Изоляция и перенапряжение

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Коронный разряд. Методы снижения потерь на переменном напряжении

Коронный разряд или корона является своеобразной формой самостоятельного разряда, характерной для резко неоднородных полей, когда ионизационные процессы в лавинно-стримерной форме возникают лишь вблизи электрода. При этом в электродном промежутке не возникает сплошного проводящего промежутка, т.е. промежуток теряет свою электрическую прочность лишь частично. Кроме того, ионизационные процессы короны разрушительно действуют на изоляцию и металлическую арматуру. Коронный разряд является источником помех для линий связи, радио и телевидения. Важно заметить что корона является неблагоприятным фактором, с точки зрения сохранения экологической чистоты окружающей нас атмосферы, т.к. она является не только источником акустического «загрязнения» среды, по и за счет электромагнитного излучения может стать угрозой для животного и растительного мира. Качественно процесс коронирования протекает следующим образом: под действием ударной ионизации в чехле короны непрерывно образуются положительные ионы и электроны. В резконеоднородном поле при напряжении, соответствующем выполнению условия самостоятельности разряда, образовавшиеся стримеры не могут перекрыть все пространство между электродами и ионизационные процессы локализуются вблизи электрода с малым радиусом кривизны. Ионизация сопровождается процессами рекомбинации и высвечивания возбужденных частиц, что приводит к возникновению своеобразного ореола, свечения вокруг коронирующего электрода, хорошо заметного в темноте.

Методы уменьшения потерь на корону Одним из основных условий при проектировании и сооружении ЛЭП является выбор конструктивных параметров линии, при которых потери на корону, по крайней мере в хорошую погоду (m2 1), были близки к нулю. Из вышеизложенного материала следует, что одним из средств борьбы с короной является увеличение диаметра провода.

Для линий напряжением 110, 220 и 400 кВ минимальные допустимые диаметры соответственно равны 1,25; 2,5 и 4,6 см, что соответствует действительно применяемым величинам.

Путь борьбы с короной заключится в уменьшении напряженности поля на поверхности провода и увеличении напряжения начала короны. Простое увеличение диаметра провода позволяет относительно легко решить поставленную задачу, но при этом снижается экономическая эффективность передачи электроэнергии, т.к. снижается экономическая плотность тока и, следовательно, уменьшается удельная передаваемая мощность. Таким образом, принцип минимальных затрат, на основе которого выбирается минимальный диаметр провода с учетом экономической плотности тока, при таком подходе не реализуется, и стоимость передачи электроэнергии возрастает. Для сохранения удельных параметров передаваемой мощности необходимо повысить передаваемую плотность тока, а также рабочее напряжение линии. Но при этом, естественно, возникает снова проблема борьбы с короной. Возникает замкнутый круг.

Применение полых проводов является практически идеальным решением. Но изготовление таких проводов из отдельных специальных проволок сложного профиля представляет из себя достаточно трудоёмкий процесс. Альтернативным вариантом применения полых проводов является использование сталеалюминиевых проводов. Они являются основными типами проводов в современной энергетике. Такой провод состоит из центрального стального сердечника, который свивается из отдельных стальных проволок и воспринимает основную механическую нагрузку при эксплуатации. Поверх сердечника накладывается один или несколько повивов из алюминиевых проводов, по которым передается электрическая нагрузка. Технология изготовления таких проводов проще, а в отношении потерь на корону они аналогичны полым проводам.

При сооружении ЛЭП высокого и сверхвысокого напряжения широкое распространение получили расщепленные провода, в которых каждая фаза вместо одного провода большого сечения, обычно специальной и иногда сложной конструкции, заменяется несколькими более тонкими стандартными проводами, расположенными на некотором удалении друг от друга, но с суммарным сечением, равным или несколько превышающим сечение одинарного провода. Применение расщепленных проводов позволяет также существенно снизить уровень радиопомех. Расщепление проводов позволяет отказаться от применения более дорогих специальных проводов, но монтаж расщепленных проводов более сложнее и требует специальных устройств для подвески проводов расщепленной фазы и поддержания между ними с помощью специальных распорок необходимого шага расщепления (а=40-50 см). Применение расщепленных проводов приводит к уменьшению индуктивности линии. При этом уменьшается волновое сопротивление линии, что способствует повышению пропускной способности передачи. Это особенно важно для линий сверхвысоких напряжений, предназначенных для передачи очень больших мощностей.

Одним из путей дальнейшего повышения рабочего напряжения ЛЭП и снижения потерь на корону является использование расширенных проводов с электроизоляционным сердечником.

Важным средством борьбы с короной является использование экранов. Экран представляет собой кожух или короб, изготовленный из тонколистовой стали, который как бы охватывает собой все коронирующие детали (болты, гайки, острые выступающие детали и т.п.) и соединенный электрически коронирующими деталями, т.е. имеющий тот же потенциал, что и коронирующие части установки. Применение экранов позволяет улучшить эстетический вид установки.

