Защита электрических сетей от перенапряжения

Министерство  образования Российской федерации

ТОЛЬЯТТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

Институт энергетики и  электротехники

Кафедра «Электроснабжение  и электротехника»

 

 

 

 

 

Реферат

Защита электрических  сетей от перенапряжений

по дисциплине «Техника высоких напряжений»

 

 

 

Студент: Наумчев К.А.

Группа: ЭЭТб-1101

Преподаватель: Кузнецов В.А.

 

 

 

 

 

Тольятти 2013

Основная часть

 

Общая характеристика перенапряжений

Перенапряжение – всякое повышение  напряжения в электрической сети больше максимального рабочего в зависимости от класса напряжения.

При перенапряжениях создаются тяжелые условия для работы изоляции, т. к. они могут во много раз превышать U_р.макс.

Перенапряжения подразделяются:

1) на внешние (грозовые);

2) внутренние (переходные процессы  в электрических сетях).

В свою очередь внешние перенапряжения делятся на:

- ПУМ  – прямой удар молнией;

- индуктированные;

- приход  волны с линии.

Внутренние  перенапряжения делятся на коммутационные и квазистационарные и стационарные.

Коммутационные  перенапряжения подразделяются на:

- дуговые  (к.з.);

- отключение  трансформаторов;

- АПВ  линии;

- включение  линии или трансформатора.

Квазистационарные и стационарные пернапряжения подразделяются на:

- параметрический  резонанс;

- феррорезонанс;

- резонанс;

Классификация перенапряжений представлена на рисунке 1.

 

Рисунок 1 –  Классификация перенапряжений

 

Основными характеристиками перенапряжений являются:

1 - максимальное значение амплитуды напряжения при перенапряжении U_макс или кратность перенапряжений :

;

2 - длительность воздействия перенапряжения;

3 - Форму кривой перенапряжений (апериодическая, колебательная, высокочастотная и др.);

4 -  широту охвата элементов электрической цепи.

Все перечисленные характеристики имеют стохастическую природу и имеют значительный статистический разброс, который обязательно учитывается при расчетах. Для изоляции высоковольтных устройств низких классов напряжения (U ≤ 220 кВ) наиболее опасными являются грозовые перенапряжения. Их изоляция выдерживает коммутационные перенапряжения любой кратности.

Для изоляции высоковольтных устройств  высоких и сверхвысоких классов  напряжения (U > 330 кВ) наиболее опасными являются коммутационные перенапряжения.

Поэтому на низких классах напряжения ограничивают специальными устройствами только грозовые перенапряжения, а на высоких классах принудительно ограничивают и внутренние перенапряжения.

 

Внешние перенапряжения

При эксплуатации на изоляцию воздействуют напряжения, значительно превышающие  номинальные перенапряжения. Перенапряжения, возникающие в результате грозовых разрядов вблизи электрических установок  или при прямом ударе молнии в  электроустановку, называются внешними, или атмосферными. Наиболее опасны для изоляции электроустановок атмосферные  перенапряжения.

Грозовые перенапряжение связаны  с разрядами молнии непосредственно  в токопроводящие части электрической  установки (перенапряжение прямого  удара) или в землю вблизи установки (индуктированные перенапряжение). При прямом ударе весь ток молнии проходит в землю через пораженный объект. Падение напряжения на сопротивлении  этого объекта и даёт перенапряжение, которое может достигать нескольких МВ.

Индуктированные перенапряжение возникают  на проводах линий электропередачи  вследствие резкого изменения электромагнитного  поля вблизи земли во время удара  молнии. Амплитуда индуктированных  перенапряжение обычно не превышает 400-500 кВ, и они представляют опасность только для электрических установок с номинальным напряжением 35 кВ и ниже.

Атмосферные перенапряжения

Грозовое облако, заряженное отрицательно, и земля, на поверхности которой  индуктируются положительные заряды, образуют гигантский конденсатор, причем напряженность электрического поля у земли Е может достигать 300 В/см, а у облака Е10 кВ/см, средняя же напряженность редко превышает 10 кВ/м. Однако в отдельных местах облака и на остроконечных высоких сооружениях напряженность поля может достигать критической, равной 25...30 кВ/см, что создает условия для развития грозового разряда.

В соответствии с распределением зарядов  в облаке чаще всего между облаком  и землей возникают разряды отрицательной  полярности (60...90%) в форме линейчатой молнии. Бывают другие формы молний, неопасные для электроустановок: шаровая в виде светящегося шара и тихие разряды со слабым свечением.

Предразрядный процесс обычно начинается с внедрения лавины электронов - стримера от облака к земле, потому что наибольшая напряженность поля находится в небольшом объеме зарядов облака, представляющего как бы острие электрода по отношению к земле - плоскому электроду. Если есть высокие объекты и низкое грозовое облако, острием становится объект и развитие разряда происходит с объекта на облако. При развитии разряда из облака, расположенного высоко, на обычные объекты направление стримера случайное. Лишь с определенной высоты Н, равной 20-кратной высоте объекта или молниеотвода стример, начинает ориентироваться или избирать определенный объект. При высоте объекта больше 30 м высота ориентирования стримера H = 600 м. Ток молнии, протекая по объекту, оказывает тепловое, механическое и электромагнитное воздействие.

Тепловое воздействие, несмотря на очень большую силу тока, не так  велико из-за его кратковременности.

Механическое воздействие проявляется  в расколах и разрушениях каменных и кирпичных сооружений, расщеплении  и расколе деревянных опор и траверс вследствие акустического удара при расширении канала молнии, действия электростатических сил и испарения влаги. Наибольшие усилия возникают при прохождении тока молнии по узким щелям и трещинам. Это учитывается в конструкциях трубчатых разрядников.

Электромагнитное воздействие  особенно опасно, потому что в месте удара молнии на объекте возникает потенциал в миллионы вольт, вследствие чего с объекта на хорошо заземленные конструкции происходят вторичные разряды. Такие разряды внутри зданий опасны для жизни людей и животных, оказавшихся на пути разряда: между внутренней проводкой и хорошо заземленными конструкциями, водопроводными трубами и т. п.

Вблизи входа тока молнии в землю  на ее поверхности появляется такой  же высокий потенциал, как на объекте  разряда: дереве, опоре, здании и сооружении. Этот потенциал на поверхности земли  резко снижается при удалении от входа тока молнии в землю и  появляется опасность поражения  людей и животных шаговым напряжением  из-за разности потенциалов между  двумя точками на поверхности  земли. Особенно большая опасность  возникает при прямом ударе молнии в провода воздушных линий  электропередач, связи, радио, если они  не имеют соответствующей защиты или эта защита неудовлетворительна. Под воздействием высокого напряжения повреждается изоляция оборудования и возникают аварии в электроустановках, а проникновение волны перенапряжения по проводам воздушных линий в жилые, производственные здания вызывает поражения людей, животных и пожары.

Такие же последствия вызывают перенапряжения, возникающие в воздушных линиях при прямых ударах молнии вблизи них  вследствие электростатической и электромагнитной индукции.

Набегающие волны перенапряжения

Индуктированные перенапряжения. При  движении грозового облака на проводах линий накапливаются заряды большой  плотности вблизи формирующегося разряда, который может находиться от линии  на расстоянии сотен метров. В момент главного разряда заряды на проводах теряют с ним связь и в виде электромагнитных волн распространяются в разные стороны, где потенциал ниже. Ток в линии определяется напряжением в месте начала движения электромагнитной волны и волновым сопротивлением линии. Благодаря наличию активного сопротивления проводов, а также вследствие коронирования, амплитуда волны перенапряжения с увеличением длины пробега уменьшается и фронт ее становится более пологим. Однако среднее значение напряжения волны равно 200 кВ. Изоляция трансформаторов и других аппаратов, а также кабелей напряжением 10...35 кВ не может выдержать такого перенапряжения, поэтому для защиты их изоляции устанавливают вентильные разрядники. При воздействии волны перенапряжения на линейную изоляцию ВЛ 6...35 кВ происходит разряд по ее поверхности - перекрытие, но затем электрическая прочность изоляторов восстанавливается.

 

Внутренние перенапряжения

Наиболее многообразны внутренние перенапряжения. Причины возникновения  внутренних перенапряжений очень разнообразны (отключение линии электропередач, трансформатора и другие переключения; обрывы фаз; КЗ, перекрытие и пробой изоляторов).

Внутренние перенапряжения вызываются колебаниями энергии, запасенной в элементах сети, или при изменении  поступающей энергии от источников энергии (генераторы при изменении первоначальных параметров).

Элементы электрической  сети: источники энергии; накопители энергии (конденсаторы, катушки индуктивности); поглотители энергии (активные сопротивления, корона, проводимость изоляции).

Внутренние перенапряжения делятся на коммутационные, квазистационарные (установившиеся), стационарные.

Условно развитие перенапряжения графически представлено на рисунке 2.

