Перенапряжение (в электротехнике)

Перенапряжение в электротехнике, повышение напряжения представляющее опасность для изоляции электрической установки. Правильный учёт П. имеет большое экономическое и техническое значение при выборе изоляции и меры защиты электрической сети, особенно при напряжениях свыше 10 кв. Различают внутренние и грозовые (атмосферные) П.

  Внутренние П. возникают в электрических установках при резких изменениях режима их работы, главным образом в результате коммутаций (при включениях или отключениях тока, при коротких замыканиях на землю и т.п.). Коммутация сопровождается переходным процессом, после которого устанавливается новый режим работы установки. Соответственно различают кратковременные (порядка единиц и десятков мсек) коммутационные П. и длительные П. установившегося режима. Коммутационные П., вызываемые повторными зажиганиями и гашениями электрической дуги в цепях с ёмкостной проводимостью, получаются при отключении ненагруженных линий, при замыкании на землю через дугу одной из фаз трёхфазной системы с изолированной нейтралью и т.д. При отключении ненагруженной линии, которую можно в некотором приближении рассматривать как ёмкость (рис. 1, а), дуга, загорающаяся между контактами выключателя К, гаснет при прохождении тока дуги через нуль, а напряжения источника — через максимум (рис. 1, б). Ёмкость С, отсоединённая от источника, при погасании дуги остаётся заряженной до максимального напряжения. Если повторное зажигание дуги в выключателе произойдёт через полпериода, когда напряжение источника изменит свой знак, то ёмкость С перезаряжается через индуктивность источника L_ист. При этом в момент максимума напряжения, когда ток перезарядки пройдёт через нуль, дуга вновь может погаснуть, и отсоединённая от источника ёмкость окажется заряженной до тройного напряжения. Если через полпериода произойдёт ещё одно зажигание и гашение дуги, напряжение на линии достигнет 5 U_ф, где U_ф — фазное напряжение линии. П. в реальных линиях ограничиваются хорошими отключающими способностями выключателей и активными потерями и не превосходят 3,5 U_ф. П., возникающие при замыканиях через дугу на землю одной из фаз трёхфазной системы, имеют аналогичную природу и также связаны с накапливанием зарядов на проводах линии. Коммутационные П. при отключении индуктивных нагрузок (ненагруженных трансформаторов, асинхронных двигателей, реакторов, ртутных выпрямителей при обрыве тока в них и т.д.) являются следствием резкого уменьшения тока в индуктивности и освобождения запасённой в ней электромагнитной энергии. При мгновенном обрыве тока вся запасённая энергия пошла бы на зарядку собственной ёмкости индуктивной нагрузки относительно земли (рис. 2, а). В этом случае амплитуда П. u_макс может быть найдена из уравнения сохранения энергии:

  .

  В действительности ток в катушке не исчезает мгновенно, и П. достигает наибольшего значения в момент максимальной скорости уменьшения тока, а затем падает до нуля в режиме затухающих колебаний (рис. 2, б). Особый случай возникновения П. имеет место в сверхпроводящих соленоидах при переходе материала обмотки из сверхпроводящего состояния в несверхпроводящее, когда активное сопротивление соленоида резко возрастает от нуля до некоторой конечной величины. Так как начальный ток соленоида не может резко уменьшиться, то в момент такого перехода на концах соленоида возникает разность потенциалов, которая может достигать несколько сотен кв.

  Коммутационные П. при включении линий связаны с возникновением и развитием переходного процесса в колебательном контуре, образованном ёмкостью линии и индуктивностями линии, трансформаторов и генераторов. Особенно существенные П. появляются при автоматическом повторном включении. В этом случае после отключения, например однофазного короткого замыкания, ёмкость неповрежденных фаз линии остаётся заряженной, а при повторном включении колебательный контур (линия) с предварительно заряженной ёмкостью подключается к источнику тока (генератору).

  П. установившегося режима связаны с ёмкостным эффектом в линейных цепях, с резонансом на основной частоте либо на высших гармониках. Примером такого П. может служить повышение напряжения, возникающее в ненагруженной линии электропередачи, когда собственная частота w₀ системы «источник — линия» близка к частоте источника напряжения w_ист; при w₀ = w_ист наступает резонанс, вследствие чего и возникает П. Такие П. возможны в длинных линиях электропередачи, которые работают при напряжениях 330 кв и выше. Резонанс на основной частоте может также иметь место при разрыве с заземлением одной из фаз трёхфазной линии переменного тока, на конце которой включен слабонагруженный трансформатор (рис. 3, а). На высших гармониках резонанс может иметь место, например, при однофазном или двухфазном коротком замыкании на землю в линии, питаемой от явнополюсного генератора. При таких коротких замыканиях на зажимах генератора появляются высшие гармоники напряжения, которые могут дать резонанс в цепи, состоящей из индуктивности генератора и ёмкости неповрежденных фаз линии. В неявнополюсных генераторах и генераторах, снабженных успокоительными (демпферными) обмотками, П. этого типа не возникают.

  Для изоляции электроустановок с напряжением до 220 кв внутренние П. обычно не представляют опасности; определяющими здесь являются грозовые П. В электроустановках с напряжением 330 кв и выше возникает необходимость в ограничении внутренних П. Снижение коммутационных П. обеспечивается специально предназначенными для этого вентильными разрядниками, выключателями с шунтирующими сопротивлениями и управлением моментом включения. Для ограничения П. установившегося режима применяют также шунтирующие электрические реакторы.

  Грозовые П. связаны с разрядами молнии непосредственно в токопроводящие части электрической установки (П. прямого удара) или в землю вблизи установки (индуктированные П.). При прямом ударе весь ток молнии проходит в землю через пораженный объект. Падение напряжения на сопротивлении этого объекта и даёт П., которое может достигать нескольких Мв. Длительность П., возникшего при прямом ударе молнии, невелика (порядка десятков мксек), однако не исключается многократный разряд молнии по одному и тому же пути. Изоляция электрических установок самого высокого напряжения не может выдержать П. прямого удара; для надёжной работы установок необходимо осуществление ряда защитных мероприятий (см. Грозозащита, Заземление). Индуктированные П. возникают на проводах линий электропередачи вследствие резкого изменения электромагнитного поля вблизи земли во время удара молнии. Амплитуда индуктированных П. обычно не превышает 400—500 кв, и они представляют опасность только для электрических установок с номинальным напряжением 35 кв и ниже.

  Лит.: Техника высоких напряжении, под ред. Д. В. Разевига, М., 1963; Техника высоких напряжений, под ред. М. В. Костенко, М., 1973.

  Под редакцией М. А. Аронова.

Рис. 2. Возникновение перенапряжений при отключении индуктивности: а — эквивалентная схема; б — зависимость тока в индуктивности i и напряжения на ней и от времени t; u_ист — напряжение источника; К — выключатель; L — индуктивная нагрузка; С — собственная ёмкость нагрузки; u_макс — максимальное значение напряжения u.

Рис. 3. Разрыв с заземлением одной фазы трёхфазной линии, питающей слабонагруженный трансформатор, а — трёхфазная схема; б — эквивалентная однофазная схема замещения; U_ф — фазное напряжение; Т_р — трансформатор; L — индуктивность обмоток трансформатора; С — ёмкость линии; U_макс — максимальное значение напряжения.

Рис. 1. Возникновение перенапряжений при отключении ненагруженной линии: а — эквивалентная схема ненагруженной линии; б — зависимость мгновенных значений тока дуги i и напряжения на линии u_с от времени t при синусоидальном напряжении источника u_ист; К — выключатель; L_ист — индуктивность источника; С — ёмкость ненагруженной линии.