Анализ применения ограничителей перенапряжений в электросетях 0,38-110 кВ

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Проблема реализации защиты сетей от перенапряжений ограничителями ОПН приобретает всё большую актуальность. Важен правильный подбор соответствующих устройств для защиты электрических сетей 0,38-110 кВ.

Целью работы является рассмотрение основного ряда вопросов по проблеме ограничения перенапряжений в электросетях 0,38-110 кВ ограничителями ОПН. Широкое внедрение эл. энергии в технологические процессы производства требует высокой надёжности электроснабжения потребителей качественной электроэнергией. В её обеспечении большое значение имеет правильная организация защиты электрооборудования от перенапряжений. Экскурс используемых защит на производстве позволяет сделать вывод о предпочтении применения наиболее эффективного и надёжного средства как ОПН.

В первой главе под названием «Перенапряжения в электрических сетях» приводится характеристика уровней изоляции сетей, а также классификация и характеристика внутренних и внешних перенапряжений.

Вторая глава посвящена защите электрических сетей от грозовых и коммутационных перенапряжений. Для защиты электросетей необходимо знать нормативные требования, категории оборудования импульсных перенапряжений и т.п. Для того чтобы защититься от импульсных перенапряжений, необходимо знать причины их возникновения. В данной главе рассматриваются различные средства защиты, такие как: защитные промежутки, трубчатые и вентильные разрядники, а также особый класс грозозащитных устройств - длинно-искровые разрядники с конструктивным описанием и техническими характеристиками.

В третьей главе рассмотрено современное и самое надёжное средство защиты от импульсных перенапряжений - ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН). Приведены основные типы и их достоинства. Описана конструкция и принцип действия. Рассмотрены основные технические характеристики и выбор. Изложены рекомендации по выбору ОПНов и рассмотрена методика выбора основных параметров. Широкие возможности и огромные достоинства ограничителей перенапряжений делают этот класс защиты самым эффективным и перспективным средством в настоящее время.

В последнее время на проблеме реализации защиты электросетей 0,38-110 кВ от перенапряжений ограничителями ОПН акцентируют огромное внимание. В современной литературе публикуется множество статей на данную тему, обсуждается множество вопросов на всевозможных конференциях по применению и эксплуатации ОПН на производстве. Актуальным является вопрос о всеобщем внедрении ОПНов как наиболее надёжном и эффективном средстве защиты электрооборудования на современных предприятиях.

Импульсные перенапряжения в настоящее время приводят к целому ряду негативных последствий, таких как:

разрушение вводных цепей как на платах, так и на корпусах микросхем;

сбои и ложные срабатывания в работе оборудования;

изменение параметров полупроводникового прибора, и вследствие этого некорректная работа схемы, собранной на базе этого прибора.

Ознакомившись с картой удельной плотности грозовых разрядов на землю (приложение 2), можно сказать, что большая часть центральной России находится в зоне со средней и высокой плотностью грозовых разрядов (2,5-4) Ng. Это свидетельствует о том, что защита от импульсных перенапряжений должна быть установлена повсеместно. Улучшение защиты может быть достигнуто внедрением защитных аппаратов, обладающих лучшими электрическими характеристиками. Негативные последствия и накопившиеся проблемы в электроэнергетике по данной теме побудили остро поставить вопрос о защите во всевозможных источниках.

Внедрение защитных аппаратов нового поколения сталкивается с значительными трудностями их правильного применения. В первую очередь это связано с недостаточностью нормативных документов, регламентирующих правильное использование ОПН в сетях 0,38 - 110 кВ. Перед энергетическими предприятиями, как правило, возникают две взаимопротиворечащие друг другу задачи. С одной стороны глубоко ограничить перенапряжения, а с другой обеспечить надежную работу самого аппарата. Если приоритет при выборе параметров ОПН отдавать первой задаче, то снизится надежность работы ОПН. В обратном случае повышаются воздействия на изоляцию электрооборудования. Разрешению этой дилеммы посвящено руководство по эксплуатации и применению «Ограничители перенапряжений нелинейные» [1].

В журнале «Энергетик» 2006 года [15] приведена статья с 28 Международной Конференции конференции, которая состоялась 18 - 22 сентября 2006 в г. Каназава (Япония) по современной защите от внешних перенапряжений (International Conference on Lightning Protection, ICLP). От «НПО Стример» Г. В. Подпоркиным [9] был представлен доклад на тему длинно-искровых разрядников. Это уникальное для грозозащитных аппаратов качество наряду с конструктивной простотой предопределило возможность их успешного применения в качестве эффективного и надежного средства защиты воздушных линий и электрических сетей от грозовых перенапряжений и их последствий.

Экскурс самых современных фирм по производству ОПН различных типов приведён в журнале «Электро» 2006г [14]. Современные компании конкурируют на международном рынке за право быть лучшими в этой сфере. Компании специализируется на разработке и изготовлении защитных аппаратов с повышенными эксплуатационными характеристиками, учитывая при проектировании ограничителей перенапряжения особенности защищаемых объектов, место установки ограничителей и условия их эксплуатации. Использование для изготовления ограничителей перенапряжения лицензионных нестарящихся варисторов различной геометрии (диаметров и толщин) и с различными техническими характеристиками позволяют выпускать защитные аппараты на классы напряжения сетей от 0,4 до 750 кВ.

