Зоны защиты молниеотводов

Стержневые молниеотводы

Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой h £ 150 м представляет собой круговой конус (рис.6.4) с вершиной на высоте h₀<h, сечение которого на высоте h_x имеет радиус r_x. 

 Рис. 6.4 Сечение зоны защиты стержневого молниеотвода

Граница зоны защиты находится по формулам (все размеры в метрах).

Зона защиты двух стержневых молниеотводов находящихся вблизи друг от друга, расширяется по сравнению с зонами отдельных молниеотводов. Возникает дополнительный объем зоны защиты, обусловленный совместным действием двух молниеотводов (рис.6.5)

 Рис. 6.5 Зона защиты двойного стержневого молниеотвода

Несколько близко расположенных молниеотводов образуют «многократный» молниеотвод. Его зона защиты определяется зонами защиты ближайших молниеотводов.

Тросовые молниеотводы

Для защиты протяженных объектов тросовые молниеотводы натягивают над защищаемым объектом и заземляют на опорах. Тросовые молниеотводы используются в основном для защиты проводов ВЛ. В связи с этим пользуются не зонами защиты, а углами защиты, т. е. углами между вертикальной линией, перпендикулярной тросу, и линией, соединяющей провод и трос.

Грозозащита подстанций, кроме защиты от прямых ударов молнии, должна включать в себя следующие виды защит:

1)от перекрытий при ударах молнии в заземленные конструкции подстанций, т. е. от обратных перекрытий с заземленных элементов на токоведущие части оборудования;

2)от волн, приходящих с линии.

 

 

28. Защитные разрядники. Защитные промежутки. Ограничители 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 искровом промежуток, включенный параллельно изоляционной кон­струкции. Для предупреждения перекрытия или пробоя изоляции вольт-секундная характеристика защитного иск­рового промежутка ПЗ с учетом разброса должна в иде­альном случае лежать ниже вольт-секундной характеристи­ки защищаемой изоляции (рис. 22.1). При выполнении этого требования появление опасных для изоляции элект­роустановок перенапряжений невозможно, так как при набегании импульса напряжения U_пад происходит пробои ПЗ с последующим резким падением («срезом») напря­жения. Вслед за импульсным током через защитный про­межуток по ионизированному пути устремляется ток, об­условленный напряжением промышленной частоты, — сопровождающий ток. Если электроустановка работает в сети с заземленной нейтралью или если пробои ПЗ про­изошел в двух или трех фазах, то дуга сопровождающего тока может не погаснуть и импульсный пробой переходит в устойчивое короткое замыкание, которое вызывает ава­рийное отключение электроустановки. Чтобы этого избе жать, следует обеспечить гашение дуги сопровождающего тока.

 

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. Устройства, которые обеспечивают не только защиту изоляции от перенапряжений но и гашения дуги называются защитными разрядниками или защитный промежуток.

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.

ЗАЩИТНЫЕ ПРОМЕЖУТКИ

Конструктивно защитные промежутки выполняются в виде стержневых электродов, создающих резконеодпородное поле. Для таких электродов характерно значительное возрастание разрядного напряжения при малых временах, что не всегда позволяет осуществлять координацию вольт-секупдиых характеристик изоляции и защитных промежут­ков во всем диапазоне предразрядпых времен. Как видно из рис. 22.1, при малых временах изоляция может оказать­ся незащищенной.

Переход импульсного тока при пробое ПЗ в устойчивую дугу может сопровождаться аварийным отключением элек­троустановки или участка электрической сети. Для повы­шения надежности электроснабжения желательно ПЗ уста­навливать лишь на тех участках сети, которые оборудова­ны устройствами автоматического повторного включения (АПВ).

Простота и дешевизна стержневых промежутков опре­деляют их широкое применение, особенно в сетях низших классов напряжения. На линиях электропередачи высоко­го и сверхвысокого напряжении принимаются специальные меры но 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.

Трубчатый разрядник

Принципиальная схема устройства и включения труб­чатого разрядника (РТ) показана на рис. 22.2. Основу раз­рядника составляет трубка из газогенерирующего матери­ала 1, Один конец трубки заглушён металлической крыш­кой, на которой укреплен внутренний стержневой электрод 2. На открытом конце трубки расположен другой электрод в виде кольца 3. Промежуток l₁ между стержневым и кольцевым электродами называ­ется внутренним, или дугогася-шим, промежутком. Трубка от­деляется от провода фазы вне­шним искрозым промежутком l₂, иначе газогенерирующин материал трубки постоянно разлагался бы под действием токов утечки.

Защитное действие трубча­того разрядника характеризу­ется его вольт-секундной ха­рактеристикой и сопротивлени­ем заземления. Вольт-секундyая 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 дугогасящи-ми свойствами разрядника и регулированию не под­лежит.

