Реферат Техника Высоких Напряжений. 2. Классификация перенапряжений
 Скачать 248.35 Kb.
|
|
СОДЕРЖАНИЕ 1.Введение ……………………....…………………………………………………………………………………………….3 2.Классификация перенапряжений ……………………………………………………………………………….4 3.Внешние перенапряжения …………………...…………………………………………………………………….6 4.Внутренние перенапряжения ..……………………………………………………………………………………8 5.Список использованной литературы и сайтов…..……………………………………………12 ВВЕДЕНИЕ. При эксплуатации на изоляцию электрооборудования и линий влияет ряд факторов: длительное рабочее напряжение, кратковременные перенапряжения, температура и температурные колебания, воздействие влаги и механических усилий и др. Перенапряжения, возникающие в электрических системах, являются одним из факторов, существенно влияющих на надежность электроустановок. Несмотря на кратковременность воздействия, перенапряжения характеризуются высокой кратностью по отношению к длительному рабочему напряжению, воздействием на все электрически связанные элементы системы независимо от места возникновения, существенным усилением процессов возникновения и развития дефектов, не связанных с перенапряжениями, ускорением старения конструктивных узлов. Важнейшим элементом любого электрооборудования и любой линии является изоляция, которая во многом определяет безопасность эксплуатации, подходы к организации защиты от перенапряжений. Последние годы в изоляционных конструкциях и электроустановках в целом появилось много инновационных изменений. В классе напряжения до 1000 В при разработках и проектировании все больше ставятся не только проблемы безопасности и электромагнитной совместимости, но и задачи повышения эффективности, что приводит к снижению запасов электрической прочности и необходимости принять дополнительные меры для защиты от перенапряжений и обеспечения безопасности. В сетях до 35 кВ в качестве коммутационных аппаратов применяются вакуумные выключатели. Специфические свойства вакуума как дугогасящей среды вносят свои особенности в переходные процессы, требующие научного осмысления. В классе напряжения 110 кВ и выше неуклонно занимают позиции электрические аппараты и распределительные устройства элегазового исполнения, когда координация изоляции с эксплуатационными воздействиями, защита от перенапряжений должны учитывать, кроме основных изоляционных конструкций относительно земли еще, и особенности межконтактной изоляции коммутационных аппаратов, влияние соседних фаз. Новые решения в изоляции трансформаторов, генераторов, двигателей, синхронных компенсаторов, шунтирующих, дугогасящих, фильтрующих, токоограничивающих реакторов требуют учета перенапряжений, воздействующих на изоляцию между витками, слоями и катушками одной фазы. Переосмысление и более точное понимание процессов, совершенствование технических средств позволяют с более высокой эффективностью организовать защиту от перенапряжений. Перечисленные проблемы недостаточно освещены в ранее изданных монографиях и учебных пособиях. Настоящая брошюра посвящена анализу как традиционных, так и новых проблем анализа и обоснования технологий защиты от перенапряжений. КЛАССИФИКАЦИЯ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ Как отмечалось выше, при эксплуатации на изоляцию линий, подстанций и высоковольтных электрических машин, наряду с длительным рабочим напряжением воздействуют кратковременные перенапряжения. Всякое превышение мгновенным значением напряжения амплитуды наибольшего рабочего напряжения будем называть перенапряжением. При проектировании электрической сети и управлении режимами ее работы стремятся удержать колебания напряжения в границах, определенных действующими нормами. ГОСТ 1516.3-96 устанавливает величину наибольшего напряжения электрооборудования, совпадающую с верхним пределом длительно допустимого напряжения в электрической сети. Величины наибольших рабочих напряжений для сети с разным номинальным напряжением Uном приведены в табл.2.1. Таблица 2.1. Номинальные и наибольшие рабочие напряжения электрических сетей