Для того, чтобы быстро и грамотно решать любую техническую проблему, необходимо иметь единую терминологию, систему обозначений основных параметров, применяемых сокращений; основные технические требования и категории оборудования импульсных перенапряжений. Всё это изложено в правилах устройства электроустановок [4]. Данное руководство охватывает все необходимые ГОСТы и правила, разработанные Международной электротехнической комиссией. В этих документах сформулированы требования к техническим средствам, направленные на устранение или ограничение до допустимого уровня кратковременных (импульсных) перенапряжений, которые могут возникать в электроустановке до 1 кВ и выше во время грозовой активности или вследствие коммутаций в цепях с большими пусковыми токами, а также изложены указания относительно способности электрической изоляции оборудования выдерживать кратковременные перенапряжения определенных значений для каждой из приведенных в стандарте четырех категорий электроприёмников.

Вопросы перенапряжений и их ограничения в сетях низкого, среднего и высокого напряжения в городах России рассмотрены в статье Ф.Х.Халилова д.т.н. профессора, П.В.Журавлева к.т.н., И.В. Шевцова. Санкт - Петербург, 1996 [5]. В процессе эксплуатации на изоляцию различных электрических элементов (линии, подстанции, электрические машины, устройства сигнализации и блокировки, нетяговые объекты и др.) воздействуют длительное рабочее напряжение, а также кратковременные внешние и внутренние перенапряжения. Из внешних перенапряжений важное значение имеют перенапряжения при ударах линейной молнии, из внутренних перенапряжений - выбросы напряжения при коммутациях различных элементов подстанций глубокого ввода, тяговых подстанций, контактных сетей и подвижного состава. Вследствие этих перенапряжений изоляция либо повреждается сразу, либо стареет раньше гарантированного срока эксплуатации, выходит из строя. В результате следует внедрять наиболее надёжные средства защиты от перенапряжений такие, как ОПН.

Анализ применения ОПН в сетях 110-220 кВ приводится в статье Журнала «Новости электротехники» за 2006 г [13]. В ней рассматриваются наиболее важные факторы риска. Особенную роль отводят квазистационарным перенапряжениям, относящимся к внутренним перенапряжениям.

По данным Санкт-Петербургского Государственного Политехнического университета, Центр энергетических защитных аппаратов (ЦЭЗА) «Нелинейные ограничители перенапряжений в полимерных корпусах» образован на базе опытно-экспериментального производства ограничителей перенапряжений кафедры Электрические и электронные аппараты СПбГПУ, где с 1970 г проводились: исследования, разработка и испытания ограничителей перенапряжений на напряжение до 1150кВ. В 1978 г было организовано опытное производство ограничителей перенапряжений в полимерном исполнении и к настоящему времени выпущено несколько десятков тысяч ОПН на классы напряжения 6-750 кВ.

Журнал энергетик [15] поднимает актуальную проблему о реализации защиты от перенапряжений. С каждым днём в электрических сетях увеличивается количество помех, а потребители становятся всё чувствительнее к импульсам перенапряжения, т.к. различные системы автоматики и современное оборудование насыщены электронными компонентами. Важен правильный подбор соответствующих устройств для защиты информационных, телекоммуникационных и телевизионных линий. Как показывает практика, основные ошибки при осуществлении проектов по защите от перенапряжений допускаются на таких крупных объектах, как заводы и промышленные комплексы. Однако значительную часть повреждений можно предупредить при пошаговом согласовании проектов защиты. Система будет работать безупречно только в том случае, если она была всесторонне продумана и детально реализована.

По данным самых последних источников [13, 14, 15] в настоящее время в различных городах РФ и за рубежом в эксплуатации находится более 100000 ограничителей перенапряжений и это число постоянно растёт, что свидетельствует о доверии к качеству данного средства защиты электроустановок, масштабной смене старых видов защиты на ОПНы и его дальнейшей перспективе развития.

1. ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ

1.1 Характеристика уровней изоляции сетей 6-35 кВ

Перенапряжения в электрических сетях непосредственно воздействуют на изоляцию. Изоляция электрических установок распределительных сетей практически непрерывно находится под воздействием соответствующего номинального напряжения с возможным отклонением на небольшое значение в сторону превышения (+15%). В результате со временем изменяется физическая и химическая структура материала изоляции, и она теряет свои защитные свойства - снижается ее электрическая прочность. При изготовлении электрического оборудования и других электротехнических изделий учитывается влияние напряженности электрического поля, длительности его воздействия на изоляцию и другие факторы, а также условия, в которых приходится работать изоляции.

В соответствии с условиями эксплуатации изоляция конструкций подразделяется на внешнюю и внутреннюю. Внешней изоляцией называется внешняя часть изоляционной конструкции, где изолирующей средой является атмосферный воздух или сочетание поверхности диэлектрика с атмосферным воздухом.

Внутренней изоляцией называется внутренняя часть изоляционной конструкции, где изолирующей средой является жидкий, твердый или газообразный диэлектрик или их комбинация, не подвергающаяся непосредственному воздействию внешних условий.

Отличительной особенностью внешней изоляции является ее свойство восстанавливать свои параметры после разряда или пробоя, что дает возможность достаточно достоверно определить ее электрическую прочность.

Достоверных сведений о характеристиках электрической прочности внутренней изоляции получить невозможно. Поэтому они косвенно характеризуются нормированными (ГОСТ 1516.3) испытательными напряжениями грозовых импульсов и нормированным испытательным напряжением промышленной частоты. Для электрооборудования 6-35 кВ допустимая кратность (выдерживаемый уровень) коммутационных перенапряжений Kдоп.вн по отношению к фазному значению наибольшего рабочего напряжения определяется по

Kдоп.вн = Ки Кк Uисп.вн/ Uн.р (1.1)

Uисп.вн. - нормированное одноминутное испытательное напряжение промышленной частоты главной изоляции электрооборудования, кВ, (действующее значение);

Uн.р. - наибольшее рабочее напряжение сети, кВ (действующее значение).