При возникновении импульса перенапряжения оба промежутка пробиваются, и импульсный ток отводится в землю. После окончания импульса через разрядник продолжает проходить сопровождающий ток, и искровой разряд переходит в дуговой. Под действием высокой температуры дуги переменного тока в трубке происходит интенсивное выделение газа и давление сильно увеличивается. Газы, устремляясь к открытому концу трубки, создают продольное дутье, в результате чего дуга гасится при первом же прохождении тока через нулевое значение. При работе разрядника слышен звук, напоминающий выстрел, и из трубки выбрасываются раскаленные газы.

Величина внешнего искрового промежутка выбирается по условию защиты изоляции и может регулироваться в определенных пределах. А величина внутреннего искрового промежутка устанавливается в соответствии с дугогасящими свойствами разрядника и регулированию не подлежит. Для успешного гашения дуги необходимо достаточно интенсивное генерирование газа в трубке, которое зависит от величины проходящего тока. В связи с этим имеется нижний предел токов, которые надежно отключаются трубчатым разрядником. При больших токах слишком интенсивное газообразование может привести к разрыву трубки или срыву наконечников. Поэтому для трубчатых разрядников устанавливают верхний и нижний предел отключаемых токов, значение которых зависит от размеров внутреннего канала разрядника. Изменение внутреннего промежутка и диаметра канала позволяет выпускать трубчатые разрядники с разными пределами отключаемых токов. Выпускаются трубчатые разрядники типа РТ, РТФ, (с фибробакелитовыми трубками), РТВ (с трубками из винипласта) и РТВУ (винипластовые усиленные).

Вентильный разрядник.

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. 22.4). При воздействии па 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. 22.5).

 

 

Одной из основных характеристик разрядника является остающееся напряжение разрядника U_ост. , т.е. напряжение при определенном токе, который называется током координации. U_пр.и. и близкой к нему U_ост. должны быть на 20-25% ниже разрядного напряжения изоляции.

После окончания процесса ограничения перенапряжения через разрядник продолжает прохо дить ток, определяемый рабочим напряжением. Этот ток называется сопровождающим током. Сопротивление нелинейного резистора разрядника резко возрастает при малых по сравнению с перенапряжениями рабочих напряжений, сопровождающий ток существенно ограничивается, и при переходе тока через нулевое значение дуга в искровом промежутке гаснет. Наибольшее напряжение промышленной частоты на вентильном разряднике, при котором надежно обрывается проходящий через него ток, называется напряжением гашенияU_гаш.

Нелинейные резисторы вентильных разрядников выполняются в виде дисков, состоящих из карборундового порошка и связующего материала. В настоящее время применяют диски из велита и тервита. В качестве связи применяют жидкое стекло. Свойства материала резко меняет свое сопротивление в зависимости от напряжения, обеспечивая пропускание очень больших токов при высоких напряжениях и весьма малых – при пониженных напряжениях, называют «вентильными». Отсюда и название разрядника.

Рис. 14.9. Конструкция вентильного разрядника.

Работа вентильного разрядника начинается с пробоя ИП и заканчивается гашением дуги сопровождающего тока. Простейший единичный промежуток состоит (рис.14.10) из двух латунных электродов 1, разделенных миканитовой шайбой 2. При приложении к промежутку 3 напряжения в воздушных прослойках происходит пробой. Гашение сопровождающего тока простейшими ИП основано на естественном восстановлении электрической прочности между холодными электродами.

Вентильные разрядники состоят из основных частей (рис.14.9): фарфорового цилиндра 1, искровых промежутков 2, вилитовых дисков 3, пружины 4 и крышки 5.

Рис. 14.10. Конструкция искрового промежутка вентильного разряда.

Вентильные разрядники по защитным свойствам делятся наIVгруппы.Iгруппа – серии РВТ (токоограничивающие) и РВРД (с растягивающейся дугой),IIгруппа – серии РВМ (магнитный), РВМГ (магнитный газоразрядной), РВМК-П (магнитный комбинированный с повышенным напряжением),IIIгруппа – серии РВС (станционный) иIVгруппа – серии РВП (подстанционный).

ОПН

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. Имеют малые габариты. При перенапряжении рассивается много тепла, следовательно они могут перегреваться и разрушаться, поэтому его нельзя часто включать.

Разработанные в последнее время в СССР и за рубе­жом резисторы на основе окиси цинка обладают значитель­но большей нелинейностью, чем резисторы на основе кар­борунда. Это позволило создать новый тип защитного ап­парата — нелинейный ограничитель перенапряжении (ОПН).

Преимуществами ОПН являются возможность глубоко­го ограничения перенапряжении, в том числе междуфазных, малые габариты, позволяющие использовать их в качестве опорных изоляционных колонн, большая пропускная спо­собность.

