Файл: Церазов, А. Л. Электрическая часть тепловых электростанций учебник.pdf

часть ^ (например, провод линии) от заземлителя, а при воздействии волны перенапряжения он пробивается и провод через искру соединяется с землей, т. е. потенциал провода становится близким к нулю и волна перенапря­ жения срезается. Расстояние А между электродами вы-

искрового промежутка; Ои п — импульсная прочность искрового

промежутка; б — принцип построения вольт-секуидной характе­ ристики разрядника (/) и вольт-секундная характеристика за­ щищаемой изоляции (//),

281

бирают таким, чтобы опасные перенапряжения «среза­ лись» искровым промежутком и не распространялись по проводу к защищаемой изоляции. Однако при работе искрового промежутка кроме импульсного тока под дей­ ствием напряжения источника протекает сопровождаю­ щий ток промышленной частоты, последнее приводит

к отключению линии.

Электрическая прочность искрового промежутка за­ висит не только от формы его электродов, определяющих распределение электрического поля между последними, материала электродов, состояния их поверхности и дру­ гих условий, но и от формы волны воздействующего напряжения. Для получения сравнимых характери­ стик электрической прочности искрового промежутка и изоляции электрооборудования форма кривой импульс­ ного напряжения, при которой определяют эти характе­ ристики, строго стандартизирована на основе обобщения статистических данных о форме воздействующих в реаль­ ных условиях импульсных перенапряжений. Параметры стандартной волны определяются длинами фронта вол­ ны, равной 1,5 мкс, и хвостовой части от бм до 0,5 UMj равной 40 мкс.

Разряд в искровом промежутке возможен только при напряжении, превышающем ^Ст (минимальное статиче­ ское постоянное напряжение или промышленной частоты, при котором возможен пробой промежутка).

Начало развития разряда связано с появлением «за­ пального электрона», обладающего достаточной энергией для создания лавинообразной ионизации промежутка, далее следует образование искры, т. е. хорошо проводя­ щего канала между электродами промежутка, по которо­ му стекает часть зарядов волны в виде импульсного тока.

Общее время разряда от начала воздействия волны напряжения до пробоя промежутка (/р на рис. 11-4,6) зависит главным образом от времени запаздывания t3аш которое в свою очередь зависит от амплитуды импуль­ сной волны напряжения. Чем больше амплитуда напря­ жения импульсной волны, тем круче ее фронт (при стан­ дартной волне) и тем быстрее растет напряженность электрического поля между электродами. Вследствие это­ го вероятность появления запального электрода увеличи­ вается, а время формирования разряда и общее время разряда уменьшается. Таким образом, общее время раз­

282

ряда является функцией амплитуды -приложенного им­ пульсного напряжения при прочих равных условиях.

Если полное время разряда tv меньше длины фронта волны /ф напряжения U(t), то искровой промежуток про­ бивается ранее появления на нем амплитуды волны, т. е. искровой промежуток срезает волну, а распространяю­ щаяся далее по проводу волна становится уже не опас­ ной для изоляции (рис. 11-4,а).

Импульсная прочность воздушного искрового проме­ жутка (как и любой другой изоляции) характеризуется в о л ь т - с е к у н д н о й х а р а к т е р и с т и к о й , -представ­ ляющей зависимость времени разряда tp от амплитуды приложенного импульсного напряжения.

На рис. 11-4,6 показан принцип построения вольт-се- кундной характеристики разрядника при его испытании серией стандартных волн различной амплитуды. Для изо­ ляции вольт-секундная характеристика строится анало­ гично.

В практических расчетах кроме вольт-секундной ха­ рактеристики используют 50%-ное разрядное напряже­ ние, равное амплитуде импульсного напряжения, при ко­ тором разряд наступает в 50% из -всех случаев приложе­ ния импульсного напряжения к изоляции. Амплитуду 50%-ного разрядного напряжения можно определить и по полной вольт-секундной характеристике, если взять по ней минимальное значение.

Защитное действие разрядника гарантировано только в том случае, если его вольт-секундная характеристика не пересекается с вольт-секундной характеристикой за­ щищаемой изоляции и расположена ниже ее.

Трубчатые разрядники в отличие от искрового про­ межутка имеют устройство для гашения дуги сопровож­ дающего тока. Это устройство состоит из трубки, выпол­ ненной из газогенерирующего материала (фибра или винипласт), и дополнительного дугогасящего искрового промежутка а2 (рис. 11-5,а), включенного последователь­ но с внешним искровым промежутком яу

Способность трубчатого разрядника гасить дугу со­ провождающего тока весьма ограничена. Если величина сопровождающего тока больше предельного тока, отклю­ чаемого разрядником, то дуга в промежутке а2 не может быть погашена, и срабатывание трубчатого разрядника приводит к отключению цепи, как и при срабатывании искрового промежутка.

283

Вентильные разрядники состоят из двух основных элементов: последовательных искровых промежутков и рабочего сопротивления (рис. 11-5,6). Искровые лроме-

6)

Рис. 11-5. Разрядники с гашением дуги сопровождающего тока.

