книги из ГПНТБ / Церазов, А. Л. Электрическая часть тепловых электростанций учебник

При этом:

1.Угловая частота колебания сок значительно больше рабочей угловой частоты сос. Это позволяет считать в ин­ тервале времени ^ = 0 и t = tMакс э. д. с. источника по­ стоянной.

2.Ток замыкания на землю состоит из двух состав­ ляющих: тока, обусловленного высокочастотными коле­ баниями с амплитудой 0,8Нф, и тока промышленной частоты сос.

Рис. 11-2. Потенциалы проводов фаз А, С и нейтрали относительно земли при перемежающемся дуговом замыкании фазы С на землю, когда при t= 0 Uc = —Uф (заземлитель нейтрали ЗН отключен).

чину имеет высокочастотная составляющая емкостного тока замыкания и дуга гаснет при его первом переходе через нулевое значение. Амплитуда напряжения при этом равна 2,3U$, а заряды на емкостях СА и Св равны

Q= 2,3U<bCA.

При погасании дуги сеть отделяется от земли, и за­ ряд емкостей СА и Св, равный 2Q, распределяется на

271

все три емкости проводов относительно земли. Вследст­ вие этого потенциал нейтрали поднимается до величины

2 ,3 (7 ф -д -« = > 1,э{Уф.

В случае повторного гашения дуги при прохождении через нуль высокочастотной составляющей тока замыка­ ния потенциал нейтрали поднимается до величины

— З Д /ф- | - ~ — 2 Д /Ф.

Аналогично процесс можно рассматривать и дальше, однако перенапряжения будут получать все меньшие приращения. С учетом затухания высокочастотных коле­ баний перенапряжения не превышают: у поврежденной фазы 3,5£/ф, в неповрежденных 3,65б/ф. Однако главная опасность дуговых перенапряжений при замыкании фазы на землю заключается в том, что они длительно охваты­ вают всю сеть данного напряжения, включая и распре­ делительные устройства. Предупредить возможность дуговых замыканий и длительных перенапряжений мож­ но путем заземления нейтралей сетей через настроенные индуктивности (дугогасящие катушки) или наглухо

(рис. 11-1,а).

Заземлением нейтралей через дугогасящие катушки можно уменьшить (компенсировать) емкостный ток в месте замыкания на землю до значения, при котором дуга в месте замыкания на землю гаснет и снова не воз­ никает.

Глухое заземление нейтралей, исключая возможность возникновению дуговых перенапряжений и снижая крат­ ность (по отношению к Uф) внутренних перенапряжений

(примерно в раз), оказывается весьма благоприят­ ным с точки зрения снижения атмосферных перенапря­ жений.

В отечественных электросетях напряжением ПО кВ и выше принято заземлять нейтрали наглухо, а в элек­ тросетях 35 кВ и ниже нейтрали принято заземлять через дугогасящие катушки (при больших токах замы­ кания на землю) либо не заземлять (при малых токах замыкания на землю).

Глухое заземление приводит к необходимости отклю­ чать поврежденный участок сети при замыкании на зем­ лю одной фазы.

272

Применение быстродействующих АПВ практически исключает этот недостаток.

То или иное заземление нейтрали исключает воз­ можность появления опасных длительных перенапряже­ ний при замыканиях на землю, поэтому с точки зрения уровня изоляции имеют существенное значение другие виды кратковременных внутренних перенапряжений.

Перенапряжения при отключении ненагруокенных ли­ ний. При отключении линии без нагрузки емкостный ток отключается (обрывается) на контактах выключателя при подходе к нулевому значению, когда напряжение на проводе близко к 17ф. Напряжение на отключенном проводе сохраняется тем продолжительнее, чем лучше изоляция и меньше ток утечки. Через полпериода (0,01с) с момента отключения разность потенциалов на контак­ тах выключателя возрастает до удвоенного фазного напряжения. Если в этот момент расстояние между контактами еще невелико, то оно пробивается и по линии распространяется волна — 2Пф, которая при отражении от разомкнутого конца линии достигает величины — 4£/ф. Результирующее напряжение составит —4Нф+ Нф= = ЗНф. Еще через полпериода напряжение на контактах выключателя за счет перемены знака э. д. с. источника питания достигает 4Нф. Если при этом напряжении меж­ ду контактами выключателя еще не будет достаточного расстояния, обеспечивающего необходимую электриче­ скую прочность, то произойдет аналогичный процесс и напряжение на линии может возрасти до 5Е/ф, однако перенапряжения обычно не выходят за пределы 3,5Нф.

