Kaj so skupne vrste in značilnosti prenapetosti v distribucijskem omrežju

Distribucijske omrežja, ki so seznana s svojo široko razširjenostjo, velikim številom opreme in nizkim ravnivo izolacije, so podvržena tveganju za izolacijske nesreče zaradi previsoke napetosti. To ne le zmanjšuje stabilnost celotnega distribucijskega sistema in izolacijsko delovanje vodov, ampak ima tudi značilen negativen vpliv na varno delovanje električnega omrežja in zdravo ter trajnostno razvoj elektroenergetske industrije.

Iz perspektive vezija lahko, razen viru energije, električni sistem enakovredno predstavimo z različnimi kombinacijami treh tipičnih komponent: upora (R), induktance (L) in kapacitance (C). Med njimi sta induktanca (L) in kapacitanca (C) komponenti za shranjevanje energije, ki predstavljata osnovni pogoji za nastanek previsoke napetosti; upor (R) je komponenta, ki porablja energijo, in običajno utrjuje nastanek previsoke napetosti. V nekaterih primerih pa lahko tudi nespravna dodatna upor povzroči nastanek previsoke napetosti.

Pogosta vrsta in značilnosti previsoke napetosti v distribucijskih omrežjih

Pogoste vrste previsoke napetosti v distribucijskih omrežjih vključujejo prekomerno napetost zaradi intermitentnega luka pri zemljenju, linearno resonančno previsoko napetost in ferorezonančno previsoko napetost (vključno s prekomerno napetostjo zaradi odseka in prekomerno napetostjo zaradi nasititve PT).

Prekomerna napetost zaradi intermitentnega luka pri zemljenju

Prekomerna napetost zaradi intermitentnega luka pri zemljenju je vrsta prekomerne napetosti zaradi preklopa. Njena amplituda je povezana z dejavnikmi, kot so značilnosti električne opreme, struktura sistema, delovni parametri, operativni ali pomembni oblike, in ima očiten naključni karakter. Najpogostejša je v električnih omrežjih, kjer ni učinkovito zemljenega neutralnega točka.

Energija prekomerne napetosti zaradi preklopa pride iz samega električnega sistema, njena amplituda je približno sorazmerna z imenovano napetostjo sistema. Običajno se izraža z večkratnikom maksimalne delovne faze napetosti sistema. Ko operacije ali pomembne spremembe v stanju delovanja električnega omrežja povzročijo, bo energija magnetnega polja, shranjena v induktivnih komponentah, v določenem trenutku pretvorjena v električno polje energije kapacitivnih komponent, kar bo povzročilo oscilatorni prehodni proces, s tem pa nastane prehodna prekomerna napetost, ki je večkrat višja od napetosti zdrova, in se imenuje prekomerna napetost zaradi preklopa.

Intermitentni lukovi povzročajo ponavljajoče se spremembe v stanju delovanja električnega omrežja, kar vodi do elektromagnetskih oscilacij v induktivnih in kapacitivnih vezjah, nato pa se pojavijo prehodni procesi v nezamenjivi fazi, zamenjivi fazi in neutralni točki, kar povzroči prekomerno napetost. To je prekomerna napetost zaradi intermitentnega luka pri zemljenju (tudi znana kot prekomerna napetost zaradi lukovega zemljenja). Njegov mehanizem nastanka je tesno povezan s potovanjem in ponovnim zaganjanjem luka: vsakič, ko tok nepopustnosti naravno preide skozi nič, bo zemljeni luk imel kratko čas izginjanja; ko se obnovna napetost kanala luka veča od njegove dielektrične obnovne moči, se bo luk ponovno zagnal. Konkretno:

• Ko je tok zemljenja velik, je kanal luka močno joniziran, in luk gore stabilno;

• Ko je tok majhen, se hitro obnovi izolacijska moč kanala luka, luk težko ponovno zazene, in začasno izgibanje se lahko pretvori v trajno izgibanje;

• Ko je tok srednji, se oblikuje intermitentni luk pri zemljenju, ki je zaprt in odprt.

Težka prekomerna napetost zaradi luka pri zemljenju je posledica zveznega zbiranja energije v električnem omrežju. S stališča omejevanja prekomerne napetosti, če se presežna nabojnost, ki se akumulira v električnem omrežju med procesom zaziga in izgibanja luka, lahko izteče skozi upor v pol cikla frekvence moči po izgibanju luka, bo premaknjeni napetosti neutralne točke skoraj enaka nič, in ne bo povzročila visokih amplitud prekomerne napetosti.

Linearna resonančna prekomerna napetost

V električnem omrežju se prekomerna napetost, ki jo generira serija resonanc med induktivnimi komponentami brez železnega jedra (kot so induktivnost vodov, transformatorska propustna induktivnost itd.) ali induktivne komponente z železnim jedrom, katere navadne značilnosti so blizu linearnih (kot so dušilne bobnine itd.) in kapacitivne komponente v električnem omrežju (kot so kapacitance vod-do-tla itd.) pod vplivom asimetrične napetosti, imenuje linearna resonančna prekomerna napetost. Njena najpogostejša oblika je premikanje napetosti neutralne točke.

Glede na industrijski standard DL/T620-1997 "Zaščita proti prekomerni napetosti in usklajevanje izolacije AC-električnih naprav", v sistemu z dušilno bobnino zemljenja, v normalnih pogojih delovanja, dolgoročno premikanje napetosti neutralne točke ne sme presegati 15 % imenovane fazne napetosti sistema.

