Большая Советская Энциклопедия (ЗА)

Защита электрической сети

Защи'та электри'ческой се'ти, система мероприятий, предотвращающих и ограничивающих развитие аварии на линиях электропередачи и электрических подстанциях. Имеет целью обеспечить надёжность снабжения потребителей электрической энергией должного качества. Подавляющее количество электроэнергии распределяется через электрической сети общего пользования. Защита таких сетей имеет важное значение для нормального электроснабжения промышленности, сельского хозяйства, ж.-д. транспорта и др. потребителей и непрерывно совершенствуется. В той или иной мере защищают все электроустановки, в том числе и автономные источники электрической энергии с их малыми сетями.

Электрическую сеть общего пользования необходимо защищать от перегрузки, перенапряжений и от коротких замыканий, опасных для сети, от повреждения изоляционных и поддерживающих конструкций и обрывов проводов. Опасные явления возникают как вследствие атмосферных воздействий (например, удара молнии), так и в результате изменения состояния самой сети, например пробоя изоляции или преднамеренного отключения ненагруженной линии передачи. Повреждение изоляции может быть вызвано старением материала или внешними причинами. Поддерживающие конструкции (опоры, траверсы, арматура изоляторов и т.п.) ломаются под действием ветра, от гололёда, подвергаются коррозии. Возможны случаи пережога проводов током и обрыва их, например от вибрации. Причинами аварии могут быть неправильное действие автоматических устройств в сети и ошибки обслуживающего персонала. При огромных масштабах современных электрических сетей, состоящих из десятков тысяч км линий электропередачи разных напряжений, тысяч электрических подстанций, практически невозможно избежать опасных ситуаций. Если авария всё же возникает, то свести к минимуму её вредные последствия должна З. э. с. Для этого необходимо как можно быстрее отключить поврежденный элемент (участок) сети, не затрагивая при этом соседние участки, а потребителей перевести на питание от резервных источников. Однако по экономическим соображениям бесперебойное электроснабжение, достигаемое автоматическим включением резерва , гарантируется не всем потребителям.

Защита от перегрузок в электрических сетях с напряжением до 1000 в осуществляется с помощью плавких предохранителей или автоматических выключателей. Они отключают защищаемый участок сети, когда ток превышает некоторое значение, допустимое по условиям нагрева проводов. Предохранители действуют без выдержки времени, в соответствии с защитной характеристикой плавкой вставки. Автоматические выключатели снабжаются расцепителями как мгновенного действия, так и с задержкой во времени, зависящей от превышения тока в линии сверх допустимого значения. В электрических сетях с напряжением свыше 1000 в от тепловой перегрузки защищают трансформаторы и отдельные подземные (кабельные) линии, которые работают в условиях систематических перегрузок. Воздушные линии в такой защите обычно не нуждаются.

З. э. с. от повреждений изоляции. Изоляция воздушной линии электропередачи состоит из окружающего воздуха и фарфоровых или стеклянных изоляторов, на которых крепятся провода. Изоляция подземных линий, трансформаторов и различных аппаратов обычно выполняется из твёрдых и жидких диэлектриков , которые подвержены старению. В этих устройствах возможен пробой изоляции при рабочем напряжении; аналогичное явление может иметь место в изоляторах воздушной линии. Основное средство предотвращения аварий от повреждения изоляции — профилактика, т. е. периодический контроль за состоянием изоляции с целью выявления дефектов и своевременной замены или ремонта изоляционных конструкций. Контроль изоляции осуществляется посредством испытания её при повышенном напряжении, либо косвенными методами: по сопротивлению изоляции, по величине угла диэлектрических потерь, путём измерения распределения напряжения (по изоляторам гирлянды) и индикации частичных разрядов и др. Дефекты в изоляции развиваются постепенно, причина их во многих случаях связана с проникновением влаги. Профилактические испытания выявляют элементы изоляции с повышенной вероятностью повреждения, что даёт возможность своевременно устранить опасность аварии. Профилактика изоляции резко сокращает аварийность электрических установок. В приморских и степных (пустынных) районах, а также вблизи заводов на изоляторах оседают морская соль, песок, уносы из промышленных предприятий и т.п. В этих случаях устанавливают изоляторы специальной конструкции, с развитой наружной поверхностью, а также выполняют мокрую очистку изоляторов под напряжением.