Перенапряжения при отключении непогруженных трансформаторов. Отключение тока холостого хода трансформаторов часто сопровождается его обрывом раньше, чем он достигает своего нулевого значения.

При этом освобождаемая магнитная энергия в транс­ форматоре 0,5Li2 преобразуется в электрическую энер­ гию 0,5CU2c . Не учитывая потери энергии, можно напи­

сать: 0,5Li2o6v = 0,5CU2c , откуда Uc = io6p]/LC~1, где L

и С — индуктивность и емкость трансформатора.

Учитывая большую величину индуктивности транс­ форматора и весьма малую величину емкости, можно ожидать значительных перенапряжений. Однако в экс­ плуатации они обычно не превышают 3£/ф при глухом заземлении нейтралей и (4 ж-5) t/ф в сетях с малыми

токами замыкания на землю, так как в любом случае ток обрывается контактами выключателя при значениях, близких к нулевому.

П-3. АТМОСФЕРНЫЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ

Электрические параметры разряда молнии. Молния —•

это электрический разряд в атмосфере между облаком и землей или между облаками, несущими разноименные электрические заряды. Разряд молнии начинается при критической напряженности электрического поля (£кР = 25ч-30 кВ/см) прорастанием к земле слабосветящегося канала — лидера со скоростью 100—1000 км/с (лидер­ ная стадия). При достижении лидером земли возникает главный разряд — нейтрализация зарядов в канале лиде­ ра с большой скоростью (6-104—105 км/с), характери­ зуемый прохождением в месте удара большого импульс­ ного тока— тока молнии, интенсивным свечением канала и образованием ударной звуковой волны. Обычно при разряде молнии наблюдается несколько повторных импульсов тока за счет лритекания зарядов с других частей облака.

Основными количественными характеристиками раз­ ряда молнии в расчетах приняты: амплитуда импульсно­ го тока / м, кА, которая практически не зависит от вели­ чины сопротивления поражаемого объекта; средняя кру­ тизна фронта импульсного тока а: атф = /м, где Тф — дли­ на фронта импульса, мкс (рис. 11-3). Длина волны тока молнии обычно принимается равной тв= 40 мкс. Ампли­ туда и крутизна фронта тока молнии могут изменяться в широких пределах, поэтому их представляют в виде эмпирических кривых или формул в функции вероят­ ности '($7 , Фа)

Наиболее часты токи молнии до 50 кА. Токи от 50 до 100 кА наблюдаются редко « их учитывают при про­ ектировании ответственных объектов.

Амплитуда волны перенапряжения в месте разряда оценивается по формуле

устройства объекта поражения (обычно ZK> Z 0).

274

Защита от прямых ударов молнии. Защиту РУ и дру­ гих объектов от прямых ударов молнии осуществляют при помощи молниеотводов. Молниеотвод состоит из ме­ таллического молниеприемника, который возвышается

Рис. 11-3. Зона защиты стержневого молниеотвода и .параметры импульсного разряда молнии.

1 — сечение зоны защиты на высоте h x; 2 — граница зоны защиты; h — высота

над защищаемым объектом и воспринимает удар мол­ нии, и токопроводящего спуска с заземлителем, через которые ток молнии отводится в землю. Пространство вблизи молниеотвода, в пределах которого поражение защищаемого объекта маловероятно, называют зоной защиты молниеотвода.

