книги из ГПНТБ / Гессен В.Ю. Защита сельских электрических сетей от аварий

При емкостной нагрузке, т. е. при угле сдвига фаз на­ пряжения и тока, равном 90°, в момент погасания дуги напряжение равно амплитудному значению. При этом емкость линии может остаться заряженной до амплитуд­ ного значения фазного напряжения. Через полпериода напряжение на контактах, связанных с источником энер­ г и и — ш и н а м и распределительного устройства, снова до­ стигнет амплитудного значения, но противоположной полярности. Следовательно, разность потенциалов между контактами выключателя окажется равной удвоенной амплитуде фазного напряжения. Если электрическая прочность промежутка между контактами выключателя еще не успеет восстановиться, промежуток пробьется. Снова возникнет дуга. Начнется колебательный процесс перезарядки емкости линии. Амплитуда колебаний на­ пряжения будет равна удвоенному фазному напряжению. Если частота колебаний при этом окажется существенно больше 50 Гц, то мгновенное значение напряжения ча­ стоты 50 Гц еще не успеет заметно измениться, а напря­ жение, обусловленное колебательным процессом, уже достигнет максимального значения. Напряжение на ли­ нии окажется почти втрое большим, чем амплитуда фаз­ ного напряжения. Снова возможен пробой промежутка, возникновение дуги, дальнейшее повышение напряже­ ния и т. д.

При включении ненагруженной линии волна напряже­ ния, появившаяся в линии в момент замыкания контак­ тов выключателя или в момент искрового пробоя между его сближающимися контактами, устремится к концу линии. Отражение волны от разомкнутого конца линии приводит к удвоению первоначальной амплитуды. Если включение производилось в момент, когда мгновенное значение фазного напряжения было максимальным, на­ пряжение на проводе этой фазы может достичь удвоенной величины амплитуды фазного напряжения.

При отключении коротких замыканий в линии возни­ кает колебательный переходный режим, обусловленный резким изменением напряжения от близкого к нулю до нормального напряжения. При коротком замыкании на­ пряжение считают равным нулю, при отключении к. з. напряжение восстанавливаетя до нормального. Пе­ реходный режим может сопровождаться повышением напряжения вследствие наложения колебаний переход­ ного режима на напряжение основной частоты 50 Гц.

41

Повышения напряжения возникают также при отклю­ чении ненагруженных силовых трансформаторов. Отно­ сительно небольшой ток намагничивания силового транс­ форматора не всегда способен поддержать горение дуги на расходящихся контактах выключателя, и выключатель может оборвать этот ток до перехода его через нуль. Переходный процесс в этом случае обусловлен резким изменением тока в трансформаторе: от мгновенного зна­ чения, равного величине обрываемого тока, до нуля. Изменение тока в трансформаторе приводит к возникно­ вению электродвижущей силы (э. д. с ) , величина кото­ рой зависит от скорости изменения тока. Быстрое изме­

При нормальном уровне изоляции электрических установок напряжением до 35 кВ включительно рас­ смотренные случаи коммутационных перенапряжений не опасны для изоляции, так как развитие перенапряже­ ний ограничивается значительными активными сопро­ тивлениями линий, а запас электрической прочности изо­ ляции в электроустановках этих классов напряжения достаточно велик.

Д л я электроустановок напряжением 10 кВ опасны однофазные замыкания на землю, которые могут привести к возникновению перемежающейся дуги. Допустим, произошло повреждение изоляции одной из фаз относи­ тельно земли так, что между местом повреждения и зем­ лей произошел пробой воздушного промежутка и загоре­ лась дуга. Иными словами, пошел переменный ток между поврежденной и неповрежденными фазами через дугу, землю и емкость здоровых фаз относительно земли. Периодически изменяясь, ток дважды за период стано­ вится равным нулю, и электрическая цепь как бы преры­ вается. Дуга при этом гаснет, напряжение на промежутке восстанавливается и начнет восстанавливаться электри­ ческая прочность промежутка, в котором горела дуга. Если нарастание электрической прочности промежутка происходит быстрее, чем восстановление напряжения на промежутке, дуга больше не загорится. Если же напря­ жение возрастет скорее, чем восстановится электриче­ ская прочность, дуга загорится вновь. В электрической сети дважды за период будут происходить пробой изо­ ляции, возникновение дуги и ее погасание. При зажига­ нии дуги и ее погасании будут возникать высркочастот-

4?

мые колебания и, как следствие этого, — перенапряже­ ния в сети.

