Характеристика внутренних перенапряжений

Основной особенностью сетей 6-35 кВ является изолированный или резонансно заземленный режим работы нейтрали. Именно это обстоятельство вызывает появление значительных уровней перенапряжений в данных сетях. В большинстве случаев сети работают с изолированной нейтралью. Если величина емкостного тока сети превышает нормированные значения: 30 А для сетей 6 кВ, 20 А для сетей 10 кВ и 10 А сетей 35 кВ, нейтраль электрической сети заземляется через дугогасящий реактор. Сети с изолированной и резонансно заземленной нейтралью могут длительно работать с однофазным замыканием на землю (ОЗЗ). При ОЗЗ линейные напряжения в сети не искажаются, что позволяет не отключать поврежденный участок сети и тем самым не отключать потребителей электрической энергии. В месте замыкания горит дуга. В большинстве случаев она носит неустойчивый характер, что приводит к возникновению коммутационных перенапряжений.
В последнее время все большее распространение получает заземление нейтрали через резистор. Величина резистора подбирается таким образом, чтобы величина активного тока замыкания на землю была соизмерима с емкостной составляющей, обусловленной емкостью сети. Для сетей с небольшими емкостными токами величина резистора, как правило, более 100 Ом. Это заземление носит название высокоомного резистивного заземления. Наличие активного сопротивления в нейтрали сети приводит к стеканию избыточного заряда, накапливаемого на фазных емкостях сети в результате неустойчивого горения дуги. Смещение нейтрали сети в этом случае значительно меньше, а значит меньше и перенапряжения при ОЗЗ.
Внутренние перенапряжения сетей 6-35 кВ подразделяются на два вида:

квазистационарные перенапряжения, которые возникают при неблагоприятных сочетаниях реактивных элементов сети и ЭДС источников питания. Эти перенапряжения имеют длительный характер и существуют до тех пор, пока не исчезнет причина их возникновения;
коммутационные перенапряжения, которые возникают при различных коммутациях электрической цепи. В реальных условиях под ними понимают все плановые и аварийные коммутации.

Квазистационарные перенапряжения

Резонансное смещение нейтрали в сети с дугогасящим реактором

Нормальная работа сети с изолированной нейтралью характеризуется наличием на нейтрали некоторого напряжения, называемого напряжением несимметрии. Это напряжение возникает при наличии несимметрии в емкостях отдельных фаз сети или при различной величине проводимостей фаз, обусловленных, например, неодинаковой степенью загрязнения.
Например, в сети с изолированной нейтралью у нетранспонированной ВЛ 35 кВ на П-образных деревянных опорах с горизонтальным расположением проводов при междуфазном расстоянии 3 метра, емкости крайних фаз относительно земли на 10% больше емкости среднего провода. В этом случае может произойти смещение нейтрали примерно на 0.7 кВ.
Для сетей, заземленных через дугогасящую катушку, емкостной ток несимметрии протекает через индуктивность катушки. В этом случае может происходить резонансное смещение нейтрали, значительно превышающее обычное смещение.
Повышения напряжения в сетях 6-35 кВ при неполнофазных режимах работы сети
Резонансные повышения напряжения могут возникать не только при естественной несимметрии емкостей фаз, но и при значительной несимметрии емкостей, вызванной обрывом проводов и неполнофазными включениями линий. Предел повышения напряжения определяется насыщением магнитопровода дугогасящего реактора.
В сети без дугогасящего реактора нарушение симметрии сети, вызываемое обрывом проводов с заземлением и без заземления, неодновременным включением и отключением фаз возможны перенапряжения, обусловленные так называемым «опрокидыванием» фазы трансформатора. Перенапряжения на емкости линии при этом явлении могут достигать 4Uф. Явление опрокидывания возникает лишь на линиях определенной длины и слабо загруженных трансформаторах.

Коммутационные перенапряжения.

