Временное перенапряжение

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ	8

ВВЕДЕНИЕ	9

1.ПОНЯТИЕ КРАТКОВРЕМЕННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ	11

	1.1. Импульс напряжения	11

	1.2. Временное перенапряжение	17

	1.3 Выводы по главе	19

2. ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ВРЕМЕННЫХ И ИМПУЛЬСНЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ	20

	2.1. Причины возникновения  временных перенапряжений	20

	2.2. Причины возникновения импульсных напряжений	20

	2.3. Выводы по главе	27

3.ВЛИЯНИЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ НА РАБОТУ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЕМ 0,4 - 110 кВ	28

	3.1. Влияние атмосферных перенапряжений на работу однофазного трансформатора	28

	3.2.Влияние атмосферного перенапряжения на трехфазный трансформатор	32

	3.3. Передача волн перенапряжения из одной обмотки в другую	36

	3.4. Перенапряжения при отключении ненагруженных линий	38

	3.5. Перенапряжения при отключении ненагруженных трансформаторов	40

	3.6. Перенапряжения при отключении конденсаторных батарей	42

	3.7. Влияние перенапряжений на старение внутренней изоляции	43

	3.8. Выводы по главе	44

4.ПРИНЦИПЫ И СРЕДСТВА ЗАЩИТЫ ОТ ГРОЗОВЫХ И КОММУТАЦИОННЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ	45

	4.1.Требования к устройствам защиты от перенапряжений	45

	4.2.Выбор типа защитных устройств	49

	4.3. Устройство защиты от импульсных перенапряжений	53

	4.4. Ограничитель перенапряжения	66

	4.3. Выводы по главе	75

5.ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОГРАММЫ РАСЧЕТА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ EMI Analyzer	77

	5.1. Назначение программы	77

	5.2. Особенности расчетной методики	77

	5.3.Формы представления результатов	79

	5.4. Выводы по главе	80

ЗАКЛЮЧЕНИЕ	81

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ	83



СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АВН - аппарат высокого напряжения

АПВ - автоматическое повторное включение

АТС - автоматическая телефонная станция

АЧХ - амплитудно - частотная характеристика

ВАХ - вольт - амперная характеристика

ДГР - дугогасящий реактор

ИБП – источник бесперебойного питания 

КЗ - короткое замыкание

КЭ - качество электроэнергии

ЛЭП - линия электропередач

ОДЗ - однофазное дуговое замыкание на землю

ОЗЗ - однофазное замыкание на землю

ОПН - ограничитель перенапряжений

ПКЭ - показатели качества электрической энергии

ПУМ – прямой удар молнии

СМЗ – система молниезащиты

ССН - сеть собственных нужд

СЭС – системы электроснабжения

ТСН - трансформатор собственных нужд

ТЭЦ - теплоэлектроцентраль

УЗИП - устройство защиты от перенапряжений

ФМЗО - фильтр присоединения нулевой последовательности

ЭВМ – электронная вычислительная машина

ЭМО - электромагнитная обстановка

ЭМС - электромагнитная совместимость

ЭП - электроприемник






ВВЕДЕНИЕ

В системах электроснабжения общего назначения нашли широкое применение электронные и микроэлектронные системы управления, микропроцессоры и ЭВМ, что привело к снижению уровня помехоустойчивости систем управления ЭП и резкому возрастанию количества их отказов. Основной причиной отказов является воздействие электромагнитных помех, возникающих при электромагнитных переходных процессах как в сетях энергосистем, так и в городских, и промышленных электрических сетях. Длительность протекания переходных процессов составляет от нескольких периодов тока промышленной частоты до нескольких секунд, а эффективная полоса частот помех может достигать десятков мегагерц.

Актуальность дипломного исследования заключается в том, что характеристикой электромагнитных переходных помех являются импульсы напряжения и кратковременные перенапряжения и для этих ПКЭ стандарт [5] не устанавливает допустимых численных значений, однако, рассматривает эти помехи в рамках проблемы электромагнитной совместимости.

