Geum.ru

1. Цели и задачи курса «Изоляция и перенапряжения в электрических системах»

Вид материалаДокументы

Содержание


Рис. 1. Структура курса «Изоляция и перенапряжения в электрических системах»
Таблица 1 - Номинальные и рабочие напряжения электрических сетей.
Таблица 2 - Кратности воздействующих перенапряжений в СЭС.
Подобный материал:
1. Цели и задачи курса «Изоляция и перенапряжения в электрических системах»


В развитии электроэнергетики России важное место занимает применение высоких напряжений для передачи электрической энергии на большие расстояния. Мощность отдельных тепловых электростанций достигла 3800 МВт, атомных – 3000 МВт и гидравлических – 6000 МВт.

При такой концентрации мощностей большое значение имеет надежность работы линий электропередачи и всего комплекса оборудования: генераторов, трансформаторов, коммутационной аппаратуры, компенсирующих устройств и др. В значительной мере решение этой задачи обеспечивается надежной работой электрических систем и оборудования при постоянно воздействующих на изоляцию рабочих напряжениях или кратковременно возникающих перенапряжениях.

Изоляция электрических установок должна быть вполне надежной при воздействии рабочего напряжения (переменного или постоянного) и должна противостоять всем видам перенапряжений. С другой стороны, возможно ограничение перенапряжений с целью снижения уровней изоляции. Обе указанные проблемы являются основными в технике высоких напряжений. Соответственно в курсе «Изоляция и перенапряжения в электрических системах» изучаются вопросы, относящиеся к конструированию, технологии изготовления, испытаниям и эксплуатации изоляции электрических установок и причинам возникновения перенапряжений в электрических сетях и методам их ограничения, т.е. координация изоляции.

Под уровнем изоляции понимают значения испытательных напряжений, которые эти элементы сетей выдерживают без повреждения. Испытательные напряжения, в свою очередь, выбирают исходя из тех воздействующих перенапряжений, которым подвергаются элементы сети в процессе эксплуатации.

Важным вопросом в курсе является изучение форм и величин перенапряжений и разработка способов их ограничения до уровней, при которых нарушения изоляционных элементов сетей становятся редким явлением, в той мере, в которой это диктуется технико-экономическими соображениями.

Структура курса со связями между разделами показана графически на рис. 1.


^

Рис. 1. Структура курса «Изоляция и перенапряжения

в электрических системах»




Изоляция электрических установок постоянно находится под воздействием рабочего напряжения. Среднее междуфазное напряжение установки называется номинальным напряжением. Шкала номинальных напряжений линий электропередачи и оборудования приведена в табл. 1. В эксплуатации напряжения отличаются от номинального вследствие падений напряжений на элементах установки, вызываемыми проходящими токами, и регулирования напряжения источников. Наибольшее рабочее напряжение в любой точке системы не должно превышать значений, указанных в табл. 1.

^

Таблица 1 - Номинальные и рабочие напряжения электрических сетей.





Uн, кВ
6
10
35
110
220
330
500
750

Uраб.макс, кВ
1,15 Uн
1,1 Uн
1,05 Uн

6,9
11,5
40,5
126
252
363
525
787

Uф. Uраб. макс/3
4
6,65
23,4
72,8
146
210
304
455

Кп= Uпер/Uф ком. перенапр.



4,5
3,5
3
3
2,7
2,5
2,1

Импульсные испытательные напряжения, кВ
70
90
225
550
1090
1300
1800
2000

Испытание напряжением промышленной частоты
25
35
85
200
325
400
680
900

Режим нейтрали
Изолированная или компенсированная
Эффективно-заземленная


Местные распределительные сети (воздушные и кабельные) рассчитаны на напряжение до 35 кВ. Средние напряжения 110…220 кВ используются в районных сетях, по которым передаются мощности на расстояния от нескольких десятков до 100…150 км. Диапазон напряжений 330 кВ и выше относится к сверхвысоким напряжениям (СВН) и электрическая энергия передается по ним на расстояния до 1000 км.

В табл. 1 указаны наибольшие рабочие напряжения, допустимые на оборудовании данного номинального напряжения. Ограничение накладывается изоляцией оборудования, а также насыщением магнитопроводов трансформаторов (силовых и измерительных). Допустимые рабочие напряжения на изоляции линий рассчитываются, исходя из условия загрязнения воздуха в районе прохождения линии. Допустимые рабочие напряжения на линиях ограничиваются также допустимыми потерями на корону и уровнем радиопомех при коронировании.

