Вопросы для самопроверки по теме 2.4

1. Что такое испытания изоляции?

2. Приведите классификацию испытаний изоляции.

3. Что такое уровень изоляции электрооборудования?

4. Каковы задачи профилактических испытаний?

5. На какие группы делятся дефекты изоляции?

6. Что такое неразрушающие испытания изоляции?

7. Что такое разрушающие испытания изоляции?

8. Что представляет собой кривая возвратного напряжения?

9. Как измеряется сопротивление изоляции?

10. Как снимается зависимость емкости изоляции от частоты?

2.5. Защита изоляции от внутренних и грозовых перенапряжений

2.5.1. Виды внутренних перенапряжений

Восстановление напряжения при отключении коротких замыканий (КЗ). Наиболее тяжелыми являются отключения КЗ на линейных выводах выключателя, на некотором удалении от выключателя (неудаленные КЗ) и на выводах силовых трансформаторов. В этих режимах форма восстанавлива­ющегося напряжения влияет на процесс отключения КЗ. При горении электрической дуги выключателя наряду с ионизацией дугового промежутка происходит процесс деионизации, предопределяющий восстановление электрической прочности дугового промежутка. В большинстве случаев гашение дуги переменного тока происходит вблизи перехода тока через нуль и зависит от скорости восстановления напряжения (СВН). Степень влияния СВН в значительной степени зависит от конструкции выключателей. Масляные выключатели характеризуются умеренным влиянием СВН па предельную отключающую способность. Более чувствительными к началь­ной СВН являются воздушные и элегазовые выключатели. Масляные выключатели весьма чувствительны к амплитудам восстанавливающегося напряжения. Менее чувствительны к амплитудам напряжения воздушные и элегазовые выключатели.

Перенапряжения при отключении ненагруженных трансформаторов. В современных мощных выключателях отключение малых индуктивных токов (например, тока холостого хода трансформатора) обычно сопровождается явлением, называемым срезом тока. Сущность среза состоит в том, что малый ток обрывается при некотором его значении в отличие от больших токов отключения, рассмотренных в предыдущем параграфе. При отключении ненагруженных трансформаторов перенапряжения достигают порядка (2,5-4,5)U_ф, что обусловлено срезом тока.

Перенапряжения при отключении асинхронных двигателей. При отключении вращающихся с номинальной частотой асинхронных двигателей с U_ном>3 кВ возникают перенапря­жения порядка (1,1-3,5)U_ф. При отключении заторможенного двигателя перенапряжения достигают порядка (2,2-4,5)U_ф, что обусловлено возрастанием потребляемого заторможенным двигателем индуктивного тока. При отключении двигателей, вращающихся с пониженной частотой, перенапряжения будут иметь промежуточные значения. Зна­чения перенапряжений при отключении двигателей зависят от типа выключателей (их дугогасящей среды). Отключение заторможенных двигателей возможно при восстановлении напряжения в сети после отключения КЗ. Характер переходных процессов при отключении двигателей аналогичен их ха­рактеру при отключении трансформаторов.

Перенапряжения при отключении емкостных токов. Отключаемые выключателем емкостные токи относительно малы. Они отключаются обычно при первом переходе тока через нуль, когда напряжение имеет максимальное значение. До такого напряжения остается заряженной емкость после того, как она отключается от шин питающей сети. На шинах же напряжение продолжает изменяться по синусоидальному закону и через полупериод достигает амплитудного значения, но обратного знака. В этот момент напряжение между контактами выключателя, равное разности между напряжением на емкости и напряжением источника питания обратного знака, достигает удвоенного значения. Это напряжение может появиться на контактах тогда, когда они еще не разошлись на большое расстояние, вследствие чего возможен повторный пробой промежутка между контактами. Если к этому моменту электрическая прочность промежутка окажется высокой и он не пробьется, то процесс отключения можно считать законченным. В случае повторного пробоя емкость перезарядится до теоретически тройного напряжения. Изменение напряжения на шинах будет сопровождаться высокочастотным колебательным процессом с частотой ω₀. После того, как напряжение источника питания поменяет знак, напряжение на выключателе достигнет своего максимума. Если теперь произойдет снова пробой межконтактного промежутка, то за счет остаточного напряжения на конденсаторах это может привести к возникновению четырех- и пятикратных перенапряжений на контактах выключателя. Ряд неучтенных факторов (срез тока, гашение дуги при одном из первых переходов тока через нуль, волновые процессы в линиях, влияние соседних фаз и др.) может существенно осложнить описанные явления. Исключение или снижение вероятности повторных пробоев может быть достигнуто, во-первых, обеспечением достаточно быстрого нарастания электрической прочности дугового промежутка в выключателе, во-вторых, применением шунтирующих резисторов.

