Przepięcia w sieciach elektrycznych

Przepięcie to napięcie, które przekracza amplitudę najwyższego napięcia roboczego (Unom) na izolacji elementów sieci elektrycznej. W zależności od miejsca zastosowania rozróżnia się uzwojenia fazowe, międzyfazowe, wewnętrzne oraz przepięcia międzystykowe. Te ostatnie występują, gdy napięcie jest przyłożone między otwartymi stykami tych samych faz urządzeń przełączających (przełączników, odłączników).

Wyróżnia się następujące charakterystyki przepięciowe:

• maksymalna wartość Umax lub krotność K = Umax / Unom;

• czas trwania ekspozycji;

• zakrzywiony kształt;

• szerokość zakresu elementów sieci.

Cechy te podlegają rozrzutowi statystycznemu, ponieważ zależą od wielu czynników.

Badając wykonalność środków ochrony przed przepięciami i dobór izolacji, należy wziąć pod uwagę charakterystykę statystyczną uszkodzeń (oczekiwanie matematyczne i odchylenie) w wyniku przestojów i napraw awaryjnych urządzeń systemu elektroenergetycznego, a także w wyniku awarii urządzeń , odrzucenia produktu i zakłócenia procesu technologicznego wśród odbiorców energii elektrycznej.

Główne rodzaje przepięć w sieciach wysokiego napięcia pokazano na rysunku 1.

Ryż. 1. Główne rodzaje przepięć w sieciach wysokiego napięcia

Wewnętrzne przepięcia spowodowane wahaniami energii elektromagnetycznej zmagazynowanej w elementach obwodu elektrycznego lub dostarczanej do niego przez generatory. W zależności od warunków występowania i możliwego czasu trwania narażenia na działanie izolacji wyróżnia się przepięcia stacjonarne, quasi-stacjonarne i łączeniowe.

Przepięcia łączeniowe — powstają podczas nagłych zmian parametrów obwodu lub sieci (przełączenia planowe i awaryjne linii, transformatorów itp.), a także w wyniku zwarć doziemnych i międzyfazowych. Podczas załączania lub wyłączania elementów sieci elektrycznej (przewodów liniowych lub uzwojeń transformatorów i dławików) (przerwanie przesyłu energii) występują stany przejściowe oscylacyjne, które mogą prowadzić do znacznych przepięć. Kiedy pojawia się wyładowanie koronowe, straty mają wpływ tłumiący na pierwsze szczyty tych przepięć.

Przerwaniu prądów pojemnościowych obwodów elektrycznych mogą towarzyszyć powtarzające się wyładowania łukowe w wyłączniku oraz powtarzające się stany nieustalone i przepięcia oraz wyzwalanie małych prądów indukcyjnych na biegu jałowym transformatorów — wymuszone przerwanie łuku w wyłączniku i oscylacyjne przejście energii pola transformatora magnetycznego w energii pola elektrycznego jego mocy równoległych. Z łukowymi zwarciami doziemnymi w sieci z izolowanym punktem neutralnym obserwuje się również wielokrotne zajarzenia łuku i występowanie odpowiadających im skoków łuku.

Główną przyczyną występowania przepięć quasi-stacjonarnych jest efekt pojemnościowy wywołany np. przez jednozakończoną linię transmisyjną zasilaną z generatorów.

Mody linii asymetrycznej występujące np. przy zwarciu jednej fazy do masy, przerwaniu przewodu, jednej lub dwóch faz wyłącznika mogą powodować dalszy wzrost napięcia o częstotliwości podstawowej lub powodować przepięcia przy niektórych wyższych harmonicznych — wielokrotnościach częstotliwości generatora EMF….

Każdy element systemu o charakterystyce nieliniowej, np. transformator z nasyconym rdzeniem magnetycznym, może być również źródłem wyższych lub niższych harmonicznych i odpowiadających im przepięć ferrorezonansowych. Jeśli istnieje źródło energii mechanicznej, które okresowo zmienia parametr obwodu (indukcyjność generatora) w czasie z częstotliwością drgań własnych obwodu elektrycznego, może wystąpić rezonans parametryczny.

W niektórych przypadkach należy również wziąć pod uwagę możliwość występowania przepięć wewnętrznych ze zwiększoną krotnością przy nałożeniu kilku komutacji lub innych niekorzystnych czynników.