Примечание: В скобках приведено допустимое в течение ограниченного времени фазное напряжение при однофазных замыканиях на землю. Нежелательные эффекты могут возникать также в других системах, находящихся в зоне действия электромагнитных полей сетей высокого напряжения в установившихся и переходных режимах. Совокупность этих эффектов составляет экологическое влияние на биосферу (людей, фауну, флору), а также мешающее и опасное влияние на техносферу (устройства проводной и радиосвязи, телемеханические устройства, счетно-решающую электронную технику, низковольтные сети электроснабжения и т.п.). Именно эти влияния определяют условия электромагнитной совместимости функционирования электрических сетей и других систем. И, наконец, к той же проблеме электромагнитной совместимости относится совместимость подсистем самой электроэнергетики. Возникновение перенапряжений в сети и системе может привести к нарушению электромагнитной совместимости между объектами высокого и низкого напряжения. Последние, обычно “обслуживают” объекты высокого напряжения. Основными характеристиками перенапряжений являются кратность, повторяемость, форма кривой и широта охвата сети.   Кратность – отношение максимального значения напряжения Umax к амплитуде наибольшего рабочего напряжения на данной изоляционной конструкции 2 Uнр (рис.1.1): К = Umax/ 2 Uнр. Однако, при измерениях или расчетах для определения кратности Umax обычно относят не к величине  2 Uнр, а к фактической амплитуде рабочего напряжения, имеющего место непосредственно перед появлением перенапряжения или установившегося после него. Такое определение К не противоречит данному выше определению, поскольку предполагается, что величина Umax пропорционально рабочему напряжению, и при повышении напряжения до наибольшего рабочего напряжения величина кратности не изменяется.  Рис.1.1. Осциллограмма перенапряжений. Повторяемость определяется ожидаемым числом случаев возникновения перенапряжений за данный промежуток времени, например, в год. Форма кривой перенапряжения обусловливается длиной фронта, длительностью, числом импульсов и временем существования данного перенапряжения. Широта охвата сети – число изоляционных конструкций, на которое одновременно воздействует данное перенапряжение. Все перечисленные параметры перенапряжений, как правило, случайны и обладают статистическими характеристиками. В зависимости от места приложения можно выделить различные виды перенапряжений: фазные, междуфазные, внутрифазные, между контактами. Наиболее практическое значение имеют фазные перенапряжения. Они действуют на изоляцию токоведущих частей электрооборудования от земли или заземленных конструкций. К этой изоляции нормально приложено фазное напряжение. Однако в сетях с изолированной нейтралью следует учитывать, что в процессе поиска места замыкания на землю (длительностью от минут до нескольких часов) к фазной изоляции может быть приложено линейное напряжение. Междуфазные перенапряжения рассматриваются при выборе междуфазной изоляции, например, расстояний между проводами разных фаз на линиях и подстанциях, обмотками различных фаз трансформаторов, машин, реакторов. Рабочим напряжением для этих видов изоляции является линейное напряжение. Внутрифазные перенапряжения возникают между различными токоведущими элементами одной и той же фазы, например, между соседними витками или катушками обмотки трансформатора, а также между нейтралью и землей. Перенапряжения между контактами коммутирующих аппаратов возникают в процессе отключения участка сети или при несинхронной работе двух участков сети. В зависимости от причины “генерирования” различают две группы перенапряжений: внешние, которые возникают при ударах молнии и воздействий других, внешних по отношению к рассматриваемой сети источников энергии, и внутренние, которые развиваются за счет энергии подключенных к сети генераторов или реактивных элементов (L, С), а также вследствие различных резонансных процессов, аварий и коммутаций элементов сети, в том числе и повторных зажиганий электрической дуги. ВНЕШНИЕ ПЕРЕНАПРЧЖЕНИЯ. Главным источником внешних перенапряжений в высоковольтных электрических сетях являются грозовые разряды. Возможно, также появление внешних перенапряжений от электромагнитных бурь и ядерных взрывов (рис.3.1). (Электромагнитный импульс – ЭМИ)  Рис.3.1. Классификация