5.4.1. ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ И ИХ ОГРАНИЧЕНИЕ
5.4.1. ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ И ИХ ОГРАНИЧЕНИЕ
Первоначально исследования в этой области были направлены на обеспечение надежной эксплуатации линий электропередачи и электрооборудования. Изучалась работа линейных изоляторов, электропроводность и диэлектрические потери в изоляционных материалах, грозовые перенапряжения и защита от них электрооборудования, создавались теории пробоя изоляции. В дальнейшем с повышением номинальных напряжений электропередач на первый план вышли проблемы внутренних перенапряжений, их ограничения, координации изоляции.
Грозовые перенапряжения подразделяются на перенапряжения прямого удара молнии в электрическую установку и индуцированные перенапряжения, возникающие при ударе молнии в землю или в заземленные объекты поблизости от электроустановки. При прямом ударе молнии элементы электроустановки приобретают весьма высокий потенциал, достигающий нескольких мегавольт. Индуцированные перенапряжения значительно ниже — до 200–300 кВ.
В качестве основного защитного устройства еще в начале века было рекомендовано применение на линиях электропередачи заземленных тросов. Однако трос в то время рассматривался, в основном как средство для снижения индуцированных перенапряжений, значение которых весьма преувеличивалось. Защита от прямых ударов молнии считалась практически невыполнимой, да и сами удары молнии в линию редким явлением.
Для защиты трансформаторов за рубежом применялись катушки индуктивности, включаемые перед трансформатором с целью снижения крутизны фронта приходящих на подстанцию импульсов грозовых перенапряжений. В США применялись также алюминиевые и порошковые разрядники.
Для изучения методов защиты электропередач от перенапряжений и разработки руководящих указаний в 1925 г. были созданы комиссии: в Ленинграде под руководством проф. А.А. Смурова и в Москве под председательством проф. Л.И. Сиротинского. Согласованный комиссиями проект «Руководящих указаний по борьбе с перенапряжениями в электрических установках» был одобрен IX Всесоюзным электротехническим съездом в 1928 г.
В Руководящих указаниях были приведены основные решения, многие из которых действуют и поныне: глухое заземление нейтрали в электроустановках напряжением выше 35 кВ и заземление ее через дугогасящий реактор при напряжениях 35 кВ и ниже; применение заземленных тросов по всей длине линий на металлических опорах и только на подходах к станциям и подстанциям на линиях с деревянными опорами. Тросы рассматривались в основном как средство борьбы с индуцированными перенапряжениями, однако высказывалось предположение, что заземленный трос играет до некоторой степени роль громоотвода, защищающего линию. Рекомендовалось применение разрядников, но в то же время отмечались недостатки существовавших тогда иностранных разрядников [5.15; 5.16].
Появление первых линий электропередачи напряжением 110 кВ поставило вопрос об их электромагнитном влиянии на линии связи и железнодорожной блокировки, особенно сильном при коротких замыканиях и перенапряжениях. В 1923 г. были выпущены временные указания, а в 1925 г. — «Правила ограждения линий слабого тока от вредного влияния установок сильного тока». Эти, по существу, первые работы по электромагнитной совместимости электроустановок продолжались в 1938–1939 гг. специально созданной комиссией под председательством проф. Л.И. Сиротинского. Комиссия усовершенствовала «Правила ограждения сооружений связи и сигнализации от вредного воздействия установок сильного тока», а также разработала нормативы по защите устройств связи от опасного и мешающего влияния линий электропередачи напряжением 400 кВ.
В послевоенные годы проблема была передана в ведение связистов, и в настоящее время действуют «Правила защиты устройств проводной связи, железнодорожной сигнализации и телемеханики от опасного и мешающего влияний линий электропередачи».
Анализ аварий, произошедших в 1929–1931 гг. на линиях напряжением до 110 кВ и связанных с грозовыми перенапряжениями, показал, что прямой удар молнии в линию не такое редкое явление, как предполагалось раньше, и представляет значительно большую опасность, чем индуцированные перенапряжения.
Для исследования молнии рядом организаций (ВЭИ совместно с «Мосэнерго», Энергетическим институтом им. Г.М. Кржижановского, «Донбассэнерго» с участием ЛЭТИ и ХЭТИ) в 1932–1938 гг. была развернута сеть полевых станций и лабораторий. С 1936 г. начата массовая установка ферромагнитных регистраторов в энергосистемах. Регистраторы представляют собой цилиндрические стерженьки из магнитного материала, которые располагаются вдоль силовых линий магнитного поля, образуемого током молнии. По остаточной намагниченности феррорегистраторов определяется максимальное значение тока молнии. В результате обширных измерений была получена кривая распределения вероятностей амплитуд токов молнии:
С 1938 г. было организовано меньшее по масштабам измерение максимальной крутизны фронта тока молнии.