З. э. с. от замыкания на землю. В СССР сети общего пользования с напряжением до 0,38 кв, а также с напряжением 110 кв и выше эксплуатируются с глухо заземлённой нейтралью. Исключения делаются для районов вечной мерзлоты, где трудно установить заземляющие устройства. В сетях с напряжением от 3 до 35 кв нейтраль изолирована от земли или соединяется с ней через дугогасящую катушку; в этом случае сеть называется компенсированной. Подобная практика в отношении режима нейтрали имеет место и в др. странах. При заземлённой нейтрали соединение хотя бы одной фазы с землёй приводит к короткому замыканию. Замыкание одной фазы на землю в сети с изолированной нейтралью не нарушает рабочий режим, поэтому немедленное отключение поврежденного участка не требуется. Однако напряжение двух др. фаз относительно земли в установившемся режиме увеличивается в Ö3 раз, что создаёт угрозу для изоляции и небезопасно для людей. Сети с изолированной нейтралью оборудуются устройствами сигнализации замыкания на землю, чтобы повреждение могло быть обнаружено и устранено за короткое время (не более 2 ч ). По требованиям техники безопасности в необходимых случаях применяется автоматическое отключение поврежденного участка сети. Большинство замыканий на землю начинается с кратковременного пробоя изоляции вследствие перенапряжения и далее переходит в дуговой разряд , поддерживаемый током короткого замыкания. В сети большой протяжённости распределённая ёмкость проводов относительно земли велика и сила тока на землю при изолированной нейтрали достигает десятков и сотен а. При таких токах дуга горит длительное время и, как правило, перебрасывается на соседние фазы под действием ветра, термодинамических и электродинамических эффектов. Замыкание одной фазы на землю переходит в двух- или трёхфазное короткое замыкание, которое должно быть немедленно отключено. Развитие аварии в сети при большой силе тока замыкания на землю предотвращается заземлением нейтрали через дугогасящую катушку (катушку Петерсена). Быстрое обнаружение повреждения и его устранение необходимы для компенсированной сети так же, как и для сети с изолированной нейтралью.

З. э. с. от коротких замыканий занимает важнейшее место в системе защитных мероприятий. Короткие замыкания являются основным видом аварии в электрических сетях как по частоте возникновения, так и по масштабу вредных последствий. Защитные мероприятия развиваются в двух направлениях: возможно более быстрое отключение поврежденного участка сети и искусственное ограничение силы тока короткого замыкания. Сокращение времени действия тока короткого замыкания облегчает тепловой режим элементов сети и способствует поддержанию устойчивой параллельной работы станций. На линиях 500 кв , например, применяется релейная защита , время срабатывания которой составляет 0,04 сек; при времени действия выключателя 0,06—0,08 сек полное время отключения около 0,1 сек. Селективность защиты обеспечивает рабочий режим возможно большей части неповрежденной сети и отключение поврежденного её участка. К числу мероприятий, ограничивающих силу тока короткого замыкания, относятся: применение блочных схем питания, секционирование сборных шин подстанций, последовательное включение реакторов, увеличение индуктивности рассеяния трансформаторов и т.п. Физический смысл этих мер состоит в увеличении индуктивного сопротивления электрической цепи короткого замыкания. Вследствие этого неизбежны затруднения с регулированием напряжения в нормальных режимах и увеличение потерь электроэнергии в сети. Это приводит к снижению в некоторых случаях надёжности электроснабжения. Искусственное ограничение силы тока короткого замыкания противоречит требованиям, которые предъявляются к схеме и параметрам электрической сети по условиям оптимизации рабочего режима. Противоречие может быть устранено, если уменьшить силу тока короткого замыкания с помощью последовательно включенных ограничителей, имеющих незначительное сопротивление в нормальном режиме и в несколько раз большее в аварийном, когда на ограничителе падает преобладающая часть фазного напряжения. Создание таких ограничителей силы тока короткого замыкания принципиально возможно.

