книги из ГПНТБ / Будзко И.А. Электроснабжение сельского хозяйства учеб. пособие

Рис. 146. К примеру 3:

а — расчетная схема; б — схема замещения и ее преобразование.

Потери к. з. трансформатора 2,4 кВт. Активное сопротивление трансфор­ матора

а индуктивное сопротивление

X l = У z* — r\ = ]/60,52 — 26,42 = 54,3 Ом.

Для провода ПС25 принимаем средние значения сопротивлений:

Если ток однофазного к. з. не обеспечивает срабатывания защитной аппара­ туры, то увеличить его можно, заменив стальные провода ПС25 на алюминиевые.

Г л а в а X

ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ И ЗАЩИТА ОТ НИХ

§ 1. Перенапряжения и их классификация

Одной из основных причин возникновения аварийных режимов в электрических установках являются ненормальные кратковремен­

напряжения, которое с небольшими колебаниями (до 15%) может длительно воздействовать на изоляцию. При выборе изоляции номи­ нальное напряжение принимают во внимание потому, что ряд изоли­ рующих материалов, использующихся в практике, обладает электри­ ческой прочностью, то есть способностью выдерживать без пробоя или перекрытия ту или иную напряженность электрического поля, суще­ ственно зависящую от продолжительности воздействия напряжения. Однако в основном вопрос выбора изоляции решается не длительно действующими на нее напряжениями, а теми кратковременными по­ вышениями напряжений, которые вследствие ряда причин всегда могут возникнуть в процессе эксплуатации электрических установок. Кратковременные повышения напряжения в электрических установ­

Перенапряжения внутреннего происхождения, часто называемые коммутационными, связаны с различными процессами в электрических установках и могут характеризоваться определенным кратковремен­ ным возрастанием напряжения по отношению к -нормальному напря­ жению или кратностью. Перенапряжения внешнего происхождения, или атмосферные, возникающие в результате воздействия на электри­ ческую установку грозового облака или молнии, не связаны с нормаль­ ными режимами установки. Их обычно характеризуют величинами, выраженными в вольтах.

Подавляющее большинство перенапряжений внутреннего происхож­ дения представляет собой высокочастотные быстрозатухающие коле­ бания (рис. 147, а) с частотой, в десятки и сотни раз большей, чем частота нормального режима. Атмосферные перенапряжения обычно

имеют форму апериодического импульса (волны), при котором потен­ циал на данном элементе электрической установки очень быстро

t2 с начала процесса до момента, когда потенциал на спадающей части импульса (на хвосте волны) становится равным 50% амплитуды, на­ зывают д л и н о й в о л н ы . Поскольку нормальное напряжение почти всегда значительно меньше амплитуды импульса, считают обычно, что последний нарастает от потенциала, равного нулю.

Для нормальной изоляции сельских электрических установок большинство перенапряжений внутреннего происхождения не пред­ ставляет опасности.

Рис. 147. Формы перенапряжений:

а — внутреннего происхождения; б — внешнего (атмосфер­ ного) происхождения.

Эти перенапряжения возникают вследствие переходных процессов в электрических установках при нормальных коммутационных опе­ рациях в них (включениях и отключениях машин, трансформаторов, линий передачи) и при авариях (короткие замыкания между фазами и замыкания на землю, обрыв проводов). К категории перенапряже­ ний внутреннего происхождения относятся также и резонансные явления на повышенных частотах (трехкратная, пятикратная), воз­ никающие под действием искажения синусоидальной формы кривой напряжения при несимметричных коротких замыканиях. К этой ж е категории относятся и дуговые перенапряжения, являющиеся след­ ствием горения перемежающейся дуги при замыканиях на землю од­ ной фазы в установках с изолированной нейтралью. Они также не опасны для изоляции сельских установок. Однако то, что эти перена­ пряжения могут повторяться в течение длительного промежутка вре­ мени и при этом распространяться на все элементы, электрически связанные с местом, где горит дуга, заставляет при определенных ус­ ловиях принимать соответствующие меры защиты от них.