2. Основные виды изоляции высоковольтного оборудования. Координация изоляции

В соответствии с условиями эксплуатации изоляция оборудования делится на внешнюю и внутреннюю. Внешней изоляцией называется часть изоляционной конструкции, где изолирующей средой является атмосферный воздух или сочетание твердого диэлектрика и атмосферного воздуха. Электрическая прочность внешней изоляции зависит от атмосферных условий (давление, температура, влажность, загрязнение). Внутренняя изоляция - внутренняя часть изоляционных конструкций, где изолирующей средой является жидкий, твердый или газообразный диэлектрик или их сочетание, не подвергающееся атмосферному воздействию. При этом изоляция, полностью восстанавливающая свои свойства после разряда или пробоя, называется самовосстанавливающейся. Изоляция, частично или полностью теряющая свои изолирующие свойства, называется несамовосстанавливающейся. К самовосстанавливающейся относится внешняя и внутренняя газообразная, если разряд не приводит к повреждения поверхности твердого диэлектрика. К несамовосстанавливающимся относится внутренняя изоляция, которая при пробое не восстанавливает свои свойства. Изоляция электрооборудования, предназначенная для работы в электрических сетях делится на классы напряжения. ОСОБЕННОСТИ ВНЕШНЕЙ ИЗОЛЯЦИИ К внешней изоляции установок высокого напряжения относят изоляционные промежутки между электродами (проводами линий, шинами распределительных устройств и т. д.), в которых роль основного диэлектрика выполняет воздух. Для внешней изоляции характерна зависимость электрической прочности от метеорологических условий, определяющих состояние основного диэлектрика -- воздуха, а также состояние поверхностей изоляторов, т. е. количество и свойства загрязнений на них. Основной диэлектрик внешней изоляции -- атмосферный воздух -- не подвержен старению, т. е. независимо от воздействующих на изоляцию напряжений и режимов работы оборудования его средние характеристики остаются неизменными во времени. Поэтому для чисто воздушных промежутков, составляющих основу внешней изоляции, не существует проблемы сроков службы, которая при создании внутренней изоляции является одной из наиболее сложных. ОСОБЕННОСТИ ВНУТРЕННЕЙ ИЗОЛЯЦИИ. Понятие внутренняя изоляция объединяет различные по устройству, габаритам, выполняемым функциям, по механическим и электрическим характеристикам изоляционные конструкции.

Оценка возможных перенапряжений с учетом их статистического характера, выбор защитных средств и изоляционных конструкций -- все эти вопросы тесно связаны между собой. Комплексное решение этих вопросов, т. е. согласование характеристик защитных устройств и характеристик изоляции, обеспечивающее высокую надежность работы изоляции, называется координацией изоляции. Например, электрическая прочность подстанционного оборудования скоординирована с пробивным и остающимся напряжением разрядников. Усовершенствование разрядников (снижение остающегося напряжения) или увеличение их количества позволяет снизить электрическую прочность защищаемой изоляции, в частности, трансформаторов.

При решении вопросов координации изоляции не всегда следует добиваться полной неповреждаемости изоляции, а лишь достаточно малой вероятности повреждения. Оптимальные условия защиты от перенапряжений и координации изоляции должны выбираться в результате технико-экономического расчета, т. е. путем учета различных расходов: с одной стороны, на усиление защитных устройств, снижающих вероятность аварии из-за повреждения изоляции; с другой стороны, на ремонт поврежденного оборудования и вследствие недоотпуска энергии.

3. Механизм старения изоляции. Выбор допустимых напряженностей электрического поля изоляции высоковольтного оборудования

Основные физические процессы, приводящие к старению изоляции.

Причинами старения внутренней изоляции являются:1) частичные разряды (ЧР) как при перенапряжениях, так и при рабочем напряжении 2) тепловое старение и окисление изоляции 3)увлажнение в изоляции В определенных условиях интенсивность старения зависит от механического воздействия, электролитических процессов, а также электролитических процессов при U=const. При наличии старения возрастает , что приводит к тепловому разбалансу. Основная причина электрического старения - ЧР. Процесс разрушения твердого диэлектрика с эрозией материала, структурными изменениями и разложением вещества, образованием газа и углеродистых соединений. ЧР приводит к снижению пробивной напряженности и к увеличению .

ЧР в изоляции

ТЕПЛОВОЕ СТАРЕНИЕ ВНУТРЕННЕЙ ИЗОЛЯЦИИ. Во всех случаях химические реакции, протекающие в изоляции при нагреве, приводят к постепенному изменению структуры и свойств материалов и как следствие -- к ухудшению свойств всей изоляции в целом. Эти процессы именуют тепловым старением. Для твердых диэлектрических материалов наиболее характерным является постепенное снижение механической прочности в процессе теплового старения. Со временем это приводит к повреждению изоляции под действием механических нагрузок и затем уже к пробою. В жидких диэлектриках в результате теплового старения образуются газообразные, жидкие и твердые продукты реакций. По мере накопления этих продуктов, загрязняющих изоляцию, проводимость и диэлектрические потери растут, а электрическая прочность снижается. В комбинированной внутренней изоляции, содержащей жидкие и твердые материалы, тепловое старение влечет за собой как снижение механической прочности соответствующих элементов, так и ухудшение электрических характеристик всей изоляции.

СТАРЕНИЕ ИЗОЛЯЦИИ ПРИ МЕХАНИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ. Внутренняя изоляция или ее отдельные элементы из твердых диэлектрических материалов обычно подвергаются в эксплуатации значительным статическим, переменным и ударным механическим нагрузкам. Под действием этих нагрузок в материалах происходят медленные процессы старения, имеющие место даже тогда, когда нагрузки во много раз меньше разрушающих, а деформации носят чисто упругий характер. Сущность старения в этом случае состоит в том, что в напряженном материале возникает упорядоченное движение локальных дефектов (на молекулярном уровне) и за счет этого образуются и постепенно увеличиваются в размерах микротрещины. Когда количество и размеры микротрещин достигают некоторых критических значений, наступает разрушение.