В нормальных рабочих режимах на изоляцию воздействует фазное напряжение. В табл. 1 приведены значения фазных напряжений Uф, соответствующих наибольшим рабочим напряжениям установки. В переходных режимах, возникающих при включениях и отключениях элементов сети, коротких замыканиях и в некоторых схемах, в основном при одностороннем включении линий, в установившихся режимах возникают так называемые внутренние перенапряжения. При грозовых разрядах в сетях возникают атмосферные перенапряжения. Термином «перенапряжения» обычно обозначают повышения напряжения, которые могут представлять опасность для изоляции. Так как возможность нарушения изоляции зависит от состояния самой изоляции, то нельзя указать определенной нижней границы, при которой повышение напряжения становится перенапряжением, и, следовательно, термин перенапряжение имеет качественный характер.

Величины перенапряжений характеризуются их кратностью по отношению к Uф:

k = Uпер/Uф.

Кратность внутренних перенапряжений является произведением двух коэффициентов:

Kп = kудkу,

где kуд – ударный коэффициент, представляет собой отношение максимального напряжения переходного процесса к установившемуся напряжению (вынужденной составляющей переходного процесса); kу – отношение установившегося напряжения к наибольшему рабочему фазному напряжению.

Чем выше номинальное напряжение сети, тем меньшее значение кратности k нормируется для изоляции. Это объясняется тем, что с ростом k растет и доля стоимости изоляции в общей стоимости оборудования и линий, и для их удешевления необходимо снижение уровня допустимых перенапряжений.

Для развития перенапряжений существенное значение имеет режим нейтрали системы. Системы могут иметь эффективно заземленную, изолированную или резонансно-заземленную нейтраль. В системах с эффективно - заземленной нейтралью (рис. 2 а) ток однофазного короткого замыкания практически полностью проходит через заземленные нейтрали трансформаторов, имеет индуктивный характер и сравним по величине с током трехфазного короткого замыкания.





Рис. 2. Прохождение тока однофазного замыкания в системах с эффективно - заземленной (а), изолированной (б), с резонансно-заземленной нейтралью (в)
и векторная диаграмма напряжений и токов (г)


В системах с изолированной нейтралью (рис. 2 б) ток однофазного замыкания на землю проходит через емкость фаз (в основном линий электропередачи) на землю, имеет емкостный характер и по величине – порядка десятков, максимум, сотен ампер. В системах с резонансно заземленной нейтралью емкостный ток однофазного замыкания на землю компенсируется дугогасящими катушками, настроенными в резонанс с емкостью сети, и через место замыкания проходит малый остаточный емкостный или индуктивный ток, рис. 2 в.

Каждый из видов заземления нейтрали (режима нейтрали) имеет свои преимущества и недостатки.

В системе с эффективно заземленной нейтралью однофазное короткое замыкание приводит к автоматическому отключению поврежденного участка сети. Напряжение на неповрежденных фазах кратковременно, до отключения поврежденного участка, повышается примерно до (1,2…1,4) Uф.

В большинстве случаев автоматическое повторное включение отключившегося элемента сети оказывается успешным и восстанавливается нормальная схема работы сети. Вследствие больших токов на землю усложняется выполнение заземлителей, но, с другой стороны, автоматическое отключение поврежденного участка снижает опасность поражения от напряжения прикосновения и шагового напряжения для обслуживающего персонала. Большие токи, проходящие по контуру «провод линии – земля», создают значительные помехи для линий связи, но эти помехи кратковременные. Вследствие кратковременного существования дуг однофазного короткого замыкания эти наиболее частые и легкие виды коротких замыканий не переходят в междуфазные, но, с другой стороны, при очень больших токах возможен пережог дугой проводов и тросов.

В системах с изолированной нейтралью однофазное замыкание на землю не приводит к автоматическому отключению поврежденного участка, но напряжение на здоровых (неповрежденных) фазах повышается до линейного. При дуговом замыкании на землю дуга не гаснет, если Ic>10…30 А. Релейная зашита от замыканий на землю, действующая на отключение или сигнал, существенно усложняется вследствие небольших токов. Требования к заземляющим устройствам облегчены, но практика показывает, что в сетях с изолированной и резонансно заземленной нейтралью велика опасность для населения при падении проводов на землю. При дуговых замыканиях на землю могут возникать длительные перенапряжения, связанные с неустойчивым горением дуги. Эти перенапряжения, охватывающие всю сеть, могут привести к однофазному замыканию на землю в другой точке сети. Возникающее двухфазное короткое замыкание на землю в разных точках сети приводит к отключению других участков и часто осложняется неселективной работой релейной защиты. Мешающие влияния на провода связи слабые, но длительные.

