2 Блискавкозахист підстанцій

2.5 Блискавкозахист електричних машин

Блискавкозахист електричних машин (генераторів, синхронних компенсаторів і високовольтних електродвигунів (electric motor)) має свої особливості:

а) рівень електричної ізоляції машин, що були тривалий час в експлуатації, значно нижчий, ніж іншого електрообладнання;

б) відсутні вентильні розрядники або ОПН, які змогли б забезпечити досить високу надійність захисту такої ізоляції від перенапруг;

в) грозові ушкодження ізоляції електричної машини досить значні, тому що через місце пробою ізоляції машини продовжує протікати аварійний струм за рахунок е.р.с. залишкового намагнічування навіть після зняття збудження машини, відключеної від мережі;

г) вихід з ладу електричних машин призводить до великого економічного збитку.

З урахуванням вказаних особливостей для надійного блискавкозахисту електричних машин доводиться вживати спеціальних заходів. Зокрема, на підході лінії встановлюють додаткові розрядники, що відводять частину струму набіжної хвилі у землю знижуючи в такий спосіб імпульсну напругу на машині. Крім того, використовується захисна дія кабельних вставок на підходах. Щоб знизити крутизну фронту імпульсів перенапруг на затискачах машини, паралельно з нею підключають конденсатори. Зниженню крутизни фронту сприяють також фідерні реактори, встановлені для обмеження струмів короткого замикання.

Схеми блискавкозахисту електричних машин, безпосередньо зв’язаних з повітряною мережею, зазвичай містять комплекс таких захисних засобів: ОПН або вентильний розрядник і малоіндуктивний конденсатор на шинах; захищений підхід повітряної лінії l_п, ОПН або розрядники на підході лінії, струмообмежувальний реактор і кабельну вставку (рис. 2.14).

Рисунок 2.14 – Схеми блискавкозахисту електричних машин, безпосередньо підключених до повітряної мережі

Розрядники РВ1 і РВ2, встановлені по ходу руху хвиль грозових перенапруг, призначені для відведення частини струму хвилі в землю й обмеження струму в ОПН або вентильному розряднику, встановленому на електричній машині. Їхня ефективність залежить від величини опору заземлення, достатня для практики надійність роботи схеми забезпечується при R_З≤10 Ом. Оптимальна довжина захищеного підходу l_п становить 100–150 м. Для захисту підходу від прямих ударів блискавки використовуються блискавкозахисні троси. Реактор Р у схемі рис. 2.14 згладжує фронт імпульсу перенапруг на шинах, а також полегшує умови спрацьовування розрядника PВ1.

Ємність С₀ на шинах призначена для ліквідації коливальної складової напруги на затискачах машини. Звичайно тривалість фронту імпульсу τ_ф грозових перенапруг на затискачах машини за рахунок малоіндуктивної ємності С₀ збільшується до 20–50 мкс.

Показник надійності схеми блискавкозахисту машини за рис. 2.14,а становить ~35 років без врахування спрацювання розрядника на протилежному кінці лінії невеликої довжини (l_п≤1...2 км).

Спрацювання розрядників, встановлених на протилежному кінці лінії, значно покращує показник надійності: у цьому випадку він становить ~70 років.

У схемі рис. 2.14,б новим елементом є кабельна вставка, що відокремлює повітряну лінію від шин з електричною машиною. Її захисна роль не обмежується додаванням додаткової ємності, що згладжує хвилю. Кабельна вставка служить для відведення значної частки струму хвилі в землю поза шинним розрядником. Це досягається в такий спосіб. Під час спрацювання розрядника РВ1 на вході кабельної вставки жила кабелю виявляється з’єднаною паралельно з його оболонкою (через динамічний опір РВ1). Внаслідок великої швидкості зміни напруги хвилі її рух по кабелю супроводжується проявом поверхневого ефекту. Струм хвилі витісняється з жили на оболонку кабелю, що має контакт із землею, і йде в землю, минаючи шини підстанції.

Достатня для практики надійність вимагає, щоб довжина кабельної вставки l_к становила не менше 30 м, а захищеного повітряного підходу l_п1≈l_п2 – не менше 100 м. При цьому опори заземлення R_З1, R_З2, і R_З3 не повинні перевищувати 5–10 Ом. Відповідно до досліджень показник надійності блискавкозахисту за схемою рис. 2.14,б становить не менше 20 років.

На практиці найчастіше застосовується схема рис. 2.14,в, що містить одночасно струмообмежувальний реактор і кабельну вставку. При цьому забезпечується найвища надійність блискавкозахисту електричних машин, гальванічно пов’язаних з повітряною мережею (порядку 100 років), якщо довжина кабелю l_к не менше 50 м, а опір заземлення вентильного розрядника РВ1 не більше 5 Ом.

Зі всіх схем блискавкозахисту електричних машин найменшу надійність мають схеми рис. 2.14,г та рис. 2.14,д, коли машина безпосередньо підключена до повітряної мережі.

Завдання блискавкозахисту набагато спрощується, якщо електрична машина приєднується до повітряної мережі не безпосередньо, а через трансформатор. У цьому випадку трансформатор значно обмежує амплітуду і крутизну імпульсів грозових перенапруг на затискачах машини.