УВЛАЖНЕНИЕ КАК ФОРМА СТАРЕНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ИЗОЛЯЦИИ Влага проникает во внутреннюю изоляцию установок высокого напряжения главным образом из окружающего воздуха. В некоторых случаях она может образовываться в самой изоляции в результате термоокислительных процессов. В аварийных ситуациях влага может попадать в изоляцию из системы охлаждения и других устройств.

Появление влаги в изоляции приводит к резкому снижению сопротивления утечки, так как во влаге содержатся растворенные и диссоциированные примеси, т. е. свободные ионы. Уменьшение сопротивления утечки опасно тем, что приводит к росту диэлектрических потерь. Вследствие этого снижается напряжение теплового пробоя и, кроме того, происходит дополнительный нагрев изоляции, что влечет за собой ускорение темпов теплового старения.

Рабочие напряженности Eра6, т. е. напряженности при рабочем напряжении, определяют интенсивность процессов электрического старения, мощность диэлектрических потерь, от которой может сильно зависеть рабочая температура изоляции, а также запас прочности изоляции по отношению к кратковременным перенапряжениям, при которых напряженности достигают значений KПEраб, где КП -- кратность внутренних перенапряжений. При завышении значения Eраб.доп изоляция будет преждевременно выходить из строя и придется излишне часто ремонтировать или полностью заменять оборудование. При заниженных значениях ЕРАБ.ДОП неоправданно возрастают размеры изоляции, габариты и стоимость всего оборудования. В общем случае при выборе ЕРАБ.ДОП должны соблюдаться следующие условия:

(1)

(2)

(3)

где -- напряженность, при которой срок службы т изоляции соответствует требуемому; -- допустимая напряженность в изоляции при кратковременном (одноминутном) воздействии испытательного напряжения; КП -- расчетная кратность внутренних перенапряжений; -- мощность диэлектрических потерь в изоляции при рабочем напряжении; -- допустимая по условиям нагрева изоляции мощность диэлектрических потерь. Обычно для изоляционных конструкций с резконеоднородными электрическими полями по указанным условиям устанавливают средние по толщине изоляции допустимые рабочие напряженности, а для конструкций со слабонеоднородными полями -- наибольшие напряженности.Величину входящую в (2), определяют по опытным данным, а величины и (3) находят расчетным путем и проверяют в экспериментах. Самой сложной проблемой при определении является оценка напряженностей, соответствующих требуемым срокам службы изоляции. В связи с тем, что основной причиной электрического старения внутренней изоляции являются ЧР, вместо (1) часто пользуются условием (4) в котором-- напряженность появления ЧР, определяемая экспериментальным путем; для изоляции, пропитанной или заполненной маслом, -- это напряженность EН появления начальных ЧР. Напряженности для отдельных экземпляров одной и той же изоляционной конструкции являются величинами случайными. Обычно полагают, что они распределены по нормальному закону, и для определения величины по условию (4) пользуются
формулой (5) , где -- среднее значение напряженности появления ЧР по опытным данным; -- среднеквадратическое отклонение напряженности Условие (4) и формула (5) обеспечивают с высокой надежностью отсутствие в изоляции процессов электрического старения (ЧР) при рабочем напряжении и, следовательно, «неограниченно» длительный срок службы. В тех случаях, когда ЧР при рабочем напряжении допустимы, величина должна выбираться из условия ограничения темпов электрического старения, т. е. интенсивности ЧР, до уровня, при котором срок службы соответствует требуемому. К сожалению, связь между характеристиками ЧР и сроками службы установлена пока лишь для немногих видов изоляции. Используя экспериментальные зависимости по величине можно определить и значение . Для некоторых видов изоляции установлены только наибольшие в допустимые при рабочих напряженностях значения кажущегося заряда или среднего тока ЧР. Выбранные значения допустимых рабочих напряженностей уточняются по результатам эксплуатации изоляционных конструкций. В серийно выпускаемых изоляционных конструкциях в настоящее время наиболее высокие значения , вплоть до 15 -- 18 кВ/мм при 50 Гц и до 40 кВ/мм при постоянном напряжении, достигаются в случае бумажно-масляной изоляции, а наименьшие (около 0,5 кВ/мм при 50 Гц) -- в литой эпоксидной изоляции при несовершенной технологии, допускающей образование газовых включений.