Ки - коэффициент импульса, учитывающий повышение разрядного напряжения изоляции при более коротком коммутационном импульсе по сравнению с испытательным напряжением. Ки =1.3 для главной изоляции трансформаторов. Ки = 1.1 для аппаратов;

Кк - коэффициент кумулятивности, учитывающий снижение электрической прочности в условиях эксплуатации при многократных воздействиях перенапряжений и возможность старения изоляции. Кк =0.9 для главной изоляции трансформаторов, Кк =1.0 - для аппаратов;

Допустимая кратность грозовых перенапряжений оценивается по формуле:

Кдоп.гр = 1,1(U исп.гр - Uном) /(Uн.р.) (1.2)

U исп.гр - испытательное напряжение грозовым импульсом по ГОСТ 1516.1.

Статорные обмотки электрических машин имеют меньший уровень изоляции. Особенностью статорной изоляции является то, что ее коэффициент импульса примерно равен единице. Если в сетях установлены высоковольтные электрические машины в виде синхронных компенсаторов, генераторов и электродвигателей, то кдоп Эл.маш определяется как:

Кдоп.эл.маш = Uисп.дв/Uн.р.дв (1.3)

где Uисп.дв. =2Uном+1 - испытательное напряжение электрических двигателей.

В заключение по допустимому уровню электрической прочности изоляции электрооборудования можно сделать следующие выводы:

Среди всех видов электрооборудования наименьший уровень изоляции имеют электрические машины.

Кратность допустимых уровней перенапряжений

Кратность допустимых грозовых перенапряжений при прочих равных условиях приблизительно на 45% больше, чем при внутренних перенапряжениях.

Электрооборудование с облегченной изоляцией, применяемое в сетях 6-10 кВ, имеет кратность допустимых перенапряжений на 30% ниже, чем для электрооборудования с нормальной изоляцией.

В составе электрооборудования сетей 6-35 кВ применяются трансформаторы тока, напряжения, выключатели, силовые трансформаторы, электродвигатели, синхронные компенсаторы и другое оборудование, поэтому в большинстве случаев уровень изоляции линий электропередачи определяется изоляцией перечисленных видов оборудования. Приведенные данные показывают, что в сетях 6-35 кВ с изолированной или резонансно заземленной нейтралью внутренние перенапряжения обычно не опасны для изоляции электрооборудования с нормальной изоляцией. Вместе с тем нельзя исключить ухудшение (например, старение) изоляции в периоды между эксплуатационными профилактическими испытаниями, поэтому для повышения надежности работы изоляции сетей, прежде всего, состаренной в процессе многолетней эксплуатации, необходимо предусматривать дополнительные мероприятия по ограничению внутренних перенапряжений.

1.2 Классификация и характеристика внутренних перенапряжений сетей 6-35 кВ

Перенапряжения, возникающие в результате ненормальных или аварийных режимов работы электроустановок, а также при включениях и отключениях воздушных линий и электрооборудования, называются внутренними.

Внутренние перенапряжения сетей 6-35 кВ подразделяются на два вида:

квазистационарные перенапряжения, которые возникают при неблагоприятных сочетаниях реактивных элементов сети и ЭДС источников питания. Эти перенапряжения имеют длительный характер и существуют до тех пор, пока не исчезнет причина их возникновения;

коммутационные перенапряжения, которые возникают при различных коммутациях электрической цепи. В реальных условиях под ними понимают все плановые и аварийные коммутации.

1.2.1 Квазистационарные перенапряжения

Резонансное смещение нейтрали в сети с дугогасящим реактором

Нормальная работа сети с изолированной нейтралью характеризуется наличием на нейтрали некоторого напряжения, называемого напряжением несимметрии. Это напряжение возникает при наличии несимметрии в емкостях отдельных фаз сети или при различной величине проводимостей фаз, обусловленных, например, неодинаковой степенью загрязнения.

Для сетей, заземленных через дугогасящую катушку, емкостной ток несимметрии протекает через индуктивность катушки. В этом случае может происходить резонансное смещение нейтрали, значительно превышающее обычное смещение.

Повышения напряжения в сетях 6-35 кВ при неполнофазных режимах работы сети

Резонансные повышения напряжения могут возникать не только при естественной несимметрии емкостей фаз, но и при значительной несимметрии емкостей, вызванной обрывом проводов и неполнофазными включениями линий. Предел повышения напряжения определяется насыщением магнитопровода дугогасящего реактора.

В сети без дугогасящего реактора нарушение симметрии сети, вызываемое обрывом проводов с заземлением и без заземления, неодновременным включением и отключением фаз возможны перенапряжения, обусловленные так называемым «опрокидыванием» фазы трансформатора. Перенапряжения на ёмкости линии при этом явлении могут достигать 4Uф. Явление опрокидывания возникает лишь в линиях определённой длины и слабо загруженных трансформаторах.

1.2.2 Коммутационные перенапряжения

Обычно в месте замыкания горит дуга. В большинстве случаев она носит неустойчивый характер, что приводит к возникновению коммутационных перенапряжений.

