Sovratensione nelle reti elettriche

La sovratensione è una tensione che supera l'ampiezza della massima tensione operativa (Unom) sull'isolamento degli elementi della rete elettrica. A seconda del luogo di applicazione, si distinguono sovratensioni di fase, interfase, avvolgimenti interni e tra contatti. Quest'ultimo si verifica quando viene applicata tensione tra contatti aperti delle stesse fasi di dispositivi di manovra (interruttori, sezionatori).

Si distinguono le seguenti caratteristiche di sovratensione:

• valore massimo Umax o molteplicità K = Umax / Unom;

• durata dell'esposizione;

• forma curva;

• la larghezza dell'ambito degli elementi di rete.

Queste caratteristiche sono soggette a dispersione statistica perché dipendono da molti fattori.

Quando si studia la fattibilità delle misure di protezione contro le sovratensioni e la scelta dell'isolamento, è necessario tenere conto delle caratteristiche statistiche del danno (aspettativa matematica e deviazione) dovute a tempi di inattività e riparazioni di emergenza delle apparecchiature del sistema di alimentazione, nonché a causa di guasti alle apparecchiature , rifiuto del prodotto e interruzione del processo tecnologico tra i consumatori di elettricità.

I principali tipi di sovratensione nelle reti ad alta tensione sono mostrati nella Figura 1.

Riso. 1. I principali tipi di sovratensione nelle reti ad alta tensione

Sovratensione interna causata da fluttuazioni dell'energia elettromagnetica immagazzinata negli elementi del circuito elettrico o fornita ad esso dai generatori. A seconda delle condizioni di accadimento e della possibile durata dell'esposizione all'isolamento, si distinguono sovratensioni stazionarie, quasi stazionarie e di commutazione.

Sovratensioni di commutazione: si verificano durante improvvisi cambiamenti nei parametri del circuito o della rete (commutazione pianificata e di emergenza di linee, trasformatori, ecc.), nonché in seguito a guasti a terra e tra le fasi. Quando gli elementi della rete elettrica (conduttori di linea o avvolgimenti di trasformatori e reattori) vengono accesi o spenti (interruzione della trasmissione di energia), si verificano transitori oscillatori che possono portare a sovratensioni significative. Quando si verifica l'effetto corona, le perdite hanno un effetto di smorzamento sui primi picchi di queste sovratensioni.

L'interruzione delle correnti capacitive dei circuiti elettrici può essere accompagnata da ripetuti archi nell'interruttore e ripetuti transitori e sovratensioni e intervento di piccole correnti induttive a regime minimo dei trasformatori - interruzione forzata dell'arco nell'interruttore e transizione oscillatoria dell'energia del campo del trasformatore magnetico nell'energia del campo elettrico delle sue potenze parallele. Con guasti a terra ad arco in una rete con neutro isolato si osservano anche più colpi d'arco e il verificarsi di picchi d'arco corrispondenti.

Il motivo principale per il verificarsi di sovratensioni quasi stazionarie è l'effetto capacitivo causato, ad esempio, da una linea di trasmissione single-ended alimentata da generatori.

Le modalità di linea asimmetriche che si verificano, ad esempio, quando una fase è in cortocircuito verso terra, una rottura del filo, una o due fasi dell'interruttore automatico, può causare un ulteriore aumento della tensione della frequenza fondamentale o causare sovratensioni ad alcune armoniche superiori, multipli della frequenza del generatore EMF ….

Qualsiasi elemento del sistema con caratteristiche non lineari, ad esempio un trasformatore con nucleo magnetico saturo, può anche essere fonte di armoniche superiori o inferiori e corrispondenti sovratensioni ferrorisonanti. Se è presente una sorgente di energia meccanica che modifica periodicamente il parametro del circuito (induttanza del generatore) in tempo con la frequenza naturale del circuito elettrico, può verificarsi una risonanza parametrica.

In alcuni casi, è anche necessario tener conto della possibilità che si verifichino sovratensioni interne con maggiore molteplicità quando sono imposte più commutazioni o altri fattori sfavorevoli.

