Защита электрических сетей от перенапряжения

Для выполнения первого требования необходимо сопротивление заземления подстанции делать малым. Для напряжения выше 1000 В сопротивление заземления подстанции R_з ≈ 0,5 Ом. Уменьшение R_з – наиболее эффективный путь защиты от обратных перекрытий.

Для выполнения второго требования применяются вентильные разрядники (РВ) и ограничители перенапряжения (ОПН). Вентильный разрядник обладает пологой вольт-секундной характеристикой (ВСХ). Это позволяет ему защищать оборудование в широком диапазоне  изменений длин волн, набегающих с  линии (рисунок 5).

Для эффективной защиты необходимо, чтобы:

1 - остающееся напряжение на рабочем сопротивлении РВ не превышало допустимого;

2 - крутизна набегающей на подстанцию волны была ограниченной.

Для выполнения этих условий все  линии, подходящие и отходящие от подстанции, оборудуются тросовой защитой длиной 2–3 км – защитные подходы. Углы защиты выполняют менее 20º и даже отрицательные. Наличие защищенных подходов исключает прямой удар молнии в провод, что уменьшает токи через РВ и, следовательно, остающееся напряжение на рабочем сопротивлении РВ.

Рисунок 5 –  Вид вольт-секундных характеристик  защищаемого объекта и РВ

При движении волны по проводу с линии в  защищенном подходе возникает интенсивное  коронирование, что сглаживает фронт волны (уменьшает крутизну импульса) и уменьшает амплитуду напряжения.

 

Средства защиты от перенапряжений

В сетях до 35 кВ часто для  защиты используют открытые разрядные промежутки – защитные разрядники ("рога") и трубчатые разрядники. Срабатывание таких разрядников вызывает резкий спад напряжения, возникновение переходных процессов и опасных перенапряжений на продольной изоляции высоковольтных устройств (трансформаторы, генераторы, реакторы и т. д.). Кроме этого, такие разрядники имеют крутую вольт-секундную характеристику (ВСХ), т. к. форма электрического поля сильнонеоднородная. Это не позволяет осуществлять защиту объектов в области коротких времен воздействия напряжения (грозовые перенапряжения) (рисунок 6).

Рисунок 6 – Вольт-секундная характеристика защищаемой изоляции(1), искрового промежутка с сильнооднородным полем(2) и однородным полем(3)

Одним из лучших разрядников такого типа является трубчатый разрядник (РТ) (рисунок 7).

Электроды искрового промежутка помещаются в диэлектрическую трубу (1) из газогенерирующего материала (например, винипласт). Основной промежуток S₁ обеспечивает дугогашение. Промежуток S₂ служит для отделения газогенерирующей трубки от сети, чтобы избежать ее разложения от токов утечки. При появлении перенапряжений пробивается S₁ и S₂. Через них протекает импульсный ток и сопровождающий ток промышленной частоты. Температура повышается, происходит интенсивное газовыделение. Давление повышается до десятков атмосфер. Газ выходит через открытый электрод (3). Создается продольное дутье. Дуга выдувается наружу. При переходе тока через 0 дуга гаснет. Из-за недостатков (см. ВСХ) РТ не применяются для защиты ответственного оборудования.

Рисунок 7 – Устройство трубчатого разрядника: S₁ – основной промежуток; S₂ – внешний искровой промежуток; 1 – диэлектрическая труба; 2 – стержневой электрод;

Наиболее широкое распространение  в сетях высокого напряжения получили вентильные разрядники (РВ), которые  имеют пологую ВСХ. Они состоят из нескольких искровых промежутков (ИП), включенных последовательно, последовательных нелинейных рабочих сопротивлений (НС) и шунтирующих сопротивлений (R_ш).

ИП служат для отделения НС от постоянного воздействия рабочего напряжения и протекающего через  него тока, который разрушает НС. НС служит для ограничения сопровождающего  тока до величины, необ-ходимой для гашения дуги. R_ш служит для выравнивания распределения напряжения по элементарным разрядным промежуткам с целью исклю-чения ложного срабатывания разрядника.

РВ ограничивает перенапряжения и  гасит дугу сопровождающего тока без отключения сети или подстанции.

После гашения дуги разрядник возвращается в исходное состояние и готов  к повторной работе. Число срабатываний РВ – 20 или 50.

В простейших РВ (типа РВС, РВП) ток  гашения дуги составляет 80 А. Более современные РВ имеют ток гашения дуги 250 А.