Ferorezonančna prekomerna napetost

V nihanju vezja električnega sistema se trajača visoka amplituda prekomerne napetosti, ki jo povzroči nasitev železnega jedra induktivnosti, imenuje ferorezonančna prekomerna napetost. V distribucijskih omrežjih pod 35kV obstajata dve tipični ferorezonančni prekomerni napetosti, namreč prekomerna napetost zaradi rezonance odseka in prekomerna napetost zaradi nasititve PT, skupaj imenovani nelinearne rezonančne prekomerne napetosti. Imata popolnoma drugačne značilnosti in lastnosti kot linearna resonančna prekomerna napetost in prekomerna napetost zaradi intermitentnega luka pri zemljenju. Pod različnimi kombinacijami parametrov se lahko pojavijo fundamentalna, ulomljena in visokofrekvenčna rezonančna prekomerna napetost.

• Prekomerna napetost zaradi rezonance odseka: Ko sistem deluje v ne-poln-faznem stanju zaradi prekinitve voda, ne-poln-faznega delovanja preklopnikov, hudega asinhronnega delovanja, pretopa ene ali dveh fáz visokonapetostnih prekiniteljev itd., se ferorezonančna prekomerna napetost, ki se pojavi, imenuje prekomerna napetost zaradi rezonance odseka. Ko se zgodi odsek, tri-fazni simetrični potencial običajno zagotavlja energijo tri-faznim asimetričnim bremenom, vezja so kompleksna in vsebujejo nelinearne komponente. Zato je potrebno uporabiti Theveninov izrek in metodo simetričnih komponent, da se tri-fazni vezji pretvorijo v enofazni ekvivalentni vez, razdeljeni v najpreprostejši LC serije vez, in nato analizirati pogoje rezonance in izvesti izračune in analize. Obstajajo tri oblike enofaznih prekidov voda: prekid brez zemljenja, prekid z zemljenjem na strani z zmogljivostjo in prekid z zemljenjem na strani bremena.

• Prekomerna napetost zaradi nasititve PT: V sistemu, kjer ni učinkovito zemljenega neutralnega točka, so običajno nameščeni Y0-povezani elektromagnetski napetostni transformatorji (PT) na busovih elektrarn in pretvorbnih postaj za nadzor stanja izolacije. V normalnem delovanju je vzbuževalna upornost elektromagnetskega napetostnega transformatorja zelo visoka, zato je zemljeni upornost omrežja kapacitivna, in tri faze so v bistvu uravnotežene. Vendar po nekaterih preklopnih operacijah ali izgubljanju zemljenih pomembnih sprememb se lahko oblikuje posebno tri-fazno ali enofazno rezonančno vezje s kapacitanco voda ali stranskimi kapacitancami druge opreme, in lahko vzbuja ferorezonančne prekomerne napetosti različnih harmonik, kar se imenuje prekomerna napetost zaradi nasititve PT. Med njimi je najbolj škodljiva ulomljena frekvenčna rezonančna prekomerna napetost. To bo povzročilo značilno povečanje vzbuževalnega toka dolgo časa, pretop prekinitelja transformatorja in celo hudo segrevanje, izdajanje olja ali celo eksplozijo transformatorja. Poleg tega ima nasititvena prekomerna napetost napetostnega transformatorja očitne nulte redne značilnosti.

Prekomerna napetost zaradi munj

Munjni razlag je v bistvu nesparkovski razlag fenomen v zelo neenakomernem električnem polju s super dolgimi zračnimi prelivniki. Njegov osnovni proces vključuje vodilni razlag, glavni razlag in poostanek razlaga. Vsak tok munj, ki ga tvori negativna polariteta munj, ima unipolarni impulzni val. Osnovni parametri, ki opisujejo impulzni val, so vrhovna vrednost, čas fronta vala in polčas vala.

Prekomerna napetost zaradi munj se razdeli na direktne prekomerne napetosti zaradi munj in inducirane prekomerne napetosti zaradi munj. Med njimi vključuje inducirane prekomerne napetosti zaradi munj statično indukcijo (glavno) in komponente elektromagnetske indukcije, z naslednjimi značilnostmi:

• Polariteta je nasprotna polariteti oblaka munj, torej nasprotna polariteti toka munj;

• Pojavi se istočasno v treh fazah z bistveno enakimi vrednostmi, in ne bo fazo-do-faznega potencialnega razlika ali fazo-do-faznega preleta;

• Če je amplituda velika, lahko povzroči zemljeni prelet;

• Valovna oblika je ravnejša in daljša kot valovna oblika direktne prekomerne napetosti zaradi munj;

• Če je nad vodom nameščena zemljeni zaščitni vod, se bo inducirana prekomerna napetost na vodu zmanjšala zaradi elektromagnetskega ščitnega učinka. Število bližje je vod, večji je koeficient združevanja, manjša pa je inducirana prekomerna napetost na vodu.

Običajno se za distribucijska omrežja pod 35kV ne postavljajo zemljeni zaščitni vodi skozi celotno linijo, ampak se le 1-2km zemljeni zaščitni vodi postavijo na vhodu in izhodu pretvorbnih postaj kot zaščita za vhodne dele.