9 Нелинейные ограничители перенапряжений

Назначение

Ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН) предназначены для защиты изоляционных конструкций электрооборудования подстанций и электрических сетей от грозовых и коммутационных перенапряжений.

Принцип действия

Защитное действие ограничителя перенапряжений обусловлено тем, что появление опасного для изоляции перенапряжения, вследствие высокой нелинейности резисторов через ограничитель перенапряжений протекает значительный импульсный ток, в результате чего величина перенапряжения снижается до уровня, безопасного для изоляции защищаемого оборудования.

В нормальном рабочем режиме ток через ограничитель имеет емкостный характер и составляет десятые доли миллиампера. Но при возникновении перенапряжений резисторы ОПН переходят в проводящее состояние и ограничивают дальнейшее нарастание перенапряжения до уровня, безопасного для изоляции защищаемой электроустановки. Когда перенапряжение снижается, ограничитель вновь возвращается в непроводящее состояние.

Особенности конструкции

Рисунок 1- Ограничитель перенапряжений

Относительная простота ОПН (необходимым элементом аппарата является только нелинейный резистор), компактность, способность ОЦВ работать в различных средах, возможность регулирования характеристик ОЦВ привели к разработке большого количества конструкций и схем ОПН. Например, при создании разъединителей ограничители могут использоваться в качестве опорных изоляционных конструкций. В трансформаторах ограничители могут размещаться внутри бака, что в дополнение к основной функции ограничения перенапряжений позволяет выравнить распределение напряжения по витковой изоляции. Широко распространено размещение ОПН в герметичных РУ с элегазовым заполнением.

Однако наибольшее количество производимых в настоящее время ограничителей представляют собой отдельно стоящие аппараты в фарфоровых корпусах, подобных применяемым в вентильных разрядниках. Основным конструктивным элементом ОПН является нелинейный рабочий резистор, образованный одной или несколькими параллельно соединенными колонками 1 поставленных один на другой оксидно-цинковых варисторов. Для удобства размещения внутри изолирующего снаружи оребрённого фарфорового корпуса 2 HP разделен на блоки высотой 0,3 — 1,0 м. По концам корпуса закреплены металлические фланцы 3 со смонтированными узлами герметизации и взрывобезопасности 4 и контактными пластинами 5. Фланцы также являются контактными выводами ограничителя, к которым изнутри присоединяется нелинейный рабочий резистор, а снаружи (к контактным пластинам) — фазный провод и проводник системы заземления распред. устройства. Аппараты на напряжение 110 кВ и более снабжаются экранной арматурой, обеспечивающей выравнивание распределения напряжения по высоте колонок варисторов, ограничение стримерной короны на элементах ограничителя и необходимую электрическую прочность его внешней изоляции. Экран обычно выполняется в виде одиночного или расщепленного тороида 6 с по крайней мере двумя экранодержателями 7. При использовании фарфоровой покрышки в ОПН предусматривается сквозная демпфирующая полость 8, обеспечивающая передачу избыточного давления при аварийном дуговом перекрытие внутри корпуса на клапаны взрывобезопасное 4 и предохраняющая аппарат от взрывного разрушения. Все свободное пространство внутри покрышки, не занятое колонками ОЦВ, элементами их крепления к корпусу и фланцам и демпфирующей полостью, заполняется веществом 9, обладающим высокой теплопроводностью (например, чистым кварцевым песком) и служащим для отвода теплоты от варисторов на корпус ограничителя. После сборки внутренняя полость аппарата вакуумируется, а затем заполняется осушенным азотом, элегазом или каким-либо инертным газом при атмосферном давлении. Система герметизации предотвращает проникновение вовнутрь покрышки влаги и загрязнений, которые могли бы вызвать перекрытие ОПН по внутренней полости и выход его из строя. Серийно производимые ограничители перенапряжений в фарфоровых корпусах серии ОПН(И) вплоть до номинального напряжения 500 кВ выпускаются в виде одного модуля. Аппараты на напряжение 750 и 1150 кВ изготавливаются состоящими из двух идентичных, поставленных один на другой модулей. Нелинейный рабочий резистор этих ограничителей набран из варисторов диаметром (28±0,5) мм и высотой (10±0,5) мм.

