8 Аппараты и устройства защиты от перенапряжений

 

Принцип действия защитного аппарата состоит в том, что он предотвращает появление на электроустановке импульсов перенапряжений, опасных для её изоляции, и не препятствует работе электроустановки при рабочем напряжении.

Простейшим защитным устройством является искровой промежуток, включенный параллельно изоляционной конструкции. Для предупреждения перекрытия или пробоя изоляции вольт-секундная характеристика защитного искрового промежутка ПЗ с учётом разброса должна в идеальном случае лежать ниже вольт-секундной характеристики защищаемой изоляции (рисунок 49). При выполнении этого требования появление опасных для изоляции электроустановок перенапряжений невозможно, так как при набегании импульса напряжения U_пад происходит пробой ПЗ с последующим резким падением («срезом») напряжения. Вслед за импульсным током в защитный промежуток по ионизированному пути устремляется ток, обусловленный напряжением промышленной частоты - сопровождающий ток. Если электроустановка работает в сети с заземленной нейтралью или если пробой ПЗ произошёл в двух или трех фазах, то дуга сопровождающего тока может не погаснуть и импульсный пробой переходит в устойчивое короткое замыкание, которое вызывает аварийное отключение электроустановки. Чтобы этого избежать, следует обеспечить гашение дуги сопровождающего тока.

Защитные аппараты, обеспечивающие не только защиту изоляции от перенапряжений, но и гашение дуги сопровождающего тока в течение времени меньшего, чем время действия релейной защиты, получили название защитных разрядников.

Рисунок 49 - Принцип действия защитного устройства:

а – схема включения защитного промежутка (ПЗ); б – согласование вольт-секундных характеристик защищаемой изоляции (1) и ПЗ (2)

 

Имеются два различных способа гашения дуги: в трубчатых разрядниках гашение дуги происходит путем интенсивного продольного дутья, в вентильных разрядниках – путем снижения значений сопровождающего тока с помощью сопротивления, включенного последовательно с искровым промежутком.

В ограничителях перенапряжений (ОПН – ограничитель перенапряжения нелинейный) в силу очень большой нелинейности характеристики резистора сопровождающий ток при рабочем напряжении имеет значение долей миллиампера, что безопасно для защитного аппарата и не создаёт заметных потерь энергии. Поэтому ОПН выполняются без искровых промежутков.

 

8.1. Защитные промежутки

 

Конструктивно защитные промежутки выполняются в виде стержневых электродов, создающих резконеоднородное поле. Для таких электродов характерно значительное возрастание разрядного напряжения при малых временах, что не всегда позволяет осуществлять координацию вольт-секундных характеристик изоляции и защитных промежутков во всём диапазоне предзарядных времён.

Переход импульсного тока при пробое ПЗ в устойчивую дугу может сопровождаться аварийным отключением электроустановки или участка электрической сети. Для повышения надёжности электроснабжения желательно ПЗ устанавливать на тех участках сети, которые оборудованы устройствами автоматического повторного включения (АПВ).

В установках до 35 кВ защитные промежутки имеют небольшую длину. Во избежание случайного их замыкания (например, птицами) в заземляющих спусках защитных промежутков создаются дополнительные искровые промежутки. Электроды защитных промежутков в установках 3-10 кВ целесообразно выполнять в виде рогов, так как под действием электродинамических сил и тепловых потоков воздуха дуга растягивается и может погаснуть. Самопогасание дуги между электродами в виде рогов происходит при токе в дуге, не превышающем 300 ампер.

Простота и дешевизна стержневых промежутков определяют их широкое применение, особенно в сетях низших классов напряжения. На ЛЭП высокого и сверхвысокого напряжения принимаются специальные меры по ограничению внутренних перенапряжений, поэтому стержневые промежутки могут применяться в качестве координирующих, т.е. для ограничения максимального значения набегающего на подстанцию импульса напряжения и тока через вентильные разрядники при грозовых перенапряжениях.