Материалами НС являются вилит и тервит. Вольт-амперная характеристика их описывается выражением:

где - коэффициент вентильности;

К –  постоянная.

Наилучшими  защитными свойствами об-ладают РВ I группы, но они и более дорогие. РВ делятся на 4 группы:

IV группа  – РВП (подстанционные);

III группа  – РВС (станционные);

II группа  – РВМ (магнитовентильные), РВМГ (магнитовентильные, грозовые);

I группа  – РВТ (токоограничивающие), РВРД (с растягивающейся дугой).

Существенное  улучшение защитных характеристик  может быть достигнуто при отказе от использования ИП. Для этого  требуются материалы с резко  нелинейной ВАХ. Этим требованиям отвечает материал на основе оксида цинка, из которого изготавливают нелинейные резисторы – варисторы. Защитные устройства на их основе носят название ограничителей перенапряжений нелинейных (ОПН). Коэффициент нелинейности ОПН составляет α = 0,02–0,1. ОПН собираются из отдельных дисков (варисторов), которые помещаются в герметичный фарфоровый корпус.

 

Назначение и принцип действия ОПН

Ограничители  перенапряжений нелинейные (ОПН)-электрические аппараты, предназначенные для защиты оборудования систем электроснабжения от коммутационных и грозовых перенапряжений. Основным элементом ОПН является нелинейный резистор – варистор              (varistor, от англ. Vari(able) (Resi)stor – переменное, изменяющееся сопротивление).

Основное  отличие материала нелинейных резисторов ограничителей от материала резисторов вентильных разрядников состоит в резко нелинейной вольтамперной характеристики (ВАХ) и повышенной пропускной способности. Применение в ОПН высоконелинейных резисторов позволило исключить из конструкции аппарата искровые промежутки, что устраняет целый ряд недостатков, присущих вентильным разрядникам.

Основной  компонент материала резисторов ОПН – оксид (окись) цинка ZnO. Оксид цинка смешивают с оксидами других металлов – закисью и окисью кобальта, окисью висмута и др. Технология изготовления оксидно-цинковых резисторов весьма сложна и трудоёмка и близка к требованиям при производстве полупроводников – применение химически чистого исходного материала, выполнение требований по чистоте и т. д. Основные операции при изготовлении – перемешивание и измельчение компонентов, формовка (прессование) и обжиг. Микроструктура варисторов включает в себя кристаллы оксида цинка (полупроводник n – типа) и междукристаллической прослойки ( полупроводник p – типа). Таким образом, варисторы на основе оксида цинка ZnO являются системой последовательно – параллельно включённых p – n переходов. Эти p – n переходы и определяют нелинейные свойства варисторов, то есть нелинейную зависимость величины тока, протекающего через варистор, от приложенного к нему напряжения.

В настоящее  время варисторы для ограничителей  изготовляются как цилиндрические диски диаметром 28 – 150 мм, высотой 5 – 60 мм (рисунок 8). На торцевой части дисков методом металлизации наносятся алюминиевые электроды толщиной 0.05-0.30 мм. Боковые поверхности диска покрывают глифталевой эмалью, что повышает пропускную способность при импульсах тока с крутым фронтом.

Рисунок 8 - Нелинейный резистор – варистор

 

Диаметр варистора (точнее - площадь поперечного сечения) определяет пропускную способность варистора по току, а его высота - параметры по напряжению.

При изготовлении ОПН то или иное количество варисторов соединяют последовательно в  так называемую колонку. В зависимости  от требуемых характеристик ОПН  и его конструкции и имеющихся  на предприятии варисторов ограничитель может состоять из одной колонки (состоящей даже из одного варистора) или из ряда колонок, соединённых  между собой последовательно/ параллельно.

Для защиты электрооборудования от грозовых или  коммутационных перенапряжений ОПН  включается параллельно оборудованию (рисунок 9 ).

Рисунок 9 –  Включение ОПН

 

Защитные  свойства ОПН объясняются вольт–амперной характеристикой варистора.

Вольт–амперная характеристика конкретного варистора зависит от многих факторов, в том числе от технологии изготовления, рода напряжения - постоянного или переменного, частоты переменного напряжения, параметров импульсов тока, температуры и др.

Типовая вольт-амперная характеристика варистора с наибольшим длительно допустимым напряжением 0.4 кВ в линейном масштабе приведена на рисунке 10.