внешних перенапряжений. Наиболее опасные грозовые перенапряжения возникают при прямом ударе молнии (ПУМ) в токоведущие элементы электрической сети. Ток молнии может превышать 100 кА. Молния с таким током приводит к возникновению в точке удара импульса напряжения до десятков мегавольт, достаточного для перекрытия изоляции любого, вплоть до наиболее высокого, класса напряжения. Поэтому желательно обеспечить надежную защиту проводов линии и оборудования подстанций от прямых ударов молнии с помощью стержневых и тросовых молниеотводов. Удар молнии в заземленные элементы конструкции приводит к возникновению на них кратковременных перенапряжений, которые могут вызвать обратные перекрытия с заземленных элементов на токоведущие. Для защиты от обратных перекрытий необходимо обеспечить малое сопротивление заземления опор, корпусов электрооборудования и молниеотводов на линиях и подстанциях. Индуктированные перенапряжения – результат взаимной магнитной (индуктивной) и электрической (емкостной) связи канала молнии с токоведущими и заземленными элементами электрической сети. Они имеют значительно умеренную величину по сравнению с перенапряжениями при ударах в токоведущие и заземленные части электроустановки. Индуктированные перенапряжения представляют главную опасность для изоляции сетей низких и средних классов напряжения. Электрооборудование 110 кВ и выше имеет более высокую импульсную прочность изоляции, и удары молнии в стороне от линии опасности для него, как правило, не представляют. Однако при ПУМ индуктивная и емкостная связь молнии с линией способствует дополнительному увеличению грозового перенапряжения. Это необходимо учитывать при анализе надежности грозозащиты линий всех классов напряжения. Импульсы перенапряжений могут также оказывать влияние на изоляцию подстанций, расположенных на значительном удалении от места удара на линии, так как они распространяются по линии на значительные расстояния с малым затуханием. Эти перенапряжения называются набегающими волнами. Они могут представлять опасность для электрооборудования подстанций, которое имеет меньшие запасы электрической прочности с линейной изоляцией. Кроме того, возникающие на подстанции перенапряжения, как правило, превышают напряжение набегающей волны за счет волновых процессов на ошиновке и в электрооборудовании. Распределяясь по обмоткам машин и трансформаторов, волны могут воздействовать на их главную и витковую изоляцию, а проходя через трансформатор на изоляцию электрооборудования, подключенного к другим их обмоткам. Солнце, наряду с инфракрасным (тепловым), световым и ультрафиолетовым излучением, особенно в годы «активного» солнца приблизительно одиннадцатилетнего периода, выбрасывает огромное количество электронов, протонов, нейтронов и альфа-частиц. Пролетая мимо Земного шара и взаимодействуя с магнитным полем вращающейся земли, они индуктируют в земной поверхности электродвижущие силы, медленно меняющиеся во времени (порядка секунд и более). Величина э.д.с. даже в периоды наиболее интенсивных электромагнитных бурь колеблется от долей до единиц вольт на километр и в северном полушарии ориентирована на меридиональное направление. В протяженных линиях электропередач возникают медленно меняющиеся уравнительные токи, которые могут достигать десятков и даже сотен ампер. Протекая через обмотки трансформаторов, они вызывают насыщение магнитопроводов и многократное увеличение тока намагничивания. Кроме того, выход на нелинейный участок кривой намагничивания трансформатора сопровождается протеканием по линии, кроме вышеуказанного уравнительного тока нулевой последовательности, также и токов четных и нечетных гармонических. Это может вызвать ложные отключения дальних линий электропередачи вследствие неверной работы релейной защиты, росту перетока мощности по параллельным линиям и их перегрузке с последующим отключением, т.