Компенсация емкостных токов в системах с резонансным заземлением нейтрали осуществляется посредством дугогасящих катушек, включаемых в нейтрали одного или нескольких трансформаторов. Компенсация служит для гашения дуги замыкания на землю. Тем самым компенсация предотвращает возникновение перенапряжений дугового замыкания на землю и снижает вероятность замыкания на землю в другой точке сети. Таким образом, компенсация нейтрали, сохраняя достоинства изолированной нейтрали, устраняет в то же время многие ее недостатки. Но и в сети с резонансным заземлением нейтрали устойчивое (металлическое) однофазное замыкание на землю приводит к повышению напряжения на неповрежденных фазах до линейного.

В России принято, что сети до 35 кВ включительно имеют изолированную или резонансно заземленную нейтраль, а сети 110 кВ и выше – эффективно заземленную нейтраль (см. табл. 1). Такая практика объясняется следующим: сети до 35 кВ имеют невысокую электрическую прочность изоляции, и в этих сетях замыкания на землю относительно часты; чтобы предотвратить частые автоматические отключения и повреждения от больших токов целесообразно разземлять нейтрали этих сетей. С другой стороны, возможны длительные повышения напряжения на оставшихся фазах до линейного, указанное повышение напряжения изоляции не приводят к существенному удорожанию сетей.

Примечание 1. Длительная работа сетей 6…35 кВ с изолированной нейтралью допускается при токах замыкания на землю (Ic ), не превышающих следующие значения:

Uн, кВ
6
10
35

Ic, А
30
20
10


При Ic, превышающих вышеприведенные значения, предусматривается установка ДГК.

В табл. 2 приведены значения коэффициента запаса (КЗ) уровня изоляции в зависимости от кратности воздействующих перенапряжений для различных классов напряжений электроустановок (ЭУ).

В сетях 110 кВ и выше стоимость изоляции резко возрастает с ростом номинального напряжения, и в этих сетях проблема изоляции диктует необходимость всемерно ограничивать возможные повышения напряжения, т. е. применять эффективно заземленную нейтраль. В некоторых европейских странах еще недавно повсеместно использовалось резонансное заземление нейтрали. Но с внедрением напряжений 220 кВ и выше выгоды заземленной нейтрали оказались столь явными, что область резонансно заземленной нейтрали была ограничена напряжением 110 кВ. В США сети всех напряжений, за редким исключением, имеют эффективно-заземленную нейтраль.
^

Таблица 2 - Кратности воздействующих перенапряжений в СЭС.


Uном, кВ
10
35
110
220
330
500
750

Кп
4,5
3,5
3
2,8
2,7
2,5
2,1

Кз
5,9
4,2
3,4
3,3
2,9
2,4
2,2


В сетях переменного тока с эффективно заземленной нейтралью сколь угодно длительно может воздействовать наибольшее рабочее фазное напряжение Uф (см. табл. 1). В переходных режимах возникают кратковременные (длительностью от десятых долей секунды до минут) повышения напряжения рабочей частоты. Обычно эти повышения напряжения не превышают (1,2…1,4)Uф, но в резонансных схемах возможны и существенно большие перенапряжения. В частности, возможны резонансные перенапряжения на высших и низших гармониках.

При коммутациях в сети – включении и отключении элементов сети (линий, трансформаторов, реакторов), коротких замыканиях – возникают так называемые коммутационные перенапряжения или коммутационные импульсы, которые могут иметь кратность по отношению к Uф до 2,5…3. Длительность коммутационных перенапряжений порядка долей миллисекунды до десятков миллисекунд (мс). Большие значения относятся к коммутациям длинных линий.

Грозовые разряды, непосредственно поражающие линии и вблизи них, ведут к возникновению волн (импульсов) грозовых перенапряжений. Амплитуды грозовых волн ограничены только уровнем изоляции линий, и, следовательно, грозовые перенапряжения опасны для сетей практически любого класса номинального напряжения, если только не приняты специальные меры грозозащиты. Длительность грозовых перенапряжений порядка десятков микросекунд (мкс).

В сетях переменного тока с незаземленной нейтралью (изолированной или резонансно заземленной) допускается длительное повышение напряжения на фазах до линейного напряжения Uф. Соответственно более высокими оказываются и кратности внутренних напряжений – резонансных и коммутационных. Повышаются также кратности грозовых перенапряжений, воздействующих на изоляцию подстанционного оборудования.

Таким образом, на изоляцию электроустановок действуют: рабочее напряжение, длительные повышения напряжения, импульсы внутренних и грозовых перенапряжений (рис.3).

Ликвидация замыканий на линиях электропередачи возможна только потому, что внешняя изоляция - воздушные промежутки, относятся к виду самовосстанавливающихся. После снятия напряжения или погасания дуги изоляция восстанавливает свои свойства, что является важной особенностью воздушной изоляции.

Атмосферный воздух используется также для изоляции аппаратов и трансформаторов: это воздушные промежутки между разными фазами, внешние поверхности твердой изоляции (вводов, опорных колонн), промежутки между контактами разъединителя и т. д.

