ФГБОУ ВПО «КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ»

Кафедра электрических станций

Лопухова Т.В.

ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ И КООРДИНАЦИЯ ИЗОЛЯЦИИ

Казань 2012

Модуль 1

Введение

Классы напряжения, принятые в России для электроэнергетических систем, приведены в табл. В (для классов напряжения 3-750 кВ по ГОСТ 1516.3-96, для 1150 кВ – по техническим условиям). Превышение напряжения сверх наибольшего рабочего напряжения называется перенапряжением. Перенапряжения, воздействующие на изоляцию электроустановок, подразделяются на внутренние и грозовые.

Грозовые перенапряжения возникают при поражении электрической установки разрядом молнии. Причиной грозовых перенапряжений являются удары молнии в электроустановку или вблизи нее. С грозовым разрядом связано возникновение волн перенапряжений, достигающих нескольких тысяч киловольт. При отсутствии специальной защиты такие перенапряжения достаточны для перекрытия и повреждения изоляции установок любого номинального напряжения. Эти перенапряжения распространяются в электрической системе в форме волн и проникают во все элементы системы, в частности в аппаратуру и обмотки трансформаторов. Возникающие при этом переходные процессы приводят к резкому повышению напряжений, воздействующих на внутреннюю изоляцию трансформаторов и аппаратов. Поэтому защита от грозовых перенапряжений является обязательным элементом надежной работы электрической системы.

Грозовые перенапряжения имеют длительность до сотни микросекунд. Поскольку значения токов молнии подвержены статистическим разбросам, то грозовые перенапряжения являются статистическими величинами.

Физика разряда молнии, характеристики грозовых перенапряжений и способы защиты от них подробно рассматриваются в учебной дисциплине «Молниезащита».

Внутренние перенапряжения возникают при коммутациях в сети, при дуговых замыканиях на землю в сетях с изолированной и компенсированной нейтралью, а также при резонансных явлениях, возникающих на длинных линиях и в несимметричных режимах.

Источником энергии внутренних перенапряжений является запасенная в реактивных элементах системы (индуктивных и емкостных) энергия, которая обусловливает появление перенапряжений в переходных режимах при нормальных и аварийных коммутациях. Значения внутренних перенапряжений зависят от параметров электрической системы и характеристик коммутирующих аппаратов и поэтому носят статистический характер. Они могут в 3-3,5 раза превышать фазное напряжение установки. Амплитудные значения внутренних перенапряжений могут стать выше значений пробивных напряжений изоляции. Приходится применять различные способы ограничения внутренних перенапряжений.

Во внутренних перенапряжениях следует выделять резонансные и коммутационные перенапряжения. Резонансные перенапряжения возникают при определенном соотношении между индуктивностями и емкостями цепи. Они могут существовать сравнительно долго - до изменения схемы или режима. Они часто называются установившимися или квазистационарными перенапряжениями. Коммутационные перенапряжения возникают при различных коммутациях. Эти перенапряжения имеют длительность от единиц до десятков миллисекунд. Амплитуды коммутационных перенапряжений обычно превышают амплитуды резонансных перенапряжений.

К внутренним перенапряжениям также относятся кратковременные повышения напряжения промышленной частоты, обусловленные изменением режима работы электроустановки. Повышение напряжений регламентированы допустимыми значениями в зависимости от вида оборудования при заданных их длительностях в пределах от нескольких часов до долей секунды. Для них установлено также допустимое число повышений напряжения данного значения за год.

Длительные рабочие напряжения, грозовые и внутренние перенапряжения воздействуют на изоляцию электроустановок. Необходимо обеспечить надежную работу изоляции при таких воздействиях в течение всего срока службы электроустановки.

Таблица В.

Таблица номинальных и наибольших (максимальных) рабочих напряжений электрических систем

U, кВ	РЕЖИМ НЕЙТРАЛИ
	и з о л и р о в а н н а я						з а з е м л е н н а я
Uном, кB	3 3	6	10	20	35	110		150	220	330	500	750	1150
Uраб. наиб., кВ	3,5	6,9	11,5	23	40,5	126		172	252	363	525	787	1207,5
Uраб ф , кВ	2,0	4,0	6,65	13,3	23,4	72,8		100	146	210	304	455	695
Uраб. наиб., Uном				1,15						1,10		1,05

В процессе эксплуатации имеют место отклонения от номинального напряжения, обусловленные падением напряжения в элементах электрической системы. При этом наибольшие рабочие напряжения в системе не должны превосходить значений, указанных в табл. 1.1.