С помощью фотокамер с быстро вращающейся фотопленкой (камер Бойса) было установлено, что разряд молнии состоит из двух стадий: лидерной, характеризующейся сравнительно небольшими током и скоростью развития, и главной с токами до 200 кА и скоростями развития, доходящими иногда до 0,5 скорости света.
Энергетическим институтом им. Г.М. Кржижановского при содействии Гидрометеослужбы была составлена карта грозовой деятельности на территории страны по данным 640 метеостанций, полученным за 1920–1940 гг.
В JO-е годы в ЮАР были развернуты широкие исследования молнии с помощью камеры Бойса. Впервые было обнаружено ступенчатое развитие лидеров, развивающихся с отрицательно заряженных облаков, и получены данные по скоростям различных стадий и компонентов молнии.
В 1935 г. начаты исследования молнии, поражающей небоскреб Эмпайр стейт билдинг в Нью-Йорке (высота 410 м). Обнаружены ступенчатые лидеры, развивающиеся вверх от здания к облаку.
Параллельно в ряде лабораторий проводилось изучение искровых разрядов в длинных воздушных промежутках, показавшее в общих чертах аналогию длинной искры и молнии.
В 1930–1938 гг. в ВЭИ А.А. Акопяном были проведены работы на моделях по исследованию защитного действия молниеотводов [5.17]. В качестве аналога молнии использовался искровой разряд. В результате трудоемких опытов были определены зоны защиты стержневых и тросовых молниеотводов, причем впервые для двух и нескольких молниеотводов. Полученные результаты позволили с необходимой эффективностью рассчитывать защиту линий электропередачи и открытых распределительных устройств (ОРУ) подстанций от прямых ударов молнии. Более чем полувековой опыт эксплуатации молниезащитных устройств подтверждает обоснованность и надежность рекомендаций ВЭИ.
В более поздних американских исследованиях 1941–1942 гг. использовалась, по существу, методика, обоснованная и принятая ВЭИ.
В 1968–1975 гг. комплексные исследования молний, поражающих Останкинскую телебашню (высота 540 м), проводились Энергетическим институтом им. Г.М. Кржижановского [5.18]. Было установлено, что телебашня поражается в среднем 30 раз в год. Поражение ее нисходящими молниями (облако — башня) происходит примерно в 8% случаев, остальные разряды восходящие (башня — облако). Около 7% ударов поражают телебашню заметно ниже ее вершины. Наблюдались удары молнии в землю на небольшом расстоянии от телебашни (до 150 м). Этот эффект успешно объясняется с помощью развитого в последние два десятилетия электрогеометрического метода.
При ударе молнии в воздушную линию электропередачи — в фазный провод или в опору (трос) с последующим перекрытием изоляции — на проводе возникает импульс грозового перенапряжения. Эти импульсы, распространяясь по проводам, достигают подстанций и могут быть опасными для электрооборудования. Существенное значение имеют при этом затухание и деформация импульсов вследствие коронирования проводов и связанных с ним потерь энергии. Экспериментальное исследование указанных процессов было проведено в Харьковском электротехническом институте на линиях напряжением 35 и 110 кВ с помощью генератора импульсных напряжений. Теоретическое исследование влияния на затухание формы импульса, его амплитуды и длины пробега импульса проведено в 1938–1939 гг. проф. A.M. Залесским (ЛПИ). Исследование заземлителей при прохождении импульсов тока в полевых условиях и на моделях проводилось в ВЭИ, ХЭТИ и МЭИ.
Обобщение и изучение эксплуатационного опыта молниезащиты было сосредоточено в ЦНИЭЛ (теперь ВНИИЭ).
Результаты глубоких экспериментальных и теоретических исследований и обобщение опыта эксплуатации находят отражение в периодически выпускаемых «Руководящих указаниях по защите от перенапряжений» (1935, 1941, 1946, 1954 гг., проекты РУ 1964, 1965 и 1975 гг., последние «Руководящие указания по защите от грозовых и внутренних перенапряжений электрических сетей 6–1150 кВ ЕЭС России», НИИПТ, 1994 г.).