Основной особенностью воздушной изоляции является зависимость ее электрической прочности от атмосферных условий: давления, температуры и влажности воздуха. На электрическую прочность изоляторов, установленных на открытом воздухе (изоляторов наружной установки), существенно влияют также загрязнения их поверхности и проводящими осадки.

Воздушные промежутки и изоляторы, электрические характеристики которых зависят от атмосферных условий, относят к внешней изоляции электроустановок, а внутренняя изоляция электрооборудования практически не подвержена влиянию атмосферных условий. Эта изоляция обмоток трансформаторов и электрических машин, изоляция кабелей, герметизированная изоляция вводов и силовых конденсаторов, изоляция между контактами выключателя в отключенном состоянии и т.д.

Внутренняя изоляция представляет собой обычно комбинацию твердого и жидкого диэлектриков (например, в трансформаторах) или твердого и газообразного диэлектриков (например, в кабелях). Применяется также изоляция и одного вида.

Особенностью внутренней изоляции является старение, т.е. ухудшение электрических характеристик изоляции в процессе эксплуатации. Очень трудно предотвратить возникновение в изоляции микроскопических разрядов. Например, вследствие изменения температурного режима, вызванного колебаниями тока нагрузки, в бумажно-масляной изоляции кабеля образуются газовые пузырьки, в которых возникают частичные разряды. На острых кромках электродов, на крепежных деталях аппаратуры возникает коронный разряд. Под действием этих микроскопических разрядов изоляция разрушается, химически разлагается, загрязняясь продуктами разложения.

Вследствие диэлектрических потерь изоляция нагревается. При затрудненном теплоотводе, что характерно для монолитной изоляции, такой, как твердая, чрезмерный нагрев может привести к тепловому пробою изоляции. Возможности теплоотвода или даже специального охлаждения приходится учитывать при проектировании внутренней изоляции.

Пробой твердой или комбинированной изоляции – явление необратимое. Жидкая и газовая изоляция самовосстанавливаются, однако, пробои приводят к ухудшению их характеристик.

Электрическая прочность как внутренней, так и внешней изоляции зависит от формы воздействующего напряжения. Не вдаваясь в детали, можно сказать, что пробивное напряжение изоляции тем выше, чем короче время воздействия напряжения. Такую же зависимость от времени имеют и сами воздействующие напряжения: чем меньше время воздействия, тем они больше.

На рис. 3 показана относительная величина действующих на изоляцию напряжений. Зависимость их от времени более крутая, чем у пробивных напряжений. Это означает, что если выбирать размеры изоляции таким образом, чтобы она выдерживала все возможные в эксплуатации кратковременные повышения напряжения (кривая 1), то по отношению к рабочему напряжению изоляция будет иметь неоправданно большой запас электрической прочности. Если же ориентироваться на целесообразный запас прочности при рабочем напряжении (кривая 2), то изоляция не будет выдерживать перенапряжений. Следовательно, для уменьшения габаритов изоляции, а значит, и стоимости электрооборудования, необходимо ограничивать перенапряжения.



Рис. 3. Электрическая прочность изоляции (1, 2) и воздействующее на нее напряжение: А – грозовые перенапряжения (мкс); Б – внутренние перенапряжения (мс); В – кратковременные повышения напряжения (с), связанные с работой РПН; Г – рабочее напряжение (ч)


Ограничение перенапряжений в электрических установках производится с помощью защитных аппаратов (разрядников, ограничителей перенапряжений). Повышение эффективности службы электрооборудования в значительной мере связано с прогрессом в развитии защитной аппаратуры и совершенствовании ее характеристик.

Взаимное согласование значений воздействующих напряжений, характеристик защитной аппаратуры и электрических характеристик изоляций (рис. 4), обеспечивающее надежную работу и высокую экономичность электрической установки, называется координацией изоляции и является одной из главных задач курса изоляции и перенапряжений в электрических системах.



Рис. 4. Принцип действия защитного устройства: а – схема включения защитного промежутка (ПЗ); б – согласование вольт-секундных характеристик защищаемой изоляции (1) и ПЗ (2)


В соответствии с материалом, изложенным в курсе изоляции и перенапряжений в электрических системах, рассматриваются: развитие разрядов в газах, физические процессы в ионизированных газах, разряды в воздухе вдоль поверхности твердого диэлектрика, коронный разряд в проводах воздушных линий, электрические характеристики внешней и внутренней изоляции электроустановок, частичные разряды во внутренней изоляции, старение изоляции, грозовые и внутренние перенапряжения в электрических системах и средства защита от них, координация и методы испытания изоляции, а также изоляционные конструкции различных видов электрооборудования высокого напряжения.