Защитное действие молниеотвода проявляется в ли­ дерной стадии развития молнии, когда лидер приближа­ ется к земле. Преимущественное направление движения ступенчатого лидера вблизи земли определяется макси­ мальной напряженностью электрического поля, а послед­ няя имеет наибольшее значение у наиболее возвышаю­ щихся объектов, т. е. у молниеотводов.

Молниеотводы бывают стержневые и тросовые. Стер­ жневые молниеотводы применяют для защиты от прямых ударов молнии открытых распределительных устройств,

одного стержневого молниеотвода (рис. 11-3) представ­ ляет собой конус с сечением в горизонтальной плоскости в виде круга с радиусом гх на высоте hx. Значения гх определяют по формуле

тяженных и занимающих большую площадь, применяют два, три и большее число стержневых молниеотводов.

Т р о с о в ы е м о л н и е о т в о д ы . Поперечное сечение зоны защиты одиночного тросового молниеотвода ана­ логично сечению, изображенному на рис. П-З для оди­ ночного стержневого молниеотвода, но гх подсчитывается по формуле

(II -5)

при h<^30 м.

Для определения радиуса защиты внешних областей двух параллельных тросовых молниеотводов используют

276

формулу (11-5). Тросы на линии электропередачи подве­ шивают так, чтобы провода всех трех фаз линии входили в зону защиты тросовых молниеотводов.

Заземляющие устройства молниеотводов служат для отвода токов молнии в землю. Чем меньше сопротивле­ ние заземлителя, тем меньше потенциал в месте удара молнии.

Атмосферные перенапряжения и защита линии. Рас­ пределительные устройства электроустановок надежно защищают от прямых ударов молнии молниеотводами, и .появление опасных для изоляции атмосферных пере­ напряжений связано с поражениями молнией линий электропередачи.

Эффективность грозозащитных устройств на линиях электропередачи оценивают грозоупорностью линий, ха­

ными перенапряжениями при 20 грозовых днях в году; 2) защитным уровнем / защ.— предельным значением амплитуды тока молнии, при которой еще не происходит

перекрытия изоляции линии.

Удельное число отключений зависит от интенсивно­ сти грозовой деятельности на трассе, защитного уровня линии и от вероятности перехода импульсного перекры­ тия изоляции в устойчивую силовую дугу (при токах молнии, превышающих / 3ащ.).

Защитный уровень линий электропередачи 100 кВ и выше на металлических или железобетонных опорах установлен Руководящими указаниями по защите от перенапряжений |Л. 35]. Для линий на деревянных опо­ рах и линий напряжением ниже 110 кВ защитный уро­ вень не нормирован.

Индуктированные перенапряжения возникают на проводах линий электропередачи как при прямом .пора­ жении молнией линии, так и при ударе молнии вблизи линии и являются следствием быстрого изменения элек­ тромагнитного поля канала молнии в момент главного разряда. В соответствии с этим различают: элект­ ростатическую составляющую индуктированных пере­ напряжений, вызванную быстрым изменением электри­ ческого поля, и магнитную составляющую, вызванную быстрым изменением магнитного поля в момент глав­ ного разряда молнии.

277

Рассмотрим возникновение волн перенапряжения на проводах линии вследствие изменения электрического поля при нейтрализации зарядов лидерного канала. При прорастании к земле лидерного канала (обычно с отри­ цательными зарядами), двигающегося с относительно небольшой скоростью, под действием электрического поля его зарядов в проводе возникает ток за счет притекания положительных зарядов с дальних участков линии (электростатическая индукция). По мере приближения лидера к земле суммарный заряд на проводах увеличи­ вается и потенциал их достигает значения U0.

Главный разряд молнии (нейтрализация канала) про­ текает с большой скоростью, и в течение нескольких

бождаются и возникают две электромагнитные волны с потенциалами U0/2, движущиеся по линии от места возникновения в противоположных направлениях.

Результирующий максимальный индуктированный потенциал провода у пораженной опоры без специальной тросовой защиты (молниеотвода в виде троса) определя­ ется по формуле [Л. 36]

(П-6)

где k0—коэффициент, зависящий от скорости обратного разряда; h — средняя высота подвеса провода, м; b — расстояние от линии до места удара молнии, м.

