лекционный курс. Лекционный курс. Лекционный комплекс дисциплина tvn 3319 Техника высоких напряжений

• Название: Лекционный комплекс дисциплина tvn 3319 Техника высоких напряжений
• Анкор: лекционный курс
• Дата: 12.10.2022
• Размер: 2.74 Mb.
• Имя файла: Лекционный курс.docx
• Тип: Документы; #729985
• страница: 4 из 7

Тема 4 Виды перенапряжений и защита от них (6 часов)
План лекции

1 Грозовые перенапряжения и защита от них.

2 Защита от прямых ударов молнии.

3 Защита от наведенных перенапряжений.
Грозовые перенапряжения и защита от них.

Понятие о грозе и атмосферных перенапряжениях

При нормальных режимах напряжение в электри­ческих установках близко к номинальному и не превосходит его более чем на 10 %. Однако возможны кратковременные повыше­ния напряжения, которые называются перенапряжениями. В за­висимости от причины возникновения они разделяются на ком­мутационные и атмосферные. Следствием их может быть пробой изоляции электроустановок с последующим коротким замыканием и отключением электроприемников. Основной вид перенапряже­ний, от которых надлежит защищать электроустановки, есть перенапряжения, вызываемые атмосферными явлениями, и в первую очередь грозой.

Причиной грозы является грозовое облако, которое образуется из мельчайших капель воды — водяной пыли. Восходящими воздушными потоками водяная пыль поднимается в верхние слои атмосферы и образует облака. По пути капли электризуются вследствие трения о воздух, и нижняя часть облака заряжается отрицательно. В свою очередь, земля как вторая обкладка своеобразного огромного конденсатора получает положительный заряд. Напряженность электрического поля между грозовым обла­ком и землей в среднем составляет 10 кВ/м, однако в местах, где на земле имеются остроконечные предметы, напряженность уве­личивается и может даже наблюдаться свечение из-за так называе­мого коронного разряда.

Если напряженность электрического поля превысит электрическую прочность воздуха 25 ... 30 кВ/см, то создаются условия для образования молнии. Существуют различные разновидности молний: линейная, шаровая. С точки зрения возможных повреждений электроустановок интерес представляет линейная молния между облаком и землей.

Примерно 50 % линейных молний состоит из 3 ... 4 повторных разрядов и более — до 40. Интервалы между разрядами составляют от тысячных до сотых долей секунды. Первый раз­ряд обычно самый сильный. Каждый разряд состоит из предразрядного процесса и собственно разряда. Предразрядиый процесс представляет собой ступенчатый пробой воздуха, называемый лидером, движущимся ступенями по 50 ... 100 м с остановкой на 10 ... 100 икс. Скорость продвижения лидера порядка 1000 км/с. Когда лидер достигает земли или встречного лидера от земли к облаку, по образовавше­муся каналу устремляется главный разряд со скоростью 50 ... 150 тыс. км/с.




Рис. 4.1. Зависимость напряжения от времени при атмосферном пере­напряжении.

Длина линейной молнии, представляющей собой огромную искру, составляет обычно сотни и тысячи метров, а между облаками—даже десятки километров.

Ток молнии стремительно возрастает до 30 ... 40 кА. Зареги­стрированы молнии с силой тока сотни килоампер, но они бывают редко и учитываются только при защите особо ответственных объектов.

Во время разряда температура канала в воздухе достигает 20 000 °С. При этом воздух быстро расширяется и как бы взры­вается, что вызывает ослепительный световой импульс и раскаты грома.

Разряда молнии имеет форму апериодического импульса или волны напряжения. Напряжение быстро возрастает до максимума U_max, который называется амплитудой перенапряжения, а затем относительно медленно уменьшается. Время t₁за которое напряжение молнии возрастает от нуля до амплитудного значения, называется фронтом волны. Время t₂ от начала процесса до снижения напряжения, равного 50 % амплитуды на спадающей части импульса или волны, называют длиной волны. Для усредненной характеристики импуль­са или волны молнии определяют t₁= 1,67 ВА (рис. 1.1), а t₂= ОС, причем прямую ODпроводят через точки на кривой им­пульса, равные 0,30 U_mах и 0,90 U_mах Фронт волны составляет t₁=1,2 мкс и длина волны t₂=50 мкс.

