Welche sind die gängigen Arten und Eigenschaften von Überspannungen im Verteilnetz

Verteilungsnetze, die sich durch ihre weite Verbreitung, die große Anzahl an Geräten und den niedrigen Isolationsgrad auszeichnen, sind anfällig für Isolationsunfälle, die durch Überspannungen verursacht werden. Dies reduziert nicht nur die Stabilität des gesamten Verteilungssystems und die Isolierleistung der Leitungen, sondern hat auch einen erheblichen negativen Einfluss auf den sicheren Betrieb des Stromnetzes und die gesunde und nachhaltige Entwicklung der Energieindustrie.

Aus Schaltkreissicht kann das Energiesystem abgesehen von der Stromquelle äquivalent durch verschiedene Kombinationen von drei typischen Komponenten dargestellt werden: Widerstand (R), Induktivität (L) und Kapazität (C). Davon sind Induktivität (L) und Kapazität (C) Energiespeicherkomponenten, die die grundlegenden Bedingungen für die Entstehung von Überspannungen bilden; Widerstand (R) ist eine energieverbrauchende Komponente, die in der Regel die Entwicklung von Überspannungen unterdrücken kann. In Einzelfällen kann jedoch auch die unangemessene Hinzufügung von Widerständen zu Überspannungen führen.

Gängige Arten und Eigenschaften von Überspannungen in Verteilungsnetzen

Gängige Arten von Überspannungen in Verteilungsnetzen umfassen hauptsächlich intermittierende Bogen-Erdschluss-Überspannungen, lineare Resonanz-Überspannungen und Ferroresonanz-Überspannungen (einschließlich Trennungsresonanz-Überspannungen und PT-Sättigungs-Überspannungen).

Intermittierende Bogen-Erdschluss-Überspannung

Die intermittierende Bogen-Erdschluss-Überspannung ist eine Art von Schalt-Überspannung. Ihre Amplitude hängt mit Faktoren wie den Eigenschaften der elektrischen Ausrüstung, der Systemstruktur, den Betriebsparametern, dem Betriebs- oder Fehlermodus zusammen und zeigt offensichtliche Zufälligkeit. Sie tritt am häufigsten in Netzen mit nicht wirksam geerdeter Neutralpunkten auf.

Die Energie der Schalt-Überspannung stammt aus dem Energiesystem selbst, und ihre Amplitude ist etwa proportional zur Nennspannung des Systems. Sie wird normalerweise durch das Vielfache der maximalen Betriebsphasenspannung des Systems ausgedrückt. Wenn Operationen oder Fehler zu Änderungen im Arbeitszustand des Stromnetzes führen, wird die magnetische Feldenergie, die in induktiven Komponenten gespeichert ist, zu einem bestimmten Zeitpunkt in die elektrische Feldenergie der kapazitiven Komponenten umgewandelt, was zu einem oszillierenden Transientvorgang führt und somit eine transiente Überspannung mehrere Male höher als die Versorgungsspannung erzeugt, die als Schalt-Überspannung bezeichnet wird.

Intermittierende Bögen führen zu wiederholten Änderungen des Arbeitsstatus des Stromnetzes, was elektromagnetische Oszillationen in den induktiven und kapazitiven Schaltkreisen verursacht, und es treten dann transiente Prozesse in der nicht defekten Phase, der defekten Phase und dem Neutralpunkt auf, was zu Überspannungen führt. Dies ist die intermittierende Bogen-Erdschluss-Überspannung (auch bekannt als Bogen-Erdschluss-Überspannung). Ihr Entstehungsmechanismus hängt eng mit dem Erlöschen und Wiederentzünden des Bogens zusammen: Jedes Mal, wenn der Erdschlussfehlerstrom natürliche Nullüberquerungen hat, hat der Erdungsbogen eine kurze Auslöschzeit; wenn die Wiederherstellungsspannung des Bogenkanals größer als seine dielektrische Wiederherstellungsstärke ist, entzündet sich der Bogen neu. Genauer gesagt:

