Які типи та характеристики перенапруг у розподільній мережі є найпоширенішими

Розподільні мережі, що характеризуються широкою розподіленністю, великою кількістю обладнання та низьким рівнем ізоляції, схильні до аварій ізоляції, спричинених перевищуванням напруги. Це не тільки зменшує стабільність всієї системи розподілу та високі експлуатаційні характеристики ліній, але й має значний негативний вплив на безпечну роботу електромережі та здоровий та сталений розвиток енергетичної галузі.

З точки зору схеми, окрім джерела живлення, енергосистему можна еквівалентно представити за допомогою різних комбінацій трьох типових компонентів: опору (R), індуктивності (L) та ємності (C). Серед них, індуктивність (L) та ємність (C) є компонентами зберігання енергії, які є основними умовами для формування перевищень напруги; опір (R) є компонентом, що споживає енергію, і загалом може пригнічувати розвиток перевищень напруги. Однак, у окремих випадках, неправильне додавання опору також може призвести до появи перевищень напруги.

Поширені види та характеристики перевищень напруги в розподільних мережах

Поширені види перевищень напруги в розподільних мережах включають перевищення напруги при перервному дуговому заземленні, перевищення напруги при лінійному резонансі та перевищення напруги при ферорезонансі (включаючи перевищення напруги при відключені резонансу та перевищення напруги при насиченні PT).

Перевищення напруги при перервному дуговому заземленні

Перевищення напруги при перервному дуговому заземленні є одним з видів перевищень напруги при переключеннях. Його амплітуда пов'язана з факторами, такими як характеристики електрообладнання, структура системи, експлуатаційні параметри, форми роботи або аварії, і має очевидну випадковість. Воно найчастіше зустрічається в електромережах з недієктивно заземленим нейтральним провідником.

Енергія перевищень напруги при переключеннях походить з самої енергосистеми, і її амплітуда приблизно пропорційна номінальному напругу системи. Зазвичай вона виражається кратно максимальній амплітуді фазного напруги системи. Коли операції або аварії викликають зміни в робочому стані електромережі, магнітна енергія, збережена в індуктивних компонентах, буде перетворюватися на електричну енергію ємних компонентів в певний момент, що призводить до коливального переходного процесу, в результаті чого виникає переходне перевищення напруги, що кілька разів перевищує напругу живлення, це називається перевищенням напруги при переключеннях.

Перервні дуги викликають повторювані зміни в робочому стані електромережі, що призводить до електромагнітних коливань в контурах індуктивності та ємності, а потім відбуваються переходні процеси в незавадних фазах, завадних фазах та нейтральному провіднику, що призводить до перевищень напруги. Це є перевищення напруги при перервному дуговому заземленні (також відоме як перевищення напруги при дуговому заземленні). Його механізм формування тісно пов'язаний з гасінням та переїмком дуги: кожного разу, коли струм аварійного заземлення натурально перетинає нуль, дуга матиме короткий час гасіння; коли відновлювальна напруга каналу дуги більша за її диелектричну відновлювальну міцність, дуга переїмає. Конкретно:

• Коли струм заземлення великий, канал дуги сильно іонізується, і дуга горить стабільно;

• Коли струм невеликий, диелектрична міцність каналу дуги швидко відновлюється, дуга важко переїмає, і тимчасове гасіння може перетворитися на постійне гасіння;

• Коли струм середній, утворюється перервне дугове заземлення, що перемикається.

Суттєве перевищення напруги при дуговому заземленні викликане постійним накопиченням енергії в електромережі. З точки зору обмеження перевищень напруги, якщо надлишкова зарядка, накопичена в електромережі під час процесу запалення до гасіння дуги, може втекти через опір протягом половини періоду частоти мережі після гасіння дуги, напруга зміщення нейтрального провідника буде практично дорівнювати нулю, і не буде викликано високі амплітуди перевищень напруги.

Перевищення напруги при лінійному резонансі

У електромережі перевищення напруги, що виникає в результаті рядового резонансу між індуктивними компонентами без феромагнітного сердечника (наприклад, індуктивність лінії, витокова індуктивність трансформатора тощо) або індуктивними компонентами з феромагнітним сердечником, чиї характеристики намагнічення близькі до лінійних (наприклад, дугогасні катушки тощо) та ємними компонентами електромережі (наприклад, ємність лінії до землі тощо) під дією несиметричної напруги, називається перевищенням напруги при лінійному резонансі. Його найпоширеніша форма - зміщення напруги нейтрального провідника.

