Перенапряжение и молниезащита

 

Разрядник работает следующим  образом. При перенапряжениях искровые промежутки 3 пробиваются, и по вилитовым дискам блока 4 ток проходит в землю. Сопротивление вилита резко уменьшается и перенапряжение на оборудование подстанции не поступает. При исчезновении перенапряжения сопротивление вилита возрастает, дуга в искровом промежутке гаснет, и ток через разрядник не проходит. Специальная защита воздушных линий от атмосферных перенапряжений не устанавливается, так как молния может ударить в линию в любой ее точке. Все воздушные линии оборудуются устройствами АПВ, т. к. после КЗ, вызванного перенапряжением, и отключения линии, ее изоляционные свойства восстанавливаются. Поэтому повторное включение линии оказывается в большинстве случаев успешным. В настоящее время широкое распространение получают ограничители перенапряжений (ОПН), представляющие собой нелинейные активные сопротивления без специальных искровых промежутков. ОПН обычно изготовляют путем спекания оксидов цинка и других металлов. В полученной после спекания поликристаллической керамике кристаллы окиси цинка имеют высокую проводимость, а межкристальные промежутки, сформированные из оксидов других металлов, имеют высокое сопротивление. Точечные контакты между кристаллами окиси цинка, возникающие при спекании, являются микроваристорами, т. е. имеют так называемые р-n переходы. Защитная характеристика ОПН имеет вид, близкий к нелинейной характеристике вентильного разрядника (рис. 2, б). Однако оксидно-цинковые сопротивления имеют значительно более высокую нелинейность, чем вилитовые сопротивления. Благодаря этому в ОПН нет необходимости использования искровых промежутков. Выпуск вентильных разрядников в нашей стране прекращен в 90-е годы из-за высокой трудоемкости производства и настройки искровых промежутков. При том существенно расширена номенклатура выпускаемых ОПН. Достоинствами ОПН, по сравнению с вентильными разрядниками, являются взрывобезопасность, более высокая надежность, снижение уровня перенапряжений, воздействующих на защищаемое оборудование, и возможность контроля старения сопротивлений по току в рабочем режиме. Существенным недостатком ОПН и вентильных разрядников является невозможность обеспечения с их помощью защиты от квазистационарных перенапряжений (резонансные и феррорезонансные перенапряжения, смещение нейтрали при перемежающейся электрической дуге). Не следует забывать, что при длительных перенапряжениях происходит интенсивное старение ОПН, и они могут отказать, т. е. повредиться.

7.Технические мероприятия по молниезащите подстанций. Молниезащита электрических машин.(вопрос 21)

 

Грозозащита станций и подстанций

По экономическим соображениям уровень изоляции подстанционного  оборудования ниже уровня изоляции линий  электропередач. Из этого следует, что с линий передачи на подстанцию могут набегать волны перенапряжения, опасные для подстанционного оборудования. Перекрытие изоляции электрооборудования подстанции связано с отключением части подстанции и возможным погашением целого района. Грозозащита подстанции должна быть существенно более надежной, чем грозозащита линий. Она включает в себя следующие обязательные виды защиты:

1) от прямых ударов молнии в подстанцию;

2) от перекрытий при ударах молнии в заземленные конструкции

подстанции;

3) от волн, приходящих с линий;

4) от ударов молнии в подходы линии к подстанции.

Расчетное число лет безаварийной работы подстанции определяется:

 

М 1 ( 1 2 ), = b₁ + b2                     (3.1)

 

где b - число прорывов молнии мимо молниеотводов;

b1 – число обратных перекрытий с заземлителя на установку;

b1 – число высоких потенциалов, вызванных волнами набегающими с линии.

Учитывая, что поражаемость 1 км2 расчетной площади равна 0,067

за один грозовой час, получаем число ударов в молниеотводы подстанции при средней грозовой деятельности 30 грозовых часов:

 

N=S•0,067•30=2(a+6h)•(b+6h)•10^-6 1/ год,        (3.2)

 

где а – ширина подстанции; в – длина; h – высота молниеотвода.