 

8.2 Трубчатые разрядники

 

Принципиальная схема устройства и включения трубчатого разрядника (РТ) показана на рисунке 50. Основу разрядника составляет трубка из газогенерирующего материала. Один конец трубки заглушен металлической крышкой, на которой укреплен внутренний стержневой электрод 2. На открытом конце трубки расположен другой электрод в виде кольца 3. Промежуток l₁ между стержневыми и кольцевыми электродами называется внутренним, или дугогасящим промежутком. Трубка отделяется от провода фазы внешним искровым промежутком l₂, иначе газогенерирующий материал трубки постоянно разлагался бы под действием токов утечки.

Рисунок 50 - Устройство трубчатого разрядника

 

Защитное действие трубчатого разрядника характеризуется его вольт-секундной характеристикой и сопротивлением заземления. При воздействии на РТ импульса грозового перенапряжения оба промежутка пробиваются (перекрытие по внешней поверхности не может произойти, поскольку разрядное расстояние по этой поверхности намного больше длины внутреннего промежутка), и происходит ограничение импульса напряжения. По каналам разряда пробитых промежутков проходит сопровождающий ток рабочей частоты. Под действием высокой температуры канала дуги переменного тока в трубке происходит интенсивное выделение газа. Давление в трубке увеличивается. Газы, устремляясь к открытому концу трубки, создают продольное дутьё, в результате чего дуга гасится при первом же прохождении тока через нулевое значение. Срабатывание разрядника сопровождается выхлопом раскаленных газов и звуком, напоминающим выстрел.

При установке РТ в сети необходимо проверить соответствие токов замыкания в точке установки диапазону отключаемых разрядником токов. Наибольший возможный полный ток однофазного или трёхфазного КЗ в сетях 110 кВ и выше должен быть ниже верхнего предела токов, отключаемых трубчатым разрядником, а наименьший установившийся ток замыкания выше нижнего предела.

Трубчатые разрядники типа РТФ имеют фибробакелитовую трубку, разрядники типа РТВ или РТВУ – трубки из винипласта. Для повышения механической прочности фибровая трубка обматывается сверху бакелизированной бумагой и покрывается влагостойким лаком. Винипласт не гигроскопичен и сохраняет свои изолирующие свойства при работе на открытом воздухе. Благодаря более высокой механической прочности винипласта по отношению к ударным нагрузкам разрядники типа РТВ имеют более высокий верхний предел отключаемых токов.

В маркировке трубчатых разрядников указывают номинальные напряжения и пределы отключаемых токов. Например, марка РТФ-110/0,8-5 означает разрядник трубчатый фибробакелитовый на напряжение 110 кВ с пределами отключаемых токов 0,8-5 кА (действующее значение).

В результате многократной работы разрядника внутренний канал дугогасящей трубки разрабатывается. При возрастании внутреннего диаметра трубки на 20-25% трубчатый разрядник перестаёт соответствовать заводской маркировке по отключаемому току и подлежит замене или перемаркировке.

Крутая вольт-секундная характеристика и наличие зоны выхлопа не позволяют использовать трубчатые разрядники для защиты подстанционного оборудования. Основное их применение – это защита линейных подходов к подстанциям, электрооборудованиям маломощных подстанций 3-10 кВ и участкам пересечения линий различного номинального напряжения.

 

8.3 Вентильные разрядники

 

Применяются для защиты изоляции электрооборудования подстанций разрядники РВ, также наравне с ними используются нелинейные ограничители напряжения. В соответствии с защитными характеристиками этих аппаратов устанавливаются уровни изоляции трансформаторов и аппаратов подстанций.

Основными элементами вертикального разрядника являются многократный искровой промежуток и соединенный последовательно с ним резистор с нелинейной вольт-амперной характеристикой (рисунок 51). При воздействии на РВ импульса грозового перенапряжения пробивается искровой промежуток ИП и через разрядник проходит импульсный ток, создающий падение напряжения на сопротивлении резистора. Благодаря нелинейной вольт-амперной характеристике это падение напряжения мало меняется при существенном изменении импульсного тока (рисунок 52).

