Перенапряжение и молниезащита

Возможность управления моментом включения выключателей высокого напряжения в значительной мере определяется конструкцией выключателя и его системы управления.

Разброс во времени  при управляемом включении не должен превышать 
1 мс. Такие требования могут быть выполнены, например, в воздушных выключателях со светооптической и механической системами управления.

Применение  шунтирующих сопротивлений в выключателях. Эффективным средством для ограничения возникающих перенапряжений, служит сопротивление, встраиваемое в выключатели. Принципиальная схема выключателя с шунтирующим сопротивлением показана на рис. 10.

Рисунок 3.4 Применение выключателя с шунтирующим резистором:

ГК – главные  контакты; ВК – вспомогательные  контакты

 

Такой выключатель имеет  две системы контактов: ГК – главные  контакты и ВК – вспомогательные. При включении линии первыми замыкаются контакты ВК, тем самым вводя последовательно с линией сопротивление R_ш . Соответствующим подбором значения R_ш можно существенно демпфировать колебания напряжения в переходном процессе. Спустя некоторое время, обычно через 1,5…2 периода промышленной частоты, замыкаются контакты ГК, заканчивая операцию включения линии.

 

4. Феррорезонансные напряжения.(вопрос 31)

 

  Чтобы проанализировать  процессы, которые происходят при  феррорезонансе напряжения, рассмотрим электрическую цепь, состоящую из последовательно соединенных катушки с ферромагнитным сердечником и конденсатора (рис. 4.1).

 

Рисунок 4.1 Простейшая электрическая цепь для исследования феррорезонанса напряжений: L - катушка с ферромагнитным сердечником; C - конденсатор.

 

С учетом принятых допущений  напряжение  на катушке и напряжение  на конденсаторе по фазе прямо противоположны друг другу. Напряжение  на зажимах цепи равно абсолютному значению разности напряжений на катушке и конденсаторе , причем возможно как преобладание  над , так и над . На рис. 4.2 приведены зависимости напряжения на элементах цепи от тока. Зависимость напряжения на катушке от тока представляется кривой , а зависимость напряжения на конденсаторе от тока  - наклонной прямой линией, проходящей через начало координат. Когда указанные зависимости не пересекаются - резонанс в цепи не возникает. Если же конденсатор имеет такую емкость, что прямая  пересекается с кривой , то после вычитания из ординат кривой соответствующих ординат прямой получается кривая , определяющая значения общего напряжения при разных значениях тока. Точка пересечения кривой  с осью абсцисс (ток ) является точкой резонанса напряжений, так как в этой точке напряжения ,  равны и взаимно компенсируются. Так как действующее напряжение - положительная величина, то кривая  совпадает с кривой только при . При кривая  представляет собой зеркальное отражение кривой .

 

 

Рисунок 4.2 Зависимости напряжения на элементах цепи и действующего напряжения от тока:  Uc- напряжение на конденсаторе;UL  - напряжение на катушке; U - разность напряжений на катушке и конденсаторе;U - действующее напряжение на зажимах цепи;Io - точка резонанса напряжений.

  На практике из-за  потерь в стали и в сопротивлении  обмотки, а особенно из-за искажения  формы кривых тока и напряжения  кривая  приобретает вид, приведенный  на рис 3. Данная кривая имеет  несколько участков. При плавном  повышении напряжения питания  от нуля до  (участок характеристики  0-1) ток по фазе отстает от напряжения . В точке происходит скачок, при котором ток резко возрастает до значения, соответствующего точке 2 и начинает опережать напряжение по фазе , т. е. происходит опрокидывание фазы. Дальнейшее возрастание напряжения (участок характеристики 2-3 и выше) сопровождается плавным увеличением тока. Уменьшение напряжения до значения U3 вызывает срыв, который сопровождается резким уменьшением тока и соответствует переходу из точки 4 в точку 5.

 

 

Рисунок 4.3 Реальная кривая действующего напряжения на зажимах цепи от тока

.

Некоторому значению напряжения источника  на характеристике соответствуют три значения тока ,  и . Точке соответствует ток, который протекает в цепи при повышении напряжения от значения меньшего, чем , до значения . Точке соответствует ток, получающийся при снижении напряжения от значения большего, чем , до значения . Точка , лежащая в промежутке между точками скачкообразного изменения тока (точки 1 и 4), не может быть достигнута при питании цепи от источника напряжения. Характеристику при всех значениях тока можно получить в случае питания цепи не от источника напряжения, а от источника тока.