е. к системной аварии, сопровождающейся нарушением электроснабжения потребителей на большой территории и большим ущербом. Эти обстоятельства необходимо учитывать при разработке релейной защиты дальних электропередач. Перенапряжения при ядерных взрывах: Электромагнитный импульс ядерного взрыва возникает за счет электронов, разлетающихся с большими скоростями от места взрыва, и их взаимодействия с электромагнитным полем Земли. При космическом ядерном взрыве гамма-излучение беспрепятственно распространяется в разные стороны, достигает верхних слоев атмосферы на большом пространстве над поверхностью земли и ионизирует нейтральные молекулы. Возникающие при этом свободные электроны летят с большими скоростями, и взаимодействуя с магнитным полем Земли создают импульсное электромагнитное поле высокой напряженности с весьма крутым фронтом (десятки наносекунд) и длительностью, достигающей десятков микросекунд. В случае наземного ядерного взрыва (рис.3.2) образуются диполи зарядов +q и –е и система токов iɕ, замыкающихся частично как токи проводимости (в земле), токи смещения iɛ (в воздухе) и токи конфекции iк (в области разлета электронов).  Рис.3.2. Токи при возникновении наземного ядерного взрыва. Возникающие на периферии ядерного взрыва избыточные электроны создают высокие напряженности электрического поля и могут привести к образованию разрядов в землю (Р), подобных молнии. Электромагнитные импульсы наземного взрыва могут иметь весьма значительную интенсивность и длительность, достигающую долей секунды. ВНУТРЕННИЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИ. Внутренние перенапряжения в зависимости от длительности воздействия на изоляцию подразделяются на стационарные, квазистационарные и коммутационные. Под стационарными перенапряжениями следует понимать длительные повышения напряжения, превышающие наибольшие фазные напряжения сети. Стационарные перенапряжения могут существовать в разных режимах работы сети и поддерживаться в случае необходимости для обеспечения требуемых уровней напряжения в других точках при максимальной или минимальной нагрузке. Они могут длительно наблюдаться у потребителей в режиме минимальной нагрузки при недостаточной пропускной способности сети, а на стороне питания – в режиме передачи максимальной мощности. Квазистационарные перенапряжения возникают при неблагоприятных сочетаниях параметров сети и продолжаются до тех пор, пока такое сочетание существует. В самом деле, длительность этих перенапряжений (секунда – десятки минут) ограничивается временем действия релейной защиты или оперативным персоналом. Наиболее часто они возникают в несимметричных режимах: при однофазных или двухфазных коротких замыканиях на землю, разбросе действия или отказе фаз выключателя. Для некоторых видов электрооборудования 110 кВ и выше (номинальное напряжение сетей 110 кВ и выше соответствует классу напряжения) установлены допустимые уровни стационарных и квазистационарных перенапряжений в зависимости от их длительности (таблица 3.1). Квазистационарные перенапряжения делят на режимные, резонансные и феррорезонансные (рис.3.1). Режимные перенапряжения наблюдаются при неблагоприятных сочетаниях, действующих в сети электродвижущих сил. Так, например, к режимным можно отнести перенапряжения, действующие в течение времени замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью, а также перенапряжения при возбуждении и разгоне генератора, которые возникают в случае внезапного сброса нагрузки. При подключении к сети новых или вышедших из ремонта силовых трансформаторов в отдельных случаях по вине персонала возможна ошибочная фазировка. Кратковременное повышение напряжения в сети наблюдается при внезапном сбросе нагрузки, что связано с уменьшением падения напряжения на линии и инерционностью регуляторов возбуждения синхронных компенсаторов и генераторов. Эти повышения обычно безопасны для изоляции. Таблица 4.1 Допустимая кратность перенапряжений в зависимости от их длительности
