История электротехники - Коллектив авторов

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.

5.4.2. РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ И АППАРАТУРЫ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

Габариты, стоимость и надежность высоковольтного электрооборудования в линиях электропередачи в значительной степени зависят от уровня изоляции, который устанавливается и контролируется испытательными напряжениями в соответствии с ГОСТ 1516.1–76. При выборе испытательных напряжений исходят из того, что высоковольтные аппараты, находясь неограниченно долго под наибольшим рабочим напряжением промышленной частоты, должны выдерживать ограниченные по времени воздействия повышенных напряжений промышленной частоты и воздействия импульсных перенапряжений (коммутационных длительностью порядка нескольких миллисекунд и грозовых длительностью порядка 10–100 мкс).

Ограничение уровня возможных грозовых и коммутационных перенапряжений возлагается на разрядники, являющиеся основополагающими аппаратами, определяющими уровень ограничения перенапряжений, а соответственно и выбор уровней изоляции электрооборудования, т.е. обеспечения координации изоляции.

Первоначально разрядником являлся искровой промежуток с пробивным напряжением ниже, чем уровень изоляции защищаемого оборудования. Его пробой требовал отключения короткого замыкания.

Для защиты от грозовых перенапряжений изоляции линейных подходов к подстанциям, участков пересечения линий различного номинального напряжения, а также для защиты электрооборудования маломощных подстанций напряжением 3–10 кВ применяются трубчатые разрядники, выполняемые на напряжения до 220 кВ. Пробой искровых промежутков трубчатого разрядника при грозовых перенапряжениях сопровождается прохождением тока промышленной частоты, который гасится автоматически самим аппаратом, и отключение линии не требуется [5.24; 5.25].