Приложение С (справочное). Окружающая среда - Импульсные перенапряжения в низковольтных системах

Приложение С
(справочное)

Окружающая среда - Импульсные перенапряжения в низковольтных системах

Примечание 1 - Ядерный электромагнитный импульс (ЯЭМИ) в стандарте не рассматривается, он требует отдельного рассмотрения.

Примечание 2 - Импульсные перенапряжения, рассматриваемые в настоящем стандарте, - это те, которые в два раза превышают пиковое рабочее напряжение и имеют длительность от долей микросекунды до миллисекунды. Здесь не рассматриваются перенапряжения меньшего порядка, равно как и переходные процессы большей длительности, вызываемые работой силового оборудования и режимами повреждения. Поскольку подобные низкоамплитудные длительные броски не подавляются общепринятыми УЗИП, то потребуются иные методы защиты, чем рассматриваемые в настоящем стандарте.

Примечание 3 - Приводимая здесь информация является обзором будущего стандарта МЭК 62066, который будет опубликован в виде технического отчета. В настоящий момент цель публикации - это предоставление информации. Когда стандарт будет опубликован, на него будут сделаны непосредственные ссылки, в частности будут добавлены чертежи.

Импульсные перенапряжения, появляющиеся в низковольтных системах, являются следствием трех видов явлений:

a) природные явления, например удар молнии, который может попасть непосредственно в силовую систему, либо, ударив в любой близлежащий объект, навести перенапряжение;

b) преднамеренное действие в отношении силовой системы, такое как нагрузка или коммутация конденсаторов, включенных в передающие или распределительные системы потребителей, либо как операции конечных пользователей;

c) непреднамеренные события, такие как повреждения в энергосистеме и их устранение или связь между различными системами, например взаимодействие между энергосистемами и системами связи/управления.

С.1 Грозовые перенапряжения

Гроза - неотвратимое явление, которое посредством различных механизмов воздействует на низковольтные системы (силовые системы, а также системы связи/управления). Очевидным взаимодействием является прямой удар в систему, но и другие связующие механизмы тоже могут стать причиной перенапряжения в системе. Три типа связующих механизмов позволяют говорить как о причине, вызывающей перенапряжения в низковольтных системах. Хотя речь идет о перенапряжениях, важным аспектом этой темы являются токи, связанные с перенапряжениями, или токи, являющиеся первопричиной перенапряжений. Это следующие три типа категорий:

a) прямые удары в силовую систему, которые могут прийтись на первичную сторону распределительного трансформатора среднего/низкого напряжения, на низковольтную распределительную систему (воздушные или подземные линии), а также на подводящие ответвления к отдельным зданиям;

b) непрямые удары: удары в близлежащие объекты, которые могут вызвать перенапряжения в низковольтной распределительной системе посредством индуктивной связи или общих маршрутов кабельных сетей. Хотя перенапряжения и импульсные токи вследствие таких ударов менее высокие, чем связанные с прямыми ударами, они случаются значительно чаще;

c) прямые удары в систему молниезащиты или в не связанные с ней части здания конечного потребителя (конструкционная сталь, неэлектрические узлы и коммуникации, например водоводы, тепло- и воздуховоды, лифтовые шахты и т.д.). Такие удары могут иметь два вида последствий: индуктивная связь от грозовых токов, проводимая посторонними частями, и передача грозового тока от здания в низковольтную систему, неизбежная в силу необходимой защиты, осуществляемой УЗИП, установленным между проводами низковольтной системы и местным заземлением, или так называемой эквипотенциальной связью электроустановки.

Для конкретного случая значение перенапряжения, появившегося на объекте конечного пользователя, отражает характеристики пути связи, такие как вид системы и расстояние между точкой удара молнии и объектом конечного пользователя, способ заземления, сопротивление провода заземления, наличие УЗИП вдоль трассы и наличие ответвлений системы распределения.

С.1.1 Грозовые перенапряжения, передающиеся от высоковольтных систем

В стадии рассмотрения.

С.1.2 Перенапряжения, вызванные прямыми ударами молнии в низковольтные распределительные системы

Действующее полное сопротивление грозового канала высоко, и грозовой ток можно практически считать идеальным источником тока. Поэтому производимые перенапряжения определяются мгновенным действующим полным сопротивлением и грозовым током.

Для удара в линию в первый момент напряжения определяют полным собственным сопротивлением (импульсным сопротивлением) линии. Ток I сначала делят на два, и генерированный импульс напряжения U составляет:

,

где U - импульсное напряжение;

Z - полное импульсное сопротивление линии;

I - импульсный ток.

Если допустить умеренный импульсный ток 10 кА и полное импульсное сопротивление 400 Ом, то ожидаемый импульс напряжения составит 2000 кВ.

Поэтому, что касается низковольтных линий, перекрытия обычно будут происходить между всеми линейными проводами и в большинстве случаев также между линией и землей. После перекрытия действующее полное сопротивление уменьшается на значение, зависящее от соответствующего сопротивления заземления.