Причиной возникновения электромагнитных помех в системах электроснабжения общего назначения могут быть перенапряжения, возникающие при грозовых перенапряжениях, при коммутациях батарей конденсаторов и резонансных фильтров, при отключении ненагруженных кабельных линий и трансформаторов, при одновременной коммутации контактов выключателей и другой коммутационной аппаратуры, при неполнофазных режимах работы электрической сети вследствие различных причин. 

Увеличение мощности энергосистем и протяженности воздушных линий, применяемых для повышения надежности электроснабжения промышленных предприятий, приводит к снижению надежности функционирования сложных электронных систем управления и возрастанию числа отказов помехочувствительного электрооборудования.

При возникновении импульсных и временных перенапряжений происходит ускоренное старение изоляции электрооборудования, в результате возрастает интенсивность потоков отказов с течением времени, то есть имеет место взаимозависимость отказов элементов. 

Таким образом, возникновение перенапряжений  существенно влияет на надёжность электроснабжения, поскольку аварийность в сетях с низким КЭ выше, чем в случае, когда ПКЭ находятся в допустимых пределах.

Целью дипломной работы является рассмотрение принципов и средств защиты от импульсных и временных перенапряжений и их воздействие на работу элементов СЭС.

Для выполнения этой цели в работе поставлены следующие задачи:

раскрыть сущность понятий и характеристик импульсных и временных перенапряжений;

рассмотреть причины возникновения перенапряжений;

оценить влияние перенапряжений на электрооборудование до 

110 кВ;

рассмотреть принципы и средства защиты от перенапряжений;

рассмотреть вариант использования программного обеспечения для оценки уровня перенапряжений.






1.ПОНЯТИЕ КРАТКОВРЕМЕННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ

1.1. Импульс напряжения 

Импульс напряжения — резкое изменение напряжения в точке электрической сети, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня за промежуток времени до нескольких миллисекунд.

Импульс напряжения характеризуется показателем импульсного напряжения. Импульсное напряжение Uимп в вольтах, киловольтах (рисунок 1) измеряют как максимальное значение напряжения при резком его изменении (длительность фронта импульса не более 5 мс).

 

Рисунок 1 – Импульс напряжения и его характеристики

Длительность импульса tимп — интервал времени между начальным моментом импульса напряжения и моментом восстановления мгновенного значения напряжения до первоначального или близкого к нему уровня.

Грозовые перенапряжения. На рисунке 3 представлены формы грозовых апериодических испытательных импульсов в соответствии с требованиями МЭК [21] и ГОСТ [6].

Одна из основных характеристик импульсного напряжения – амплитуда импульса (испытательное напряжение), т.е. максимальное значение напряжения в импульсе. На рисунке 2 оно принято за единицу. Часто на гладкую кривую рисунок 2 накладываются высокочастотные колебания переходного процесса. При наличии вблизи максимума импульса наложенных колебаний или одиночных выбросов за значение испытательного напряжения принимают[6]: 

а) максимальное значение средней кривой, если частота колебаний выше 500 кГц (рисунок 2 в) или длительность выброса t ? 1 мкс (рисунок 2а).



а)							б)



в)

Рисунок 2 – Формы импульсов грозовых перенапряжений: а) полный импульс; б) срезанный на спаде; в) срезанный на фронте импульс; О1 – точка условного начала импульса; 2 – точка с напряжением 30% от максимального; 3 – точка с напряжением 90% от максимального; 4 – точка пересечения прямой, проходящей через точки 2,3 с прямой максимального напряжения; 6 – начало среза напряжения; 7, 8 – точки со значениями напряжения 70 и 10% от напряжения в момент среза; Т1 – длительность фронта импульса; Т2 – длительность импульса; Тс – длительность срезанного импульса

б) максимальное значение импульса, если частота колебаний ниже 500 кГц (рисунок 3 г) или длительность выброса t > 1 мкс (рисунок 3 б). Амплитуда колебаний ? (рисунок 3) не должна составлять более 5% максимального значения, в том числе и при частоте колебаний менее 500 кГц. При проведении испытаний АВН (аппаратов высокого напряжения) максимальное напряжение зависит от класса напряжения и вида испытываемого оборудования. Оно меняется от нескольких десятков киловольт для оборудования класса 3 кВ до мегавольт для сверхвысоковольтного оборудования.



