> Техника, страница 70 > Перенапряжение

Перенапряжение

Перенапряжение, всякое увеличение напряженности электрич. поля в какой-либо части установки до величин, которые м. б. опасны для состояния изоляции установки. П. по линии передачи энергии и вообще в электрических сетях появляются при всяких изменениях в режиме работы этих сетей. Однако не всякие П. могут быть опас-

ными для эксплуатации линий и сетей. Рассмотрим несколько ближе физич. природу появления П. В каждый данный момент силе тока i на линии соответствует запас энер-Li²

гии магнитного· поля „, напряжению же

Се²

соответствует количество - электрич. энергии, где С и L—соответственно самоиндукция и емкость линии. При изменении условий работы линии (ее выключение или включение, изменение нагрузки, заземление провода и связанное с этим перераспределение потенциала вдоль линии или наконец появление посторонних зарядов на линии, вызванных грозовыми разрядами) новому состоянию работы линии будет соответствовать новое распределение энергии электрического и магнитного полей. Переход от одного состояния работы линии к другому совершается при помощи блуждающих электрич. волн и импульсов, которые разносят энергию,

рассеивая ее в сопротивление линии, и стремятся распределить ее равномерно в электромагнитном поле, окружающем линию. Примером такого электрич. импульса может служить движение по линии электрич. заряда, индуктированного в линии при грозовом разряде (фигура 1). Заряд q, индуктированный на линии под грозовым облаком в момент молнии, освободится, и половина такого заряда начнет двигаться, в одном направлении по линии, а другая половина— в другом, стремясь распределить заряд равномерно по линии, как это указано стрелками на схеме. Дойдя до разомкнутого конца линии, каждая из половин заряда отразится от конца, причем плотность заряда на конце линии в момент отражения удвоится, что вызовет за собою и удвоение величины напряжения е, т. к. e=q-C, где С— емкость участка линии, занимаемого зарядом. Отразившись у конца линии, заряд начнет двигаться в обратном направлении, пока не отразится у другого конца линии, и так далее, пока он не рассеется по линии, потеряв свою энергию в сопротивлении линии, т. к. при движении вдоль линии величина заряда будет все время убывать. Ряд периодически следующих друг за другом импульсов противоположного знака дает электрич. блуждающую волну (фигура 2). Отражаясь у концов линии и комбинируясь друг с другом, блуждающие волны могут вызвать появление стоячих волн тока и напряжения на линии. Вследствие расхождения фаз тока и напряжения в стоячих волнах процесс будет происходить таким образом, что в момент максимума магнитной энергии электрич. энергия будет минимум, и наоборот, и мы будет иметь непрерывный переход электрич. энергии в энергию магнитного поля и наоборот, причем при этих переходах самая энергия будет постепенно поглощаться сопротивлением линии, что вызывает затухание электрических колебаний на линии. Самый период колебаний будет зависеть от величины емкости и самоиндукции линии и ее длины и может получиться весьма малым (число периодов— весьма большим) независимо от частоты передаваемого по линии переменного тока. При таком обмене между энергией электрического и магнитного полей величины этих энергий должен быть равны, то есть мы должны иметь

Li² Се². Г L

γ-=γ-, или е=гу _с ·

То же самое соотношение между током и напряжением мы будем иметь и в блуждающих волнах. Т. о. если сила тока в линии изменилась с величины г до величины г_1; то освободившаяся при этом энергия магнитного поля вызовет напряжение

^ei ⁼ (Ч ~ i) q ’

к-рое, налагаясь на напряжение в линии, создаст напряжение е₁ + e=e + (*i — i) |

Частота вызванных таким образом колебаний будет зависеть от величины емкости и самоиндукции линии и будет тем больше, чем короче линия.

Величина П., вызванных грозовыми разрядами или заземлением линии через вольтову дугу, например при порче изоляторов, м. б. весьма значительна и может угрожать целости изоляции линии и соединенных с ней приборов и трансформаторов. При изменениях режима работы линии, как уже было указано, возникают переходные электромагнитные процессы, выражающиеся в появлении блуждающих волн, напряжение которых налагается на рабочее напряжение линии, что и ведет к появлению П.

Нек-рые из видов П. являются неизбежным спутником эксплуатации линии, т. к. вытекают из самих физич. свойств линии и природы происходящих в ней процессов. Сюда относятся П., которые можно характеризовать как П. внутреннего происхождения; они подразделяются на 1) П. при изменениях нагрузки; 2) П. при включении и выключении линии; 3) П. при перерыве коротких замыканий на линии; 4) П. при заземлении линии. КП.внешнего происхождения относятся такие П., которые появляются независимо от того, находится ли линия под напряжением или нет. К такого рода П. относятся П., вызываемые в линии под влиянием атмосферных электрич. разрядов. Нек-рые из этих П. не представляют никакой опасности для линии, другие лее, наоборот, могут достигнуть весьма значительной величины, опасной для линии и приключенных к последней приборов.

П. внутреннего происхожде-н и я. При изменении силы тока нагрузки от г„ до г максимальная величина могущего возникнуть П. линии будет:

е= (г—г₀) j/~£·

В обыкновенных условиях нормальной работы линии эти П. будут незначительны даже при выключении линии, к-рое представляет частный случай изменения нагрузки от г₀ до

0. Если происходит выключение линии, в котором имеется короткое замыкание, то в виду большой величины тока короткого замыкания %_к_ в линии могут получиться большие П. в зависимости от момента, в который происходит выключение. Действительно, пусть в момент выключения ί=О короткого замыкания напряжение на линии имеет величину е₀=Е₀ sin а, где Е₀—амплитуда напряжения и а—фазный угол напряжения в момент короткого замыкания. Тогда в момент выключения линии сила тока в линии будет г=~ sin (α-φ),