I стадия – переходный процесс (коммутационные перенапряжения). Длится несколько периодов.

II стадия – условно установившееся состояние (квазистационарная). Переходный процесс закончился, но параметры цепи другие, поэтому установилось высокое напряжение, а регуляторы напряжения на генераторах еще не успели сработать.

III стадия – работа регуляторов напряжения у генераторов. Снижение напряжения до нового установившегося рабочего напряжения.

Увеличение длины и  класса напряжения линии приводит к увеличению энергии в элементах сети и, как следствие, к увеличению кратности перенапряжений. В связи с этим для линий класса U > 330 кВ осуществляется принудительное ограничение перенапряжений до уровней:

330 кВ – К_п = 2,7;

500 кВ – К_п = 2,5;

750 кВ – К_п = 2,2;

1150 кВ – К_п = 1,8.

Рисунок 2 - Вид напряжения сети при появлении внутренних перенапряжений: t₀ – момент коммутации

 

Ограничение перенапряжений осуществляется защитными разрядниками (РЗ), трубчатыми разрядниками (РТ), вентильными разрядниками (РВ), нелинейными ограничителями перенапряжений (ОПН) и схемными решениями (реакторы, конденсаторы, сопротивления актив-ные и др.).

Грозозащита воздушных линий электропередач и подстанций

Основной количественной характеристикой разряда молнии является амплитуда тока молнии. Воздушные линии электропередач (ВЛ) в районах со средней продолжительностью грозовой деятельности (20–30 часов в год) поражаются разрядами молнии 15–20 раз в год на 100 км длины. Токи молнии изменяются в широких пределах – от единиц до сотен килоампер. Средний расчетный ток молнии составляет 15 кА. При разряде молнии в землю могут поражаться различные объекты, в частности, воздушные линии электропередачи, подстанции, станции. Протекание тока молнии через объект вызывает возникновение волны напряжения молнии, которая может пробить и разрушить изоляцию электротехнических устройств. При расчетах импульсной электрической прочности пользуются стандартной волной напряжения.

 

Защита от прямых ударов молнии

Для защиты объектов от поражения молнией используются молниеотводы. В зависимости от защищаемого объекта применяют стержневые (подстанции) или тросовые (ВЛ) молниеотводы. Необходимым условием эффективной работы молниеотводов является их хорошее заземление.

Наибольшие грозовые перенапряжения возникают при прямом ударе молнии (ПУМ) в линию или подстанцию. В  месте удара возникает кратковременное (импульсное) напряжение в миллионы вольт, т. е. выше импульсной электрической прочности изоляции электропередач и электрооборудования. Для обеспечения надежной работы электрической сети необходимо осуществить ее эффективную и экономичную грозозащиту.

Чтобы быть защищенным от ПУМ, объект должен полностью находиться внутри пространства, которое представляет собой зона защиты молниеотвода.

Зоной защиты молниеотводов  называется пространство вокруг молниеотвода, попадание в которое разрядов молнии маловероятно.

 

Зона защиты стержневого  молниеотвода

Поверхность, ограничивающая зону защиты стержневого молниеотвода, может быть представлена ломаной  линией (рисунок 3).

Рисунок 3 – Зона защиты стержневого молниеотвода

 

Открытые распределительные  подстанции располагаются на большой  территории. Их приходится защищать несколькими  молниеотводами.

 

Зона защиты тросового  молниеотвода

Тросовые молниеотводы используются в основном для защиты проводов ВЛ. В связи с этим пользуются не зонами защиты, а углами защиты, т. е. углами между вертикальной линией, перпендикулярной тросу, и линией, соединяющей провод и трос (рисунок 4).

Линии длиной до 1000 км (ВЛ 500 кВ) поражаются молнией не менее 200 раз в грозовой сезон. Поэтому для ВЛ защита с помощью тросовых молниеотводов приобретает основное значение. Опыт эксплуатации ВЛ показывает, что угол защиты должен быть 20–25° (рисунок 4).

Сопротивление заземления опор с глухозаземленной нейтралью должно быть менее 5 Ом, а с изолированной нейтралью – менее 10 Ом. 

Грозозащита подстанций, кроме защиты от прямых ударов молнии, должна включать в себя следующие виды защит:

1 - от перекрытий при ударах  молнии в заземленные конструкции  подстанций, т. е. от обратных  перекрытий с заземленных элементов  на токоведущие части оборудования;

2 - от волн, приходящих с линии.

Рисунок 4 –  Зона защиты тросового молниеотвода