• Wenn der Erdschlussstrom groß ist, ist der Bogenkanal stark ionisiert, und der Bogen brennt stabil;

• Wenn der Strom klein ist, erholt sich die Isolationsstärke des Bogenkanals schnell, der Bogen ist schwer zu entzünden, und das vorübergehende Erlöschen kann in ein dauerhaftes Erlöschen übergehen;

• Wenn der Strom mittelgroß ist, entsteht ein intermittierendes Bogen-Erdschluss-Phänomen, das an- und abschaltet.

Schwere Bogen-Erdschluss-Überspannungen werden durch die kontinuierliche Ansammlung von Energie im Netzwerk verursacht. Aus Sicht der Begrenzung von Überspannungen, wenn die während des Bogenentzündungs- bis -Erlöschenprozesses im Netzwerk akkumulierte überschüssige Ladung innerhalb eines halben Netzfrequenzzyklus nach dem Erlöschen des Bogens durch den Widerstand ableiten kann, wird die Verschiebungsspannung des Neutralpunkts fast null sein und keine hohe Überspannung verursachen.

Lineare Resonanz-Überspannung

Im Stromnetz wird die durch Serienresonanz zwischen induktiven Komponenten ohne Eisenkern (wie Leitungsenduktivität, Transformatorleckinduktivität usw.) oder induktiven Komponenten mit einem Eisenkern, dessen Anregungseigenschaften nahezu linear sind (wie Dämpfungsspulen usw.), und kapazitiven Komponenten im Stromnetz (wie Leitungserdungskapazität usw.) unter dem Einfluss von unsymmetrischer Spannung erzeugte Überspannung als lineare Resonanz-Überspannung bezeichnet. Ihre häufigste Form ist die Verschiebung der Neutralpunktspannung.

Gemäß der Branchen-Norm DL/T620-1997 „Überspannungsschutz und Isolierungskoordination von Wechselstrom-Geräten“ sollte in Dämpfungspulengeerdeten Systemen unter normalen Betriebsbedingungen die langfristige Verschiebung der Neutralpunktspannung nicht mehr als 15 % der Nennphasenspannung des Systems betragen.

Ferroresonanz-Überspannung

In den Schwingungsschaltkreisen des Stromnetzes wird die durch die Sättigung der Eisenkerninduktivität angeregte andauernde hohe Überspannung als Ferroresonanz-Überspannung bezeichnet. Es gibt zwei typische Ferroresonanz-Überspannungen in Verteilungsnetzen unter 35 kV, nämlich Überspannungen durch Trennungsresonanz und durch PT-Sättigung, die gemeinsam als nichtlineare Resonanz-Überspannungen bezeichnet werden. Sie haben völlig unterschiedliche Eigenschaften und Merkmale im Vergleich zu linearen Resonanz-Überspannungen und intermittierenden Bogen-Erdschluss-Überspannungen. Unter verschiedenen Parameterkombinationen können Grundfrequenz-, Teilfrequenz- und Hochfrequenzresonanz-Überspannungen auftreten.

• Trennungsresonanz-Überspannung: Wenn das System aufgrund von Drahtbrüchen, nicht vollständigen Schaltvorgängen von Schaltgeräten, schwerer asynchronen Operation, Durchbrennen einer oder zweier Phasen von Hochspannungs-Sicherungen usw. in nicht vollständiger Dreiphasenbetrieb ist, entsteht die Ferroresonanz-Überspannung als Trennungsresonanz-Überspannung. Bei einer Trennung versorgt die dreiphasig symmetrische Spannung normalerweise dreiphasige asymmetrische Lasten, und der Schaltkreis ist komplex und enthält nichtlineare Komponenten. Daher muss Thevenins Theorem und die Symmetriekomponentenmethode verwendet werden, um den dreiphasigen Schaltkreis in einen einphasigen äquivalenten Schaltkreis zu konvertieren, ihn in den einfachsten LC-Reihenschaltkreis zu sortieren und dann die Resonanzbedingungen zu analysieren und Berechnungen durchzuführen. Es gibt drei Formen von Einphasen-Drahttrennungsfehlern: Trennung ohne Erdung, Trennung mit Erdschluss auf der Stromseite und Trennung mit Erdschluss auf der Lastseite.