^ζ0

и она будет постоянна вдоль линии, если пренебречь емкостью линии (т. к. зарядный ток линии мал по сравнению с током короткого замыкания), причем

z₀ - -1/В² + ж²

кажущееся сопротивление линии, а

φ=arc tg *

фазный угол сдвига тока. При выключении короткого замыкания, вследствие того что энергия была распределена равномерно по линии, получаются блуждающие волны, которые комбинируются т. о., что появляется ряд стоячих волн разного числа периодов. Стоячие волны напряжения опережают пространственно и во времени стоячие волны тока на “. Пучность тока получается на месте короткого замыкания, и узел—у разомкнутого конца линии. Для напряжения же, наоборот, мы будем иметь пучность у разомкнутого конца и узел у места короткого замыкания. Т. к. в момент выключения короткого замыкания энергия магнитного поля была равномерно распределена вдоль провода, то в итоге получились стоячие волны. Отношение амплитуды напряжения к амплитуде тока равно волновому сопротивлению линии Число периодов затухаю щих Стоячих волн зависит от длины линии, причем наименьшее число периодов соответствует установлению в линии ^х/₄ волны и равно

f=¹ — ·

iloVLC

Кроме основной гармоники в линии устанавливаются еще стоячие волны высших гармоник с числом периодов

, ₌ (2т+1)

, il_aV~Lc

причем число четвертей волн равно порядковому номеру гармоники. При малых числах периода вря длина линии 1₀ играет роль, и небольшие равномерности в постоянных каждой практич. линии не имеют заметного влияния на число периодов основных колебаний. Наоборот, при больших частотах гармоник колебаний всякие неравномерности в постоянных линии (как то: изменение коэф-тов самоиндукции и взаимной индукции, емкости вследствие непараллельности проводов друг другу и поверхности земли) имеют уже значительное влияние на частоту получающихся колебаний высокой частоты", т. к. длины получающихся при этом волн делаются уже соизмеримыми с длинами, соответствующими неравномерностям в постоянных линии. Так. обр. практически всякая линия свободно резонирует на любое число периодов колебаний, если последнее велико.

Коэф. затухания волн возрастает с увеличением порядка гармоники, т. к. при увеличении частоты увеличивается сопротивление провода и уменьшается его самоиндукция вследствие поверхностного эффекта и кроме того проводимость активной утечки, обусловленная главн. обр. явлением короны, также возрастает с увеличением частоты. Так. обр. затухание высших гармоник будет идти тем быстрее, чем выше порядок гармоники, и блуждающая, или стоячая, волна будет с течением времени постепенно «очищаться» от высших гармоник, и ее форма будет при ее распространении все больше и больше приближаться к синусоиде основной гармоники. Последнее обстоятельство имеет существенное значение, т. к. при очищении волны от высших гармоник будет сглаживаться фронт волны и крутизна последнего будет уменьшаться, благодаря чему волна сделается менее опасной для изоляции линии и включенных в последнюю аппаратов.

При рассмотрении вопроса о выключении короткозамкнутой линии мы имели различные условия по концам линии, а именно один конец был замкнут накоротко, а другой разомкнут. При этом четверть наибольшей длины волны получилась равной длине линии. Если бы при размыкании линии условия на обоих ее концах были одинаковы, как например при размыкании линии при холостом ходе, то в линии установились бы колебания т. о., что половина наибольшей длины волны была бы равна длине линии, причем в линии могли бы установиться как четные, так и нечетные гармоники. При выключении замкнутого контура (фигура 3), в

К,

Фигура 3.

последнем может при колебаниях установиться длина полной волны или же кратное число полных волн. Амплитуды волн тока и напряжения пропорциональны

4=^Е Sin (α-φ), ^ζ0

то есть величине тока в момент выключения, и следовательно будут наибольшими, если выключение произошло в момент прохождения тока короткого замыкания через максимум,

то есть при а— φ=ζ. При этом отношение напряжения основной гармоники стоячей волны к амплитуде переменного тока будет:

ii 0 ^п * Z₀

Так как для воздушных линий

}/~ α= 400 Ω,

2_os0.45 Ω/κμ,

то при длине линий 2=100 км мы получили бы:

е 1у4оо _{= 11} з

Ео π·45

то есть П. достигло бы значительной величины. По счастью однако при современных масляных выключателях (смотрите) разрыв тока происходит обыкновенно в момент прохождения последнего через нуль, чем избегается появление больших П. при выключении. Однако при е например масляного выключателя разрыв тока мог бы произойти и не в момент прохождения последнего через нуль, что повело бы к значительным П. в цепи, так же как и в случае выключения постоянного тока. Современная америк. практика стремится при очень высоких напряжениях по возможности не допускать включения и выключения со стороны высокого напряжения и предпочитает производить все включения и выключения со стороны низкого напряжения трансформаторов, чтобы избегнуть П. в сети высокого напряжения.

Рассмотрим теперь случай включения линии и для простоты возьмем слушай включения на напряжение постоянного тока. При включении на переменный ток явление будет протекать приблизительно таким же образом, как и при включении на постоянный ток, в виду того, что продолжительность установления напряжения будет мала по сравнению с периодом переменного тока и напряжение переменного тока не успеет сильно измениться за период времени зарядки линии, т. к. последний процесс будет протекать весьма быстро. При включении линии на напряжение постоянного тока Е„ в линию устремится волна напряжения е=Е₀ и волна тока г=Е^/~ £. При движении по линии волна будет затухать, и часть заряда электричества, движущегося о волной, будет идти на зарядку линии и сообщение ей потенциала. Дойдя до разомкнутого конца линии, движение электрич. заряда будет остановлено, последний будет отброшен обратно в линию и начнет налагаться на заряд, движущийся по направлению к открытому концу линии, благодаря чему напряжение линии у открытого конца удвоится. При движении отраженной волны по линии в направлении к месту включения напряжение на линии будет удваиваться, и когда волна дойдет до начала линии, напряжение у начала линии удвоится благодаря наложению падающей и отраженной волны. При этом сила тока по всей линии сделается равной нулю, т. к. ток в линии явится результатом движения в линии двух одноименных количеств электричества в противоположных направлениях. Когда напряжение вдоль всей линии удвоится, а ток будет равен нулю, вся энергия волны превратится в электростатич. энергию электрич. поля линии, и линия начнет разряжаться, т. к. оба провода линии соединены электрически, благодаря чему в линии возникнут затухающие колебания, после прекращения которых линия получит постоянный потенциал Е„. При заземлении одного из проводов линии передачи происходит перераспределение потенциалов проводов. Если до заземления потенциалы проводов были симметричны относительно потенциала земли и были равны соответственно то после заземления потенциал заземленного провода сделается равным 0, разность потенциалов между другим проводом и землей увеличится и сделается равной разности потенциалов Е₀ между проводами. При этом произойдет также перераспределение зарядов на проводах и увеличится энергия электростатическ.поля одного провода,электростатическая же энергия заземленного провода сделается равной 0. Такое перераспределение потенциалов, зарядов и энергии осуществится появлением блуждающих волн

