземлением молниеприемной сетки, железобетонных несущих конструкций кровли или металлического покрытия кровли. При отсутствии металлических покрытий на крыше здания устанавливают стержневые молниеотводы. Открытые РУ и подстанции защищают стержневыми молниеотводами, устанавливаемыми на опорах РУ. Подходы воздушных линий напряжением 35 кВ защищают тросовыми молниеотводами на протяжении 1... 4 км, а линии напряжением 110 кВ и выше — по всей длине. Требования к молниезащите и конструкции ее устройств приведены в ПУЭ.

    Наличие молниезащиты воздушных линий и  подстанций не предотвращает возникновение  атмосферных перенапряжений при  разрядах молнии вблизи подстанций и  линий. Поэтому грозозащита воздушных линий, подстанций и РУ предусматривает установку на линиях, не защищенных тросами по всей длине, трубчатых разрядников, установку в РУ вентильных разрядников, применение на изоляторах защитных промежутков.

    Разрядники  настраивают так, чтобы происходил пробой их разрядных промежутков при возникновении перенапряжения: в установках напряжением до 35 кВ — до 9 U_H, в установках напряжением 35 кВ — до 4U_Н, в установках напряжением 110 кВ и выше — до (2,4...2)U_H. В результате пробоя импульс напряжения отводится в землю, после чего дуга в разряднике гаснет при переходе тока через нулевое значение.

    В пожаро- и взрывоопасных электроустановках  возникает повышенное напряжение еще  одного вида, с которым необходимо считаться и принимать меры противодействия. При наполнении резервуаров и сливных операциях возможно образование зарядов статического электричества. В результате трения происходит электризация потока сжатого воздуха, ременных передач и т.д. Заряды статического электричества резко увеличиваются при наличии примесей воды, пыли или грязи в потоке жидкости, газа.

    Основной  мерой защиты от возникновения искр при разряде статического электричества  служит заземление резервуаров, трубопроводов, сливо-наливных устройств. Кроме того, запрещается сливать жидкость свободно падающей струей и применять ременные передачи в пожароопасных помещениях[21]. 
 

3. Внутренние  перенапряжения

    Внутренние  перенапряжения по длительности и по причине возникновения делятся  на квазистационарные и коммутационные.

    Квазистационарные перенапряжения продолжаются от единиц секунд до десятков минут и в свою очередь подразделяются на режимные, резонансные, феррорезонансные и параметрические. Режимные перенапряжения возникают при несимметричных коротких замыканиях на землю, а также при разгоне генератора в случае резкого сброса нагрузки. Резонансные перенапряжения имеют место при возникновении резонансных эффектов в линиях (при одностороннем питании линии), в электрических цепях при наличии реакторов. При несимметричном отключении фаз линий электропередачи, когда отключается только одна или две фазы линии, возможно возникновение резонансных перенапряжений, физическая сущность которых сводится к явлению нелинейного гармонического резонанса (феррорезонанс). Такие случаи бывают при обрыве одного из проводов линии, который часто сопровождается падением на землю одного из концов провода, при перегорании плавких вставок в одной или двух фазах; при неодновременном отключении фаз включателя, что может иметь место при пофазном управлении и т.д. Феррорезонансные перенапряжения возникают в цепях с катушками с насыщенным магнитопроводом, что может быть как на частоте 50 Гц, так и на высших гармониках и на субгармониках. Особенностью феррорезонанса является скачкообразный вход в режим резонанса (триггерный эффект)[22],[5].

    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[3].

    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 кВ и выше перенапряжения внутреннего происхождения являются определяющими при выборе уровней изоляции. Характерны для линий с напряжением 330—500 кВ кратковременные перенапряжения при переходных процессах, возникающих в результате нормальных или аварийных коммутационных процессов в системе[5].