Изоляция оборудования рассчитана на рабочее напряжение — но работает она не в рабочем напряжении. Поверх него постоянно действуют перенапряжения: от коммутаций, от дуговых замыканий, от резонанса, от молнии. Именно они определяют, сколько проживёт изоляция, и именно они — причина большинства «внезапных» пробоев.
Разберу два принципиально разных класса перенапряжений, их реальные величины и что с ними делают.
Два класса: внутренние и атмосферные
Внутренние перенапряжения
Возникают при оперативных переключениях в установках и при аварийных отключениях отдельных элементов: линий, трансформаторов, генераторов, двигателей, батарей конденсаторов. Также при дуговых замыканиях на землю, при резонансных явлениях в длинных линиях и при несимметричных режимах работы.
Ключевые характеристики:
- уровень — обычно в пределах 2,5–3,5-кратной величины номинального фазного напряжения, и только в редких случаях при наложении перенапряжений разного вида превышает её;
- значительная длительность — достигает 0,05–0,1 с и более.
Величина внутренних перенапряжений обусловлена параметрами установки: номинальным напряжением, режимом работы нейтралей, характеристиками оборудования и протяжённостью линий.
Атмосферные перенапряжения
Источник — электрические разряды (молнии) из грозовых облаков в элементы установки или вблизи неё.
Ключевые характеристики:
- величины значительно больше — достигают нескольких миллионов вольт;
- длительность мала — порядка десятков микросекунд;
- величина почти не связана с параметрами установки — определяется сочетанием природных условий в процессе развития молнии.
Вот в этой таблице разница видна наглядно:
| Параметр | Внутренние | Атмосферные |
|---|---|---|
| Кратность | 2,5–3,5 Uф | миллионы вольт |
| Длительность | 0,05–0,1 с и более | десятки микросекунд |
| Зависит от схемы установки | да | почти нет |
| Источник | коммутации, дуговые КЗ, резонанс | молния |
[практика] Практический смысл этого различия огромный: внутренние перенапряжения можно посчитать и уменьшить схемой (режим нейтрали, характеристики выключателей, длина линий). Атмосферные — нельзя «посчитать из схемы», их можно только отвести. Поэтому и защита строится по-разному: от внутренних — координацией изоляции и ограничителями, от атмосферных — молниеотводами, тросами и ОПН/разрядниками.
Почему внутренние перенапряжения опаснее, чем кажутся
Соблазн думать: «2,5–3,5 номинала — это немного, изоляция выдержит». Изоляция действительно рассчитана, но:
- Длительность — 0,05–0,1 с и более. Это не микросекундный импульс, а процесс, за время которого успевают развиться разряды в ослабленных местах.
- Наложение — одно перенапряжение может накладываться на другое, и результирующая кратность превышает 3,5.
- Повторяемость — коммутации происходят постоянно (плановые переключения, отключения КЗ), то есть изоляция получает дозу за дозой.
- Ослабленная изоляция — если есть дефект (увлажнение, трещина, загрязнение), перенапряжение добивает именно его.
Те же коммутационные перенапряжения — причина повреждения изоляции обмоток, расположенных ближе к выводам: там действует большее напряжение, чем в нормальном режиме.
Что ещё разрушает изоляцию в связке с перенапряжениями
Из практики повреждений высоковольтных двигателей и другого оборудования:
- однофазное замыкание на землю в сети 6 кВ — изоляция обмоток оказывается под линейным напряжением, превышающим фазное в 1,73 раза;
- длительная работа на двух фазах (неполнофазный режим) — перегрев и пробой;
- увлажнение изоляции и агрессивные примеси в окружающей среде (пары кислот, щелочей, масла);
- электродинамические усилия при пусках и КЗ — перемещение проводников, ослабление крепления обмоток;
- перегрев из-за недостаточного сечения — изоляция теряет эластичность, становится хрупкой.
Всё это не перенапряжения в чистом виде, но именно на фоне этих факторов перенапряжение становится «последней каплей».
Координация изоляции
Практика защиты строится на идее координации: уровни изоляции разных элементов выбираются согласованно с характеристиками защитных аппаратов, чтобы при перенапряжении пробивало не оборудование, а защитный аппарат.