при переходном процессе. При заземлении провода b (фигура 4) на последнем освобо-С Е

дится заряд —~, где С₀—емкость провода по отношению к земле. Этот заряд будет стекать в землю, что равносильно дви-С Е

жению заряда 4—из земли. Последний заряд дойдет до конца провода а, причем его величина вдоль всего провода будет С Е

2 °₂ ⁰. У конца а провода заряд претерпит отражение. В момент отражения сила тока по всему проводу от b до а будет равна

и напряжение на проводе b будет 0, напряжение же на проводе а будет равно +Е„. Энергия электрич. поля провода b будет в этот момент равна 0, энергия же провода _ С₀е2 _m

а будет равна ₂ “. Так как до заземления энергия обоих проводов была о ^СоЕо

~ 2 2 4 ’

то разность энергий

С₀Е§ _ С₀Е²0 ₌ СоЕЗ 2 4 1

будет получена от источника тока, к-рый дает эту энергию

С₀Е§ ₀

4 ⁼ ^ ΊΓ

в форме магнитного поля, обусловленного движением заряда

2С„^

под влиянием эдс источника тока (L₀—самоиндукция одного провода). Падающая и отраженная волны, комбинируясь, создадут затухающую стоячую волну, которая будет иметь амплитуду * Е₀, колеблющуюся около напряжения +Е₀ для провода а и около О для провода 6. Затухая, эта волна сообщит проводу а потенциал 0. Т. о. в результате электростатич. энергия провода а будет

20,

^,Е1,

то есть будет соответствовать заряду провода а при потенциале Е₀, и провод b будет иметь потенциал 0.

Заземление одного из проводов линии передачи наглухо ведет только к перераспределению потенциалов в системе, но не влечет за собою опасных П. Тем не менее, заземление одной из фаз линии передачи считается на практике одним из самых опасных явлений на линии электропередачи, т. к. может повести к весьма большим П., обусловленным тем, что заземление на линиях не происходит наглухо, но обыкновенно через вольтову дугу, которая и является собственно источником П. При возникновении дуги воздух ионизируется, и дуга продолжается до тех пор, пока ток в дуге не пройдет через нуль, когда дуга гаснет. Так. обр. в момент погасания дуги соединение с землей прерывается, и потенциал провода, на к-ром была заззмляющая дуга, опять начнет повышаться до нормального, причем при достижении напряжением некоторой величины дуга может возникнуть вторично, тем более, что путь для нее уже подготовлен, благодаря ионизации предшествующей дугой. Провод опять окажется заземленным через дугу и все явление повторится сначала. В результате получится ряд следующих друг за другом соединений через дугу на землю с последующим размыканием земляного соединения, как видно из осциллограммы (фигура 5), на которой верхняя кривая дает напряжение провода, а нижняя кривая— ток через заземляющую дугу. Из оецилло-

7~

тг

Б

Фигура 5.

граммы видно, как в момент зажигания дуги напряжение провода падает путем ряда колебаний и как затем после погасания дуги оно при помощи колебаний повышается до новою зажигания дуги. Так. обр. в системе дуги может получиться длительный ряд повторных П, которые уже сами по себе могли бы повредить изоляции линии под влиянием их длительного воздействия на нее. При таких колебаниях может случиться, что волны, вызванные зажиганием дуги, не успеют затухнуть до ее последующего зажигания и смогут наложиться на колебания, которые вызваны новым зажиганием дуги. Благодаря этому амплитуда колебаний начнет расти, причем последняя может достигнуть

весьма больших величин, крайне опасных для изоляции линии, тем более, что эти колебания будут колебаниями весьма высокой частоты. Так. обр. дуга может явиться генератором незатухающих и возрастающих по амплитуде колебаний. Электрическая дуга может превращать получаемую ей от генераторов, питающих ^{т v} линию, энергию низкой частоты и энергию колебаний высокой частоты. Этим свойством дуга обязана тому, что она обладает гистерезисом (запаздыванием) тока, что особенно относится к дуге между металлическими электродами, между которыми получается обыкновенно на практике дуга на линии.

Характеристика дуги приведена на фигуре 6, из которой ясно видно свойство дуги иметь запаздывание тока, причем площадь кривой цикла пропорциональна энергии, поглощаемой за период дугой и превращаемой последней в энергию колебаний высокой частоты. Дуга, шунтированная емкостью С и самоиндукцией L (фигура 7), обладает свойством давать незатухающие колебания, что зависит от характеристики дуги, которая может быть выражена приблизительно следующей ф-лой:

. ы е=а +,

V ¹

где е—напряжение и г—ток в дуге, а и Ь—некоторые постоянные. Действительно, если ток в дуге по какой-нибудь причине уменьшится, то напряжение на дуге возрастает, а это вызовет увеличение тока через емкость и самоиндукцию. Если емкость невелика, то благодаря току самоиндукции произойдет перезаряд емкости. Это в свою очередь вызовет повышение напряжения на борнах дуги, и емкость начнет разряжаться через дугу. При таком разряде сила тока в дуге усилится, и напряжение на борнах дуги начнет падать, что будет способствовать переразряду емкости. При разряде емкости сила тока в дуге, упадет, что вызовет повышение напряжения на борнах дуга с последующим зарядом емкости. Так. обр. будут вызваны колебания в дуге, частота которых будет зависеть от величины емкости С и самоиндукции L и будет приблизительно равна

= — ·

2я| LC

Дуга, шунтированная емкостью и самоиндукцией, как-раз имеет место при заземлениях через дугу на линиях передачи, благодаря присутствию емкости и самоиндукции проводов. Т. о. при благоприятных обстоятельствах в комбинации емкости проводов и их самоиндукции легко могут возникнуть условия для появления незатухаю-

Г

Фигура 7.