Максимальное напряжение линейной молнии составляет сотни тысяч и даже миллионы вольт, то есть мощность ее огромна, однако, вследствие того что длительность действия молнии ничтожно мала (десятки микросекунд), количество выделяемой энергии незначительно. Суммарный заряд, переносимый молнией, обычно составляет 20 ... 100 кулон

Грозы — явление крайне распространенное. Поскольку они носят главным образом тепловой характер, число грозовых часов в году по продвижении к северу, как правило, уменьшается.

В средней полосе сезон грозовой деятельности начинается в мае, а кончается в октябре. Зимние грозы крайне редки.

Наиболее тяжелые последствия бывают при прямом ударе молнии в поражаемый объект. Это прежде всего воздействие амплитуды волны перенапряжения, которая достигает миллионов вольт и практически пробивает любую изоляцию. Кроме того, молния расщепляет деревянные стойки и траверзы опор линий электропередачи, разрушает каменные и кирпичные постройки, вызывает пожары и т. п.

Электростатические и электромагнитные поля, связанные с главным разрядом молнии, индуктируют напряжения на проводах линии, проходящих вблизи места удара, достигающие сотен тысяч вольт. Этот индуктированный импульс или волна распространяется со скоростью, близкой к скорости света, по всем электрически связанным линиям и вызывает повреждения в местах с наиболее слабой изоляцией, иногда за несколько километров от места удара молнии.

Защита от прямых ударов молнии

Наиболее опасный вид поражения от атмосфер­ных перенапряжений — это прямой удар молнии в объект. Ток молнии I_м, протекая через заземленный объект с сопротивлением заземления R₃, создает на нем падение напряжения U_z = 1_KR_Z. Вследствие больших значений тока молнии это напряжение мо­жет достигать сотен тысяч и миллионов вольт, следовательно, изоляция установки неизбежно будет нарушена. - В связи с этим защита от прямых ударов молнии основана на том, что направление лидера молнии наиболее вероятно к объ­екту, на котором имеется максимальное значение напряженности электрического поля. В качестве объектов сооружают возвышен­ные молниеотводы, которые принимают на себя лидер и главный разряд молнии.

Правильный выбор расположения молниеотводов позволяет практически исключить попадание молнии в защищаемый объект. Чтобы при этом напряжение на молниеотводе не превышало допустимого предела и не возникали условия для повреждения изоля­ции защищаемого объекта, молниеотводы должны быть заземлены через малое сопротивление.

Для защиты объектов небольшой протяженности (здания, открытые подстанции) применяют стержневые молниеотводы. Стерж­невой молниеотвод представляет собой высокую деревянную, железобетонную или стальную мачту (возможны комбинированные), вертикально за­крепляемую в земле. На верху мачты укрепляют молниеприемник, кото­рый представляет собой стальной стержень диаметром не ме­нее 12 мм, трубу или угловую сталь площадью сечения не ме­нее 100 мм². Он должен быть выше мачты не менее чем на 15 см и не более чем на 2 м, возможна длина молниеприемника до 5 м. Молниеприемник соединен с токоотводом, в качестве которого применяют стальную проволоку диа­метром не менее 6 мм. Токоотвод проходит вниз вдоль мачты и соединяется с заземлением из стержней или уголковой стали, со­противление растеканию которого не должно превышать 15 ... 20 Ом. Заземление следует располагать не ближе чем на 0,5 ... 0,8 м от фундаментов зданий. Протяженные объекты (линии электропередачи, крупные подстанции) более целесообразно защищать от прямых ударов молнии заземленными тросами, натянутыми над защищаемым объектом. Следует отметить, что линии напряжением до 35 кВ включительно, а на деревянных опорах и 110 кВ защищать от прямых ударов м
олнии не рекомендуется по экономиче­ским соображениям

Р
ис. 4.2 Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой до 60 м:h — высота молниеотвода; h_x—высота точка в границе защищаемой зоны; h_а = h — h_х—активная высота молниеотвода; r_x -радиус защитына высоте h_x,

Рис. 4.3. Зоны защиты двух стержневых молниеотводов одинаковой: высоты до 60 м: α -расстояние между молниеотводами; b_х - наименьшая ширина зоны защиты на уровне h_Х; r_х - радиус зоны защиты одиночного молниеотвода; R- радиус окружности, проходящий через вершины молниеотводов и точку О, находящуюся на уровне h₀.