Перенапряжение возникают в электрических установках при резких изменениях режима их работы, главным образом в результате коммутаций (при включениях или отключениях тока, при коротких замыканиях на землю и т.п.). Коммутация сопровождается переходным процессом, после которого устанавливается новый режим работы установки. Соответственно различают кратковременные (порядка единиц и десятков мсек) коммутационные перенапряжение и длительные перенапряжение установившегося режима. Коммутационные перенапряжение, вызываемые повторными зажиганиями и гашениями электрической дуги в цепях с ёмкостной проводимостью, получаются при отключении ненагруженных линий, при замыкании на землю через дугу одной из фаз трёхфазной системы с изолированной нейтралью и т.д.

Коммутационные перенапряжение при включении линий связаны с возникновением и развитием переходного процесса в колебательном контуре, образованном ёмкостью линии и индуктивностями линии, трансформаторов и генераторов. Особенно существенные перенапряжение появляются при автоматическом повторном включении.

Существует множество видов внутренних перенапряжений:

Дуговые замыкания на землю (изолированная нейтраль) Кратность перенапряжения 3.0-3.5.

Дуговые замыкания на землю (резонансно-заземлённая нейтраль). Кратность перенапряжения 2.6.

Дуговые замыкания на землю (резистивно-заземлённая нейтраль) Кратность перенапряжения 2.4-2.6.

Поик «земли» при ОЗЗ. Кратность перенапряжения 4.0-6.0.

Резонансные перенапряжения. Кратность перенапряжения до 4.0.

Включение электродвигателей. Кратность перенапряжения 2.6-3.3.

Включение электродвигателей при наличии в сети ОЗЗ. Кратность перенапряжения 3.4.

АПВ и АВР электродвигателей. Кратность перенапряжения 4.0-4.5.

Включение ВЛ и КЛ при наличии в сети ОЗЗ. Кратность перенапряжения 3.0-3.5.

Отключение ненагруженных ВЛ и КЛ. Кратность перенапряжения 3.0-4.5.

Отключение ненагруженных трансформаторов. Кратность перенапряжения 5.0-6.0.

Отключение двойного замыкания на землю. Кратность перенапряжения 3.3.

Отключение вращающихся электродвигателей. Кратность перенапряжения 4.0-5.0.

Отключение заторможенных электродвигателей. Кратность перенапряжения 5.0-6.0.

Кратность напряжения определяется по отношению к амплитуде фазного напряжения сети.

Сравнение допустимых уровней изоляции оборудования и кратностей внутренних перенапряжений показывает, что большинство перенапряжений не опасно для оборудования с нормальной изоляцией.

1.3 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.

2. Защита электрических сетей от грозовых и коммутационных перенапряжений

Защита электрических сетей - одно из самых важных и необходимых мероприятий в электроэнергетике. Следовательно, для повышения надёжности при эксплуатации всевозможного электрооборудования с различным видом изоляции в электрических сетях необходима установка защитных средств.

2.1 Нормативные требования

При защите электрических сетей от внутренних и внешних перенапряжений необходимо использовать соответствующие комплексы государственных стандартов и нормативные правила по обеспечению надёжности эксплуатации электроустановок и всевозможных токоведущих частей. Они включают в себя различные ПУЭ, ГОСТы, СНиПы, разработанные Международной электротехнической комиссией.

В этих документах сформулированы требования к техническим средствам, направленные на устранение или ограничение до допустимого уровня кратковременных (импульсных) перенапряжений, которые могут возникать в электроустановке до 1 кВ и выше во время грозовой активности или вследствие коммутаций в цепях с большими пусковыми токами, а также изложены указания относительно способности электрической изоляции оборудования выдерживать кратковременные перенапряжения определенных значений для каждой из приведенных в стандарте четырех категорий электроприёмников.

2.1.1 Категории оборудования импульсных перенапряжений

Оборудование импульсных перенапряжений категории I предназначено для соединения с существующими электрическими установками зданий. Защитные средства располагают снаружи оборудования или в существующей установке, или между конкретной установкой и оборудованием, чтобы ограничить кратковременные перенапряжения до заданного уровня.

К категории II относится оборудование, которое будет соединяться с существующими электроустановками зданий посредством штепсельных розеток и других аналогичных соединителей.

К категории III относится оборудование, которое составляет часть конкретной электрической установки здания, где обеспечивается повышенная степень доступности.

Оборудование импульсных перенапряжений категории IV предназначено для использования вблизи электрических установок зданий перед главным распределительным щитом.

Соответствующие правила и стандарты по защите электрический сетей включают в себя: классификацию зданий и сооружений по устройству молниезащиты; параметры токов молнии; комплексы средств молниезащиты от прямых ударов молнии; внешнюю молниезащиту и выбор защитного оборудования для электроустановок; устройства для управления перенапряжением, включающие защитное и необходимое управление.

Требования и указания по обеспечению надёжности электроустановок сводятся в таблицу, в которой импульсное номинальное выдерживаемое напряжение оборудования должно быть не ниже требуемого.