1цих колебаний, которые представляют на линии одно из самых опасных явлений в отношении П. и для устранения возможности появления которых приходится принимать ряд мер для защиты линии.

Защита от заземляющих дуг. Наилучшим способом защиты линий от заземляющих дуг, согласно амершс. практике, является заземление нейтрали на повысительиой подстанции, для чего обмотка высокого напряжения повысителыюго трансформатора должен быть соединена звездой. Заземление нейтрали должен быть сделано наглухо иди же через небольшое сопротивление, к-рое служит только для того, чтобы ограничить силу тока короткого замыкания фазы при ее заземлении. Максимальные реле на масляных выключателях трансформатора выключают линию со стороны низкого напряжения при коротком замыкании после заземления, что ведет к погасанию дуги. Часто устраивают так. обр., что реле после выключения автоматически опять включает линию, чтобы не прерывать работы линии, если заземление носило случайный характер. Если же при вторичном замыкании дуга возникает вновь и следовательно повреждение линии носит устойчивый характер, реле вторично выключает линию и на зтот раз уже окончательно. Заземление нейтрали наглухо или же через небольшое сопротивление представляет большое преимущество в том отношении, что рабочее напряжение проводов незаземленных фаз по отношению к земле не может сделаться больше фазного напряжения системы, тогда как при изолированной нейтрали или при ее заземлении через большое сопротивление оно может достигнуть линейного напряжения, что очень существенно для линий весьма высокого напряжения, т. к. позволяет несколько облегчить изоляцию линий и трансформаторов. При большом числе линий заземление нейтрали позволяет сразу и просто обнаружить, па котором из фидеров произошло заземление, причем поврежденный фидер сразу выключается, что чрезвыч шно существенно для целей удобства и надежности эксплса-тагши линий.

Т. о. несомненно, что заземление нейтрали наглухо или через небольшое сопротивление представляет большие преимущества для длинных линий передачи высокого напряжения или же при большом числе линий и значительной протяженности системы. Этим следует объяснить, что в настоящее время 95% всех америк. линий высокого напряжения имеют заземленную нейтраль. Здесь характерно отметить, что около 15 лет тому назад только ок. 50% всех американских линий имели заземленную нейтраль, остальные работали при изолированной нейтрали или при заземлении через большое сопротивление, причем большинство последних линий вынуждены были перейти на работу с заземленной нейтралью под давлением данных практики эксплуатации линий. На нек-рых из америк. линий с изолированной нейтралью применяются автоматич. гасители дуг (смотрите). Существенною частью гасителя является селективное реле, к-рое ы. б. электростатическим или электромаг нитным и к-рое, поворачиваясь автоматически, замыкает ток в выключающем соленоиде масляного выключателя, соединяющего поврежденную фазу с землей. Т. о. дуга шунтируется масляным выключателем и гасится. Каждая из фаз имеет свой заземляющий масляный выключатель, к-рый включает и выключает фазы через добавочное сопротивление, что делается для облегчения конструкции масляного выключателя. После первого выключения масляный выключатель опять автоматически включается и, если дуга не погасла, вторично выключается и остается в этом положении. Т. о. линия может продолжать работать без перерыва с поврежденной фазой, причем напряжение здоровых фаз достигнет величины линейного напряжения по отношению к земле. Масляные выключатели отдельных фаз должен быть блокированы между собою, чтобы одновременно не могло происходить заземление двух фаз.

В Германии проф. Петерсеном был предложен способ гашения дуг путем компенсации токов в дуге при помощи индукционной катушки. Рассмотрим сначала применение катушки Петерсена в однофазной цепи (фигура 8). Пусть емкость про-

Фигура 8.

водов по отношению к земле будет С, и самоиндукция катушки, включенной между серединой обмотки высокого напряжения трансформатора и землей, пусть будет L. При заземлении одной из фаз, например 2, под влиянием эдс трансформатора Е ток пойдет по контуру: земля, емкость С неповрежденного провода, а, О, Ь, земля в месте повреждения. Если пренебречь сопротивлениями трансформатора и линии, этот ток будет опережающий реактивный и будет равен Ι_ζ=

=Е 2πηΟ. С другой стороны, под влиянием половины эдс трансформатора Vs Е потечет ток по контуру: земля,самоиндукция L, b, земля в месте повреждения. Этот ток—реактивный отстающий и будет равен

Т ^Е

^L 2·2π L·

N

Фигура 9

Т. о. через место заземления потекут два тока 1_С и I_L, один из которых будет отстающий, а другой опережающий, как показано на диаграмме (фигура 91. Если подобрать самоиндукцию т. о., чтобы I_c=l_z, r.e. настроить катушку самоиндукции на резонанс токов в заземляющей дуге, то произойдет компенсация. реактивных токов в дуге, и последняя вообще не сможет возникнуть. Необходимая для этого величина самоиндукции будет равна

L

1

2(2 лп)-С

Как показывает опыт, самоиндукция L может отличаться на 30—40% от той, которая соответствует резонансу, и тем не менее происходит гашение дуги. Вообще говоря, нельзя настроить катушку на резонанс для всех точек линии, т. к. при заземлении в конце линии к самоиндукции катушки будет прибавляться еще самоиндукция провода, которая однако будет незначительной по сравнению с самоиндукцией катушки.