Aby ograniczyć przepięcia łączeniowe w sieciach 330-750 kV, gdzie koszt izolacji okazuje się szczególnie znaczny, ograniczniki zaworów lub reaktory. W sieciach o niższych klasach napięciowych ograniczników nie stosuje się do ograniczania przepięć wewnętrznych, a charakterystyki odgromników dobiera się tak, aby nie zadziałały pod wpływem przepięć wewnętrznych.

Przepięcia piorunowe odnoszą się do zewnętrznych przepięć i występują po wystawieniu na działanie zewnętrznych pól elektromagnetycznych. Największe przepięcia piorunowe występują, gdy bezpośrednie uderzenie pioruna ma miejsce w linii i podstacji. Z powodu indukcji elektromagnetycznej pobliskie uderzenie pioruna powoduje indukowany przepięcie, które zwykle powoduje dalszy wzrost napięcia izolacji. Dotarcie do podstacji lub maszyny elektrycznej, rozprzestrzenianie się od punktu pokonania fale elektromagnetyczne, może powodować niebezpieczne przepięcia na ich izolacji.

Aby zapewnić niezawodną pracę sieci, konieczne jest wdrożenie jej skutecznej i ekonomicznej ochrony odgromowej. Ochrona przed bezpośrednim uderzeniem pioruna odbywa się za pomocą wysokiego pionowego piorunochronu i kabli odgromowych nad przewodami linii napowietrznych powyżej 110 kV.

Ochrona przed przepięciami pochodzącymi z linii jest realizowana przez ograniczniki zaworów i rur podstacji o ulepszonej ochronie odgromowej na podejściach do podstacji na liniach wszystkich klas napięcia.Konieczne jest zapewnienie szczególnie niezawodnej ochrony odgromowej maszyn wirujących za pomocą specjalnych ograniczników, kondensatorów, dławików, wkładek kablowych oraz ulepszonej ochrony odgromowej dla podejścia linii napowietrznej.

Zastosowanie uziemienia części neutralnej sieci za pomocą cewki gaszącej łuk, samoczynne ponowne zamykanie i skracanie linii, staranne zapobieganie izolacji, zatrzymania i uziemienia znacznie podnoszą niezawodność linii.

Należy zauważyć, że wytrzymałość dielektryczna izolacji maleje wraz z wydłużaniem czasu ekspozycji na napięcie. W związku z tym wewnętrzne i zewnętrzne przepięcia o tej samej amplitudzie stanowią różne zagrożenie dla izolacji. Zatem poziom izolacji nie może być scharakteryzowany za pomocą jednej wartości napięcia wytrzymywanego.

Dobór wymaganego poziomu izolacji tj. dobór napięć probierczych, tzw. koordynacja izolacji, jest niemożliwy bez dokładnej analizy występujących w systemie przepięć.

Problem koordynacji izolacji jest jednym z głównych problemów. Sytuacja ta wynika z faktu, że o zastosowaniu takiego lub innego napięcia nominalnego ostatecznie decyduje stosunek kosztu izolacji do kosztu elementów przewodzących w systemie.

Problem koordynacji izolacji obejmuje jako podstawowe zadanie — ustalenie poziomów izolacji systemu… Koordynacja izolacji musi opierać się na określonych amplitudach i kształtach przebiegów przyłożonych przepięć.

Obecnie koordynacja izolacji w systemie do 220 kV jest wykonywana dla przepięć atmosferycznych, a powyżej 220 kV koordynacja musi być wykonywana z uwzględnieniem przepięć wewnętrznych.

Istotą koordynacji izolacji w przepięciach atmosferycznych jest koordynacja (dopasowanie) charakterystyk impulsowych izolacji z charakterystykami zaworów, jako głównego urządzenia do ograniczania przepięć atmosferycznych. Zgodnie z badaniem przyjęto falę standardową napięcia probierczego.

Przy koordynowaniu przepięć wewnętrznych, ze względu na większą różnorodność form rozwoju przepięć wewnętrznych, nie można skupić się na zastosowaniu jednego zabezpieczenia. Schemat sieci musi zapewniać niezbędną zwięzłość: dławiki bocznikowe, stosowanie wyłączników bez ponownego zapłonu, stosowanie specjalnych iskierników.

W przypadku przepięć wewnętrznych normalizacja przebiegów testów izolacji została przeprowadzona dopiero niedawno. Zgromadzono już dużo materiału i prawdopodobnie w niedalekiej przyszłości zostanie przeprowadzona odpowiednia normalizacja fal testowych.