Таблица 2.1 - Номинальное импульсное выдерживаемое напряжение, требуемое для оборудования

Номинальное напряжение установки *, В	Импульсное испытательное напряжение, кВ
Трехфазные системы**	Однофазные системы со средней точкой	Оборудование, установленное до распределительного щита(импульсное сопротивление категории IV)	Оборудование, установленное внутри зданий (импульсное сопротивление категории III)	Переносные инструменты (импульсное сопротивление категории II)	Защитные устройства (импульсное сопротивление категории I)
-	120-240	4,0	2,5	1,5	0,8
230/240** 277/480**	-	6,0	4,0	2,5	1,5
400/690	-	8,0	6,0	4,0	2,5
1000	-	Значения напряжений определяют инженеры-системотехники
*Согласно ГОСТ 29322. ** В Канаде и США для напряжений, превышающих 300 В относительно земли, значение импульсного испытательного напряжения выбирают из графы таблицы, соответствующей более высокому напряжению. Примечание - Категория I адресована разработчикам специального оборудования, категория II - техническим комитетам, связанным с разработкой и изготовлением электроприборов и инструментов, предназначенных для работы в электроустановках зданий, категория III - техническим комитетам, связанным с разработкой и изготовлением установочных материалов и отдельных элементов электрооборудования зданий, категория IV - высококвалифицированным специалистам и инженерам - системотехникам.

2.2 Средства защиты от перенапряжений

Для того чтобы защититься от импульсных перенапряжений, нужно знать причины их возникновения.

2.2.1 Причины импульсных перенапряжений

1. Наиболее опасной причиной возникновения импульсов перенапряжения являются удары молнии. Удары молнии могут оказывать разрушающее воздействие и вызывать нарушения в работе электроустановок. Наиболее разрушительными последствиями обладают импульсы перенапряжения, возникающие в результате прямого попадания молнии в защищаемый объект. Амплитуда этих импульсов может достигать десятков киловольт. Менее мощным, но таким же опасным является удар молнии на некотором удалении от защищаемого объекта.

2. Второй причиной возникновения перенапряжения могут стать процессы переключений в системе электроснабжения, например в таких случаях, как переключение трансформаторов, электродвигателей или любых индуктивностей, внезапные изменения нагрузки, отключение защитных автоматов или разъединителей (в распределительных шкафах).

3. Третья причина перенапряжений - неустойчивые наводки с неопределенными амплитудами и частотами, которые приносятся в сеть электропитания самим пользователем или его оборудованием. Такие наводки могут быть следствием работы дуговых печей, сварочных аппаратов, тиристорных устройств и др.

В техническом стандарте представлены три основных принципа разработки систем молниезащиты:

2.2.2 Основные принципы разработки систем молниезащиты

Принцип 1. Определение защитной зоны установленных на крыше электрических приборов для обеспечения защиты от прямого попадания молнии в здание. Для определения зоны молниезащиты необходимо применять метод угла защиты и метод защитных зон. Метод угла защиты относится к самым распространенным. В соответствие с ним угол защиты устанавливается в зависимости от класса молниезащиты объекта и высоты молниеприемника.

Принцип 2. Защита от переброса токов молнии на устройства при соблюдении минимального безопасного расстояния между молниеприемником и установленными на крыше электрическими устройствами. Устанавливаемые на крыше устройства должны быть тщательно защищены от переброса токов молнии.

Принцип 3. Установка соответствующих приборов для защиты от перенапряжения в переходных точках каждой молниезащитной зоны. Возможность повреждения оборудования вследствие опасных перенапряжений не исключена даже при полном соблюдении всех защитных мер, перечисленных в пунктах 1 и 2. Именно поэтому не менее важным фактором при проектировании системы молниезащиты является установка соответствующих устройств для защиты от перенапряжения (УЗП) в переходных точках зон молниезащиты.

МНОГОСТУПЕНЧАТАЯ ЗАЩИТА

Иногда нет возможности подобрать устройство, которое одновременно обладает требуемым уровнем защиты и характеристиками по току. В этом случае система защиты формируется из двух или более ступеней (Приложение 3). При этом первое устройство, которое должно обеспечивать необходимые параметры по току, устанавливается на входе в электроустановку (т.е. оно является ближайшим к точке проникновения тока от разряда молнии), а второе устройство, которое должно обеспечить требуемое остаточное напряжение защиты, устанавливается как можно ближе к защищаемому оборудованию. Расстояние между устройством защиты и защищаемым оборудованием должно быть менее 10 м. Если это невозможно, то следует установить второе устройство защиты от перенапряжения. Контуры заземления всех средств защиты должны иметь средства выравнивания потенциалов заземления.

2.2.3 Поражаемость объектов молнией и защита электроустановок от прямого удара молнии

Грозовая деятельность характеризуется числом грозовых часов в год а данной местности и удельным числом ударов молнии в год, приходящихся на 1 км2 земной поверхности. Среднее число грозовых часов в год для европейской части России принимается 20...40, а число ударов, приходящихся на 1 км2 поверхности земли в год на 1 грозовой час - 0,06 уд/(ч-год-км2).

Ожидаемое число поражений воздушных линий, не защищенных от прямых ударов молнии, можно определить на основе ожидаемого числа ударов в поверхность земли с учетом средней высоты подвески проводов над поверхностью земли hср. В настоящее время принято считать, что ширина полосы, на высоте которой начинается ориентация стримера на возвышающиеся объекты, равна (8…10) hср.

Для защиты от прямых ударов молнии в зависимости от площади и длины защищаемого объекта устанавливают один, два и более стержневых молниеотводов. Молниеотвод должен возвышаться над защищаемым объектом, имеющим высоту hх, на определённую высоту, называемую активной hа. Таким образом, полная высота молниеотвода h = hх + hа.

Зоной защиты молниеотвода называется пространство, защищаемое от прямых ударов молнии с достаточно высокой степенью надёжности, вероятность которой составляет 0,999, а вероятность прорыва зоны защиты током молнии составляет 0,001 или 0,1%.