При заземлении через дугу потенциал провода будет равен нулю. Если амплитуда половины разности потенциалов между проводами (фазное напряжение) равна Е_рт, то при частоте основного переменного тока п периодов разность потенциалов переходного процесса на катушке будет равна v₀=*=E_pme~^at sin ωί, где ω=2πη и α есть коэф-т затухания, зависящий от сопротивления цепи. Затухающее напряжение на катушке будет иметь частоту основного переменного тока в виду того, что самоиндукция катушки настроена на резонанс с емкостью С линии при числе периодов основного переменного тока и поэтому будет соответствовать числу периодов свободных колебаний. Потенциалы относительно земли v_t здоровой фазы и ν₂ поврежденной фазы будут соответственно равны:

«1=Ерт sin coi + Е_рт e~^at sin ωί =

= Ерт sin ωί (1 -f β^-αί)> ^υ2= E_pm ^e~^at sin ωί - E_pm sin ωί =

= —Ерт sin ωί(1 — е ^_αί).

Напряжение v_lt v₂ и v₀, начиная с момента заземления, представлены графически на диаграмме фигура 10. Напряжение заземленной фазы после перерыва дуги

личины фазного напряжения, чтоАзатруд-няет вторичное зажигание дуги. Тем не менее через дугу будут течь не только реактивные токи, но будет иметь место также и активная составляющая тока, обусловленная утечкой тока через изоляторы на землю, а также и тем, что катушка Петерсена и провод линии передачи имеют нек-рое сопротивление, благодаря чему диаграмма токов, проходящих через дугу, представится фиг .11, на которой 1_Г представляет активную составляющую тока, т. наз. остаточный ток (Reststrom), к-рый не м. б. компенсирован реактивным током катушки. По данным Петерсена остаточный ток составляет обыкновенно 4—15 % от компенсирующего реактивного тока катушки. Если остаточный ток велик по абсолютной величине, что будет иметь место в протяженной системе передачи энергии, т. к. утечка будет возрастать пропорционально длине линий, то он может оказаться достаточным для питания дуги, которая таким образом не будет погашена катушкой Петерсена. То же может произойти при случайном увеличении утечки тока, как например в случае дождя или росы на изоляторах линии. Отсюда ясно, как и показывает практика с катушкой Петерсена, что применение ее д.б. ограничено такими системами, в которых зарядный ток на землю не очень велик, во всяком случае не больше 100 А. Так. обр. катушка Петерсена применима на линиях на 100 kV и не очень большой длины. Для линий высокого напряжения катушка Петерсена имеет еще тот недостаток, что напряжение здоровой фазы поднимается до линейного во время заземления, что ведет к увеличению стоимости изоляции линии. Для таких линий несомненно более выгодным является прямое за-

I,

к

Фигура 11.

земление нейтрали. Как показал опыт и практика, в случае отказа гасить дугу катушка Петерсена может дать повод к большим перенапряжениям, которые в отдельных случаях доходили до 250—400%.

Для избежания П. при применении ка тушки Петерсена в случае отказа погасить заземляющую дугу в Америке было предложено включить в цепь катушки максимальное реле с выдержкой времени, к-рое следовательно приходило бы в действие, если ток в катушке продолжается длительное время, то есть если дуга не погашена катушкой. Это реле может выключить линию непосредственно со стороны низкого напряжения, или же оно может включить масляный выключатель, шунтирующий катушку, к-рый т. о. превратит всю систему в систему с заземленной нейтралью и переведет заземление в однофазное короткое замыкание, следствием которого будет автоматическое выключение линии со стороны низкого напряжения. В случае же трехфазной системы катушка Петерсена включается в нейтраль,как это показано на схеме фигура 12. Для случая заземления фазы 3 диаграмма токов и напряжений может быть представлена диаграммой (фигура 13), из которой следует,что при резонансе токов в дуге долж-

Фиг. но быть соблюдено равенство: y/s E

откуда

2 ЕсоС

L=.

2 /ikul ί

Зш2С

При заземлении в какой-нибудь другой фазе ток в катушке автоматически поворачивается по фазе. Катушки Петерсена изготовляются с железным сердечнихшм, насыщение которого для правильной работы катушки должен быть невелико. Катушка должен быть изолирована на фазное напряжение и ее мощность в kV должен быть равна 1Е. Если имеется несколько линий, то каждая из линий должна иметь при своем трансформаторе катушку, выключаемую вместе с линией, т. к. необходимая общая величина самоиндукции катушки пропорциональна длине приключенных линий.

В случае нескольких линий вместо приключения к каждой из линий по катушке Петерсена бывает удобнее приключить к шинам станции гасительный трансформатор, предложенный Bauch’ом, действующий аналогично катушке Петерсена, как это видно из схем фигура 14 и 15. Гасительный

трансформатор имеет четыре стержня, на трех из которых имеется обмотка высокого напряжения, включенная звездой и имеющая заземленную нейтраль. Вторичная обмотка включена треугольником, в который введена катушка самоиндукции L с регулируемой величиной самоиндукции. При заземлении на одной из фаз, например 3, токи во всех трех фазах обмотки низкого напряжения будут находиться в фазе и будут равны по величине, тогда как в отсутствии заземления эти токи будут равны нулю вследствие равновесия эдс в трехфазной системе. Токам во вторичной обмотке будут соответствовать токи в обмотке высокого напряжения, причем величина последних будет зависеть от величины самоиндукции L, и следовательно может быть подобрана такой, чтобы получилась компенсация тока в дуге. Направление токов показано стрелками на фигуре 15.