К настоящему времени сложилась следующая практика молниезащиты электроэнергетических систем. В качестве своего рода авангарда выступают воздушные линии электропередачи, которые могут поражаться молнией достаточно часто — десятки раз в год, в то время как ОРУ подстанций — всего один раз в несколько лет или десятилетий. В значительном числе случаев изоляция линии электропередачи не может выдержать напряжение, возникающее на ней при ударе молнии в элементы линии (тросы, провода, опоры), и перекрывается. Нормальный режим работы на линиях напряжением 110 кВ и выше восстанавливается с помощью АПВ, на линиях напряжением 6–35 кВ — посредством компенсации емкостного тока замыкания на землю с помощью включаемого в нейтраль дугогасящего реактора [5.19; 5.20].
Поскольку повышать электрическую прочность линейной изоляции, увеличивая длину гирлянд и изоляционных воздушных промежутков, нецелесообразно, то снижение вероятности перекрытия изоляции при ударах молнии в опору производится путем уменьшения сопротивления заземления опор, а снижение вероятности удара молнии в провода — путем надлежащего подвеса защитных тросов. Установлено, что защитный угол троса должен составлять 20–30°. На линиях СВН и УВН, имеющих очень высокие разрядные напряжения гирлянд изоляторов, основной причиной грозовых отключений (до 70%) являются пробои воздушного промежутка трос — фазный провод при ударах молнии в трос в средней части пролета (В.П. Ларионов, МЭИ).
Особую озабоченность вызывает так называемая опасная зона — участок линии перед подстанцией длиной 1–3 км. При ударах молнии в эту зону появляющиеся на проводах грозовые импульсы имеют недостаточную длину пробега до электрооборудования подстанции, поэтому они слабо деформируются, прежде всего мало снижается крутизна их фронта, и они могут представлять опасность для оборудования. По этой причине в пределах опасной зоны снижаются по возможности сопротивления заземления опор и уменьшается защитный угол тросов.
На линиях с деревянными опорами защитный трос подвешивается только в пределах опасной зоны. При этом разрядное напряжение изоляции на первой подтросовой опоре оказывается практически вдвое ниже, чем на линии, и именно на этой опоре могут часто возникать перекрытия изоляции. Защита последней осуществляется трубчатыми разрядниками (РТ). С помощью РТ производится также защита ослабленных точек линии (например, изоляции переходных металлических опор на линиях с деревянными опорами), а также пролетов пересечения линий разного номинального напряжения.
Защита электрооборудования подстанций от набегающих с линий импульсов грозовых перенапряжений осуществляется с помощью нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН) или вентильных разрядников (РВ). Оптимальная установка защитных аппаратов на территории подстанции рассчитывается с помощью анализаторов молниезащиты, разработанных впервые в ЛПИ, или с помощью ЭВМ.
Защита ОРУ подстанций от прямых ударов молнии производится, как правило, с помощью стержневых молниеотводов.
Внутренние перенапряжения в начале века считались синонимом коммутационных перенапряжений, связанных с плановыми (включение, отключение ненагруженных линий и трансформаторов) и аварийными коммутациями (несимметричные короткие замыкания, перемежающаяся дуга при однофазных замыканиях на землю в системах с изолированной нейтралью).
Для ликвидации перекрытий линейной изоляции, возникавших при коммутационных перенапряжениях, использовались разные подходы. В США большинство электроустановок работало с заземленной нейтралью, поэтому возникающий при перекрытии ток короткого замыкания на землю селективно отключался выключателем. В Германии сооружались сети с малыми токами замыкания на землю. В этом случае для ликвидации перекрытий изоляции между нейтралью трансформатора и землей включается катушка индуктивности (катушка Петерсена). При замыкании одного из проводов на землю на ней возникает фазное напряжение и через нее проходит индуктивный ток, компенсирующий емкостный ток замыкания на землю, что при соответствую-
щем индуктивном сопротивлении катушки (дугогасящего реактора, как он называется в настоящее время) приводит к быстрому погасанию электрической дуги в месте замыкания и восстановлению прочности линейной изоляции.
В нашей стране электроустановки напряжением до 35 кВ работают с дугогасящим реактором в нейтрали. Большинство опубликованных в 30-е годы работ посвящены анализу работы дугогасящих реакторов в сетях напряжением 35 кВ и ниже.
Рост номинальных напряжений вызвал интерес к коммутационным перенапряжениям в электроустановках напряжением 110 кВ и выше, работающих с заземленной нейтралью, поскольку стало труднее создавать достаточный запас электрической прочности изоляции. В 1938–1939 гг. ВЭИ приступил к исследованию перенапряжений, возникающих при отключении ненагруженных линий. Работы велись как на моделях, так и в сетях напряжением 110, 154 и 220 кВ «Мосэнерго» и «Днепрэнерго».
