Тестирование х-к высокого напряжения и расчёт адекватных параметров изоляции. Продолжение. Часть 3
Вступительное слово – сразу после заголовка Части 1
Продолжая Часть 1 и Часть 2 настоящей статьи, мы расскажем о т.н. грозовых разрядах, коммутационных перенапряжениях и временных перенапряжениях в высоковольтных системах, подробно остановимся на их происхождении, характеристиках и стратегиях смягчения последствий.
Т.н. грозовые разряды остаются одним из наиболее значимых источников внешних перенапряжений в высоковольтных системах электроснабжения, особенно в воздушных линиях электропередачи. Эти перенапряжения, характеризующиеся чрезвычайно коротким фронтом и высокой пиковой амплитудой, могут привести к пробою изоляции, искрению и повреждению оборудования, если их не нейтрализовать все эти события должным образом.
Глубокое понимание поведения грозовых перенапряжений, включая режимы падения, взаимодействие с компонентами системы и статистические показатели эффективности, является основополагающим для эффективной координации изоляции и защиты системы.
Молниеносные импульсы: прямые удары против обратного перекрытия
Взаимодействие молнии с линиями электропередачи определяется двумя основными механизмами: прямыми ударами в фазные провода и индуцированными обратными перекрытиями от опорных конструкций.
• Прямые удары молнии происходят при непосредственном контакте лидера молнии с фазным проводом. Возникающий импульс распространяется по линии в обоих направлениях с амплитудой, которая может превышать 200 кВ/мкс по скорости нарастания и достигать пиковых значений в несколько сотен киловольт. Форма импульса приближается к импульсу длительностью 1,2/50 мкс, что соответствует стандартным испытаниям.
• Обратный разряд молнии, однако, часто является основной причиной отключений электроэнергии, вызванных молнией, в высоковольтных сетях. Он происходит, когда молния попадает в заземленную опору или грозовой трос, значительно повышая потенциал опоры из-за сопротивления фундамента опоры (Rt). Этот рост потенциала возникает на изоляторах опоры; если результирующее напряжение превышает их предел прочности, происходит разряд с опоры на фазный провод. Критическое напряжение (Vbf) обратного разряда определяется по формуле:
Vbf=Iltg⋅Rt + didt⋅Zt
Где:
• Iltg — ток молнии (кА)
• Rt — сопротивление фундамента опоры (Ом)
• dI/dt — скорость нарастания тока
• Zt — волновое сопротивление опоры (обычно 100–200 Ом)
Стандартными методами снижения риска обратного перекрытия являются снижение Rt и использование защитных проводов или противовесного заземления.
Рисунок 1. Прямой удар молнии и обратное перекрытие. (Кликните по изображению, чтобы увеличить) Изображения предоставлены PS CAD.
Сопротивление фундамента башни и волновое сопротивление
Сопротивление основания опоры (Rt) является критическим параметром для молниезащиты. Оно определяет повышение потенциала во время удара молнии и зависит от удельного сопротивления грунта, конструкции заземляющих электродов (например, стержней, колец, противовеса) и влажности. Стандарт IEEE 80 рекомендует поддерживать Rt ниже 10 Ом в зонах с высокой степенью воздействия молний, хотя в каменистой местности это часто затруднительно.
Волновое сопротивление передающих конструкций также влияет на распределение переходного напряжения. В то время как проводники обычно имеют волновое сопротивление 300–400 Ом, решетчатая опора может иметь Zt ≈ 100–150 Ом. Это рассогласование сопротивлений влияет на отражение и передачу импульсов в местах разрывов, влияя на распространение импульсов молнии по линии.
Метрики воздействия молнии
Эффективность грозозащитных свойств воздушных линий электропередачи оценивается двумя основными статистическими показателями:
1. Удары молнии в год – ожидаемое количество ударов молнии, падающих на заданный участок линии в год, обычно оценивается с помощью:
Улучшение характеристик при более высоких напряжениях достигается за счёт большего BIL, лучшей конструкции экранирования и меньшего сопротивления Rt. Однако для надёжной защиты от перенапряжения необходимы точное моделирование углов экранирования, токов удара молнии (часто моделируемых с помощью функции Гейдлера) и заземления опоры.
Коммутационные импульсы и временные перенапряжения (ВПН)
В то время как защита от переходных перенапряжений в распределительных и распределительных системах в первую очередь связана с грозовыми перенапряжениями, коммутационные перенапряжения становятся основной проблемой на уровнях сверхвысокого и сверхвысокого напряжения (≥300 кВ). В отличие от быстро нарастающих высокочастотных импульсов атмосферного происхождения, коммутационные перенапряжения, как правило, нарастают медленнее (10–2500 мкс), имеют большую длительность и более системный характер, поскольку возникают при внутренних операциях в цепях, таких как подача напряжения на линию, устранение короткого замыкания и сброс нагрузки.
Характеристики формы импульса, механизмы возникновения и потенциал превышения базового уровня изоляции (BIL) в определенных состояниях системы делают их ключевыми для исследований координации изоляции, особенно в системах напряжением выше 245 кВ.