Атмосферные перенапряжения возникают вследствие прямого удара молнии в элементы электрической установки. Они могут также пред­ ставлять собой результат индукции электростатического поля грозо-

вого облака, проявляющейся при разряде грозовых облаков между собой или на землю вблизи элементов электрической установки. На­ конец, они могут быть следствием действия магнитного поля грозово­ го разряда, возникшего близко от элементов электрической установки. Атмосферными перенапряжениями в основном поражаются провода воздушных линий передачи, так как протяженность этих линий дела­ ет воздействие на них гроз более вероятным. Атмосферные перенапря­ жения при прямых ударах молний в элементы электрических устано­ вок достигают очень больших значений, часто измеряемых миллиона­ ми вольт, и конечно, чрезвычайно опасны для изоляции. Менее опасны перенапряжения, являющиеся следствием электростатической индук­ ции, и еще менее опасны перенапряжения, возникающие как резуль­ тат действия магнитного поля грозового разряда.

Опыт проектирования и эксплуатации электрических установок показывает, что только в том случае, если изоляция их элементов выбрана с учетом значений возможных атмосферных перенапряже­ ний и приняты необходимые меры защиты, можно добиться надежной и бесперебойной работы, доведя до минимума аварийный недоотпуск электрической энергии потребителям.

Следует отметить, что перенапряжение, возникающее на одном из элементов электрической установки, не локализуется на нем, а рас­ пространяется по всем другим элементам, электрически связанным с местом возникновения перенапряжения. При этом может оказаться, что нарушение электрической прочности изоляции и авария последуют не там, где возникло перенапряжение, а в любом другом элементе установки, изоляция которого обладает меньшим запасом электричес­ кой прочности. Часто ослабленная изоляция может оказаться у эле­ мента, более важного с точки зрения обеспечения надежности электро­ снабжения и более дорогого, например у трансформатора или даже генератора. Повреждение изоляции такого элемента перенапряжени­ ем — это необратимый процесс, разрушающий изоляцию так, что дальнейшее ее использование уже невозможно. Поврежденный эле­ мент нуждается в ремонте, который задерживает на длительный срок восстановление нормальных условий электроснабжения.

Опыт эксплуатации и значительное количество лабораторных иссле­ дований показывают, что все виды изоляции, применяющиеся в совре­ менных электрических установках, обладают электрической прочно­

собой весьма кратковременные апериодические импульсы, очень важ­ но знать, как ведет себя изоляция в условиях действия на нее импульс­ ных напряжений.

Исследование этого вопроса возможно только в лабораторных условиях, где кратковременные импульсы напряжения воспроизво­ дят при испытаниях изоляции искусственно, путем использования соответствующих испытательных установок (генераторы импульсов напряжения).

Обычно фронт волны, возникающей в эксплуатации вследствие грозы, измеряется микросекундами или десятками? микросекунд, а ее длина — десятками или сотнями микросекунд. Те же параметры могут быть получены и в лаборатории. Для измерений столь кратко­ временно действующих напряжений, а также для определения очень коротких промежутков времени, в течение которых изоляция выдер­ живает эти напряжения, необходимо использовать безынерционные приборы — катодные осциллографы.

Использовав генератор импульсов напряжения как испытатель­ ную установку и катодный осциллограф как измерительный прибор,

и молнии.

По ориентировочным подсчетам во время гроз в земную поверх­ ность ударяет в среднем около 100 молний в секунду. Эти удары пора­ жают насмерть или серьезно травмируют людей и животных, вызы­ вают пожары и повреждения различных сооружений. Это особенно касается сетей напряжением до 1000 В, соединенных с потребителем.

Изучение атмосферного электричества и явления грозы было на­ чато М. В. Ломоносовым и В. Франклином в середине X V I I I века. В настоящее время изучению грозы и молнии, а также воспроизведе­ нию и изучению искусственной «молнии» (искры большой длины) в лаборатории уделяется большое внимание, что связано с интенсив­ ным развитием передачи электрической энергии на все возрастающие расстояния и с развитием радио во всех его современных применени­ ях. Несмотря на огромный теоретический и экспериментальный мате­ риал, накопленный к настоящему времени, все же до сих пор нет пол­ ной ясности в ряде вопросов, связанных с явлением грозы. Однако

этот материал дает возможность всегда находить инженерные решения, способные с достаточной надежностью защитить электрические уста­ новки от воздействия гроз.