Per limitare le sovratensioni di commutazione nelle reti 330-750 kV, dove il costo dell'isolamento risulta essere particolarmente rilevante, potenti limitatori di valvole o reattori. Nelle reti con classi di tensione inferiori, gli scaricatori non vengono utilizzati per limitare le sovratensioni interne e le caratteristiche degli scaricatori sono scelte in modo tale che non intervengano sotto le sovratensioni interne.

I picchi di fulmine si riferiscono a picchi esterni e si verificano quando esposti a campi elettromagnetici esterni. I picchi di fulmini maggiori si verificano quando si verifica un fulmine diretto sulla linea e sulla sottostazione. A causa dell'induzione elettromagnetica, un fulmine nelle vicinanze crea un picco indotto, che di solito si traduce in un ulteriore aumento della tensione di isolamento. Raggiungere una sottostazione o una macchina elettrica, diffondendosi dal punto di sconfitta onde elettromagnetiche, possono causare pericolose sovratensioni sul loro isolamento.

Per garantire un funzionamento affidabile della rete, è necessario implementare la sua protezione contro i fulmini efficace ed economica. La protezione contro i fulmini diretti viene eseguita con l'ausilio di un parafulmine verticale alto e cavi di protezione contro i fulmini sopra i conduttori delle linee aeree superiori a 110 kV.

La protezione contro le sovratensioni provenienti dalla linea viene effettuata da scaricatori di valvole e tubi di sottostazioni con protezione antifulmine migliorata sugli accessi alle sottostazioni su linee di tutte le classi di tensione.È necessario fornire una protezione contro i fulmini particolarmente affidabile delle macchine rotanti con l'ausilio di speciali scaricatori, condensatori, reattanze, inserti per cavi e una migliore protezione contro i fulmini per l'avvicinamento alla linea aerea.

L'utilizzo della messa a terra della parte neutra della rete mediante bobina di soppressione dell'arco, la richiusura automatica e l'accorciamento delle linee, l'attenta prevenzione dell'isolamento, le fermate e la messa a terra aumentano notevolmente l'affidabilità delle linee.

Va notato che la rigidità dielettrica dell'isolamento diminuisce con l'aumentare della durata dell'esposizione alla tensione. A questo proposito, le sovratensioni interne ed esterne della stessa ampiezza presentano un diverso pericolo per l'isolamento. Pertanto, il livello di isolamento non può essere caratterizzato da un unico valore di tensione di tenuta.

Selezione del livello di isolamento richiesto, ad es. la selezione delle tensioni di prova, il cosiddetto coordinamento dell'isolamento, è impossibile senza un'analisi approfondita delle sovratensioni che si verificano nel sistema.

Il problema del coordinamento dell'isolamento è uno dei problemi principali. Questa situazione è dovuta al fatto che l'uso dell'una o dell'altra tensione nominale è in definitiva determinato dal rapporto tra il costo dell'isolamento e il costo degli elementi conduttivi nel sistema.

Il problema del coordinamento dell'isolamento include come attività di base — l'impostazione dei livelli di isolamento del sistema… Il coordinamento dell'isolamento deve essere basato sulle ampiezze e sulle forme d'onda specificate delle sovratensioni applicate.

Attualmente, il coordinamento dell'isolamento nel sistema fino a 220 kV viene eseguito per le sovratensioni atmosferiche e il coordinamento superiore a 220 kV deve essere eseguito tenendo conto delle sovratensioni interne.

L'essenza del coordinamento dell'isolamento nei picchi atmosferici è il coordinamento (corrispondenza) delle caratteristiche di impulso dell'isolamento con le caratteristiche delle valvole, come dispositivo principale per limitare i picchi atmosferici. Secondo lo studio, viene adottata l'onda standard della tensione di prova.

Nel coordinamento delle sovratensioni interne, a causa della maggiore varietà di forme di sviluppo delle sovratensioni interne, è impossibile concentrarsi sull'utilizzo di un unico dispositivo di protezione. La necessaria brevità deve essere fornita dallo schema di rete: reattori shunt, utilizzo di interruttori senza riaccensione, utilizzo di spinterometri speciali.

Per le sovratensioni interne, la normalizzazione delle forme d'onda del test di isolamento non è stata ancora eseguita fino a tempi recenti. Molto materiale è già stato accumulato ed è probabile che nel prossimo futuro venga effettuata una corrispondente normalizzazione delle onde di prova.