Как было приведено выше, современная америк. практика применяет обыкновенно заземление нейтрали наглухо или же через

небольшое сопротивление. В установках, питаемых непосредственно генераторным напряжением, по данным Льюиса (W. W. Lewis) применяется обыкновенно сопротивление, изменяющееся в пределах от 0 до 10 Ω. Большинство установок высокого напряжения имеют наглухо заземленную нейтраль трансформатора, если же заземление делается через сопротивление, то величина последнего колеблется в пределах от 10 до 150 Ω. С точки зрения устойчивости параллельной работы систем, введение сопротивления в нейтраль является желательным, т. к. этим увеличивается устойчивость параллельной работы благодаря уменьшению токов нулевой последовательности при однофазном коротком замыкании на землю, к-рое чаще всего имеет место на практике. Введением сопротивления в нейтраль облегчается также работа масляных выключателей при выключении коротких замыканий и ослабляется влияние на соседние установки слабого тока. С другой стороны, для правильной работы релейной защиты установки необходимо допущение известной силы тока, текущего через нейтраль при однофазном коротком замыкании, хотя в нек-рых установках эта сила тока получается чрезмерной, и с точки зрения релейной защиты было бы так же вполне допустимо введение нек-рого сопротивления в нейтраль установки. Чем меньшее сопротивление введено в нейтраль, тем меньше получаются П. на здоровых фазах при заземлении одной фазы через дугу на землю. Подсчеты показывают, что при незаземленной нейтрали при возникновении заземления на землю через дугу при емкостном опережающем токе в дугу II. на двух здоровых фазах могут достигнуть 7,5-кратной величины амплитуды фазного напряжения. Однако если иметь в виду естественное затухание колебаний в системе, то эти П. не превысят 5—5,5-кратиой величины амплитуды фазного напряжения.

При наглухо заземленной нейтрали в неповрежденных фазах колебаний не получается при заземлении одной из фаз через дугу. При заземлении нейтрали через сопротивления в неповрежденных фазах получаются колебания при коротком замыкании одной из фаз на землю, причем П. на неповрежденных фазах при соответствующем выборе сопротивления заземления могут достигнуть 2,5-кратной величины амплитуды фазного напряжения. Ниже приводятся данные (по Льюису) кратности П. по отношению к амплитуде фазного напряжения при замыкании на землю одной из фаз:

Заземление через дугу Кратность П.

Момент возникновения дуги. 2,5

Установившаяся дуга:

а) без учета затухания. 7,5

б) с учетом затухания. 5,5

в) с учетом затухания и емкости между проводами.. 6,5

Заземление нейтрали через сопротивление не выше критического. 2,5

Нейтраль заземлена наглухо. ι,ο

Если нормальный зарядный ток трехфазной линии равен 1_п, то при наглухо заземленной нейтрали реактивная составляющая опережающего тока 1_С в месте замыкания на землю равна обыкновенно по данным Льюиса

1(7=0,75 1_п. При нейтрали, заземленной через сопротивление, 1_С лежит обыкновенно в пределах 0,75—1,5 1_п. При трехжильных кабелях 1_С заключается обычно в пределах от 0,75 до 1,73 1_п и в трехфазных системах, состоящих из трех одножильных кабелей, 1_С изменяется в пределах от 1 до 3 1_п. При заземлении нейтрали через небольшое сопротивление при замыкании на землю одной фазы ток получается отстающим по фазе и почти в фазе с фазным напряжением, если сопротивление заземления велико. Сопротивление заземления R должен быть выбрано всегда с таким расчетом, чтобы отстающая реактивная составляющая тока короткого замыкания I_sc в месте замыкания на землю была всегда больше или по крайней мере равна опережающей составляющей 1_С. При таком выборе заземляющего сопротивления R не возникают опасные дуги замыкания на землю, вызывающие сильные колебательные процессы в линии, и напряжение на неповрежденных фазах не поднимается свыше 2,5-кратного по отношению к амплитуде фазного напряягения, что не представляет никакой опасности для изоляции линий и аппаратуры.

Критическое сопротивление заземления. Величина критич. сопротивления заземления определяется след. обр. Пусть R—величина критического сопротивления в Ω, Е—линейное напряжение между проводами в kV, Р—мощность в kVA, принятая за единицу при определении реактивных сопротивлений в %; х—реактивное сопротивление в % до места заземления на землю; 1_С—опережающая составляющая реактивного тока в месте замыкания на землю; к—отношение отстающей составляющей реактивного тока к опережающей составляющей в месте замыкания на землю (к не должен быть меньше 1 при включении критич. сопротивления R в нейтраль). Величина реактивного сопротивления, выраженная в Ω:

Отстающая реактивная составляющая тока короткого замыкания I_S(. в месте замыкания на землю равна:

ίο ψ

Е i ооо А*

- х

ίΟ*Ε3χ

кз-р[дг₊ ( д) I

Отношение реактивной отстающей составляющей тока короткого замыкания к опережающей составляющей зарядного тока I в месте замыкания на землю получится равным

Ю‘Е³х ”,

-= к.

Уз р

• 1с

Решая последнее уравнение относительно R, получим для величины критич. сопротивления ф-лу, предложенную Е. Clarke:

R

10£2 Р

Защита от грозовых П. Одной из самых действительных мер для защиты от грозовых П. являются заземленные тросы, протянутые над линией. Для защиты линий обыкновенно применяется один трос на вершине опоры при двух-, трехфазных цепях с вертикальным расположением проводов и два троса над проводами, расположенные между последними, в случае однофазной цени с расположением проводов в одной горизонтальной плоскости. Диаметр стального оцинкованного троса бывает обыкновенно ³I_S" или ¹/_ΐ". Однако понижение напряжения волн на 30—45 %, достигаемое благодаря применению троса, может иметь весьма существенное значение для линий не очень высокого напряжения, для которых абсолютная величина получающегося П. имеет весьма важное значение, т. к. напряжения, которые получались бы без применения троса, во много раз превосходили бы нормальное рабочее напряжение линии, и изоляция линии могла бы сильно пострадать от них. Это доказывается статистикой повреждений изоляторов на линиях, причем в литературе неоднократно отмечалось резкое падение числа поврежденных изоляторов с установкой заземленного троса над линией. Вопрос о применении троса еще м. б. спорным в отношении линий очень высокого напряжения, изоляция которых свободно выдерживает напряжения, получающиеся при грозовых разрядах. На американских линиях 220 kV заземленные тросы все-таки применены для защиты линий. Роль и значение троса на линии передач выяснились особенно за последнее время благодаря целому ряду весьма ценных исследований тех явлений, которые имеют место на линии передач при грозовых разрядах. Эти исследования сделались возможными благодаря изобретению и усовершенствованию клайдонографов и катодных осциллографов, при помощи которых стало возможным регистрировать процессы в момент грозовых разрядов, протекающие крайне быстро во времени в течение нескольких миллионных долей секунды. Клайдонографы (смотрите Осцги-лограф) позволяют определить полярность волны и максимальную амплитуду последней, в то время как катодные осциллографы (смотрите) дают полную запись волны во времени на светочувствительной пластинке или фильме.