Рисунок 3 – Определение максимального значения апериодического импульса: а), б) – с одиночными выбросами; в), г) – с наложенными колебаниями

Следующей важной характеристикой является форма импульса. Она характеризуется длительностью фронта импульса T1 и длительностью импульса T2. Длительность фронта импульса определяется следующим образом: 

а) на зависимости напряжения импульса от времени находятся точки 2 и 3, соответствующие значениям напряжения 30% и 90% от максимального. Точка 2 выбрана потому, что в начале импульса имеются искажения, вызванные помехами либо в измерительных цепях, либо в разрядной цепи генератора.

б) через точки 2 и 3 (рисунок 2) проводится прямая и находятся точки её пересечения с осью абсцисс (точка O1- условное начало импульса) и прямой, параллельной оси абсцисс, проходящей через точку максимального напряжения (точка 4);

 в) находится интервал времени t 23;

г) длительность фронта импульса T1 находится умножением времени t 23 на 1,67. Коэффициент 1,67 получается из решения треугольника рисунок 2,а.

Стандартный грозовой импульс имеет T1 = 1,2 ± 0,36 мкс.

За длительность импульса принимается интервал времени между условным началом импульса и точкой 6, соответствующей амплитуде 50% от максимального значения (напряжение в точке 5). Стандартный грозовой импульс имеет T2 = 50 ± 10мкс. Условное обозначение полного стандартного грозового импульса 1,2/50 мкс.

Кроме полных импульсов применяются также срезанные импульсы (рисунок 2 б, в). Срезанные импульсы напряжения возникают, в основном, при грозовых перекрытиях наружной изоляции или при срабатывании разрядников и защитных стержневых промежутков. Для срезанных импульсов вводится дополнительная характеристика — момент среза (пробоя) Тс, определяемый пересечением прямой, проведенной через точки 7 и 8 и кривой полного импульса, а также длительность среза, равная 1,67 интервала времени между точками 7 и 8.

Однако длительность среза, которая обычно определяется минимальными размерами петли срезающей цепи, находится с большими погрешностями, и поэтому она редко используется в качестве характеристики импульса. Наиболее часто нормируемый момент среза отстоит от точки О1 на 2? 5 мкс. Допускается применять апериодические импульсы с наложенными колебаниями и единичными выбросами напряжения при условии, что максимальное отклонение напряжения ? от средней кривой не превышает вблизи максимума импульса 5% от максимального значения.

Коммутационные импульсы. Импульсы коммутационных напряжений, которые имеют наибольшее значение при выборе изоляции АВН для классов напряжения 110 кВ и выше, называют также внутренними перенапряжениями и отличаются от грозовых импульсов гораздо большей длительностью [19]. В соответствии с ГОСТ 1516.2-97 [6] при испытаниях электрооборудования применяют следующие виды коммутационных  импульсов: 

а) апериодический (рисунок 4 а); 

б) колебательный, с затуханием около нулевого значения напряжения (рисунок 4 б); 

в) колебательный, затухающий вокруг составляющей более низкой частоты (рисунок 4 в). 

Импульс коммутационных перенапряжений, как и кривая грозовых импульсов, описывается временем спада Ти (Т2) до половины максимального значения напряжения и временем подъема Tп, которое легко, хотя и с большой погрешностью, находится из осциллограммы. Поэтому часто вместо Tп используют длительность фронта, определяемую так же, как и для грозового импульса, или в качестве дополнительного параметра вводят время T90, в течение которого напряжение превышает 0,9UM. Нормированным коммутационным импульсом часто является импульс 250/2500 мкс, при котором  время подъема Tп = 250 ± 50 мкс, а длительность импульса Ти = 2500 ± 750 мкс. В целом ряде исследований используют и другие, значительно отличающиеся от приведенных параметров импульсы – апериодические импульсы 100/2500, 500/2500, 1000/5000 мкс допусками на время подъёма ± 20 %, длительность ± 30 % и максимальное значение ± 3 %. Необходимость применения этих импульсов должна быть указана в нормативных документах на электрооборудование отдельных типов.

