Какие являются общими типами и характеристиками перенапряжения в распределительной сети

Распределительные сети, характеризующиеся широким распространением, большим количеством оборудования и низким уровнем изоляции, подвержены авариям из-за перенапряжения. Это не только снижает стабильность всей системы распределения и изоляционные характеристики линий, но и оказывает значительное негативное влияние на безопасную эксплуатацию электрической сети и здоровое устойчивое развитие энергетической отрасли.

С точки зрения цепи, за исключением источника питания, энергетическую систему можно эквивалентно представить различными комбинациями трех типичных компонентов: сопротивление (R), индуктивность (L) и емкость (C). Из них индуктивность (L) и емкость (C) являются компонентами хранения энергии, которые являются основными условиями для возникновения перенапряжения; сопротивление (R) является компонентом, потребляющим энергию, которое обычно может подавлять развитие перенапряжения. Однако в отдельных случаях неправильное добавление сопротивления также может привести к возникновению перенапряжения.

Общие Типы и Характеристики Перенапряжения в Распределительных Сетях

Общие типы перенапряжения в распределительных сетях в основном включают перенапряжение при прерывистом дуговом заземлении, перенапряжение при линейном резонансе и перенапряжение при феррорезонансе (включая перенапряжение при разрыве резонанса и перенапряжение при насыщении PT).

Перенапряжение при Прерывистом Дуговом Заземлении

Перенапряжение при прерывистом дуговом заземлении является видом переключательного перенапряжения. Его амплитуда зависит от таких факторов, как характеристики электрического оборудования, структура системы, параметры работы, формы операций или отказов, и имеет явную случайность. Оно наиболее часто встречается в электрических сетях с ненормированным заземлением нейтральной точки.

Энергия переключательного перенапряжения поступает из самой энергетической системы, и его амплитуда примерно пропорциональна номинальному напряжению системы. Обычно оно выражается в виде кратности максимальной амплитуды фазного напряжения системы. Когда операции или отказы вызывают изменения в рабочем состоянии энергосистемы, магнитная энергия, накопленная в индуктивных элементах, будет преобразована в электрическую энергию конденсаторных элементов в определенный момент, что приводит к колебательному переходному процессу, в результате чего возникает переходное перенапряжение, несколько раз превышающее напряжение питания, что называется переключательным перенапряжением.

Прерывистые дуги вызывают повторяющиеся изменения в рабочем состоянии энергосистемы, что приводит к электромагнитным колебаниям в индуктивных и конденсаторных цепях, а затем происходят переходные процессы в ненеисправной фазе, фазе с отказом и нейтральной точке, что приводит к перенапряжению. Это перенапряжение при прерывистом дуговом заземлении (также известное как перенапряжение при дуговом заземлении). Его механизм формирования тесно связан с гашением и воспламенением дуги: каждый раз, когда ток короткого замыкания естественным образом проходит через ноль, дуга будет иметь короткий период гашения; когда восстановленное напряжение канала дуги превышает его диэлектрическую прочность, дуга снова воспламенится. Конкретнее:

• Когда ток заземления велик, канал дуги сильно ионизирован, и дуга горит стабильно;

• Когда ток мал, диэлектрическая прочность канала дуги быстро восстанавливается, дуга трудно воспламеняется, и временно гаснет, что может превратиться в постоянное гашение;

• Когда ток средний, образуется прерывистое дуговое заземление, которое включается и выключается.

Серьезное перенапряжение при дуговом заземлении вызвано непрерывным накоплением энергии в энергосистеме. С точки зрения ограничения перенапряжения, если избыточный заряд, накопленный в энергосистеме во время процесса зажигания и гашения дуги, может утечь через сопротивление в течение половины периода частоты питания после гашения дуги, смещение напряжения нейтральной точки будет почти равно нулю, и высокое перенапряжение не возникнет.

Перенапряжение при Линейном Резонансе

В энергосистеме перенапряжение, возникающее вследствие последовательного резонанса между индуктивными компонентами без сердечника (например, индуктивностью линии, утечкой индуктивности трансформатора и т.д.) или индуктивными компонентами с сердечником, чьи характеристики возбуждения близки к линейным (например, дросселями, и т.д.) и конденсаторными компонентами в энергосистеме (например, емкостью между линией и землей, и т.д.) под воздействием несимметричного напряжения, называется перенапряжением при линейном резонансе. Самая распространенная форма этого перенапряжения - смещение напряжения нейтральной точки.