Образование грозовых облаков всегда тесно связано с тепловым перемещением больших масс воздуха, нагреваемого у поверхности земли. Теплый воздух, поднимаясь вверх, уносит влагу в виде водя­ ных паров из почвы и водоемов. По мере удаления нагретого воздуха от земной поверхности он охлаждается, а содержащийся в нем водяной пар частично конденсируется в мельчайшие капельки воды, увлекае­ мые течением теплого воздуха вверх. Если в воздухе много влаги, конденсирующиеся капельки воды уплотняются, образуя быстро растущее облако, которое приобретает характерную темную окраску

н ы е, охватывающие значительную территорию и возникающие обыч­ но при резких изменениях погоды, и з и м н и е— явление, сравни­ тельно редкое и кратковременное.

Наиболее распространены грозы фронтальные и тепловые. Для большинства районов нашей страны они бывают почти исключительно в период с апреля по октябрь. Зимние грозы возникают в зимние ме­ сяцы, они встречаются редко и далеко не во всех районах, но обычно. сопровождаются сильными разрядами. Интенсивность грозовых раз­ рядов при фронтальных и тепловых грозах примерно одинакова, но, поскольку фронтальные грозы всегда захватывают большую террито­ рию, они более опасны для электрических установок.

Распределение гроз по земной поверхности очень неравномерно.

шинства областей Европейской части СССР среднее число грозовых часов в году колеблется от 22 до 45, но в некоторых районах их число составляет более 45 (например, Донбасс) или менее 22 (северные об­ ласти). В районах со средней интенсивностью грозовой деятельности каждые 100 км воздушных линий передачи поражаются в среднем 10—20 прямыми ударами молнии в год. На большей части территории

СССР в каждый квадратный километр земной поверхности в среднем ударяют 1—2 молнии в год.

Электрический заряд грозового облака при фронтальных и теплог вых грозах создается потому, что при движении капелек воды в под­ нимающихся потоках теплого воздуха сравнительно крупные капли дробятся на более мелкие. При этом происходит процесс разделения

жительных и отрицательных зарядов. В подавляющем большинстве

случаев нижние части грозового облака заряжены отрицательно. Этим обстоятельством объясняется то положение, что в равнинных местностях 80—90% всех грозовых разрядов, сопровождающихся прямым ударом молнии в элементы электрических установок, создает в них волны перенапряжений отрицательной полярности. При зим­ них грозах электрический заряд облака является следствием трения между снежинками, образующими это облако.

Грозовые разряды имеют • различный внешний вид. Чаще всего

ких установках вызываются линейными молниями. Другие виды

§ 3. Атмосферные перенапряжения

Линейная молния, вызывающая атмосферные перенапряжения в электрических установках, обычно состоит из ряда очень кратковре­ менных разрядов, происходящих через некоторые промежутки време­ ни, что объясняется характером проводимости грозового облака, представляющего собой почти совершенный диэлектрик. Водяные капельки, поглотившие при конденсации электрические заряды, мало­ подвижны. Так что, когда какая-то часть облака разряжается, необ­ ходим значительный промежуток времени для восстановления заряда за счет разрядов внутри облака и движения капелек с зарядами в воздухе.

Примерно 50% всех молний состоит из повторных разрядов, сред­ нее число которых равно 3—4, а максимальное доходит до 40. Интер­ валы между отдельными разрядами колеблются от тысячных до деся­ тых долей секунды, в то время как продолжительность каждого раз­ ряда составляет обычно не более нескольких десятков микросекунд.

Каждый отдельный разряд состоит из предразрядного процесса и главного разряда. Предразрядный процесс первого разряда обычно развивается как ступенчатый пробой искрового промежутка, после­ довательно ионизирующий толщу атмосферы между тучей и землей или между двумя грозовыми облаками. Каждая ступень предразряд­ ного процесса ионизирует 50—100 м промежутка, после чего предраз­ рядный процесс приостанавливается на время от 10 до 100 мкс. Ско­ рость развития ступенчатого предразрядного процесса составляет порядка 1000 км/с.

Когда образующийся предразрядным процессом канал пробоя при­ ближается к земле, от одного из выступающих заземленных предметов может возникнуть встречный канал от земли к облаку, развивающийся также ступенями. После того как канал предразрядного процесса дос­ тигнет земли или произойдет встреча каналов предразрядных процес­ сов от облака и от земли, разовьется главный разряд, идущий от