4. Способы регулирования полей в высоковольтном оборудовании

изоляция высоковольтный перенапряжение подстанция

Большое значение имеют меры по уменьшению степени неоднородности электрических полей, которые позволяют ограничить мощность потерь на корону до экономически оправданного уровня, снизить интенсивность радиопомех до допустимых значений, а также дают некоторое увеличение разрядных напряжений. Неоднородность электрических полей во внешней изоляции уменьшается главным образом путем увеличения радиусов кривизны поверхностей электродов. С этой целью на воздушных линиях высоких классов напряжений используются расщепленные и расширенные провода, а на арматуре изоляторов устанавливаются специальные экраны. Электрические поля вдоль поверхностей изоляторов выравнивают иногда и с помощью полупроводящих покрытий. Такой способ применяется и во внутренней изоляции. На поля у поверхностей изоляторов сильное влияние оказывает устройство их внутренней изоляции. Поэтому, для регулирования этих полей используют также дополнительные электроды, располагаемые внутри изоляторов. РЕГУЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ ВО ВНУТРЕННЕЙ ИЗОЛЯЦИИ. Электрические поля во внутренней изоляции обычно получаются неоднородными, по крайней мере на отдельных участках. Такие поля характеризуют отношением kн наибольшей напряженности Eмакс к средней Eср, которое называют коэффициентом неоднородности электрического поля. Что толщина изоляции d должна быть d (UВОЗД / Eдоп)kн , т. е. в kН раз больше, чем в однородном электрическом поле. Регулирование электрических полей в изоляции высоковольтного оборудования используется для снижения коэффициента неоднородности kН или для уменьшения размеров тех областей, в которых напряженности особенно велики. За счет регулирования полей достигается уменьшение толщины изоляции при сохранении неизменной ее электрической прочности. Скругление краев электродов. При отсутствии специального скругления острые края электродов имеют очень малый, случайно изменяющийся по длине, но конечный радиус кривизны и коэффициент kн достигает 5--10, т. е. поле получается резконеоднородным. Небольшое увеличение радиуса r сильно снижает степень неоднородности электрического поля. При r> 0,5S поле получается уже слабонеоднородным, а при r/S > 1,0 коэффициент kн не превышает 1,3(S - расстояние между электродами). Полупроводящие покрытия. Если щель нельзя по технологическим причинам заполнить твердой изоляцией или если скругление края усложняет конструкцию (например, скругление стали статора в месте выхода обмотки из паза вращающейся машины), используют полу проводящие покрытия.

Дополнительные электроды. Такой способ регулирования электрического поля у острого края электрода наиболее удобен в случае многослойной изоляции (бумажнопропитанной, маслобарьерной). Дополнительные электроды выполняются из тонкой металлической фольги.

Градирование изоляции применяется, как правило, в изоляционных конструкциях с электродами в виде соосных цилиндров, например в кабелях высокого напряжения, и позволяет выравнивать электрическое поле в радиальном направлении. Регулирование поля достигается за счет изменения диэлектрической проницаемости слоев изоляции. Все рассмотренные способы применяются для регулирования электрических полей в изоляции, работающей при переменном напряжении, а некоторые, например скругление краев электродов, -- и при постоянном напряжении.

5. Грозозащита ЛЭП. Расчет надежности ЛЭП. Факторы, определяющие показатель надежности ЛЭП

Грозовые перенапряжения являются частным случаем внешних перенапряжений, которые могут возникать вследствие воздействия внешних э. д. с. Наибольшие грозовые перенапряжения возникают при прямом ударе молнии (ПУМ) в линию и подстанцию. Для обеспечения надежной работы сети необходимо осуществить ее эффективную и экономичную грозозащиту. Защита от ПУМ осуществляется с помощью высоких вертикальных стержневых молниеотводов на подстанциях всех классов напряжения и грозозащитных тросов над проводами линий 220-750 кв, а также ответственных линий 110 кв. Защита от перекрытий между молниеотводом, тросом или опорой и проводом достигается путем заземления каждой опоры с тросом и молниеотвода по кратчайшим путям с малым импульсным сопротивлением заземления. Защита от волн, приходящих по линии, осуществляется путем установки специальных вентильных и трубчатых разрядников на подстанциях и усиленной грозозащиты подхода к подстанции линий всех классов напряжения; при этом обеспечивается сглаживание фронта волны вследствие импульсной короны на подходе. Желательно, чтобы электрическая машина была отделена от воздушной линии трансформатором. В противном случае необходимо обеспечить особо надежную грозозащиту машины с помощью специальных разрядников, конденсаторов, реакторов, кабельных вставок и усиленной грозозащиты подхода воздушной линии.

Использование изоляционных свойств дерева в сетях 6-110 кВ, применение заземления нейтрали через дугогасящую катушку и изолированной нейтрали в сетях 6-35 кв значительно снижают вероятность перехода импульсного перекрытия в устойчивую электрическую дугу и тем самым улучшают бесперебойность и повышают надежность электроснабжения потребителя. Надежность работы линий значительно повышается также за счет широкого применения автоматического повторного включения (АПВ) линий, резервирования, тщательной профилактики изоляции, разрядников и заземлений.

Линии электропередачи имеют большую длину, часто подвергаются ударам молнии и нуждаются в надежной грозозащите. На основании анализа опыта эксплуатации, лабораторных исследований и расчетов можно получить необходимые эмпирические зависимости. Они дают возможность оценить эффективность грозозащиты типовых линий. Все эти формулы уточняются по мере накопления опытных данных.

Среднее число прямых ударов молнии в год (в течение грозового сезона) в линию

(1)

где l--длина линии, км; пч--число грозовых часов в течение года; --удельное число прямых ударов молнии на100 км и 100 грозовых часов;

Большая часть ударов молнии при отсутствии грозозащиты будет приводить к перекрытию изоляции и отключению линии. Задачи грозозащиты были сформулированы выше. Защитные тросы с малыми углами <15- 250 (рис.1) наиболее радикально разрешают задачу защиты от прямых ударов молнии.