Условия восстановления электрической прочности зависят от величины тока через дуговой промежуток. Электроды, между которыми горит дуга, при большом токе настолько разогреваются, что восстановления элек­ трической прочности промежутка вообще не происходит, и горит устойчивая дуга. В этом случае перенапряжения не возникают, но в месте горения дуги может произойти авария вследствие разрушения той части установки, где горит дуга. Емкостный ток недостаточен для поддержа­ ния устойчивой дуги, но при достаточной величине он может быть причиной возникновения перемежающейся дуги. Следует отличать п е р е м е ж а ю щ у ю с я электри­ ческую дугу от п р е р ы в и с т о й дуги, обусловленной случайными прикосновениями к проводам сети с изо­ лированной нейтралью каких-либо заземленных пред­ метов, например ветвей деревьев на участках плохой расчистки трассы.

Чтобы в электрической сети напряжением 10 кВ поддерживалась перемежающаяся дуга, необходим ем­ костный ток 30 А или больше. Этому соответствует около

. кого тока электрическая прочность промежутка восста­ навливается быстро (продуктов горения дуги в проме­ жутке мало) . и перемежающаяся дуга не поддержи­ вается.

При несимметричных коротких замыканиях форма кривой напряжения может исказиться. В э. д. с. генера­ торов появляются высокочастотные составляющие, т. е. на э. д. с. частотой 50 Гц накладываются электродвижу­ щие силы с частотой в три, пять, семь и т. д. раз, превы­ шающей основную частоту. При одной из этих частот емкостное сопротивление линии может оказаться рав­ ным индуктивному сопротивлению генераторов и транс­ форматоров, в свою очередь это может вызвать резонанс­ ное повышение напряжения соответствующей частоты. Обычно амплитуда напряжения высокочастотных соста­ вляющих не превышает 5% амплитуды напряжения ос­ новной частоты. При коротких замыканиях доля высоко­ частотных составляющих в кривой напряжения увели­ чивается. В случае резонанса при повышенной частоте напряжение этой частоты может оказаться соизмеримым

43

с напряжением рабочей частоты. В электроустановках 10 кВ при этом опасность для изоляции ие возникает. Отрицательный эффект резонанса на повышенной час­ тоте проявляется преимущественно в виде помех радио­ приему.

Когда в системе с изолированной нейтралью обры­ вается и падает на землю провод, возникает новая схема: источник энергии присоединен к индуктивности транс­ форматора, подключенного к ВЛ за местом обрыва, че­ рез реактивное сопротивление, обусловленное емкостью проводов ВЛ на землю. Напряжение на реактивном емкостном сопротивлении пропорционально току, а на индуктивном — зависимость между напряжением и то­ ком аналогична кривой намагничивания стали. Ввиду

в химии названия железа — феррум). При феррорезонансе возможно возникновение повышенных напряжений в ли­ нии и на трансформаторе, а также внезапное изменение направления вращения электродвигателя небольшой мощности из-за нарушения обычного чередования' фаз. Величины перенапряжений ограничиваются активными сопротивлениями и не достигают опасных значений.

В сельских электроустановках напряжением до 35 кВ включительно обычно никаких мер защиты от внутрен­ них перенапряжений не применяют, поскольку величины перенапряжений непосредственной опасности для изо­ ляции не представляют. Однако внутренние перенапря­ жения все же сказываются на работе электроустановок. Многократные воздействия на изоляцию даже неболь­ ших повышений напряжения в некоторых случаях уско­ ряют ее износ.

Атмосферные перенапряжения. При прямых ударах молнии в элементы электроустановок,-а также при уда­ рах или грозовых разрядах вблизи от них, в электроуста­ новках возникают перенапряжения в виде импульсов повышенного напряжения. Наиболее опасными являются перенапряжения, обусловленные прямыми ударами мол­ нии в провода. Амплитуда (наибольшая величина) таких перенапряжений может достигать нескольких миллионов вольт. Если удар молнии или разряд между облаками произойдет вблизи линии электропередачи, в проводах линии возникают индуктированные перенапряжения. Их амплитуда в редких случаях превышает 200—300 кВ .

44

Особенность техники грозозащиты состоит в том, что регулировать параметры грозового разряда и воз­ никновение гроз ие представляется возможным. Много­ летние наблюдения за грозовой деятельностью дали материал-, позволяющий судить о распределении основ­ ных параметров грозового разряда и об интенсивности грозовой деятельности в различных районах. Эти мате­ риалы используются при разработке грозозащитных мероприятий. Изучение работы грозозащитных устройств

нее число грозовых часов в году колеблется от 10 до 40. Иногда интенсивность грозовой деятельности оценивают

В районах со средней интенсивностью грозовой деятель­ ности на каждые 100 км линии приходится в среднем 10— 20 поражений прямыми ударами в год.