З. э. с. от перенапряжении включает защиту от атмосферных перенапряжений, возникающих при разряде молнии в токопроводящие части электрической установки или вблизи неё в землю (см. Грозозащита ), и защиту от внутренних перенапряжений, вызываемых преднамеренными или случайными изменениями состояния сети, например вследствие срабатывания выключателя или электрического пробоя изоляции на каком-либо участке сети. Перенапряжение — временный избыток энергии электромагнитного поля на участке сети. З. э. с. сводится к тому, чтобы путём аккумулирования или рассеяния избыточной энергии обезопасить изоляционные конструкции от электрического пробоя. Атмосферные перенапряжения характеризуются сравнительно небольшой энергией порядка млн. дж, малой длительностью действия (от долей до нескольких десятков мксек ) и большой амплитудой (млн. в ). Внутренние перенапряжения длятся от сотых долей сек до нескольких сек и более. Их амплитуда может значительно превышать амплитуду рабочего напряжения, а энергия достигать десятков млн. дж (в электроустановках 500 кв ). Амплитуда внутренних перенапряжений зависит от схемы электрической сети, параметров её элементов и питающих электростанций. В ряде случаев для защиты от внутренних перенапряжений могут быть использованы переключающие операции, изменяющие параметры сети.

З. э. с. от механических повреждений. Подземные линии передачи защищают от электрохимической коррозии, вызываемой блуждающими токами, и в необходимых случаях от почвенной коррозии. Производство каких-либо земляных работ вблизи трассы подземной линии регламентируется специальными правилами. Воздушные линии электропередачи и открытые электрические подстанции проектируют с учётом ветровых нагрузок и воздействия гололёда, т. е. обледенения проводов с образованием корки льда толщиной 10—20 мм. Возможно и более интенсивное обледенение при сильном ветре; в таких случаях лёд на проводах плавят электрическим током. При слабом ветре, дующем с постоянной скоростью 0,5—5 м/сек в направлении, перпендикулярном линии, могут возникнуть периодические колебания проводов в вертикальной плоскости, т. н. вибрация проводов. Частота таких колебаний от единиц до десятков гц, амплитуда не превышает нескольких см. Вибрация вызывается совпадением частоты аэродинамических импульсов, действующих на провод, с собственной частотой его свободных колебаний. Следствием вибрации являются трещины и изломы жил провода, прежде всего у выхода их из зажима. Вибрация с большой амплитудой приводит к поломке деталей арматуры и повреждению изоляторов, в отдельных случаях — к повреждению сварных швов металлических опор. Защита от подобных вибраций осуществляется путём подвески на провод динамических гасителей вибрации в виде чугунных грузов, закрепляемых на тросе на расстоянии 0,5—2 м от зажима провода и противодействующих колебаниям провода. С помощью таких гасителей амплитуда вибрации уменьшается до безопасной величины около 1 мм. При скорости ветра от 6 до 20—30 м/сек и гололёде иногда наблюдаются колебания проводов с частотой 0,2—4 гц очень большой амплитуды, достигающей нескольких м (т. н. пляска проводов). Радикальная защита от «пляски» проводов не разработана (1971).

Опоры и поддерживающие провод конструкции защищают от атмосферного воздействия, а также от агрессивной биосферы (грибков, бактерий, насекомых) с помощью пропитки деревянных частей или антикоррозионных покрытий металлических конструкций. Принимаются также специальные меры для защиты воздушных линий от пожаров на трассе, от падения деревьев, от снежных и каменных лавин, от весеннего ледохода (вблизи рек) и др. В частности, вдоль трассы линии устанавливается охранная зелёная зона шириной от 20 до 100 м в зависимости от значения рабочего напряжения.

Лит.: Щедрин Н. Н., Токи короткого замыкания высоковольтных систем, М. — Л., 1935; Глазунов А. А., Глазунов А. А., Электрические сети и системы, 4 изд., М. — Л., 1960; Федосеев А. М., Основы релейной защиты, 2 изд., М. — Л., 1961; Гессен В. Ю., Аварийные режимы и защита от них в сельскохозяйственных электросетях, 2 изд., Л. — М., 1961; Андреев В. А. и Фабрикант В. Л., Релейная защита распределительных электрических сетей, М., 1965; Боровиков В. А., Косаре В. К., Ходот Г. А., Электрические сети и системы, 2 изд., Л., 1968; Долгинов А. И., Техника высоких напряжений в электроэнергетике, М., 1968; Беркович М. А., Семенов В. А., Основы автоматики энергосистемы, М., 1968.

В. Ю. Гессен.