29. Перенапряжения и защита от перенапряжения.
Внезапные повышения напряжения до значений, опасных для изоляции электроустановки, называются перенапряжениями. По своему происхождению перенапряжения бывают двух видов: внешние (атмосферные) и внутренние (коммутационные).
Атмосферные перенапряжения возникают при прямых ударах молнии в электроустановку или наводятся (индуцируются) в линиях при ударах молний вблизи от них. Внутренние перенапряжения возникают при резких изменениях режима работы электроустановки, например, при отключении ненагруженных линий, отключении тока холостого хода трансформаторов.
Перенапряжения при прямых ударах молнии могут достигать 1000 кВ, а ток молнии - 200 кА. Разряд молнии обычно состоит из серии отдельных импульсов (до 40 шт.) и продолжается не более долей секунды. Длительность отдельного импульса составляет десятки микросекунд. Индуктированные перенапряжения достигают 100 кВ и распространяются по проводам линии электропередачи в виде затухающих волн. Атмосферные перенапряжения не зависят от номинального напряжения электроустановки и потому их опасность возрастает со снижением класса напряжения электрической сети. Коммутационные перенапряжения зависят от номинального напряжения электроустановки и обычно не превышают 4Uном. Основную опасность представляют атмосферные перенапряжения.
Перенапряжения весьма опасны по своим последствиям. Пробив изоляцию, они могут вызывать КЗ, пожары в электроустановках, опасность для жизни людей и др. Поэтому каждая электроустановка должна иметь защиту от перенапряжений.
В качестве основных защитных средств от атмосферных повреждений применяют молниеотводы, разрядники и искровые промежутки. Главной частью всех этих аппаратов является заземлитель, который должен обеспечить надежный отвод зарядов в землю.
Молниеотвод ориентирует атмосферный заряд на себя, отводя его от токоведущих частей электроустановки. Различают стержневые и тросовые (на воздушных линиях) молниеотводы.
Стержневые молниеотводы устанавливают вертикально. Они должны быть выше защищаемых объектов. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода - пространство, защищенное от прямых ударов молнии. Эта зона имеет вид конуса. При большой протяженности или ширине объекта устанавливают несколько молниеотводов. Расстояние между молниеотводом и защищаемым объектом должно быть не более 5 м.
Рисунок 1. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода
Тросовые молниеотводы подвешивают на опорах линий электропередачи напряжением 35 кВ и выше над проводами фаз. Тросы выполняют стальными и соединяют спусками с заземлением опор. Сопротивление заземления опоры при этом не должно превышать 10 Ом.
Разрядник представляет собой комбинацию искровых промежутков и дополнительных элементов, облегчающих гашение электрической дуги в искровом промежутке. Разрядники по исполнению делятся на трубчатые и вентильные, а по назначению - на под станционные, станционные, для защиты вращающихся машин и др.
Защитное действие разрядника заключается в том, что проходящий в них разряд ограничивает амплитуду перенапряжений до пределов, не представляющих опасности для изоляции защищаемого объекта. Возникающая при этом в разряднике электрическая дуга гасится после исчезновения импульсов перенапряжения раньше, чем срабатывает защита от КЗ, и, таким образом, объект не отключается от сети.
Через хорошо заземленный искровой промежуток вслед за импульсным током, возникающим после пробоя перенапряжением, проходит сопровождающий ток нормальной частоты (50 Гц), обусловленный рабочим напряжением. Разрядник должен обладать способностью быстро погасить сопровождающий ток после исчезновения перенапряжения. Для этого разрядник снабжают помимо искрового промежутка последовательно включенным с ним специальным элементом, обеспечивающим гашение сопровождающего тока.
Гашение сопровождающего тока обеспечивается двумя способами:
в трубчатых разрядниках - специальным дугогасительным устройством;
в вентильных разрядниках - активными сопротивлениями с нелинейной (зависящей от приложенного напряжения)
Рисунок 2. Вентильный разрядник.
Трубчатые разрядники применяются как основное средство для защиты изоляции линии электропередачи и как вспомогательное средство защиты изоляции оборудования подстанций. Они выполняются с номинальными напряжениями 6, 10, 35 кВ.
Основной частью разрядника является трубка из твердого газогенерирующего диэлектрика (фибра, фибробакелит у разрядников серий РТ, РТФ; винипласт - у разрядников серии РТВ). Разрядник (рис. 3) имеет 2 искровых промежутка: внешний (3) и внутренний (2). Внешний изолирует трубку от постоянного соприкосновения с токоведущей частью, находящейся под напряжением. При пробое искровых промежутков под воздействием высокой температуры электрической дуги трубка 1 разлагается и генерирует газ (в основном водород), облегчающий гашение электрической дуги. Необходимость гашения дуги объясняется тем, что после прохождения перенапряжения по искровым промежуткам проходит сопровождающий ток разрядника, обусловленный рабочим напряжением электрической сети и имеющий частоту 50 Гц..
Рисунок 3. Устройство трубчатого разрядника
Вентильные разрядники предназначены для защиты от атмосферных перенапряжений оборудования электростанций и подстанций, главным образом, силовых трансформаторов. Основными элементами разрядника являются многократные искровые промежутки и соединенные последовательно с ними нелинейные сопротивления в виде дисков. из вилита. Термин «нелинейное сопротивление» означает, что сопротивление зависит от проходящего по нему тока. Сопротивление вилита уменьшается при возрастании проходящего по нему тока. Вилит не влагостоек, поэтому его помещают в герметизированный фарфоровый корпус.
Рисунок 4. Устройство вентильного разрядника.
Разрядник работает следующим образом. При перенапряжениях искровые промежутки 3 пробиваются, и по вилитовым дискам блока 4 ток проходит в землю. Сопротивление вилита резко уменьшается и перенапряжение на оборудование подстанции не поступает. При исчезновении перенапряжения сопротивление вилита возрастает, дуга в искровом промежутке гаснет, и ток через разрядник не проходит.
Сочетание трубчатые разрядники - вентильный разрядник применяется по следующей причине.
Трубчатые разрядники не могут надежно защищать трансформаторы и вращающиеся электрические машины от перенапряжений, т. к. имеют грубые защитные характеристики. Такую защиту обеспечивают вентильные разрядники. Назначение трубчатых разрядников заключается в том, чтобы предотвратить повреждение вентильных разрядников от приходящих из линии волн перенапряжений. Трубчатые разрядники уменьшают амплитуду и крутизну импульсов перенапряжений до величин, безопасных для вентильных разрядников.
В настоящее время при новом строительстве, реконструкции и техническом перевооружении объектов Федеральной сетевой компании России применение вентильных и трубчатых разрядников не рекомендуется по причине их низкой надежности и из-за недостатков в технических характеристиках.