 

5. Основные схемы измерения в высоковольтной технике.(вопрос 11)

 

Измерение постоянных токов  до 6000 А обычно производится при помощи приборов магнитоэлектрической системы с шунтами.

Шунты на большие токи становятся громоздкими, тяжелыми и дорогими, так, например, шунт типа 75ШС 6000 А весит 24 кг. Кроме того, применение шунтов на большие токи не обеспечивает достаточной точности и мощность потерь в них велика, например, в упомянутом шунте при номинальном напряжении 75 мВ мощность потерь 6 000 А х 0,075 В = 450 Вт. Поэтому для измерения больших постоянных токов применяются трансформаторы постоянного тока, которые изготавливаются на номинальные первичные токи от 7,5 до 70 кА при вторичном токе 5 А.

 

 

 

Рисунок 5.1 Шунт B6 - номинальный ток 1A - 15кA - падение напряжения 100мВ

 

Схема трансформатора постоянного тока дана на рис. 5.2

Трансформатор постоянного  тока состоит из двух одинаковых замкнутых  сердечников, на каждый из которых наложено по две обмотки. Сердечники изготовлены  из пермаллоя.

Измеряемый постоянный ток  проходит по первичным обмоткам, соединенным  последовательно. Две вторичные  обмотки, соединенные между собой последовательно (или параллельно), через выпрямитель присоединяются к источнику питания с переменным напряжением.

Вторичные обмотки соединены  так, что в течение первого  полупериода переменного тока i2 вторичная н. с. i2w2 в первом сердечнике имеет встречное направление по отношению к первичной н. с. i1w21 а во втором сердечнике направления первичной и вторичной н. с. совпадают. В течение второго полупериода, наоборот, в первом сердечнике направления н. с. совпадают, а во втором они будут иметь встречные направления.

 

 

 

Рисунок 5.2 Схема измерительного трансформатора постоянного тока

 

При наличии постоянного  измеряемого тока в первичной  цепи трансформатора тока во вторичной  цепи будет проходить переменный ток с прямоугольной формой кривой, а в диагонали мостовой выпрямительной схемы, в которую включен измерительный  механизм, будет проходить постоянный ток. Изменение величины измеряемого  тока вызовет изменение первичной  н. с. F=i1wl.

Измеряя вторичный ток  и умножая его на действительный коэффициент трансформации, получим  действительное значение первичного тока.

 

 

 

Рисунок 5.3 Характеристики трансформатора тока: а - кривая намагничивания; б - кривая тока во вторичной цепи; в - кривая тока в измерителе.

 

Измерение больших переменных токов, как правило, производится амперметрами электромагнитной, ферро-динамической, электродинамической систем, включаемых через измерительные трансформаторы тока, которые изготавливаются на номинальные первичные токи до 25 кА.

Применяющееся в некоторых  случаях включение амперметров  непосредственно в рассечку проводов или шин (без трансформаторов  тока) при напряжениях в цепи выше 500 В должно быть выполнено так, чтобы обеспечивались безопасность обслуживания и удобство наблюдения за показаниями прибора. Амперметры в таких случаях часто изолируются от земли путем установки их на изоляторах.

В цепях высокого напряжения независимо от рода тока и частоты  надо стремиться включать амперметр  в участок цепи с потенциалом, равным или близким к потенциалу земли, потому что в противном  случае создается опасность для  экспериментатора и обслуживающего персонала, могут возникать дополнительные погрешности от электрического поля, создаются неблагоприятные условия  для работы изоляции прибора, которая  в этом случае должна находиться в  соответствии с рабочим напряжением  измеряемой цепи.

В высоковольтных цепях постоянного  тока напряжение можно измерять:

1) вольтметрами магнитоэлектрической  системы, которые изготавливаются  на номинальные напряжения до 6 кВ,

2) вольтметрами электростатической  системы, которые изготавливаются  на номинальные напряжения до 100 кВ,

3) применяя измерительные  трансформаторы напряжения постоянного  тока.

На рис. 5.4 дана схема измерительного трансформатора постоянного напряжения. Первичные обмотки трансформатора, соединенные последовательно с добавочным сопротивлением, подключены к измеряемому напряжению. Вторичные обмотки, соединенные параллельно, через выпрямитель присоединяются к источнику питания с переменным напряжением. В диагонали выпрямительной схемы включен измерительный механизм.