Исследования волн и импульсов, возникающих при грозовых разрядах, производились как в лабораторных условиях при помощи мощных генераторов, так и в условиях работы линий передач во время естественных гроз. Эти исследования; произведенные как в Америке, так и в Европе, показывают, что грозовые П. в линиях передачи трудно объяснить только одними индуктированными зарядами во время даже весьма близких от линии грозовых разрядов, но что эти П. следует объяснить непосредственными ударами молнии в линии передачи. Этот факт в корне изменяет прежнюю точку зрения на роль троса и других приборов в деле защиты линии от грозовых разрядов. Наблюдение показывает, что грозовые П. при индуктированных в линии зарядах полу-

чаются приблизительно наполовину меньше, чем вычисленные теоретически в предположении мгновенного исчезновения поля грозового облака после удара молнии, как это обыкновенно принималось при выводах. Это обстоятельство указывает на то, что поле грозового облака не исчезает сразу же после разряда молнии, но что объёмные заряды в атмосфере, образовавшиеся при ударе молнии, не могут мгновенно нейтрализоваться и гга это требуется нек-рое, хотя м. б. и весьма краткое время. Наибольшие П. получаются при непосредственном ударе молнии в провода линии передачи или защищающие ее заземленные тросы. При таких непосредственных ударах П. и силы тока в линии могут достигнуть весьма больших величин. Обыкновенно при ударах молнии кроме главного стержня разряда имеется еще целый ряд разветвлений разряда, сила тока в которых меньше, чем в главном стержне. Непосредственные удары молнии в линию происходят обыкновенно главным образом при посредстве этих ответвлений от главного стержня молнии. Разряд молнии получается апериодическим, и если при разряде молнии и возникают колебания, то их следует объяснить вторичными причинами вследствие индукционных влияний при разрядах на проводах и изоляторах в присутствии емкости и самоиндукции.

По данным проф. Маттиаса разряд молнии обыкновенно направлен от облака к земле и в редких случаях в обратном направлении. Соотношение числа случаев образования разряда молнии в направлении от облака к числу случаев образования разряда молнии в обратном направлении составляет приблизительно 6:1. По данным проф. Маттиаса сила тока в главном стержне молнии колеблется в пределах от 1 до 50 000 А, причем кроме главного стержня имеется еще целый ряд ответвлений, число которых доходило в указанных наблюдениях до 42. Длительность разряда в ответвлении молнии составляет приблизительно 0,5—20 микросекунд (jack.). Обычно скорость изменения градиентов потенциала электрич. поля под облаком составляет ок. 2 000 kV/.w в ск, хотя проф. Маттиас наблюдал в отдельных случаях изменение градиента потенциала, превосходившее более чем в 10 раз указанное выше. Скорость изменения электрического поля под облаком обыкновенно недостаточна,

• чтобы вызвать сколько-нибудь значительные П. в линии, которые получаются опасными при непосредственном ударе молнии или ее разветвлений в проводы или заземленные тросы линии. Пик (F. W. Реек) на основании своих наблюдений дает следующие характеристики грозовых разрядов: напряжение молнии порядка 100 000 000 V; сила тока в молнии —100 000 А; энергия разряда — 4 kWh; мгновенная мощность в молнии— 100 млрд. IP; продолжительность разряда— несколько уск. (1—10 (аск.); критический градиент разряда молнии—330 kV/jn.

Общая величина энергии, которая расходуется в течение года на грозовые разряды на всей поверхности земли, соответствует приблизительно энергии центральной станции, работающей непрерывно при мощности

1 200 000 kW. Что же касается волн импульсов, появляющихся на липни при грозовых разрядах, то Пик дает для них следующую характеристику; волны большого напряжения имеют подъем фронта в течение нескольких уск.; напряжение волн падает наполовину в течение 5—20 ;аск. Сила тока в линии во время импульса достигает 2 000—5 000 А. Волны получаются апериодическими и имеют весьма значительное затухание. Коэфициент импульса на линии для волн сильных грозовых разрядов получается равным 2. Напряжение волны возрастает пропорционально высоте проводов над уровнем земли, причем заземленный трос над линией снижает это напряжение приблизительно наполовину. По америк. данным 75% всех аварий на линиях высокого напряжения обусловлено грозовыми разрядами, являющимися главным врагом линий передач, от которого гл. образом необходимо защищать линии передачи энергии. Лыоис систематически исследовал кратность П. на различных американских установках в течение ряда лет. На кривых фигура 16 приведены результаты исследований за 1929 год на установках Pennsylvania Power and Light Com- ⁸⁰ рапу (кривая 1) на 70 пряжением 220 kV и Ohio Power Com- ⁸⁰ рапу (кривая 2) напряжением 132 kV.