 

В целях экономии металла  и упрощения устройства ОРУ молниеотводы устанавливаются на конструкциях подстанции, осветительных мачтах и крышах зданий. Однако, при такой установке вследствие удара молнии может возникнуть перекрытие гирлянды из-за высокого импульсного напряжения между опорой и проводом; или перекрытие можетпроизойти по воздуху между молниеотводом и оборудованием. Возникает также опасность пробоя в земле между заземлением отдельно стоящего молниеотвода и заземлителем всей подстанции. Для защиты от этих перекрытий необходимо иметь малое импульсное сопротивление заземления молниеотводов и соответствующую импульсную прочность гирлянд изоляторов и воздушных промежутков. Для подстанции 35 кВ приемлемый показатель грозоупроности не может быть обеспечен при высоком удельном сопротивлении грунта.

Вэтом случае предусматривают отдельно стоящие молниеотводы с обособленными заземлителями, которые электрически не связаны с заземлителем подстанции (рис. 7.1).

 

 

Рисунок 7.1. Пути обратного перекрытия с отдельно стоящих молниеотводов на

заземлитель или  оборудование подстанции где: 1 – заземлитель  молниеотвода;

2 – заземлитель  подстанции.

Потенциал индивидуального  заземлителя не должен превышать  пробивного напряжения в земле между  заземлителем молниеотвода и заземлителем ОРУ.

При отдельно стоящих молниеотводах  не рекомендуется присоединять тросы  к порталам подстанции, а защита последнего пролета производится стержневыми  молниеотводами. Особую трудность представляет защита от перекрытий изоляции обмоток  трансформатора 6...35кВ. При невозможности  установки отдельно стоящих молниеотводов  приходится устанавливать их на трансформаторном портале. Необходимо при этом выдерживать  расстояние вдоль заземляющей полосы от молниеотвода до корпуса трансформатора 20...40 м и возможно ближе к трансформатору установить РВ, присоединив их к  заземлению междумолниеотводом и трансформатором. Набегающая на подстанцию с линии волна перенапряжения под действием импульсной короны имеет сглаженный фронт волны с максимальной амплитудой, не превышающей разрядного напряжения изоляции линии. Защита подстанционной изоляции от этих волн осуществляется вентильными разрядниками. Если разрядник установлен рядом с изоляцией (несколько метров), то напряжение на изоляции (С) равно напряжению на РВ. Так как характеристики РВ скоординированы с импульсными характеристиками изоляции, то изоляция защищена от грозовых перенапряжений. Но на подстанциях разрядник должен защищать всю изоляцию ОРУ, в общем случае находящуюся на расстоянии l от разрядника (рис.6.2).

 

Рисунок 7.2. Простейшая расчетная схема для определения перепада напряжения между РВ и изоляцией

 

МеждуРВ и изоляцией возникает перепад напряжения Du, зависимость которого от параметров схемы и волны рассмотрены на схеме(рис. 7.3).

 

Рисунок7.3. Кривые напряжения на

разряднике u_р и изоляции u_с

 

 Набегающая волна имеет  косоугольную форму с фронтом  длиной tфр и крутизной фронта a=u0/tфр. Волновой процесс в схеме разделяется на две стадии– до и после срабатывания РВ.

До срабатывания РВ волна  проходит мимо него без преломле-

ния. Напряжение на емкости:

uc=2a[t-T(1-e-t/T)]         (3.3)

 

где T=zC. ЕмкостьС сглаживает фронт волны.

Напряжение на РВ до прихода  отраженной от емкости волны, т.е. домомента t=2t(t=l/C), изменяется по закону u_p=2at. При t>2τ напряжение up находится наложением волны 2at и отраженной волны от емкости волны.

Максимальное напряжение на емкости (изоляции), определенное по пробивному напряжению РВ (uпр) равно:

U⁽¹⁾_cm=u_пр+∆u                  (3.4)

Значение ∆u определяется построением на рис.6.3. В случае

u_пр<u* напряжение на изоляции не достигнет uпр. Вэтом оказывается бла-

гоприятный эффект емкости С. При времени t>t* напряжение на изоля-

ции уже выше uпр. По мере заряда емкости перепад напряжения стремит-

ся к значению:

∆u = 2aτ

Из этого следует, что  ∆u тем меньше, чем меньше крутизна набегающей волны (а) и расстояниеl, а также чем больше емкость защищаемой изоляции. Таким образом, разрядник на подстанции имеет определенную зону защиты, зависящую от характеристик изоляции и РВ и параметров набегающей волны. При прямом ударе молнии в провода или при обратном перекрытии в месте удара возникает волна, фронт которой может быть принят практически прямоугольным. После пробега расстояния L фронт волны под действием импульсной короны удлиняется с нулевого значения по длине

t_фр = Вu₀L/C                        (3.5)

где u₀ – амплитуда набегающей волны; В – эмпирический коэффициент.