Размеры зоны определяются соотношением

(4.1)

где Р = 1 при h < 30 м и Р= 5,5/ при высоте h > 30 м.

Вследствие вероятностного характера прорывов молнии выполнение молниезащиты, полностью исключающей поражение защищаемых объектов, не

всегда целесообразно, а в ряде случаев вообще технически неосуществимо. Оптимальную надежность, то есть высоту молниеотвода, определяют на основе сопоставле­ния стоимости молниезащиты с возможным ущербом от поражения молнией, учитывая при этом недоотпуск электроэнергии за время ликвидации повреждений.

Для открытых распределительных устройств станций и подстанций, принимают зоны защиты с вероятностью прорыва не более 10^-2, то есть не более одного удара молнии из ста может поразить защищаемый объект. При этом вводы аппаратов и шинопроводы должны находиться по возможности в глубине зоны защиты, так как поражение их молнией представляет наибольшую опасность.

Если одиночный стержневой молниеотвод не обеспечивает охвата всей защищаемой зоны либо требуется слишком высокий молниеотвод, число молниеотводов следует увеличить. Зона защиты двух стержневых молниеотводов (двойной молниеотвод)

Наименьшую ширину зоны защиты между молниеотводами на уровне h₀ определяют по кривым, приведенным на рисунке 4.3.

Наименьшая высота зоны защиты для молниеотводов; h < 30 м h₀ = h — /7 и при высоте h > 30 м h₀ = h —  /75,5.

Зона защиты трех и более стержневых молниеотводов значительно превышает сумму зон защиты одиночных молниеотводов. Построения горизонтальных сечений зоны защиты на уровне h_xпоказаны на рисунке 1.6 на примере четырех стержневых молниеотводов. Радиус защиты r_хопределяют так же, как для одиночного молниеотвода.

Расстояние между двумя стержневыми молниеотводами не должно превышать для h < 30 м  ≤7(h —hx)и при высоте h > 30 м ≤75,5/ (h -hx).

Необходимое условие защищенности всей площади на уровне h_а для молниеотводов высотой до 30 м можно записать так; D 8h_а и при высоте h > 30 мD 8h_а •5,5/

Для защиты протяженных объектов, главным образом проводов воздушных линий электропередачи напряжением 110 кВ и выше, применяют тросовые молниеотводы, которые представляют собой стальные тросы, проложенные на тех же опорах выше основных проводов.

Зона защиты одиночного тросового молниеотвода высотой до 30 м, горизонтально подвешенного троса, имеет форму, показанную на рисунке 8.8. Зона защиты на уровне h_xограничивается двумя параллельными тросу линиями, расположен­ными на расстоянии r_хот вертикальной плоскости, пересекающей молниеотвод. Это расстояние r_х, условно называемое по аналогии с одиночным стержневым молниеотводом радиусом защиты, для h< 30 м определяют по формуле

.

Значение K₁зависит от допустимой вероятности прорыва молнии в зону защиты. Для защиты с вероятностью прорыва молнии не более 10^-2 K₁=1,21, а с вероятностью прорыва не более 10^-3 K₁ =0,6.

Построение зоны защиты двух параллельных тросовых мол­ниеотводов высотой до 30 м показано на рисунке 4.6. Внешние области зон защиты определяются как для одиночного тросового молниеотвода. Вертикальное сечение зоны защиты между двумя тросовыми молниеотводами ограничивается дугой окружности, проходящей через молниеотводы и среднюю точку между молниеотводами 0, находящуюся на высоте

h₀ = h-a/ K₃.

Значение К₃зависит от принятой вероятности прорыва молнии в зону защиты. Для зоны с вероятностью прорыва не более 10^-2 К₃ = 5, для зоны с вероятностью прорыва не более 10^-3 / К₃ ⁼ 3.