Вероятность поражения подстанций прямыми уда­ рами молнии меньше вероятности поражения воздушных линий, так как последние благодаря их значительной про­ тяженности собирают удары молнии с больших площадей.

Перенапряжения, возникающие на проводах ВЛ, распространяются по ним со скоростью, близкой к ско­ рости света, в виде блуждающих, волн. Волны, распро­ страняясь по проводам ВЛ, могут проникнуть на подстан­ ции и в электропроводки потребителей. Электрическая прочность изоляции подстанционного оборудования обычно ниже, чем линейной изоляции, и перенапряжения неопасные для изоляции линии могут привести к повре­ ждениям на подстанции.

Оборудование подстанций и провода ВЛ недоступны для населения. Приближение на опасное расстояние к токоведущим частям на подстанции и к проводам ВЛ практически исключено. С электропроводками и электро­ приемниками, напротив, население постоянно соприка­ сается. Если волны перенапряжения проникнут с ВЛ в проводки потребителей, возможныпоражения людей, возникновение пожаров, повреждение электрооборудо­ вания и проводки. В сельских электрических сетях, где распределение электроэнергии осуществляется почти исключительно по воздушным линиям, волны перенапря­ жений довольно часто проникают в проводки.

45

ГРОЗОЗАЩИТНАЯ АППАРАТУРА

Принцип действия. Грозозащитные аппараты: вен­ тильные разрядники (РВ), трубчатые разрядники (РТ) и защитные искровые промежутки (ПЗ) включают между землей и проводами каждой фазы. При перенапряжениях искровой промежуток (непременный элемент грозоза­ щитного аппарата) пробивается, энергия волны отводится в землю и перенапря­ жение срезается. Этот процесс может быть представлен следующим образом. Вдоль ВЛ дви­ жется волна перенапря­

жения с амплитудой Um (рис. 11) по направле­ нию к разряднику с про­ бивным напряжением искрового промежутка Unp. Мимо разрядника по ВЛ пройдет началь­ ная часть волны. Как

только напряжение на разряднике достигнет величины £ / п р , искровой промежуток разрядника пробьется и волна будет срезана. После пробоя искрового промежутка в землю пойдет импульсный ток. Напряжение на разрядни­ ке, а также в линии за разрядником по ходу волны будет определяться падением напряжения (i„JR3) в сопротивле­ нии заземления R3 от импульсного тока t'„. В момент пробоя искрового промежутка фазный провод окажется соединенным с землею, т. е. возникнет замыкание на землю.

Процессы, рассмотренные для одной фазы, могут воз­ никать в двух или в трех фазах. Тогда при пробоеискро-

47

вых промежутков произойдет короткое замыкание, двух­ фазное или трехфазное, и через искровые промежутки, кроме, импульсного тока, пойдет ток рабочей частоты — сопровождающий ток. Дуга сопровождающего тока, установившаяся в искровом промежутке под действием рабочего напряжения, может не погаснуть до тех пор, пока не будут приняты специальные меры для ее гашения.

определяемой величиной приложенного напряжения и геометрией (размерами и конфигурацией) изоляционного промежутка, так и от времени воздействия напряжения.

Д л я пробоя изоляции требуется ничтожно малое время на формирование разряда, т. е. на выделение энергии электрдческой искры. При воздействии импульсов ат­ мосферного электричества время формирования разряда влияет на величину пробивного напряжения . Известно, что импульсное пробивное напряжение выше, чем про­ бивное напряжение при частоте 50 Гц, так как при воздей­ ствии импульса с амплитудой, равной амплитуде напря­ жения промышленной частоты, достаточного для пробоя, разряд не успевает развиться. При воздействии импульс­ ных напряжений с различной амплитудой и различной

48

формой волны также наблюдается зависимость величины

характеристикой. Д л я надежной защиты изоляции вольтсекундная характеристика защитного аппарата должна быть на 15—20% ниже вольт-секундной характеристики защищаемой изоляции. В справочной литературе и в стан­

Вентильные разрядники. Основной грозозащитный аппарат для подстанциониого электрооборудования — это вентильный разрядник. Все схемы грозозащиты под­ станций в электросистемах строятся с применением вен­ тильных _ разрядников. Требования к электрической прочности изоляции электрической аппаратуры подстан­ ций, в первую очередь трансформаторов, увязаны с воз­ можностями вентильных разрядников обеспечивать соот­ ветствующий уровень защиты от волн перенапряжения.

49

для присоединения к фазному проводу и к заземлению. Искровой промежуток образуется двумя латунными

50