Одной из основных характеристик РВ является остающееся напряжение U_ост, представляющее собой падение напряжения на сопротивлении резистора при определенном импульсном токе (5-14 кА в зависимости от типа РВ), который называется током координации.

Рисунок 51 - Схема включения вентильного разрядника

 

Остающееся напряжение и близкое к нему по значению импульсное пробивное напряжение искрового промежутка РВ U_пр должны быть на 20-25% ниже разрядного или пробивного напряжения защищаемой изоляции (координационный интервал).

Вслед за импульсным током через РВ проходит сопровождающий ток промышленной частоты. Сопротивление нелинейного резистора при рабочем напряжении резко возрастает, сопровождающий ток существенно ограничивается, и при переходе его через нулевое значение дуга в искровом промежутке гаснет.

Наибольшее напряжение промышленной частоты на РВ, при котором надёжно обрывается сопровождающий ток, называется напряжением гашения U_гаш, а соответствующий сопровождающий ток – током гашения I_гаш.

Рисунок 52 - Вольт-амперные характеристики вентильных разрядников: 1 и 2 разные нелинейности резистора; 1 и 3 разные токи гашения

 

Гашение сопровождающего тока может осуществляться в условиях однофазного замыкания на землю, поэтому в качестве напряжения гашения принимается напряжение на здоровых фазах при однофазном замыкании на землю

U =К U ,

где К_з - коэффициент, зависящий от способа заземления нейтрали;

U - номинальное линейное напряжение.

Коэффициент К_з для установок с заземленной нейтралью равен 0,8, а для установок с изолированной нейтралью равен 1,1.

Дугогасящее действие искрового промежутка РВ характеризуется коэффициентом гашения

К =U /U ,

где U - пробивное напряжение искровых промежутков при частоте 50 Гц,

а защитное действие нелинейного резистора называется коэффициентом защиты (защитным отношением).

К ).

Основу нелинейного резистора разрядника составляет порошок электротехнического карборунда SiC, на поверхности карборунда имеется запорный слой толщиной порядка 100 мкм из окиси кремния SiO , сопротивление которого нелинейно зависит от напряженности электрического поля. При малых напряженностях поля (при небольших напряжениях на резисторе) удельное сопротивление слоя составляет - и практически все напряжение ложится на него, так как удельное сопротивление самого карборунда значительно меньше – около . При повышении напряженности поля сопротивление запорного слоя резко падает и значение сопротивления нелинейного резистора начинает определяться собственно карборундом. Свойства материала резко менять своё сопротивление в зависимости от напряжения, обеспечивать пропускание очень больших токов при высоких напряжениях и весьма малых при пониженных, называют «вентильными». Отсюда и название аппарата «вентильный разрядник».

Нелинейные резисторы РВ выполняются в виде дисков, состоящих из карбонудового порошка и связующего материала. В зависимости от технологии изготовления получают диски из вилита или терлита. В качестве связки используется жидкое стекло. Вилитовые диски стекаются при сравнительно низкой температуре (около 300 С). Тервитовые диски обжигаются при температуре выше 1000 С, и часть запорных слоёв из окиси кремния разрушается. При этом возрастает пропускная способность (до 1500 ампер вместо 300 ампер для вилита), однако уменьшается степень нелинейности материала. На искровые промежутки РВ возлагается подключение нелинейного резистора при перенапряжениях и его отключение при прохождении сопровождающего тока.

Простейший единичный промежуток (рисунок 53) состоит из двух латунных электродов, разделенных миканитовой шайбой. Электрическое поле между электродами близко к однородному. В воздушных прослойках между поверхностью электродов и миканитом в силу разности диэлектрических проницаемостей воздуха и миканита возникает ионизация, в результате чего межэлектродное пространство снабжается начальными электронами. Пробой промежутка происходит при коэффициенте импульса, близком к единице.

Гашение сопровождающего тока многократным ИП основан на нестабильности горения короткой дуги в промежутке с холодными электродами. После погасания дуги происходит относительно медленное восстановление электрической прочности.