Стандартный колебательный коммутационный импульс (рисунок 5б) применяется для испытания внутренней (испытываемой отдельно от внешней) изоляции газонаполненного оборудования и для линейной изоляции, в том числе гирлянд изоляторов [21]. Он должен иметь время подъема Тп = 4000 ± 1000 мкс, длительность импульса Ти = 7500 ± 2500 мкс и допуск на максимальное значение ± 3 %. Обозначение импульса — 4000/7500 мкс. Полярность импульса определяется полярностью первого полупериода.





Рисунок 4 – Формы и характеристики коммутационных импульсов

Допускается применение импульса как на рисунок 4 в. При этом его параметры должны быть такими, как для стандартного колебательного импульса (рисунок 4 б).

Для испытания внутренней изоляции силовых трансформаторов и шунтирующих реакторов применяется коммутационный импульс 20/500 с временем подъема Тп не менее 20 мкс, длительностью импульса Ти не менее 500 мкс, с временем свыше 90 % от Uм не менее 200 мкс и допуском на максимальное значение импульса ±3 %.

Форма и параметры коммутационного импульса, которым должна испытываться та или иная изоляция, а также отношение максимального значения второго полупериода к максимальному значению первого и время свыше 90 %, если они влияют на результаты испытания, должны быть указаны в нормативных документах на электрооборудование отдельных видов [24].

1.2. Временное перенапряжение 

Временное перенапряжение — повышение напряжения в точке электрической сети выше 1,1Uном продолжительностью более 10 мс, возникающее в системах электроснабжения при коммутациях или коротких замыканиях. Перенапряжения могут иметь периодический или апериодический характер (рисунок 5). Их можно разделить на кратковременные, длительные (периодические) и импульсные (апериодические). Временное перенапряжение характеризуется показателем коэффициента временного перенапряжения и длительностью временного перенапряжения [5]. 

Коэффициент временного перенапряжения — величина, равная отношению максимального значения огибающей амплитудных: значений напряжения за время существования временного перенапряжения к амплитуде номинального напряжения сети.

Длительность временного перенапряжения — интервал времени между начальным моментом возникновения временного перенапряжения и моментом его исчезновения.



Рисунок 5 – Временное перенапряжение и его характеристики

Измерение коэффициента временного перенапряжения kперU в относительных единицах (рисунок 1) осуществляют следующим образом:

1. Измеряют амплитудные значения напряжения Ua в вольтах, киловольтах на каждом полупериоде основной частоты при резком (длительность фронта до 5 мс) превышении уровня напряжения равного 1,1  Uном.

2. Определяют максимальное из измеренных в соответствии с п.1 амплитудных значений напряжения Ua max.

С целью исключения влияния коммутационного импульса на значение коэффициента временного перенапряжения определение Ua max осуществляют через 0,04 с от момента превышения напряжением уровня, равного l,1Uном.

3.Вычисляют коэффициент временного перенапряжения по формуле [16]:

					(1)

Значения коэффициента временного перенапряжения в точках присоединения электрической сети общего назначения в зависимости от длительности временных перенапряжений не превышают значений, указанных в таблице 1.

Таблица 1 – Значения коэффициента временного перенапряжения в точках присоединения электрической сети [5]

Длительность временного перенапряжения tперU, с

До 1

До 20

До 60

Коэффициент временного перенапряжения kперU, о. е

1,47

1,31

1,15



В среднем за год в точке присоединения возможны около 30 временных перенапряжений.

При обрыве нулевого проводника в трехфазных электрических сетях напряжением до 1 кВ, работающих с глухо заземленной нейтрально, возникают временные перенапряжения между фазой и землей. Уровень таких перенапряжений при значительной несимметрии фазных нагрузок может достигать значений междуфазного напряжения, а длительность — нескольких часов.

Длительность временного перенапряжения tпер в секундах определяют следующим образом [5]:

1. Фиксируют момент времени tн пер превышения действующим значением напряжения уровня, равного 1,1 Uном, и момент времени tк пер спада напряжения до уровня 1,1 Uном. 

2 Вычисляют tпер U в секундах по формуле:

?tпер U = tк пер - tн пер.					(2)

1.3 Выводы по главе

Импульс напряжения характеризуется показателем импульсного напряжения Uимп и длительностью импульсаtимп . К импульсным напряжениям относятся грозовые перенапряжения и коммутационные импульсы.

