Jakie są typowe rodzaje i cechy nadciśnienia w sieci dystrybucyjnej

Sieci dystrybucyjne, charakteryzujące się szerokim zasięgiem, dużą liczbą urządzeń i niskim poziomem izolacji, są podatne na wypadki związane z przepięciami. To nie tylko obniża stabilność całego systemu dystrybucji oraz wydajność izolacyjną linii, ale również ma znaczny negatywny wpływ na bezpieczne działanie sieci energetycznej i zdrowe, zrównoważone rozwoju przemysłu energetycznego.

Z punktu widzenia obwodów, poza źródłem energii, system energetyczny można reprezentować równoważnie różnymi kombinacjami trzech typowych elementów: oporność (R), indukcyjność (L) i pojemność (C). Spośród nich, indukcyjność (L) i pojemność (C) to elementy magazynujące energię, które stanowią podstawowe warunki powstania przepięć; oporność (R) to element zużywający energię, który ogólnie może hamować rozwój przepięć. Jednak w niektórych przypadkach niewłaściwe dodanie oporu może również prowadzić do wystąpienia przepięć.

Typowe Rodzaje i Charakterystyka Przepięć w Sieciach Dystrybucyjnych

Typowe rodzaje przepięć w sieciach dystrybucyjnych obejmują przepięcia spowodowane przerywanym łukowaniem do ziemi, przepięcia rezonansowe liniowe i przepięcia ferrorezonansowe (w tym przepięcia rezonansowe odłączenia i przepięcia wynikające z nasycenia PT).

Przepięcia Spowodowane Przerywanym Łukowaniem do Ziemi

Przepięcia spowodowane przerywanym łukowaniem do ziemi to rodzaj przepięć przełączniczych. Ich amplituda zależy od czynników takich jak cechy sprzętu elektrycznego, struktura systemu, parametry pracy, formy obsługi lub awarii, i ma oczywistą losowość. Są najbardziej powszechne w sieciach energetycznych, gdzie punkt neutralny nie jest skutecznie uziemiony.

Energia przepięć przełączniczych pochodzi z samego systemu energetycznego, a jej amplituda jest proporcjonalna do napięcia znamionowego systemu. Zwykle jest wyrażana jako wielokrotność maksymalnej amplitudy fazowego napięcia roboczego systemu. Gdy operacje lub awarie powodują zmiany w stanie pracy sieci energetycznej, energia magnetyczna zgromadzona w elementach indukcyjnych zostanie przekształcona w energię pola elektrycznego elementów pojemnościowych w określonym momencie, co prowadzi do oscylacyjnego procesu przejściowego, tworząc tym samym przejściowe przepięcie kilkukrotnie wyższe niż napięcie zasilania, co nazywane jest przepięciem przełączniczym.

Przerywane łuki powodują powtarzające się zmiany stanu pracy sieci energetycznej, prowadząc do oscylacji elektromagnetycznych w obwodach indukcyjnych i pojemnościowych, a następnie do procesów przejściowych w fazie nieawaryjnej, fazie awaryjnej i punkcie neutralnym, powodując przepięcia. To są przepięcia spowodowane przerywanym łukowaniem do ziemi (zwane również przepięciami łukowymi). Mechanizm ich powstawania jest ściśle związany z zanikaniem i ponownym zapłonem łuku: za każdym razem, gdy prąd błędu uziemienia naturalnie przecina zero, łuk uziemienia będzie miał krótki czas zaniku; gdy napięcie odzyskujące łuku będzie większe niż jego siła dielektryczna odzysku, łuk zapali się ponownie. Dokładniej:

• Gdy prąd uziemienia jest duży, kanał łuku jest silnie jonizowany, a łuk płonie stabilnie;

• Gdy prąd jest mały, siła izolacyjna kanału łuku szybko się odzyskuje, łuk jest trudny do ponownego zapłonu, a tymczasowe zaniki mogą przekształcać się w zaniki stałe;

• Gdy prąd jest umiarkowany, powstaje zjawisko przerywanego łukowania do ziemi, które jest włączane i wyłączone.

Ciężkie przepięcia łukowe do ziemi są spowodowane ciągłym gromadzeniem energii w sieci energetycznej. Z perspektywy ograniczenia przepięć, jeśli nadmiarowy ładunek zgromadzony w sieci energetycznej podczas procesu zapłonu i zaniku łuku może uciec przez opór w ciągu pół cyklu częstotliwości sieciowej po zaniku łuku, napięcie przesunięcia punktu neutralnego będzie prawie zerowe, a nie spowoduje wysokiego amplitudowego przepięcia.

Przepięcia Rezonansowe Liniowe

W sieci energetycznej, przepięcia generowane przez szeregowe rezonanse między elementami indukcyjnymi bez rdzenia (np. indukcyjność linii, indukcyjność przestrzeni transformatora, itp.) lub elementami indukcyjnymi z rdzeniem, których charakterystyki pobudzenia są bliskie liniowym (np. cewki dekoncentracji, itp.) i elementami pojemnościowymi w sieci energetycznej (np. pojemność linii do ziemi, itp.) pod wpływem niesymetrycznego napięcia nazywane są przepięciami rezonansowymi liniowymi. Jego najbardziej typową formą jest przesunięcie napięcia punktu neutralnego.