С увеличением высоты опор необходимо уменьшать защитный угол. При наличии тросов большинство ударов молнии попадает в них (или в опоры). Для защиты необходимо обеспечить малые импульсные сопротивления заземления порядка 5-30 ом каждой опоры и достаточно большое расстояние между тросом и проводом по вертикали в середине пролета S=0,02 lПРОЛЕТА. Опыт эксплуатации показывает, что линии электропередачи с тросами с =15-25° и Ri 5-10 ом имеют надежную грозозащиту. Поэтому наиболее ответственные линии и, в частности, все линии 220 кв и выше, а также линии 110-150 кв на металлических опорах, особенно двухцепные, снабжаются грозозащитными тросами и специальными заземлителями опор.

Применение АПВ существенно повышает надежность работы всех линий, так как грозовые перекрытия, как правило, не сопровождаются повреждениями линейной изоляции. После отключения к. з. линия быстро восстанавливает свою электрическую прочность и может быть включена под напряжение,

Рис.1 ЛЭП с защитными тросами:

О - удар молнии в опору, Т - удар молнии в трос, Пр - удар молнии в провод (прорыв мимо тросов)

Для количественной оценки эффективности грозозащиты существуют следующие критерии:

1. Уровень грозоупорности. Под “уровнем грозоупорности” будем понимать тот наибольший расчетный (в хорошо заземленный объект) ток Iм с фиксированной формой кривой (например, косоугольный фронт ф=2 мксек и бесконечный хвост) прямого удара молнии, при котором еще не перекрывается изоляция линии

2. Кривая опасных волн дает зависимость между двумя параметрами молнии с выбранной формой кривой (например, Iм и для косоугольного фронта), при которых еще не перекрывается линейная изоляция. 3. Показатель грозоупорности (надежности) дает приближенную оценку числа лет nНАД безаварийной работы 4. Экономическая грозоупорность соответствует той системе грозозащитных мероприятий, при которой получается минимум приведенных затрат с учетом капитальных вложений, эксплуатационных расходов и математического ожидания ущерба народного хозяйства вследствие грозовых повреждений на линии и перерывов электроснабжения потребителей.

Защита отдельных точек на линии разрядниками или защитными промежутками

РТ имеет ограниченные верхний и нижний пределы гашения тока к. з., требует систематических ревизий, затягивает гашение дуги, особенно при многократном разряде молнии и параллельном срабатывании двух и более РТ . Поэтому в настоящее время на линии разрядники устанавливаются только для защиты отдельных точек с ослабленной изоляцией. К их числу относятся:

1) пересечение ЛЭП между собой и с линиями связи (ЛС). 2) точки с ослабленной изоляцией на линии с деревянными опорами. 3) высокие переходные опоры. На высоких переходных опорах желательно устанавливать РТ или даже РВ вследствие существенно повышенных индуктивных составляющих перенапряжений при прямом ударе молнии в опору или трос.

Автоматическое повторное включение линий

АПВ, строго говоря, не является грозозащитным мероприятием. Однако практически все виды АПВ существенно повышают надежность грозозащиты и уменьшают ущерб народного хозяйства вследствие перерывов электроснабжения потребителей. АПВ должно учитываться как резервная мера при наличии других мер грозозащиты, а в отдельных случаях (например, на линиях 6-10 кв на железобетонных опорах) АПВ является единственной мерой грозозащиты. На линиях 6-35 кв обычно применяют однократное трехфазное АПВ с бестоковой паузой 0,6-3 сек. На линиях 110-220 кв не очень большой длины применяется ОАПВ (однофазное АПВ только аварийной фазы) с бестоковой паузой до 5 сек. По двум оставшимся фазам и земле передается часть (40-60%) мощности прямой последовательности линии. Применение ОАПВ снижает коммутационные перенапряжения и улучшает динамическую устойчивость.

6. Схемы грозозащиты подстанций

Общие сведения Подстанция является весьма ответственным элементом электрической сети. От нее отходит ряд линий, питающих потребителей целого района. Перекрытие изоляции электрооборудования подстанции связано с отключением части подстанции и возможным погашением целого района.

Защита от прямых ударов молнии Для защиты подстанций от прямых ударов молнии применяются стержневые и тросовые молниеотводы. Приходится пользоваться зонами защиты молниеотводов, проверенными экспериментально на лабораторных моделях. Под зоной защиты понимается пространство, в пределах которого сооружения защищены от прямых ударов молнии с достаточной для практики надежностью.Несколько близко расположенных молниеотводов взаимно способствуют усилению защитного действия и образуют ”многократный молниеотвод”.

Выбор схемы защиты подстанции сводится к нахождению оптимального с точки зрения критерия грозозащиты соотношения между указанными параметрами.

Схемы грозозащиты электрических машин, непосредственно подключенных в ВЛ.

Прохождение прямоугольной волны через L

7. Внутренние перенапряжения. Комплекс мероприятий по ограничению перенапряжений

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ И ЗАЩИТЫ ОТ НИХ Под перенапряжением понимают любое напряжение, превышающее амплитуду наибольшего рабочего напряжения (Uн.р) на изоляции элементов электрической сети. В зависимости от места приложения различают следующие виды перенапряжений: 1) фазные, воздействующие на изоляцию токоведущих частей по отношению к земле и имеющие наибольшее практическое значение; 2) междуфазные, возникающие на изоляции между токоведущими частями различных фаз; 3) внутриобмоточные, воздействующие на изоляцию между различными элементами обмотки (витками, катушками) одной фазы; 4) междуконтактные, приложенные между разомкнутыми контактами одноименных фаз коммутационных аппаратов (выключателей, разъединителей).