а — трубчатый разрядник. Схема устройства и схема включения: / — газогене­

жутков (по четыре последовательно включенных элемента в каждом), 2-—ви- литовые диски, 3 — фарфоровый чехол, 4 — сопротивления, шунтирующие искровые промежутки, 5 — фланец, * — пружина*

284

жутки выполняют ту же роль, как и в устройствах, рас­ смотренных выше, а рабочее сопротивление служит для ограничения величины тока с целью успешного гашения

включенном вентильном разряднике, т. е. при 1=0; 2 — при включении разряд­ ника на некотором расстоянии I от защищаемой изоляции; и я п — импульсное

пробивное напряжение искрового промежутка разрядника; U0CT — остающееся

напряжение на разряднике; б — поясняющая схема расположения защищае­ мой изоляции и вентильного разрядника.

дуги сопровождающего тока в искровых промежутках после срабатывания разрядника. При работе разрядника импульсный ток может создавать на рабочем сопротивле­ нии значительное импульсное напряжение, называемое о с т а ю щ и м с я н а п р я ж е н и е м U0CT (рис. 11-6,а).

Величина рабочего сопротивления разрядника должна удовлетворять противоречивым требованиям: для огра­ ничения сопровождающего тока сопротивление должно быть велико, а для снижения остающегося напряжения при воздействии импульсных напряжений — мало. Этим требованиям (вентильности) удовлетворяет материал на основе карборунда — вилит, сопротивление которого уменьшается с увеличением приложенного напряжения.

При слишком больших импульсных или длительных периодических токах вентильные свойства вилита утра­ чиваются, поэтому пропускную способность вилитовых разрядников нормируют по допустимому импульсному

ТОКу (/доп .м акс= = 5 -5- 10 кА) .

285

Току /доп.м акс соответствует величина остающегося на­ пряжения на разряднике U0cт, которая является важней­ шей характеристикой, определяющей уровни изоляции электрооборудования.

11-5. ЗАЩИТА ИЗОЛЯЦИИ ОТКРЫТЫХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

Электрооборудование ОРУ защищают от .прямых пора­ жений молнией молниеотводами, а от волн атмосферных перенапряжений, набегающих с линии, и от внутренних перенапряжений при помощи разрядников, устанавливая для каждого номинального напряжения соответствую­ щие у р о в н и и з о л я ц и и .

Характеристиками, определяющими уровень изоляции с точки зрения перенапряжений, являются испытатель­ ные напряжения. Для характеристики изоляции при воз­ действии волн атмосферных перенапряжений и кратко­ временных внутренних перенапряжений принято импуль­ сное испытательное напряжение пли и м п у л ь с н ы й у р о в е н ь и з о л я ц и и , а для оценки прочности изоля­ ции при длительных внутренних перенапряжениях — и с п ы т а т е л ь н о е н а п р я ж е н и е п р о м ы ш л е н н о й

ч а с т о т ы .

Остающееся напряжение на вентильном разряднике при допустимом импульсном токе является основной ве­ личиной, в соответствии с которой устанавливают им­ пульсный уровень изоляции данного номинального на­ пряжения. Согласование характеристик защищаемой изоляции с характеристиками вентильных разрядников (Ност), предусматривающее достаточный интервал между ними, называют координацией изоляции.

Если защищаемая изоляция (трансформатор) нахо­ дится от разрядника на некотором расстоянии I, то ин­ дуктивность шин на участке между разрядником и за­ щищаемой изоляцией вместе с емкостью шин и объекта защиты образуют колебательный контур LC, в котором под действием остающегося напряжения возбуждаются колебания, увеличивающие величину перенапряжений на А'V (рис. 11-6).

Воздействующее на изоляцию напряжение при этом эквивалентно воздействию срезанной волны. Поэтому кроме импульсной прочности при полной волне изоляцию

286

характеризуют импульсной прочностью при срезанной волне.

Расчетные грозовые перенапряжения для оборудова­ ния напряжений 3—220 кВ определяют по формулам:

расчетная амплитуда полной волны

£Ai.b= 1,1 ^ост+15 кВ;

расчетная амплитуда срезанной волны

^ср.в= (1,2ч-1,25) С/П.в.

Импульсные испытательные напряжения, определяю­ щие уровень изоляции, несколько превышают указанные расчетные [Л. 38].

Испытательные напряжения промышленной частоты под дождем для установок 3—35 кВ превышают фаз­ ное с 4 Оф для 35 кВ и выше для более низких напря­ жений, так как импульсный уровень изоляции обеспечи­ вает достаточный запас для внутренних перенапряжений. Глухое заземление нейтралей в установках НО кВ и вы­ ше позволяет снизить испытательные напряжения под дождем до 3,5 и ф.

