Тестування х-к високої напруги та розрахунок адекватних параметрів ізоляції. Продовження. Частина 3
Вступне слово – одразу після заголовка Частини 1
Продовжуючи Частину 1 та Частину 2 цієї статті, ми розповімо про т.зв. грозових розрядах, комутаційних перенапругах та тимчасових перенапругах у високовольтних системах, докладно зупинимося на їх походження, характеристиках та стратегіях пом'якшення наслідків.
Т.зв. грозові розряди залишаються одним із найбільш значущих джерел зовнішніх перенапруг у високовольтних системах електропостачання, особливо в повітряних лініях електропередачі. Ці перенапруги, що характеризуються надзвичайно коротким фронтом та високою піковою амплітудою, можуть призвести до пробою ізоляції, іскріння та пошкодження обладнання, якщо їх не нейтралізувати всі ці події належним чином.
Глибоке розуміння поведінки грозових перенапруг, включаючи режими падіння, взаємодію з компонентами системи та статистичні показники ефективності, є основоположним для ефективної координації ізоляції та захисту системи.
Блискавичні імпульси: прямі удари проти зворотного перекриття
Взаємодія блискавки з лініями електропередач визначається двома основними механізмами: прямими ударами у фазні проводи і індукованими зворотними перекриттями від опорних конструкцій.
• Прямі удари блискавки відбуваються за безпосереднього контакту лідера блискавки з фазним проводом. Виникає імпульс поширюється по лінії обох напрямах з амплітудою, яка може перевищувати 200 кВ/мкс за швидкістю наростання і досягати пікових значень кілька сотень кіловольт. Форма імпульсу наближається до імпульсу тривалістю 1,2/50 мкс, що відповідає стандартним випробуванням.
• Зворотний розряд блискавки, однак, часто є основною причиною відключення електроенергії, викликаних блискавкою, у високовольтних мережах. Він відбувається, коли блискавка потрапляє в заземлену опору або грозовий трос, значно підвищуючи потенціал опори через опор опори (Rt). Це зростання потенціалу виникає на ізоляторах опори; якщо результуюча напруга перевищує їх межу міцності, відбувається розряд із опори на фазний провід. Критична напруга (Vbf) зворотного розряду визначається за такою формулою:
Vbf=Iltg⋅Rt + didt⋅Zt
Де:
• Iltg - струм блискавки (ка)
• Rt – опір фундаменту опори (Ом)
• dI/dt – швидкість наростання струму
• Zt — хвильовий опір опори (зазвичай 100–200 Ом)
Стандартними методами зниження ризику зворотного перекриття є зниження Rt та використання захисних проводів або противагового заземлення.
Рисунок 1. Прямий удар блискавки та зворотне перекриття. (Натисніть на зображення, щоб збільшити) Зображення надані PS CAD.
Опір фундаменту вежі та хвильовий опір
Опір основи опори (Rt) є критичним параметром для захисту від блискавки. Воно визначає підвищення потенціалу під час удару блискавки та залежить від питомого опору ґрунту, конструкції заземлюючих електродів (наприклад, стрижнів, кілець, противаги) та вологості. Стандарт IEEE 80 рекомендує підтримувати Rt нижче 10 Ом в зонах з високим ступенем впливу блискавок, хоча в кам'янистій місцевості часто це важко.
Хвильовий опір передавальних конструкцій також впливає на розподіл перехідної напруги. У той час як провідники зазвичай мають хвильовий опір 300-400 Ом, решітчаста опора може мати Zt ≈ 100-150 Ом. Це неузгодженість опорів впливає відображення і передачу імпульсів у місцях розривів, впливаючи поширення імпульсів блискавки лінією.
Метрики впливу блискавки
Ефективність грозозахисних властивостей повітряних ліній електропередач оцінюється двома основними статистичними показниками:
1. Удари блискавки на рік – очікувана кількість ударів блискавки, що падають на задану ділянку лінії на рік, зазвичай оцінюється за допомогою:
Поліпшення характеристик при вищих напругах досягається за рахунок більшого BIL, кращої конструкції екранування та меншого опору Rt. Однак для надійного захисту від перенапруги необхідні точне моделювання кутів екранування, струмів удару блискавки (часто моделюються за допомогою функції Гейдлера) та заземлення опори.
Комутаційні імпульси та тимчасові перенапруги (ВПН)
У той час як захист від перехідних перенапруг у розподільчих та розподільчих системах в першу чергу пов'язаний з грозовими перенапругами, комутаційні перенапруги стають основною проблемою на рівнях надвисокої та надвисокої напруги (≥300 кВ). На відміну від високочастотних імпульсів атмосферного походження, що швидко наростають, комутаційні перенапруги, як правило, наростають повільніше (10–2500 мкс), мають більшу тривалість і більш системний характер, оскільки виникають при внутрішніх операціях у ланцюгах, таких як подача напруги на лінію, усунення короткого завантаження.
Характеристики форми імпульсу, механізми виникнення та потенціал перевищення базового рівня ізоляції (BIL) у певних станах системи роблять їх ключовими для досліджень координації ізоляції, особливо у системах напругою понад 245 кВ.