Новый всплеск исследований внутренних перенапряжений связан с проектированием и созданием двухцепной электропередачи длиной 1000 км между Волжской гидроэлектростанцией в районе Жигулей и центром европейской части России. Особенностью этой электропередачи, которая была включена в работу при напряжении 400 кВ и вскоре после пуска переведена на напряжение 500 кВ, было отсутствие, по крайней мере в начальный период эксплуатации, промежуточных подстанций, что породило ряд сложных проблем и привело к появлению еще одного вида (наряду с коммутационными) внутренних перенапряжений — резонансных.
Значительная длина линий и наличие компенсирующих устройств вызвали возникновение перенапряжений, которые отсутствуют в линиях меньшего напряжения. Ненагруженная линия большой длины, включенная последовательно с линейной индуктивностью, является источником перенапряжений, обусловленных резонансом на основной гармонике. А наличие в системе нелинейных элементов (трансформаторов, реакторов поперечной компенсации) вместе с конденсаторами продольной компенсации создает возможность возникновения перенапряжений при нелинейных резонансах как на основной, так и на высших и низших гармониках. В результате интенсивных и всесторонних исследований, проведенных институтом «Энергосетьпроект», ВЭИ, ВНИИЭ, НИИПТ, МЭИ, возникшие проблемы были решены, и электропередача Жигули — Центр успешно работает, как и другая подобная передача Волжская ГЭС — Центр [5.21].
Результаты проведенных в 50-е годы исследований явились хорошей базой для последующих работ по электропередачам 750 и 1150 кВ [5.22].
В настоящее время сложились следующие методы ограничения внутренних перенапряжений.
Основным средством ограничения установившихся (вынужденных) перенапряжений является установка компенсирующих реакторов на длинных линиях напряжением 500 кВ и выше. Чтобы исключить потери реактивной мощности в нормальном режиме работы линии (на приемном конце линии реактор не нужен)* применяется искровое (безынерционное) подключение реакторов. Помимо этого могут быть использованы и другие схемные мероприятия: снижение коэффициентов трансформации повышающих трансформаторов; включение линии с конца, примыкающего к шинам более мощной энергосистемы. Применение блочных схем без выключателей на стороне высшего напряжения исключает режимы, при которых к шинам системы присоединена разомкнутая линия.
Ограничение коммутационных перенапряжений (свободная составляющая) осуществляется с помощью применения ОПН или коммутационных РВ, выключателей с предвключенными сопротивлениями, управления фазой замыкания контактов выключателя. Вынос электромагнитных трансформаторов напряжения на линию (без реакторов) уменьшает вероятность повторных зажиганий дуги в выключателях, что способствует снижению перенапряжений при отключении ненагруженных линий и АПВ.
Коронный разряд на проводах воздушных линий электропередачи оказывает значительное влияние на развитие перенапряжений. В квазистационарных условиях (линейный резонанс) при коронировании проводов увеличивается емкость линии, вследствие чего сокращается ее волновая длина и максимум перенапряжения смещается в сторону длин, меньших четверти длины волны (1500 км). Одновременно вследствие потерь энергии на коронирование существенно уменьшаются перенапряжения.
Потери энергии при импульсной короне способствуют снижению крутизны фронта импульсов грозовых перенапряжений, набегающих по линии на подстанцию, и, как уже отмечалось, уменьшают риск повреждения электрооборудования.
Изучение коронного разряда на проводах воздушных линий началось в первые десятилетия XX в. Американским исследователем Ф.В. Пиком были впервые предложены формулы для расчетов начальных напряжений коронного разряда, характеристик зажигания короны, потерь энергии на корону. Как уже указывалось в § 5.3, в 1910 г. В.Ф. Миткевичем была выдвинута идея расщепления проводов фаз для подавления коронного разряда на линиях электропередачи, намного опережавшая потребности электротехники того времени. Идея эта была реализована четыре десятилетия спустя на линиях СВН и получила признание во всем мире.
Значительный вклад в теорию коронного разряда и решение практических проблем, связанных с коронированием проводов воздушных линий переменного и постоянного напряжения, внес В.И. Попков [5.23].
В результате исследований, проведенных на линиях электропередачи и опытных пролетах, разработаны и успешно применяются при проектировании электропередач методы расчета потерь энергии на корону, акустических и радиопомех. Характеристики коронного разряда учитываются при расчетах квазистационарных перенапряжений, а также при определении деформации и затухания грозовых импульсов.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.