Überspannung in elektrischen Netzen

Überspannung ist eine Spannung, die die Amplitude der höchsten Betriebsspannung (Unom) an der Isolierung der Elemente des Stromnetzes überschreitet. Je nach Einsatzort werden Phasen-, Zwischenphasen-, Innenwicklungs- und Zwischenkontaktüberspannung unterschieden. Letztere treten auf, wenn zwischen offenen Kontakten gleicher Phasen von Schaltgeräten (Schalter, Trennschalter) Spannung angelegt wird.

Folgende Überspannungseigenschaften werden unterschieden:

• Maximalwert Umax oder Multiplizität K = Umax / Unom;

• Dauer der Exposition;

• gewölbte Form;

• die Umfangsbreite der Netzwerkelemente.

Diese Merkmale unterliegen einer statistischen Streuung, da sie von vielen Faktoren abhängen.

Bei der Untersuchung der Machbarkeit von Überspannungsschutzmaßnahmen und der Wahl der Isolierung müssen die statistischen Merkmale von Schäden (mathematische Erwartung und Abweichung) aufgrund von Ausfallzeiten und Notreparaturen von Energieversorgungsanlagen sowie aufgrund von Geräteausfällen berücksichtigt werden , Ablehnung des Produkts und Störung des technologischen Prozesses bei Stromverbrauchern.

Die wichtigsten Überspannungsarten in Hochspannungsnetzen sind in Abbildung 1 dargestellt.

Reis. 1. Die wichtigsten Überspannungsarten in Hochspannungsnetzen

Interne Überspannung, die durch Schwankungen der elektromagnetischen Energie verursacht wird, die in den Elementen des Stromkreises gespeichert oder diesem von Generatoren zugeführt wird. Abhängig von den Entstehungsbedingungen und der möglichen Einwirkungsdauer der Isolation werden stationäre, quasistationäre und schaltende Überspannungen unterschieden.

Schaltüberspannungen – treten bei plötzlichen Änderungen der Stromkreis- oder Netzparameter (geplantes und Notschalten von Leitungen, Transformatoren usw.) sowie als Folge von Erdschlüssen und zwischen Phasen auf. Beim Ein- und Ausschalten der Elemente des elektrischen Netzes (Außenleiter bzw. Wicklungen von Transformatoren und Drosseln) (Unterbrechung der Energieübertragung) kommt es zu Schwingungstransienten, die zu erheblichen Überspannungen führen können. Beim Auftreten von Korona wirken sich die Verluste dämpfend auf die ersten Spitzen dieser Überspannungen aus.

Die Unterbrechung kapazitiver Ströme von Stromkreisen kann mit wiederholter Lichtbogenbildung im Leistungsschalter und wiederholten Transienten und Überspannungen sowie dem Auslösen kleiner induktiver Ströme bei Leerlaufdrehzahl der Transformatoren einhergehen – erzwungene Unterbrechung des Lichtbogens im Leistungsschalter und oszillierende Umwandlung der Energie des magnetischen Transformatorfeldes in der elektrischen Feldenergie seiner Parallelkräfte. Bei Erdschlüssen mit Lichtbögen in einem Netzwerk mit isoliertem Neutralleiter Es werden auch Mehrfachzündungen des Lichtbogens und das Auftreten entsprechender Lichtbogenüberspannungen beobachtet.

Die Hauptursache für das Auftreten quasistationärer Überspannungen ist die kapazitive Wirkung, die beispielsweise durch eine von Generatoren gespeiste Single-Ended-Übertragungsleitung verursacht wird.

Asymmetrische Leitungsmodi, die beispielsweise auftreten, wenn eine Phase mit Erde kurzgeschlossen ist, ein Drahtbruch oder eine oder zwei Phasen des Leistungsschalters vorliegen, können dazu führen, dass die Grundfrequenzspannung weiter ansteigt oder Überspannungen bei einigen höheren Harmonischen – einem Vielfachen der Frequenz – entstehen des EMF … Generators.

Jedes Element des Systems mit nichtlinearen Eigenschaften, beispielsweise ein Transformator mit einem gesättigten Magnetkern, kann auch eine Quelle höherer oder niedrigerer Harmonischer und entsprechender ferroresonanter Überspannungen sein. Wenn eine mechanische Energiequelle vorhanden ist, die den Schaltkreisparameter (Generatorinduktivität) periodisch im Takt der Eigenfrequenz des Stromkreises ändert, kann parametrische Resonanz auftreten.

In manchen Fällen muss auch berücksichtigt werden, dass bei mehreren Kommutierungen oder anderen ungünstigen Faktoren interne Überspannungen mit erhöhter Häufigkeit auftreten können.

Zur Begrenzung von Schaltüberspannungen in Netzen von 330 bis 750 kV, bei denen sich die Kosten für die Isolierung als besonders hoch erweisen, ist es leistungsstark Ventildrosseln oder Reaktoren. In Netzen mit niedrigeren Spannungsklassen werden Ableiter nicht zur Begrenzung interner Überspannungen eingesetzt und die Eigenschaften von Blitzableitern sind so gewählt, dass sie bei internen Überspannungen nicht auslösen.

Blitzstöße beziehen sich auf externe Überspannungen und treten auf, wenn sie externen elektromagnetischen Feldern ausgesetzt sind. Die größten Blitzstöße treten auf, wenn ein direkter Blitzeinschlag auf die Leitung und das Umspannwerk erfolgt. Durch elektromagnetische Induktion erzeugt ein nahegelegener Blitzeinschlag eine induzierte Überspannung, die in der Regel zu einem weiteren Anstieg der Isolationsspannung führt. Erreichen eines Umspannwerks oder einer elektrischen Maschine, Ausbreitung vom Schadenspunkt aus Elektromagnetische Wellenkönnen gefährliche Überspannungen an ihrer Isolierung verursachen.

Um einen zuverlässigen Betrieb des Netzes zu gewährleisten, ist es notwendig, einen wirksamen und wirtschaftlichen Blitzschutz zu implementieren. Der Schutz vor direkten Blitzeinschlägen erfolgt mit Hilfe eines hohen vertikalen Blitzableiters und Blitzschutzkabeln über den Leitern von Freileitungen über 110 kV.

Der Schutz vor Überspannungen aus der Leitung erfolgt durch Ventil- und Rohrableiter von Umspannwerken mit verbessertem Blitzschutz bei Zufahrten zu Umspannwerken auf Leitungen aller Spannungsklassen.Es ist notwendig, mit Hilfe spezieller Ableiter, Kondensatoren, Drosseln, Kabeleinführungen und einem verbesserten Blitzschutz für den Freileitungsansatz einen besonders zuverlässigen Blitzschutz rotierender Maschinen zu gewährleisten.

Die Erdung des neutralen Teils des Netzes mittels einer Lichtbogenlöschspule, die automatische Wiedereinschaltung und Verkürzung der Leitungen, die sorgfältige Vermeidung von Isolierungen, Stopps und Erdung erhöhen die Zuverlässigkeit der Leitungen erheblich.

Es ist zu beachten, dass die Spannungsfestigkeit der Isolierung mit zunehmender Spannungseinwirkungsdauer abnimmt. Dabei stellen innere und äußere Überspannungen gleicher Amplitude eine unterschiedliche Gefährdung der Isolation dar. Daher kann der Isolationsgrad nicht durch einen einzigen Spannungsfestigkeitswert charakterisiert werden.

Auswahl des erforderlichen Isolationsgrades, d.h. Die Auswahl der Prüfspannungen, die sogenannte Isolationskoordination, ist ohne eine gründliche Analyse der im System auftretenden Überspannungen nicht möglich.

Das Problem der Isolationskoordination ist eines der Hauptprobleme. Diese Situation ist darauf zurückzuführen, dass die Verwendung der einen oder anderen Nennspannung letztendlich durch das Verhältnis zwischen den Kosten der Isolierung und den Kosten der leitenden Elemente im System bestimmt wird.

Das Problem der Isolationskoordination umfasst als grundlegende Aufgabe die Festlegung der Isolationsstufen des Systems. Die Isolationskoordination muss auf den angegebenen Amplituden und Wellenformen der angelegten Überspannungen basieren.

Derzeit erfolgt die Isolationskoordination im System bis 220 kV für atmosphärische Überspannungen, oberhalb von 220 kV muss die Koordination unter Berücksichtigung interner Überspannungen erfolgen.

Das Wesen der Isolationskoordination bei atmosphärischen Überspannungen besteht in der Koordination (Anpassung) der Impulseigenschaften der Isolierung an die Eigenschaften von Ventilen als Hauptgerät zur Begrenzung atmosphärischer Überspannungen. Der Studie zufolge wird die Standardwelle der Prüfspannung übernommen.

Bei der Koordination interner Überspannungen ist es aufgrund der größeren Vielfalt an Entstehungsformen interner Überspannungen nicht möglich, sich auf den Einsatz einer einzelnen Schutzeinrichtung zu konzentrieren. Die nötige Kürze muss durch das Netzschema gegeben sein: Nebenschlussdrosseln, Einsatz von Schaltern ohne Rückzündung, Einsatz spezieller Funkenstrecken.

Für interne Überspannungen wurde die Normierung der Isolationsprüfwellenformen bis vor Kurzem noch nicht durchgeführt. Es ist bereits viel Material angesammelt und eine entsprechende Normalisierung der Testwellen dürfte in naher Zukunft erfolgen.