Рисунок 4.6. Зона защиты двух тросовых молниеотводов высотой до 30 м

Рисунок 4.5. Зона защиты одиночного тросового молниеотвода высотой до 30 м

Для защиты объекта между двумя тросами необходимо соблюсти условие h_a = h — h_x a/ К₃, определяющее превышение молниеотвода над защищаемым объектом.

Число ударов молнии в год в протяженный объект, в том числе тросовый молниеотвод высотой hи длиной l (м), и составляет:

N = 2n T l R·10^-6,

где R= 3,5 h.

Защита от наведенных перенапряжений

Как уже указывалось выше, наведенные пере­напряжения возникают вследствие электростатической и электро­магнитной индукции главным образом в проводах линий электро­передачи при ударе молнии в близко расположенные объекты. Они значительно более часты, чем прямые удары молнии. Пере­напряжения при этом меньше, но все же достигают десятков и сотен тысяч вольт. При этом их воздействию подвергаются практически все объекты, электрически связанные в данной установке.

Качество изоляции электрооборудования характеризуется вольт-секундными характеристиками (рис. 4.7), то есть зависи­мостью значения пробивного напряжения от времени. По оси абсцисс откладывается время в микросекундах, а по оси ординат — амплитуда импульса или волны перенапряжения (кВ или тыс. кВ), при котором происходит разрушение — пробой изоля­ции объекта. Такие характеристики снимают в лабораториях, где импульсы, аналогичные импульсам молнии, получают от спе­циальных генераторов импульсов напряжения. Поскольку длительность им­пульса молнии измеряется микросекундами, для определения времени пробоя используют безынерционные приборы — катодные осциллографы. Испытательное напряжение внешней изоляции, то есть устройств, работающих на открытом воздухе, намного превосходит номинальное, но, конечно, значительно ниже напряжения молнии. Например, изоляция понижающего трансформатора с напряжением



Рис. 4.7 - Вольт-секундные характеристики

10 кВ должна выдерживать полную волну напряжения с ампли­тудой 75 кВ, а срезанная волна, при которой происходит пробой изоляции, должна иметь высоту не менее 90 кВ.

От наведенных перенапряжений установки защищают при по­мощи грозозащитных аппаратов — разрядников. Разрядник со­стоит из воздушных искровых промежутков И, включенных на каждую фазу и соединенных с землей непосредственно или через добавочное, рабочее сопротивление R.

Размеры искровых промежутков подбирают так, что вольт-секундная характеристика разрядника 2 проходит ниже вольт-секундной характеристики защищаемого объекта. Вследствие этого пробой искрового промежутка и разряд им­пульса в землю происходят ранее достижения амплитуды им­пульса, то есть при значении напряжения, меньшем, чем про­бивное напряжение защищаемого объекта. Как видно, напряжение импульса не достигает своего амплитудного значения, и, следовательно, если разрядник подобран правильно, защищаемый объект не будет поврежден.

Кроме того, задача разрядника заключается в том, чтобы пога­сить электрическую дугу, возникшую в искровых промежутках под воздействием рабочего напряжения установки. Дело в том, что волна перенапряжения обычно движется по всем трем фазным проводам и уходит в землю через все три искровых промежутка. Воздух промежутков за это время ионизируется, становится про­водящим, и уже через них начинает идти ток к.з. от рабочего на­пряжения, образующий электрическую дугу. Если дуга не будет своевременно погашена, то сработает релейная защита и уста­новка отключится, что крайне нежелательно.

Простейший грозозащитный аппарат — это так называемый роговойразрядник,или основной воздушный искровой промежуток.Выполняют его из трех пар стержней из круглой стали диаметром 10 ... 12 мм, изогнутых в виде рогов (рис. 4.8).

Рисунок 4.8. Основной искровой промежуток
Рисунок 4.9 Трубчатый разрядник:

1-металлический колпачок; 2 – трубка из газогенерирующего диэлектрика; 3 – электрод; 4 – металлический колпачек с выхлопным отверстием

На каждой фазе один элек­трод присоединен к проводу ли­нии, а другой — к заземленной

стальной траверсе или заземля­ющему спуску, если опора деревянная. Образующийся после про­хождения импульса сопровождающий ток к. з. вызывает между ро­гами промежутка электрическую дугу. Эта дуга под воздействием электродинамических сил и тепловых потоков воздуха движется вверх, растягивается и гаснет, если сила тока к. з. не превы­шает 300 А.

Наряду с основным искровым промежутком 1, обеспечивающим необходимую вольт-секундную характеристику разрядника, на каждой фазе предусматривается второй промежу­ток 2, значительно меньший основного. Это исключает возможность замыкания на землю линии при перекрытии основного промежутка, например, птицами.

Характеристики основных искровых промежутков на различ­ные напряжения приведены в таблице 4.1.

Основные искровые промежутки могут применяться в сель­ских электрических сетях напряжением 6 ... 35 кВ при малых то­ках к. з., которые они способны погасить. При отсутствии бо­лее совершенных разрядников их можно применять и при боль­ших токах к. з., так как практически все сельские сети снабжены устройствами автоматического повторного включения (АПВ) и, следовательно, обеспечивают восстановление электроснабжения в течение 1 ... 2 с. Следует также иметь в виду, что при токах к. з. менее 200 А трубчатые разрядники не могут погасить дугу и в этом случае являются равноценными с основными искровыми промежутками.
Таблица 4.1 – Разрядные состояния искровых промежутков



Более совершенные грозозащитные аппараты—трубчатые раз­рядники.На каждую фазу линии устанавливают один разрядник (рис. 4.9), представляющий собой трубку 2 из материала, бурно выделяющего газы при воздействии на него электрической дуги. В трубке помещены электроды 3: один в виде металлического стержня, второй в виде шайбы. Расстояние между ними образует искровой промежуток длиной 1_т. Длину его устанавливают при изготовлении разрядника в зависимости от напряжения сети. Нижний конец трубки открыт, и в нем помещается изогнутая ме­таллическая пластинка, которая выбрасывается газами при сра­батывании разрядника.

Верхний конец разрядника через искровой промежуток при­соединен к фазному проводу линии, а нижний электрод — к за­землению. Размер искрового промежутка определяют из таб­лицы 4.2. Искровой промежуток необходим для того, чтобы трубка разрядника не находилась постоянно под напряжением линии и не разрушалась токами утечки.

Волна перенапряжения перекрывает наружный и внутренний промежутки и уходит в землю. Сопровождающий ток к.з. создает внутри трубки электрическую дугу, которая, воздействуя высо­кой температурой на газогенерирующий материал трубки, вызы­вает бурное выделение газов. В трубке создается высокое давле­ние до 7 Па, которое выдувает ионизированные газы и гасит дугу
Таблица 4.2 – Размеры наружных искровых промежутков



с хлопком, напоминающим выстрел. Дуга гасится в течение 1 ... 3 периодов тока частотой 50 Гц.

Трубку изготовляют из фибры либо, что более удобно, из винипласта. В первом случае фибровую трубку помещают в бакелитовую. Винипластовая трубка не требует защиты.

В маркировке трубчатых разрядников указывают рабочее напряжение сети, в которой их устанавливают, и верхний и нижний пределы токов к. з. в месте установки, при которых разрядники могут работать.

Если ток к.з. в месте установки превысит верхний предел, то давление в трубке разрядника станет недопустимо большим и трубку разорвет, а дуга будет продолжать гореть. При токе, меньшем допустимого, наоборот, давление в трубке будет недостаточно, дуга не погаснет и сожжет разрядник.

В сельских сетях стандартные разрядники обычно нужно проверять только на соответствие их нижнему пределу сопровождаю­щего тока короткого замыкания. После многократных срабатываний при увеличении диаметра трубки разрядника на 20 ... 25 % дальше применять разрядник нельзя из-за снижения дав­ления газов во время образования дуги.

Монтируют трубчатые разрядники открытым концом вниз под углом к горизонту 15 ... 20, чтобы влага не проникала в трубку. Выхлопные зоны их не должны пересекаться во избежание перекрытия между фазами.

Наиболее совершенны вентильные разрядники. В герметическом фарфоровом корпусе помещаются один или несколько единичных искровых промежутков и дисковых рабочих сопротивлений, число которых увеличивается с повышением номинального напряжения сети.

Единичный искровой промежуток образуется между двумя латунными электродами диаметром 5 и 7,5 см, разделенными кольцом из слюды-миканита толщиной 0,5 ... 1,0 мм. Внутренняя часть кольца и образует воздушный искровой промежуток. Наличие миканита — материала с высокой диэлектрической проницаемостью — создает в зоне соприкосновения его с латунью высокую концентрацию силовых линий электрического поля, вследствие чего импульсное перенапряжение вызывает свечение, активизирующее межэлектродное пространство. Этим обеспечивается его пробой при пологой вольт-секундной характеристике. Гаше­ние искровым промежутком сопровождающего тока частотой 50 Гц происходит при первом прохождении током нулевого значения, то есть за время до 0,01 с. При этом сила тока через промежуток ограничивается рабочим сопротивлением до значения 100 А.

Рабочее сопротивление разрядника выполняют из вилита. Поэтому вентильные разрядники часто называют также вилитовыми. Этот материал состоит из зерен электротехнического карборунда, скрепленных жидким стеклом в диски диаметром 10 ... 13 см и толщиной 2 см. Вилитовые диски представляют собой активные сопротивления с большой степенью нелинейности, то есть с повышением приложенного напряжения их сопротивление резко снижается. Следовательно, при действии импульса перенапряжения сопротивление невелико и падение напряжения на нем незначительно. Для рабочего напряжения сети после прохождения импульса сопротивление возрастает, ограничивая сопровождающий ток к. з. значением менее 100 А. Этот ток легко разрывается искровым промежутком. Гашение дуги происходит без звукового и светового эффектов, защищаемый объект остается неповрежденным. На рисунке 4.9 показан вентильный разрядник для сетей напряжением 0,38 кВ. Он состоит из одного искрового промежутка 3 и одного вилитового диска 5, помещенных в фарфоровый корпус 4 и сжатых для лучшего контакта спиральной пружиной 2. Зажимом 1 разрядник присоединен к фазному проводу сети, а зажимом 6 — к заземлению.

Рисунок 4.10. Облегченный вентильный разрядник РВО – 35 для сельских сетей

Рисунок 4.10. Вентильный разрядник для сетей напряжением 0,38 кВ

На рисунке 4.10 приведен вентильный разрядник на напряжение 35 кВ. Он имеет по нескольку искровых промежутков и дисков.

Вентильные разрядники в сетях напряжением 0,38 кВ подвесного типа подвешивают на фазных проводах либо закрепляют на вводах. Разрядники на 10 кВ крепят на конструкциях хомутами или устанавливают на полках, а в сетях напряжением 20... 35 кВ устанавливают вертикально на специальных конструкциях и присоединяют к шинам верхним болтом. Разрядники на 10 кВ можно присоединять к шинам как верхним, так и нижним болтами. Сопротивление заземляющего устройства разрядников всех типов должно быть не более 10 Ом при удельном сопротивлений грунта ρ < 100 Ом·м, 15 Ом при ρ = 100 ... 500 Ом·м и 20 Омпри ρ = 500 ... 1000 Ом·м. На электрических станциях и подстан­циях заземление для защиты от атмосферных перенапряжений обычно объединяют с рабочим и защитным. Строго говоря, актив­ное сопротивление заземления для защиты от атмосферных перенапряжений, называемое импульсным, отличается от сопротивления заземлителя переменному току частотой 50 Гц, но для заземлителей сельских электроустановок оно меньше этого сопротивления. Поэтому, если измеренное током 50 Гц сопротивление заземлителя удовлетворяет нормам, тотем более оно будет удовлетво­рять импульсному сопротивлению.
Рекомендуемая литература

1. Техника высоких напряжений: учебное пособие/В.А. Бутенко, В.Ф. Важов, Ю.И. Кузнецов, Г.Е. Куртенков, В.А. Лавринович, А.В. Мытников, М.Т. Пичугина, Е.В. Старцева–Томск: Изд–во ТПУ, 2010.–119с

2. Закарюкин В.П. Техника высоких напряжений: Конспект лекций. - Иркутск: ИрГУПС, 2005. - 137 с.
Контрольные задания для СРС:

1 Изучить методику расчета грозозащиты.

2 Внутренние перенапряжения и защита от них.

3 Феррорезонансные перенапряжения.