Вышеописанное относится и к коммутации трехфазной конденсаторной батареи при глухом заземлении нейтрали. При отключении незаземленной батареи конденсаторов напряжение может превысить фазное значение в 3 раза, а при повторных пробоях межконтактного промежутка и более. Относительное увеличение напряжения на первом отключающем полюсе выключателя зависит от соотношения емкости прямой последовательности С₁ цепи и емкости нулевой последовательности С₀.

При отключении холостых линий отношение С₁/С₀ для воздушных и кабельных линий обычно находится в пределах от 0,6 до 2,0. Тогда кратность перенапряжении составляет 2,2…2,4. У одножильных и экранированных трехжильных кабелей С₁/С₀ = 1, поэтому кратность перенапряжений может достигать двойного значения. При отключении линии ток переходного процесса меньше, чем при отключении конденсаторных батарей, что объясняется ограничивающим действием волнового сопротивления линии. При отключении холостых линий кратности перенапряжений при повторном пробое в реальных условиях достигают 2,5, что не представляет особой опасности для изоляции. Отключение относительно коротких кабелей также не является особо тяжелым режимом для выключателя.

Перенапряжения при рассогласовании фаз. При коммутациях в цепях межсистемных связей необходимо производить успешное отключение при выпадении этих систем из синхронизма. В этом режиме напряжение на вы­ключателе может оказаться весьма значительным. Перенапряжения зависят от фазового сдвига между на­пряжениями двух источников в момент отключения, а также от способа заземления нейтрали системы. Фазовый сдвиг зависит от быстродействия системы защиты. Например, при работе выключателя в цикле АПВ вторичное отключение КЗ. после неуспешного включения может произойти при большом фазовом сдвиге. Наиболее неблагоприятные условия коммутации имеют место при сдвиге фаз на 180°, т. е. когда обе системы находятся в противофазе. При этом установившаяся составляющая перенапряжения равна двойному фазному напряжению. Еще большим может оказаться ее значение, если выключатель расположен вблизи середины длинной линии межсистемной связи, что является следствием емкостного эффекта линии (U_уст  2,5U_ф). Перенапряжения (уста­новившиеся значения) в системе с изолированной нейтралью, возникающие при отключении выключателя в системе достигают кратности (3-3,4)U_ф.

Однако скорость нарастания напряжения на выключателе при отключении в условиях рассогласования фаз много меньше, чем СВН при отключении КЗ, что облегчает условия отключения.

Перенапряжения при включении длинных линий. При включении разомкнутых на конце длинных линий возникает процесс многократных отражений волн от конца и начала. В установившемся режиме на конце линии возникает повышенное напряжение, обусловленное прохожде­нием емкостного тока линии через индуктивность источника питания и индуктивность линии. Этот эффект называется емкостным эффектом.

Повышение напряжения на конце разомкнутой линии обусловлено волновыми процессами в длинных линиях. Количественный анализ происходящих при этом процессов успешно может быть проведен с использованием компьютеров.

Напряжение вдоль линии определяется как сумма установившейся составляющей напряжения и переходных составляющих:

.

Наличие потерь в реальной сети приводит к затуханию переходных составляющих. Это затухание с достаточно большой степенью точности можно учесть, введя в последнее выражение множитель exp(-δt), где δ коэффициент затухания. Таким образом, напряжение на линии на конце при её включении будет иметь вид:

Для обеспечения допустимого уровня рабочего напряжения в режимах передачи малой мощности на линии устанавливаются шунтирующие реакторы.