Зона защиты одиночного молниеотвода (рис. 2.1) представляет собой прямой конус с криволинейной образующей.

Рис. 2.1 - Зона защиты одиночного молниеотвода и двух молниеотводов одинаковой высоты

Зона защиты на высоте защищаемого объекта имеет форму круга радиусом rx. На уровне земли, радиус зоны защиты будет равен 1,6h.

С целью уменьшения затрат молниеотводы устанавливают на крышах зданий, а на ОРУ подстанций монтируют на опорах и порталах.

Зона защиты двух молниеотводов больше суммы зон одиночных молниеотводов, если расстояние между ними не превышает значения, равного 7h, при котором соприкасаются зоны защиты на уровне земли. При дальнейшем разнесении молниеотводов их зоны разрываются. На рисунке 2.1 приведена зона защиты двух одинаковых по высоте молниеотводов. Увеличение и растягивание зоны защиты между ними объясняется их взаимным влиянием на искажение электрического поля на высоте ориентации развивающегося стримера.

Внешние торцовые области защищенной зоны на уровне защищаемого объекта определяют, как для одиночных молниеотводов или геометрическим построением.

Отложив величину bx на перпендикуляре, восстановленном из середины линии, соединяющей молниеотводы на плане (рис. 2.1), проводят касательные к окружностям внешних защитных зон и получают зону защиты двух молниеотводов на уровне высоты защищаемого объекта. Низшая точка зоны защиты находится в середине между молниеотводами и представляет собой часть окружности, проведенной через три точки: две из них - вершины молниеотводов, а третья - точка, отложенная на расстоянии a/7 от середины линии, соединяющей эти вершины

Рис 2.2 - Зона защиты двух молниеотводов разной высоты

В случае применения двух молниеотводов разной высоты (рис 2.2) внешние области строят так же, причем для более высокого молниеотвода часть внутренней зоны до уровня вершины низшего молниеотвода строят, как для одиночного. Из точки пересечения горизонтальной линии, проведенной через вершину низшего молниеотвода с внутренней зоной защиты высшего молниеотвода, восстанавливают фиктивный молниеотвод, и дальнейшее построение ведут, как для двух равновысоких молниеотводов: низшего и фиктивного. Для них же определяют bx, но касательные проводят к окружностям зон защиты фактических молниеотводов разной высоты.

Многократные молниеотводы устанавливают для защиты оборудования, размещенного на достаточно большой площади подстанций. Зоны защиты многократных молниеотводов (рис 2.3) определяют попарно, как зоны двух молниеотводов. Условием наличия зоны защиты внутреннего пространства между молниеотводами являются неравенства: для молниеотводов высотой

h 30 м D 8 ha (2.1)

Рис. 2.3 - Зона защиты многократных молниеотводов

где D - диаметр окружности, проходящей через вершины треугольника (рис.2.3 а), образованного тремя молниеотводами, или наибольшая диагональ многоугольника (рис. 2.3 б).

Зона защиты тросового молниеотвода в поперечном сечении имеет такое же очертание, как и одиночного стержневого молниеотвода, но по ширине эта зона в 2 раза меньше.

При защите ВЛ тросом для оценки эффективности защиты чаще всего пользуются углом защиты а. На линии с портальными опорами устанавливают два троса. Средний провод в этом случае оказывается в более благоприятных условиях защиты, чем крайние. Построение зоны защиты между тросами видно из рисунка 2.1.

Чем меньше угол а, тем меньше вероятность прорыва зоны защиты током молнии. Однако угол а нельзя делать меньше 15° для избежания схлестывания тросов с проводами при сбросе гололеда. Оптимальным считается угол 20…24°, а для ВЛ 35 кВ с целью снижения затрат, связанных с увеличением высоты опор, удовлетворительным считается угол 35°.

Линии напряжением 110 кВ и выше на железобетонных и металлических опорах защищают тросом по всей длине, а на деревянных опорах линии напряжением 35 кВ только на подходах к подстанциям. Линии напряжением 6….10 кВ от прямых ударов молнии не защищают.

Защита подстанций от прямых ударов молнии зависит от напряжения, установленной мощности трансформаторов, числа грозовых часов в году и удельного сопротивления грунта.

При числе грозовых часов в году не более 20 не требуется защищать от прямых ударов молнии подстанции напряжением 20...35 кВ, мощностью 1600 кВ-А и менее.

Молниеотводы устанавливают на стойках конструкций и порталах ОРУ 110 кВ при удельном сопротивлении в грозовой сезон 1000 Ом*м и ОРУ 35 кВ -5000 Ом*м. Сопротивление заземляющего устройства на подстанциях в этом случае должно быть не более 4 Ом. Тросовые молниеотводы, защищающие подход ВЛ к РУ 35 кВ и подстанциям 35/10 кВ на длине не менее 0,5 км, обычно присоединяют к заземленным конструкциям ОРУ при удельном сопротивлении грунта в грозовой сезон до 750 Ом*м, а молниеотводы устанавливают на концевых опорах ввода и порталах трансформаторов 35...20/10...6 кВ, при этом сопротивление заземляющего устройства не должно превышать 0,5 Ом. КТП напряжением 6...35/0,38 кВ, мощностью до 630 кВА от прямых ударов молний не защищают.

Молниеотвод представляет собой деревянную или металлическую мачту, наверху которой устанавливают молниеприемник - металлический стержень диаметром 10...12 мм или отрезок трубы длиной 2...2,5 м, от которого делают спуск стальным оцинкованным проводом диаметром 5 мм или катанкой. Спуск присоединяют к заземляющему устройству.