Рисунок 53 - Единичный искровой промежуток с

неподвижной дугой (разрез):

1. 1-     латунные электроды; 2 – миканитовая шайба; 3 – искровой промежуток

 

На рисунке 54 изображен единичный искровой промежуток с магнитным гашением дуги. Промежуток представляет собой кольцевую щель между двумя медными, концентрически расположенными электродами. Щель пронизывается магнитным полем, создаваемым постоянными магнитами. Возникшая дуга под действием магнитного поля с большой скоростью вращается по кольцевой щели, интенсивно охлаждаясь, что способствует быстрому нарастанию электрической прочности после погасания дуги. Если для промежутков с неподвижной дугой ток гашения не превышает 80-100 А, то для промежутка с вращающейся дугой это значение увеличивается на порядок. Однако подобные токи, проходящие в течение полупериодов, превышают пропускную способность вилитовых дисков, и по этой причине сопровождающий ток в разрядниках типа РВМГ ограничивается 300 А.

Рисунок 54 - Конструкция искрового промежутка с вращающей дугой:

1- внутренний электрод; 2 – внешний электрод; 3 – изоляционные прокладки; 4 – постоянные магниты; 5 – кольцо из пластмассы

 

При крутых фронтах импульса неравномерность распределения приводит к коэффициенту импульса меньше единицы. Для того, чтобы удержать коэффициент импульса близким к единице, разрядники на напряжение 110 кВ и выше снабжаются экранирующими кольцами, способствующими некоторому выравниванию распределения напряжения по промежуткам.

По электрическим характеристикам разрядники подразделяются на 4 группы.

К первой группе относятся разрядники РВТ (токоограничивающий) и РВРД (с растягивающей дугой). Разрядники этих серий комплектуются из тервитовых дисков и токоограничивающих искровых промежутков. Защитное отношение этих разрядников существенно ниже, чем разрядники серии РВМ. Разрядники на 3-10 кВ, предназначенные для защиты вращающихся машин, имеют остающееся напряжение при токе 3 кА и импульсное пробивное напряжение не выше испытательных напряжений изоляции машины. Высокая пропускная способность тервита позволяет использовать эти разрядники для ограничения внутренних перенапряжений.

Магнитно-вентильные разрядники на напряжение 3-35 кВ составляют серию РВМ (магнитный), а на напряжение 110-500 кВ – серию РВМГ (магнитно- грозовой). Они относятся ко второй группе. В разрядниках этих серий применены искровые промежутки с магнитным гашением и вилитовые диски диаметром 150 мм, что увеличило их пропускную способность.

Широко распространенные разрядники серии РВС (станционные) относятся к третьей группе. Они применяются для защиты электрооборудования напряжением 15-220 кВ. Разрядники этой серии на высшие классы напряжений комплектуются из стандартных элементов на более низкие напряжения. Стандартный элемент, например на 35 кВ (РВС-35), содержит 32 единичных искровых промежутка (рисунок 53) и 11 вилитовых дисков диаметром 100 мм и высотой 60 мм. Контакт между дисками осуществляется посредством металлизации их поверхностей. Комплект искровых промежутков и вилитовых дисков помещается в герметизированный фарфоровый чехол. Герметизация необходима для предохранения вилита от действия влаги и для обеспечения стабильности разрядных характеристик искровых промежутков.

К четвёртой группе относятся разрядники серии РВП (подстанционное) и РВО (облегченный, для защиты сельских сетей) на напряжение 3-10 кВ. Нелинейные резисторы этих разрядников комплектуются из вилитовых дисков, искровой промежуток набирается из элементов.

Комбинированные вентильные разрядники серии РВМК (рисунок 55) предназначены для ограничения как грозовых, так и внутренних перенапряжений в системах 330-750 кВ. Нелинейные резисторы комбинированных разрядников изготавливаются из тервита, имеющего =0,154-0,25, что хуже, чем у вилита.

