1

Дуговые перенапряжения могут возникнуть в сетях напряжением выше 1 кВ при однофазных замыканиях на землю через перемежающуюся дугу в сетях с изолированной нейтралью; при резонансных явлениях. Величина их превышает в 4÷4,5 раза номинальное напряжение. Наибольшую кратность по отношению к номинальному напряжению имеют перенапряжения, вызванные однофазными замыканиями на землю через дугу, для ограничения которых применяют компенсацию емкостного тока замыкания на землю с помощью дугогасящих реакторов.

Компенсация емкостного тока замыкания должна применяться в следующих случаях: в сетях напряжением 35 кВ при токах замыкания на землю более 10 А; в сетях напряжением 15÷20 кВ при токах более 15 А; в сетях напряжением 6÷10 кВ при токах замыкания на землю соответственно 30 и 20 А.

Остальные причины возникновения перенапряжений определяют относительно небольшую кратность и при соответствующем выборе изоляции не представляют опасности для электроустановок. Поэтому электрооборудование напряжением до 220 кВ не требует специальных мер по ограничению внутренних перенапряжений.

Опасной категорией перенапряжений являются внешние воздействия на электрическую систему, обусловленные разрядами молнии, это так называемые грозовые перенапряжения. В отличие от коммутационных они не зависят от величины рабочего напряжения электроустановки. Различают два вида внешних перенапряжений – индуктированные и прямого удара молнии.

Прямой удар молнии проявляется в непосредственном контакте канала молнии с объектом и сопровождается протеканием через него тока молнии. Помимо этого встречаются вторичные проявления молнии, при которых происходит наведение потенциалов на металлические элементы конструкций, в незамкнутых металлических контурах за счет близких разрядов молнии и создания опасного искрения внутри защищаемого объекта.

Прямые и близкие удары молнии создают опасность искрения за счет заноса высокого потенциала в защищаемое здание или сооружение с

3

протяженными металлическими конструкциями (эстакадами, кабелями, трубопроводами).

Процесс образования грозового разряда обусловлен накоплением электрических зарядов в грозовом облаке, образованием канала молнии и протеканием грозового разряда после образования канала. Образование же электрических зарядов связано со сложным процессом термодинамических и аэродинамических явлений, вызывающих восходящие воздушные потоки, в которых конденсируются молекулы воздуха и пара, образуя водяные капли с поляризацией электрических зарядов.

Молния представляет собой электрический разряд в атмосфере между облаком и землей. Нижняя часть облака обычно несет отрицательные заряды и образует с землей своеобразный конденсатор (см. рис. 1, а).

Индуктированные перенапряжения на проводах электропередачи возникают при ударе молнии в землю или при ударе в защитный трос или землю. На рисунке 1, б, в показан процесс накопления зарядов и образования волн индуктированного перенапряжения в проводах линии при ударе в защитный трос. Амплитуда таких перенапряжений составляет 400÷500 кВ, что представляется опасным для изоляции электроустановок и линий напряжением до 35 кВ на металлических и железобетонных опорах. Уровень изоляции таких линий можно повысить, увеличив число подвесных изоляторов в гирлянде. Отдельно стоящие металлические опоры напряжением 35 кВ и места с ослабленной изоляцией линий с деревянными опорами защищают трубчатыми разрядниками.

Перенапряжения, обусловленные прямым ударом молнии, достигают нескольких миллионов вольт и оказываются опасными для линий всех рабочих напряжений. При прямом ударе весь заряд через пораженный участок стекает в землю и величина перенапряжения зависит от сопротивления стеканию тока.

4

грозовыми разрядами, распространяются примерно со скоростью света. Они характеризуются определенной амплитудой и крутизной волны. Для ограничения перенапряжений на подходах к подстанции и на самой подстанции устанавливаются разрядники, включаемые между фазой и землей.

Основным элементом разрядника является искровой промежуток, электрическая прочность которого значительно ниже электрической прочности изоляции электрооборудования в самом слабом ее месте.

Зависимость времени пробоя искрового промежутка разрядника от приложенного напряжения называется вольт-секундной характеристикой. Расположение вольт-секундной характеристики (ее крутизна) определяется конструктивными особенностями искровых промежутков (формой, размерами, расстоянием между ними).

Для надежного снижения волны перенапряжения вольт-секундная характеристика искрового промежутка разрядника должна быть ниже вольтсекундной характеристики защищаемой изоляции (см. рис. 2).

Если вольт-секундная характеристика разрядника будет крутой (см. рис. 2, пунктирная линия) и пересечет вольт-секундную характеристику изоляции, то изоляция не будет защищена разрядником при малых продолжительностях разряда.

Характер работы искровых промежутков разрядников при набегании волн перенапряжений, превышающих их импульсное пробивное напряжение, показан на рисунке 3. Когда напряжение набегающей волны перенапряжения достигнет значения импульсного пробивного напряжения искрового промежутка, последний пробивается и напряжение волны снижается из-за изменения волнового сопротивления участка сети. Дальнейшее изменение волны на разряднике и величина остаточного напряжения на разряднике U

определяются падением напряжения на разряднике при протекании по нему импульсного тока. Пробой обычно проходит во всех трех фазах и при срабатывании разрядника вслед за импульсным током протекает сопровождающий его ток промышленной частоты. Максимальное остаточное

6

напряжения должно быть меньше разрядного напряжения U р защищаемой

изоляции.