2.2.4 Защита от набегающих волн перенапряжений

Аппараты защиты изоляции от перенапряжений. Принцип защиты изоляции заключается в том, что защитный аппарат (разрядник или искровой промежуток ИП) срабатывает при меньшем напряжении, чем напряжение пробоя изоляции. Помещается такой разрядник или ИП рядом с защищаемым аппаратом или вблизи него и включается параллельно ему на заземляющее устройство. В результате пробоя он пропускает ток молнии через себя - срезает волну перенапряжений - и она не достигает опасного для изоляции значения.

Искровой промежуток (ИП) - наиболее простой грозозащитный аппарат. Его устанавливают в непосредственной близости от защищаемого объекта. Чаще всего ИП выполняют в виде рогов из круглой стали диаметром 10...12 мм (рис. 2.4). Один электрод присоединен к фазному проводу, а другой - к заземленной металлической траверсе или заземляющему спуску, если опора деревянная. После пробоя ИП волной перенапряжения по ионизированному каналу вслед за импульсным токам устремляется ток промышленной частоты, обусловленный приложенным рабочим напряжением,- сопровождающий ток. Он является током короткого замыкания, потому что заземление для ИП всех фаз общее. Роговая форма ИП улучшает условия гашения дуги, которая под воздействием электродинамических сил и тепловых потоков воздуха перемещается вверх, растягивается и гаснет, если ток не превышает 300 А.



Рис. 2.4 - Роговой искровой промежуток

Кроме основного искрового промежутка I, который обеспечивает защитные свойства, разрядное напряжение и вольт-секундную характеристику, делают второй промежуток 2 для того, чтобы при замыкании птицами не возникал пробой промежутка I под воздействием рабочего напряжения.

Искровые промежутки широко применяются в сетях напряжением 6...35 кВ благодаря простоте устройства и малой стоимости, а также широкому применению АПВ, исправляющему ложное отключение в случае устойчивой дуги при срабатывании ИП. Применяются ИП также тогда, когда ток кз. меньше 200 А и трубчатые разрядники не могут гасить электрическую дугу. При таких токах дуги ИП и трубчатые разрядники оказываются равноценными.

Трубчатые разрядники выпускаются двух типов, которые различаются газогенерирующим материалом трубки: фибробакелитовый - тип РТФ и винипластовый - тип РТВ. В связи с различием используемого газогенерирующего материала имеется несколько отличий в конструкции и размерах этих разрядников, однако принцип их работы одинаковый. Разрядник типа РТФ (рис.2.5) состоит из следующих основных частей: фибровой трубки 3, генерирующей большое количество газа при высокой температуре, развиваемой дугой, горящей внутри трубки; внешней бакелитовой трубки 2, которая необходима для создания механической прочности; камеры дутья 4, образованной одной ; из двух обойм, охватывающих концы трубки; стержневого электрода 5, который совместно с пластинчатым кольцевым ; электродом 7, приваренным внутри второй металлической обоймы, образует внутренний ИП; указателя срабатывания 1, представляющего собой тонкую упругую стальную пластинку; крепежных хомутиков 6.

Внешний искровой промежуток между проводом и разрядником необходим для того, чтобы токи утечки не вызывали выгорания фибровой трубки, а также для нормирования необходимого разрядного напряжения. Размер внутреннего ИП устанавливают на заводе исходя из условия интенсивного образования газов и успешного гашения дуги. Его нельзя регулировать. Размер внешнего ИП зависит от номинального напряжения электрической сети, где его устанавливают.

Рис. 2.5 - Конструкция трубчатого разрядника типа РТФ

При пробое наружного и внутреннего ИП импульсный ток отводится в землю. После окончания импульса по ионизированному каналу устремляется сопровождающий ток промышленной частоты, и грозовой разряд переходит в электрическую дугу, имеющую высокую температуру. Под действием дуги фибра разлагается и выделяется большое количество газов, поэтому в трубке и камере дутья создается большое давление (до 7 МН/м2). В момент прохождения тока через нулевое значение дуга гаснет, и ионизированные газы под давлением выдуваются из трубки через выхлопное отверстие. Окончательно дуга гаснет через 1...3 периода промышленной частоты.

При больших сопровождающих токах под давлением газов трубка может разрушиться. С другой стороны, при малых значениях сопровождающего тока газообразование настолько незначительно, что дуга не может погаснуть. Поэтому в маркировке на обойме выхлопного конца указан тип разрядника и дробь, числитель которой - напряжение сети, а знаменатель - нижний и верхний допустимые пределы отключаемых токов, в которые должны уложиться токи коротких замыканий (кз) в месте установки разрядника.

В электрических сетях токи кз. малы и не достигают верхнего предела отключаемых токов, поэтому возможность применения разрядников проверяют только по нижнему пределу отключаемого тока. Винипластовый разрядник РТВ не имеет камеры дутья, потому что винипласт обладает большей газогенерирующей способностью, чем фибра, и большей механической прочностью, поэтому бакелитовая трубка для упрочнения не нужна. В остальном, конструкция и основные части такие же, как и у РТФ.

Трубчатые разрядники монтируют открытым концом вниз под углом к горизонту не менее 15...20о, чтобы влага не проникала внутрь разрядника. Внешний искровой промежуток может быть расположен горизонтально или под углом, только не вертикально, чтобы не было замыкания во время дождя. При монтаже трубчатые разрядники располагают так, чтобы их выхлопные зоны не пересекались и не вызывали перекрытия между фазами.