Стандартный грозовой импульс имеет длительность фронта импульса

T1 = 1,2 ± 0,36 мкс, длительность импульса T2 = 50 ± 10 мкс. Условное обозначение полного стандартного грозового импульса 1,2/50 мкс.

Коммутационные импульсы имеют большую длительность, чем грозовые. Нормированным коммутационным импульсом является импульс 4000/7500 мкс, имеющим время подъема Тп = 4000 ± 1000 мкс, длительность импульса Ти = 7500 ± 2500 мкс.

 Временное перенапряжение — повышение напряжения в точке электрической сети выше 1,1Uном продолжительностью более 10 мс, возникающее в системах электроснабжения при коммутациях или коротких замыканиях. Перенапряжения могут иметь периодический или апериодический характер. Временное перенапряжение характеризуется показателем коэффициента временного перенапряжения kперU  и длительностью временного перенапряжения tпер U.






2. ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ВРЕМЕННЫХ И ИМПУЛЬСНЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

2.1. Причины возникновения  временных перенапряжений

Причинами появления кратковременных перенапряжений являются:

коммутации ненагруженных линий электропередачи;

коммутации конденсаторных батарей;

коммутации малонагруженных трансформаторов;

подключение или отключение большой нагрузки.

В общем случае представляют опасность длительные перенапряжения. Они возникают в электрических сетях с компенсированной для ограничения токов КЗ на землю нейтраль, в сетях с высокой емкостной проводимостью, четырехпроводных сетях при обрывах нейтрального провода. В сетях с изолированной нейтралью (10 и 35 кВ) допускается длительная работа при однофазном замыкании на землю. Однако при этом напряжение неповрежденных фаз по отношению к земле может возрасти до междуфазного значения [16]. 

2.2. Причины возникновения импульсных напряжений

В процессе эксплуатации на электрооборудование, питание которого осуществляется от систем электроснабжения общего назначения, воздействуют кондуктивные электромагнитные помехи, наиболее опасными из которых являются импульсные перенапряжения. 

Воздействие импульсных перенапряжений, по некоторым оценкам [18] в 35% случаях является причиной повреждения электрооборудования, а на долю перенапряжений, приходится до 18 % от общего числа всех типов электромагнитных помех, возникающих в системах электроснабжения (СЭС) 0,4 кВ (рисунок 6,7).



Рисунок 6- Распределение электромагнитных помех в СЭС 0,4кВ



Рисунок 7 – Распределение причин повреждения электрооборудования 0,4 кВ

Импульсные перенапряжения возникают в системах электроснабжения в результате воздействия внешних или внутренних источников помех. Внешние источники помех, в первую очередь, связаны с атмосферными процессами, то есть энергией разряда молнии. Внутренние источники помех это – коммутации на различных уровнях СЭС (как на стороне 6-10 кВ, так и 0,4 кВ), короткие замыкания в СЭС или электроустановках потребителей, замыкания между системами различного напряжения. 

Воздействия молнии на различные объекты принято подразделять на две основные группы [18]: первичные, вызванные прямым ударом молнии (ПУМ), и вторичные, индуцированные близкими ее разрядами или занесенные в объект через протяженные металлические коммуникации. Опасность первичных и вторичных воздействий молнии для зданий и сооружений (следовательно, и для находящегося в этих объектах электрооборудования) определяется, с одной стороны, параметрами разряда молнии, а с другой – технологическими и конструктивными характеристиками объекта (например, огнестойкостью строительных конструкций, видом вводимых коммуникаций, их расположением внутри объекта и т.д.).