Применительно к OПН отсутствует понятие напряже­нии гашения. Однако длительное воздействие резонансных перенапряжений, связанных с прохождением через ОПН больших токов, может нарушить тепловую устойчивость аппарата и привести к аварии. В связи с этим для ОПН установлены допустимые длительности приложения повы­шенных напряжений, которые должны быть скоординированы, с действием релейных защит.

 

Применение ОПН позволяет глубоко ограничивать так­же и междуфазные перенапряжения. Для этого может быть использована схема с искровыми промежутками.

 

29. Заземления в электрических установках высокого напряжения. Требования к заземлению станций и подстанций.

 

Для устройства заземлений применяются вертикальные и горизонтальные электроды (заземлители). Для горизон­тальных заземлителей используется полосовая сталь шири­ной 20—40 мм и толщиной не менее 4 мм, а также сталь круглого сечения диаметром не менее 6 мм. В качестве вер­тикальных заземлителей применяются стальные трубы, стержни и профильная сталь. На подстанциях заземлитель представляет собой сложную систему, состоящую обычно из горизонтальных полос, объединяющих вертикальные электроды и образующих сетку на площади, занимаемой подстанцией. На линиях электропередачи в качестве заземлителя опор могут использоваться их железобетонные фун­даменты.

Заземлитель характеризуется значением сопротивления, которое окружающая земля оказывает стекающему с него току. Сопротивление заземлителя зависит от его геометри­ческих размеров и удельного сопротивления грунта р, в ко­тором он находится.

При больших импульсных токах — токах молнии — плотность проходящего через заземляющие электроды тока велика, поэтому в земле у поверхности электродов соз­даются очень высокие напряженности поля Е=1р, превос­ходящие пробивные напряженности грунта. Вокруг электро­дов образуются зоны искрения, увеличивающие их эффективные размеры, и сопротивление заземления умень­шается.

Быстрое же нарастание тока молнии на фронте импуль­са создает падение напряжения на индуктивности протяжен­ного заземлителя, что ограничивает отвод тока с удаленных его частей. При этом сопротивление заземления, наоборот, увеличивается.

В результате влияния того или иного фактора (образо­вания зоны искрения или падения напряжения на индук­тивности) сопротивление заземлителя при прохождении то­ка молнии — так называемое импульсное сопротивление R _И — отличается от стационарного сопротивления заземле­ния, измеренного при переменном напряжении и сравни­тельно небольшом токе или рассчитанного.

Отношение импульсного и стационарного сопротивлений заземления называется импульсным коэффициентом

 

Импульсный коэффициент протяженного горизонталь­ного заземлителя больше единицы, и чем больше его дли­на и меньше длительность фронта импульсного тока, тем выше значение а_и.

Следует иметь в виду, что у поверхности протяженного заземлителя имеют место искровые процессы, однако они ослабевают по мере удаления от начала заземлителя, по­скольку уменьшаются его потенциал и плотность стекаю­щего тока. Искровые процессы в земле существенно влия­ют на импульсное сопротивление протяженного заземли­теля. При малых длинах его, когда плотности тока велики, искровые процессы могут привести к уменьшению импульс­ного коэффициента до а_и≤1.

Требование: Вся подстанция должна попадать в зону защиты.

 

30. Общая характеристика перенапряжений. Виды перенапряжений.

 

Перенапряжение – всякое повышение напряжения в электрической сети больше максимального рабочего Uр.макс =U_H + (0,2÷0,05)U_H , в зависимости от класса напряжения.

При перенапряжениях создаются тяжелые условия для работы изоляции, т. к. они могут во много раз превышать Uр.макс. Перенапряжения подразделяются:

1)на внешние (грозовые);

2)внутренние (переходные процессы в электрических сетях).

На рис.  приведена классификация перенапряжений.

ПУМ – прямой удар молнии.

Необходимо знать следующие характеристики перенапряжений:

1. Максимальное значение амплитуды напряжения при перенапряжении Uмакс или кратность перенапряжений K_П = Uмакс/Uр.макс.

2.Длительность воздействия перенапряжения.

3.Форму кривой перенапряжений (апериодическая, колебательная, высокочастотная и др.).

4.Широту охвата элементов электрической цепи.

Все перечисленные характеристики имеют стохастическую природу и имеют значительный статистический разброс, который обязательно учитывается при расчетах. Для изоляции высоковольтных устройств низких классов напряжения (U ≤ 220 кВ) наиболее опасными являются грозовые перенапряжения. Их изоляция выдерживает коммутационные перенапряжения любой кратности.

Для изоляции высоковольтных устройств высоких и сверхвысоких классов напряжения (U > 330 кВ) наиболее опасными являются коммутационные перенапряжения.