Ограничители на напряжение 35 — 220 кВ имеют нижние чугунные фланцы с тремя или четырьмя приливами с отверстиями для крепления к фундаменту (заземленному подножнику). Фланец изолирован от фундамента посредством фарфоровых дисков и изолирующих (как правило, паронитовых) прокладок. Ограничители на 330 — 1150 кВ устанавливаются непосредственно на подножник без изолирующих прокладок, однако в этих аппаратах нелинейный рабочий резистор не присоединен к нижнему фланцу. Подключение HP к системе заземления подстанции осуществляется через изолирующий вывод в днище ограничителя. Изоляция HP от “земли” выполняется для подключения к ОПН регистраторов срабатываний и профилактических испытаний аппаратов под напряжением (например, для измерения тока проводимости HP).

В настоящее время для изготовления изоляционных корпусов ограничителей все более широко стали применяться полимерные материалы. Основу этих полимерных корпусов составляет стеклопластиковая труба 10, которая обеспечивает необходимую механическую прочность и жесткость конструкции ограничителя. Трекингоэрозионную и дуговую стойкость, а также требуемые влагоразрядные характеристики внешней изоляции обеспечивает специальное ребристое покрытие 11, выполняемое обычно на основе силиконовой или этиленпропиленовой электротехнической резины. Ограничители в полимерных корпусах практически взрывобезопасны, что позволяет исключить из конструкции аппарата устройства, предохраняющие его от взрывного разрушения (предохранительные клапаны, демпфирующие по полости и т.д.), и тем самым уменьшить объем ограничителя на 25 — 40%. Полимерные корпуса идеально подходят для ограничителей, нелинейные рабочие резисторы которых выполнены в виде одиночной колонки варисторов 1 большого диаметра. В этом случае создаются наилучшие условия для охлаждения HP. Тепловую устойчивость аппарата также повышает использование для заполнения пространства между колонкой варисторов и стеклопластиковой трубой специальных полимерных композиций (компаундов) 12, теплопроводность которых искусственно повышается наполнителями. Применяемые компаунды обладает высокой адгезией к оксидно-цинковой керамике. По этой причине пропускная способность HP ограничителя при грозовых импульсах тока в 1,5 — 2,0 раза выше пропускной способности составляющих его варисторов, испытанных индивидуально вне оболочки аппарата.

В целом использование полимерных корпусов позволяет существенно (в 3 — 5 раз) снизить массу аппарата и упростить его конструкцию, что открывает возможности для создания ограничителей не только опорного, но и подвесного исполнения. В последнем варианте их можно устанавливать непосредственно на опорах линий электропередачи. При размещении трехфазных комплектов подвесных ОПН вдоль воздушных линий на расстоянии 50 — 100 км уровень коммутационных перенапряжений в любой точке ВЛ будет превышать максимальное напряжение на ограничителях не более, чем на 5 %.

Область применения

Ограничители перенапряжений имеют широкую область применения. Они используются для защиты воздушных линий электропередач и кабельных сетей, для ограничения междуфазных напряжений, для защиты электрооборудования подстанций открытого и закрытого типов, генераторов, синхронных компенсаторов и электродвигателей сетей, электроподвижного состава, электрооборудования промышленных предприятий и т.д.

Выбор ОПН

Первая величина, необходимая для выбора напряжения Uc ОПН - напряжение, прикладываемое к зажимам ОПН в нормальных, неаварийных условиях. Это зависит от того, подключен ли ОПН между фазой и землей, между фазами ЛЭП или между нейтралью и землей. Обычно, напряжение может быть рассчитано исходя из максимального межфазного (линейного) напряжения системы. Если это напряжение неизвестно, или оно меняется со временем, для вычислений берется самое высокое напряжение для оборудования Um.

В трехфазных системах, временные перенапряжения могут происходить после замыканий на землю, и величина их определяется условиями заземления нейтрали. Продолжительность перенапряжения зависит от условий работы сети. Глухозаземленные сети обычно выключаются в течение нескольких секунд. Изолированные и сети с компенсацией могут продолжать работать при условиях замыкания на землю в течение нескольких часов. Величина ожидаемого временного перенапряжения часто определяется с использованием фактора E. Временное перенапряжение Utov тогда рассчитывается как:

,

где Um может быть заменено напряжением системы Us, если эта величина известна.

