Внезапные кратковременные повышения напряжения до величины, опасной для изоляции электроустановки, называют перенапряжением. По своему происхождению перенапряжения бывают двух видов: внешние (атмосферные) и внутренние (коммутационные).
Атмосферные перенапряжения возникают при прямых ударах молнии в электроустановку или при ударах молнии в непосредственной близости от нее. Атмосферные перенапряжения представляют наибольшую опасность для электроустановки, так как при прямых ударах молнии они могут достигать 1000000 В, при токе молнии — до 200кА. Они не зависят от величины номинального напряжения электроустановки. Особенно опасны они для установок с более низким напряжением, так как в этих установках расстояния между токоведущими частями и уровень изоляции ниже, чем при высоких напряжениях.
Атмосферные перенапряжения подразделяют на индуктированные и от прямого удара молнии. Первые возникают при грозовом разряде вблизи от электроустановки, например, подстанции или линии электропередачи. Перенапряжение образуется за счет индуктивного влияния грозового облака, заряженного до очень высокого потенциала (несколько миллионов вольт).
При прямом ударе молнии, кроме электромагнитного действия, вызывающего перенапряжения, отмечаются также механические повреждения, например, расщепление деревянных стоек или траверс опор воздушных линий электропередач.
Индуктированные перенапряжения имеют величину порядка 100 кВ, что значительно меньше перенапряжения, вызываемого прямым ударом молнии. Они распространяются по проводам воздушной линии после разряда в виде затухающих волн.
Разряд молнии в большинстве случаев состоит из серии отдельных импульсов, следующих друг за другом. Весь разряд длится десятые доли секунды, а отдельные импульсы имеют длительность в десятки микросекунд каждый. Число отдельных импульсов при разряде молнии может быть от 1 до 40.
Защита электроустановок от атмосферных перенапряжений
Выше отмечалось, что атмосферные перенапряжения могут достигать нескольких миллионов вольт. Изоляция электроустановок не может выдержать таких уровней напряжения, поэтому она нуждается в дополнительных средствах защиты от пробоя. Эти средства предотвращают повреждение электрооборудования и должны применяться в электроустановках как для повышения бесперебойности электроснабжения потребителей, так и для защиты людей и животных.
Особое внимание должно быть уделено защите от перенапряжения воздушных линий напряжением 10 и 0,4 кВ, а также подстанциям потребителей, расположенных в сельской местности.
Одним из серьезных последствий перенапряжений, в частности, вследствие прямых ударов молнии, могут быть пожары. Поэтому вопросам организации правильной и надежно работающей защиты от атмосферных перенапряжений (или грозозащите) уделяют самое серьезное внимание.
В проблему грозозащиты входят мероприятия по защите отдельных элементов электроустановок от прямых ударов молнии, изоляции электрических машин и аппаратов от пробоев, от импульсов, набегающих с линии волн перенапряжений. Эти мероприятия сводятся к установке защитных аппаратов и устройств, которые отводят импульс (волну) перенапряжений в землю до того, как волна достигнет какого-либо ответственного элемента установки и выведет его из строя.
Главной частью всех защитных аппаратов поэтому являются заземлители. Они должны быть выполнены в соответствии с ПУЭ и обеспечивать надежный отвод заряда в землю.
В качестве основных защитных средств от атмосферных перенапряжений применяют молниеотводы, разрядники и искровые промежутки.
Молниеотводы ориентируют атмосферный разряд на себя, отводя его от токоведущих частей установки. Для защиты сосредоточенных объектов (например, подстанций или других сооружений) используют стержневые, а для защиты протяженных (например, проводов воздушной линии) — тросовые молниеотводы. Разрядники и искровые промежутки устанавливают для отвода заряда в землю.
Для грозозащиты генераторов станций и трансформаторов предусматривают набор средств как для защиты от прямых ударов молнии, так и от волн перенапряжений, набегающих с линии.
Защиту от прямых ударов молнии выполняют стержневыми молниеотводами и тросовыми молниеотводами на подходах воздушной линии к станции или подстанции. Защиту генераторов от волн, набегающих с линии, осуществляют разрядниками, ограничивающими амплитуду волны до значения, не опасного для изоляции электрической машины.
Крупные генераторы не рекомендуется непосредственно соединять с отходящими линиями электропередачи. Для небольших станций, снабжающих электроэнергией потребителей на генераторном напряжении, такое соединение возможно при дополнительной установке у генератора специальных разрядников с улучшенными характеристиками.
Если генераторы соединяются с повысительными трансформаторами непосредственно, т. е. по схеме блока "генератор - трансформатор", то специальных мер защиты от поли перенапряжений они не требуют.
Воздушные линии напряжением 6 - 35 кВ, выполненные на деревянних опорах, не требуют специальной защиты от перенапряжений. Грозоупорность изоляции у них обеспечивается изоляционными свойствами дерева. Здесь важно лишь выдержать следующие минимальные изоляционные расстояния между проводами (по дереву): 0,75 м для напряжений 6 - 10, 1,5 м для напряжения 20 и 3 м для напряжения 35 кВ.
Отдельные участки воздушных линий с ослабленной изоляцией (например, с использованием металлических или железобетонных опор, соединения воздушной линии с кабельной и др.) защищаются разрядниками или искровыми промежутками (при малых токах) (смотрите - Трубчатые разрядники и Вентильные разрядники). Сопротивление заземляющих устройств этих аппаратов должно быть не более 10 Ом.
Разрядники и искровые промежутки устанавливаются на опорах двух воздушных линий, пересекающихся между собой, или в местах пересечения воздушной линии электропередачи с линией связи. Сопротивление заземляющих устройств здесь должно бить не выше 15 Ом. Заземляющие спуски на опорах должны иметь болтовое соединение, а их сечение должно быть не ниже 25 мм2.
Для восстановления питания по воздушной линии после быстропроходящих грозовых повреждений используют устройства АПВ (автоматического повторного включения) линий. При успешном срабатывании устройств АПВ в качестве средства от грозозащиты потребители не почувствуют перерыва в электроснабжении, который будет не больше 0,2 с, и их нормальная работа не нарушится.
Кабельные вставки защищаются с обоих концов разрядниками.
Защиту сетей потребителей напряжением 0,38/0,22 кВ выполняют особенно тщательно. Эти сети выполняют, как правило, воздушными и их конструкция наиболее подвержена атмосферным перенапряжениям, так как они возвышаются над всеми остальными сооружениями и проходят по открытой местности.
Низковольтные сети снабжают устройствами грозозащиты, отводящими импульсные токи разряда в землю. Это позволяет обезопасить людей и животных, предотвратить пожары, которые возникают вследствие грозовых разрядов и их проникновения во внутренние электропроводки.
В сетях низкого напряжения предусмотрены присоединения к грозозащитным заземлениям крюков или штырей изоляторов всех фазных проводов и нейтрального провода.
На опорах с отводами проводов в дома или непосредственно на вводах в строения также предусматривают заземления. Сопротивление защитного заземляющего устройства должно быть не выше 30 Ом.
На подстанциях потребителей 10/0,4 кВ низковольтные обмотки, соединенные с воздушными линиями, должны быть защищены разрядниками. Они устанавливаются возможно ближе к трансформатору и соединяются с общим заземляющим контуром подстанций. При мощности трансформатора 630 кВа и выше на линиях, отходящих от него, выполняют дополнительно два защитных заземления — в 50 и 100 м от подстанции с указанной величиной сопротивления.