Порядок «по уровням»:
- ОПН / разрядники — ограничивают перенапряжение до уровня ниже испытательного напряжения изоляции;
- изоляция оборудования — выдерживает ограниченное значение;
- защитные промежутки (где применяются) — самый «слабый» элемент, который допускается повредить.
Если этот порядок нарушен (например, ОПН деградировал или его нет там, где нужно), перенапряжение достаётся изоляции.
Защита: что применяют
| Средство | От чего |
|---|---|
| ОПН (ограничители перенапряжений) | внутренние и атмосферные перенапряжения, на вводах и в узлах сети |
| Вентильные разрядники (РВ/РВС) | то же, устаревшая, но действующая техника |
| Молниеотводы и тросы | защита от прямых ударов молнии |
| Заземляющие устройства | обеспечение пути для токов молнии и КЗ |
| Выбор режима нейтрали | снижение уровня внутренних перенапряжений и токов ОЗЗ |
| Конструктивные меры | выравнивание потенциалов, экранирование, трассировка вторичных цепей |
Отдельно — нейтраль: режим заземления нейтрали влияет и на уровень внутренних перенапряжений при дуговых замыканиях, и на токи ОЗЗ, и на требования к изоляции. Это одно из первых проектных решений.
Типовые ошибки
- Оценка перенапряжений только по кратности без учёта длительности.
- Игнорирование наложения перенапряжений разного вида.
- Деградировавшие ОПН в работе — защита формально есть, фактически нет.
- Отсутствие координации — изоляция выбрана без связи с характеристиками защитных аппаратов.
- Непроверенное заземление — при импульсе потенциалы «гуляют», защита не работает как задумано.
- Учёт только атмосферных перенапряжений — внутренние остаются без внимания, хотя они повторяются постоянно.
Частые вопросы
Какие перенапряжения опаснее: внутренние или атмосферные? По величине — атмосферные (миллионы вольт), но они короткие (десятки микросекунд). Внутренние меньше по кратности (2,5–3,5 Uф), но длительные (0,05–0,1 с и более) и повторяются постоянно. Для изоляции с дефектами опасны и те, и другие, но по-разному.
Почему атмосферные перенапряжения не зависят от схемы установки? Потому что их величина определяется природными условиями развития молнии, а не напряжением или конфигурацией сети. От схемы зависит только то, какая часть импульса дойдёт до оборудования.
Что такое координация изоляции простыми словами? Это согласование: защитный аппарат должен сработать раньше, чем пробьёт изоляция, и ограничить перенапряжение до уровня, который изоляция выдерживает.
Можно ли полностью устранить перенапряжения? Нет. Можно ограничить их до безопасного уровня защитными аппаратами и снизить уровень внутренних — выбором режима нейтрали и схемы.
Как связаны перенапряжения и дуговые замыкания на землю? Дуговые замыкания на землю сами являются источником внутренних перенапряжений, а в сетях с изолированной нейтралью ещё и держат изоляцию других фаз под линейным напряжением (в 1,73 раза выше фазного).
Итог
Перенапряжения — постоянный фон работы изоляции, а не редкое событие. Внутренние (2,5–3,5 Uф, длительностью 0,05–0,1 с и более) зависят от схемы и поддаются снижению; атмосферные (миллионы вольт, десятки микросекунд) только отводятся. Защита строится на координации: ОПН/разрядники, молниеотводы, заземление и правильный выбор режима нейтрали. И главное — защитный аппарат должен быть живым, иначе координация превращается в бумажку.
Нужна оценка уровней перенапряжений, выбор защитных аппаратов или проверка их состояния — напишите, посчитаем по вашей схеме.
Источники: П. А. Юриков, «Перенапряжения и электрическая прочность высоковольтной изоляции» (Библиотека электромонтёра, вып. 118, 1964) — классификация внутренних и атмосферных перенапряжений, кратности 2,5–3,5 Uф, длительность 0,05–0,1 с, природа грозовых процессов; С. А. Бажанов, «Инфракрасная диагностика электрооборудования распределительных устройств» (вып. 16) — разд. 11–12 (разрядники и ОПН); Е. К. Иноземцев, «Ремонт высоковольтных электродвигателей электростанций», ч. 1 (вып. 29) — коммутационные перенапряжения при коммутациях двигателей, режим ОЗЗ и напряжение 1,73 Uф; практика эксплуатации.