Чтобы MO ОПН работал в сети надежно, при выборе рабочего напряжения Uc должны быть выполнены два условия: - Uc должно быть больше или равняться напряжению, прикладываемому к зажимам ОПН. Для ОПН, связанных с землей, должно выполняться следующее условие:

,

где Um может быть заменено напряжением системы Us. - Точка устойчивости ОПН, подвергнутого временным перенапряжениям, должна лежать ниже или на характеристической кривой перенапряжений. С целью проверки, также должна быть определена максимальная продолжительность перенапряжения. В целях повышения надежности всегда используют более низкую из двух кривых, если не имеется особых причин для иного решения. Если рабочая точка лежит выше кривой, рассматриваемый ОПН не может использоваться в данной сети. Вместо этого должен использоваться ОПН с более высоким рабочим напряжением.

,

где T определяется временем отключения короткого замыкания системы t и характеристикой устойчивости ОПН к перенапряжениям. Сети с компенсацией емкостного тока замыкания на землю или с заземлением нейтрали через большое сопротивление.

,

В этих сетях напряжение «фаза-земля» на неповрежденных фазах в основном не будет превышать Um. для ОПН, подключенных между фазой и землей. Максимальное напряжение на нейтрали трансформатора достигает значения Um/V3:

Для ОПН, установленных между нейтралью трансформатора и землей. Необходимо отметить, что при некоторых обстоятельствах в результате резонансных явлений фактор E может достигать величины 1.85. В таких случаях рабочее напряжение Uc должно быть увеличено соответственно.

Сети с заземлением нейтрали через большое сопротивление и с релейной защитой от замыканий на землю

для ОПН, подключенных между фазой и землей

Для ОПН, подключенных между нейтралью трансформатора и землей амплитуда перенапряжений достигает тех же значений, что и в сетях с компенсацией емкостного тока. Быстрое отключение, однако, может позволить использовать ОПН с более низким рабочим напряжением Uc при более надежном уровне защиты от перенапряжений. Сети с низким сопротивлением заземления нейтрали E < 1,4 Если большое количество трансформаторов имеют заземленные нейтрали с низким сопротивлением, фактор замыкания не будет превышать величины 1,4 для всей сети. Из-за большого значения тока короткого замыкания, проведение расчетов в таких сетях упрощается. Можно использовать ОПН с более низким рабочим напряжением Uc и при этом обеспечить лучший уровень защиты от перенапряжений.

,

Для ОПН между фазой и землей максимальное напряжение в нейтрали незаземленных трансформаторов

,

Для ОПН, подключенных между нейтралью трансформатора и землей сети с низким сопротивлением заземления нейтрали E > 1.4 Если нейтрали трансформаторов заземлены через сопротивление с целью ограничения токов короткого замыкания, напряжение на неповрежденных фазах повышается до Um. В случае активного значения сопротивления заземления напряжение Um может даже увеличиться на 5 %.

Для активного сопротивления заземления ОПН, подключенные между фазами (схема Neptune) В некоторых схемах, например, трансформаторы для дуговых печей, защита от коммутационных перенапряжений только с помощью ОПН, подключенных между фазами и землей, не может быть достаточной. В этих случаях уровень защиты может быть улучшен за счет установки дополнительных ОПН между фазами. Защита состоит из 6 ОПН, 3 - между фазами и 3 - между фазами и землей:

Для всех ОПН разновидностью такой конфигурации является схема Neptune, названная так из-за своего вида. Эта схема также обеспечивает защиту и между фазами, и по отношению к земле. Уровень защиты по указанной схеме на 33 % выше, чем у варианта с 6 ОПН. Более высокий уровень защиты объясняется тем, что необходимо подбирать ОПН с более высоким рабочим напряжением Uc.

Для всех ОПН напряжение сети содержит высшие гармоники. Из-за нелинейной U-I характеристики, критическое значение для MO ОПН - амплитудное значение рабочего напряжения. Если же напряжение содержит высшие гармоники, необходимо учитывать, что амплитудное значение напряжения может отклоняться весьма существенно от увеличенного в V2 раз действующего значения напряжения сети. Если это различие составляет менее, чем 5 %, величина рабочего напряжения должна быть изменена соответственно. Для больших отклонений, ОПН должен быть выбран после консультации с его изготовителем. То же самое рекомендуется при монтаже MO ОПН вблизи тиристорных преобразователей. Коммутационные пики, наличие постоянной составляющей напряжения указывают на то, что необходимо принимать во внимание дополнительные критерии выбора ОПН.