Перенапряжения. Общие положения

Материал из Руководство по устройству электроустановок

Версия от 01:46, 2 апреля 2012; LMischler (обсуждение | вклад)

(разн.) ← Предыдущая | Текущая версия (разн.) | Следующая → (разн.)
Перейти к: навигация , поиск
Общие правила проектирования электроустановок
Подключение к распределительной сети высокого напряжения
Подключение к низковольтной распределительной сети
Руководство по выбору архитектуры сети высокого и низкого напряжения
Распределение в системах низкого напряжения
Защита от поражения электрическим током
Выбор сечения и защита проводников
Низковольтная распределительная аппаратура
Защита от перенапряжений в низковольтных сетях
Энергоэффективность в электрических сетях
Компенсация реактивной мощности и фильтрация гармоник
Управление гармониками
Особые источники питания и нагрузки
Электроустановки жилых помещений и коттеджей
Электромагнитная совместимость (ЭМС)


Содержание

Что такое перенапряжение?

Перенапряжение - это импульс или волна напряжения с наложением на номинальное сетевое напряжение (см. рис. J1).


Рис J01.jpg


Рис. J1: Примеры перенапряжений


Этот тип перенапряжений характеризуется следующими параметрами (см. рис. J2):

  • время нарастания (tf) в мкс;
  • скорость нарастания в кВ/мкс.

Перенапряжения нарушают работу оборудования и вызывают электромагнитное излучение. Более того, продолжительность перенапряжения (Т) вызывает всплеск энергии в электрических цепях, который может повредить оборудование.


Рис J02.jpg


Рис. J2: Основные характеристики перенапряжения


Четыре типа перенапряжений

Существуют четыре типа перенапряжений, которые могут нарушать работу электроустановок и оборудования (потребителей):

  • атмосферные перенапряжения;
  • коммутационные перенапряжения;
  • переходные перенапряжения промышленной частоты;
  • перенапряжения, вызванные электростатическим разрядом.

Атмосферные перенапряжения

Риск молний - некоторые сведения
От 2000 до 5000 грозовых явлений образуются постоянно в атмосфере земли. Грозы сопровождаются разрядами молнии, которые представляют серьезную угрозу для людей и оборудования. Разряды молнии в атмосфере земли происходят с частотой 30-100 разрядов в секунду. Ежегодно земля испытывает около 3 миллиардов ударов молнии.

  • Каждый год во всем мире тысячи людей подвергаются ударам молнии, при этом погибает огромное число животных.
  • Кроме того, молнии являются причиной многочисленных пожаров, большинство из которых возникает на фермах (с уничтожением сооружений или их выходом из строя).
  • Молнии поражают трансформаторы, счетчики электроэнергии, бытовые электроприборы и электрические и электронные системы в жилом секторе и промышленности.
  • Высотные здания - одни из самых поражаемых молнией сооружений.
  • Стоимость устранения ущерба, наносимого молнией, крайне велика.
  • Трудно оценить последствия нарушений работы компьютерных или телекоммуникационных сетей, сбоев циклов PLC  и отказов в системах управления.

Более того, потери из-за выхода машин из строя могут иметь финансовые последствия, выходящие за пределы стоимости оборудования, разрушенного молнией.

Характеристики разряда молнии
Рис. J3 содержит данные комитета по молниезащите (технический комитет 81 МЭК). Согласно этим данным 50% разрядов молнии имеют силу свыше 33 кА, а 5% - свыше 85 кА. Энергия разрядов крайне высока.

Важно определить наиболее подходящую защиту объекта. Ситуация усложняется тем, что ток молнии является импульсным током высокой частоты (ВЧ) порядка мГц.

Вероятность - выше макс. P (%) Пиковое значение тока I (кA) Скорость нарастания S (кA/мкс) Общая продолжит.T (с) Число разрядов (n)
95 7 9,1 0,001 1
50 33 24 0,01 2
5 85 65 1,1 6


Рис. J3: Характеристики разряда молнии согласно данным комитета по молниезащите


Воздействие молнии

Молнии происходят от разряда электрических зарядов, накопленных в кучевых облаках, которые образуют конденсатор с землей. Грозовые явления наносят значительный ущерб.

Молния - высокочастотное электрическое явление, вызывающее перенапряжения на всех проводящих элементах, особенно на нагрузках и проводах.