Рисунок 8 - Причины возникновения импульсных перенапряжений в цепях питания электрооборудования в результате воздействий молнии

Импульсные перенапряжения (грозовые) могут возникать в цепях питания электрооборудования в результате первичных или вторичных проявлений молнии вследствие (рисунок 8) [4]:

влияния молнии на элементы СЭС (трансформаторные подстанции, линии электропередач (как воздушные, так и кабельные)), происходящие на стороне высокого или низкого напряжения;

ПУМ в линии электропередач (ЛЭП) высокого напряжения, которые создают импульсные перенапряжения в СЭС высокого напряжения с последующим их переходом в СЭС 0,4 кВ через силовой трансформатор;

ударов молнии вблизи ЛЭП высокого напряжения, вызывающих появление импульсных перенапряжений в электрической сети в результате воздействия электромагнитного поля близких разрядов молнии с последующим их переходом в СЭС 0,4 кВ через силовой трансформатор;

 ПУМ в здания электроустановок (например, здания трансфор-маторных подстанций);

ПУМ непосредственно в ЛЭП низкого напряжения;

ударов молнии вблизи ЛЭП 0,4 кВ, вызывающих появление импульсных перенапряжений в СЭС 0,4 кВ в результате воздействия электромагнитного поля близких разрядов молнии;

растекания тока молнии с пораженных элементов в земле, вызывающего появление импульсных перенапряжений в кабельных ЛЭП в результате гальванического влияния токов молнии.

влияния молнии на объекты (здания и сооружения), в которых размещено и эксплуатируется электрооборудование;

ПУМ в элементы молниезащиты зданий и сооружений;

ударов молнии вблизи зданий, вызывающих появление импульсных перенапряжений в электропроводке зданий в результате воздействия электромагнитного поля близких разрядов молнии;

влияния молнии на элементы системы заземления или вводимые в объект металлические коммуникации (трубопроводы);

ПУМ в систему заземления электроустановок или металлические коммуникации, вводимые в здание;

воздействия электромагнитного поля близких разрядов молнии на элементы систем заземления электроустановок или металлические коммуникации;

растекания тока молнии с пораженных элементов в земле, вызывающего появление импульсных перенапряжений на элементах заземлителей в результате гальванического влияния токов молнии.

Многолетние исследования импульсных перенапряжений, возникающих в результате воздействия молнии, позволили определить статистически возможные зависимости количества перенапряжений от их амплитуды для электрических сетей (без специальной защиты от импульсных перенапряжений) трех условных категорий зданий (рисунок 9) [26].



Рисунок 9 - Зависимости количества импульсных перенапряжений от их амплитуд для электрических сетей трех условных категорий зданий: 

1 – здания с высокой вероятностью поражения молнией (категория 1);

2 – здания со средней вероятностью поражения молнией (категория 2);

3 – здания с низкой вероятностью поражения молнией (категория 3);

4 – уровень импульсной прочности электропроводок.

При этом к категории 1 можно отнести отдельно стоящие здания, которые находятся в районах с высокой грозовой активностью, питание которых осуществляется по длинным ВЛ. 

К категории 2 – здания, частично экранированные расположенными поблизости высотными сооружениями в районах со средней грозовой активностью, питание которых возможно как по ВЛ, так и по КЛ. 

К категории 3 – здания, хорошо экранированные расположенными рядом высокими сооружениями в районах с низкой грозовой активностью, питание которых осуществляется по КЛ.

Несмотря на теоретическую возможность появления в СЭС 0,4 кВ импульсных перенапряжений с амплитудой в несколько десятков киловольт, реальное значение амплитуд импульсных перенапряжений ограничивается импульсной прочностью изоляционных конструкций кабельных линий и электропроводок. Указанная импульсная прочность для электроустановок с номинальным напряжением 230 ? 400 В устанавливается в соответствующем стандарте [8] и принимается равным 6 кВ. Поэтому появление в цепях питания электрооборудования импульсных перенапряжений, возникающих в результате воздействий молнии с амплитудой, превышающей импульсную прочность изоляционных конструкций, т.е. 6 кВ, маловероятно. Превышение указанной амплитуды возможно в 10 % случаях по данным российских ученых [5] или в 2 % случаях по данным зарубежных ученых [4].