Согласно отраслевому стандарту DL/T620-1997 "Защита от перенапряжений и координация изоляции переменного тока", в системе с заземлением дросселем при нормальных условиях эксплуатации длительное смещение напряжения нейтральной точки не должно превышать 15% номинального фазного напряжения системы.

Перенапряжение при Феррорезонансе

В колебательной цепи энергосистемы, постоянное высокое перенапряжение, возбуждаемое насыщением индуктивности с сердечником, называется перенапряжением при феррорезонансе. В распределительных сетях ниже 35 кВ есть два типичных перенапряжения при феррорезонансе, а именно перенапряжение, вызванное резонансом при разрыве, и перенапряжение, вызванное насыщением PT, вместе называемые нелинейным резонансным перенапряжением. Оно имеет совершенно различные характеристики и свойства по сравнению с перенапряжением при линейном резонансе и перенапряжением при прерывистом дуговом заземлении. При различных комбинациях параметров могут возникнуть резонансные перенапряжения на частоте, дробной частоте и высокой частоте.

• Перенапряжение при Разрыве Резонанса: Когда система находится в неполном фазовом режиме из-за обрыва провода, неполного действия выключателей, серьезной асинхронной работы, плавления одного или двух фаз высоковольтных предохранителей и т.д., возникает перенапряжение при феррорезонансе, вызванное разрывом. При разрыве обычно трехфазное симметричное напряжение питает трехфазные несимметричные нагрузки, и цепь сложна и содержит нелинейные компоненты. Поэтому необходимо использовать теорему ТеVENINa и метод симметричных составляющих, чтобы преобразовать трехфазную цепь в однофазную эквивалентную цепь, упростить ее до простейшей LC-цепи, а затем анализировать условия резонанса и выполнять расчет и анализ. Существуют три формы отказа одной фазы: разрыв без заземления, разрыв с заземлением со стороны источника питания и разрыв с заземлением со стороны нагрузки.

• Перенапряжение при Насыщении PT: В системе с ненормированным заземлением нейтральной точки обычно устанавливаются электромагнитные напряжомеры (PT) с Y0-соединением на шинах электростанций и подстанций для мониторинга состояния изоляции. В нормальном режиме работы сопротивление возбуждения электромагнитного напряжомера очень велико, поэтому сопротивление заземления сети является емкостным, и три фазы в основном сбалансированы. Однако после некоторых переключательных операций или исчезновения отказов заземления, это образует специальную трехфазную или однофазную резонансную цепь с емкостью проводов или паразитной емкостью другого оборудования, и может возбудить феррорезонансные перенапряжения различных гармоник, что называется перенапряжением при насыщении PT. Среди них, дробно-частотное резонансное перенапряжение является наиболее вредным. Оно вызывает значительное увеличение возбуждающего тока на длительное время, сгорание предохранителя трансформатора, и даже серьезное перегревание, выброс масла или даже взрыв трансформатора. Кроме того, перенапряжение при насыщении напряжомера имеет явные нулевые последовательные характеристики.

Перенапряжение от Молнии

Разряд молнии представляет собой, по сути, неискровой разрядный процесс в крайне неравномерном электрическом поле с сверхдлинным воздушным промежутком. Его базовый процесс включает лидерный разряд, основной разряд и послесвечивающий разряд. Каждый ток молнии, образованный отрицательной полярностью молнии, имеет однополярную импульсную форму. Основные параметры, описывающие импульсную форму, - это пиковая величина, время фронта и время на половину пика.

Перенапряжение от молнии делится на прямое перенапряжение от молнии и индуцированное перенапряжение от молнии. Среди них, индуцированное перенапряжение от молнии включает электростатическую индукцию (преимущественно) и компоненты электромагнитной индукции, с следующими характеристиками:

• Полярность противоположна полярности грозового облака, то есть противоположна полярности тока молнии;

• Оно появляется одновременно в трех фазах с практически одинаковыми значениями, и не будет наблюдаться потенциальная разница между фазами и пробой между фазами;

• Если амплитуда велика, это может вызвать пробой на землю;

• Форма сигнала плосче и длиннее, чем у прямого перенапряжения от молнии;

• Если над проводом установлен защитный проводник, индуцированное перенапряжение на проводе уменьшится за счет электромагнитного экранирования. Чем меньше расстояние между проводами, тем больше коэффициент связи, и тем ниже индуцированное перенапряжение на проводе.

Обычно для распределительных сетей 35 кВ и ниже не устанавливаются защитные проводники по всей линии, и только на входе и выходе подстанций устанавливаются 1-2 км защитных проводников для защиты входного участка.