Защита от перенапряжений выполняется в соответствии с требованиями Правил устройства электроустановок (ПУЭ) и включает в себя:

защиту от прямых ударов молнии воздушных линий электропередачи (ВЛЭП), станций и подстанций (ПС) с помощью молниеотводов;

защиту электрооборудования станций и подстанций от импульсных грозовых перенапряжений, набегающих с ВЛЭП, с помощью защитных аппаратов (ЗА) – нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН) и вентильных разрядников (РВ);

защиту от внутренних перенапряжений с помощью защитных аппаратов, резисторов, встроенных в выключатели, шунтирующих реакторов, а также с помощью различных способов заземления нейтрали (компенсированная или резистивно заземленная нейтраль).

Взаимное согласование значений воздействующих напряжений, характеристик защитной аппаратуры и электрических характеристик изоляции, обеспечивающее надежную работу и экономичность электрической установки называется координацией изоляции и представляет собой главную технико-экономическую задачу проектирования электроустановки. При этом может быть допущена некоторая достаточно малая экономически оправданная вероятность повреждения изоляции или перерыва в электроснабжении потребителей.

При решении задач координации изоляции необходимо учитывать статистические закономерности характеристик, как изоляции, так и воздействующих на нее напряжений и перенапряжений.

Нежелательные последствия пробоя воздуха – это возможность возникновения устойчивой дуги. На линиях электропередачи дуговое замыкание на землю или между проводами приводит к отключению линии на время, необходимое для восстановления изоляции.

Возможность ликвидации дуговых замыканий на землю, представляющих собой наиболее распространенный вид нарушений нормальной работы сети, зависит от способа заземления нейтрали.

При работе сети с изолированной нейтралью через место однофазного замыкания на землю проходит емкостный ток неповрежденных фаз (ток однофазного замыкания на землю – ОЗЗ). В сетях небольшой протяженности, имеющих небольшие емкостные токи, дуга гаснет при первом прохождении тока через нулевое значение и нормальная схема электроснабжения восстанавливается без отключения поврежденного участка. Таким образом, большинство однофазных замыканий на землю оказываются неопасными. Повышение протяженности сети вызывает увеличение емкостных токов, что приводит к затяжному горению дуги, развитию колебаний из-за ее неустойчивого характера, возможности переброски дуги на другие фазы.

Для облегчения условий гашения дуги в нейтрали трансформаторов включаются реакторы с большой индуктивностью (дугогасящие реакторы). При однофазном замыкании на землю индуктивный ток реактора компенсирует емкостный ток, в результате чего ток замыкания на землю резко уменьшается. Это приводит к ликвидации дуги и восстановлению нормальных условий работы. Эти сети не отключаются при однофазных замыканиях на землю, поэтому в них возможны повышения напряжения на неповрежденных фазах до линейного.

В сетях с заземленной нейтралью ток однофазного короткого замыкания (КЗ) приводит в действие релейную защиту, вызывающую селективное повреждение отключенного участка. Благодаря быстрому отключению дуга не успевает переброситься на другие фазы или причинить повреждение изоляции. Линия может быть вновь включена в работу через доли секунды, что используется в системах автоматического повторного включения (АПВ).

Поскольку изоляция постоянно находится под рабочим напряжением, а также испытывает механические, тепловые и другие воздействия, она постепенно теряет свои первоначальные свойства, и ее электрическая прочность снижается – изоляция подвергается старению. Необходимо, чтобы в течение всего срока службы, на который рассчитана установка, так называемая длительная прочность изоляции не снизилась бы до величины наибольшего рабочего напряжения установки.

Испытательные напряжения изоляции электрооборудования, по которым осуществляется координация изоляции, нормированы в ГОСТ 1516.3- 96. Изоляция испытывается следующими напряжениями:

полным и срезанным грозовым импульсом;

коммутационным импульсом;

кратковременным (одноминутным) напряжением частотой 50 Гц;

переменным напряжением частотой 50 ГЦ при плавном подъеме;

длительным переменным напряжением частотой 50 Гц с измерением характеристик изоляции, в частности, интенсивности частичных разрядов.