Примечание. Для ОПН-500 и ОПН-750 при времени не более 0,15с допускается также кратность 1,7.  Рис.4.1. Классификация квазистационарных перенапряжений. К режимным относятся также перенапряжения при несимметричных коротких замыканиях на землю. Резонансные перенапряжения имеют место при приближении одной из частот собственных колебаний отдельных участков сети к частоте вынужденной э.д.с. Например, линия электропередачи, подключенная к источнику э.д.с, имеет ряд собственных колебаний. При приближении какой-либо из этих частот к частоте источника э.д.с напряжение на линии поднимается вследствие “емкостного эффекта”. В неполнофазных режимах линии с присоединенным к ней реактором или трансформатором с заземленной нейтралью резонансный контур может образовать емкость между фазами линии с индуктивностью реактора или трансформатора. При несимметричных коротких замыканиях на линии генератор без демпферных обмоток создает значительные э.д.с высших гармоник. Они могут возбудить динамические перенапряжения в сети вследствие резонанса на одной из этих гармоник. Феррорезонансные перенапряжения могут развиваться в контурах, содержащих емкость и индуктивность с насыщенным магнитопроводом (трансформатор, электрическая машина, реактор), на частоте 50 Гц, на высших и низших гармониках. В несимметричной схеме (неполнофазный режим, обрыв провода) феррорезонанс на промышленной частоте может возникнуть в контуре из последовательно соединенных трансформатора с насыщенным магнитопроводом и емкости проводов. Ток намагничивания насыщенного трансформатора содержит высшие четные и нечетные гармоники в момент включения и нечетные гармоники в установившемся режиме. При малых нагрузках эти токи могут вызвать феррорезонанс на высших гармониках в контурах с соответствующими частотами собственных колебаний. Коммутационные перенапряжения (рис.3.2) возникают при всевозможных быстрых изменениях режимов работы сети. Они происходят вследствие работы коммутационных аппаратов (включение и отключение элементов сети), пробоях изоляции (в том числе при повторных зажиганиях дуги), а также при резком изменении параметров нелинейных элементов. Перенапряжения при отключении линий возникают вследствие переходного процесса от предшествующего нормального или аварийного режима к квазистационарному режиму односторонне включенной линии, а также при отключении последней выключателем, допускающим повторные зажигания дуги. Каждое зажигание сопровождается колебательным процессом перезаряда емкости линии. Перенапряжения наблюдаются и на поврежденной фазе при отключении короткого замыкания в сети. Опасные, но сравнительно редкие перенапряжения возможны при разрывах передачи, когда линия отключается во время асинхронного хода энергосистем. Наличие устройств продольной компенсации приводит к дополнительному повышению этих перенапряжений.  Рис.4.2. Классификация коммутационных перенапряжений. Перенапряжения при отключении конденсаторных батарей появляются вследствие повторных зажиганий дуги в выключателе. Они аналогичны перенапряжениям, возникающим при отключении линий. Перенапряжения при включении индуктивных элементов сети (электрических машин, ненагруженных трансформаторов, реакторов) возникают вследствие колебательного заряда емкостей обмоток и других элементов (например, кабелей). Разброс моментов включения разных фаз и наличие обмотки, включенной треугольником, способствуют увеличению перенапряжений вследствие ненулевых начальных условий при включении второй и третьей фаз. Перенапряжения при отключении индуктивных элементов сети наблюдаются при быстром принудительном уменьшении (“обрыве”) тока дуги в выключателе. Энергия магнитного поля индуктивности переходит в энергию электрического поля емкости отключенной обмотки. Возникающие при этом перенапряжения зависят от мгновенного значения и скорости изменения тока в выключателе в момент его обрыва, параметров схемы и характеристики намагничивания индуктивного элемента. Перенапряжения при дуговых замыканиях на землю имют место вследствие неустойчивого горения (погасания и повторного зажигания) дуги однофазного замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью. Наибольшие перенапряжения отмечаются на здоровых фазах. Перенапряжения зависят от моментов повторного зажигания и погасания дуги. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ И РЕСУРСОВ. Техника высоких напряжений / Под редакцией Г.С. Кучинского. СПб.: Энергоатомиздат, 2003. 608 с. Халилов Ф.Х. Классификация перенапряжений. Внутренние перенапряжения. Учебное пособие. Издание НОУ “Центр подготовки кадров энергетики”, Санкт-Петербург, 2012. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||