Перенапряжения при дуговых замыканиях на землю
Дуговые замыкания на землю являются самым распространенным видом повреждения в сетях 6-35 кВ. Нарушение изоляции в любой точке сети вызывает замыкание на землю. Характер замыкания может быть различен и зависит от условий в месте замыкания, величины емкостного тока и параметров сети. На практике замыкания делят на три вида: металлическое замыкание, через устойчивую дугу, через перемежающуюся дугу. В случае устойчивого горения дуги в месте замыкания, как и в случае металлического замыкания, кратность перенапряжений невелика (2.4Uф). Она обусловлена переходным процессом в момент замыкания.
Перемежающаяся дуга является своего рода коммутатором, замыкания и размыкания которого приводят к перенапряжениям. Сущность образования перенапряжений в сети с изолированной нейтралью заключается в том, что после погасания дуги на неповрежденных фазах остаются заряды, которые, распределяясь по всей сети, поднимают ее потенциал относительно земли. На этот повышенный потенциал накладывается рабочее напряжение. В результате на поврежденной фазе получается повышение напряжения, которое вызывает повторное зажигание дуги. Максимальная величина перенапряжений может доходить до 3.2Uф, однако это возникает редко, поскольку требует совпадения ряда условий (открытая дуга при сильном ветре, дуга в масле, дуга в узкой щели). Длительность предельных перенапряжений (как правило, не более 2-3 с) также ограничена, потому что после серии последовательных зажиганий дуга или окончательно обрывается, либо, прожигая изоляцию, переходит в устойчивую.
Максимальные кратности перенапряжений практически не зависят от номинального напряжения сети и величины емкостного тока. Вероятность появления заданной величины кратности перенапряжений представлена на рис.1.
Характерными особенностями перенапряжений при перемежающейся дуге являются их значительная длительность по сравнению с другими видами коммутационных перенапряжений, а также то, что они охватывают всю сеть данного напряжения.
В сетях с изолированной нейтралью данный вид перенапряжений не представляет опасности для оборудования с нормальной изоляцией. Для вращающихся машин уровень дуговых перенапряжений лежит выше профилактических эксплуатационных, но ниже заводских испытательных. Поэтому возможны повреждения машин при дуговых замыканиях.
Косинусные конденсаторы, соединенные, как правило, в треугольник или звезду с изолированной нейтральной точкой, увеличивают междуфазную емкость и тем самым снижают уровень перенапряжений.
Наличие в сети токоограничивающих реакторов (особенно сдвоенных) вызывает увеличение значений перенапряжений при дуговых замыканиях. Это обусловлено протеканием емкостных токов сети к месту замыкания через индуктивность реактора. Увеличение значений перенапряжений зависит от емкости сети и мощности токоограничивающих реакторов и в среднем на 20-30% больше, чем без реакторов.
Дуговые перенапряжения в сети с компенсацией токов замыкания на землю
Для снижения вероятности возникновения короткого замыкания в месте однофазного повреждения рекомендуется ограничивать уровень емкостных токов замыкания на землю путем установки в нейтрали трансформаторов специально настроенных индуктивностей (ДГР). Последние позволяют одновременно снизить уровень дуговых перенапряжений. Полная компенсация емкостных токов снижает уровень перенапряжений до значения 2.6Uф. В случае расстройки ДГР уровень перенапряжений повышается. Зависимость кратности перенапряжений для сетей 6-35 кВ от степени расстройки реакторов показана на рис.2.