Если разрядник установлен в конце линии, то распространяющаяся вдоль линии волна, встречает на своем пути разрядник, перекрывает искровой промежуток и переходит с линии с волновым сопротивлением ZB на сопротивление разрядника R. Поскольку сопротивление изменяется, происходит частичное отражение волны. Для точки присоединения разрядника характерно следующее соотношение токов и напряжений:

i1 −i2 = i3 ; U1 +U2 =U3 ,

где U1 и i1 – напряжение и ток набегающей волны; U2 и i2 – то же отраженной волны; U3 и i3 – напряжение и ток проходящей волны. Выразив токи через напряжение и волновое сопротивление, получим

Таким образом, величина напряжения волны, которую пропускает разрядник, зависит от напряжения набегающей волны и сопротивления разрядника. Разрядники изготавливаются двух типов – трубчатые и

7

вентильные. Пробивное напряжение трубчатых разрядников для линий напряжением 6÷10 кВ составляет 40÷60 кВ, для линий напряжением 35 кВ – 100÷120 кВ. При пробое промежутка внутри трубки образуется дуга, высокая температура которой воздействует на стенки разрядника, которые, разлагаясь, выделяют большое количество газа. Газы, вырываясь из трубки под большим давлением, деионизируют дугу, и она гаснет. Время гашения дуги составляет один÷два полупериода, т.е. за это время релейная защита не сработает. Разрядники устанавливаются под углом 10÷15° во избежании скопления влаги внутри трубки.

Поскольку возможен пробой разрядников в нескольких фазах одновременно, выбор их производят по токам короткого замыкания.

Трубчатые разрядники применяют на линиях выше 1 кВ с деревянными опорами для защиты отдельных металлических или железобетонных опор и других мест с ослабленной изоляцией, а также пересечений линий различного характера и назначения.

На воздушных линиях напряжением до 1 кВ защита от перенапряжений осуществляется путем заземления крючьев и штырей фазных проводов, штырей и арматуры железобетонных опор.

Трубчатые разрядники устанавливаются на подходах воздушных линий к подстанциям, распределительным устройствам для защиты оборудования от набегающих волн перенапряжения.

Защита от внутренних перенапряжений

Защита от внутренних перенапряжений в электроустановках осуществляется в тех случаях, когда перенапряжения являются следствием повторяющихся при эксплуатации процессов, например, при отключении мощных трансформаторов. В сетях 6÷35 кВ с изолированной нейтралью возможны перенапряжения вследствие повторного зажигания и гашения электрической дуги емкостного тока при замыкании на землю.

8

Для защиты от внутренних перенапряжений при отключении трансформаторов, линий применяются вентильные разрядники, устанавливаемые вблизи защищаемого объекта. Защитные характеристики разрядников должны соответствовать уровням изоляции защищаемого оборудования.

При токах замыкания на землю, значения которых больше приводимых в таблице 1, необходима компенсация емкостного тока при помощи дугогасительных аппаратов.

Мощность дугогасящих аппаратов выбирается по полному емкостному току замыкания на землю с учетом развития сети на ближайшие пять лет.

В качестве дугогасящих часто используются заземляющие реакторы. Места установки дугогасящих заземляющих реакторов должны быть выбраны с учетом конфигурации сети, вероятных аварийных режимов и др. Следует иметь в виду, что подобные реакторы не допускается подключать к трансформаторам, которые присоединены к шинам через предохранители, а также соединены с сетью, емкостной ток которой компенсируется только по одной линии. Мощность такого реактора выбирается по полному емкостному току замыкания на землю.

Таблица 1. Значения токов замыкания на землю

При правильном выборе дугогасящих аппаратов и соответствующем подборе нейтралей трансформаторов возникшие перенапряжения при дуговых замыканиях на землю не должны вызывать повреждения изоляции, которая должна соответствовать уровню испытательных напряжений, приводимых в справочной литературе.

9

Вентильный разрядник имеет систему искровых промежутков, последовательно соединенных с варистором (нелинейным сопротивлением, величина которого уменьшается с увеличением напряжения). В целях равномерного распределения напряжения между искровыми промежутками последние шунтируются резисторами. Равномерное распределение напряжения способствует увеличению пробивного напряжения и облегчает гашение дуги сопровождающего тока. В зависимости от напряжения и назначения используются вентильные разрядники типа РВС, РВП, РТВ и др. (например,

РВС-110, ноРВП-10).

При возникновении перенапряжения искровой промежуток пробивается и через вилитовые диски и заземление проходит ток, что приводит к уменьшению напряжения проводов относительно земли, а следовательно, и на разряднике.

Разрядники присоединяются к каждой фазе и при одновременном срабатывании их на двух или трех фазах возникает короткое замыкание токов рабочей частоты. Ток КЗ прекращается при первом переходе через ноль и работа линии восстанавливается. Широко начинает применяться ограничители перенапряжений типа ОПН.

10