Это создаёт трудности при конструировании разрядников. Если тервитовый резистор обеспечивает защиту от внутренних перенапряжений при проходящих через него токах менее 1,5 кА, то при грозовых перенапряжениях, когда токи достигают 10 кА и более вследствие более высокого коэффициента нелинейности, он не может обеспечить защиту изоляции.

 

Рисунок 55 – Вольт-амперная характеристика комбинированного разрядника

 

Это обстоятельство привело к комбинированной схеме разрядника, показанной на рисунке 55. Часть тервитового резистора НР 2 (около 40%) зашунтирована дополнительным искровым промежутком ИП 2, который при внутренних перенапряжениях не пробивается, и напряжение на разряднике соответствует характеристике 1 на рисунке 56. При прохождении через разрядник тока более 1,5 кА напряжение на ИП 2 становится больше его пробивного напряжения и часть резисторов закорачивается. При этом напряжение на разряднике следует характеристике 2 и остается в допустимых пределах.

Рисунок 56 – Вольт-амперная характеристика комбинированного разрядника

 

8.4 Нелинейные ограничители перенапряжений

 

Основной недостаток вентильных разрядников связан с тем, что резисторы на основе карборунда обладают сравнительно невысокой нелинейностью. Снижение защитного отношения РВ достигается ценой значительного усложнения искровых промежутков, которые в разрядниках первой группы принимают на себя часть напряжения гашения.

Разработанные в последнее время резисторы на основе окиси цинка обладают значительно большой нелинейностью, чем резисторы на основе карборунда. Это позволило создать новый тип защитного аппарата – нелинейный ограничитель напряжений (ОПН).

Преимуществами ОПН являются: возможность глубокого ограничения перенапряжений, в том числе и междуфазных; малые габариты, позволяющие использовать их в качестве опорных изоляционных колонн, большая пропускная способность.

Уровень ограничения коммутационных перенапряжений с помощью ОПН составляет (1,65-1,8)U_ф. Уровень ограничения грозовых перенапряжений составляет (2,2-2,4)U_ф в сетях 110 кВ, снижается до 2U_ф для линий электропередач 750 кВ.

Ограничители комплектуются в виде параллельно соединенных колонок из дисков диаметром 28 и высотой 8 мм. Торцы дисков металлизированы и обеспечивают контакт между дисками. В соответствии с пропускной способностью число параллельных колонок резисторов в ОПН варьируются от 4 ограничителей напряжения на 110 кВ до 30 в ограничителях на 750 кВ.

Коэффициент нелинейности резисторов ОПН в области ограничения коммутационных перенапряжений имеет значение 0,03-0,05. При ограничении грозовых перенапряжений, когда токи, протекающие через ОПН, достигают нескольких килоампер, коэффициент нелинейности возрастает до 0,07-0,01. Такая высокая нелинейность обуславливает прохождение при рабочем напряжении или резонансных перенапряжениях через нелинейные резисторы токи порядка долей миллиампера на одну параллельную колонку. Это позволяет исключить искровой промежуток и подключать резистор ОПН непосредственно к сети.

 

Список литературы

 

1. 1.       Кучинский Г.С., Кизеветтер В.В., Пинталь Ю.С. Изоляция установок высокого напряжения.– М.: Энергоатомиздат, 1987.-386 с.

2. 2.       Базуткин В.В., Ларионов В.П., Пинталь Ю.С Техника высоких напряжений. Изоляция и перенапряжения в электрических системах. –М.: Энергоатомиздат, 1986. –464 с.

3. 3.       Техника высоких напряжений. Теоретические и практические основы применения: Пер. с нем. / Под ред. В.П.Ларионова. –М.: Энергоатомиздат, 1989. –555 с.

4. 4.       Борисов В.Н., Халифов Ф.Х. Изоляция электрооборудования электрических станций и подстанций.–М.: Издательство МЭИ, 1992. –243 с.

5. 5.       Электрическая часть станций и подстанций. / Под ред. А.А.Васильева/. –М.: Энергия, 1980. –608 с.