1. Классификация внутренних перенапряжений и их основные характеристики

1.1.Общая характеристика внутренних перенапряжений

На электрическую изоляцию сети высокого напряжения переменного тока в нормальных условиях воздействует рабо­чее напряжение промышленной частоты. Изменение токов нагрузки приводит к изменению падения напряжения на со­противлении элементов электрической сети (генераторов, трансформаторов, линий электропередачи и др.). Поэтому даже при неизменной величине э.д.с. генераторов рабочее на­пряжение может отклоняться от номинального значения.

При проектировании электрической сети и управлении ре­жимами ее работы стремятся удержать колебания рабочего напряжения в границах, определенных действующими нор­мами. ГОСТ 1516.3-96 устанавливает величину наибольшего рабочего напряжения электрооборудования, совпадающую с верхним пределом длительно допускаемого рабочего напря­жения в электрической сети и превышающую номинальные напряжения электрооборудования 6-220 кВ на 15%. В сетях с номинальным напряжением выше 500 кВ также стремятся не допускать длительных повышений рабочего на­пряжения более чем на 5% от номинального (табл. В).

Термин «наибольшее рабочее напряжение» означает на­пряжение частоты 50 Гц, неограниченно длительное прило­7жений которого к электрооборудованию допустимо по усло­виям работы его изоляции.

Однако в процессе эксплуатации энергосистемы неизбеж­но возникают разнообразные отклонения от нормальных условий и могут иметь место повышения напряжения на изоляции сверх указанных норм. Всякое превышение мгновен­ным значением напряжения на изоляции амплитуды наиболь­шего рабочего напряжения принято называть перенапряже­нием. В большинстве случаев перенапряжения имеют кратко­временный характер, поскольку они возникают при быстро затухающих переходных процессах или в аварийных режи­мах, время которых ограничивается действием релейной за­щиты и системной автоматики.

Различные виды перенапря­7жений имеют длительность от единиц микросекунд до нескольких часов. Даже самые кратковременные перенапря­жения высокой кратности могут привести к пробою или перекрытию изоляции с последующим отключением повреж­денного элемента сети и перерывом в электроснабжении по­требителей или снижением качества электроэнергии. При этом причиняется ущерб народному хозяйству. Повреждение и внеочередной ремонт электрооборудования, а также ухуд­шение режима работы энергосистемы создают ущерб энерго­системе, а недоотпуск электроэнергии и нарушение техноло­гических процессов – ущерб потребителю. Целью борьбы с перенапряжениями и их последствиями является снижение экономически приемлемыми способами ожидаемого ущерба народному хозяйству и повышение технико-экономических показателей работы энергосистемы.

Нежелательные эффекты могут возникать также в других системах, находящихся в зоне действия электромагнитных полей сети высокого напряжения. Совокупность этих эффек­тов составляет экологическое влияние на биосферу (людей, фауну, флору), а также мешающее и опасное влияние на техносферу (устройства проводной и радиосвязи, телемехани­ческие устройства, счетно-решающую электронную технику, низковольтные сети электроснабжения и т. П.). Именно эти влияния определяют условия электромагнитной совместимо­сти функционирования электрической сети и других систем.

Важнейшей характеристикой перенапряжений на изоля­ции является их кратность, т. Е. отношение максимального значения напряжения U_макс к амплитуде наибольшего рабоче­го напряжения на данной изоляционной конструкции 2 U _{ном.раб}.:

К = U_макс/ 2U _{ном.раб}. (1.1 )

Следует отметить, что при измерении кратности перена­пряжений или при ее расчете U_макс обычно относят не к вели­чине 2U_{ном раб,} а к фактической амплитуде рабочего напряжения, имеющего место непосредственно перед появлением перена­пряжения или установившегося после него. Это не противо­речит данному выше определению кратности по формуле (1), поскольку предполагается, что величина U_макс пропорциональна рабочему напряжению и при повышении напряжения до наибольшего рабочего значения величина кратности не изменится.

