Перенапряжения и способы защиты от них

Перенапряжением называется повышение напряжения до величины, опасной для изоляции электроустановки. Перенапряжения в электрических установках подразделяют на две группы: коммутационные и атмосферные.

Коммутационные перенапряжения – перенапряжения, возникающие в электроустановках при изменениях режима их работы, например при отключении короткого замыкания, включении или отключении нагрузки, внезапном значительном изменении нагрузки. При этом выделяется запасенная в установке энергия. Эта энергия определяет кратность перенапряжения и ограничена по своей величине. Поэтому отношение амплитуды перенапряжения к амплитуде рабочего напряжения установки находится в определенных пределах. В электроустановках напряжением выше 1000 В при однофазных замыканиях на землю перенапряжения могут достигать 3,5-4,0 кратных значений от номинальных напряжений.

Разрыв цепи переменного тока, содержащей емкости и индуктивности, приводит к перенапряжениям. Перенапряжения также возникают при отключении токов холостого хода трансформаторов, асинхронных двигателей, работающих без нагрузки, линий электропередачи и др.

Атмосферные перенапряжения – перенапряжения, возникающие вследствие воздействия на электроустановки грозовых разрядов. В отличие от коммутационных они не зависят от величины рабочего напряжения электроустановки. Атмосферные перенапряжения делятся на индуктированные перенапряжения и перенапряжения от прямого удара молнии.

Индуктированные перенапряжения возникают при грозовом разряде вблизи от электроустановки и линии электропередачи и образуются за счет индуктивных влияний. При индуктированных перенапряжениях в электроустановках с применением тросов амплитуда перенапряжения не превосходит 300-400 кВ. Поэтому они опасны для электроустановок с рабочим напряжением до 35 кВ включительно и не опасны для установок 110 кВ и выше.

Перенапряжения от прямого удара молнии являются наиболее опасными атмосферными перенапряжениями. Измерения показывают, что токи молнии изменяются в пределах от 10 до 250 кА. Большая часть токов молнии имеет величину 25 кА. Скорость изменения тока молнии (крутизна) различна. Обычно для расчетов берут 50 кА/мкс при амплитуде тока 200 кА.

Для защиты электроустановок от атмосферных перенапряжений применяют молниеотводы, защитные тросы, разрядники и защитные промежутки.

Молниеотводом называется устройство, защищающее сооружение от прямых ударов молнией. Стержневой молниеотвод представляет собой высокий столб с проложенным вдоль него стальным проводом, соединенным с заземлителем. Молниеотвод делают выше защищаемого объекта. Зоной защиты стержневого молниеотвода называется пространство, защищенное от прямых ударов молнии (рисунок 11.1).

Радиус защиты при высоте одиночного стержневого молниеотвода при его высоте м

, (11.4)

где – активная высота, превышение молниеотвода над рассматриваемым уровнем;

– высота молниеотвода;

– высота защищаемого объекта.

Наибольший радиус защиты получается на поверхности земли . Угол защиты при вершине °.

Рис. 11.7. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода

Защитным тросом (тросовым молниеотводом) называется заземленный во многих точках провод, расположенный над проводами линии электропередачи. Зона защиты троса показана на рисунке 11.8. Защитный угол троса °. При высоте подвеса м радиус защиты

, (11.5)

где – активная высота;

– высота подвеса троса;

– высота подвеса защищаемых проводов.

Зона защиты представляет собой полосу шириной, равной .

Разрядником называется аппарат для защиты изоляции электроустановки от перенапряжения. Разрядник разряжает волну перенапряжения на землю с последующим немедленным восстановлением нормальной изоляции сети по отношению к земле. Разрядники подразделяются на вентильные и трубчатые.

Вентильным называется разрядник, состоящий из искровых промежутков и переменного, изменяющегося в зависимости от напряжения сопротивления. Чаще всего в качестве такого сопротивления используется вилит, который состоит из карборунда и графита в порошкообразном состоянии. Вилитовые сопротивления для разрядников напряжением выше 1000 В изготовляют с виде дисков толщиной 20 мм и диаметром 75 и 100 мм.

Вилитовый разрядник состоит из вилитовых дисков и последовательно соединенных искровых промежутков, заключенных в герметический фарфоровый кожух. Верхним зажимом разрядник присоединяют к проводу сети, заземляющим зажимом – к заземлителю.

Рис. 11.8. Зона защиты одиночного тросового молниеотвода.

При определенном значении перенапряжения искровые промежутки пробиваются и напряжение волны снижается. Пробой обычно происходит на всех трех фазах, поэтому через разрядник проходит короткое замыкание и начинает проходить ток рабочей частоты (сопровождающий ток). Поскольку напряжение сети значительно меньше величины перенапряжения, сопротивление вилитовых дисков резко увеличивается, ток уменьшается до небольшой величины и в первый же период, при переходе через нулевое значение, прекращается. Для волны перенапряжения сопротивление вилитовых дисков при срабатывании разрядника значительно снижается и поэтому не препятствует прохождению тока молнии в землю.

Вилитовые разрядники делятся на три типа: станционные разрядники РВС, разрядники для защиты вращающихся машин РВВМ и подстанционные разрядники РВП, отличающиеся конструкцией искровых промежутков и величиной напряжения срабатывания.

Трубчатый разрядник применяется на линиях передачи для защиты линейной изоляции от атмосферных перенапряжений. Он состоит из соединенных последовательно внешнего и внутреннего искровых промежутков. Внутренний искровой промежуток находится внутри трубки, материал которой выделяет газы под воздействием дуги. Трубку делают из фибры, органического стекла или винипласта.

Когда напряжение на разряднике в результате разряда молнии превышает установленное значение, искровые промежутки пробиваются и через разрядник к заземлению проходит ток грозового разряда. При этом величина перенапряжения уменьшается. Одновременно через разрядник проходит ток короткого замыкания рабочей частоты, который вызывает образование в трубке электрической дуги. Под действием высокой температуры дуги стенки трубки бурно выделяют большое количество газов. Газы вырываются из трубки под давлением 100-500 ат и выдувают дугу. Дуга гасится в течение 1-2 периодов, после чего установка вновь может работать.

Внешний искровой промежуток необходим для того, чтобы трубка разрядника не находилась под напряжением, иначе токи утечки вызывают обугливание, а с течением времени – сгорание трубки.