Наряду с импульсными перенапряжениями, возникающими в результате воздействий молнии, определенную опасность для электрооборудования представляют импульсные перенапряжения, которые возникают в цепях питания электрооборудования в результате различных процессов как в высоковольтной, так и в низковольтной СЭС вследствие взаимных индуктивных, емкостных и гальванических связей. Параметры подобных импульсных перенапряжений (коммутационных) зависят от многих факторов: типа сети, вида коммутации (включение, отключение), характера и значения нагрузок, а наиболее частыми причинами их возникновения в цепях питания электрооборудования являются (рисунок 10) [14]: 

различные процессы в высоковольтной сети с последующим переходом импульсных помех в сеть низкого напряжения;

несимметричные режимы работы сетей с заземленной нейтралью (110 кВ) вследствие появления значительных токов нулевой последовательности, индуктивной связи между проводами ЛЭП и линиями НН, а также гальванической связью через землю;



Рисунок 10 - Причины возникновения коммутационных импульсных перенапряжений в цепях питания электрооборудования

однофазные замыкания на землю в СЭС 6-10 кВ;

коммутационные операции в СЭС 6-10 кВ;

короткое замыкание непосредственно на силовом трансформаторе с возможным гальваническим влиянием на низковольтные электроустановки;

различные процессы в СЭС 0,4 кВ;

коммутационные операции силового оборудования низкого напряжения потребителей, питающихся от одной трансформаторной подстанции;

отключение токов короткого замыкания вблизи точки подключения электрооборудования.

Значения коммутационных импульсных перенапряжений в низковольтной электрической сети существенно меньше значения грозовых импульсных перенапряжений и, как правило, не превышают 2?3 кВ .









2.3. Выводы по главе

Перенапряжения возникают под воздействием внешних и внутренних помех. К внешним источникам помех в первую очередь относят атмосферные перенапряжениями, а именно ПУМ в ЛЭП, в здания и сооружения, удары молнии вблизи ЛЭП, ПУМ в систему заземления электроустановок и в коммуникации. Ко внутренним источникам помех относятся коммутации на различных уровнях СЭС – коммутации ненагруженных ЛЭП, конденсаторных батарей, малонагруженных трансформаторов, подключение и отключение большой нагрузки.




3.ВЛИЯНИЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ НА РАБОТУ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЕМ 0,4 - 110 кВ

3.1. Влияние атмосферных перенапряжений на работу однофазного трансформатора

Волны грозового (и коммутационного) характера, набегающие по линии электропередачи на подстанцию, приводят к возникновению импульсных напряжений, воздействующих на обмотку трансформатора (двигателя, генератора и др.). Характер пробоев изоляции обмоток указывает на важную роль волновых процессов. 

В трансформаторе под действием импульса напряжения возникает сложный электромагнитный процесс, приводящий к перенапряжениям между катушками (витками) — продольная изоляция, и между обмотками и заземленными частями — главная изоляция. 

Суммарная длина проводов в обмотках трансформаторов высокого напряжения достигает нескольких километров (длинная линия). При воздействии импульсного напряжения в обмотке возникают волновые процессы. Схема замещения трансформатора представлена на рисунке 11.



Рисунок 11 - Конструктивная схема однофазной катушечной обмотки (а) и  электрическая  схема  замещения (б) высоковольтного трансформатора: 

Zн — сопротивление нейтрали трансформатора

Из-за того, что провод обмотки навивается вокруг магнитопровода, появляются два дополнительных параметра схемы замещения: емкость между соседними витками или катушками К (продольная емкость) и взаимная индуктивность М(х) каждого витка со всеми остальными витками обмотки. Величины L, C, K – средние значения индуктивности, емкости относительно заземленных элементов и соседних обмоток и продольной емкости на единицу длины обмотки. 

В связи с этим ограничимся качественным рассмотрением процессов в трансформаторах. Электромагнитный переходный процесс в трансформаторе зависит от ряда факторов: 

— схемы соединения обмоток;

— режима нейтрали (заземлена или изолирована); 

— конструкции обмоток; 

— падения волны по одной, двум, трем фазам ЛЭП. 

Вначале рассмотрим основные закономерности переходного процесса для однофазного трансформатора с катушечной обмоткой [2]. На обмотку ВН воздействует прямоугольная бесконечно длинная волна напряжения. Весь процесс воздействия волны можно представить состоящим из трех стадий: 

а) начальный процесс (действует фронт волны) t = 0, 

б) установившийся  режим  (переходные  процессы  закончились) t = ?, 

в) переходный процесс (свободные колебания) 0< t