На зимний период разрядники типа РТФ демонтируют для профилактического осмотра и ремонта, РТВ оставляют на месте, лишь поворачивают в сторону электрод искрового промежутка. Электроды ИП также раздвигают, чтобы исключить их случайное замыкание.

Вентильный разрядник более совершенный по сравнению с трубчатым, так как имеет лучшую защитную характеристику, а также обладает способностью гасить дугу при первом прохождении сопровождающего тока кз. через нулевое значение благодаря ограничению тока вилитовым сопротивлением до 80...100 А. Поэтому вентильный разрядник - основной грозозащитный аппарат для оборудования станций и подстанций.

На рисунке 2.6 показано устройство вентильного разрядника типа PC10. Основные элементы вентильных разрядников всех типов: ввод с контактным болтом для присоединения к фазному проводу, фарфоровый корпус с ребрами 2,в котором помещены многократный искровой промежуток 3 и соединенные с ним последовательно диски рабочего сопротивления 4, выполненные из вилита, материала, обладающего нелинейным сопротивлением. Для соединения с заземляющим устройством в нижней части имеется контактный болт 6. Фарфоровый корпус, в котором помещены основные элементы разрядника, герметизирован при помощи резиновых прокладок 5 для предохранения от попадания влаги внутрь корпуса, поскольку вилитовые диски гигроскопичны.

Для крепления вентильных разрядников подстанционного типа PC,. РВП и РВО имеется крепежный хомут 7, а для получения хорошего контакта между последовательно соединенными единичными искровыми промежутками и вилитовыми дисками в верхней части имеется пружина 9, шунтированная полоской латунной фольги 8, так как для импульсного тока пружина представляет очень большое индуктивное сопротивление.

Рис. 2.6 - Вентильный разрядник типа РС10

Допустимое значение импульсного тока молнии через вилитовый диск разрядников типа РВП и РВС до 10 кА. При пробое искрового промежутка импульсным перенапряжением оно будет приложено к нелинейному сопротивлению, через которое проходит большой импульсный ток, но благодаря нелинейности сопротивления напряжение Uост лишь незначительно отличается от импульсного пробивного напряжения искрового промежутка Unp - одной из основных характеристик разрядника.

Сопровождающий ток разрядника невелик, и поэтому сопротивление резко возрастает, а ток снижается и дуга гасится искровым промежутком при токе Iгаш и напряжении Uгаш.

Эффективность действия разрядника оценивается коэффициентом

K= Uост/ Uгаш (2.2)

Чем меньше значение К, тем лучше защитная характеристика разрядника. Для сетей выпускаются разрядники облегченного типа в связи с тем, что токи кз. в этих сетях небольшие. В сетях напряжением 10 кВ применяются разрядники PC 10, а в сетях 35 кВ - РВО 35.

С целью безопасности их ограждают или устанавливают так, чтобы нижний цоколь был на высоте не менее 2,5 м. Для защиты оборудования ТП 10/0,38 кВ от набегающих волн перенапряжений по линиям 0,38 кВ применяются низковольтные вентильные разрядники типа РВН 0,5 опорного типа и подвесного, а также типа ГЗа 0,66/2,5 польского производства. Основные элементы этих разрядников те же, что и разрядника PC 10, только они имеют по одному искровому промежутку и одному вилитовому диску. Пробивное напряжение разрядника РВН 0,5 при частоте 50 Гц равно 2,2....2,8 кВ, а ГЗа 0,66/2,5 - 1 кВ.

2.2.5 Защита воздушных линий напряжением 6 -.35 кВ

Индуктированные перенапряжения возникают во всех фазах, поэтому перекрытия изоляции воздушных линий (ВЛ) напряжением 6...35 кВ на железобетонных и металлических опорах при протекании сопровождающих токов приводят к кз и возникновению дуги. Такие линии обязательно имеют устройства АПВ, действие которых способствует гашению дуги и восстановлению электрической прочности линейной изоляции. Поэтому не требуется устанавливать специальные защитные средства на линии, кроме заземления опор, в соответствии с общими требованиями к конструктивному выполнению ВЛ напряжением до 35 кВ. Сопротивление заземляющего устройства каждой опоры должно быть 10...20 Ом.

ВЛ напряжением 35 кВ на деревянных опорах имеют высокую электрическую прочность фазовой изоляции относительно земли благодаря применению дерева. Ток замыкания на землю в сетях этого напряжения мал, поэтому значение сопровождающего тока соответствует значению тока двух или трехфазного кз. Вероятность отключения ВЛ оценивается коэффициентом перехода импульсного перекрытия в силовую дугу и, который зависит от градиента среднего рабочего напряжения Eраб кВ/м, равного отношению рабочего напряжения к длине дуги.

Грозоупорность ВЛ оценивается числом отключений на 100 км/год. ВЛ напряжением 35 кВ на деревянных опорах защищают трубчатыми разрядниками только в местах с ослабленной изоляцией: кабельные муфты, опоры с металлическими траверсами, железобетонные и металлические опоры на переходах через реки и другие препятствия, переходы через ВЛ напряжением 0,38 кВ, линии связи, радиолинии и железнодорожные пути, а так же при пересечениях с ВЛ более высокого класса напряжения. На переходах и пересечениях разрядники ставят с двух сторон пролета ВЛ. Когда расстояние от места пересечения до ближайшей опоры не более 40 м, разрядники устанавливают только на этой опоре.