Ток молнии является электрическим током высокой частоты. Кроме значительных наводок и перенапряжения, он оказывает такое же воздействие на проводник, как любой другой ток низкой частоты:

  • Тепловой эффект: расплавление в точках воздействия молнии и тепловое действие тока приводят к пожарам.
  • Электродинамический эффект: при циркуляции токов молнии в параллельных проводниках они вызывают силы притяжения или отталкивания между проводами, приводя к разрывам или механическим деформациям (раздавливание или сплющивание проводов).
  • Эффект взрыва: молния может приводить к расширению воздуха и образованию зоны избыточного давления, расширяющейся на расстояние десятки метров. Ударная волна разрушает окна или перегородки и может отбрасывать животных или людей на несколько метров. Вместе с тем, ударная волна преобразуется в звуковую волну: гром.
  • Перенапряжения в проводниках после воздействия молнии на воздушные электрические или телефонные линии.
  • Перенапряжения, индуцированные электромагнитным излучением канала молнии, который действует как антенна в радиусе нескольких километров при прохождении по каналу сильного импульсного тока.
  • Повышение потенциала земли из-за циркуляции тока молнии в грунте. Это объясняет непрямые разряды молнии из-за образующегося шагового напряжения и связанные с этим повреждения оборудования.

Коммутационные перенапряжения

Резкое изменение установившегося режима работы электрической сети приводит к переходным процессам. Как правило, это волны перенапряжения высокой частоты (их частота изменяется от нескольких десятков до нескольких сотен кГц).

Причины коммутационных перенапряжений:

  • Отключения устройствами защиты (плавкий предохранитель, выключатель) и отключения или включения аппаратуры управления (реле, контактор и т.д.).
  • Перенапряжения от индуктивных цепей из-за пуска или останова двигателей или отключения понижающих трансформаторов подстанций.
  • Перенапряжения от емкостных цепей при подсоединении блоков конденсаторов к сети.
  • Все устройства, имеющие в своем составе катушку, конденсатор или трансформатор на входе питания: реле, контакторы, телевизоры, принтеры, компьютеры, электропечи, фильтры и т.д.


Переходные перенапряжения промышленной частоты

(см. рис. J4)

Такие перенапряжения имеют такую же частоту, как сеть (50, 60 или 400 Гц):

  • Перенапряжения из-за повреждения изоляции фаза/корпус или фаза/земля в сети с заземленной непосредственно или через сопротивление нейтралью или из-за разрыва нейтрального проводника. При этом однофазные устройства получают напряжение 400 В.
  • Перенапряжения из-за пробоя кабеля. Например, при падении кабеля высокого напряжения на низковольтную линию.
  • Образование дуги при срабатывании защитного искрового разрядника высокого или среднего напряжения вызывает повышение потенциала земли, что приводит к появлению перенапряжений.


Рис J04.jpg


Рис. J4: Переходное перенапряжение промышленной частоты


Перенапряжения из-за электрического разряда

В сухой среде электрические заряды накапливаются и создают очень сильное электростатическое поле. Например, человек, идущий по ковру в изолирующей обуви, становится электрически заряженным до напряжения нескольких киловольт. Если человек проходит около проводящей конструкции, возникает электрический разряд в несколько ампер с очень коротким временем нарастания (несколько наносекунд). Если конструкция включает в себя чувствительное электронное устройство, например, компьютер, его компоненты или монтажные платы могут быть повреждены.


Основные характеристики перенапряжений

Необходимо учитывать три фактора:
  • Прямой или непрямой удар молнии может иметь разрушительные последствия для электросистем в радиусе нескольких километров.
  • Коммутационные перенапряжения наносят значительный ущерб.
  • Подземное размещение оборудования никоим образом не защищает его от поражения, хотя и ограничивает риск прямого поражения.


Рис. J5 ниже показывает сводные основные характеристики перенапряжений.

Тип перенапряжения Коэффициент
перенапряжения
Продолжительность Частота
Промышленная частота
(повреждение изоляции)
1,7 Длительное
30 - 1000 мс
Промышлен. частота
(50-60-400 Гц)
Коммутационное 2 - 4 Кратковременное
1 - 100 мс
Средняя
1 - 200 кГц
Атмосферное > 4 Очень кратковремен.
1 - 100 мкс
Очень высокая
1 - 1000 кВ/мкс


Рис. J5: Основные характеристики перенапряжений



Различные виды перенапряжений

Несимметричные (синфазные) перенапряжения

Несимметричные (синфазные) перенапряжения возникают между деталями под напряжением и землей: фаза/земля или нейтраль/земля (см. рис. J6).
Они особенно опасны для конструкций, которые заземлены в силу риска пробоя диэлектрика.


Рис J06.jpg


Рис. J6: Несимметричные (синфазные) перенапряжения


Симметричные (дифференциальные) перенапряжения

Симметричные (дифференциальные) перенапряжения циркулируют между проводниками фаза/фаза или фаза/земля под напряжением (рис. J7). Они особенно опасны для электронного оборудования, чувствительного компьютерного оборудования и т.д.


Рис J07.jpg


Рис. J7: Симметричные (дифференциальные) перенапряжения