Содержание

Введение.................................................................................................................	3
1 Электрические разряды в газах. Требования к изолирующим газам............	4
1.1 Вольтамперная характеристика газового разряда.......................................	4
1.2 Процессы ионизации газов….......................................……………………..	5
1.3 Виды ионизации................................................................................ ……….	6
1.4 Коэффициенты ионизации................................................................... …….	7
1.5 Лавина электронов…….. .........................................................…………..	8
1.6 Условие самостоятельности разряда........ .......................................…........	9
1.7 Разряд в однородном поле. Закон Пашена........................................….......	10
1.8 Стримерная теория разряда………................................................................	10
1.9 Разряды в резко неоднородных полях. Влияние полярности электродов.	11
1.10 Разряды при кратковременном воздействии напряжения........................	12
1.11 Вольт-секундные характеристики промежутков...............…....................	13
1.12 Методы повышения электрической прочности газов…………..……….	14
1.13 Коронный разряд…………………………………………………………..	15
1.14 Корона на проводах при постоянном напряжении....................................	15
1.15 Корона на проводах при переменном напряжении...................................	16
1.16 Пути снижения потерь на корону................................................................	17
1.17 Поверхностный разряд.................................................................................	18
2 Изоляция установок высокого напряжения.....................................................	19
2.1 Характеристики изоляторов и их испытания...............................................	19
2.1.1 Мокроразрядное напряжение…………………………………………….	21
2.1.2 Пробивное напряжение изоляторов и их испытания…………………..	21
2.2 Конструкции линейных и подвесных изоляторов………………………..	22
2.3 Конструкция опорных и проходных изоляторов.........................................	24
2.4 Изоляция силовых кабелей высокого напряжения .....................................	27
2.5 Изоляция высоковольтных конденсаторов..................................................	33
2.6 Изоляция силовых высоковольтных трансформаторов..............................	35
2.7 Изоляция электрических машин высокого напряжения.............................	36
2.8 Изоляция герметизированных распределительных устройств...................	36
3 Оборудование высоковольтных лабораторий………………………………	37
3.1 Испытательные трансформаторы (высоковольтные)..................................	37
3.1.1 Регулирование напряжения испытательных трансформаторов………	40
3.2 Каскадный генератор постоянного тока высокого напряжения ................	41
3.3 Электростатический генератор......................................................................	42
3.4 Генератор импульсных напряжений (ГИН)…….…………………………	44
4 Измерения при высоком напряжении..............................................................	45
4.1 Шаровые разрядники......................................................................................	45
4.2 Электростатические вольтметры…….……………………………………..	47
4.3 Роторные вольтметры.....................................................................................	48
4.4 Электронные осциллографы………………………………………………...	49
4.5 Делители напряжения……………………………………………………...	49
5 Грозовые перенапряжения и защита электрооборудования электроустановок..........................................................................................................	51
5.1 Молния как источник грозовых перенапряжений.......................................	51
5.2 Электрические характеристики молний.......................................................	53
5.3 Молниеотводы, принцип действия молниеотводов....................................	56
5.4 Зоны защиты молниеотводов.........................................................................	56
6 Заземление в электроустановках высокого напряжения................................	58
7 Общая характеристика внутренних перенапряжений...................................	60
8 Аппараты и устройства защиты от перенапряжений.....................................	61
8.1 Защитные промежутки...................................................................................	62
8.2 Трубчатые разрядники....................................................................................	62
8.3 Вентильные разрядники.................................................................................	64
8.4 Нелинейные ограничители перенапряжений...............................................	69
Список литературы...............................................................................................	71

 

 

 

Борисов Владимир Николаевич

 

 

 

 

Техника высоких напряжений.

Перенапряжения и изоляция.

 

Учебное пособие

 

 

 

 

 

Редактор Ж.М.Сыздыкова

Сводный план 2006 г.поз.7 Формат 60 х 84 1/16

Бумага типографская №2

Объем – 4,6 уч.-изд.л. Тираж 100 экз.

Заказ ___. Цена 259 тенге.

Подписано в печать «____»______2006 г.

 

 

 

 

 

Копировально-множительное бюро

Алматинского института энергетки и связи