Перенапряжения при замыкании на землю в сетях с изолированной нейтралью. Перенапряжения при замыкании на землю можно отнести к частному виду коммутационных перенапряжений – дуговым перенапряжениям. Однофазное замыкание на землю является одним из частых видов повреждений в сетях. При этом в месте замыкания возникает дуга, которая может устойчиво гореть или самоликвидироваться. В сетях 6...35 кВ однофазное замыкание на землю может существовать длительно. При этом возникающие перенапряжения охватывают всю сеть, а длительно горящая дуга может переброситься на соседние фазы и привести к двух- или трехфазному КЗ. Пере­напряжения связаны с неустойчивым горением дуги. В целом они носят статистический характер, так как зависят от момента повторного зажигания дуги. Обычно перенапряжения при однофазном замыкании на землю лежат в пределах (2-2,5)U_ф, в отдельных случаях достигают (3-3,5) U_ф, а при особо интенсивной деионизации дуги (внутри кабельной муфты или под маслом) – более 3,5U_ф.

Ограничение перенапряжений возможно за счет исклю­чения повторных зажиганий. Это достигается путем включения в нейтрали трансформаторов дугогасящих катушек (реакторов). Такие сети называются с компенсацией емкостных токов. При настройке в резонанс дугогасящих катушек и емкости сети добиваются компенсации емкостного тока и существенного снижения СВН, т. е. облегчения условий гашения дуги.

Однако резонансная настройка может служить источником перенапряжении в нормальном режиме работы. Условие резонансной настройки:

.

Наличие катушки (L_к–R_к) увеличивает напряжение смещения ней­трали. При резонансной настройке значение напряжения смеще­ния нейтрали существенно увеличивается по сравнению с напряжением смещения нейтрали при отсутствии катушки (≈ в 16 раз). Увеличение напряжения смещения нейтрали приводит к увеличению напряжения на одной или двух фазах. В этом случае напряжение на наиболее неблагоприятной фазе

U < U₀ (ωL_к/R_к)U_ф.

Если величина U₀ составляет менее сотой доли процента от U_ф, то применение резонансной настройки не опасно для изоляции в нормальном режиме работы сети. Если U₀ > 0,01U_ф, то резонансная настройка может при­вести к перекрытию увлажненной и загрязненной изоляции, что подтверждает опыт эксплуатации. Если U₀ >> 0,01U_ф, то необходимо улучшить транспозицию проводов линии, устранить асимметрию нагрузки, трансформаторов, генераторов.

Режим недокомпенсации (L_к>L) нежелателен, так как при автоматическом отключении одной из линий может наступить режим резонанса. Большую опасность резонансные перенапряжения этого типа представляют в случае значительного разброса фаз выключателя во время включения или отключения линии, и особенно при отказе одной из фаз, когда существенно увеличиваются асимметрия фазных емкостей и соответствующее напряжение на нейтрали. Таким образом, в эксплуатации важно тщательно кон­тролировать разброс фаз выключателя, обеспечивая его минимальное значение. При допустимых асимметриях резонансная настройка дугогасящей катушки является наилучшим вариантом успешного гашения дуги, при этом возникают перенапряжения, не опасные для изо­ляции сети 6 …35 кВ.

Феррорезонансные перенапряжения. Феррорезонанс в сетях 110…330 кВ возникает при определённых плановых или аварийных коммутациях в них. При отключении, например, одной фазы цепи, питающей ненагруженный или слабонагруженный трансформатор, взаимодействие между включёнными фазами и отключённой осуществляется через магнитную цепь трансформатора и ёмкостную связь двух включённых фаз с отключённой и отключенной – с землёй. Аналогичная связь при двух отключённых фазах цепи. При заземлённой нейтрали связь осуществляется через нейтраль. В случае изолированной нейтрали взаимосвязь осуществляется ёмкостной связью между отключённой фазой и землёй. Феррорезонанс возможен на основной (рабочей) частоте, а также на высших и низших (субгармониках). Во всех случаях образуется цепь из последовательно соединённых источников питания, ёмкости и шунта намагничивания трансформатора (и более сложной схемы). Феррорезонанс в электрических сетях известен как явление, сопровождающееся квазистационарными перенапряжениями, достигающими (1,7-1,8) U_ф, а также резкими бросками тока намагничивания трансформатора, достигающими 5-10А, опасными в совокупности с квазистационарными перенапряжениями для измерительных трансформаторов напряжения.