Дуговые перенапряжения в сети с резистивным заземлением нейтрали
Заземление нейтрали через активное сопротивление разряжает емкость сети в промежутке между гашениями и зажиганиями перемежающейся дуги, способствует снижению величины дуговых перенапряжений. Предельное снижение перенапряжений практически наступает при равенстве активной и емкостной составляющей тока в месте замыкания. Правильный выбор высокоомного заземления нейтрали снижает перенапряжения до величины 2.4-2.6Uф. Зависимость дуговых перенапряжений от величины активного тока сети представлена на рис 3.
Перенапряжения при включении воздушных (ВЛ) и кабельных (КЛ) линий
При включении ВЛ и КЛ в нормальном симметричном режиме перенапряжения не превышают 2Uф. При наличии в сети ОЗЗ в процессе поиска «земли» перенапряжения увеличиваются и могут достигать (5-6)Uф, поскольку переходной процесс при включении накладывается на повышенный потенциал сети, обусловленный ОЗЗ. Процесс включения ВЛ или КЛ при ОЗЗ часто является причиной двойных замыканий на землю.
Отключение ненагруженных линий
В сетях с изолированной нейтралью при отключении ненагруженных линий вследствие того, что потенциал нейтрали не фиксирован, возрастает влияние одной фазы на другие и возникают большие перенапряжения. Это способствует более высокому значению восстанавливающегося напряжения в межконтактном промежутке коммутационного аппарата. В результате могут создаться условия для повторных пробоев промежутка (характерно для аппаратов с низкой скоростью движения контактов), что в свою очередь увеличивает перенапряжения.
Экспериментальные данные показывают, что при отключении ненагруженных линий масляными выключателями перенапряжения в 2% случаев достигают 4.5Uф. Перенапряжения, превышающие 3Uф составляют примерно 7%.
Отключение ненагруженных трансформаторов
При отключении ненагруженных трансформаторов с изолированной нейтралью возможность появления напряжения смещения нейтрали приводит к возрастанию перенапряжений. Были замерены перенапряжения до 5Uф. В 2% случаев перенапряжения превышают 5Uф. Перенапряжения могут быть оценены по кривой рис. 4, которая получена при отключении ненагруженных трансформаторов 6-110 кВ с изолированной нейтралью масляными и воздушными выключателями. Кратность перенапряжений на вторичной стороне отключаемого трансформатора имеет примерно ту же величину, что и на первичной.
Наибольшие перенапряжения возникают при отключении ненагруженного трансформатора сразу после его включения, когда ток намагничивания не достиг установившегося значения.
В некоторых случаях могут быть опасны перенапряжения, связанные с перегоранием токоограничивающих плавких вставок, если конструкция вставки недостаточно ограничивает перенапряжения.
Всплески перенапряжений при отключении малых индуктивных токов имеют длительность порядка сотен микросекунд и по своему характеру близки к грозовым и без труда снижаются ограничителями перенапряжений. На амплитуду перенапряжений оказывает влияние мощность отключаемого трансформатора и емкость элементов сети подключенных к зажимам трансформатора, (первая увеличивает перенапряжения, вторая снижает). Электрофизические свойства коммутационного аппарата практически не влияют на величину перенапряжений.

Отключение двойного замыкания на землю
При отключении короткого замыкания на землю в двух разных точках сети вследствие разновременной работы выключателей могут возникнуть перенапряжения. Они образуются на первой отключившейся фазе, когда в переходном процессе напряжение меняется от нуля (фаза заземлена) до мгновенного значения линейного напряжения. Максимальные перенапряжения составляют примерно 3.3Uф.
Отключение двухфазных коротких замыканий
В целом ряде схем 6-35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью при отключении двухфазных коротких замыканий возникают перенапряжения, связанные с тем, что в момент обрыва выключателем тока КЗ при его нулевом значении одновременно обрывается вблизи своего максимума ток намагничивания трансформатора либо ток дугогасящего реактора. Высвобождающаяся магнитная энергия заряжает емкости сети и вызывает перенапряжения.
Для создания перенапряжения необходимо, чтобы трансформатор был ненагруженным. Перенапряжения тем больше, чем меньше емкость, оставшаяся у трансформатора.
Включение электродвигателей через питающий кабель
При включении первой фазы двигателя напряжение на емкостях не включившихся фаз двигателя устанавливается через индуктивность двигателя в процессе свободных колебаний системы «кабель-двигатель», частота которых обычно находится в диапазоне 50-300 кГц, а амплитуда 1.8-2.0Uф. Включение второй и третьей фазы отличается от включения первой наличием начального потенциала на емкостях включаемых фаз. Включение второй фазы с запаздыванием на полпериода собственной частоты колебаний приводит к появлению перенапряжений на уровне 3.3Uф.
Если коммутации второй и третьей фаз выключателя происходят после затухания свободных колебаний системы «кабель-двигатель», то перенапряжения составляют 2.6-2.7Uф.
При включении очень мощных двигателей 1000 кВА и более кратности перенапряжений снижаются.
Существенное влияние на величину перенапряжений оказывают длина кабеля и емкость фазы двигателя. С ростом длины кабеля возрастает активное сопротивление и, как следствие, увеличивается демпфирование свободной составляющей переходного процесса. Это в свою очередь приводит к снижению перенапряжений. Максимальные перенапряжения имеют малую вероятность, поскольку требуют совпадения большого числа факторов. Реальный разброс во времени включения фаз приводит к малой вероятности максимальных перенапряжений. Следует отметить, что чем больше временной разброс во включении фаз, тем больше вероятность возникновения максимальных перенапряжений.
В процессе поиска «земли» в сети возможны частые включения и отключения электродвигателей в сеть с заземленной фазой. Если первой к двигателю через кабель подключается неповрежденная фаза сети, то максимальные перенапряжения на этой фазе могут достигать 3.4Uф. Если в сети существовала перемежающая дуга, перенапряжения могут составить (5-6)Uф. Включение второй фазы вызывает меньшие перенапряжения — до 2.7Uф.
Включение двигателя в процессе АВР или АПВ при несинхронном остаточном напряжении двигателя повышает возможные перенапряжения по сравнению с обычным включением до уровня 4.0-4.5Uф. Образование перенапряжений аналогично описанным выше. Разница заключается в начальных условиях. Величина перенапряжений существенно зависит от остаточного напряжения двигателя в момент коммутации. После отключения двигателя от сети напряжение на нем уменьшается постепенно, поскольку магнитный поток двигателя поддерживается за счет токов, индуцируемых в контурах ротора в момент включения. Поскольку двигатель продолжает вращаться за счет запасенной механической энергии, в его обмотках генерируется напряжение. Это напряжение уменьшается вследствие затухания индуктируемых токов и снижения скорости вращения электродвигателя. Процесс снижения напряжения зависит от параметров электродвигателей. Время, за которое напряжение снижается до 0.4 начального значения, колеблется от 0.5 до 2 с.
Величина паузы АПВ определяется свойствами коммутационного аппарата и устройствами релейной защиты. Для сетей 6-10 кВ это время не менее 0.5 с. Поэтому через 0.5 с на двигателе остается напряжение 0.4-0.7 начального значения и максимальное значение перенапряжений при АПВ не превосходит 4Uф.
Отключение двигателей
Перенапряжения при отключении высоковольтных асинхронных электродвигателей связаны с особенностями работы дугогасящих камер (срез тока и повторные пробои в межконтактном промежутке).
При отключении вращающегося двигателя после отделения его от сети главный магнитный поток, связывающий обмотки статора и ротора, в первый момент остается неизменным, так как поддерживается током в роторе. Этот ток затухает достаточно медленно. Поэтому некоторое время после отключения на зажимах двигателя поддерживается нормальное синусоидальное напряжение.
Время поддержания этого процесса зависит от момента инерции ротора. Энергия, запасенная в полях рассеивания статора, колебательным образом переходит в емкость фаз двигателя и присоединенного кабеля. Наложение этих двух процессов дает результирующее напряжение на зажимах двигателя.
Отключение вращающегося короткозамкнутого двигателя (холостого или с номинальной нагрузкой) дает обычно умеренные перенапряжения, так как магнитная энергия главного поля исчезает не сразу, а постепенно расходуясь на нагрев обмотки ротора. Перенапряжения возникают за счет относительно небольшой энергии полей рассеяния статора.
Отключение вращающегося двигателя с замкнутой накоротко цепью ротора соответствует обычному отключению двигателя с фазным ротором при нормальном режиме работы.
Если двигатель, имеющий фазный ротор, отключается из вращающегося состояния при введенном пусковом сопротивлении, то главный магнитный поток спадает быстро и индуктирует в статоре напряжение выше нормального. Величина напряжения может значительно превосходить Uф, по опытным данным 4-5Uф. Асинхронный двигатель с разомкнутой обмоткой опасно отключать выключателем любого типа.