На оси абсцисс отложена кратность II. по отношению к амплитуде фазного напряжения, а по оси ординат отложено число П. в % от общего чис-лагрозовыхперена-пряжений. Как видно из кривых, II. достигали 14-кратной величины, причем такого рода П. бывали очень часто на установке в 220 kV. Последнее обстоятельство объясняется отчасти тем, что эта установка находится в местности, отличающейся весьма частыми и сильными грозами, а также и тем обстоятельством, что на этой установке защитный трос применен только на части линии в виду усиленной изоляции самой линии. Что касается абсолютных величин числа перенапряжений грозового характера на этой установке, то было 14 случаев П. свыше

2 400 kV из общего числа 45 грозовых П. свыше 300 kV. Лыоис исследовал также затухание волн грозовых П. на существующих установках. Напряжение волны в kV м. б. выражено следующей ф-лой:

е=- ^е°,

kseo +1

где е₀—напряжение волны в месте ее возникновения в kV; 7с — постоянная; s — расстояние в км от места возникновения волны; е—напряжение волны в kV на расстоянии s км от места ее возникновения. Затухание волны получится равным (в кУ/к.м):

Л =

Ле _ ds

№se₀+ l)²

= - l:e

Из опытов получилась величина fc=0,0001. Если например первоначальное напряжение волны равно 2 000 kV, то это напряжение на расстоянии 20 км упадет до величины

2000 АГ П 1ЛТ

^е= (0,0001 · 20 · 2000) + 1 ⁼ ®

Затухание волны в месте ее возникновения при s=0 будет равно: А=— 0,0001 -2 000²= — 400kV/«J№. Как видно из предыдущих ф-л, затухание волны растет очень быстро с величиной напряжения волны, т. к. оно пропорционально квадрату напряжения волны.

Из описанных выше явлений при грозовых П. вытекает, что взгляд на систему защиты линий от таких П. долженТ&быть в корне изменен, т. к. эти П. обязаны своим происхождением главным обр. прямым ударам молнии, а не зарядам, появляющимся на линии вследствие электростатич. индукции поля грозового облака. Как показывает опыт в лаборатории и практика на линии, заземленные тросы оказывают значительное защитное действие. Однако это защитное действие основано главным образом не на снижении индуктированных зарядов, а на том, что эти тросы, будучи расположены выше проводов линии, принимают удар молнии на себя и, будучи заземлены, быстро отведут его в землю, благодаря чему в линии возникнут волны, индуктированные токами в тросе при отводе в землю тока молнии. Могут несомненно иметь место и прямые удары молнии в проводе, но, как показывают опыты над моделями линий при опытах с генератором импульсов в лабораторной обстановке, прямые удары молнии при наличии над проводами заземленных тросов будут приходиться гл. обр. на тросы. Чем ниже расположены провода передачи к земле, тем положение их благоприятнее с точки зрения защиты от грозовых разрядов. Америк. практика показала, что горизонтальное расположение проводов линии передачи значительно благоприятнее с точки зрения грозовых П., чем вертикальное расположение, при к-ром провода расположены выше над землей и более подвержены грозовым разрядам. Как показывает практика, линии с горизонтальным расположением проводов страдают от грозовых разрядов значительно меньше, чем линий с вертикальным расположением.

Так. обр. главная функция заземленного троса над проводом линии передачи в деле защиты линии от грозовых П. должна заключаться в возможно быстром отводе в землю тока молнии. С этой целью выгодно делать защитные тросы не из стали, как это делалось до сих пор в расчете только на электростатическую индукцию, а из хорошо проводящего материала, как алюминий со стальным сердечником или даже медь. При грозовых П., как было указано выше, в проводах линии получаются весьма высокие напряжения, измеряемые в млн. V, и весьма большие силы тока, измеряемые несколькими тысячами А. При этих условиях для защиты линии уже делаются недостаточными такие разрядники, которые в состоянии отвести волну с линии без отражения, т. к. напряжения при этом будут все-таки весьма высокими, вследствие большой величины напряжения самой волны. Для защиты линии очевидно нужны весьма быстро действующие разрядники, которые в состоянии ток волны П. отвести в землю быстро, пока еще не имеют место разряды на гирляндах изоляторов, вследствие явления запаздывания разряда, чтобы этим самым снизить абсолютную величину П. до такого предела, к-рый уже может выдержать изоляция линий и подстанций. После прохождения волны П разрядник должен немедленно восстановить свою изоляцию и прервать течение тока генератора. При таком разряднике, сопротивление которого незначительно по сравнению с волновым сопротивлением линии, будет иметь место отрицательная отраженная волна, которая снизит величину П. Действительно, в предельном случае мы получим величину отраженной волны,равную амплитуде падающей волны, то есть отраженная волна при своем движении будет полностью снимать напряжение падающей волны. Т. о. мы видим, что главными мерами защиты от грозовых П. является применение хорошо и часто заземленных тросов из хорошо проводящего материала, а также применение разрядников, имеющих целесообразную конструкцию и соответствующую характеристику. В настоящее время уже имеются разрядники подходящего типа—т. н. тири-товые разрядники и разрядники в е н-тильного типа.

В случае линий с деревянными опорами часто наблюдается расщепление опор при грозовых разрядах. Как показал Пик, деревянные опоры представляют при грозовых импульсах весьма большое сопротивление .прчЬтка около 330 — 1 000 kV/м в зависимости от рода и состояния дерева. Сопротивление разряду деревянного столба несоизмеримо больше разрядного напряжения линейных изоляторов, однако деревянные разрядим столбы при грозовых раз-рядах могут подвергаться расщеплению. Для использования большой изолирующей способности деревянных столбов и в то же время для предупреждения расщепления послед-фигура 17. них Пик рекомендует ставить вдоль столба метал-лич. проводник, прерванный в одном месте игольчатым искровым промежутком, выбирая длину искрового промежутка ок. 91,5 см, как показано на фигуре 17.

Применение дроссельных катушек, катушки Кампосса и тому подобное. приборов для защиты подстанций от П. не может быть рекомендовано. В виду большого волнового сопротивления трансформаторов самоиндукция защитных катушек практически не играет никакой роли в защите трансформаторов и не оказывает никакого влияния на работу разрядника, как это м. б. показано теоретически и как это доказано экспериментально при помощи катодных осциллографов.

J

игольчатый

Лит.: СмуровА. А., Электротехника высокого напряжения и передача электрич. энергии, Л., 1925; У г р и м о в Б. M, Техника высоких напряжений, вып. 3, М,—Л., 1924; R ii d e n b e r g R., EleHrische Schaltvorgange, 2 Aufl. B., 1926; SteinmetzC.P., Theory a. Calculation of Transient Electric Phenomena a. Oscillations, N. Y., 1920; LewisW. W., Transmission Line Engineering, N. Y., 1928. А. Смуров.