Походження імпульсних перенапруг
Комутаційні перенапруги виникають у результаті різних нормальних та ненормальних операцій у мережі, кожна з яких створює спеціальні профілі перенапруги:
• Увімкнення довгих ліній електропередач: При увімкненні ненавантаженої лінії надвисокої напруги хвилі напруги запускаються у бік відкритого кінця і відбиваються назад. Невідповідність хвильового опору на відкритому кінці призводить до часткових або повних відбиття, що призводить до конструктивних перешкод і перехідних перенапруг. Вони можуть досягати 2,0-2,5 о. номінальної напруги, якщо не будуть пригнічені керованою комутацією або передвімкненими резисторами.
• Повторне включення: Після ізоляції короткого замикання повторне включення ланцюга без синхронізації може призвести до перенапруги через захоплені заряди на ємності лінії. Різниця напруг між захопленим зарядом та джерелом може призвести до перехідних перенапруг, особливо небезпечних для трансформаторів та обладнання КРУЕ.
• Відключення короткого замикання та зріз струму: У вакуумних та елегазових вимикачах швидке відключення слабких індуктивних струмів (наприклад, струму намагнічування трансформатора) призводить до різких змін струму (di/dt) та коливань напруги. Цей ефект відомий як переривання струму та часто моделюється за допомогою ланцюгів захисту від перенапруги з еквівалентною ємністю та індуктивністю.
• Вимкнення навантаження: Несподіване вимкнення великого індуктивного або ємнісного навантаження може призвести до коливань хвилі, що біжить. У системах із малим навантаженням відсутність демпфування може призвести до збільшення тривалості перехідного процесу, створюючи потенціал для виникнення тимчасового перенапруги (ВПН).
Тимчасові перенапруги (ВПН)
Перенапруги, спричинені перенапругою, відрізняються від комутаційних перенапруг тим, що вони зберігаються протягом більш тривалого часу – зазвичай від мілісекунд до декількох хвилин – і викликані явищами промислової частоти, а не перехідними високочастотними процесами.
До них відносяться:
- Послідовний резонанс між індуктивністю лінії і шунтуючої ємністю при розімкнутому кінці може посилити напругу на кінці, що приймає.
- Ферорезонанс, нелінійний резонанс між індукторами, що насичуються (наприклад, сердечниками трансформатора) і ємністю системи, особливо небезпечний в незаземлених системах або при однополюсному перемиканні. Тимчасові перенапруги (TOV), що виникають в результаті цього, можуть бути стійкими і їх важко усунути без відключення живлення.
• Перехідні процеси відновлення після короткого замикання: Після усунення замикання на землю, особливо в компенсованих або резонансно-заземлених системах, на автоматичних вимикачах та ізоляції лінії можуть виникати перехідні напруги, що відновлюються (TRV). Їхня амплітуда та форма залежать від місця пошкодження, конфігурації мережі та схеми заземлення.
• Обрив дроту або зміщення нейтралі: У незбалансованих системах, наприклад, із ізольованою нейтраллю, замикання фази на землю може значно підвищити напругу здорової фази вище за номінальну. Це критично важливий сценарій для координації ізоляції у розподільчих та кабельних системах середньої напруги.
Рисунок 2. Тимчасова перенапруга. Зображення надані CIGRE UK.
Порівняння серйозності впливу та форми сигналу
Комутаційні перенапруги зазвичай є імпульсами тривалістю 250/2500 мкс згідно IEC 60060-1 для систем постійного струму високої напруги (HVDC) і змінного струму надвисокої напруги (UHV AC). Їхня велика тривалість, порівняно з імпульсами тривалістю 1,2/50 мкс, характерними для грозових розрядів, створює додаткові складності при проектуванні ізоляції. Таке обладнання, як КРУЕ, трансформатори та вводи, більш чутливе до комутаційних перенапруг через особливості діелектричних характеристик.
На відміну від грозових імпульсів комутаційні перенапруги, як правило, більш повторювані, відбуваються групами (наприклад, множинні спроби перемикання) і вимагають наявності захисних пристроїв, здатних справлятися з енергією, наприклад, розрядників.
• Керована комутація (спрацювання автоматичного вимикача із заданою витримкою часу)
• Обмежувачі перенапруги з регульованою енергоємністю
• Резистори або конденсатори, що попередньо включаються, для подачі напруги в лінію
• Конденсатори захисту трансформатора від перенапруги для згладжування високочастотних перехідних процесів
Всі дослідження координації ізоляції вище 245 кВ повинні враховувати рівні комутаційних перенапруг, що витримуються (SIWL), часто перевіряються з використанням стандартних форм імпульсів відповідно до IEC 60071-1 та IEEE C62.82.1.
Ключові висновки
Розуміння грозових перенапруг, комутаційних перенапруг і часових перенапруг дуже важливо для забезпечення надійності, безпеки та довговічності високовольтних енергосистем. Ці явища безпосередньо впливають на конструкцію ізоляції, вибір обладнання, методи заземлення та координацію захисних пристроїв, що критично важливо для мінімізації відключень, запобігання дорогим відмовам обладнання та підтримці стабільної роботи системи.
Інтеграція точного моделювання, дотримання стандартів та ефективних стратегій пом'якшення наслідків дозволяє підвищити стійкість та продуктивність системи в реальних умовах експлуатації.
ПРОДОВЖЕННЯ СЛІДУЄ