Отключение вращающегося двигателя не дает перенапряжений выше двойного линейного. При нагруженном двигателе перенапряжения немного большие, чем при холостом ходе.
Наиболее опасно отключение неподвижного двигателя. В особо неблагоприятных условиях были отмечены перенапряжения до 6Uф и более.
Перенапряжения при отключении двигателей вакуумными выключателями
Источником опасных воздействий, сопровождающих процесс отключения, является срез тока вакуумной камере до его естественного перехода через нулевое значение. При этом магнитная энергия, запасенная в индуктивности нагрузки, колебательным образом переходит в собственную емкость нагрузки и кабеля присоединения. Кратность возникающих перенапряжений зависит от соотношения индуктивности и емкости отключаемого присоединения. У двигателей 6-10 кВ индуктивность имеет относительно небольшое значение (менее 100 мГн), запасенная в ней энергия в момент среза тока невелика и выделение ее в емкость присоединения не приводит к опасным перенапряжениям. Амплитуда переходной составляющей напряжения определяется в основном разностью между напряжением на двигателе до отключения и величиной смещения нейтрали, вызванного отключением, и практически не зависит от тока среза.
После среза тока промышленной частоты напряжение в отключаемой фазе на стороне секции шин остается практически неизменным за счет большого числа присоединений и примерно равным амплитудному значению фазного рабочего напряжения. Напряжение на полюсе отключаемой фазы выключателя со стороны присоединения изменяется в соответствии с переходным процессом, вызванным перезарядом емкости присоединения и рассеянием индуктивной энергии двигателя. Разность потенциалов на контактах выключателя носит название переходного восстанавливающегося напряжения (ПВН). Если ПВН в некоторый момент времени превышает значение электрической прочности промежутка между расходящимися контактами выключателя, то происходит повторное зажигание (ПЗ) дуги. При этом в кабеле отключаемого присоединения возбуждается волна напряжения, перезаряжающая его до потенциала, под которым находится секция шин. Амплитуда этой волны определяется разностью между напряжением сети и напряжением на двигателе до ПЗ. Приходя на двигатель, эта волна испытывает отражение, близкое по характеру к отражению от холостого конца кабеля, что приводит к удвоению амплитуды волны на зажимах двигателя. Это объясняется тем, что постоянная времени контура «волновое сопротивление кабеля — индуктивность двигателя» составляет доли секунды и индуктивность практически не участвует в волновом процессе.
Наличие собственной емкости двигателя приводит к затягиванию фронта набегающей волны за счет перезарядки емкости через волновое сопротивление кабеля. Постоянная времени перезарядки для кабелей и двигателей не превышает 1 мкс.
Перепад напряжения на двигателе за столь короткое время, равный удвоенному значению волны напряжения, представляет опасность для продольной (межвитковой) изоляции двигателя и требует рассмотрения при выборе защитных устройств.
Частота высокочастотных колебаний, вызванных пробегами волн в кабеле после ПЗ, определяется длиной кабеля и при длинах, меньших 1 км, превышает 50 кГц. Отличительной особенностью вакуумного выключателя является его способность к отключению высокочастотного тока этих колебаний при переходе его через нулевое значение. После такого отключения возобновляется процесс восстановления напряжения на контактах выключателя, однако уже при иных начальных условиях. Напряжение на емкости двигателя и ток в его индуктивности в момент отключения больше, чем при первом отключении. Это приводит к тому, что максимум в кривой ПВН становится больше; возможно новое зажигание дуги. Возрастание максимума кривой ПВН объясняет тот факт, что уровень перенапряжений при ПЗ на присоединениях с двигательной нагрузкой значительно выше, чем при одиночном срезе тока промышленной частоты, и тем больше, чем больше число ПЗ. Так, например, для двигателя мощностью 630 кВт, при длине кабеля 80 м, кратное перенапряжений при одиночном срезе тока 5 по расчетам составляет 1.77, а при возникновении повторных зажиганий достигает 6-ти кратной величины.
Для сравнения уровней внутренних перенапряжений с уровнем изоляции электрооборудования все виды перенапряжений сведены в таблицу (снизу).
Сравнение допустимых уровней изоляции оборудования и кратностей внутренних перенапряжений показывает, что большинство перенапряжений не опасно для оборудования с нормально изоляцией. В связи с этим оборудование требует защиты только от грозовых перенапряжений. При этом важно, чтобы квазистационарные перенапряжения, имеющие длительный характер, не приводили к выходу из строя ограничителей перенапряжений. Для оборудования с облегченно изоляцией, вращающихся машин и состарившейся изоляцией в процессе эксплуатации представленные выше уровни перенапряжений превышают допустимый уровень воздействий. Следовательно, для повышения надежности эксплуатации данного вида оборудования электрических сетях необходима установка защитных средств (ОПН).

Характеристика внутренних перенапряжений(сети с изолированной и резонансно заземленной нейтралью)
№	Вид перенапряжений	Кратность перенапряжений*
1	Дуговые замыкания на землю (изолированная нейтраль)	3.0-3.5
2	Дуговые замыкания на землю (резонансно заземленная нейтраль)	2,6
3	Дуговые замыкания на землю (резисгивно заземленная нейтраль)	2.4-2.6
4	Поиск "земли" при ОЗЗ	4.0-6-0
5	Резонансные перенапряжения	до 4.0
6	Включение электродвигателей	2.6-3.3
7	Включение электродвигателей при наличии в сети 033	3,4
8	ДПВ и ДВР электродвигателей	4.0-4.5
9	Включение ВЛ и КЛ при наличии в сети 033	3.0-3.5
10	Отключение ненагруженных ВЛ и КЛ	3.0-4.5
11	Отключение ненагруженных трансформаторов	5.0-6.0
12	Отключение двойного замыкания на землю	3,3
13	Отключение вращающихся электродвигателей	4.0-5.0
14	Отключение заторможенных электродвигателей	5.0-6.0