Перенапряжения, кроме того, характеризуются рядом дру­гих параметров, которые учитываются при выборе электри­ческой изоляции и средств ее защиты от перенапряжений.

Повторяемость определяется ожидаемым числом случаев возникновения перенапряжений за данный промежуток вре­мени.

Форма кривой перенапряжения характеризуется длиной фронта, длительностью, числом импульсов и временем су­ществования данного перенапряжения.

Широта охвата сети определяет число изоляционных конструкций, на которые одновременно воздействует данное перенапряжение.

Важное значение для оценки перенапряжений имеют также статистические характеристики ущерба в случае повреждения изоляции.

Все перечисленные параметры перенапряжений являются, как правило, случайными величинами, что определяет необходимость статистического подхода к их исследованию и обоснованию требований к электрической прочности изоляции и характеристикам защитных устройств.

В зависимости от места приложения можно выделить раз­личные типы перенапряжений. Наибольшее практи­ческое значение имеют фазные перенапряжения. Они воздей­ствуют на изоляцию токоведущих частей электрооборудова­ния от земли или заземленных конструкций. К этой изоляции нормально приложено фазное напряжение. Однако в сетях с изолированной нейтралью следует учитывать, что в про­цессе поиска места замыкания на землю (длительностью от минут до нескольких часов) к фазной изоляции может быть приложено линейное напряжение.

Междуфазные перенапряжения рассматриваются при вы­боре междуфазной изоляции, например – расстояний между проводами разных фаз на линиях и подстанциях, обмотками различных фаз трансформаторов, машин, реакторов. Рабо­чим напряжением для этих видов изоляции является линей­ное напряжение.

Внутрифазные перенапряжения возникают между раз­личными токоведущими элементами одной и той же фазы, например между соседними витками или катушками об­мотки трансформатора, а также между нейтралью и землей.

Перенапряжения между контактами коммутирующих ап­паратов возникают в процессе отключения участка сети или при несинхронной работе двух участков сети.

Внутренние перенапряжения возникают в электрических системах в результате коммутаций.

Коммутации могут быть оперативными (плановыми), например:

а) включение и отключение ненагруженных линий;

б) отключение ненагруженных трансформаторов и реакторов поперечной компенсации;

в) отключение конденсаторных батарей.

Однако чаще внутренние перенапряжения возникают при аварийных коммутациях в результате действия релейной защиты или противоаварийной автоматики.

К аварийным коммутациям можно отнести:

а) отключение выключателями короткого замыкания;

б) автоматическое повторное включение линий;

в) внезапный сброс нагрузки и др.

Внутренние перенапряжения обычно проявляются в виде колебаний. Всякая электрическая система обладает колебательными свойствами, однако в нормальном режиме работы эти колебательные свойства обычно не проявляются. Колебательные свойства электрической системы, могущие вызвать появление перенапряжений, проявляются при нарушении баланса между генерируемой и поглощаемой энергией. Причиной нарушения баланса может явиться внезапное отключение элементов, способных поглощать энергию (активной нагрузки, сосредоточенных и распределенных сопротивлений и проводимостей схемы).

Если параметры колебательного контура соответствуют резонансным или близки к ним, то возникают резонансные перенапряжения – перенапряжения установившегося режима. В системе с элементами, имеющими линейные характеристики может возникнуть линейный резонанс. Если же элементы электрической сети имеют нелинейный характер (ненагруженные трансформаторы, реакторы), то возникает нелинейный феррорезонанс.

Резонансным перенапряжениям предшествует переходный режим – коммутационные перенапряжения. В том случае, если условия в колебательном контуре электрической сети далеки от резонансных, то внутренние перенапряжения при коммутациях имеют только переходный характер, т.е. являются коммутационными.

Как было отмечено выше внутренние перенапряжения характеризуются: кратностью

, (1.2)

формой кривой перенапряжения, позволяющей определить воздействия на изоляцию и составом оборудования электрической сети, подверженного действия данного вида перенапряжения.

Перечисленные характеристики имеют большой статистический разброс, так как их значения зависят от большого числа факторов, в том числе имеющих случайный характер.

Амплитуда допустимых перенапряжений на изоляции высоковольтных электрических машин определяется по следующей формуле:

U = U , (1.3)

где U - номинальное напряжение, U - допустимое напряжение.

Допустимая кратность перенапряжений на изоляции машин составляет не более 2,6 – 2,9 по отношению к номинальному фазному напряжению и 2,2 – 2,4 по отношению к максимальному фазному рабочему напряжению.

U U , (1.4 )

где - коэффициент импульса при внутренних перенапряжениях для класса напряжений 6 – 35 ;

k - коэффициент кумулятивности.

Ниже приведена табл.1.1. допустимых кратностей внутренних перенапряжений для электрооборудования напряжением 6 – 35 кВ с нормальной изоляцией.

Таблица1.1.

Допустимые кратности перенапряжений

U кВ	6,0	6,6	10	11	13,8	15	35	110-150	220-330	500	750
U кВ	29,5	29,5	41,5	41,5	53	53
К (фаз)	7,5	7,1	6,2	6,0	6,0	5,2
К	4,3	4,1	3,6	3,5	3,5	3,0	3,5	3,0	3,0	2,5	2,1

Величины, числено характеризующие внутренние перенапряжения, оказываются зависимыми от ряда случайных обстоятельств: от схемы сети, ее режима, ее параметров, от наличия средств борьбы с перенапряжениями и эффективности этих средств, а также от некоторых других факторов. Поэтому количественные характеристики внутренних перенапряжений оказываются величинами случайными, требующими при их рассмотрении привлечении методов математической статистики.

Можно найти такие сочетания переходных процессов, которые дают перенапряжения очень высокой кратности. Однако если такое сочетание весьма маловероятно, то его обычно не принимают в расчет, считая, что в этом случае можно допустить перекрытие внешней изоляции или срабатывание защитного аппарата (ОПН, РВ) с его возможным разрушением. В то же время и в этих очень маловероятных случаях должна быть исключена возможность повреждения внутренней изоляции машин и аппаратов. Но не всякое наложение переходных процессов маловероятно. Следует реально считаться с такими процессами, которые являются следствием друг друга. Именно на такие процессы и следует ориентироваться при оценке возможной кратности внутренних перенапряжений и выборе средств их ограничения.

Обобщение опыта эксплуатации для случаев повреждения оборудования из-за возникновения внутренних перенапряжений позволило В.С.Полякову сформулировать три условия, сочетание которых необходимо, чтобы возникали перенапряжения в сетях напряжением до 35 кВ включительно.

Первое условие – параметры сети (рис. 1.1) (емкость и индуктивность элементов) должны иметь характеристики, изменение которых способно привести к образованию резонансного контура в схеме нулевой последовательности. Как правило, это сети с током однофазного замыкания на землю до 10 А. Это означает, что не в каждой сети возможно возникновение перенапряжений, и это подтверждается практикой, так как повреждения, как правило, происходят, повторяясь на одних и тех же участках сети, в то время как на других участках сети таких повреждений не отмечается.

Второе условие – на этих участках сети внутренние перенапряжения возникают, если в контуре нулевой последовательности затухание значительно меньше критического. Это затухание вносится нагрузкой понижающих трансформаторов и электродвигателей, поэтому повреждения электрооборудования происходят в режиме, когда нагрузка в сети не превышает 30 мощности понижающих трансформаторов или электродвигателей, то – есть сеть работает в ненагруженном режиме. При этом возбуждение перенапряжений облегчается за счет высокого уровня напряжения при работе сети в ненагруженном режиме.

Третье условие – определенный характер начального события. Феррорезонансные перенапряжения возникают при неполнофазных режимах питания понижающих трансформаторов и электродвигателей, а дуговые перенапряжения – при определенном характере дуги (однополупериодическая или апериодическая) однофазного замыкания на землю. При металлическом замыкании или непрерывно горящей дуге перенапряжений не возникает.

Разные виды внутренних перенапряжений отличаются друг от друга своей кратностью, формой, частотой повторяемости и длительностью воздействия на изоляцию. Вероятность возникновения того или иного вида перенапряжений зависит от состава сети, и по данным отечественных и зарубежных исследований, в сетях собственных нужд (СН) мощных электростанций и крупных промышленных предприятий, чаще всего возникновение перенапряжений связано с неполнофазными режимами.

Рис.1.1. Примерная схема электрической сети