Поэтому на низких классах напряжения ограничивают специальными устройствами только грозовые перенапряжения, а на высоких классах принудительно ограничивают и внутренние перенапряжения.

Наиболее многообразны внутренние перенапряжения. Причины возникновения внутренних перенапряжений очень разнообразны (отключение линии электропередач, трансформатора и другие переключения; обрывы фаз; КЗ, перекрытие и пробой изоляторов).

Внутренние перенапряжения вызываются колебаниями энергии, запасенной в элементах сети, или при изменении поступающей энергии от источников энергии (генераторы при изменении первоначальных параметров).

Элементы электрической сети: источники энергии; накопители энергии (конденсаторы, катушки индуктивности); поглотители энергии (активные сопротивления, корона, проводимость изоляции).

Внутренние перенапряжения делятся на коммутационные, квазистационарные (установившиеся), стационарные.

В зависимости от места приложения можно выделить раз­личные типы перенапряжений. Наибольшее практи­ческое значение имеют фазные перенапряжения. Они воздей­ствуют на изоляцию токоведущих частей электрооборудова­ния от земли или заземленных конструкций. К этой изоляции нормально приложено фазное напряжение. Однако в сетях с изолированной нейтралью следует учитывать, что в про­цессе поиска места замыкания на землю (длительностью от минут до нескольких часов) к фазной изоляции может быть приложено линейное напряжение.

Междуфазные перенапряжения рассматриваются при вы­боре междуфазной изоляции, например - расстояний между проводами разных фаз на линиях и подстанциях, обмотками различных фаз трансформаторов, машин, реакторов. Рабо­чим напряжением для этих видов изоляции является линей­ное напряжение.

Внутрифазные перенапряжения возникают между раз­личными токоведущими элементами одной и той же фазы, например между соседними витками или катушками об­мотки трансформатора, а также между нейтралью и землей.

Перенапряжения между контактами коммутирующих ап­паратов возникают в процессе отключения участка сети или при несинхронной работе двух участков сети.

 

31. Грозозащита линий электропередач.

 

Грозовые перенапряжения возникают от прямого удара молнии, от разряда в землю вблизи линии (индуктированные перенапряжения).

Линия длиной L со средней высотой подвеса h принимает удары с площади S.

.

Число ударов на 1 км² на 1 грозовой час равно 0,067. Число поражений линий в год N при n ( грозовых часах в году) будет определяться как:

Число перекрытий изоляций линий в год:

- вероятность перекрытия изоляции при ударе молнии.

Число грозовых отключений линии может быть меньше числа перекрытий изоляции. Определяющее значение имеет градиент рабочего напряжения вдоль пути перекрытия Е_СР=U_РАБ / l_ПЕР

Вероятность перехода импульсного перекрытия в силовую дугу: .

Общее число грозовых отключений линий: .

Существует 2 метода уменьшения числа грозовых отключений:

1) Уменьшение вероятности перекрытия изоляции;

2) Уменьшение вероятности перехода импульсного перехода в силовую дугу.

Первый способ реализуется путем надежного заземления тросов. Второй путем удлинения пути перекрытия за счет использования деревянных опор.

 

32. Грозозащита станций и подстанций.

 

Эффективность защиты подстанции характеризуется средним годовым числом перекрытий изоляции вследствие прорывов молнии в зону зашиты b₁, обратных перекрытий при ударах в молниеотводы b₂ и перекрытий в результате опасных перенапряжений, возникающих при набегании на подстанцию импульсов по воздушным линиямb₃.

β₁, β₂, β₃ – число опасных случаев в год.

Расчетное число лет безаварийной работы подстанций будет равно:

где М – показатель грозоупорности подстанций.

Для ограничения тока через вентильный разрядник необходимо уменьшить вероятность ударов молнии. Для этого участки линии длиной l ₁- 3 км, т.к. называемые подходы к подстанции должны защищаться тросовыми либо отдельно стоящими стержневыми молнииотводами.

Если линия защищена тросами по всей длине, то это указывает на выполнение высоких требований грозозащит подстанции.

Требования надежной защиты подстанции :

· Низкие сопротивления заземлителя опор ;

· Малые углы защиты тросов (α) .

Такие подходы называют защищенными.

Наличие такого подхода ограничивает вероятность набегания на подстанцию волн с большими значениями крутизны фронта.

А) Для деревянных опор

В) Для металлических опор

На деревянных опорах трос подвешивается только в пределах защищенного подхода. На деревянных опорах спуски от тросов к заземлителям располагаются на стойках, что снижает прочность изоляции.

РТ2- для защиты линейного выключателя когда он разомкнут а линия находится под напряжением.

 

33. Волновые процессы в линиях, преломление и отражение волн в узловых точках.