Общая характеристика внутренних перенапряжений

Внутренние перенапряжения вызываются колебаниями электромагнитной энергии, запасенной в элементах электрической цепи или поступающей в нее от генераторов. В зависимости от условий возникновения и возможной длительности воздействия на изоляцию различают коммутационные, квазистационарные и стационарные перенапряжения. Коммутационные перенапряжения возникают в результате внезапных изменений схемы или параметров сети -- коммутаций в широком смысле слова. Типичными коммутациями являются плановые и аварийные отключения и включения линий, трансформаторов и других элементов сети, а также замыкания на землю и между фазами

Меры по ограничению перенапряжений. Кратковременные (коммутационные) перенапряжения могут достигать (3--3,5) Uф. Столь высокие перенапряжения возникают при следующих коммутациях:

неустойчивые дуговые замыкания на землю в системах с изолированной нейтралью, отключение ненагруженных линий, сопровождающееся повторными зажиганиями дуги в выключателе, отключение ненагруженных трансформаторов, автоматическое повторное включение, одностороннее отключение за батареей конденсаторов продольной компенсации в электропередачах СВН, отключение линии СВН в режиме асинхронного хода.

Защита от внутренних перенапряжений основана на следующих принципах: ограничение числа режимов, в которых могут возникать опасные перенапряжения, с помощью схемных мероприятий; ограничение амплитуд установившихся напряжений, что приводит также и к снижению перенапряжений переходного процесса;

ограничение перенапряжений только переходного процесса (Kуд); ограничение длительности или исключение опасных режимов с помощью релейной защиты и системной автоматики. Средства, предназначенные для выполнения первых двух способов, в некоторых случаях могут быть одинаковыми, например использование реакторов на линиях.

Схемные мероприятия и средства ограничения установившихся перенапряжений. К числу схемных мероприятий для ограничения внутренних перенапряжений относятся установка пониженных коэффициентов трансформации, ограничение минимального числа работающих генераторов, использование шунтирующих реакторов на высшем и среднем (или третичном) напряжении, вынос измерительных электромагнитных трансформаторов напряжения на линию, применение схем без выключателей на стороне высшего напряжения. Применение блочных схем без выключателей на стороне высшего напряжения исключает режимы, при которых к шинам станции или системы присоединена разомкнутая на конце линия. Поскольку отключение нагрузки осуществляется на стороне низшего или среднего напряжения, в конце линии оказывается включенным ненагруженный трансформатор или автотрансформатор. Такая схема способствует ограничению перенапряжений при отключении ненагруженной линии или АПВ. Кроме того, нелинейная характеристика намагничивания трансформатора ограничивает повышения напряжения основной частоты, но способствует развитию колебаний на высших гармониках. Средства защиты от перенапряжений переходного процесса. Существуют два способа защиты от коммутационных перенапряжений всех видов, основанные на различных принципах. Первый принцип защиты заключается в ограничении перенапряжений, возникших во время какой-либо коммутации, с помощью специальных вентильных разрядников, обладающих повышенной пропускной способностью по сравнению с грозозащитными. Разновидностью этого способа является применение в отдельных случаях искровых промежутков. Второй принцип защиты заключается в предотвращении возникновения больших перенапряжений путем применения выключателей, обеспечивающих наиболее благоприятное протекание коммутации. Эта цель в свою очередь может быть достигнута двумя способами. Первый способ -- управление моментом включения так, чтобы замыкание цепи происходило при минимальной разности потенциалов на контактах выключателя. Второй способ -- применение выключателей двухступенчатого действия или, как их не вполне точно называют, выключателей с шунтирующими резисторами. Включение цепи происходит сначала через резистор RШ, который демпфирует переходный процесс; затем этот резистор шунтируется главными контактами выключателя. Размыкание цепи происходит в обратном порядке. Использование этого мероприятия является эффективным при всех коммутациях, но требования к значениям шунтирующих сопротивлений в разных случаях различны. Защита от внутренних перенапряжений установок различного номинального напряжения. Ограничение перенапряжений при отключении ненагруженных линий не может быть возложено на грозозащитные разрядники, установленные на подстанции, по двум причинам. Во-первых, разрядники должны находиться непосредственно на линии, во-вторых, они должны быть рассчитаны на отвод энергии, значительно большей, чем энергия, обусловленная грозовыми перенапряжениями. Создание таких разрядников технически возможно, но не является экономически оправданным, тем более что защита от перенапряжений этого вида может выполняться другими средствами -- выносом на линию электромагнитных измерительных трансформаторов напряжения, применением выключателей с шунтирующими резисторами. Меры ограничения перенапряжений при отключении ЛЭП В энергосистемах России признано необходимым ограничивать перенапряжения в сетях 330 кВ и выше. Для сетей 330-750 кВ в комплекс защитных мероприятий входит секционирование дальних линий на участке линии длиной до 250-300 км, установка шунтирующих реакторов на линии, подключение разрядников комбинированного типа, осуществляющих одновременно функции защиты от грозовых и коммутационных перенапряжений. Для сетей 1150 кВ кроме вышеперечисленного предлагается использовать шунтирующее сопротивление в выключателе, а также возможность синхронного включения линий. Опыт эксплуатации показывает, что такие меры обеспечивают достаточно эффективную защиту от коммутационных перенапряжений при плановых включениях линий. За рубежом более широкое распространение получили выключатели с шунтирующими сопротивлениями (включая сети 110 и 220 кВ). Меры по ограничению перенапряжений при отключении “холостых линий”.