 

 

 

Рисунок 5.4 Схема измерительного трансформатора постоянного напряжения

 

В цепях высокого напряжения переменного тока измерение напряжения, как правило, производится вольтметрами с номинальным напряжением 100 В, включаемыми через измерительные трансформаторы напряжения. В этом случае, с одной стороны, отпадают трудности изготовления приборов непосредственно на высокое напряжение, с другой — устраняется опасность для обслуживающего персонала при работе с измерительными приборами, присоединенными непосредственно к проводам высокого напряжения.

В высоковольтной технике  для измерения высоких напряжений часто пользуются специальными электростатическими  вольтметрами, шаровыми разрядниками, клидонографами, электронными осциллографами. Два последних из указанных приборов применяются преимущественно для  измерения импульсов напряжения.

 

 

 

 

6. Трубчатые и вентильные разрядники.(вопрос 18)

 

 

Через хорошо заземленный  искровой промежуток вслед за импульсным током, возникающим после пробоя перенапряжением, проходит сопровождающий ток нормальной частоты (50 Гц), обусловленный  рабочим напряжением. Разрядник  должен обладать способностью быстро погасить сопровождающий ток после исчезновения перенапряжения. Для этого разрядник снабжают помимо искрового промежутка последовательно включенным с ним специальным элементом, обеспечивающим гашение сопровождающего тока.

Гашение сопровождающего  тока обеспечивается двумя способами: в трубчатых разрядниках - специальным дугогасительным устройством;

в вентильных разрядниках - активными сопротивлениями с  нелинейной (зависящей от приложенного напряжения) характеристикой (рис. 2, а).

Нелинейная характеристика (рис. 6.1, б) должна быть такой, чтобы при перенапряжениях сопротивление разрядника было малым. При рабочих напряжениях сопротивление разрядника должно быть большим, чтобы гасился сопровождающий ток.

 

 

Рисунок 6.1 Вентильный разрядник: а - схема; б - защитная характеристика

 

Трубчатые разрядники применяются  как основное средство для защиты изоляции линии электропередачи  и как вспомогательное средство защиты изоляции оборудования подстанций. Они выполняются с номинальными напряжениями 6, 10, 35 кВ.

Основной частью разрядника является трубка из твердого газогенерирующего  диэлектрика (фибра, фибробакелит у разрядников серий РТ, РТФ; винипласт - у разрядников серии РТВ). Разрядник (рис. 3) имеет 2 искровых промежутка: внешний (3) и внутренний (2). Внешний изолирует трубку от постоянного соприкосновения с токоведущей частью, находящейся под напряжением. При пробое искровых промежутков под воздействием высокой температуры электрической дуги трубка 1 разлагается и генерирует газ (в основном водород), облегчающий гашение электрической дуги. Необходимость гашения дуги объясняется тем, что после прохождения перенапряжения по искровым промежуткам проходит сопровождающий ток разрядника, обусловленный рабочим напряжением электрической сети и имеющий частоту 50 Гц. Поэтому в обозначении разрядника, кроме букв, присутствует дробь, где числитель указывает номинальное напряжение, а знаменатель - пределы сопровождающего тока, успешно отключаемого разрядником. Например,  обозначает: трубчатый разрядник на 10 кВ, отключающий сопровождающий ток (равный току КЗ) от 0,5 до 7 кА.

 

 

Рисунок 6.2 Устройство трубчатого разрядника

 

Вентильные разрядники предназначены  для защиты от атмосферных перенапряжений оборудования электростанций и подстанций, главным образом, силовых трансформаторов. Основными элементами разрядника являются многократные искровые промежутки и соединенные последовательно с ними нелинейные сопротивления в виде дисков из вилита. Термин «нелинейное сопротивление» означает, что сопротивление зависит от проходящего по нему тока. Сопротивление вилита уменьшается при возрастании проходящего по нему тока. Вилит не влагостоек, поэтому его помещают в герметизированный фарфоровый корпус. Для защиты подстанций используют разрядники серий РВП (разрядник вентильный подстанционный) и РВН (разрядник вентильный низковольтный). Устройство вентильного разрядника показано на рис. 6.3

 

 

Рисунок 6.3 Устройство вентильного разрядника серии РВП