Импульсы грозовых перенапряжений, набегающие на подстанцию.

Импульсы напряжения, образующиеся при ударах молнии в линию, набегают на подстанцию, где возникает опасность перекрытия или даже пробоя изоляции, уровень которой ниже уровня линейной изоляции по экономическим соображениям.

Волны, набегающие с линии на подстанцию, возникают при прямых ударах в провода линии без тросов, при обратных перекрытиях с троса или опоры или прорывах молнии мимо троса линии с тросами. Максимальные значения импульсных волн, набегающих на подстанцию, не могут превышать импульсного разрядного напряжения изоляции линии относительно земли. Если на линии возникнет волна с более высоким максимальным значением, то на при своем распространении по линии будет вызывать перекрытие изоляции опор до тех пор, пока заземления опор, на которых произошло перекрытие, не снизят максимальное значение волны до разрядного напряжения линейной изоляции. Подстанции защищаются от набегающих грозовых импульсов вентильными разрядниками (РВ) и ограничителями перенапряжений (ОПН).

Импульсы грозовых перенапряжений, набегающие на подстанцию, могут иметь разную форму. Полные импульсы, близкие по форме к импульсам тока молнии, возникают при ударах в провода линии, если их амплитуда ниже импульсного разрядного напряжения изоляции линии. Если амплитуда тока молнии выше критического значения и при ударе в провод происходит перекрытие линейной изоляции, то образуется срезанный импульс грозового перенапряжения. Максимальное напряжение срезанного импульса определяется вольт-секундной характеристикой изоляции линии. На линиях с номинальным напряжением до 330 кВ срезанные импульсы возникают примерно в 90% случаев. На линиях напряжением 500 кВ и выше , имеющих значительно большие импульсные разрядные напряжения изоляции, доля срезанных импульсов снижается до 50%. Импульсы с очень крутым (практически вертикальным) фронтом возникают при ударах молнии в опору или трос с последующим перекрытием линейной изоляции. Длительность таких импульсов мала и составляет 6-15 мкс, что объясняется отводом части тока молнии через тросы в другие опоры. Индуктированные импульсы напряжения, возникающие при ударах молнии вблизи линии могут иметь разную длительность. На линиях 6-35 кВ они могут вызвать перекрытия изоляции, и тогда их длительность уменьшается.

Распространяющийся по линии импульс напряжения деформируется и затухает. Основной причиной деформации и затухания являются импульсная корона, возникающая на проводах под действием высоких напряжений бегущей волны, и сопротивление земли, поскольку ток импульса замыкается через землю. Импульсы грозового происхождения преимущественно отрицательной полярности.

Для образования чехла импульсной короны необходима энергия, которая отбирается на фронте импульса. На осциллограмме можно увидеть, что на фронте импульса образуется ступенька при напряжении возникновения импульсной короны. Образование импульсной короны ведет как бы к возрастанию емкости провода, в результате чего заряд на проводе растет не пропорционально напряжению, а в квадратичной зависимости от него. Происходит удлинение фронта импульсной волны. Если импульс короткий или срезанный, то импульсная корона приводит не только к удлинению фронта, но и к понижению амплитуды. В случае полных импульсов влияние импульсной короны сказывается в основном на удлинении фронта и в значительно меньшей степени - на снижении амплитуды. Снижение амплитуды происходит за счет активных потерь при возврате тока волны по земле и может быть рассчитано по формуле

(1)

где - амплитуда импульса напряжения в месте удара молнии; - удаление расчетной точки от места удара, км; - коэффициент, равный 0,07 км для линий напряжением 110 кВ и выше.

Удлинение фронта полного импульса под действием импульсной короны при прохождении им расстояния 1 км можно рассчитать по эмпирической формуле

(2)

где U - амплитуда полного импульса, кВ; h - средняя высота подвеса проводов, м; K - коэффициент, равный 160; 1,1; 1,45; 1,55 при числе проводов в фазе соответственно 1,2,3,4 и более.

В инженерных расчетах допустимо применение приближенного подхода, состоящего в следующем: принимается, что в месте удара молнии образуется импульс напряжения бесконечной длительности с вертикальным фронтом и амплитудой, равной линейной изоляции. Снижением амплитуды импульса пренебрегают, а удлинение фронта волны в результате действия импульсной короны подсчитывают по формуле ( 2).

10.2.Защитные аппараты и устройства.Одним из таких аппаратов является вентильный разрядник (РВ), у которого разрядное напряжение искрового промежутка и остающееся напряжение при токах координации не менее чем на 10% ниже гарантированной прочности защищаемой изоляции при полном импульсе.

П р и н ц и п д е й с т в и я в е н т и л ь н о г о р а з р я д н и к а заключается в том, что при воздействии на него импульса грозового перенапряжения пробивается искровой промежуток (один из основных элементов РВ) и через разрядник проходит импульсный ток, создающий падение напряжения на сопротивлении разрядника. Благодаря нелинейной вольт-амперной характеристике материала, из которого выполнено сопротивление, это напряжение мало меняется при существенном изменении импульсного тока и незначительно отличается от импульсного пробивного напряжения искрового промежутка разрядника Uпр. Это весьма существенно, так как диапазон возможных импульсных токов молнии довольно большой, они могут достигать десятков килоампер.