А. Увеличение скорости восстановления электрической прочности промежутка между контактами выключателя

Б. Применение выключателей, обеспечивающих одновременность отключения фаз

В. Применение шунтовых сопротивлений

8. Сравнение способов ограничения и средств защиты от перенапряжений

Принцип действия защитного аппарата состоит в том, что он предотвращает появление на электроустановке импульсов перенапряжений, опасных для ее изоляции, и не препятствует работе электроустановки при рабочем напряжении. Простейшим защитным устройством является искровой промежуток, включенный параллельно изоляционной конструкции.

Защитные аппараты, обеспечивающие не только защиту изоляции от перенапряжений, но и гашение дуги сопровождающего тока в течение времени меньшего, чем время действия релейной защиты, получили название защитных разрядников. Имеются два различных способа гашения дуги: в трубчатых разрядниках гашение происходит в результате интенсивного продольного дутья, в вентильных разрядниках -- благодаря снижению значения сопровождающего тока с помощью сопротивления, включенного последовательно с искровым промежутком. В ограничителях перенапряжений (ОПН -- ограничитель перенапряжений нелинейный) в силу очень большой нелинейности характеристики резистора сопровождающий ток при рабочем напряжении имеет значение долей миллиампера, что безопасно для защитного аппарата и не создает заметных потерь энергии. Поэтому ОПН выполняются без искровых промежутков.

ЗАЩИТНЫЕ ПРОМЕЖУТКИ Конструктивно защитные промежутки выполняются в виде стержневых электродов, создающих резконеоднородное поле. Для повышения надежности электроснабжения желательно ПЗ устанавливать лишь на тех участках сети, которые оборудованы устройствами автоматического повторного включения (АПВ). Для уменьшения числа срабатываний и, следовательно, числа отключений целесообразно выбирать длину защитных промежутков наибольшей допустимой по условиям защиты изоляции. В установках до 35 кВ защитные промежутки имеют небольшую длину. Во избежание случайного их замыкания (например, птицами) в заземляющих спусках защитных промежутков создаются дополнительные искровые промежутки. Электроды защитных промежутков в установках 3--10 кВ целесообразно выполнять в виде рогов, так как под действием электродинамических сил и тепловых потоков воздуха дуга растягивается и может погаснуть. Самопогасание дуги между электродами в виде рогов происходит при токе в дуге, не превышающем 300 А.

Простота и дешевизна стержневых промежутков определяют их широкое применение, особенно в сетях низших классов напряжения. На линиях электропередачи высокого и сверхвысокого напряжений принимаются специальные меры по ограничению внутренних перенапряжений, поэтому стержневые промежутки могут на них применяться в качестве координирующих, т.е. для ограничения максимального значения набегающего на подстанцию импульса напряжения и тока через вентильные разрядники при грозовых перенапряжениях.

Защитное действие трубчатого разрядника характеризуется его вольт-секундной характеристикой и сопротивлением заземления. Вольт-секундная характеристика определяет напряжение срабатывания разрядника, а сопротивление заземления -- остающееся на разряднике после его срабатывания импульсное напряжение. Вольт-секундная характеристика зависит от длины внешнего и внутреннего промежутков разрядника и имеет вид, характерный для промежутков с резконеоднородным полем. Длина внешнего искрового промежутка выбирается по условиям защиты изоляции и может регулироваться в определенных пределах. Длина внутреннего искрового промежутка устанавливается в соответствии с дугогасящими свойствами разрядника и регулированию не подлежит. При воздействии на РТ импульса грозового перенапряжения оба промежутка пробиваются (перекрытие по внешней поверхности не может произойти, поскольку разрядное расстояние по этой поверхности много больше длины внутреннего промежутка) и происходит ограничение импульса напряжения. По каналам разряда пробитых промежутков проходит сопровождающий ток рабочей частоты. Под действием высокой температуры канала дуги переменного тока в трубке происходит интенсивное выделение газа. Давление в трубке увеличивается. Газы, устремляясь к открытому концу трубки, создают продольное дутье, в результате чего дуга гасится при первом же прохождении тока через нулевое значение. Срабатывание разрядника сопровождается выхлопом раскаленных газов и звуком, напоминающим выстрел. Крутая вольт-секундная характеристика и наличие зоны выхлопа не позволяют использовать трубчатые разрядники для защиты подстанционного оборудования. Основное их применение -- это защита линейных подходов к подстанциям, электрооборудования маломощных подстанций 3--10 кВ и участков пересечения линий различного номинального напряжения.