• PT-Sättigungs-Überspannung: In Systemen mit nicht wirksam geerdetem Neutralpunkt werden in der Regel Y0-geschaltete elektromagnetische Spannungswandler (PT) auf den Busleitungen von Kraftwerken und Umspannanlagen installiert, um die Isolierbedingungen zu überwachen. Während des normalen Betriebs ist der Anregungswiderstand des elektromagnetischen Spannungswandlers sehr hoch, so dass der Erdwiderstand des Netzes kapazitiv ist und die drei Phasen im Wesentlichen ausbalanciert sind. Nach manchen Schaltoperationen oder dem Verschwinden von Erdungsfehlern kann jedoch ein spezieller dreiphasiger oder einphasiger Resonanzschaltkreis mit der Leitungskapazität oder der Streukapazität anderer Geräte gebildet werden und ferroresonante Überspannungen verschiedener Harmonischer erregen, was als PT-Sättigungs-Überspannung bezeichnet wird. Dabei ist die Teilfrequenzresonanz-Überspannung am schädlichsten. Sie führt zu einer signifikanten Steigerung des Anregungsstroms über lange Zeit, zum Durchbrennen der Sicherung des Spannungswandlers und sogar zu ernsthafter Überhitzung, Ölausstoß oder sogar Explosion des Spannungswandlers. Darüber hinaus hat die Sättigungs-Überspannung des Spannungswandlers deutliche Nullfolgencharakteristiken.

Blitz-Überspannung

Blitzentladung ist im Grunde ein Nicht-Funken-Entladungsphänomen in einem extrem ungleichmäßigen elektrischen Feld mit einem extrem langen Luftspalt. Der grundlegende Prozess umfasst Leader-Entladung, Hauptentladung und Nachglühen. Jeder Blitzstrom, der durch negativ polarisierten Blitz gebildet wird, hat eine unipolare Pulsform. Die wichtigsten Parameter, die die Pulsform beschreiben, sind Spitzenwert, Wellenfrontzeit und Halbwertszeit.

Blitz-Überspannungen werden in direkte Blitz-Überspannungen und induzierte Blitz-Überspannungen unterteilt. Dabei umfasst die induzierte Blitz-Überspannung statische Induktion (hauptsächlich) und elektromagnetische Induktion mit den folgenden Eigenschaften:

• Die Polarität ist entgegengesetzt zur Polarität der Gewitterwolke, d.h. entgegengesetzt zur Polarität des Blitzstroms;

• Sie erscheint gleichzeitig in allen drei Phasen mit im Wesentlichen gleichen Werten, und es gibt keine Phasenpotentialdifferenz und keinen Phasenflieger;

• Wenn die Amplitude groß ist, kann sie zu Erdfliegern führen;

• Die Wellenform ist flacher und länger als die direkte Blitz-Überspannung;

• Wenn über dem Draht eine geerdete Blitzschutzleitung vorhanden ist, wird die induzierte Überspannung auf dem Draht aufgrund des elektromagnetischen Abschirmungseffekts reduziert. Je näher die Leitungen beieinander liegen, desto größer ist der Kopplungsfaktor und desto geringer ist die induzierte Überspannung auf dem Draht.

Normalerweise werden für Verteilungsnetze von 35 kV und darunter keine Blitzschutzleitungen entlang der gesamten Linie errichtet, und nur 1-2 km Blitzschutzleitungen werden an den Eingängen und Ausgängen von Umspannanlagen als Eingangsabschnittsschutz eingerichtet.