Według branżowego standardu DL/T620-1997 "Ochrona przed przepięciami i koordynacja izolacji urządzeń elektrycznych zasilanych prądem przemiennym", w systemie uziemionym przez cewkę dekoncentracji, w normalnych warunkach pracy, długotrwałe przesunięcie napięcia punktu neutralnego nie powinno przekroczyć 15% nominalnego fazowego napięcia systemu.

Przepięcia Ferrorezonansowe

W obwodzie drgań systemu energetycznego, trwałe przepięcia o wysokiej amplitudzie, pobudzone nasyceniem indukcyjności z rdzeniem, nazywane są przepięciami ferrorezonansowymi. W sieciach dystrybucyjnych poniżej 35kV występują dwa typowe przepięcia ferrorezonansowe, a mianowicie przepięcia spowodowane rezonansem odłączenia i przepięcia spowodowane nasyceniem PT, collectively referred to as nonlinear resonance overvoltage. It has completely different characteristics and properties from linear resonance overvoltage and intermittent arc grounding overvoltage. Under different parameter combinations, fundamental frequency, fractional frequency, and high-frequency resonance overvoltage may occur.

• Przepięcia Rezonansowe Odłączenia: Gdy system działa w trybie niepełnofazowym z powodu zerwania przewodów, działania niepełnofazowego wyłączników, silnej asynchroniczności, topienia jednej lub dwóch faz wyższych zasobników, itp., przepięcia ferrorezonansowe generowane są przepięciami rezonansowymi odłączenia. Gdy następuje odłączenie, trójfazowe symetryczne napięcie zwykle zasila trójfazowe niesymetryczne obciążenia, a obwód jest złożony i zawiera elementy nieliniowe. Dlatego konieczne jest zastosowanie twierdzenia Thevenina i metody składowych symetrycznych, aby przekształcić obwód trójfazowy w równoważny obwód jednofazowy, posortować go do najprostszego obwodu szeregowego LC, a następnie analizować warunki rezonansu i przeprowadzać obliczenia i analizy. Istnieją trzy formy awarii z zerwaniem jednej fazy: odłączenie bez uziemienia, odłączenie z uziemieniem po stronie zasilania i odłączenie z uziemieniem po stronie obciążenia.

• Przepięcia Wynikające z Nasycenia PT: W systemie, gdzie punkt neutralny nie jest skutecznie uziemiony, zazwyczaj montowane są elektromagnetyczne transformatory napięcia (PT) połączone w układ Y0 na szynach elektrowni i podstacji, aby monitorować warunki izolacji. W normalnym działaniu, opór pobudzenia elektromagnetycznego transformatora napięcia jest bardzo wysoki, więc impedancja uziemienia sieci jest pojemnościowa, a trzy fazy są w zasadzie zrównoważone. Jednak po niektórych operacjach przełączania lub zniknięciu uziemień, powstanie specjalny obwód rezonansowy trójfazowy lub jednofazowy z pojemnością przewodów lub pojemnością rozproszeniową innych urządzeń, który może pobudzać przepięcia ferrorezonansowe różnych harmonicznych, nazywane przepięciami wynikającymi z nasycenia PT. Spośród nich, przepięcia rezonansowe ułamkowej częstotliwości są najbardziej szkodliwe. Powodują one znaczny wzrost prądu pobudzenia przez długi czas, spalają zasobniki transformatora, a nawet powodują poważne przegrzanie, wydzielanie oleju lub nawet eksplozję transformatora. Ponadto, przepięcia nasyceniowe transformatora napięcia mają wyraźne cechy zerosekwencyjne.

Przepięcia Wywołane Piorunami

Rozładowanie pioruna jest w istocie zjawiskiem rozładowania nieiszkrowego w ekstremalnie nierównomiernym polu elektrycznym z nadzwyczaj długą przestrzenią powietrzną. Jego podstawowy proces obejmuje rozładowanie prowadzące, główne rozładowanie i rozładowanie poślednie. Każdy prąd piorunowy utworzony przez piorun o ujemnej polarności ma unipolarny kształt impulsu. Podstawowe parametry opisujące kształt impulsu to wartość szczytowa, czas frontu i czas półszczytowy.

Przepięcia wywołane piorunami dzielą się na przepięcia bezpośrednie i przepięcia indukowane. Spośród nich, przepięcia indukowane obejmują indukcję elektrostatyczną (głównie) i komponenty indukcji elektromagnetycznej, o następujących cechach:

• Polarność jest przeciwna do chmury gradowej, tj. przeciwna do polarności prądu piorunowego;

• Pojawiają się jednocześnie w trzech fazach z właściwie równymi wartościami, a nie ma różnicy potencjałów między fazami ani błyskawic między fazami;

• Jeśli amplituda jest duża, może powodować błyskawice do ziemi;

• Kształt jest bardziej płaski i dłuższy niż kształt przepięć bezpośrednich;

• Jeśli nad przewodem znajduje się zabezpieczona linia piorunochronna, przepięcie indukowane na przewodzie zostanie zmniejszone dzięki efektowi ekranowania elektromagnetycznego. Im bliżej są linie, tym większy jest współczynnik sprzężenia, a tym mniejsze jest przepięcie indukowane na przewodzie.

Ogólnie, dla sieci dystrybucyjnych 35kV i poniżej, linie piorunochronne nie są montowane wzdłuż całej linii, a tylko 1-2km linii piorunochronnych są ustawione przy wejściach i wyjściach podstacji jako ochrona sekcji wejściowej.