ВЕНТИЛЬНЫЕ РАЗРЯДНИКИ Для защиты изоляции электрооборудования подстанций применяются вентильные разрядники (РВ) - и нелинейные ограничители напряжения (ОПН), В соответствии с защитными характеристиками этих аппаратов устанавливаются уровни изоляции трансформаторов и аппаратов подстанций. Основными элементами вентильного разрядника являются многократный искровой промежуток и соединенный последовательно с ним резистор с нелинейной вольт-амперной характеристикой (рис.4).

При воздействии на РВ импульса грозового перенапряжения пробивается искровой промежуток (ИП) и через разрядник проходит импульсный ток, создающий падение напряжения на сопротивлении резистора. Благодаря нелинейной вольт-амперной характеристике это падение напряжения мало меняется при существенном изменении импульсного тока.

Рис.4. Схема включения вентильного разрядника

НЕЛИНЕЙНЫЕ ОГРАНИЧИТЕЛИ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

Основной недостаток вентильных разрядников связан с тем, что резисторы на основе карборунда обладают сравнительно невысокой нелинейностью. Снижение защитного отношения РВ достигается ценой значительного усложнения искровых промежутков. Резисторы на основе окиси цинка обладают значительно большей нелинейностью, чем резисторы на основе карборунда. Это позволило создать новый тип защитного аппарата-- нелинейный ограничитель перенапряжений (ОПН). Преимуществами ОПН являются возможность глубокого ограничения перенапряжений, в том числе междуфазных, малые габариты, позволяющие использовать их в качестве опорных изоляционных колонн, большая пропускная способность. Уровень ограничения коммутационных перенапряжений с помощью ОПН составляет (1,65-1,8)Uф. Уровень ограничения грозовых перенапряжений составляет (2,2-2,4)Uф в сетях 110 кВ и снижается до 2Uф для линий электропередачи 750 кВ. Коэффициент нелинейности резисторов ОПН в области ограничения коммутационных перенапряжений имеет значение 0,03--0,05. При ограничении грозовых перенапряжений, когда токи, протекающие через ОПН, достигают значений нескольких килоампер, коэффициент нелинейности возрастает до 0,07--0,1. Такая высокая нелинейность обусловливает прохождение при рабочем напряжении или резонансных перенапряжениях через нелинейные резисторы тока порядка долей миллиампера на одну параллельную колонку. Это позволяет исключить искровой промежуток и подключать резистор ОПН непосредственно к сети. Применение ОПН позволяет глубоко ограничивать также и междуфазные перенапряжения

9. Методы неразрушающих профилактических испытаний

Цель профилактических испытаний -- своевременное обнаружение дефектов в изоляции, возникших по случайным причинам в процессе эксплуатации и сокращающих ресурс оборудования, а также дефектов, развившихся вследствие нормального старения изоляции. Для оценки состояния изоляции и выявления в ней различного рода дефектов используются:

испытания приложением высокого напряжения;

неразрушающие электрические методы испытаний;

неразрушающие неэлектрические методы контроля;

электрические методы контроля при рабочем напряжении.

Профилактические испытания высоким напряжением. Применение этого метода ограничивается возможностями создания транспортабельных источников высокого напряжения требуемой мощности и опасностью неконтролируемого повреждения изоляции высоким испытательным напряжением. В настоящее время профилактические испытания изоляции высоким напряжением проводят для крупных вращающихся машин, кабельных линий, а также для оборудования до 10 кВ. Изоляция статорных обмоток турбо- и гидрогенераторов испытывается ежегодно переменным напряжением 1,5UНОМ, а при более редком контроле -- до 1,7 Uном. Допускается применение постоянного испытательного напряжения, значение которого должно быть в 1,6 раза выше испытательного напряжения промышленной частоты.

Неразрушающие электрические методы испытаний. К этой группе методов относятся измерения значений tg при напряжениях UИСП<< UРАБ , а также методы, в которых используются явления абсорбции зарядов (миграционной поляризации), характерные для неоднородной (комбинированной) изоляции. Измерения значений tg изоляции оборудования 35 кВ и выше проводят с помощью переносных мостов Шеринга при напряжениях не выше 10 кВ. При этих измерениях должны приниматься специальные меры для устранения или ограничения ошибок, обусловленных сильным влиянием на работу мостов внешних электромагнитных полей.

Неразрушающие неэлектрические методы контроля изоляции. Среди многих возможных неэлектрических методов контроля (акустических, оптических, химических и др.) в настоящее время получили широкое применение и показали высокую эффективность методы контроля изоляции маслонаполненного оборудования, основанные на анализе проб масла. Эти методы применимы для многих видов оборудования: силовых и измерительных трансформаторов, шунтирующих реакторов, вводов высокого напряжения, маслонаполненных кабелей разных классов напряжения. Важное достоинство этих методов состоит в том, что они не требуют вывода из работы проверяемого оборудования. Для выявления достаточно грубых дефектов изоляции пробы масла подвергаются простому химическому анализу, для них измеряются электрическая прочность и tg.

Методы контроля изоляции при рабочем напряжении. Все рассмотренные ранее методы пригодны для организации только периодического контроля изоляции, эффективность которого значительно снижается при увеличении интервала времени между испытаниями, а сокращение этих интервалов времени ограничивается возможностями вывода оборудования из работы и ростом трудозатрат на проведение испытаний. В связи с этим большое внимание в последние годы уделяется разработке методов и аппаратуры для автоматического непрерывного контроля изоляции при рабочем напряжении.

Размещено на Allbest.ru