Згідно з промисловим стандартом DL/T620-1997 "Захист від перевищень напруги та координація ізоляції пристроїв постійного струму", у системі з дугогасною катушкою, при нормальному режимі роботи, довготривала напруга зміщення нейтрального провідника не повинна перевищувати 15% номінального фазного напругу системи.

Перевищення напруги при ферорезонансі

В коливальному контурі електромережі, постійне високе перевищення напруги, спричинене насиченням феромагнітного сердечника індуктивності, називається перевищенням напруги при ферорезонансі. У розподільних мережах нижче 35 кВ існують два типові перевищення напруги при ферорезонансі, а саме перевищення напруги при відключені резонансу та перевищення напруги при насиченні PT, разом відомі як перевищення напруги при нелінійному резонансі. Вони мають абсолютно інші характеристики та властивості порівняно з перевищеннями напруги при лінійному резонансі та перевищеннями напруги при перервному дуговому заземленні. При різних комбінаціях параметрів можуть виникати резонансні перевищення напруги основної частоти, дробової частоти та високої частоти.

• Перевищення напруги при відключені резонансу: Коли система знаходиться в неповній фазі роботи через розрив проводів, неповну фазу роботи вимикачів, суттєву асинхронну роботу, плавлення одного або двох фаз високовольтних предохранителів тощо, виникає перевищення напруги при ферорезонансі, відоме як перевищення напруги при відключені резонансу. При відключенні трифазна симетрична потенція зазвичай живить трифазні несиметричні навантаження, і контур складний і містить нелінійні компоненти. Тому необхідно використовувати теорему Теодена та метод симетричних компонентів, щоб перетворити трифазний контур на однофазний еквівалентний контур, впорядкувати його в найпростіший LC-рядковий контур, а потім проаналізувати умови резонансу та виконати розрахунок та аналіз. Існує три форми аварії з розривом одного проводу: розрив без заземлення, розрив зі сторони живлення з заземленням, і розрив зі сторони навантаження з заземленням.

• Перевищення напруги при насиченні PT: У системі з недієктивно заземленим нейтральним провідником, на шинах електростанцій та підстанцій зазвичай встановлюються електромагнітні напружні трансформатори (PT) з Y0-підключенням для моніторингу умов ізоляції. Під час нормальної роботи, запалювальна імпеданс електромагнітного напружного трансформатора дуже висока, тому заземлювальна імпеданс мережі є ємною, і три фази є майже збалансованими. Однак, після деяких операцій переключення або зникнення аварій заземлення, буде сформовано спеціальний трифазний або однофазний резонансний контур з ємністю проводів або паразитною ємністю іншого обладнання, і може бути запалено ферорезонансні перевищення напруги різних гармонік, відомі як перевищення напруги при насиченні PT. Серед них, дробово-частотне резонансне перевищення напруги є найбільш шкідливим. Воно призведе до значного збільшення запалювального струму на довгий час, спалення предохранителя трансформатора, і навіть може призвести до серйозного перегріву, виділення масла або навіть вибуху трансформатора. Крім того, перевищення напруги при насиченні напружного трансформатора має очевидні нуль-послідовні характеристики.

Перевищення напруги від блискавок

Розряд блискавки є, по суті, явищем неіскрового розряду в екстремально нерівномірному електричному полі з надзвичайно довгою повітряною щілиною. Його базовий процес включає розряд провідника, основний розряд та розряд післясвітання. Кожен струм блискавки, утворений від негативної полярності, має уніполярну імпульсну форму. Основні параметри, що описують імпульсну форму, включають амплітуду, час переднього фронту та час півамплітуди.

Перевищення напруги від блискавок поділяється на пряме перевищення напруги від блискавок та індуковане перевищення напруги від блискавок. Серед них, індуковане перевищення напруги від блискавок включає електростатичну індукцію (переважно) та електромагнітну індукцію, з наступними характеристиками:

• Полярність протилежна до хмари грому, тобто протилежна полярності струму блискавки;

• Він з'являється одночасно в трьох фазах з приблизно рівними значеннями, і не буде фазових потенційних різниць та фазових пробоїв;

• Якщо амплітуда велика, може викликати пробій до землі;

• Форма сигналу плоска та довша, ніж у пряме перевищення напруги від блискавок;

• Якщо над проводами розташований заземлений захисний провід, індуковане перевищення напруги на проводах знизиться через електромагнітний екранувальний ефект. Чим ближче розташування проводів, тим більший коефіцієнт зв'язку, і тим нижче індуковане перевищення напруги на проводах.

Зазвичай, захисні проводи не прокладаються вздовж всієї лінії для розподільних мереж 35 кВ та нижче, і лише 1-2 км захисних проводів встановлюються на вході та виході підстанцій як захист вхідного відрізку.