Рисунок 10 - Вольт – амперная характеристика варистора

На вольт  – амперной характеристике варистора  можно выделить три характерных  участка: 1) область малых токов; 2) средних токов; 3) больших токов.

Область малых токов – это работа варистора  под рабочим напряжением, не превышающим  наибольшее допустимое рабочее напряжение. В данной области сопротивление  варистора весьма значительно. В  силу неидеальности варистора сопротивление хотя и велико, но не бесконечно. поэтому через варистор протекает ток, называемый током проводимости. Этот ток мал - десятые доли миллиамперметра.

При возникновении  грозовых или коммутационных импульсов  перенапряжений в сети варистор переходит  в режим средних токов. На границе  первой и второй областей происходит перегиб вольт – амперной характеристики, при этом сопротивление варистора  резко уменьшается (до долей Ома). Через варистор кратковременно протекает  импульс тока, который может достигать  десятков тысяч ампер. Варистор поглощает  энергию импульса перенапряжения, выделяя  затем её в виде тепла, рассеивая  в окружающее пространство. Импульс  перенапряжения сети “ срезается” (рисунок 11).

Рисунок 11 –  Зависимости напряжений

 

В третьей  области (больших токов) сопротивление варистора снова резко увеличивается. Эта область для варистора является аварийной.

 

Преимущества одноколонковых ОПН с полимерной изоляцией

По сравнению  с ОПНп в фарфоровых корпусах и многоколонковыми ОПНп, аппараты в полимерных корпусах одноколонковые имеют следующие преимущества:

- применение ОЦВ в одноколонковом исполнении позволяет обеспечить особенно глубокое ограничение перенапряжений и соответственно существенно более высокую надежность работы высоковольтного оборудования и более высокое качество параметров электрических сетей;

- уменьшение веса ОПНп в 10…20 раз позволяет установить их непосредственно на выводах трансформаторов и электродвигателей в ячейках КРУ, а также между фазами для глубокого ограничения междуфазовых перенапряжений;

- достигнута высокая стабильность характеристик ОЦВ. Существенно увеличена допустимая плотность тока через варисторы и доведена до 25…30 А/см при коммутационных импульсах. Такие характеристики ОЦВ при высокой степени нелинейности их вольтамперной характеристики обеспечивают значительное уменьшение размеров и массы ОПНп;  

- обеспечена возможность создания одноколокновых ОПНп на все классы напряжений, при этом максимально используется объем корпуса аппарата, что также значительно снижает массу ОПНп по сравнению с многоколонковыми ОПНп и существенно повышает надежность работы;  

- технология производства стеклопластиковых корпусов и нанесения на них защитного ребристого покрытия позволяет выпускать ОПНп в одноэлементном исполнении до 1…2м. При большей высоте ОПНп составляются из двух или нескольких модулей. Такая конструкция ОПНп обеспечивает минимальную металлоемкость и высоту ОПНп и существенно повышает надежность работы ОПНп при увлажнении загрязненной поверхности аппарата;  

- высокая механическая прочность и малая масса ОПНп позволяет устанавливать их не только на подстанциях, но и непосредственно на линиях электропередач без усиления конструкции опор. При этом появляется возможность ограничения грозовых перенапряжений на отдельных опорах высоковольтных сетей, например, на изолирующей подвеске переходов через водные препятствия большой ширины, на пересечениях двух линий, когда приходится применять опоры увеличенной высоты, либо в случаях, когда сопротивление заземления отдельных опор имеют повышенное значение по сравнению с другими опорами (например, на скальном грунте);  

- эффективно применение ОПН на подходах к подстанциям для ограничения грозовых перенапряжений; 

- применение подвесных ОПН на линиях позволяет обеспечить практически одинаковое ограничение коммутационных перенапряжений вдоль линии электропередач любой длины; 

- междуфазовые перенапряжения достигают того же уровня, что и перенапряжения относительно земли; 

- применение ОПН для вновь создаваемых ЛЭП позволит существенно уменьшить высоту опор, снизить их габариты и металлоемкость.

Достоинствами ОПН, по сравнению с вентильными  разрядниками, являются взрывобезопасность, более высокая надежность, снижение уровня перенапряжений, воздействующих на защищаемое оборудование, и возможность  контроля старения сопротивлений по току в рабочем режиме. Существенным недостатком ОПН и вентильных разрядников является невозможность обеспечения с их помощью защиты от квазистационарных перенапряжений (резонансные и феррорезонансные перенапряжения, смещение нейтрали при перемежающейся электрической дуге).