Индуктированные перенапряжения опасны для фаз­ ной изоляции линий 6—35 кВ на металлических и желе­ зобетонных опорах, поэтому уровень изоляции этих ли­ ний повышают, увеличивая число элементов в гирлянде изоляторов.

П е р е н а п р я ж е н и я п р я м о г о у д а р а м о л н и и . Удар молнии в провод линии электропередачи приводит к возникновению наиболее опасных перенапряжений.

Рассмотрим случай прямого поражения провода ли­ нии на металлических опорах. Волновое сопротивление

в соответствии с законом Ома и с учетом того, что про-

278

в обе стороны по линии от места поражения, что соот­ ветствует в схеме замещения параллельному включению сопротивлений Z a). После исключения из этого выраже­

При импульсном перекрытии изоляции и прохожде­ нии кратковременного тока молнии под действием на­ пряжения сети возможно образование устойчивой элек­ трической дуги замыкания на землю. Вероятность пере­ хода импульсного перекрытия в устойчивую дугу зависит от величин номинального напряжения сети и длины пути перекрытия. На линиях с металлическими и железобе­ тонными опорами длина пути перекрытия равна длине гирлянды изоляторов и вероятность установления дуги велика. Например, на линиях напряжением 110 кВ па указанных опорах в шести— семи случаях из десяти им­ пульсное перекрытие приводит к возникновению дуги, т. е. однофазному к. з. Поэтому линии электропередачи напряжением ПО кВ и выше на металлических и желе­ зобетонных опорах должны иметь специальную защиту проводов от прямых поражений молнией: тросы, молние­ отводы.

Для линий с тросовой защитой расчетным является случай поражения молнией троса вблизи опоры. При этом ток молнии растекается по заземлителям опор, бли­ жайших к месту поражения. Через заземлитель поражен­ ной опоры проходит ток / оп, поэтому напряжение на ее вершине составляет 7on4i отрицательного знака, где ги — сопротивление относительно земли заземлителя при про­ текании через него расчетного импульсного тока.

Заряд, индуктированный лидером молнии, создает на проводе положительный потенциал.

Ток /с.оп, проходя по тросу в заземлители соседних опор, индуктирует на проводах напряжение отрицатель­ ной полярности. В приближенных расчетах можно при­ нять, что индуктированное лидером положительное на­ пряжение компенсирует отрицательное напряжение, ин­ дуктированное током / с.од-

279

Ток в опоре, ближайшей к -месту поражения, состав­ ляет обычно 70—80% полного тока молнии, поэтому -на­ пряжение по фазной изоляции приближенно можно вы­ разить формулой

где Ум — амплитуда расчетного тока молнии.

Отсюда защитный уровень линии с тросовой защитой

где U50o/ —- импульсное разрядное напряжение изоляции

(§П -4)°

Следовательно, чем -больше -сопротивление заземлителя опоры относительно земли, тем -ниже защитный уровень линии. Обычно ги<с; 10 Ом. При ги= 1 0 Ом за­ щитный уровень линии

в гирлянде для каждой ступени номинального напряже­ ния) определяется по максимально возможной величине внутренних перенапряжений и устанавливается испыта­ тельным напряжением промышленной частоты под дож­ дем, т. е.

ТуШUф,

где т — возможная кратность внутренних перенапряже­ ний в сети данного напряжения; Рм— испытательное на­ пряжение промышленной частоты под дождем (мокро­ разрядное напряжение).

11-4. РАЗРЯДНИКИ

Для защиты изоляции электрооборудования РУ от волн атмосферных перенапряжений, набегающих со стороны линий, необходимо искусственно снизить ампли­ туду этих волн. Последнее достигается при -помощи раз­ рядников.

Искровой промежуток является простейшим разряд­ ником, состоящим из двух электродов, один из которых соединен с заземлителем (рис. 11-4,о). В нормальном режиме искровой промежуток отделяет токоведущую

280