Крутизна фронта при этом снижается с.до a=u₀/t_фр. После подстановки (     ), получим:

A =1/(BL/C)                          (3.6)

Предположим, что при выбранном  месте установки РВ на подстанции, т.е. при заданных расстояниях l от РВ до изоляции, расчетом установлено, что  расчетная “а” набегающей волны  не должна превышать а_доп. Тогда из (14.7) находим расчетную длину, так называемой, опасной зоны на линейном подходе, т.е. зоны, в которой не допустимо появление прямоугольной волны

L_c= (км),             (3.7)

где с=300 м/мкс; В- выражено в 1/кВ; адоп выражено в кВ/мкс.

 

Рисунок 7.4 Принципиальная схема грозозащиты подстанции:

а– линия на деревянных опорах с защищаемым подходом; б– линия с

тросами по всей длине

 

Следовательно, для того чтобы ограничить ток через РВ и тем самым обеспечить его  успешную работу, необходимо исключить  прямые удары в провода линии  вблизи подстанции или резко уменьшить  вероятность таких ударов. С этой целью участки линий длиной 1...3 км, примыкающие к подстанции (подходы), должны защищаться от прямых

ударов тросовыми молниеотводами. Если линия защищена тросами по всей длине, то на прилегающих к подстанции “подходах” особенно тщательно выполняются  требования грозозащиты (малые углы защиты тросов, низкие сопротивления заземления опор).

Принципиальные схемы  грозозащиты подстанций приведены на рис.7.4. Схема на рис.7.4.а относится к случаю, когда подходящая к подстанции линия выполнена на деревянных опорах без троса, который подвешивается только в пределах защищенного подхода. Так как на деревянных опорах спуски от тросов к заземлителям располагаются на стойках, прочность изоляции относительно земли опоры с тросами существенно снижается. Например, для линии 110 кВ изоляция (гирлянда и участок траверсы длиной 2м) имеет прочность около 850...900 кВ, что приблизительно в 3 раза меньше среднего разрядного напряжения обычных деревянных опор, т.е. защищенный подход является местом с ослабленной изоляцией, поэтомув его начале на каждой фразе устанавливаются трубчатые разрядники РТ1. На вводе подстанции иногда устанавливается второй комплект трубчатых разрядников РТ2 или РВ, который принципиальной роли в грозозащите подстанции не играет и служит для защиты линейного выключателя в тех случаях, когда он разомкнут, а линия находится под напряжением.

Схема грозозащиты линий на металлических опорах, защищенных тросами по всей длине (рис.14.4.б), отличается от схемы на рис.14.4. а только тем, что отпадает необходимость в установке разрядников РТ. На мощных и отечественных гидростанциях применяются схемы, в которых связьОРУ с трансформаторами осуществляется длинными

кабелямиВН. Влияние кабеля на защитную зону РВ рассмотрим на схеме рис.7.5.

 

 

 

 

Рисунок 7.5 Защита трансформаторов с кабельными вводами

 

Набегающая волна испытывает в месте перехода в кабельную  линию преломление. Вследствие малого переходного сопротивления кабеля (Zк= =15...25 Ом) амплитуда волны снижается в 5...10 раз. Следовательно, в первый момент кабель играет роль разрядника с малым сопротивлением. На конце кабеля амплитуда волны удваивается, но не достигает опасных значений. В процессе многократных отражений волн на кабельном участке кабель можно заместить емкостью

С_к=                    (3.8)

где v_k=150 м/мкс; L_к– длина кабеля, м.

В момент срабатывания РВ напряжение на трансформаторе оп-

ределяется:

u_тр=u_пр+(2u₀-u_пр⁾            (3.9)

где u_пр – импульсное пробивное напряжение РВ; u₀ – падающая волна; zк и z1 – волновые сопротивления кабеля и линии.

Разряд большой емкости  кабеля через РВ приводит к прохождению  через РВ больших импульсных токов, доходящих до 10...15кА. При большом  числе кабелей на подстанции или  их большой длине емкость Ск может ограничить амплитуду волны до безопасных пределов и РВ не срабатывает.