Одной из основных характеристик разрядника является остающееся напряжение разрядника Uост , т. е. напряжение при определенном токе (5-14 kA для разных номинальных напряжений), который называется током координации. После окончания процесса ограничения перенапряжения через разрядник продолжает проходить ток, определяемый рабочим напряжением промышленной частоты. Этот ток называется сопровождающим током. Сопротивление нелинейного резистора разрядника резко возрастает при малых по сравнению с перенапряжениями рабочих напряжениях, сопровождающий ток существенно ограничивается , и при переходе тока через нулевое значение дуга в искровом промежутке гаснет.

Наибольшее напряжение промышленной частоты на РВ, при котором надежно обрывается сопровождающий ток, называется напряжением гашения Uгаш, а соответствующий сопровождающий ток - током гашения Iгаш . Гашение сопровождающего тока может осуществляться в условиях однофазного замыкания на землю, поэтому в качестве напряжения гашения принимается напряжение на здоровых фазах при однофазном замыкании на землю:

Uгаш =КзUном, (4)

где Кз - коэффициент, зависящий от способазаземления нейтрали; Uном - номинальное линейное напряжение. Коэффициент для установок с заземленной нейтралью равен 0,8, а для установок с изолированной нейтралью 1,1.

Для того чтобы защита с помощью вентильных разрядников была эффективной, необходимо выполнить два условия: ограничить ток через разрядник величиной тока координации (от 5 до 14 кА в зависимости от номинального напряжения и типа разрядника); ограничить крутизну волны, набегающей на разрядник. Если ток, проходящий через разрядник, превысит ток координации, то остающееся напряжение разрядника окажется выше нормированного и интервал между остающимся напряжением разрядника и электрической прочностью изоляции уменьшится.

Ток через разрядник можно определить как

(3)

где z - волновое сопротивление провода линии; uр - напряжение на разряднике; uпад - амплитуда набегающей волны.

При одном и том же токе молнии доля тока, ответвляющегося в разрядник, растет с уменьшением номинального напряжения, так как сопротивление разрядника при этом падает. Таким образом, близкие удары особенно опасны при относительно невысоких номинальных напряжениях.

При некотором удалении места удара от шин подстанции в пределах 1-2 км максимум тока через разрядник достигается после многократных отражений от сопротивления в точке удара и сопротивления разрядника, т. е. в течение времени, соизмеримого с длительностью волны; вследствие этого к моменту максимума тока мгновенное значение тока молнии падает по сравнению с его максимальным значением. Ток через разрядник при прочих равных условиях уменьшается с увеличением расстояния между местом удара и шинами подстанции.

Следовательно, для того чтобы ограничить ток через РВ и тем самым обеспечить его успешную работу, необходимо исключить

прямые удары в провода линии вблизи подстанции или во всяком случае резко уменьшить вероятность таких ударов. С этой целью участки линий длиной 1-3 км. примыкающие к подстанциям (подходы), должны защищаться от прямых ударов молнии тросовыми молниеотводами. Если линия защищена тросами по всей длине, то на подходах обеспечиваются малые углы защиты тросов и низкие сопротивления заземления опор. Такие подходы называются защищенными.

Наличие защищенного подхода позволяет ограничивать вероятность набегания на подстанцию волн с большими крутизнами, это особенно важно для подстанций высокого напряжения, имеющих большие размеры, в силу чего часть аппаратов удалена от разрядников на расстояния, которые могут достигать несколько метров. При падении на подстанцию волны с крутым фронтом в отдаленных от разрядника точках подстанции возникают высокочастотные затухающие колебания относительно остающегося напряжения разрядника, максимальное значение которых тем больше, чем больше крутизна набегающей волны и расстояние от разрядника до защищаемой аппаратуры.

Разрядники разделены на 4 группы. IV группа - это разрядники серий РВП и РВО на напряжения 3-10 кВ. Нелинейные резисторы комплектуются из вилитовых дисков, искровой промежуток набирается из элементов, состоящих из двух латунных электродов, разделенных миканитовой шайбой.

К III группе относятся разрядники серий РВС (15-220 кВ).Вилитовые диски диаметром 100 мм.

II группа - разрядники серии РВМ (3-35 кВ) и РВМГ - 110-500 кВ. Применяются искровые промежутки с магнитным гашением и вилитовые диски диаметром 150мм, что увеличило их пропускную способность.

I группа - это разрядники РВТ (токоограничивающий) и РВРД ( c растягивающейся дугой). Комплектуются из тервитовых дисков и токоограничивающих искровых промежутков.

Комбинированные разрядники серии РВМК предназначены для ограничения как грозовых, так и внутренних перенапряжений в системах 330-750 кВ.

Н е л и н е й н ы е о г р а н и ч и т е л и п е р е н а п р я ж е н и й (ОПН). Разработанные резисторы на основе окиси цинка обладают значительно большей нелинейностью, чем резисторы на основе карборунда, что позволило создать новый тип защитного аппарата без искровых промежутков. Применительно к ОПН отсутствует понятие напряжения гашения. Высокая нелинейность обусловливает прохождение при рабочем напряжении через нелинейные резисторы тока порядка долей миллиамперметра на одну параллельную колонку. Это позволяет подключать ОПН непосредственно к сети.