Схема защиты подстанций от волн, набегающих с ли­ нии. Защита подстанций от набегающих волн достигает­ ся установкой вентильных разрядников и осуществле­ нием защитных мероприятий на подходе линии к распре­ делительному устройству.

Защита самого вентильного разрядника от больших импульсных токов молнии осуществляется созданием пу­ тей отвода в землю значительной части тока молнии еще на подходе линии к подстанции, т. е. ограничением амплитуды набегающих волн напряжений.

На рис. 11-7 представлена простейшая схема защиты РУ 35—ПО кВ. Для предотвращения прямого удара мол­ нии в линию без троса линейные подходы на участке до 2 км защищают тросовыми молниеотводами. В начале защищенного подхода устанавливают трубчатый разряд­ ник РТ1 для ограничения амплитуды набегающих волн. На линиях с металлическими и железобетонными опо­ рами, имеющих, как правило, тросовую защиту по всей длине линии, разрядники РТ1не устанавливают.

На линиях электропередачи при грозовых поражени­ ях могут возникать волны перенапряжений с практически

287

отвесным фронтом, которые весьма опасны для изоляции оборудования, содержащего обмотки. Наличие тросового подхода исключает возможность прямого поражения про­ вода молнией и появления волн перенапряжений с кру­ тым фронтом в непосредственной близости от подстан­ ций. Движение такой волны перенапряжения по прово­ дам линии вызывает интенсивное коронирование, что приводит к снижению крутизны ее фронта и затуханию.

РУ

Разрядник РТ2 предназначен для защиты линейных вводов и самого выключателя (при отключенном положе­ нии). Вольт-секундные характеристики разрядников РТ2 должны быть на 20—25% ниже характеристик защищае­ мой изоляции.

Вместе с тем разрядник РТ2 не должен работать при включенном выключателе, так как защита изоляции электрооборудования подстанции осуществляется вен­ тильным разрядником. Поэтому вольт-секундная харак­ теристика РТ2 должна быть выше вольт-секундной ха­ рактеристики вентильного разрядника.

Распределительные устройства 3—10 кВ защищают по более простым схемам. Подходы воздушных линий 3—10 кВ, как правило, молниеотводами не защищают. Амплитуды набегающих с линии волн ограничивают трубчатым разрядником, установленным на расстоянии около 200 м от подстанции. На шинах подстанции или непосредственно у трансформатора устанавливают вен­ тильный разрядник.

288

Глава д в е н а д ц а т а я

ЗАЗЕМЛЕНИЯ И ЗАЗЕМЛЯЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

12-1. ГРОЗОЗАЩИТНЫЕ, РАБОЧИЕ И ЗАЩИТНЫЕ

ЗАЗЕМЛЕНИЯ

Заземляющим устройством называют совокупность заземлителя—одного или нескольких проводников, зало­ женных в землю, и заземляющих проводников, при по­ мощи которых металлические части электроустановки соединяются с заземлителем.

Преднамеренное электрическое соединение какой-либо части установки с заземлителем называют заземлением.

Заземление применяют для осуществления защиты сооружений от прямых ударов молнии, для сохранения на защищаемом объекте (проводниках, металлических частях) достаточно низкого потенциала относительно земли при воздействии на объект напряжений, возникаю­ щих при грозовых разрядах или при нарушении фазной изоляции.

По назначению различают следующие виды заземле­ ний:

грозозащитное заземление — для защиты сооружений, электрооборудования от прямых ударов молнии (молние­ отводы) и для заземления объектов в схемах грозоза­ щиты (опоры, разрядники и др.);

рабочее заземление — для обеспечения нормальной работы электроустановки или ее элементов в выбранных режимах (заземление нейтралей силовых трансформато­ ров в сетях ПО кВ и выше, заземление нейтралей изме­ рительных трансформаторов напряжения в сетях до

35 «В и др.);

защитное заземление — для создания безопасных ус­ ловий обслуживания электроустановки (заземление не­ изолированных металлических частей машин и аппара­ тов, которые могут оказаться под напряжением при на­ рушениях изоляции или при коротких замыканиях (за­ земление станин, кожухов, металлоконструкций распре­ делительных устройств, вторичных обмоток измеритель­ ных трансформаторов и др.).

12-2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗАЗЕМЛИТЕЛЕЙ

Пусть вследствие повреждения проходного изолятора трансформатора на стороне ПО «В (сеть с глухим зазем­ лением нейтрали) произошло однофазное к. з. на землю через кожух трансформатора, заземляющий проводник и вертикальный стержневой заземлитель (рис. 12-1). Ток к. з. потечет с поврежденной фазы на кожух трансфор­ матора и через заземлитель в землю.

Рас. 12-1. Растекание тока в земле и распределение потенциала при вертикальном одиночном трубчатом заземлителе.

По мере удаления от заземлителя объем земли уве­ личивается, а плотность тока соответственно уменьшает­ ся. Вследствие неравномерности распределения тока в земле будет неравномерным и распределение потенциа­ ла на ее поверхности. Вблизи трубы потенциал имеет

290