Однако даже для более низкого действующего полного сопротивления, к примеру 10 Ом, напряжение на линии составит 100 кВ, если допустить, например, что грозовой ток составляет 10 кА.

В комбинированной воздушной/кабельной системе перенапряжения могут несколько снизиться вследствие того, что кабели по сравнению с воздушной линией имеют более низкое полное импульсное сопротивление. Значение снижения зависит от длительности тока и общей емкости системы относительно земли. Однако обычно этого снижения недостаточно, чтобы избежать перенапряжений, превышающих нормальный уровень сопротивления изоляции в низковольтных системах. Таким образом, следует ожидать, что прямой удар молнии может вызвать повреждения в таких системах.

С.1.3 Наведенные перенапряжения в низковольтных распределительных системах

Под влиянием изменения электромагнитных полей во время грозового удара во всех видах воздушных линий возникают перенапряжения даже на значительном расстоянии от разряда молнии. В качестве грубого приближения возможные перенапряжения могут быть вычислены по следующей формуле

,

где I - грозовой ток;

h - высота проводов над землей;

k - коэффициент зависимости от скорости обратного хода грозового разряда в грозовом канале;

d - расстояние от места разряда молнии.

Изменение параметра к невелико (от 1,0 до 1,3).

Для среднего грозового тока 30 кА и для линии высотой 5 м над землей напряжение будет превышать 5 кВ на расстояние 1 км от разряда молнии. Ток 100 кА даст предполагаемое перенапряжение 1,8 кВ на расстоянии 10 км в подобном случае.

С.1.4 Перенапряжения, вызванные разрядами молний в грозозащитных системах

В стадии рассмотрения.

С.2 Коммутационные перенапряжения

Указанные перенапряжения, с точки зрения тока, напряжения и длительности, бывают обычно ниже, чем грозовые перенапряжения. Тем не менее в некоторых случаях, особенно внутри сооружений или вблизи источников коммутаций, коммутационные перенапряжения могут быть выше, чем грозовые. Необходимо владеть информацией об энергии коммутационных импульсов для выбора подходящего УЗИП. Длительность коммутационных импульсов, включая переходные процессы вследствие коротких замыканий и срабатывания предохранителей, может быть гораздо больше, чем длительность грозового импульса. Обычно любая коммутационная операция, возникновение короткого замыкания, отключение и т.д. в электроустановке сопровождается переходными процессами, в ходе которых могут возникнуть перенапряжения. Любое внезапное изменение в системе может вызвать колебания высокой частоты (определяемые резонансными частотами сети), продолжающиеся до тех пор, пока система не стабилизируется снова в своем новом устойчивом состоянии.

Значение коммутационного перенапряжения зависит от многих параметров, например типа цепи, вида коммутационной операции (замыкание, размыкание, возврат в исходное положение), нагрузок, автоматического выключателя или плавкого предохранителя.

Частоту колебаний во время коммутационных операций определяют характеристики системы, иногда может возникнуть явление резонанса. В таких случаях возможно очень высокое перенапряжение. Вероятность резонанса с гармониками промышленной частоты системы обычно мала. Однако, если собственная частота отключаемой части системы близка к одной или более резонансным частотам остальной части системы, состояние временного резонанса возможно.

С.2.1 Общие положения

Типичная форма коммутационных импульсов определяется реакцией низковольтной электроустановки. В большинстве случаев - это круговая волна. Обычная частота - несколько сотен килогерц в микросекунду. Максимальная скорость нарастания - несколько киловольт в микросекунду. Длительность импульсов находится в широком диапазоне времени. Если исключить коммутационные перенапряжения, вызванные срабатыванием плавких предохранителей, типичной длительностью (временем полупериода) является от 1 до 50 мкс. Статистический анализ показывает, что вероятность возникновения импульсов большей длительности (более 100 мкс) мала.

С.2.2 Коммутации автоматических выключателей и переключателей

Автоматические выключатели и переключатели широко применяются в каждой электроустановке как для защиты электрооборудования отключением его при перегрузке и коротком замыкании, так и для управления работой электрооборудования включением и отключением его. Частота возникновения перенапряжений при коммутациях зависит от области применения, т.е. чаще в промышленном применении и реже в быту.

Коммутируемые токи при омических нагрузках находятся в диапазоне номинального тока электрооборудования. Однако коммутируемые токи в оборудовании с отключаемым источником питания намного выше номинального тока. Например, в телевизоре мощностью 100 Вт номинальный ток равен 0,4 А, в то время как ток включения - около 20 А, что в 50 раз больше.

В механическом коммутационном устройстве при ручной или электромагнитной операции расцепления при каждой коммутации образуется электрическая дуга. Высокочастотное колебание, генерированное внезапным изменением напряжения, взаимодействует с индуктивностями и емкостями в окружающей среде выключателя. Это колебание накладывается на напряжение между фазными проводниками и между фазным проводником и землей, и полное напряжение оказывает воздействие на изоляцию электрооборудования относительно открытых токоведущих частей и других цепей. В отличие от переходных перенапряжений, передающихся через общественную распределительную сеть к установкам потребителя, коммутационные переходные процессы, генерируемые в пределах установки потребителя автоматическими выключателями и переключателями, воздействуют на электрооборудование без значительного ослабления, поскольку амплитуды этих переходных процессов относительно высоки.

С.2.2.1 Коммутации автоматических выключателей и переключателей в сооружениях потребителей

Обычно более высокие амплитуды генерируются при отключении, чем при включении оборудования. При отключении коммутационный импульс со стороны нагрузки имеет более высокую амплитуду и мощность, чем со стороны питания. Однако это главным образом проблема конструкции данного вида оборудования, в частности изоляции. Перенапряжения также будет испытывать оборудование, подключенное параллельно. Перенапряжение со стороны питания более важно для всей системы и для конкретного оборудования, чем перенапряжение со стороны нагрузки.

С.2.2.2 Коммутации автоматических выключателей и переключателей в системе питания (низковольтной и высоковольтной)

Переходные перенапряжения, воздействующие на электрооборудование, могут наблюдаться в любой системе питания. В подземных системах питания почти все переходные процессы генерируются электромеханическими коммутационными устройствами аналогичных источников питания.

В высоковольтных и низковольтных электроустановках коммутации индуктивностей, таких как трансформаторы, реактивные катушки, катушки контакторов и реле, установленных параллельно с источником питания, могут вызвать коммутационные перенапряжения с амплитудами, достигающими нескольких киловольт. То же самое явление вследствие самоиндукции наблюдается там, где линейные индуктивности, такие как витки проводов и линейные катушки сопротивления, входящие в систему энергоснабжения, являются частью кабельной сети.

Со стороны подачи питания коммутационные перенапряжения могут быть вызваны также применением импульсных систем регулирования, дугой между щетками двигателя и контактными кольцами, внезапным уменьшением нагрузки электрооборудования или трансформаторов и рабочим отключением конденсаторных блоков, используемых для корректировки коэффициента мощности.

Частота и энергия таких перенапряжений могли бы в некоторых редких случаях быть значительно выше атмосферных перенапряжений с точки зрения воздействия на низковольтные электроустановки.

Временные перенапряжения вследствие переключений в низковольтном энергоснабжении могут достигать максимальных значений в несколько киловольт, хотя можно допустить, что максимальные значения ограничиваются определенными условиями при работе низковольтной питающей сети. В тех системах энергоснабжения, где установлен контроль перенапряжений защитными устройствами, можно ожидать, что максимальная амплитуда в 6 кВ обычно не превышается в пределах низковольтной электроустановки потребителя.

Еще одним явлением, сравнимым с коммутационными перенапряжениями, являются КЗ и замыкания на землю в высоковольтных системах питания. КЗ на землю могут вызвать перенапряжения между фазой и землей в проводах неаварийной линии в диапазоне межфазного напряжения. Более того, в таких случаях могут также возникнуть временные перенапряжения. Такие переходные процессы передаются от высоковольтной системы энергоснабжения низковольтной системе.

С.2.3 Срабатывание плавких предохранителей (токоограничивающих предохранителей)

Плавкие предохранители широко используют в системах распределения электроэнергии для защиты от сверхтоков и отключения коротких замыканий. Если предохранитель срабатывает, например, в распределительной системе для отключения КЗ, это действие создает перенапряжение, которое имеет приблизительно треугольную форму волны и имеет относительно низкую частоту. Перенапряжение возникает между фазными проводниками системы, а также между фазным проводником и защитным проводником заземления по причине заземленного нейтрального провода, а в системе IT - конденсаторов заземления. Таким образом, перенапряжение воздействует на изоляцию по отношению к открытым токоведущим частям и другим цепям. Конечно, такое происходит реже, чем перенапряжения, вызванные коммутацией рабочих токов.

Такое перенапряжение также передается через шины другому электрооборудованию, получающему питание от этой же распределительной системы.

По сравнению с другими импульсами, вызванными оперативными коммутациями, возникновение импульсов вследствие срабатывания плавких предохранителей - довольно редкое явление. Однако в случае отключения короткого замыкания может быть генерирован очень мощный импульс перенапряжения. На это главным образом влияют скорость возрастания тока КЗ, характеристика плавкого предохранителя и его номинальный ток, а также индуктивность цепи.

Отключение КЗ в фидере распределительной системы плавким предохранителем, установленным вблизи шин, является задачей относительной, поскольку перенапряжение, вызванное коммутацией плавкого предохранителя, воздействует на все другое электрооборудование, подключенное к тем же шинам. Опыт, основанный на статистических данных, показывает, что в бытовых низковольтных сетях питания такое КЗ случается очень редко. Однако этот вид КЗ имеет некоторую значимость, когда рассматриваются промышленные системы распределения, где КЗ не такой уж редкий случай.

С.3 Временное перенапряжение вследствие повреждений

В стадии рассмотрения.