Происхождение импульсных перенапряжений
Коммутационные перенапряжения возникают в результате различных нормальных и ненормальных операций в сети, каждая из которых создает особые профили перенапряжения:
• Включение длинных линий электропередачи: При включении ненагруженной линии сверхвысокого напряжения волны напряжения запускаются в сторону открытого конца и отражаются обратно. Несоответствие волнового сопротивления на открытом конце приводит к частичным или полным отражениям, что приводит к конструктивным помехам и переходным перенапряжениям. Они могут достигать 2,0–2,5 о.е. номинального напряжения, если не будут подавлены управляемой коммутацией или предвключенными резисторами.
• Повторное включение: После изоляции короткого замыкания повторное включение цепи без синхронизации может привести к возникновению перенапряжения из-за захваченных зарядов на емкости линии. Разница напряжений между захваченным зарядом и источником может привести к переходным перенапряжениям, особенно опасным для трансформаторов и оборудования КРУЭ.
• Отключение короткого замыкания и срез тока: В вакуумных и элегазовых выключателях быстрое отключение слабых индуктивных токов (например, тока намагничивания трансформатора) приводит к резким изменениям тока (di/dt) и колебаниям напряжения. Этот эффект известен как прерывание тока и часто моделируется с помощью цепей защиты от перенапряжения с эквивалентной емкостью и индуктивностью.
• Отключение нагрузки: Внезапное отключение большой индуктивной или емкостной нагрузки может привести к возникновению колебаний бегущей волны. В системах с малой нагрузкой отсутствие демпфирования может привести к увеличению продолжительности переходного процесса, создавая потенциал для возникновения временного перенапряжения (ВПН).
Временные перенапряжения (ВПН)
Перенапряжения, вызванные перенапряжением, отличаются от коммутационных перенапряжений тем, что они сохраняются в течение более длительного времени — обычно от миллисекунд до нескольких минут — и вызваны явлениями промышленной частоты, а не высокочастотными переходными процессами.
К ним относятся:
- Последовательный резонанс между индуктивностью линии и шунтирующей емкостью при разомкнутом конце может усилить напряжение на принимающем конце.
- Феррорезонанс, нелинейный резонанс между насыщаемыми индукторами (например, сердечниками трансформатора) и емкостью системы, особенно опасен в незаземленных системах или при однополюсном переключении. Возникающие в результате этого временные перенапряжения (TOV) могут быть устойчивыми и их трудно устранить без отключения питания.
• Переходные процессы восстановления после короткого замыкания: После устранения замыкания на землю, особенно в компенсированных или резонансно-заземленных системах, на автоматических выключателях и изоляции линии могут возникать переходные восстанавливающиеся напряжения (TRV). Их амплитуда и форма зависят от места повреждения, конфигурации сети и схемы заземления.
• Обрыв провода или смещение нейтрали: В несбалансированных системах, например, с изолированной нейтралью, замыкание фазы на землю может значительно повысить напряжение здоровой фазы выше номинального. Это критически важный сценарий для координации изоляции в распределительных и кабельных системах среднего напряжения.
Рисунок 2. Временное перенапряжение. Изображения предоставлены CIGRE UK.
Сравнение серьёзности воздействия и формы сигнала
Коммутационные перенапряжения обычно представляют собой импульсы длительностью 250/2500 мкс согласно IEC 60060-1 для систем постоянного тока высокого напряжения (HVDC) и переменного тока сверхвысокого напряжения (UHV AC). Их большая длительность, по сравнению с импульсами длительностью 1,2/50 мкс, характерными для грозовых разрядов, создает дополнительные сложности при проектировании изоляции. Такое оборудование, как КРУЭ, трансформаторы и вводы, более чувствительно к коммутационным перенапряжениям из-за особенностей диэлектрических характеристик.
В отличие от грозовых импульсов коммутационные перенапряжения, как правило, более повторяющиеся, происходят группами (например, множественные попытки переключения) и требуют наличия защитных устройств, способных справляться с энергией, например, разрядников.
• Управляемая коммутация (срабатывание автоматического выключателя с заданной выдержкой времени)
• Ограничители перенапряжения с регулируемой энергоёмкостью
• Предварительно включаемые резисторы или конденсаторы для подачи напряжения в линию
• Конденсаторы для защиты трансформатора от перенапряжения для сглаживания высокочастотных переходных процессов
Все исследования координации изоляции выше 245 кВ должны учитывать уровни выдерживаемых коммутационных перенапряжений (SIWL), часто проверяемые с использованием стандартных форм импульсов в соответствии с IEC 60071-1 и IEEE C62.82.1.
Ключевые выводы
Понимание грозовых перенапряжений, коммутационных перенапряжений и временных перенапряжений крайне важно для обеспечения надежности, безопасности и долговечности высоковольтных энергосистем. Эти явления напрямую влияют на конструкцию изоляции, выбор оборудования, методы заземления и координацию защитных устройств, что критически важно для минимизации отключений, предотвращения дорогостоящих отказов оборудования и поддержания стабильной работы системы.
Интеграция точного моделирования, соблюдения стандартов и эффективных стратегий смягчения последствий позволяет повысить устойчивость и производительность системы в реальных условиях эксплуатации.
ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ
